EP1857635A1 - Turbinenschaufel für eine Gasturbine - Google Patents

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EP1857635A1
EP1857635A1 EP06010252A EP06010252A EP1857635A1 EP 1857635 A1 EP1857635 A1 EP 1857635A1 EP 06010252 A EP06010252 A EP 06010252A EP 06010252 A EP06010252 A EP 06010252A EP 1857635 A1 EP1857635 A1 EP 1857635A1
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EP
European Patent Office
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platform
turbine blade
blade
airfoil
edge
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06010252A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP06010252A priority Critical patent/EP1857635A1/de
Priority to US11/803,495 priority patent/US20080107519A1/en
Publication of EP1857635A1 publication Critical patent/EP1857635A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for a gas turbine, comprising a platform and a transversely extending, aerodynamically profiled airfoil comprising a suction side airfoil wall and a pressure side airfoil wall extending from an upstream side leading edge to a trailing side trailing edge, along the During operation, the airfoil blade walls can flow hot gas, wherein the platform and / or one of the two airfoil walls has or have at least two adjacent regions. Furthermore, the invention relates to a gas turbine with such a turbine blade.
  • a cooled blade of a gas turbine which has meandering running inside cooling channels.
  • delimiting inner walls of the airfoil turbulators are provided which improve the heat transfer from the blade material in the cavity flowing through the coolant. Due to the increased heat transfer, the turbine blade can permanently withstand higher operating temperatures.
  • cracks can occur in the region of the hollow-throat-like transition from platform to blade, which is also referred to as "fillet", and / or in the platform due to impermissibly large temperature gradients. If the resulting cracks exceed a critical crack length, safe operation of the gas turbine equipped with such a turbine blade is not ensured.
  • a particularly long service life of the turbine blade is a design goal with which the availability of a gas turbine equipped therewith can be further increased.
  • the object of the invention is accordingly to provide a turbine blade for a gas turbine whose life is extended.
  • the task directed to the turbine blade is achieved with a generic turbine blade, which is designed according to the features of claim 1.
  • the invention is based on the finding that the wear and the crack formation and the subsequent crack growth are thermally induced.
  • the material of the turbine blade is exposed to thermal stresses, since significantly different material temperatures occur in at least two adjoining regions of the turbine blade. Usually, these areas are influenced by suitable measures, for example by taking place in the interior of the turbine blade cooling such that they withstand the temperatures.
  • the cooling of the areas is often flat and thus can not be adjusted to local requirements, for example due to convective cooling, the thermally differently loaded areas are cooled evenly, resulting in particularly large temperature gradients in the blade material.
  • these high temperature gradients lead to life-shortening cracking and crack growth.
  • the two adjoining material regions of the turbine blade now have different hot gas side (ie the occurring between the blade material and the hot gas) heat transfer coefficients to match the thermal stresses occurring during operation of the areas. Due to the sometimes difficult to adjust cold side (ie occurring between the blade material and the coolant) heat transfer coefficient now the hot gas heat transfer coefficient is adjusted for equalization of the temperatures in the blade material for the first time. As a result, the local thermal stresses that occur between the two areas can be significantly reduced. To achieve this, it is provided in a generic turbine blade that a Means for adjusting the local hot gas heat transfer coefficient is arranged in one of the areas. Due to the equalized thermal stress between the two adjacent areas cracks occur less frequently than before.
  • a particularly durable turbine blade can be specified, with which also the disposal period of a gas turbine equipped with it is further increased.
  • the proposed measure extends the low cycle fatigue life (LCF) for the platform and its transition into the airfoil, ie in the fillet.
  • the proposed measure leads to increased heat input due to increased turbulence in the flow, whereby the difference in material temperatures of higher loaded area and lower loaded area is reduced. Due to the reduced difference in the material temperatures, a lower thermal stress occurs between the two areas, so that a homogenization of the material temperature is achieved, which has a life-extended effect on the turbine blade.
  • region of the platform has the swirling elements which adjoin the suction-side airfoil wall.
  • the swirl elements are provided in the middle region of the platform, which, viewed in the direction of flow of the hot gas, lies between the front edge and the rear edge.
  • Airfoil comparatively high temperature gradients along the platform, which favor the defects such as cracking and crack growth. Accordingly, the provision of the agents according to the invention in this area is of particular advantage. Since the cracking also occurs at the edge of the platform, the swirling elements can also be provided at this point.
  • Turbulators dimples, ribs or pins are used as swirling elements. These known configurations serve to increase the turbulence of the passing hot gas so as to enlarge the hot gas side heat transfer coefficient.
