EP3158168A1 - Turbinenschaufel und turbine - Google Patents

Turbinenschaufel und turbine

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EP3158168A1
EP3158168A1 EP15756631.6A EP15756631A EP3158168A1 EP 3158168 A1 EP3158168 A1 EP 3158168A1 EP 15756631 A EP15756631 A EP 15756631A EP 3158168 A1 EP3158168 A1 EP 3158168A1
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EP
European Patent Office
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turbine blade
turbine
material recess
rib
wall
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Application number
EP15756631.6A
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English (en)
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EP3158168B1 (de
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Fathi Ahmad
Nihal Kurt
Radan RADULOVIC
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Publication of EP3158168A1 publication Critical patent/EP3158168A1/de
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Publication of EP3158168B1 publication Critical patent/EP3158168B1/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
    • 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
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

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 cooling channel and wherein the Rippenele ⁇ ment element extends longitudinally to a free end in the cooling channel fin element.
  • the invention further relates to a turbine, re insbesonde ⁇ a gas turbine, with at least one turbine stage umfas ⁇ transmitting 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 in the
  • Turbine blade is a guide vane or a run show ⁇ fel the turbine.
  • such innenge ⁇ -cooled turbine airfoil having a cavity can be through which a cooling medium passed therethrough.
  • a fin element or a plurality of rib elements is often additionally arranged to form in the cavity at least one cooling channel with an often meandering cooling channel profile.
  • the object of the invention is achieved by a turbine blade with an internally cooled turbine blade, in which a cavity is divided by at least one rib element in at least one coolant-carrying cooling channel,
  • the rib member in question up to a freely ending in the cooling channel rib member end extending longitudinally, wherein on an inner side of a turbine blade wall ei ⁇ ne arranged next to the rib member end of the relevant Rippenele ⁇ ments material recess is designed in such a way that occurring within the turbine blade clamping ⁇ voltages in a surrounding region the at least one rib element can be reduced.
  • thermo-mechanically induced stresses are significantly reduced, whereby material fatigue can be correspondingly well delayed in critical areas in this respect.
  • pre- ⁇ called thermo-mechanical stresses are reduced significantly in critical areas of the turbine blade forth by temperature differences between the suction side and the pressure side of the turbine airfoil.
  • the present material recess is designed in such a way that they division improvedchrosver- within the fin member, enable in transition areas between the actual rib member and the front side wall of the turbine blade and / or the back wall of the turbine blade, but also in the actual Au ⁇ hstructuren of the turbine airfoil.
  • the fin member end around aponsreduzie ⁇ time of at least 10% or preferably greater than 20% or 25%.
  • fatigue in particular a fatigue cracking in the sense of the invention detects, which is specific ⁇ ell caused by a thermo-mechanical fatigue of the blade ⁇ materials.
  • the LCF-fatigue low cycle fatigue
  • the possible number of load cycles to be increased by more than two times, in particular by more than three times, previ- engined usual load cycles.
  • a preferred embodiment provides that the mate ⁇ rialauslangung is disposed in an environmental region of a free end in the cooling channel fin element end. Spezi ⁇ ell in an environmental region of a fin element end wel ⁇ ches exposed in a turbine blade leaf cavity en ⁇ det, increased and / or increased thermo-mechanical stresses can occur and cause a faster material fatigue there.
  • a particularly preferred embodiment provides that the material recess is arranged axially in front of a head side of a free end in the cooling channel fin element end on a turbine blade blade wall.
  • the material recess in different ⁇ union intervals away from the rib element, in particular of the rib element end, can be arranged, especially in view of different designs of various turbine shoveling.
  • the material recess angeord less than 30 mm or less than 20 mm, preferably less than 10 mm, spaced from the Rippenele ⁇ ment on a turbine airfoil wall ⁇ net is.
  • the material recess can hereby reach as far as the rib element or even be worked into the rib element.
  • the rib element may have the material recess at least partially.
  • the material recess is preferably arranged more than 1 mm or 5 mm away from the rib element.
