EP1907669A1

EP1907669A1 - Gekühlte turbinenschaufel für eine gasturbine und verwendung einer solchen turbinenschaufel

Info

Publication number: EP1907669A1
Application number: EP06764210A
Authority: EP
Inventors: Alexander Ralph Beeck; Stefan Irmisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-04-09
Also published as: JP2009503331A; JP4879267B2; WO2007012590A1; US20070020100A1; CN101233298A; US7467922B2; CN101233298B

Abstract

Es wird eine Turbinenschaufel (50) für eine Gasturbine (1) vorgestellt, mit einen Schaufelfuß (52) , an dem aufeinander folgend ein Plattformbereich mit einer quer verlaufenden Plattform (54) und daran ein sich in Längsrichtung (L) gekrümmtes Schaufelprofil (56) anschließt, mit einer an der Plattform (54) vorgesehenen heißgasbeauf schlagbaren Plattformoberfläche (61) und mit mindestens einem fußseitig offenen und von einem Kühlmittel (60) durchströmbaren Hohlraum (58, 96a, 96c) , der sich durch den Schaufelfuß (52) und zumindest in den Plattformbereich hinein erstreckt und von einer Innenwand (59) umgeben ist, deren im Plattformbereich verlaufende Kontur gegenüber der im Schaufelfuß (52) verlaufenden Kontur unter Bildung einer Ausnehmung (63) zurückversetzt ist. Um eine mit einer verlängerten Ermüdungslebensdauer bei gleichzeitiger Einsparung von Kühlluft Turbinenschaufel bereitzustellen, wird vorgeschlagen zurückzuversetzen, die Ausnehmung (63) als Teilhohlraum (51) derart tief in die Plattform (54) , dass diese unter Bildung einer zumindest teilweise hohlen Plattform (54) der Plattformoberfläche (61) gegenüberliegt und dass mindestens ein Mittel (73, 80, 92, 82) zum Umlenken des Kühlmittels (60) in den Teilhohlraum (51) vorgesehen ist.

Description

Gekühlte Turbinenschaufel für eine Gasturbine und Verwendung einer solchen Turbinenschaufel

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, mit einem Schaufelfuß, an dem sich aufeinander folgend ein Plattformbereich mit einer quer verlaufenden Plattform und daran ein in Längsrichtung gekrümmtes Schaufelprofil sich anschließt, mit mindestens einem fußseitig offenen und von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum, der sich durch den Schaufelfuß und den Plattformbereich in das Schaufelprofil hinein erstreckt. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Turbinenschaufel.

Aus der EP 1 355 041 A2 ist eine derartige Turbinenschaufel bekannt. Die gegossene Turbinenschaufel weist einen Hohlraum auf, der sich vom Schaufelfuß durch die Plattform hindurch in das Schaufelprofil hinein erstreckt. Entlang seiner Erstreckung ist der Hohlraum im Querschnitt im Wesentlichen konstant. Der Hohlraum wird von einer Innenwand umgeben und weist einen, lediglich im Bereich der Plattform vergrößerten Querschnitt auf, indem die Innenwand im Bereich der Plattform zu dieser zurückversetzt ist. Die Materialstärke im Übergangsbereich zwischen Schaufelprofil und dazu quer ausragender Plattform bleibt dadurch konstant, so dass der dazwischen liegende Übergang besser kühlbar ist.

Außerdem zeigt FIG 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte als Laufschaufel ausgebildete hohle Turbinenschaufel 30 in perspektivische Ansicht. Die Turbinenschaufel 30 umfasst einen Schaufelfuß 32, an dem entlang einer Schaufelachse eine Plattform 34 und daran ein Schaufelprofil 36 angeordnet ist. Das Schaufelprofil 36 ist nicht in vollständiger Höhe, sondern verkürzt dargestellt. Der in der Turbinenschaufel 30 zur Kühlung vorgesehene Hohlraum ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Sowohl die Plattform 34 als auch der Schaufelfuß 32 erstrecken sich geradlinig entlang einer Axialrichtung A, bezogen auf die Einbaulage der Gasturbinenschaufel. FIG 3 zeigt den Hohlraum 58, der sich vom Schaufelfuß 32 bis in das Schaufelprofil 36 erstreckt und in dem ein Kühlmittel strömen kann.

