EP2998507A1 - Eine gekühlte Turbinenschaufel, welche interne Verbindungsrippen zwischen den Kühlräumen beinhaltet, welche Sollbruchstellen zur Verringerung von Thermischen Spannungen aufweisen - Google Patents

Eine gekühlte Turbinenschaufel, welche interne Verbindungsrippen zwischen den Kühlräumen beinhaltet, welche Sollbruchstellen zur Verringerung von Thermischen Spannungen aufweisen Download PDF

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EP2998507A1
EP2998507A1 EP14184930.7A EP14184930A EP2998507A1 EP 2998507 A1 EP2998507 A1 EP 2998507A1 EP 14184930 A EP14184930 A EP 14184930A EP 2998507 A1 EP2998507 A1 EP 2998507A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
rib
turbine
crack
rib element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14184930.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Björn Buchholz
Stephen A. Camillieri
Nihal Kurt
Radan RADULOVIC
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 EP14184930.7A priority Critical patent/EP2998507A1/de
Priority to CN201580049802.4A priority patent/CN106715833B/zh
Priority to EP15756632.4A priority patent/EP3161264A1/de
Priority to PCT/EP2015/069618 priority patent/WO2016041761A1/de
Priority to US15/509,625 priority patent/US10287892B2/en
Priority to JP2017520962A priority patent/JP6346993B2/ja
Publication of EP2998507A1 publication Critical patent/EP2998507A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with an internally cooled turbine blade in which a cavity is divided by rib elements in at least one coolant-carrying cooling channel.
  • the invention further relates to a turbine, in particular a gas turbine, with at least one turbine stage comprising a plurality of turbine blades.
  • a turbine blade of this type is equipped with an internally cooled turbine blade in order to withstand even high temperatures prevailing in the turbine, especially in a hot gas turbine, thermally and mechanically.
  • the turbine blades are often thermally and mechanically loaded higher, in which case it hardly plays a role, whether it is the turbine blade to a vane or a blade of the turbine.
  • an internally cooled turbine blade has a cavity through which a cooling medium can be passed.
  • a fin element or a plurality of rib elements is usually additionally arranged in order to form at least one cooling channel with an often meandering cooling channel profile in the cavity.
  • both a front side wall thereof and a corresponding rear wall of the turbine airfoil may be in the region of the turbine airfoil stiffening rib element thermo-mechanically high stress.
  • partially critical states of stress can be set on the turbine blade, whereby the turbine blade is exposed to particularly disadvantageous loading conditions in some areas, which there can lead to faster material fatigue over time.
  • the transition regions between the rib element and the front or the rear side wall of the turbine blade leaf are to be mentioned in particular.
  • the present object is achieved by a turbine blade with an internally cooled turbine blade in which a cavity is divided by rib elements in at least one coolant cooling channel, wherein in at least one of the rib members means for generating a longitudinally extending ribs of the element at least partially extending division crack are arranged.
  • the dividing crack in the rib element can be produced particularly simply if corresponding means for generating the dividing crack are introduced for this purpose in the relevant rib element. In this way, the course of the dividing crack within the rib element in the longitudinal direction and transverse direction can already be well predefined.
  • thermo-mechanical stresses in critical areas of the turbine airfoil can significantly reduce thermo-mechanical stresses in critical areas of the turbine airfoil.
  • the present purpose-formed split crack is configured such that it enables an improved stress distribution within the rib element, in transition areas between the actual rib element and the front wall of the turbine blade and / or the rear wall of the turbine blade, but also in the actual outer walls of the turbine blade.
  • a reduction in stress of at least 10% or preferably more than 20% or 25% can be achieved, in particular in critical areas around the fin element end, but also within the rib element itself.
  • the term “material fatigue” particularly includes fatigue cracking, which is caused especially by thermo-mechanical fatigue of the airfoil material.
  • LCF fatigue low cycle fatigue
  • ie short-term or low-load cycle fatigue should be mentioned in terms of a low load cycle number.
  • the number of load changes that can be achieved can be considerably increased, and thus, in particular, the danger of premature LCF fatigue can be significantly reduced if, according to the invention, a suitably suitable division crack is provided on the rib element. It has been found that a relevant LCF life expectancy of a turbine blade can be significantly increased by the dividing crack according to the invention within the rib element.
  • the relevant rib element is designed by the division crack such that thermo-mechanical stresses occurring within the turbine blade leaf and thus also a related material fatigue can be reduced.