  • the platform can also have a corrugated surface as means for setting different heat transfer coefficients, the wavefront of the wave form being oriented transversely, preferably vertically, to the flow direction of the hot gas.
  • the wave crests of the waveform serve to slightly increase the turbulence in the hot gas flow, thereby slightly increasing the heat transfer coefficient on the hot gas side surface.
  • the wave troughs of the waveform occurs a slightly slowed flow, whereby the heat transfer coefficient is slightly lowered at this point.
  • the troughs and the wave crests are arranged in areas in which previously different thermal stresses occurred. Consequently, an approximation of the thermal stresses occurring during operation can also be achieved with a preferably slightly wave-like surface.
  • the platform preferably has a first transverse edge which can be anvoked by the hot gas and a second transverse edge which lies opposite the first transverse edge, the platform having only two concave troughs along the longitudinal extension of the platform between the first and second transverse edges.
  • the proposed measures have been found to be particularly efficient when the turbine blade has been produced in a casting process, that is cast, and in which the blade and / or the platform is coolable, preferably convective cooling is or is.
  • convectively cooled turbine blades experience a comparatively uniform cooling along the cooling channel, in which the coolant, usually cooling air, flows.
  • the adaptation of the hot gas heat transfer coefficient is particularly appropriate here.
  • the turbine blade is also heat insulation layer free and thus designed to withstand material temperatures of 850 ° C to 1000 ° C. These temperatures usually occur in the second or third turbine stage of a stationary, used for power generation gas turbine.
  • a designed as a blade turbine blade 10 is shown in a perspective view, which has a hammer-shaped in cross section mounting foot 12 for receiving in a groove, not shown, of the rotor disk of the rotor of a gas turbine.
  • a platform 14 connects, which radially the flow channel of the turbine, d. H. bounded transversely to the direction of the Z-axis.
  • an airfoil 18 extending transversely to the platform 14, which comprises a suction-side airfoil wall 20 and a pressure-side airfoil wall 22 which extend from an upstream-side leading edge 24 to a downstream trailing edge 26.
  • the hot gas 28 flowing through the turbine during operation which flows around the airfoil 18 essentially in the axial direction X, is referred to.
  • the turbine blade 10 is uncoated, i. it has no thermal barrier layer, and is intended for use in the second or third turbine stage of the stationary gas turbine
  • the blade 18 of the turbine blade 10 is partially hollow and has two separated by a support rib 30 cavities 32, which can be traversed in parallel by a fastening side supplied coolant, preferably cooling air 36 in the radial direction Z.
  • the airfoil 18 of a generic turbine blade heats up to about 850 ° C to 1000 ° C, and it is cooler, especially at its trailing edge 26 near the platform 14 in a pressure-side region 38 as opposed Suction-side region 40.
  • the region 38 is generally more than 130 ° C cooler than the region 40th
  • 26 turbulators 44 are provided according to the invention to equalize the thermal stress on the suction side region 38 at the trailing edge 26, the heat transfer coefficient ⁇ , based on the other of the two areas 40, increased, which also increases the heat input from the hot gas 28 into the blade material, contrary to the otherwise usual efforts. Due to the larger heat input 38, the blade material is warmer in this area than without the arrangement of turbulators 44. However, the permissible material temperature is not exceeded. Since the opposite region 40 is much more heavily loaded in operation on the suction side airfoil wall 20, ie generally warmer than 130.degree.
  • the swirling elements 42 may be designed as turbulators 44, dimples, as ribs or pins and be made directly during the casting of the turbine blade 10 with.
  • Turbulators 44 can be used both as rib-shaped, d. H. be substantially along its longitudinal extension straight ribs or be designed as crescent-shaped ribs.
  • FIG. 2 shows a cross section through the blade 18 of the turbine blade 10 as a plan view, wherein the blade 18 now has four cavities 32, which are sequentially flowed through by cooling air 36.
  • thermal stresses occur due to the hot gas flowing along 28, which depends on the suction-side width of the platform 14 seen in the circumferential direction Y - between the edge 50 of the platform and the suction-side airfoil wall 20.
  • the suction-side width of the platform 14 is greater than in a second region B.
  • the suction-side width between the platform edge 50 and the blade 18 increases again. In these areas occur due to the cooling of the airfoil 18 different thermal gradients that could previously lead to defects.
  • area B was previously affected by crack growth.
  • the surface 16 of the platform 14 is provided with locally swirling elements 42 in the form of turbulators 44, which increase the heat input of the hot gas 28 flowing past it into the turbine blade material.