  • the material recess is designed as at least one par tial ⁇ wall thickness reduction of a turbine airfoil wall.
  • the material recess is designed scha ⁇ lenförmig.
  • the present material ⁇ recess is arranged, for example, as a concave dent in the turbine ⁇ blade outer wall.
  • the material recess can be designed differently. It is particularly advantageous if the material recess is designed as at least one concave cavity on a turbine blade leaf wall. A concavely shaped cavity has very little, if any, effect on the aerodynamics of the turbine blade.
  • the Materialausneh ⁇ tion is designed on the inside of a turbine blade blade wall. Specifically, by means of a concave Materialausneh ⁇ tion thermo-mechanical stresses in the surrounding area of the rib member, in particular within the turbine blade outer blade wall advantageously be redirected. In addition makes Fluidic at least at a noticeable at a matrialaus foundedung provided on an inner side of the turbine blade outer wall facing the cavity or the cooling channel.
  • the material recess is arranged on the rear wall of the turbine blade.
  • present material recess can be produced with different geometrical base shapes.
  • the material recess has a circular or oval base surface shape.
  • differently configured base shapes may be advantageous.
  • the material ⁇ recess has a straight elongated or a curved längli ⁇ che base surface shape.
  • Materi ⁇ alausNFung therefrom also have a combined base surface shape or a completely different base area shape.
  • the material recess is characterized by an indentation that is trough-shaped or cup-shaped and forms an indentation on the inside of the turbine blade outer wall.
  • the turning area of the coolant channel here corresponds ei ⁇ ner curve of the meandering cooling channel profile of thedemit ⁇ telkanals.
  • the object of the invention is also achieved by a turbine, in particular ⁇ sondere a gas turbine, with at least one turbine stage comprising a plurality of turbine blades, wherein the at least one turbine stage with a plurality of Turbi ⁇ nenlaufschaufeln and / or Turbinenleitschaufein in accordance with a turbine blade according to one of here includes features described.
  • a turbine the turbine blades are less affected by material fatigue or at risk can be operated not only operationally safe and requires less maintenance, but it furthermore has a total of a higher life ⁇ duration, and can thus be operated more economically.
  • FIG. 1 schematically shows a partial view of l jossgeoncee ⁇ NEN turbine blade with a cooling channel begren ⁇ a collapsing rib member, prior to its end a rib member Mate Rialaus principleung is formed on the inside of the turbine blade;
  • FIG. 2 schematically shows a cross section of the turbine blade shown in FIG.
  • each turbine blade 1 is a run ⁇ blade 2 of a hot gas turbine, not shown here.
  • the turbine blade 1 has an internally cooled turbine blade leaf 3, wherein the inside 4 of the present Before ⁇ side wall 5 of the turbine blade 3 is shown (Fi gur ⁇ 1).
  • Trailing edge region 7 is shown only partially in particular in FIG.
  • the turbine blade 3 has a cavity 10, wherein in the present case, this cavity 10 is only partially illustrated by the inside 4 with respect to FIG.
  • two rib elements 11 and 12 are located in the cavity 10, by means of which a plurality of spiral elements
  • Cooling channel 13 is designed with a meandering cooling passage inside ⁇ half of the cavity 10. Along the wound ⁇ nen cooling channel 13 and its meandering cooling channel course cooling air can be passed as a coolant through the turbine blade 3 through to cool it from the inside.
  • cooling channel 13 flows through from a foot area and thus from the direction of an opening fourteenth (see only FIG. 2) of a turbine blade root 15 coming cooling air essentially directly to the leading edge region 6 facing first cooling channel section 16 and the rear edge region 7 facing another cooling channel section 17th
  • the meandering cooling channel during the convoluted cooling passage 13 is at least designed in the region of the partial view shown in particular ⁇ sondere by the two rib elements 11 and 12, wherein the first rib member 11, the twodekanalab ⁇ sections 16 and 17 are spatially separated from each other.
  • the first rib element 11 terminates freely in the cooling channel 13 with its rib element end 24 defined by its head side 23, specifically in the turning region 19.