  • the dividing crack does not interfere with this, or at least only to a negligible extent, the actual separating function, which the rib elements arranged in the cavity exert with respect to a multiply wound cooling channel.
  • such a separation crack can be provided only on a rib element that configures a cooling channel or on a plurality of rib elements delimiting the cooling channel.
  • the means for generating the division crack can be configured in many ways.
  • the means for generating can be provided if the means for generating the dividing crack comprise a material weakening, in particular a notch.
  • Such material weakening can be of various kinds. Preferably, it is present as a notch formed in the rib member.
  • the means for generating and especially by means of the material weakening structurally simple, a well-functioning crack start point or line-like crack initiation area are formulated on the rib element.
  • the material weakening or the notch may be formed on the head side on the rib element as a crack starting point or along the longitudinal extension of the rib element as a crack start line.
  • the means for generating the dividing crack thus formulate starting aids, from which the dividing crack propagates in the longitudinal direction and / or in the transverse direction through the rib element.
  • the means for generating can also be provided by a pin arranged on a casting core, by means of which a notch is produced at the end of the rib element during casting. After casting the turbine blade, remove the pin with the casting core. The notch then serves as a crack starting point for a division crack, which can only arise in operation with sufficiently large mechanical load and then grows along the rib on.
  • the means for generating the dividing crack on the rib element can be implemented if cumulatively or alternatively means for generating the dividing crack are driven in the head side into the at least one rib element.
  • appropriately designed means for generating the dividing crack can be particularly easily introduced or driven into the rib element if the means for generating the dividing fracture comprise a wedge element or a mandrel element.
  • the present object of the invention according to another aspect of the invention is also achieved by a turbine blade with an internally cooled turbine blade in which a cavity is divided by rib elements in at least one coolant-carrying cooling channel, wherein at least one of the rib elements means for generating a predetermined breaking point in the at least a rib member to produce a in the longitudinal direction of the at least one rib member at least partially extending dividing crack.
  • the relevant rib element comprises such means for generating a predetermined breaking point in the rib element
  • the profile of the dividing crack in the longitudinal direction of the rib element can be generated in a particularly precise predetermined manner.
  • the dividing crack extends even more precisely through the rib element both in a predefined longitudinal direction and in a predefined transverse direction.
  • means for generating the predetermined breaking point comprise a material weakening or a plurality of material weakenings within the at least one rib element.
  • the material weakening and thus also the predetermined breaking point are configured linearly in the longitudinal direction of the rib element, so that the dividing crack along the rib element can form correspondingly defined.
  • the means for generating the predetermined breaking point formulate alternative starting aids, from which the Dividing crack propagates in the transverse direction through the rib element.
  • This line-like weakening of the material or the predetermined breaking point can be structurally particularly simply designed as a notch on a rib element longitudinal side.
  • the predetermined breaking point can also be formulated by a multiplicity of point-like material weakenings, which are arranged linearly along the longitudinal extent of the rib element one after the other approximately on a rib element longitudinal side.
  • the means for generating the predetermined breaking point are arranged on both sides of the at least one rib element within the at least one rib element, the profile of the dividing crack can be produced even more precisely within the rib element.
  • the dividing crack extends over more than half or over more than two-thirds of the length of the at least one rib element, preferably over the entire length of the at least one rib element. Alone with a partial rip formed only partially along the rib element, sufficient decoupling of the front side wall and the rear side wall in the region of the rib element can be achieved.
  • the dividing crack extends from a first rib element side surface to a second rib element side surface opposite the first rib element side surface.
  • the dividing crack hereby tensions a dividing tear plane, which is arranged substantially perpendicular to at least one of the rib element side faces.
  • this division tear plane is oriented approximately the same as the turbine blade outer walls.
  • the object of the invention is also achieved by a turbine, in particular a gas turbine, having at least one turbine stage comprising a plurality of turbine blades, wherein the at least one turbine stage comprises turbine blades and / or turbine vanes according to a turbine blade according to one of the features described herein.
  • the rib element is designed in such a way that the division crack is generated during startup of the turbine, namely by the rib element having as a whole such a thin rib element cross-section which sooner or later tears during operation of the turbine by a division crack in the sense of the invention.
  • the separation crack is initiated during a startup on the basis of the present means for generating the division crack and / or the means for generating the predetermined breaking point.
  • the split crack can be advantageously generated within the fin member when the turbine is in operation.
