EP1953342A1 - Turbinenschaufel - Google Patents

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EP1953342A1
EP1953342A1 EP07002215A EP07002215A EP1953342A1 EP 1953342 A1 EP1953342 A1 EP 1953342A1 EP 07002215 A EP07002215 A EP 07002215A EP 07002215 A EP07002215 A EP 07002215A EP 1953342 A1 EP1953342 A1 EP 1953342A1
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EP
European Patent Office
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support structure
blade
turbine blade
cooling
carrier structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07002215A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Scarlett Fajardo-Reina
Markus Gill
Stefan Werner Dr. Kiliani
Silvio-Ulrich Dr. Martin
Ralf Müsgen
Oliver Dr. Schneider
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
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Filing date
Publication date
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Priority to PCT/EP2008/050325 priority patent/WO2008092725A1/de
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/181—Blades having a closed internal cavity containing a cooling medium, e.g. sodium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/182—Transpiration 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
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    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/237—Brazing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F05D2240/20—Rotors
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49339—Hollow blade
    • Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade.
  • Turbine blades in particular turbine blades for gas turbines, are exposed during operation to high temperatures, which may also exceed the limit of material stress. This applies in particular to the regions in the vicinity of the flow inlet edge of the turbine blades.
  • high temperatures which may also exceed the limit of material stress.
  • turbine blades suitable In order to use turbine blades even at high temperatures, it has long been known to cool turbine blades suitable, so that they have a higher temperature resistance, the importance of blade cooling, especially in gas turbines due to the increasing gas turbine inlet temperatures steadily increases. With turbine blades, which have a higher temperature resistance, higher energy efficiencies can be achieved in particular.
  • Cooling cooling is probably the most common type of blade cooling.
  • This type of cooling cooling air is passed through channels in the interior of the blade and uses the convective effect to dissipate the heat.
  • impingement cooling a cooling air flow impinges on the blade surface from the inside. In this way, a very good cooling effect is made possible at the point of impact, but this is limited only to the narrow area of the point of impact and the closer environment.
  • This type of cooling is therefore usually used for cooling the flow inlet edge of a turbine blade, which is exposed to high local temperature loads.
  • film cooling cooling air is directed out through openings in the turbine blade from the interior of the turbine blade. This cooling air flows around the turbine blade and forms an insulating layer between the turbine blade hot process gas and the blade surface off.
  • the types of cooling described are suitably combined depending on the application in order to achieve the most effective blade cooling possible.
  • the blade is cast including a shroud, for example in the form of a shovel, and cooling channels. Additional coatings are applied by coating methods. In this case, in particular, the production of the cooling channels formed in known turbine blades by means of a casting process is very complicated and cost-intensive.
  • the invention has for its object to provide a turbine blade, with a very effective Konventionsksselung is possible, and also can be made easier and cheaper compared to known turbine blades.
  • a turbine blade having a support structure and a surrounding the support structure sheath, which is connected to the support structure by at least one spacer spaced to form between the support structure and the shroud a gap which can be traversed by a cooling medium.
  • the sheathing preferably in the form of a blade shroud, is used only to transmit the aerodynamic forces when the turbine blade flows around or flows into an underlying support structure via the spacer elements according to the invention.
  • the support structure essentially carries the sheath and also takes over the centrifugal force effect by rotation, provided that the turbine blade according to the invention is used as a moving blade.
  • the intermediate space forming through the spacing can be traversed with a cooling medium, preferably in the form of a gas or fluid, in order to achieve effective cooling of the jacket by convection cooling when using the turbine blade.
  • a cooling medium preferably in the form of a gas or fluid
  • the turbine blade according to the invention can be made simpler in comparison to known turbine blades, since no casting mold has to be provided that is correspondingly elaborately designed to form cooling channels. It is only necessary to create a connection between the support structure and the sheathing over the spacer elements according to the invention, in order to form a flow-through cooling channel in the form of the intermediate space according to the invention.