  • a material recess 29 is formed on the inner side 4 in order to achieve an advantageous stress reduction in this surrounding region 28 of the rib element end 24.
  • the material recess 29 is arranged at a distance of less than 10 mm from the head side 23 axially in front of the rib element end 24.
  • the material recess 29 is present as a concave, trough-shaped cavity 30 having a substantially oval base surface (not explicitly numbered) on the inner side 4 of the front side wall 5 of the turbine blade 3 out processing ⁇ tet.
  • the material recess 29 also embodies a partial wall thickness reduction on the front side wall 5 of the turbine blade 3.
  • a reinforcing rib 40 provided with bores 39 is provided.

Landscapes

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

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 (14) führenden Kühlkanal (13) unterteilt ist, wobei eine neben wenigstens einem der Rippenelemente (11, 12) an einer Turbinenschaufelblattwand (5) angeordnete Materialausnehmung (29) derart ausgestaltet ist, dass innerhalb des Turbinenschaufelblatts (3) auftretende Spannungen in einem Umgebungsbereich (28) des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) reduzierbar sind.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel und Turbine Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem innen¬ gekühlten Turbinenschaufelblatt, in welchem ein Hohlraum durch Rippenelemente in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal unterteilt ist und wobei das betreffende Rippenele¬ ment sich bis zu einem in dem Kühlkanal frei endenden Rippen- elementende längserstreckt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Turbine, insbesonde¬ re eine Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfas¬ send eine Vielzahl an Turbinenschaufeln.
Gattungsgemäße Turbinenschaufeln sowie Turbinen und Gasturbi¬ nen 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 Laufschau¬ fel der Turbine handelt. Um eine verbesserte Kühlung der Tur¬ binenschaufel zu ermöglichen, besitzt ein derartiges innenge¬ kühltes Turbinenschaufelblatt einen Hohlraum, durch welchen ein Kühlmedium hindurch geleitet werden kann. In diesem Hohlraum ist oftmals 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 Vorder- Seitenfläche des Turbinenschaufelblatts und die Rückseiten- fläche des Turbinenschaufelblatts thermisch weniger gut aus¬ balanciert sind, können sowohl eine diesbezügliche Vordersei¬ tenwand als auch eine entsprechende Rückseitenwand des Turbi- nenschaufelblatts 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 Turbinenschau¬ feln weiterzuentwickeln, um zumindest die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Turbinenschaufel mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt gelöst, in welchem ein Hohlraum durch zumindest ein Rippenelement in wenigstens einen Kühlmittel führenden Kühlkanal unterteilt ist,
wobei das betreffende Rippenelement sich bis zu einem in dem Kühlkanal frei endenden Rippenelementende längserstreckt, wobei an einer Innenseite einer Turbinenschaufelblattwand ei¬ ne neben dem Rippenelementende des betreffenden Rippenele¬ ments angeordnete Materialausnehmung derart ausgestaltet ist, dass innerhalb des Turbinenschaufelblatts auftretende Span¬ nungen in einem Umgebungsbereich des wenigstens einen Rippenelements reduzierbar sind.
Durch die erfindungsgemäße gezielte Reduzierung bzw. Einspa- rung an Material in einem Umgebungsbereich 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, 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 her¬ vorgerufene thermo-mechanische Spannungen signifikant in kri- tischen Gebieten des Turbinenschaufelblatts reduziert werden.
Es versteht sich, dass vorliegend nicht nur eine einzelne Ma- terialausnehmung sondern mehrere Materialausnehmungen in der Umgebung des Rippenelements an einer der Schaufelblattaußen- wandungen angeordnet sein können, um einer Materialermüdung besser entgegenzuwirken.