  • turbine blade 1 is a guide blade 2 of a hot gas turbine, not shown here.
  • the turbine blade 1 has an internally cooled turbine blade 3, wherein, as shown in FIG. 1 at least partially the inside 4 of the front side wall 5 of the turbine airfoil 3 is shown.
  • On the right hand side there is a leading edge region 6 of the turbine blade 3.
  • On the left hand side there is a trailing edge region 7 of the turbine blade 3, on which a multiplicity of cooling air outlet bores 8 (numbered only by way of example) are present.
  • the turbine blade 3 has a cavity 10, wherein according to the illustration of the FIG. 1 this cavity 10 is only partially illustrated by the inside 4.
  • FIG. 1 further recognizes two rib elements 11 and 12 located in the cavity 10, by means of which a multiply wound cooling channel 13 with a meandering cooling channel course within the cavity 10 is configured.
  • cooling air can be passed as coolant through the turbine blade 3 in order to cool it from the inside.
  • the cooling air coming from a foot region 14 of the turbine blade root 15 flows through the turbine blade 3, with part of the cooling air continuing in the direction 16 into a region 17 of the turbine blade tip 18.
  • the meandering cooling channel course of the coiled cooling channel 13 is configured, at least in the region of the partial view shown, by the two rib elements 11 and 12, the first rib element 11 spatially separating two cooling channel sections.
  • the first rib element 11 ends freely in the cooling channel 13 with its rib element end 24 defined by its head side 23.
  • thermo-mechanical stresses within the turbine blade 3 can be significantly reduced by this dividing crack 30, which pulls through the rib element 11, which also reduces the risk of premature material fatigue at the surrounding regions 28.
  • corresponding means 33 for producing the dividing crack 30 at least partially extending in the longitudinal direction 29 of the rib element 11 in the form of a wedge element 34 are arranged on the head side 23.
  • the wedge element 34 was in this case inserted through a present in the turbine blade 1, but not shown here functional opening and thereby hammered into the head side 23 of the rib member 11.
  • means 35 for producing a predetermined breaking point 36 in the form of notches 39 running linearly on both rib side faces 37 and 38 are additionally realized on the rib element 11.
  • these notches 39 make a crack starting point (not separately numbered) on the rib member 11.
  • the predetermined breaking point 36 or the crack starting line may extend over the entire length of the rib element 11, or as shown in this embodiment, only over a partial distance along the rib member 11. It is crucial that at least in sections a material weakening is provided on the corresponding rib member 11 to to create a precisely extending dividing crack 30.
  • the means 33 for generating the dividing crack 30 can be completely dispensed with.
  • the means 33 for generating the division crack 30 may also be provided in the casting core of a casting mold in order to produce only a notch as a crack starting point on the rib element 11.
  • the means 33 for producing the dividing crack 30 are subsequently removed again with the casting mold, leaving only the notch on the ribbed element 11.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt (3), in welchem ein Hohlraum (10) durch Rippenelemente (11, 12) in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal (13) unterteilt ist, wobei in wenigstens einem der Rippenelemente (11, 12) Mittel (33) zum Erzeugen eines sich in Längsrichtung (29) des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) zumindest teilweise erstreckenden Teilungsrisses (30) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt, in welchem ein Hohlraum durch Rippenelemente in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal unterteilt ist.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln.
  • Gattungsgemäße Turbinenschaufeln sowie Turbinen und Gasturbinen sind aus dem Stand der Technik bereits gut bekannt.