  • a turbine blade designed for convention cooling which, in addition to a simple production, has the advantage, in particular, of a significant improvement in heat removal and heat transfer to the cooling medium.
  • the at least one spacer element is designed in the form of a solder ball, which is connected by soldering, in particular soldering, with the support structure and the sheath.
  • soldering in particular soldering
  • the solder consists according to the invention of small solder balls that do not completely melt during the soldering process. These solder balls are often referred to in electrical engineering with the term "ball grid".
  • the solder balls form a large surface, so that heat can be transmitted directly to the cooling medium flowing through the intermediate space.
  • the turbine blade has a blade root, which is designed in such a way that the intermediate space can be flowed through by cooling medium, starting from the blade root.
  • a flow through the gap according to the invention can be provided.
  • the invention further relates to a method for producing a turbine blade according to the invention, which has a support structure and a casing surrounding the support structure, which is connected to the support structure at a distance, wherein the shell is soldered to the support structure at at least one point of the support structure to the shell spaced to connect to the support structure.
  • FIG. 1 3 shows a sectional view of a turbine blade 10 according to the present invention.
  • the turbine blade 10 includes a support structure 12, a shroud 14 sheath connected by solder balls 16 spaced apart from the support structure 12 to form a gap 18 in the form of a narrow gap defined by a Coolant is flowed through.
  • the vane shirt 14 serves to transmit the aerodynamic forces forming on the flow of the vane neck 14 to the carrier structure 12.
  • the connection via the solder balls 16, which are referred to in the jargon of electrical engineering as a "ball grid" is carried out by appropriate soldering at individual points of the support structure 12 and the blade 14, wherein the solder balls 16 do not completely melt during the soldering process.
  • the blade 14 When flowing through the gap 18 with a cooling medium, the blade 14 can be effectively convectively cooled by heat energy of the blade 14 is dissipated via the flowing cooling medium. Since heat transfer between the blade skirt 14 and the support structure 12 can only take place via the solder balls 16, the support structure 12 is only slightly heated by a heated blade skirt 14. Most of the heat energy of the blade 14 is dissipated via the cooling medium, wherein the solder balls 16 form a large surface, which transfers heat energy directly to the cooling medium.
  • FIG. 2 shows a shell of the turbine blade 10 in the form of a blade skirt 14 together with the connecting Lotkugeln 16.
  • the solder balls 16 are provided only at individual, spaced-apart locations in order to provide the most effective connection between the support structure 12 and the blade 14, and in conjunction with a streamlined as possible intermediate space 18th
  • FIG. 3 shows an enlarged sectional view of a connection between the blade 14 and the carrier structure 12 by solder balls 16, wherein the blade shirt 14 further has through holes 20 which serve to provide film cooling in addition to the convection cooling, such that cooling medium can flow outward through the through holes 20 ,

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Turbinenschaufel (10) mit einer Trägerstruktur (12) und einer die Trägerstruktur (12) umgebenden Ummantelung (14), die mit der Trägerstruktur (12) durch wenigstens ein Abstandselement (16) beabstandet verbunden ist, um zwischen der Trägerstruktur (12) und der Ummantelung (14) einen Zwischenraum (18) auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (10), die eine Trägerstruktur (12) und eine die Trägerstruktur (12) umgebende Ummantelung (14) aufweist, die mit der Trägerstruktur (12) beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung (14) an wenigstens einer Stelle der Trägerstruktur (12) auf die Trägerstruktur (12) gelötet wird, um die Ummantelung (14) beabstandet mit der Trägerstruktur (12) zu verbinden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel.
  • Turbinenschaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln für Gasturbinen, werden während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt, welche unter Umständen auch die Grenze der Materialbeanspruchung überschreiten. Dies gilt insbesondere für die Bereiche in Umgebung der Strömungseintrittskante der Turbinenschaufeln. Um Turbinenschaufeln auch bei hohen Temperaturen nutzen zu können, ist es schon seit langem bekannt, Turbinenschaufeln geeignet zu kühlen, so dass sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, wobei die Bedeutung der Schaufelkühlung insbesondere bei Gasturbinen aufgrund der zunehmenden Gasturbinen-Eintrittstemperaturen stetig zunimmt. Mit Turbinenschaufeln, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, lassen sich insbesondere höhere energetische Wirkungsgrade erzielen.