Vorteilhafterweise ist die vorliegende Materialausnehmung derart ausgestaltet, dass sie eine verbesserte Spannungsver- teilung 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 Au¬ ßenwänden des Turbinenschaufelblatts ermöglichen. Hierdurch kann insbesondere in kritischen Umgebungsbereichen bzw. Gebieten um das Rippenelementende herum eine Spannungsreduzie¬ rung 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 spezi¬ ell durch eine thermo-mechanische Ermüdung des Schaufelblatt¬ materials hervorgerufen wird. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die LCF-Ermüdung (Low Cycle Fatigue) , also die Kurzzeit- oder Niedriglastwechseler¬ müdung, hinsichtlich einer niedrigen Lastwechselzahl zu nennen. Vorliegend kann die mögliche Lastwechselzahl um mehr als das zweifache, insbesondere um mehr als das dreifache, bishe- riger üblicher Lastwechselzahlen erhöht werden.
Jedenfalls kann die Anzahl der erzielbaren Lastwechsel erheb¬ lich erhöht und damit speziell die Gefahr einer vorzeitigen LCF-Ermüdung signifikant gesenkt werden, wenn in dem Umgebungsbereich des Rippenelements erfindungsgemäß eine entspre¬ chende Materialausnehmung vorgesehen ist. Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Materialausnehmung ei- ne diesbezügliche LCF-Lebenserwartung einer Turbinenschaufel signifikant gesteigert werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Mate¬ rialausnehmung in einem Umgebungsbereich eines frei in dem Kühlkanal endenden Rippenelementendes angeordnet ist. Spezi¬ ell in einem Umgebungsbereich eines Rippenelementendes, wel¬ ches freiliegend in einem Turbinenschaufelblatthohlraum en¬ det, können vermehrt und/oder erhöhte thermo-mechanische Spannungen auftreten und dort eine raschere Materialermüdung verursachen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Materialausnehmung axial vor einer Kopfseite eines in dem Kühlkanal frei endenden Rippenelementendes an einer Turbinen- schaufelblattwand angeordnet ist. Mit anderen Worten: die Ma¬ terialausnehmung ist derart neben der Kopfseite des Rippenelementendes angeordnet ist, dass die Materialausnehmung in einer gedachten Verlängerung des Rippenelements längs seiner Längserstreckung angeordnet ist. Speziell in einem Bereich axial vor dem Rippenelementende, welches auch eine Innenkur- venbegrenzung des Kühlkanals formuliert, können sich höhere kritische Spannungszustände einstellen, welche dort dann eine frühzeitige Materialermüdung begünstigen. Ist die Materialausnehmung axial vor der Kopfseite des Rippenelementendes platziert, lassen sich dort insbesondere in dem Turbinenschaufelblatt auftretende thermo-mechanische Spannungen günstiger reduzieren. Es versteht sich, dass die Materialausnehmung in unterschied¬ lichen Abständen entfernt von dem Rippenelement, insbesondere von dem Rippenelementende, angeordnet sein kann, speziell im Hinblick auf unterschiedliche Designs verschiedener Turbinen- schaufeln. Um Spannungen innerhalb des Turbinenschaufelblatts hinsichtlich einer Vermeidung einer schnellen Materialermüdung günstig leiten zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Materialausnehmung weniger als 30 mm oder weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, von dem Rippenele¬ ment beabstandet an einer Turbinenschaufelblattwand angeord¬ net ist.
Die Materialausnehmung kann hierbei bis an das Rippenelement heranreichen oder sogar bis in das Rippenelement hinein gearbeitet sein. Bei letzterer Version kann das Rippenelement die Materialausnehmung zumindest teilweise aufweisen. Bevorzugt ist die Materialausnehmung jedoch mehr als 1 mm oder als 5 mm von dem Rippenelement entfernt angeordnet.
Bevorzugt ist die Materialausnehmung als wenigstens eine par¬ tielle Wandstärkenreduzierung einer Turbinenschaufelblattwand ausgestaltet. Beispielsweise ist die Materialausnehmung scha¬ lenförmig ausgestaltet.