FIG 3 zeigt im Querschnitt die in FIG 2 dargestellte Turbinenschaufel 30. Aufgrund des in Axialrichtung A geradlinigen Schaufelfußes 32 und der dazu parallel ausgeführten geradlinigen Plattform 34 kommt es entlang der Axialrichtung A zu quer dazu ausragenden Plattformüberhängen 46 mit unterschiedlichen Plattformbreiten B.

Während des Betriebes der Gasturbine treten an der Turbinenschaufel mechanische Fliehkraftbelastungen und thermische Spannungen zwischen dem relativ kalten und dünnwandigen Schaufelprofil und der häufig heißeren Plattform auf. Die hohen Spannungen in der Plattform und im

Übergangsbereich wirken sich auf die Ermüdungslebensdauer der gesamten Turbinenschaufel begrenzend aus. Außerdem ist besonders bei hoch umlenkenden und demnach stark gewölbten Turbinenschaufeln die Ermüdungslebensdauer durch die abschnittsweise einseitig überhängenden Plattformen weiter verringert. Die breiten Plattformüberhänge sind aufwändig zu kühlen und insbesondere dort können sich hohe thermische Spannungen einstellen, die sich auch begrenzend auf die Ermüdungslebensdauer auswirken.

Außerdem besteht die Schwierigkeit bei der Kühlung der Plattform auf der einen Seite darin, die Kühlluft in die Plattform zu führen und auf der anderen Seite, eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr zur Verlängerung der Ermüdungslebensdauer einzustellen unter gleichzeitiger

Berücksichtigung des ökonomischen Einsatzes von Kühlluft. Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenschaufel für eine Gasturbine, bei der die Ermüdungslebensdauer bei gleichzeitiger Einsparung von Kühlluft verlängert ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, die Verwendung einer solchen Turbinenschaufel anzugeben.

Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel gelöst, welche nach den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestaltet ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Plattform besonders einfach kühlbar ist, wenn die den Hohlraum erweiternde Ausnehmung in den Bereich unterhalb der Platt^¬ formoberfläche unter Bildung einer zumindest teilweise hohlen Plattform hineinragt und dass mindestens ein Mittel zum

Umlenken des Kühlmittels in den Teilhohlraum vorgesehen ist.

Die hohl ausgeführten Plattformen lassen sich mittels geeigneter Kerne beim Guss der Turbinenschaufel herstellen. Aufgrund der in die Plattform hineinragenden Ausnehmung sind somit Übergänge zwischen Schaufelprofil und Plattform möglich, die im Querschnitt gesehen, einen Verlauf mit konstanter Materialstärke aufweisen. Insbesondere dadurch können die thermischen Spannungen im Übergangsbereich und in den Plattformen reduziert werden, was sich auf die

Lebensdauer der Turbinenschaufel positiv auswirkt. Die Erfindung geht somit einen wesentlichen Schritt weiter als der zitierte Stand der Technik.

Um in die Ausnehmung Kühlmittel einströmen zu lassen, ist mindestens ein Mittel zum Umlenken des Kühlmittels in den Teilhohlraum vorgesehen. Ohne ein derartiges Mittel würde fußseitig einströmende Kühlluft die Turbinenschaufel lediglich in Radialrichtung durchströmen. In den quer dazu verlaufenden Ausnehmungen würden lediglich stehende Wirbel oder so genannte Totwassergebiete entstehen, in denen ein geringer Anteil der Kühlluft eine Umwälzung herbeiführen würde. Der Einsatz dieser Mittel erzwingt eine Umlenkung des fußseitig einströmenden Kühlmittels in Richtung der Ausnehmung, so dass dadurch die Rückseite der

Plattformoberfläche von Kühlmittel umströmbar ist. Dies führt zu einer äußerst wirksamen konvektiven Kühlung des Übergangs und der Plattform.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben .

Eine offene Plattformkühlung kann erreicht werden, wenn als Mittel zum Führen des Kühlmittels mindestens eine Auslassöffnung im Teilhohlraum vorgesehen ist, durch die das Kühlmittel aus dem Teilhohlraum ausströmbar ist. Die Auslassöffnung ist nahe der Plattformkante vorgesehen, so dass Kühlmittel in die Ausnehmung einströmen und gegenüberliegend wieder ausströmen kann. Vorteilhafterweise mündet die Auslassöffnung in der Plattformoberfläche. Somit kann neben einer konvektiven Kühlung eine Filmkühlung der Plattform ermöglicht werden, um besonders heiße Bereiche der Plattform wirksam gegen Heißgas zu schützen.