  • Bekannte Kühlarten sind unter anderem die Konvektionskühlung, die Prallkühlung ("Impingement"-Kühlung) und die Filmkühlung. Bei der Konvektionskühlung handelt es sich wohl um die am weitesten verbreitete Art der Schaufelkühlung. Bei dieser Kühlungsart führt man Kühlluft durch Kanäle im Schaufelinneren und nutzt den konvektiven Effekt, um die Wärme abzuführen. Bei der Prallkühlung prallt ein Kühlluftstrom von innen auf die Schaufeloberfläche. Auf diese Weise wird im Auftreffpunkt eine sehr gute Kühlwirkung ermöglicht, die allerdings nur auf den engen Bereich des Auftreffpunkts und die nähere Umgebung beschränkt ist. Diese Art der Kühlung wird deshalb meist zur Kühlung der Strömungseintrittskante einer Turbinenschaufel verwendet, die lokal hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Bei der Filmkühlung wird Kühlluft über Öffnungen in der Turbinenschaufel vom Inneren der Turbinenschaufel nach außen geführt. Diese Kühlluft umströmt die Turbinenschaufel und bildet eine isolierende Schicht zwischen dem heißen Prozessgas und der Schaufeloberfläche aus. Die beschriebenen Kühlarten werden je nach Anwendungsfall geeignet kombiniert, um eine möglichst wirksame Schaufelkühlung zu erzielen.
  • Zur Realisierung einer Konvektionskühlung wird bei zurzeit bekannten Turbinenschaufeln-Designs die Schaufel einschließlich einer Ummantelung, beispielsweise in Form eines Schaufelhemds, und Kühlkanälen gegossen. Zusätzliche Beschichtungen werden durch Beschichtungsverfahren aufgebracht. Hierbei ist insbesondere die mittels eines Gießverfahrens vorgenommene Herstellung der in bekannten Turbinenschaufeln ausgebildeten Kühlkanäle sehr aufwendig und kostenintensiv.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel anzugeben, mit der eine sehr wirksame Konventionskühlung möglich ist, und die zudem im Vergleich zu bekannten Turbinenschaufeln einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Turbinenschaufel gelöst, die eine Trägerstruktur und eine die Trägerstruktur umgebende Ummantelung aufweist, die mit der Trägerstruktur durch wenigstens ein Abstandselement beabstandet verbunden ist, um zwischen der Trägerstruktur und der Ummantelung einen Zwischenraum auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel wird die Ummantelung, vorzugsweise in Form eines Schaufelhemds, nur zur Übertragung der aerodynamischen Kräfte bei Umströmung bzw. Anströmung der Turbinenschaufel in eine darunter liegende Trägerstruktur über die erfindungsgemäßen Abstandselemente genutzt. Die Trägerstruktur trägt im Wesentlichen die Ummantelung und übernimmt auch die Fliehkraftwirkung durch Rotation, sofern die erfindungsgemäße Turbinenschaufel als Laufschaufel zum Einsatz kommt.