  • Oftmals ist eine diesbezügliche Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt ausgerüstet, um selbst hohen in der Turbine, insbesondere in einer Heißgasturbine, vorherrschenden Temperaturen thermisch und mechanisch standhalten zu können. Gerade in Heißgasturbinen sind die Turbinenschaufeln oftmals thermisch und mechanisch höher belastet, wobei es hierbei kaum eine Rolle spielt, ob es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder um eine Laufschaufel der Turbine handelt. Um eine verbesserte Kühlung der Turbinenschaufel zu ermöglichen, besitzt ein derartiges innengekühltes Turbinenschaufelblatt einen Hohlraum, durch welchen ein Kühlmedium hindurch geleitet werden kann. In diesem Hohlraum ist meistens zusätzlich noch ein Rippenelement oder eine Vielzahl an Rippenelementen angeordnet, um in dem Hohlraum wenigstens einen Kühlkanal mit einem oftmals mäandrierenden Kühlkanalverlauf auszubilden. Insbesondere wenn die Vorderseitenfläche des Turbinenschaufelblatts und die Rückseitenfläche des Turbinenschaufelblatts thermisch weniger gut ausbalanciert sind, können sowohl eine diesbezügliche Vorderseitenwand als auch eine entsprechende Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts im Bereich eines das Turbinenschaufelblatt aussteifenden Rippenelements thermo-mechanisch hoch belastet sein. Hierdurch können sich an dem Turbinenschaufelblatt partiell kritische Spannungszustände einstellen, wodurch die Turbinenschaufel in manchen Gebieten besonders nachteiligen Belastungszuständen ausgesetzt ist, welche dort im Laufe der Zeit zu einer rascheren Materialermüdung führen können. Hierbei sind insbesondere auch die Übergangsbereiche zwischen dem Rippenelement und der Vorder- bzw. der Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts zu nennen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Turbinenschaufeln weiterzuentwickeln, um zumindest die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
  • Die vorliegende Aufgabe wird von einer Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt gelöst, in welchem ein Hohlraum durch Rippenelemente in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal unterteilt ist, wobei in wenigstens einem der Rippenelemente Mittel zum Erzeugen eines sich in Längsrichtung des Rippenelements zumindest teilweise erstreckenden Teilungsrisses angeordnet sind.
  • Besonders einfach kann der Teilungsriss in dem Rippenelement erzeugt werden, wenn hierfür in dem diesbezüglichen Rippenelement entsprechende Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses eingebracht sind. Hierdurch kann der Verlauf des Teilungsrisses innerhalb des Rippenelements in Längsrichtung und Querrichtung bereits gut vordefiniert werden.
  • Durch diese erfindungsgemäße zumindest teilweise erzielbare Teilung des Rippenelements können speziell in Übergangsbereichen zwischen dem Rippenelement und den Außenwänden, also den Vorder- bzw. Rückseitenwänden, der Turbinenschaufel, an der Vorderseite oder der Rückseite selbst, oder aber auch in dem Rippenelement an sich, speziell thermo-mechanisch verursachte Spannungen signifikant reduziert werden, wodurch eine Materialermüdung in diesbezüglich kritischen Gebieten entsprechend gut verzögert werden kann.
  • Insbesondere können durch Temperaturunterschiede zwischen der Saugseite und der Druckseite des Turbinenschaufelblatts hervorgerufen thermo-mechanische Spannungen signifikant in kritischen Gebieten des Turbinenschaufelblatts reduziert werden.
  • Vorteilhafterweise ist der vorliegende gezielt erzeugte Teilungsriss derart ausgestaltet, dass er eine verbesserte Spannungsverteilung innerhalb des Rippenelements, in Übergangsbereichen zwischen dem eigentlichen Rippenelement und der Vorderseitenwand des Turbinenschaufelblatts und/oder der Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts, aber auch in den eigentlichen Außenwänden des Turbinenschaufelblatts ermöglicht. Hierdurch kann insbesondere in kritischen Bereichen um das Rippenelementende herum, aber auch innerhalb des Rippenelements an sich, eine Spannungsreduzierung von mindestens 10% oder vorzugsweise von mehr als 20% oder 25% erzielt werden.
  • Mit dem Begriff "Materialermüdung" ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Ermüdungsrissbildung erfasst, welche speziell durch eine thermo-mechanische Ermüdung des Schaufelblattmaterials hervorgerufen wird.
  • In diesem Zusammenhang ist insbesondere die LCF-Ermüdung (Low Cycle Fatigue), also die Kurzzeit- oder Niedriglastwechselermüdung, hinsichtlich einer niedrigen Lastwechselzahl zu nennen.
  • Jedenfalls kann vorliegend die Anzahl der erzielbaren Lastwechsel erheblich erhöht und damit speziell die Gefahr einer vorzeitigen LCF-Ermüdung signifikant gesenkt werden, wenn an dem Rippenelement erfindungsgemäß ein entsprechend geeigneter Teilungsriss vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass durch den erfindungsgemäßen Teilungsriss innerhalb des Rippenelements eine diesbezügliche LCF-Lebenserwartung einer Turbinenschaufel signifikant gesteigert werden kann.
  • Somit ist vorliegend das diesbezügliche Rippenelement durch den Teilungsriss derart ausgestaltet, dass innerhalb des Turbinenschaufelblatts auftretende thermo-mechanische Spannungen und damit auch eine diesbezügliche Materialermüdung reduzierbar sind.