  • the temperature difference between the first region A and the third region C, which were hitherto more strongly temperature-stressed, and the region B, which was previously less thermally stressed, can be significantly reduced, as a result of which the thermal stress between the regions A, B, C is evened out. Cracking and crack growth can be effectively avoided, resulting in a longer life for the turbine blade 10.
  • FIG. 3 shows the temperature profile T in the platform material 14 along the axial direction X.
  • the temperature T A of the region A of the inflow-side transverse edge 52 is comparatively high, for example 850 ° C., and decreases in the direction of the hot gas 28 flowing along up to a temperature minimum T B , which is to be found in area B. From there, the material temperature again increases to a mean temperature value T c , which occurs in operation in the area of the downstream transverse edge 54 of the platform 14.
  • the temperatures can be measured with a suitable measuring method or can be determined simulatively with the aid of a finite element calculation program. So far, the temperature difference between the region A and the region B in the order of magnitude greater than 130 ° C.
  • the heat transfer coefficient ⁇ as a function of the X-axis.
  • the hot gas side heat transfer coefficient ⁇ is greater than in the regions A and C, which are to be found at the inlet end 52 of the platform 14 and at the outlet end 54 of the platform 14.
  • This wave-like characteristic of the heat transfer coefficient ⁇ along the platform 14 goes back to the swirling elements 42, which are provided in the area B for the adjustment of the material temperatures of the platform 14.
  • FIG 5 shows in an alternative embodiment, the surface 16 of the platform 14 along the section line VV of FIG 2.
  • the surface 16 is wavy, so that they height of the platform, viewed in the radial direction Z, in the area B. is increased compared to the areas A and C.
  • a maximum B is provided between the troughs A and C, which also leads to a demand-adapted heat transfer coefficient ⁇ .
  • the wavefront of the undulating surface 16 of the platform 14 may be transverse to the flow direction of the hot gas 28 or perpendicular to the platform edge 50th
  • the lifetime of the turbine blade 10 according to the invention compared to a generic turbine blade can be significantly extended, since in one of at least two previously different thermal load areas an adaptation of the hot gas heat transfer coefficient ⁇ to equalize the thermal stresses and material temperatures is proceeding.

Abstract

Es wird eine Turbinenschaufel (10) mit einer Plattform (14) und einem sich quer dazu erstreckenden aerodynamisch profilierten Schaufelblatt (18) vorgestellt, welches eine saugseitige Schaufelblattwand (20) und eine druckseitige Schaufelblattwand (22) umfasst, die sich von einer anströmseitigen Vorderkante (24) zu einer abströmseitigen Hinterkante (26) erstrecken, bezogen auf ein entlang der Plattform (14) bzw. der Schaufelblattwände (20,22) im Betrieb strömbares Heißgas (28), wobei die Plattform (14) und/oder eine der beiden Schaufelblattwände (20,22) zumindest zwei benachbarte Bereiche (38,40,A,B,C) aufweist bzw. aufweisen. Zur Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel (10) durch Angleichung der im Betrieb dort auftretenden thermischen Spannungen weisen die beiden Bereiche (38,40,A,B,C) unterschiedliche heißgasseitige Wärmeübergangskoeffizienten (±) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, mit einer Plattform und einem sich quer dazu erstreckenden, aerodynamisch profiliertem Schaufelblatt, welches eine saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand umfasst, die sich von einer anströmseitigen Vorderkante zu einer abströmseitigen Hinterkante erstrecken, bezogen auf ein entlang der Schaufelblattwände im Betrieb strömbares Heißgas, wobei die Plattform und/oder eine der beiden Schaufelblattwände zumindest zwei benachbarte Bereiche aufweist bzw. aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine mit einer derartigen Turbinenschaufel.
  • Aus der EP 1 469 163 A2 ist hierzu eine gekühlte Laufschaufel einer Gasturbine bekannt, die im Inneren mäanderförmig verlaufende Kühlkanäle aufweist. An den die Hohlräume begrenzenden Innenwänden des Schaufelblattes sind Turbulatoren vorgesehen, die den Wärmeübergang vom Schaufelmaterial in das den Hohlraum durchströmende Kühlmittel verbessern. Durch den erhöhten Wärmeübergang kann die Turbinenschaufel höheren Betriebstemperaturen dauerhaft standhalten.