Insofern ist es vorteilhaft, wenn die vorliegende Material¬ ausnehmung beispielsweise als konkave Delle in der Turbinen¬ schaufelblattaußenwand angeordnet ist. Wie vorstehend bereits angedeutet kann die Materialausnehmung unterschiedlich konstruiert sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Materialausnehmung als wenigstens eine konkave Aushöhlung an einer Turbinenschaufelblattwand ausgestaltet ist. Eine konkav ausgeformte Aushöhlung beeinflusst die Aero- dynamik an dem Turbinenschaufelblatt, wenn überhaupt, nur sehr gering.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Materialausneh¬ mung an der Innenseite einer Turbinenschaufelblattwand ausge- staltet ist. Speziell mittels einer konkaven Materialausneh¬ mung können thermo-mechanische Spannungen im Umgebungsbereich des Rippenelements insbesondere innerhalb der Turbinenschau- felblattaußenwand vorteilhaft umgeleitet werden. Zudem macht sich an einer dem Hohlraum bzw. dem Kühlkanal zugewandte Innerseite der Turbinenschaufelblattaußenwand vorgesehenen Ma- terialausnehmung strömungstechnisch am wenigstens bemerkbar.
Hinsichtlich der Temperaturverteilung an dem Turbinenschaufelblatt ist es zweckmäßig, wenn die Materialausnehmung an der Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts angeordnet ist.
Es versteht sich, dass die vorliegende Materialausnehmung mit verschiedenen geometrischen Grundflächenformen erzeugt werden kann .
Vorteilhaft ist es, wenn die Materialausnehmung eine kreis¬ runde oder eine ovale Grundflächenform aufweist. Je nach Verlauf des Rippenelements innerhalb des Turbinenschaufelblatts können unterschiedlich ausgestaltete Grundflächenformen vorteilhaft sein.
Somit kann es alternativ vorteilhaft sein, wenn die Material¬ ausnehmung eine gerade längliche oder eine gekrümmte längli¬ che Grundflächenform aufweist.
Erscheint es hinsichtlich eines Rippenelementverlaufs
und/oder eines Rippenquerschnitts oder dergleichen, oder einer Turbinenschaufelblattform zweckdienlich, kann die Materi¬ alausnehmung auch eine hieraus kombinierte Grundflächenform oder eine gänzlich andere Grundflächenform besitzen.
Beispielsweise zeichnet sich die Materialausnehmung durch ei¬ ne wannenförmig bzw. schalenförmig an die Innenseite der Turbinenschaufelblattaußenwand eingebrachte Einbuchtung aus.
Da Gebiete des Turbinenschaufelblatts mit einer erhöhten Ma¬ terialermüdungsgefahr speziell in einem Umgebungsbereich des in dem Kühlkanal frei endenden Rippenelementendes vorliegen, ist es vorteilhaft, wenn die vorliegende Materialausnehmung in einem Wendebereich des Kühlmittelkanals angeordnet ist. Der Wendebereich des Kühlmittelkanals entspricht hierbei ei¬ ner Kurve des mäandrierenden Kühlkanalverlaufs des Kühlmit¬ telkanals . Die Aufgabe der Erfindung wird auch von einer Turbine, insbe¬ sondere einer Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln gelöst, wobei die zumindest eine Turbinenstufe mit einer Vielzahl an Turbi¬ nenlaufschaufeln und/oder Turbinenleitschaufein gemäß einer Turbinenschaufel nach einem der hier beschriebenen Merkmale umfasst .
Eine Turbine, deren Turbinenschaufeln weniger durch Materialermüdungen belastet bzw. gefährdet sind, kann nicht nur be- triebssicherer und wartungsärmer betrieben werden, sondern sie besitzt darüber hinaus insgesamt auch eine höhere Lebens¬ dauer, und kann somit wirtschaftlicher betrieben werden.
Mithilfe der vorliegenden Materialausnehmung kann nicht nur die Lebenserwartung einer Turbinenschaufel erhöht werden, vielmehr sind an bestehenden Gusswerkzeuge zur Herstellung einer diesbezüglichen Turbinenschaufel nicht geringe kon¬ struktive Änderungen erforderlich, um die erfindungsgemäße Turbinenschaufel herzustellen.
Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein Turbinenschaufelblatt mit einer im Bereich eines Rippenelementendes eines innerhalb eines Kühlkanals befindlichen Rippenelements angeordneten Materialausnehmung dargestellt und beschrieben ist .