Wenn dagegen die Auslassöffnung in einer Stirnseite der Plattform mündet, kann vorteilhafter Weise ein Spalt gegen das Eindringen von Heißgas gesperrt werden, der von den stirnseitigen Längskanten von Plattformen benachbarter Gasturbinenschaufeln geformt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Mittel zum Führen des Kühlmittels ein im Hohlraum befindlicher, sich vom Schaufelfuß bis in den

Plattformbereich erstreckender Zapfen vorgesehen. Dieser teilt den Hohlraum in zwei Zuführkanäle auf, welche oberflächennah verlaufen. Dementsprechend wird darin strömendes Kühlmittel vergleichsweise nahe an der Innenwand des Kanals zur Kühlung der Turbinenschaufel geführt.

Besonders wirkungsvoll ist die Ausgestaltung, bei der der Zapfen im Plattformbereich eine Aufweitung aufweist, die das entlang des Zapfens strömbare Kühlmittel in Richtung des Teilhohlraums umlenkt. Aufgrund der sich in Querrichtung erstreckenden Aufweitung erfolgt eine Umlenkung des radial durch die Zuführkanäle einströmenden Kühlmittels in Querrichtung, in die hohle Plattform hinein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich als Mittel zum Zuführen des Kühlmittels mindestens ein im Querschnitt L-artiges Leitelement unter Bildung von Zufuhrkanälen vom Schaufelfuß ausgehend in Richtung des Plattformbereichs, deren Schenkel am im Plattformbereich liegendes Ende zumindest teilweise in den hohlen Teilhohlraum hinein ragen. Dadurch kann besonders wirksam das in die Zuführkanäle einströmende Kühlmittel in den Teilhohlraum umgelenkt werden, da das L-artige

Leitelement parallel zur Innenwand verläuft, welche den Hohlraum und den Teilhohlraum begrenzt. Aufgrund des L- artigen Leitelementes wird das in den Teilhohlraum umgelenkte Kühlmittel bis zur Plattformkante geführt, wo es anschließend das freie Ende des Schenkels des L-artigen Leitelementes in radialer Richtung nach außen und anschließend wieder nach innen umströmen kann. Aufgrund der in der Turbinenschaufel herrschenden Druckverhältnisse strömt das Kühlmittel dann weiter in Richtung Schaufelprofil und kühlt währenddessen den Übergangsbereich zwischen Schaufelprofil und Plattform äußerst wirkungsvoll.

Aufgrund der gleichmäßigen Plattformkühlung und der gleichmäßigen Kühlung des Übergangs kann bei dieser Ausgestaltung die Ermüdungslebensdauer der Turbinenschaufel wirksam verlängert werden.

In einer Variante der Erfindung erstreckt sich als Mittel zum Führen des Kühlmittels mindestens ein Leitelement vom Schaufelfuß ausgehend sich in Richtung des Plattformbereichs, bis es in eine den Hohlraum begrenzende Innenwand des Schaufelprofils übergeht. Die vorgenannten Kühlkonzepte sind besonders wirkungsvoll bei einer Turbinenschaufel einsetzbar, bei der der Schaufelfuß in Längsrichtung des Schaufelprofils verläuft und die Plattform zwei in Längsrichtung verlaufende parallel gebogene Plattformlängskanten aufweist und bei der die jeweilige der saugseitigen und druckseitigen Profilwand zugewandte Schaufelfußoberfläche entsprechend der zugehörigen Plattformlängskante konvex und konkav gekrümmt verläuft. Bei einer derartigen Turbinenschaufel mit gekrümmtem Schaufelfuß und gekrümmter Plattform ergeben sich von alleine entlang der Längsrichtung jeweils eine druckseitige und eine saugseitige Plattform, die entlang des Schaufelblattes jeweils annähernd eine konstante Plattformbreite aufweisen. Derartige konstante Plattformbreiten erwärmen sich gleichmäßiger und lassen sich demnach besonders gut mit den erfindungsgemäßen Kühlkonzepten kombinieren .

Selbst wenn der saugseitige und/oder der druckseitige Plattformüberhang als Plattformstummel mit einer vergleichsweisen kurzen Plattformbreite ausgebildet sind, sind derartige Kühlkonzepte vorteilhaft einsetzbar.