  • Der sich durch die Beabstandung ausbildende Zwischenraum ist erfindungsgemäß mit einem Kühlmedium, vorzugsweise in Form eines Gases bzw. Fluids, durchströmbar, um bei Einsatz der Turbinenschaufel eine wirksame Kühlung der Ummantelung durch Konvektionskühlung zu erzielen. Wärmeenergie der Ummantelung wird erfindungsgemäß lediglich über die Abstandselemente in die Trägerstruktur überführt. Dies hat den Vorteil, dass eine übermäßige Erwärmung der Trägerstruktur als Folge der Erwärmung der Ummantelung erfindungsgemäß vermieden wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Turbinenschaufel kann gegenüber bekannten Lösungen eine bessere Trennung der Aufgaben Strömungsumlenkung und Übertragung der Kräfte in eine Läuferstruktur bereitgestellt werden, so dass die Komplexität der Aufgaben abnimmt. Durch die thermische und mechanische Entkopplung wird es möglich, auch ungewöhnliche Materialkombinationen effektiv zu verbinden, was bei bekannten Turbinenschaufeln, die einschließlich Ummantelung und Kühlkanälen gegossen sind, nicht ohne weiteres einfach möglich ist.
  • Insbesondere kann die erfindungsgemäße Turbinenschaufel im Vergleich zu bekannten Turbinenschaufeln einfacher hergestellt werden, da keine zur Ausbildung von Kühlkanälen entsprechend aufwendig gestaltete Gießform bereitgestellt werden muss. Es ist lediglich erforderlich, über die erfindungsgemäßen Abstandselemente eine Verbindung zwischen der Trägerstruktur und der Ummantelung zu schaffen, um einen durchströmbaren Kühlkanal in Form des erfindungsgemäßen Zwischenraums auszubilden.
  • Erfindungsgemäß wird eine zur Konventionskühlung ausgebildete Turbinenschaufel bereitgestellt, die neben einer einfachen Herstellung insbesondere den Vorteil einer deutlichen Verbesserung der Wärmeabfuhr und Wärmeübertragung an das Kühlmedium aufweist.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Abstandselement in Form einer Lotkugel ausgebildet, die durch Löten, insbesondere Auflöten, mit der Trägerstruktur und der Ummantelung verbunden ist. Erfindungsgemäß erfolgt also eine Verbindung der Ummantelung mit der Trägerstruktur durch Löten, und zwar bevorzugt an einzelnen Stellen. Das Lot besteht erfindungsgemäß aus kleinen Lotkugeln, die beim Lötvorgang nicht vollständig aufschmelzen. Diese Lotkugeln werden in der Elektrotechnik häufig mit dem Begriff "Ball-Grid" bezeichnet. Auf diese Weise kann ein Zwischenraum in Form eines engen Spalts zwischen der Ummantelung und der Trägerstruktur ausgebildet werden, wobei Wärme nur an den so gebildeten Lötstellen in die Trägerstruktur überführt werden kann. Die Lotkugeln bilden erfindungsgemäß eine große Oberfläche, so dass Wärme direkt an das den Zwischenraum durchströmende Kühlmedium übertragen werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Turbinenschaufel einen Schaufelfuß auf, der derart ausgebildet ist, dass der Zwischenraum ausgehend von dem Schaufelfuß mit Kühlmedium durchströmbar ist. So kann auf praktische Weise eine Durchströmung des erfindungsgemäßen Zwischenraums bereitgestellt werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, die eine Trägerstruktur und eine die Trägerstruktur umgebende Ummantelung aufweist, die mit der Trägerstruktur beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung an wenigstens einer Stelle der Trägerstruktur auf die Trägerstruktur aufgelötet wird, um die Ummantelung beabstandet mit der Trägerstruktur zu verbinden.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei
    • FIG 1
    eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,
    FIG 2
    eine perspektivische Teilansicht einer Ummantelung der Turbinenschaufel in Form eines Schaufelhemds zusammen mit verbindenden Lotkugeln, und
    FIG 3
    eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Verbindung zwischen Ummantelung und Trägerstruktur durch erfindungsgemäße Lotkugeln zeigt.