  • Nachteilig ist hierbei, dass im Bereich des hohlkehlartigen Übergangs von Plattform zu Schaufelblatt, der auch als "Fillet" bezeichnet wird, und/oder in der Plattform aufgrund unzulässig großer Temperaturgradienten Risse auftreten können. Überschreiten die entstandenen Risse eine kritische Risslänge, so ist ein sicherer Betrieb der mit einer solchen Turbinenschaufel ausgestatteten Gasturbine nicht gewährleistet.
  • Demnach ist eine besonders hohe Lebensdauer der Turbinenschaufel ein Auslegungsziel, mit dem die Verfügbarkeit einer damit ausgerüsteten Gasturbine weiter erhöht werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Bereitstellung einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine, deren Lebensdauer verlängert ist.
  • Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, welche nach den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestaltet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verschleiß und die Rissentstehung sowie das anschließende Risswachstum thermisch bedingt sind. Das Material der Turbinenschaufel ist thermischen Spannungen ausgesetzt, da in mindestens zwei aneinander grenzenden Bereichen der Turbinenschaufel wesentlich unterschiedliche Materialtemperaturen auftreten. Üblicher Weise werden diese Bereiche durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch eine im Innern der Turbinenschaufel stattfindenden Kühlung derart beeinflusst, dass diese den Temperaturen standhalten. Da jedoch die Kühlung der Bereiche häufig flächig erfolgt und somit nicht auf lokale Anforderungen einstellbar ist, beispielsweise aufgrund einer konvektiven Kühlung, werden die thermisch unterschiedlich belasteten Bereiche gleichmäßig gekühlt, wodurch besonders große Temperaturgradienten im Schaufelmaterial entstehen. Diese hohen Temperaturgradienten führen jedoch zu lebensdauerverkürzender Rissentstehung und Risswachstum. Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die beiden aneinander grenzenden Materialbereiche der Turbinenschaufel nun unterschiedliche heißgasseitige (d.h. der zwischen Schaufelmaterial und dem Heißgas auftretende) Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen, um die im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen der Bereiche anzugleichen. Aufgrund des unter Umständen nur schwer einstellbaren kaltseitigen (d.h. zwischen dem Schaufelmaterial und dem Kühlmittel auftretenden) Wärmeübergangskoeffizienten wird nun erstmalig der heißgasseitige Wärmeübergangskoeffizient zur Vergleichmäßigung der Temperaturen im Schaufelmaterial eingestellt. Hierdurch können die lokalen thermischen Spannungen, welche zwischen den beiden Bereichen auftreten, wesentlich verringert werden. Um dies zu erreichen, ist bei einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel vorgesehen, dass ein Mittel zur Einstellung des dortigen heißgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten in einem der Bereiche angeordnet ist. Durch die angeglichene thermische Spannung zwischen den beiden benachbarten Bereichen entstehen so seltener Risse als bisher. Und selbst wenn Risse auftreten sollten, wird deren Wachstum im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenschaufel nur verlangsamt stattfinden. Dementsprechend kann mit der Erfindung eine besonders langlebige Turbinenschaufel angegeben werden, mit der auch die Verfügungsdauer einer damit ausgerüsteten Gasturbine weiter erhöht wird. Insbesondere wird durch die vorgeschlagene Maßnahme die Ermüdungslebensdauer (Low Cycle Fatigue = LCF) für die Plattform und deren Übergang in das Schaufelblatt, d. h. im Fillet, verlängert.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der als das Mittel zur Einstellung unterschiedlicher heißgasseitiger Wärmeübergangskoeffizienten im geringer belasteten Bereich der Plattform bzw. der Schaufelblattwand heißgasseitig Verwirbelungselemente vorgesehen sind. Entgegen der weitläufigen Auffassung, den Wärmeeintrag aus dem Heißgas in das Schaufelmaterial stets so gering wie möglich zu halten, führt die hier vorgeschlagene Maßnahme zu einem erhöhten Wärmeeintrag aufgrund gesteigerter Turbulenz in der Strömung, wodurch die Differenz der Materialtemperaturen von höher belastetem Bereich und niedriger belastetem Bereich verringert wird. Aufgrund der verringerten Differenz der Materialtemperaturen tritt eine geringere thermische Spannung zwischen den beiden Bereichen auf, so dass eine Vergleichmäßigung der Materialtemperatur erreicht wird, die sich auf die Turbinenschaufel lebensdauerverlängert auswirkt.
  • Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass derjenige Bereich der Plattform die Verwirbelungselemente aufweist, welcher an die saugseitige Schaufelblattwand angrenzt. Vorzugsweise sind die Verwirbelungselemente im mittleren Bereich der Plattform vorgesehen, welcher in Strömungsrichtung des Heißgases betrachtet, zwischen Vorderkante und Hinterkante liegt. Insbesondere in diesem saugseitigen Bereich der Plattform treten aufgrund des mit mehr Masse angereicherten "Fillets" und der gewöhnlicher Weise konvektiv gekühlten Plattform resp. Schaufelblatt vergleichsweise hohe Temperaturgradienten entlang der Plattform auf, die die Defekte wie Rissentstehung und Risswachstum begünstigen. Dementsprechend ist das Vorsehen der erfindungsgemäßen Mittel in diesem Bereich von besonderem Vorteil. Da die Rissentstehung außerdem auch am Rand der Plattform auftritt, können die Verwirbelungselemente auch an dieser Stelle vorgesehen sein.
  • Als Verwirbelungselemente kommen Turbulatoren, Dimpel, Rippen oder Pins zum Einsatz. Diese bekannten Ausgestaltungen dienen zu Anfachung der Turbulenz des vorbeiströmenden Heißgases, um so den heißgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten zu vergrö-βern.
  • Anstelle von Verwirbelungselementen kann als Mittel zur Einstellung unterschiedlicher Wärmeübergangskoeffizienten die Plattform auch eine gewellte Oberfläche aufweisen, wobei die Wellenfront der Wellenform zur Strömungsrichtung des Heißgases quer, vorzugsweise senkrecht, ausgerichtet ist. Die Wellenberge der Wellenform dienen dabei zur leichten Steigerung der Turbulenz in der Heißgasströmung, wodurch sich der Wärmeübergangskoeffizient auf der heißgasseitigen Oberfläche geringfügig erhöht. In den Wellentälern der Wellenform tritt eine geringfügig verlangsamte Strömung auf, wodurch sich der Wärmübergangskoeffizient an dieser Stelle geringfügig absenkt. Die Wellentäler und die Wellenberge sind in Bereichen angeordnet, in denen bisher unterschiedliche thermische Spannungen auftraten. Folglich kann auch mit einer vorzugsweise geringfügig wellenartigen Oberfläche eine Angleichung der beim Betrieb auftretenden thermischen Spannungen erreicht werden.
  • Vorzugsweise weist die Plattform eine erste, vom Heißgas anströmbare Querkante und eine der ersten Querkante gegenüberliegende zweite Querkante auf, wobei entlang der Längserstreckung der Plattform zwischen erster und zweiter Querkante die Plattform lediglich zwei konkave Wellentäler aufweist.
  • Die vorgeschlagenen Maßnahmen haben sich als besonders effizient herausgestellt, wenn die Turbinenschaufel in einem Gießverfahren hergestellt worden ist, also gegossen ist, und bei der das Schaufelblatt und/oder die Plattform kühlbar, vorzugsweise konvektiv kühlbar sind bzw. ist. Insbesondere konvektiv gekühlte Turbinenschaufeln erfahren eine vergleichsweise gleichmäßige Kühlung entlang des Kühlkanals, in dem das Kühlmittel, meistens Kühlluft, strömt. Dementsprechend ist die Anpassung des heißgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten hier besonders angebracht. Zweckmäßigerweise ist die Turbinenschaufel auch wärmedammschichtfrei und somit ausgelegt, Materialtemperaturen von 850 °C bis 1000 °C auszuhalten. Diese Temperaturen treten üblicherweise in der zweiten oder dritten Turbinenstufe einer stationären, zur Stromerzeugung eingesetzten Gasturbine auf.
  • Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner wird bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel verwiesen. Es zeigen:
    • FIG 1
    die perspektivische Darstellung einer Turbinenlaufschaufel,
    FIG 2
    die geschnittene Draufsicht auf eine Turbinenlaufschaufel,
    FIG 3
    den Temperaturverlauf entlang der Plattform der Turbinenschaufel,
    FIG 4
    den angepassten Wärmeübergangskoeffizienten α entlang der Plattform der Turbinenschaufel und
    FIG 5
    die wellige Plattform im Querschnitt gemäß Schnittlinie V-V.