Vorzugsweise ist die Turbinenschaufel gegossen und weist einen Schaufelfuß auf, der im Querschnitt eine Schwalbenschwanzform, eine Hammerform oder eine Tannenbaumform hat .

Die auf eine Verwendung der Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird nach den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Es wird vorgeschlagen, die Turbinenschaufel nach einem der

Ansprüche 1 - 11 in einer vorzugsweise stationären Gasturbine einzusetzen.

Die Erfindung wird anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

FIG 1 zeigt eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt, FIG 2 eine bekannte Turbinenschaufel in perspektivischer Ansicht mit überhängenden Plattformbereichen,

FIG 3 die bekannte Turbinenschaufel im Querschnitt mit asymmetrischen weit ausragenden Plattformen,

FIG 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit gekrümmten

Schaufeln,

FIG 5, 6 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel im

Querschnitt mit einer offenen Plattformkühlung in zwei Varianten,

FIG 7,8,9 erfindungsgemäße Turbinenschaufeln im Querschnitt in einer Ausgestaltung mit geschlossener Plattformkühlung,

FIG 10 die Turbinenschaufel nach FIG 12 im Querschnitt gemäß Schnitt X,

FIG 11 die Turbinenschaufel gemäß FIG 12 im Querschnitt nach Schnitt XII und

FIG 12 die Draufsicht einer Turbinenschaufel mit entlang der Plattformlängskante eingegossenen Kühlkanälen.

FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelager^¬ ten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die

Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe 19 am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.

FIG 4 zeigt eine erfindungsgemäße als Laufschaufel ausgebildete Turbinenschaufel 50 mit einem Schaufelfuß 52, an dem aufeinander folgend eine Plattform 54 und ein Schaufelprofil 56 vorgesehen sind. Das Schaufelprofil 56 ist, eingebaut in der Gasturbine 1, in Axialrichtung A gekrümmt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Schaufelprofil 56 nicht in seiner vollständigen Höhe dargestellt, sondern es endet vergleichsweise nah an der Plattform 54. Die dem Schaufelprofil 56 zugewandte Oberfläche 61 der Plattform 54 ist dem die Gasturbine 1 durchströmenden Heißgas 11 ausgesetzt .

Das Schaufelprofil 56 weist eine druckseitige, konkav gekrümmte Profilwand 62 sowie eine saugseitige, konvex gekrümmte Profilwand 64 auf, die sich von einer Vorderkante

66 des Schaufelprofils 56 zu einer Hinterkante 68 erstrecken. Beim Betrieb der Gasturbine 1 umströmt das Heißgas 11 die Turbinenschaufel 50, entlang den Profilwänden 62, 64, von der Vorderkante 66 in Richtung der Hinterkante 68.

Korrespondierend zu der Krümmung des Schaufelprofils 56 ist die Plattform 54 entlang der Axialrichtung A gekrümmt, die Längskanten 55 der Plattform 54 verlaufen nicht geradlinig, sondern auf einem Bogen. Demnach ist die an der druckseitigen Profilwand 62 angeordnete Plattformlängskante 54 konkav gekrümmt und die an der saugseitigen Profilwand 64 ange^¬ ordnete Plattformlängskante konvex gekrümmt. Die Plattform 54 weist jeweils im Bereich der Vorderkante 66 und im Bereich der Hinterkante 68 eine, stirnseitig quer verlaufende Plattformquerkante 53 auf.

Wie aus der perspektivischen Darstellung der FIG 4 ersichtlich ist, ist der Schaufelfuß 52 parallel zu den

Längskanten 55 der Plattform 54 gekrümmt. Der Schaufelfuß 52 ist derart geformt, dass die jeweilige der saugseitigen und druckseitigen Profilwand 62, 64 zugewandte Schaufelfußoberfläche 72 entsprechend der Plattformlängskanten 55 konvex und konkav gekrümmt verläuft. Bevorzugt verlaufen alle in Axialrichtung A verlaufenden Krümmungslinien der Schaufelfußoberfläche 72 zu dem Plattformlängskanten 55 parallel auf einem Kreisbogen. Dann kann die Gasturbinenschaufel 50 besonders einfach in eine Rotorscheibe 19 mit korrespondierend gewölbten Laufschaufelhaltenuten eingeschoben werden.

Unter der Schaufelfußoberfläche 72 ist die Fläche des Schaufelfußes 52 zu verstehen, die in Richtung der Axialrichtung A verläuft. Die stirnseitigen Schaufelfußflächen sind davon ausgenommen.