  • Die FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst eine Trägerstruktur 12, eine Ummantelung in Form eines Schaufelhemds 14, das durch Lotkugeln 16 mit der Trägerstruktur 12 beabstandet verbunden ist, um einem Zwischenraum 18 in Form eines engen Spalts auszubilden, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist. Das Schaufelhemd 14 dient dazu, die sich bei Anströmung des Schaufelhemds 14 ausbildenden aerodynamischen Kräfte auf die Trägerstruktur 12 zu übertragen. Die Verbindung über die Lotkugeln 16, die im Fachjargon der Elektrotechnik auch als "Ball-Grid" bezeichnet werden, erfolgt durch entsprechendes Auflöten an einzelnen Punkten der Trägerstruktur 12 bzw. des Schaufelhemds 14, wobei die Lotkugeln 16 beim Lötvorgang nicht vollständig aufschmelzen.
  • Beim Durchströmen des Zwischenraums 18 mit einem Kühlmedium kann das Schaufelhemd 14 wirksam konvektiv gekühlt werden, indem Wärmenergie des Schaufelhemds 14 über das strömende Kühlmedium abgeführt wird. Da ein Wärmeübergang zwischen dem Schaufelhemd 14 und der Trägestruktur 12 nur über die Lotkugeln 16 erfolgen kann, wird die Trägerstruktur 12 durch ein erwärmtes Schaufelhemd 14 nur geringfügig erwärmt. Der größte Teil der Wärmeenergie des Schaufelhemds 14 wird über das Kühlmedium abgeführt, wobei die Lotkugeln 16 eine große Oberfläche bilden, die Wärmenergie direkt an das Kühlmedium überträgt.
  • Die FIG 2 zeigt eine Ummantelung der Turbinenschaufel 10 in Form eines Schaufelhemds 14 zusammen mit den verbindenden Lotkugeln 16. Wie ersichtlich, sind die Lotkugeln 16 nur an einzelnen, voneinander beabstandeten Stellen vorgesehen, um eine möglichst wirksame Verbindung zwischen der Trägerstruktur 12 und dem Schaufelhemd 14 bereitzustellen, und zwar einhergehend mit einem möglichst strömungsgünstig ausgebildeten Zwischenraum 18.
  • Die FIG 3 zeigt schließlich eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Verbindung zwischen dem Schaufelhemd 14 und der Trägerstruktur 12 durch Lotkugeln 16, wobei das Schaufelhemd 14 ferner Durchgangslöcher 20 aufweist, die ergänzend zur Konvektionskühlung der Bereitstellung einer Filmkühlung dienen, derart, dass Kühlmedium über die Durchgangslöcher 20 nach außen strömen kann.
  • Gleichfalls ist es möglich, mit einer hohlen Trägerstruktur 12 eine Prallkühlung des Schaufelhemdes 14 zu erzielen, wobei der im Inneren der Trägerstruktur 12 vorhandene Hohlraum über geeignete Prallkühlöffnungen mit dem Zwischenraum 18 in Verbindung ist.

Claims (4)

  1. Turbinenschaufel (10),
    mit einer Trägerstruktur (12) und einer die Trägerstruktur (12) umgebenden Ummantelung (14),
    die mit der Trägerstruktur (12) durch wenigstens ein Abstandselement (16) beabstandet verbunden ist,
    um zwischen der Trägerstruktur (12) und der Ummantelung (14) einen Zwischenraum (18) auszubilden,
    der von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das wenigstens eine Abstandselement in Form einer Lotkugel (16) ausgebildet ist, die durch Löten mit der Trägerstruktur (12) und der Ummantelung (14) verbunden ist.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Turbinenschaufel (10) einen Schaufelfuß aufweist, der derart ausgebildet ist,
    dass der Zwischenraum (18) ausgehend von dem Schaufelfuß mit Kühlmedium durchströmbar ist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (10), die eine Trägerstruktur (12) und eine die Trägerstruktur (12) umgebende Ummantelung (14) aufweist,
    die mit der Trägerstruktur (12) beabstandet verbunden ist, bei dem die Ummantelung (14) an wenigstens einer Stelle der Trägerstruktur (12) auf die Trägerstruktur (12) aufgelötet wird, um die Ummantelung (14) beabstandet mit der Trägerstruktur (12) zu verbinden.
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