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 schematisch eine Teilansicht eines längsgeschnitte¬ nen Turbinenschaufelblatts mit einem einen Kühlkanal begren¬ zenden Rippenelement, vor dessen Rippenelementende eine Mate- rialausnehmung an der Innenseite des Turbinenschaufelblatts ausgebildet ist; und
Figur 2 schematisch einen Querschnitt der in der Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel.
Bei der in den Figuren 1 und 2 jeweils zumindest teilweise gezeigten Turbinenschaufel 1 handelt es sich um eine Lauf¬ schaufel 2 einer hier nicht gezeigten Heißgasturbine.
Die Turbinenschaufel 1 besitzt ein innengekühltes Turbinen¬ schaufelblatt 3, wobei vorliegend die Innenseite 4 der Vor¬ derseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 gezeigt ist (Fi¬ gur 1 ) .
Wie aus der Darstellung nach der Figur 1 erkennbar ist, befindet sich rechter Hand ein Vorderkantenbereich 6 des Turbinenschaufelblatts 3. Linker Hand befindet sich dementspre¬ chend ein Hinterkantenbereich 7 des Turbinenschaufelblatts 3, an welchem eine Vielzahl an Kühlluftaustrittsbohrungen 8 (nur exemplarisch beziffert) vorhanden sind. Der
Hinterkantenbereich 7 ist insbesondere in der Figur 2 nur teilweise dargestellt. Jedenfalls besitzt das Turbinenschaufelblatt 3 einen Hohlraum 10, wobei vorliegend dieser Hohlraum 10 hinsichtlich der Figur 1 nur teilweise durch die Innenseite 4 illustriert ist.
In dem Hohlraum 10 befinden sich insbesondere zwei Rippenele- mente 11 und 12, mittels welchen ein mehrfach gewundener
Kühlkanal 13 mit einem mäandrierenden Kühlkanalverlauf inner¬ halb des Hohlraums 10 ausgestaltet ist. Entlang des gewunde¬ nen 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 und somit aus Richtung einer Öffnung 14 (siehe nur Figur 2) eines Turbinenschaufelfußes 15 kommende Kühlluft im Wesentlichen direkt einen dem Vorderkantenbereich 6 zugewandten ersten Kühlkanalabschnitt 16 und einen dem Hinterkantenbereich 7 zugewandten weiteren Kühlkanalabschnitt 17.
Der mäandrierende Kühlkanalverlauf des gewundenen Kühlkanals 13 wird zumindest im Bereich der gezeigten Teilansicht insbe¬ sondere durch die zwei Rippenelemente 11 und 12 ausgestaltet, wobei das erste Rippenelement 11 die beiden Kühlkanalab¬ schnitte 16 und 17 räumlich voneinander trennt.
Vorliegend endet das erste Rippenelement 11 mit seinem durch seine Kopfseite 23 definierten Rippenelementende 24 frei in dem Kühlkanal 13, und zwar in dem Wendebereich 19.
Insbesondere in dem Umgebungsbereich 28 des Rippenelementen- des 24 besteht die Gefahr von kritischen thermo-mechanischen Spannungszuständen insbesondere in den Übergangsbereichen zwischen dem ersten Rippenelement 11 und der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 und/oder der Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts 3, welche dort eine erhöhte Mate¬ rialermüdung verursachen können. Deshalb ist in dem Umgebungsbereich 28 des Rippenelementendes 24 eine Materialausnehmung 29 an der Innenseite 4 ausgeformt, um in diesem Umgebungsbereich 28 des Rippenelementendes 24 eine vorteilhafte Spannungsreduzierung zu erreichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Materialausnehmung 29 um weniger als 10 mm beabstandet von der Kopfseite 23 axial vor dem Rippenelementende 24 angeordnet.
Die Materialausnehmung 29 ist vorliegend als konkave, wannen- förmige Aushöhlung 30 mit einer im Wesentlichen ovalen Grundfläche (nicht explizit beziffert) an der Innenseite 4 der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3 ausgearbei¬ tet . Insofern verkörpert die Materialausnehmung 29 auch eine partielle Wandstärkenreduzierung an der Vorderseitenwand 5 des Turbinenschaufelblatts 3.