Die Plattform 54 weist einen quer zur Radialrichtung, d.h. in Querrichtung ausragenden Plattformüberhang 75 auf. Die Breite des Plattformüberhangs 75 bestimmt sich durch den Abstand von saugseitiger Profilwand 64 bzw. druckseitiger Profilwand 62 zur jeweiligen unmittelbar benachbarten Plattformlängskante 55.

Aufgrund der gekrümmten Form des Schaufelfußes 52 lassen sich besonders gut Plattformüberhänge 75 realisieren, die, entlang der Axialrichtung A, sowohl saugseitig als auch druckseitig eine annähernd konstante Plattformbreite B aufweisen. Wegen der konstanten Plattformbreite B ist diese besonders gleichmäßig kühlbar ist, wie nachfolgend beschrieben wird.

Die in FIG 4 dargestellte Turbinenschaufel 50 ist nach einer der Querschnittsdarstellungen gemäß FIG 5 - FIG 11 hohl ausgebildet. Sie weist somit einen Hohlraum 58 auf, der sich vom Schaufelfuß 52 durch die Plattform 54 hindurch bis in das Schaufelprofil 56 hineinerstreckt. Der Hohlraum 58 wird einer Innenwand 59 begrenzt, deren Kontur im Bereich der Plattform 54 zum Plattformrand bzw. Plattformlängskante 55 hin zurückversetzt ist.

Der Hohlraum 58 wird beim Betrieb der Gasturbine 1 von einem Kühlmittel 60, vorzugsweise Kühlluft durchströmt. Zum Zuführen des Kühlmittels 60 ist der Hohlraum 58 im

Schaufelfuß 52 fußseitig geöffnet. Bezogen auf die Einbaulage in der Gasturbine 1 weist die Turbinenschaufel 50 im Bereich der Plattform 54 eine quer zur radialen Richtung R verlaufende Ausnehmung 63 auf, die sich derart tief in die Plattform 54 hineinerstreckt, dass diese als Teilhohlraum 51 in der Plattform 54 deren Oberfläche 61 gegenüberliegt.

Die Ausnehmung 63 erstreckt sich über mindestens 30% der Breite B des Plattformüberhangs 75. Aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise tief in die Plattform 54 hineinragende taschenförmige Ausnehmung 63 kann nicht nur eine überaus effiziente Kühlung des Übergangsbereichs 48 von Schaufelprofil 36 und quer dazu verlaufender Plattform 54 erfolgen, sondern darüber hinaus auch eine effiziente interne, konvektive Kühlung der Plattform 54 bzw. des Plattformüberhangs 75.

Um das fußseitig einströmende Kühlmittel 60 in Richtung der Ausnehmungen 63, in die hohle Plattform 54 hinein, umzulenken, ist, wie in FIG 5 und FIG 6 gezeigt, mindestens eine Auslassöffnung 73 für das Kühlmittel 60 vorgesehen, die am äußersten Ende der Ausnehmung 63 bzw. der Tasche vorgesehen ist. Dabei sind vorzugsweise sowohl an der druckseitigen Plattform 54a als auch an der saugseitigen Plattform 54b, vorzugsweise mehrere, in Axialrichtung A verteilte Auslassöffnungen 73 vorgesehen. Ausgangsseitig kann jede Auslassöffnung 73 gemäß FIG 5 in der heißgasbeaufschlagten Oberfläche 61 der Plattform 54 oder in der seitlichen Plattformlängskante 55 der Plattform 54 (FIG 6) vorgesehen sein. Ohne derartige Auslassöffnungen 73 würde in den Teilhohlräumen 51 der in FIG 5 und FIG 6 gezeigten Turbinenschaufel 50 stehende Kühlmittelwirbel und so genannte Totwasser-Gebiete mit verminderten Wärmeübergängen entstehen, d. h. in diesem Fall würde Kühlmittel im wesentlich radial die Turbinenschaufel 50 durchströmen. Aufgrund der Auslassöffnungen 73 wird Kühlmittel 60 die Teilhohlräume 51 vollständig durchströmen und währenddessen die heißgasbeaufschlagte Plattform 54 und deren Übergang zum Schaufelprofil 56 äußerst effizient kühlen.