  • Vorteilhafterweise beeinträchtigt der Teilungsriss hierbei nicht oder zumindest nur in einem vernachlässigbar geringen Ausmaß die eigentliche Trennfunktion, welche die in dem Hohlraum angeordneten Rippenelemente bezüglich eines vielfach gewundenen Kühlkanals ausüben.
  • Darüber hinaus wurde ebenfalls gefunden, dass sich der vorliegende innerhalb des Rippenelements bewusst gewollte Teilungsriss nicht nachteilig auf die Stabilität des Turbinenschaufelblatts auswirkt.
  • Vielmehr erhöht sich vorliegend die Lebensdauer der Turbinenschaufel, da das jeweilige Rippenelement durch den Teilungsriss erheblich entlastet wird.
  • Es versteht sich, dass ein derartiger Teilungsriss lediglich an einem einen Kühlkanal ausgestaltenden Rippenelement oder an mehreren den Kühlkanal begrenzenden Rippenelementen vorgesehen sein kann.
  • Im Sinne der Erfindung können die Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses vielfältig ausgestaltet sein.
  • Baulich besonders einfach können die Mittel zum Erzeugen bereitgestellt werden, wenn die Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses eine Materialschwächung, insbesondere eine Kerbe, umfassen.
  • Eine derartige Materialschwächung kann unterschiedlichster Art sein. Bevorzugt liegt sie als eine in dem Rippenelement ausgebildete Kerbe vor.
  • Durch die Mittel zum Erzeugen und speziell mittels der Materialschwächung kann baulich einfach ein gut funktionierender Rissstartpunkt bzw. linienartiger Rissstartbereich an dem Rippenelement formuliert werden.
  • Die Materialschwächung bzw. die Kerbe kann kopfseitig an dem Rippenelement als Rissstartpunkt oder entlang der Längserstreckung des Rippenelements als Rissstartlinie ausgebildet sein.
  • Vorliegend formulieren die Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses also Starthilfsmittel, von welchen aus sich der Teilungsriss in Längsrichtung und/oder in Querrichtung durch das Rippenelement ausbreitet.
  • Darüber hinaus können die Mittel zum Erzeugen auch durch einen an einem Gusskern angeordneten Pin bereitgestellt werden, mittels welchem beim Gießen eine Kerbe am Ende des Rippenelements hergestellt wird. Nach dem Gießen der Turbinenschaufel wird der Pin mit dem Gusskern entfernt. Die Kerbe dient dann als Rissstartpunkt für einen Teilungsriss, der erst im Betrieb bei hinreichend großer mechanischer Belastung entstehen kann und dann längs der Rippe weiter wächst.
  • Man kann vorliegend also durch die Position der Kerbe den Ort der Rissentstehung vorgeben.
  • Konstruktiv und insbesondere auch verfahrenstechnisch einfach können die Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses an dem Rippenelement umgesetzt werden, wenn kumulativ oder alternativ Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses kopfseitig in das wenigstens eine Rippenelement eingetrieben angeordnet sind.
  • Es versteht sich, dass die vorliegenden im Sinne der Erfindung vorgesehenen Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses kumulativ oder alternativ durch unterschiedlichst ausgestaltete Elemente bereitgestellt sein können.
  • So können entsprechend ausgestaltete Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses besonders leicht in das Rippenelement eingebracht bzw. eingetrieben werden, wenn die Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses ein Keilelement oder ein Dornelement umfassen.
  • Die vorliegende Aufgabe der Erfindung wird nach einem anderen Aspekt der Erfindung auch von einer Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt gelöst, in welchem ein Hohlraum durch Rippenelemente in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal unterteilt ist, wobei wenigstens eines der Rippenelemente Mittel zum Erzeugen einer Sollbruchstelle in dem wenigstens einen Rippenelement umfasst, um einen sich in Längsrichtung des wenigstens einen Rippenelements zumindest teilweise erstreckenden Teilungsriss herzustellen.
  • Umfasst das diesbezügliche Rippenelement derartige Mittel zum Erzeugen einer Sollbruchstelle in dem Rippenelement, kann der Verlauf des Teilungsrisses in Längsrichtung des Rippenelements besonders präzise vorgegeben erzeugt werden. Somit verläuft der Teilungsriss sowohl in eine vordefinierte Längsrichtung als auch in einer vordefiniert Querrichtung noch präziser durch das Rippenelement hindurch.