Es versteht sich, dass eine diesbezügliche gleicher oder ähn¬ liche Materialausnehmung 29 bzw. partielle Wandstärkenredu¬ zierung kumulativ oder alternativ auch an der hier nicht gezeigten Rückseitenwand des Turbinenschaufelblatts 3 an gegen- überliegender gleicher oder versetzter Stelle vorgesehen sein kann .
Darüber hinaus sind noch weiteren Verstärkungs- und Leitrippenelemente 37 (nur exemplarisch beziffert) sowie Verstär- kungsstegelemente 38 (nur exemplarisch beziffert) vorhanden, welche das Turbinenschaufelblatt 3 im dünneren
Hinterkantenbereich 7 zusätzlich stabilisieren.
Am Vorderkantenbereich 6 ist noch eine mit Bohrungen 39 ver- sehene Verstärkungsrippe 40 vorgesehen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch dieses offenbarte Ausführungsbei- spiel eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fach¬ mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (1) mit einem innengekühlten Turbinenschaufelblatt (3), in welchem ein Hohlraum (10) durch zumin- dest ein Rippenelement (11, 12) in wenigstens einen Kühlmit¬ tel (14) führenden Kühlkanal (13) unterteilt ist,
wobei das betreffende Rippenelement (11, 12) sich bis zu ei¬ nem in dem Kühlkanal (13) frei endenden Rippenelementende (24) längserstreckt,
wobei an einer Innenseite einer Turbinenschaufelblattwand (5) eine neben dem Rippenelementende (24) des betreffenden Rippenelements (11, 12) angeordnete Materialausnehmung (29) der¬ art ausgestaltet ist, dass innerhalb des Turbinenschaufel¬ blatts (3) auftretende Spannungen in einem Umgebungsbereich (28) des wenigstens einen Rippenelements (11, 12) reduzierbar sind .
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,
wobei die Materialausnehmung (29) in einem Umgebungsbereich (28) des frei in dem Kühlkanal (13) endenden Rippenelementen- des (24) angeordnet ist.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Rippenelementende (24) eine Kopfseite (23) umfasst und die Materialausnehmung (29) derart neben der Kopfseite
(23) angeordnet ist, dass die Materialausnehmung (29) in ei¬ ner gedachten Verlängerung des Rippenelements (11) längs sei¬ ner Längserstreckung angeordnet ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Materialausnehmung (29) weniger als 30 mm oder weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, von dem we¬ nigstens einen Rippenelement (11, 12) beabstandet an einer Turbinenschaufelblattwand (5) angeordnet ist.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Materialausnehmung (29) als wenigstens eine parti- eile Wandstärkenreduzierung einer Turbinenschaufelblattwand (5) ausgestaltet ist.
6. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Materialausnehmung (29) als wenigstens eine konkave Aushöhlung (30) an einer Turbinenschaufelblattwand (5) ausge¬ staltet ist.
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wobei die Materialausnehmung (29) an der Innenseite (4) einer Turbinenschaufelblattwand (5) ausgestaltet ist.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Materialausnehmung (29) an der Vorderseitenwand (5) des Turbinenschaufelblatts (3) angeordnet ist.
9. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Materialausnehmung (29) eine kreisrunde oder eine ovale Grundflächenform aufweist.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Materialausnehmung (29) eine gerade längliche oder eine gekrümmte längliche Grundflächenform aufweist.
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Materialausnehmung (29) in einem Wendebereich (19) des Kühlkanals (13) angeordnet ist.
12. Turbine, insbesondere Gasturbine, mit zumindest einer Turbinenstufe umfassend eine Vielzahl an Turbinenschaufeln (1), wobei die zumindest eine Turbinenstufe mit einer Viel¬ zahl an Turbinenlaufschaufeln und/oder Turbinenleitschaufein gemäß einer Turbinenschaufel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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