Die in FIG 5 gezeigte Konfiguration der Auslassöffnungen 73 hat den Vorteil, dass diese, bezogen auf die Axialrichtung A, geneigt ausgeführt werden können, um eine zusätzliche, besonders wirksame Filmkühlung der Oberfläche 61 der Plattformen 54 zu ermöglichen. Insbesondere aufgrund der vergleichsweise tief in die Plattform 54 hineinragenden Ausnehmungen 63 kann ein besonders günstiger Bohrungswinkel erreicht werden, was eine besonders effiziente Filmkühlung bewirkt .

In der Ausgestaltung gemäß FIG 6 wird das an der Plattform 54 stirnseitig ausgeblasene Kühlmittel 60 vorteilhaft zum Sperren des Spaltes genutzt, der zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnseiten von Plattformen 54 benachbarter Turbinenschaufeln 50 geformt ist.

In einer weiteren Variante der Erfindung weist, wie in FIG 7 gezeigt, die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 50 anstelle von Auslassöffnungen 73 einen sich mittig im Hohlraum 58 erstreckenden Zapfen 80 auf, der sich vom Schaufelfuß 52 zumindest bis in den Plattformbereich hinein erstreckt. Der Hohlraum 58 wird durch den Zapfen 80 fußseitig in zwei Zuführkanäle 96a und 96c unterteilt, durch die das Kühlmittel 60 in die hohle Turbinenschaufel 50 einströmen kann. Durch den Zapfen 80 wird das Kühlmittel 60 zum Rand des Hohlraums 58, also zur Innenwand 59 hin, verdrängt, so dass eine konvektive Kühlung des Schaufelfußes 52 und der hohlen Plattform 54 im Übergangsbereich 48 erzielbar ist.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung zeigt FIG 8 eine Turbinenschaufel 50 ähnlich FIG 7, jedoch mit einem sich in den Hohlraum 58 erstreckenden Zapfen 80, der sich im Bereich der Plattform 54 in Querrichtung, d.h. in Querrichtung ballonartig aufweitet. Die Aufweitung 82 erfolgt dergestalt, dass der Hohlraum 58 entlang des Schaufelfußes 52 bis in den Bereich der Plattform 54 hinein einen im

Wesentlichen gleich bleibenden Strömungsquerschnitt aufweist. Die Aufweitung 82 des Zapfens 80 erzwingt eine Umlenkung des fußseitig einströmenden Kühlmittels 60, so dass dieses in die Ausnehmungen 63 umgelenkt wird und tief einströmt, ohne dass Auslassöffnungen dafür erforderlich sind. Die Plattform 54 ist also geschlossen kühlbar.

Nachdem zwei fußseitig in die Zuführkanäle 96a, 96c einströmende Kühlmittelströme 60a, 60c in die Ausnehmungen 63 zur Kühlung der Plattform 54 geleitet worden sind, können diese im Schaufelprofil 56 zusammengeführt werden. Dort kann das Kühlmittel 60 in Anwendung einer gängigen Kühlmethode, wie z.B. Prallkühlung, konvektive Kühlung, Filmkühlung oder Effusionskühlung, zur Kühlung des Schaufelprofils 56 eingesetzt werden.

FIG 9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung. Die Turbinenschaufel 50 weist im Inneren des Hohlraums 58 zwei im Querschnitt L-förmige, blechartige Leitelemente 92 auf, die im Abstand zu der den Hohlraum 58 begrenzenden

Innenwand 59 vorgesehen sind. Die Leitelemente 92 erstrecken sich vom Schaufelfuß 52 bis in den Plattformbereich hinein und verlaufen parallel zur Kontur der Innenwand 59. Im Schaufelfuß 52 erstrecken sie sich zuerst im Wesentlichen in Radialrichtung und knicken dann auf Höhe der Plattform 54 in Querrichtung U ab, so dass sie mit ihren freien Enden 94 tief in die Ausnehmung 63 der hohlen Plattform 54 hineinragen. Durch die beiden Leitelemente 92 ist der Hohlraum 58 schaufelfußseitig in drei Zuführkanäle 96a, 96b, und 96c unterteilt. Das in den Zuführkanälen 96a, 96c einströmende Kühlmittel 60 kühlt konvektiv die Plattformen 54 der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 50, da die Leitelemente 92 die Umlenkung des Kühlmittels 60 in die Ausnehmungen 63 erzwingen. Dagegen kann das in den Zuführkanal 96b einströmende Kühlmittel 60 ungenutzt durch den Schaufelfuß 52 und den Plattformbereich in das Schaufelprofil 56 einströmen und dort zu dessen Kühlung erstmalig eingesetzt werden.