  • Es ist vorteilhaft, wenn Mittel zum Erzeugen der Sollbruchstelle eine Materialschwächung oder eine Vielzahl an Materialschwächungen innerhalb des wenigstens einen Rippenelements umfassen.
  • Beispielsweise sind die Materialschwächung und damit auch die Sollbruchstelle linienartig in Längsrichtung des Rippenelements ausgestaltet, so dass sich der Teilungsriss entlang des Rippenelements entsprechend definiert ausbilden kann.
  • Vorliegend formulieren die Mittel zum Erzeugen der Sollbruchstelle alternative Starthilfsmittel, von welchen aus sich der Teilungsriss in Querrichtung durch das Rippenelement ausbreitet.
  • Diese linienartige Materialschwächung bzw. die Sollbruchstelle kann etwa an einer Rippenelementlängsseite konstruktiv besonders einfach als Kerbe ausgeformt sein.
  • Alternativ zu der linienartigen Materialschwächung kann die Sollbruchstelle auch durch eine Vielzahl an punktartigen Materialschwächungen formuliert sein, welche linear entlang der Längserstreckung des Rippenelements hintereinander etwa an einer Rippenelementlängsseite angeordnet sind.
  • Sind die Mittel zum Erzeugen der Sollbruchstelle innerhalb des wenigstens einen Rippenelements beidseitig an dem wenigstens einen Rippenelement angeordnet, kann der Verlauf des Teilungsrisses nochmals präziser innerhalb des Rippenelements erzeugt werden.
  • Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn der Teilungsriss sich über mehr als die Hälfte oder über mehr als zwei Drittel der Länge des wenigstens einen Rippeelements, vorzugsweise über die Gesamtlänge des wenigstens einen Rippenelements, erstreckt. Allein schon mit einem nur teilweise entlang des Rippenelements ausgebildeten Teilungsriss kann eine ausreichende Entkopplung der Vorderseitenwand und der Hinterseitenwand im Bereich des Rippenelements erreicht werden.
  • Somit ist es auch vorteilhaft, wenn der Teilungsriss von einer ersten Rippenelementseitenfläche zu einer der ersten Rippenelementseitenfläche gegenüberliegenden zweiten Rippenelementseitenfläche reicht.
  • Der Teilungsriss spannt hierbei eine Teilungsrissebene auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu mindestens einer der Rippenelementseitenflächen angeordnet ist. Somit ist diese Teilungsrissebene in etwa gleich orientiert wie die Turbinenschaufelblattaußenwände.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln gelöst, wobei die zumindest eine Turbinenstufe Turbinenlaufschaufeln und/oder Turbinenleitschaufeln gemäß einer Turbinenschaufel nach einem der hier beschriebenen Merkmale umfasst.
  • Eine Turbine, dessen Turbinenschaufeln weniger durch Materialermüdungen belastet bzw. gefährdet sind, kann nicht nur betriebssicherer und wartungsärmer betrieben werden, sondern sie besitzt darüber hinaus insgesamt auch eine höhere Lebensdauer, und kann somit wirtschaftlicher betrieben werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Rippenelement derart ausgestaltet, dass der Teilungsriss während einer Inbetriebnahme der Turbine erzeugt wird, nämlich indem das Rippenelement insgesamt einen derart dünnen Rippenelementquerschnitt aufweist, welcher beim Betrieb der Turbine früher oder später durch einen Teilungsriss im Sinne der Erfindung reißt.
  • Idealerweise wird der Teilungsriss bei einer Inbetriebnahme aufgrund der vorliegenden Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses und/oder der Mittel zum Erzeugen der Sollbruchstelle initiiert.
  • Jedenfalls kann der Teilungsriss vorteilhaft innerhalb des Rippenelements erzeugt werden, wenn die Turbine in Betrieb ist.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
  • Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Turbinenschaufelblatt mit einem innerhalb des Turbinenschaufelblatts angeordneten, einen Kühlkanal begrenzenden und erfindungsgemäß geteilten Rippenelement dargestellt und beschrieben ist.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    schematisch eine Teilansicht eines Hohlraums eines längsgeschnittenen Turbinenschaufelblatts mit einem einen Kühlkanal begrenzenden Rippenelement, in welchem in Längsrichtung ein Teilungsriss innerhalb des Rippenelements verläuft; und
    Figur 2
    schematisch eine Seitenansicht des in der Figur 1 gezeigten Rippenelements in einem Bereich einer Kopfseite an einem Rippenelementende, an welchem Mittel zum Erzeugen des Teilungsrisses angeordnet sind.