  • In FIG 1 ist in perspektivischer Darstellung eine als Laufschaufel ausgebildete Turbinenschaufel 10 gezeigt, welche einen im Querschnitt hammerförmigen Befestigungsfuß 12 zur Aufnahme in einer nicht dargestellten Nut der Rotorscheibe des Rotors einer Gasturbine hat. An den Befestigungsfuß 12 schließt sich eine Plattform 14 an, welche den Strömungskanal der Turbine radial, d. h. quer zur Richtung der Z-Achse begrenzt. An der Oberfläche 16 der Plattform 14 ist ein sich quer zur Plattform 14 erstreckendes Schaufelblatt 18 vorgesehen, welches eine saugseitige Schaufelblattwand 20 und eine druckseitige Schaufelblattwand 22 umfasst, die sich von einer anströmseitigen Vorderkante 24 zu einer abströmseitigen Hinterkante 26 erstrecken. Anströmseitig und abströmseitig bezieht sich dabei jeweils auf das im Betrieb die Turbine durchströmende Heißgas 28, welches das Schaufelblatt 18 im Wesentlichen in Axialrichtung X umströmt. Die Turbinenschaufel 10 ist unbeschichtet, d.h. sie weist keine Wärmedammschicht auf, und für den Einsatz in der zweiten oder dritten Turbinenstufe der stationären Gasturbine vorgesehen
  • Das Schaufelblatt 18 der Turbinenschaufel 10 ist teilweise hohl ausgebildet und weist zwei von einer Stützrippe 30 separierte Hohlräume 32 auf, welche parallel von einem befestigungsseitig zugeführten Kühlmittel, vorzugsweise Kühlluft 36, in Radialrichtung Z durchströmt werden kann.
  • Während des Betriebes der vorzugsweise stationären Gasturbine erwärmt sich das Schaufelblatt 18 einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel auf ca. 850 °C bis 1000 °C, wobei es insbesondere an seiner Hinterkante 26 nahe der Plattform 14 in einem druckseitigen Bereich 38 kühler ist als im gegenüberliegenden saugseitigen Bereich 40. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenschaufel ist der Bereich 38 in der Regel mehr als 130 °C kühler als der Bereich 40.
  • Da die gegossene Turbinenschaufel somit zwei aneinander grenzende Bereiche 38, 40 aufweist, die in Betrieb unterschiedlich belastet sind, sind erfindungsgemäß zur Angleichung der thermischen Spannung an dem saugseitigen Bereich 38 an der Hinterkante 26 Turbulatoren 44 vorgesehen, die den heißgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten α, bezogen auf den anderen der beiden Bereiche 40, vergrößert, wodurch sich auch der Wärmeeintrag aus dem Heißgas 28 in das Schaufelmaterial vergrößert, entgegen den sonst üblichen Bestrebungen. Aufgrund des größeren Wärmeeintrages ist in diesem Bereich 38 das Schaufelmaterial wärmer als ohne die Anordnung von Turbulatoren 44. Die zulässige Materialtemperatur wird dabei jedoch nicht überschritten. Da der gegenüberliegende Bereich 40 an der saugseitigen Schaufelblattwand 20 in Betrieb ohnehin wesentlich stärker belastet ist, d. h. in der Regel mehr als 130 °C wärmer ist, würde ohne Vorhandensein der Turbulatoren 44 eine zu große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Bereichen 38, 40 im Schaufelmaterial auftreten, was die thermischen Spannungen an diesen Stellen auf einem unzulässig hohem Niveau halten würde, sofern mit der erfindungsgemäßen Maßnahme nicht wirksam entgegen gewirkt wird. Die druckseitig vorgesehenen Turbulatoren 44 im plattformnahen Bereich nahe der Hinterkante 26 verbessern den Wärmeübergang vom Heißgas 28 in das Schaufelmaterial, so dass bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 die Differenz zwischen der Temperatur im saugseitigen Schaufelmaterial und im druckseitigen Schaufelmaterial derart angeglichen ist, dass ein Unterschied von weniger als 100 °C erreicht werden kann. Aufgrund der verringerten Temperaturgradienten treten dementsprechend geringere thermische Spannungen auf, so dass die beiden Bereiche 38, 40 dauerhaft frei von kritischen und lebensdauerverkürzenden Ermüdungserscheinungen wie Risse bleiben.
  • Die Verwirbelungselemente 42 können als Turbulatoren 44, Dimpels, als Rippen oder Pins ausgestaltet sein und unmittelbar beim Gießen der Turbinenschaufel 10 mit angefertigt worden sein. Turbulatoren 44 können sowohl als rippenförmige, d. h. im Wesentlichen entlang ihrer Längserstreckung gerade verlaufende Rippen oder auch als sichelförmige Rippen ausgebildet sein.