Folglich kann mit diesen Lösungen gezielt Kühlmittel 60 in die Ausnehmungen 63 bzw. in den Teilhohlraum 51 unter Bildung einer geschlossenen Plattformkühlung geleitet werden, was zu einer besonders effizienten Kühlung der Plattform 54 und des Übergangsbereichs 48 bzw. des Übergangsradius führt. Zudem kann aufgrund der annähernd konstanten Plattformbreite B entlang der Axialrichtung A eine besonders gleichmäßige Kühlung des Übergangs erfolgen.

Die in den FIG 7, 8 und 9 vorgeschlagenen Turbinenschaufeln 50 werden durch ein Gießverfahren hergestellt, bei dem speziell ausgeführte Gusskerne mit Hinterschneidungen zur Bildung des Hohlraums eingesetzt werden.

Eine letzte Variante einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 50 zeigen FIG 10, FIG 11 im Querschnitt und FIG 12 als Draufsicht. Die Turbinenschaufel 50 weist das gekrümmte Schaufelprofil 56 auf, an dem sich in Querrichtung U eine Plattform 54 anschließt. Entsprechend der in Axialrichtung A verlaufenden Krümmung des Schaufelprofils 56 sind die auch in Axialrichtung A verlaufenden Plattformlängskanten 55 und der Schaufelfuß 52 konvex bzw. konkav gewölbt.

Zur Verdeutlichung der gezeigten Geometrie zeigt FIG 10 den Schnitt X durch die Turbinenschaufel 50 gemäß FIG 12. Die Turbinenschaufel 50 weist fußseitig im Bereich der Anströmkante drei Zuführkanäle 96a, 96b, 96c auf, in denen Kühlmittel 60 einströmbar ist.

Der Zuführkanal 96b ist anströmseitig zentral angeordnet und führt Kühlmittel 60 in das hohle Schaufelprofil 56. Druckseitig und saugseitig dazu benachbart sind die Zuführkanäle 96a und 96c vorgesehen. Die Zuführkanäle 96a, 96c verlaufen im Schaufelfuß 52 zuerst im Wesentlichen in Radialrichtung und knicken im Bereich der Plattform 54 in Querrichtung und anschließend in Axialrichtung A ab, so dass diese die hohle Plattformen 54 ausbilden. Somit erfolgt die Zuführung von Kühlmittel 60 im fußseitigen Ende der Turbinenschaufel 50.

Die Zuführkanäle 96a, 96c gehen in Kühlkanäle 57a, 57c über, die in Axialrichtung A entlang den gekrümmten Plattformlängskanten 55 annähernd parallel dazu verlaufen, indem Leitelemente 92 vom Schaufelfuß 52 ausgehend sich in Richtung des Plattformbereichs erstrecken und in die den Hohlraum 58 begrenzende Innenwand 59 des Schaufelprofils 56 übergehen .

FIG 11 zeigt die Turbinenschaufel 50 gemäß FIG 12 in einem zweiten Schnitt XI. Die Kühlkanäle 57 verlaufen unterhalb der Oberfläche 61 der Plattformen 54 in Axialrichtung und münden an der Plattformquerkante 53 der Plattform 54.

Die gezeigten Turbinenschaufeln 50 weisen vorzugsweise eine in Axialrichtung der Gasturbine gekrümmte Ausführung von Schaufelfuß 52 und Plattform 54 auf, so dass keine unsymmetrischen Überhänge von Plattformen 54 entstehen. Aufgrund der damit verbundenen gleichmäßigeren Plattformbreite (Plattformüberhang entlang der Axialrichtung) sind alle neuen Kühlkonzepte besonders einfach und dazu besonders effizient einsetzbar.

Insgesamt werden mit der Erfindung neue Kühlkonzepte für Turbinenschaufeln angegeben, die besonders effizient und gleichmäßig kühlbare Plattformen aufweisen. Aufgrund der gleichmäßigeren Kühlung verlängert sich die Ermüdungslebensdauer der Turbinenschaufel. Die hohl ausgeführten Plattformen lassen sich entweder mittels geeigneter Zapfen oder Leitelemente und/oder durch das

Vorsehen von Bohrungen zur Erzeugung von Kühlluftausblasungen konvektiv von innen kühlen. Durch die ausgesprochen gut kühlbaren Plattformen ist außerdem ein besonders effizienter Einsatz von TBC-Beschichtungen (Thermal Barrier Coating) möglich. Zudem kann Kühlluft, verglichen mit bisher bekannten Plattformkühlkonzepten, eingespart werden, welche dann wirkungsgradsteigernd in der Gasturbine verbrannt werden kann .