  • Bei der in der Figur 1 zumindest teilweise gezeigten Turbinenschaufel 1 handelt es sich um eine Leitschaufel 2 einer hier nicht gezeigten Heißgasturbine.
  • Die Turbinenschaufel 1 besitzt ein innengekühltes Turbinenschaufelblatt 3, wobei gemäß der Darstellung nach der Figur 1 zumindest teilweise die Innenseite 4 der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 gezeigt ist. Rechter Hand befindet sich ein Vorderkantenbereich 6 des Turbinenschaufelblatts 3. Linker Hand befindet sich dementsprechend ein Hinterkantenbereich 7 des Turbinenschaufelblatts 3, an welchem eine Vielzahl an Kühlluftaustrittsbohrungen 8 (nur exemplarisch beziffert) vorhanden ist.
  • Jedenfalls besitzt das Turbinenschaufelblatt 3 einen Hohlraum 10, wobei gemäß der Darstellung nach der Figur 1 dieser Hohlraum 10 nur teilweise durch die Innenseite 4 illustriert ist.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 1 erkennt man weiter zwei in dem Hohlraum 10 befindliche Rippenelemente 11 und 12, mittels welchen ein mehrfach gewundener Kühlkanal 13 mit einem mäandrierenden Kühlkanalverlauf innerhalb des Hohlraums 10 ausgestaltet ist. Entlang des gewundenen Kühlkanals 13 bzw. dessen mäandrierenden Kühlkanalverlauf kann Kühlluft als Kühlmittel durch das Turbinenschaufelblatt 3 hindurch geleitet werden, um dieses von innen zu kühlen.
  • Bei dem teilweise gezeigten Kühlkanal 13 durchströmt die aus einem Fußbereich 14 des Turbinenschaufelfußes 15 kommende Kühlluft das Turbinenschaufelblatt 3, wobei ein Teil der Kühlluft in Richtung 16 weiter bis in einen Bereich 17 der Turbinenschaufelblattspitze 18 gelangt.
  • Der mäandrierende Kühlkanalverlauf des gewundenen Kühlkanals 13 wird zumindest im Bereich der gezeigten Teilansicht durch die zwei Rippenelemente 11 und 12 ausgestaltet, wobei das erste Rippenelement 11 zwei Kühlkanalabschnitte räumlich voneinander trennt.
  • Wie gemäß der Darstellung nach der Figur 1 gezeigt, endet das erste Rippenelement 11 mit seinem durch seine Kopfseite 23 definierten Rippenelementende 24 frei in dem Kühlkanal 13.
  • In den Umgebungsbereichen der Rippenelemente 11 bzw. 12, insbesondere des Rippenelementendes 24, besteht die Gefahr von kritischen Spannungszuständen. Dies trifft insbesondere auf die Übergangsbereiche zwischen dem ersten Rippenelement 11 und der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 und/oder der Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts 3 zu, wobei diesbezügliche Spannungen dort eine erhöhte Materialermüdung verursachen können.
  • Deshalb ist, wie gemäß der Darstellung nach der Figur 2 angedeutet, insbesondere das Rippenelement 11 in seiner Längsrichtung 29 zumindest teilweise durch einen Teilungsriss 30 in eine mit der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 stoffschlüssig verbundene Rippenelementlängshälfte 31 und in eine mit der Rückseitenwand (nicht gezeigt) des Turbinenschaufelblatts 3 stoffschlüssig verbundene weitere Rippenelementlängshälfte 32 geteilt. Durch diesen sich durch das Rippenelement 11 ziehenden Teilungsriss 30 können insbesondere thermo-mechanische Spannungen innerhalb des Turbinenschaufelblatts 3 signifikant reduziert werden, wodurch auch die Gefahr einer vorzeitigen Materialermüdung an den Umgebungsbereichen 28 reduziert ist.
  • Um den Teilungsriss 30 konstruktiv einfach an dem Rippenelement 11 erzeugen zu können, sind an der Kopfseite 23 entsprechende Mittel 33 zum Erzeugen des sich in Längsrichtung 29 des Rippenelements 11 zumindest teilweise erstreckenden Teilungsrisses 30 in Gestalt eines Keilelements 34 angeordnet.