  • FIG 2 zeigt einen Querschnitt durch das Schaufelblatt 18 der Turbinenschaufel 10 als Draufsicht, wobei das Schaufelblatt 18 nun vier Hohlräume 32 aufweist, die sequentiell von Kühlluft 36 durchströmbar sind. Im Material der Plattform 14 treten aufgrund des entlang strömenden Heißgases 28 thermische Spannungen auf, welche von der in Umfangsrichtung Y gesehenen saugseitigen Breite der Plattform 14 - zwischen dem Rand 50 der Plattform und der saugseitigen Schaufelblattwand 20 - abhängig ist. In einem ersten Bereich A ist die saugseitige Breite der Plattform 14 größer als in einem zweiten Bereich B. In einem dritten Bereich C nimmt die saugseitige Breite zwischen Plattformrand 50 und Schaufelblatt 18 wieder zu. In diesen Bereichen treten aufgrund der Kühlung des Schaufelblattes 18 unterschiedliche thermische Gradienten auf, die bisher zu Defekten führen konnten. Insbesondere der Bereich B war bisher von Risswachstum betroffen. Um die Temperaturgradienten im Schaufelmaterial, insbesondere im Bereich B, zu reduzieren, sind der Oberfläche 16 der Plattform 14 lokal Verwirbelungselemente 42 in Form von Turbulatoren 44 vorgesehen, die den Wärmeeintrag des dran vorbeiströmenden Heißgases 28 in das Turbinenschaufelmaterial vergrößern. Der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich A bzw. dem dritten Bereich C, welche bisher ohnehin stärker temperaturbelastet waren, und dem Bereich B, welcher bisher geringer temperaturbelastet war, kann signifikant reduziert werden, wodurch insgesamt die thermische Spannung zwischen den Bereichen A, B, C vergleichmäßigt wird. Rissentstehung und Risswachstum können wirksam vermieden werden, so dass sich eine verlängerte Lebensdauer für die Turbinenschaufel 10 ergibt.
  • Figur 3 zeigt den Temperaturverlauf T im Plattformmaterial 14 entlang der Axialrichtung X. Die Temperatur TA des Bereichs A der anströmseitigen Querkante 52 ist vergleichsweise hoch, beispielsweise 850°C, und nimmt in Richtung des entlang strömenden Heißgases 28 bis zu einem Temperaturminimum TB ab, welches im Bereich B vorzufinden ist. Von dort an nimmt die Materialtemperatur wieder auf einen mittleren Temperaturwert Tc zu, welcher im Bereich der abströmseitigen Querkante 54 der Plattform 14 im Betrieb auftritt. Die Temperaturen können mit einem geeigneten Messverfahren gemessen oder mit Hilfe eines Finite-Element-Rechenprogramms simulativ ermittelt werden. Bisher war der Temperaturunterschied zwischen dem Bereich A und dem Bereich B in einer Größenordnung größer 130 °C. Daraus ergibt sich ein Temperaturgradient, bezogen auf eine Strecke von ca. 10 cm, der im Schaufelmaterial zu thermischen Spannungen führt und Risswachstum begünstigen kann. Aufgrund der Anordnung von Verwirbelungselementen 42 im Bereich B wurde der Unterschied der Temperatur TA und TB auf einen Wert von unter 100 °C reduziert, so dass die temperaturbehafteten Spannungen so weit reduziert werden konnten, dass Rissentstehung und -wachstum erst verzögert oder gar nicht eintritt.
  • FIG 4 zeigt den Wärmeübergangskoeffizienten α in Abhängigkeit von der X-Achse. Im Bereich B ist der heißgasseitige Wärmeübergangskoeffizient α größer als in den Bereichen A und C, die am eintrittsseitigen Ende 52 der Plattform 14 als auch am austrittsseitigen Ende 54 der Plattform 14 vorzufinden sind. Diese wellenartige Kennlinie des Wärmeübergangskoeffizienten α entlang der Plattform 14 geht auf die Verwirbelungselemente 42 zurück, die im Bereich B zur Angleichung der Materialtemperaturen der Plattform 14 vorgesehen sind.
  • FIG 5 zeigt in einer alternativen Ausgestaltung die Oberfläche 16 der Plattform 14 entlang der Schnittlinie V-V der FIG 2. Anstelle von Verwirbelungselementen 42 ist die Oberfläche 16 wellig ausgebildet, so dass sie Höhe der Plattform, in Radialrichtung Z betrachtet, im Bereich B gegenüber den Bereichen A und C erhöht ist. Somit ist zwischen den Wellentälern A und C ein Maximum B vorgesehen, welches ebenso zu einem bedarfsgerecht angepassten Wärmeübergangskoeffizienten α führt. Die Wellenfront der wellenförmigen Oberfläche 16 der Plattform 14 kann quer zur Strömungsrichtung des Heißgases 28 verlaufen oder auch senkrecht zum Plattformrand 50.