Claims

Patentansprüche

1. Turbinenschaufel (50) für eine Gasturbine (1), mit einen Schaufelfuß (52), an dem sich aufeinander folgend ein Plattformbereich mit einer quer verlaufenden Plattform (54) und daran ein sich in Längsrichtung (L) gekrümmtes Schaufelprofil (56) anschließt, mit einer an der Plattform (54) vorgesehenen heißgasbeaufschlagbaren Plattformoberfläche (61) und mit mindestens einem fußseitig offenen und von einem Kühlmittel (60) durchströmbaren Hohlraum (58, 96a, 96c), der sich durch den Schaufelfuß (52) und zumindest in den Plattformbereich hinein erstreckt und von einer Innenwand (59) umgeben ist, deren im Plattformbereich verlaufende Kontur gegenüber der im Schaufelfuß (52) verlaufenden Kontur unter Bildung einer den Hohlraum (58, 96a, 96c) erweiternden Ausnehmung (63) zurückversetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlraum (58, 96a, 96c) erweiternde Ausnehmung

(63) in den Bereich unterhalb der Plattformoberfläche (61) unter Bildung einer zumindest teilweise hohlen Plattform (54) hineinragt und dass mindestens ein Mittel (73, 80, 92, 82) zum Umlenken des Kühlmittels (60) in den Teilhohlraum (51) vorgesehen ist.

2. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 1, bei der als Mittel zum Führen des Kühlmittels (60) mindestens eine Auslassöffnung (73) im Teilhohlraum (51) vorgesehen ist, durch die das Kühlmittel (60) aus dem Teilhohlraum (51) ausströmbar ist.

3. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 2, bei der die Auslassöffnung (73) in die Plattformoberfläche (61) oder in eine Stirnseite der Plattform (54) mündet.

4. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 1, bei der als Mittel zum Führen des Kühlmittels (60) ein im Hohlraum (58) befindlicher, sich vom Schaufelfuß (52) bis mindestens in den Plattformbereich erstreckender Zapfen (80) vorgesehen ist.

5. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 4, bei der der Zapfen (80) im Plattformbereich eine Aufweitung (82) aufweist, durch die das entlang des Zapfens (80) strömbare Kühlmittel (60) in Richtung des Teilhohlraums (51) umlenkbar ist.

6. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 1, bei der als Mittel zum Führen des Kühlmittels (60) mindestens ein im Querschnitt L-artiges Leitelement (92) vom Schaufelfuß (52) ausgehend sich in Richtung des

Plattformbereichs erstreckt und deren Schenkel am im Plattformbereich liegendes Ende (94) zumindest teilweise in den hohlen Teilhohlraum (51) hinein ragen.

7. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 1, bei der als Mittel zum Führen des Kühlmittels (60) mindestens ein Leitelement (92) vom Schaufelfuß (52) ausgehend sich in Richtung des Plattformbereichs erstreckt und in die den Hohlraum (58) begrenzende Innenwand (59) des Schaufelprofils (56) übergeht.

8. Turbinenschaufel (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Schaufelfuß (52) in Längsrichtung des

Schaufelprofils (56) verläuft und die Plattform (54) zwei in Längsrichtung (L) verlaufende parallel gebogene Plattformlängskanten (55) aufweist und bei der die jeweilige der saugseitigen und druckseitigen Profilwand (62, 64) zugewandte Schaufelfußoberfläche (72) entsprechend der zugehörigen Plattformlängskanten (55) konvex und konkav gekrümmt verlaufen.

9. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 8, bei der der saugseitige und/oder druckseitige Plattformüberhang (75) als Plattformstummel mit einer vergleichsweise kurzen Plattformbreite ausgebildet ist.

10. Turbinenschaufel (50) nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Schaufelfuß (52) im Querschnitt schwalbenschwanzförmig, hammerförmig oder tannenbaumartig ausgebildet ist.

11. Turbinenschaufel (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die gegossen ist.

12. Verwendung einer Turbinenschaufel (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer vorzugsweise stationären Gasturbine (1)