  • Das Keilelement 34 wurde hierbei durch eine in der Turbinenschaufel 1 vorhandenen, aber hier nicht gezeigten Funktionsöffnung eingesteckt und dabei in die Kopfseite 23 des Rippenelements 11 eingeschlagen.
  • Um den Verlauf des Teilungsrisses 30 an dem Rippenelement 11 zu präzisieren, sind in diesem Ausführungsbeispiel an dem Rippenelement 11 zusätzlich noch Mittel 35 zum Erzeugen einer Sollbruchstelle 36 in Gestalt von an beiden Rippenelementseitenflächen 37 und 38 linear verlaufenden Kerben 39 realisiert. Somit gestalten diese Kerben 39 einen Rissstartpunkt bzw. eine Rissstartlinie (nicht gesondert beziffert) an dem Rippenelement 11 aus.
  • Die Sollbruchstelle 36 bzw. die Rissstartlinie kann sich über die Gesamtlänge des Rippenelements 11 erstrecken, oder wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, nur über eine Teilstrecke entlang des Rippenelements 11. Ausschlaggebend ist, dass zumindest streckenweise eine Materialschwächung an dem entsprechenden Rippenelement 11 vorgesehen ist, um einen präzise verlaufenden Teilungsriss 30 zu erzeugen.
  • Gegebenenfalls kann dann auf die Mittel 33 zum Erzeugen des Teilungsrisses 30 zur Gänze verzichtet werden.
  • Es ist auch denkbar, dass die Mittel 33 zum Erzeugen des Teilungsrisses 30 auch in dem Gusskern einer Gießform vorgesehen sein können, um lediglich eine Kerbe als Rissstartpunkt an dem Rippenelement 11 zu erzeugen. Die Mittel 33 zum Erzeugen des Teilungsrisses 30 werden anschließend mit der Gießform wieder entfernt und zurück bleibt lediglich die Kerbe an dem Rippenelement 11.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbeispiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Turbinenschaufel (1) mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt (3),
    in welchem ein Hohlraum (10) durch Rippenelemente (11, 12) in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal (13) unterteilt ist,
    wobei in wenigstens einem der Rippenelemente (11, 12) Mittel (33) zum Erzeugen eines sich in Längsrichtung (29) des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) zumindest teilweise erstreckenden Teilungsrisses (30) angeordnet sind.
  2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
    wobei die Mittel (33) zum Erzeugen des Teilungsrisses (30) eine Materialschwächung, insbesondere eine Kerbe, umfassen.
  3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei Mittel (33) zum Erzeugen des Teilungsrisses (30) kopfseitig in das wenigstens eine Rippenelement (11, 12) eingetrieben angeordnet sind.
  4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei Mittel (33) zum Erzeugen des Teilungsrisses (30) ein Keilelement (34) oder ein Dornelement umfassen.
  5. Turbinenschaufel (1) mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt (3),
    in welchem ein Hohlraum (10) durch Rippenelemente (11, 12) in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal (13) unterteilt ist,
    wobei wenigstens eines der Rippenelemente (11, 12) Mittel (35) zum Erzeugen einer Sollbruchstelle (36) in dem wenigstens einen Rippenelement (11, 12) umfasst, um einen sich in Längsrichtung (29) des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) zumindest teilweise erstreckenden Teilungsriss (30) herzustellen.
  6. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei Mittel (35) zum Erzeugen einer Sollbruchstelle (36) eine Materialschwächung oder eine Vielzahl an Materialschwächungen innerhalb des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) umfassen.
  7. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei Mittel (35) zum Erzeugen einer Sollbruchstelle (36) innerhalb des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) beidseitig an dem wenigstens einen Rippenelement (11, 12) angeordnet sind.
  8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei der Teilungsriss (30) sich über mehr als die Hälfte oder über mehr als zwei Drittel der Länge des wenigstens einen Rippeelements (11, 12), vorzugsweise über die Gesamtlänge des wenigstens einen Rippenelements (11, 12), erstreckt.
  9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei der Teilungsriss (30) von einer ersten Rippenelementseitenfläche (37) zu einer der ersten Rippenelementseitenfläche (37) gegenüberliegenden zweiten Rippenelementseitenfläche (38) reicht.
  10. Turbine, insbesondere Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln (1),
    wobei die zumindest eine Turbinenstufe Turbinenlaufschaufeln und/oder Turbinenleitschaufeln (2) gemäß einer Turbinenschaufel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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