  • Obwohl die Verwirbelungselemente 42 geringfügige aerodynamische Strömungsverluste im Heißgas 28 hervorrufen, kann die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 verglichen mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel signifikant verlängert werden, da in einen von mindestens zwei bisher unterschiedlich belasteten thermischen Bereichen eine Anpassung des heißgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten α zur Angleichung der thermischen Spannungen und Materialtemperaturen vorgehen ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Turbinenschaufel
    12
    Befestigungsfuß
    14
    Plattform
    16
    Oberfläche
    18
    Schaufelblatt
    20, 22
    Schaufelblattwand
    24
    Vorderkante
    26
    Hinterkante
    28
    Heißgas
    30
    Stützrippe
    32
    Hohlräume
    36
    Kühlluft
    38, 40
    Bereich
    42
    Verwirbelungselemente
    44
    Turbulatoren
    50
    Plattformrand
    52, 54
    Querkante
    A, B, C
    Bereich
    T
    Temperaturverlauf
    TA, TB, TC
    Temperatur
    X
    Axialrichtung
    Y
    Umfangsrichtung
    Z
    Radialrichtung

Claims (12)

  1. Turbinenschaufel (10),
    mit einer Plattform (14) und einem sich quer dazu erstreckenden aerodynamisch profilierten Schaufelblatt (18), welches eine saugseitige Schaufelblattwand (20) und eine druckseitige Schaufelblattwand (22) umfasst, die sich von einer anströmseitigen Vorderkante (24) zu einer abströmseitigen Hinterkante (26) erstrecken, bezogen auf ein entlang der Plattform (14) bzw. der Schaufelblattwände (20, 22) im Betrieb strömbares Heißgas (28),
    wobei die Plattform (14) und/oder eine der beiden Schaufelblattwände (20, 22) zumindest zwei benachbarte Bereiche (38, 40, A, B, C) aufweist bzw. aufweisen
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Bereiche (38, 40, A, B, C) durch ein in einem der Bereiche (38 ,B) angeordnetes Mittel unterschiedliche heißgasseitige Wärmeübergangskoeffizienten (α) aufweisen, um die im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen der Bereiche (38, 40, A, B, C) anzugleichen.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
    bei der als das Mittel zur Einstellung des Wärmeübergangskoeffizienten (α) im geringer belasteten Bereich (38, B) der Plattform (14) bzw. der Schaufelblattwand (20, 22) heißgasseitig Verwirbelungselemente (42) vorgesehen sind.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
    bei der derjenige Bereich (38, B) der Plattform (14) die Verwirbelungselemente (42) aufweist, welcher an die saugseitige Schaufelblattwand (20) angrenzt.
  4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 3,
    bei der die Verwirbelungselemente (42) im mittleren Bereich (38, B) der Plattform (14) vorgesehen sind, welcher in Strömungsrichtung des Heißgases (28) betrachtet zwischen Vorderkante (24) und Hinterkante (26) liegt.
  5. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Verwirbelungselemente (42) am Rand (50) der Plattform (14) vorgesehen sind.
  6. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der an der druckseitigen Schaufelblattwand (22) nahe der Hinterkante (26) die Verwirbelungselemente (42) angeordnet sind.
  7. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    wobei als Verwirbelungselemente (42) Turbulatoren (44), Dimpel, Rippen oder Pins vorgesehen sind.
  8. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
    bei der als Mittel zur Einstellung unterschiedlicher Wärmeübergangskoeffizienten (α) die Plattform (14) eine gewellte Oberfläche (16) aufweist, wobei die Wellenfront der Wellenform zur Strömungsrichtung des Heißgases (28) quer ausgerichtet ist.
  9. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 8,
    bei der die Plattform (14) eine erste vom Heißgas (28) anströmbare Querkante (52) und eine der ersten Querkante (52) gegenüberliegende zweite Querkante (54) aufweist,
    wobei entlang der Längserstreckung der Plattform (14) zwischen erster und zweiter Querkante (52, 54) die Plattform (14) zwei konkave Wellentäler aufweist.
  10. Gegossene Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    bei der das Schaufelblatt (18) und/oder die Plattform (14) kühlbar sind bzw. ist.
  11. Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die wärmedämmschichtfrei ist.
  12. Turbine mit einer Turbinenschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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