EP3249159A1 - Turbinenschaufel und zugehörige strömungsmaschine - Google Patents

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EP3249159A1
EP3249159A1 EP16170828.4A EP16170828A EP3249159A1 EP 3249159 A1 EP3249159 A1 EP 3249159A1 EP 16170828 A EP16170828 A EP 16170828A EP 3249159 A1 EP3249159 A1 EP 3249159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
side wall
metal foam
foam body
turbine
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Withdrawn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
EP16170828.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Bärow
Oliver Dominka
Guido Ederer
Christian Felsmann
Florian Fuchs
Robert Herfurth
Jose Angel Hernandez Maza
Michael Kluck
Eike Kohlhoff
Kay Krabiell
Khaled Maiz
Behnam Nouri
Andre Willmann
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 EP16170828.4A priority Critical patent/EP3249159A1/de
Publication of EP3249159A1 publication Critical patent/EP3249159A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D5/183—Blade walls being porous
    • 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
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/514—Porosity
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade.
  • Turbine blades are used in turbomachinery.
  • a turbomachine or turbomachine is understood to mean a fluid energy machine in which the energy transmission between the fluid and the machine takes place in an open space through a flow in accordance with the laws of fluid dynamics via the kinetic energy.
  • Such a thermal turbomachine may have a compressor or a turbine. While a compressor is used to compress gases, e.g. In front of a combustion chamber of a jet engine, a turbine is understood to mean a rotating turbomachine which converts the internal energy of a flowing fluid (liquid or gas) into mechanical energy which it emits via its rotor shaft.
  • Blading is the entirety of the blades of a turbine or a compressor. A distinction is made between blades and vanes. A wreath of blades with the associated ring of vanes is called a step. The blading of turbines or compressors can be multi-level.
  • the vanes are fixed in the housing of the turbine and guide the working fluid at the optimum angle to the blades, which are located on the rotatable rotor shaft. About the blades takes place the coupling of the mechanically usable power between the machine and fluid.
  • Turbine blades in particular are subject to high thermal loads because hot combustion gases from the combustion chamber strike them. Therefore, turbine blades are cooled, e.g. in the cooling air is blown into the hollow interior of the turbine blade, which exits through outlet openings of the turbine blade again and lays as cooling air flow on the turbine blade surface.
  • a bottom and the abutting surface of such an air-cooled turbine blade are also subject to high thermal loads.
  • this area of the turbine blade can not be optimally cooled due to the complex geometric conditions. This area is therefore subject to high wear.
  • the abrading surface is removed by high-temperature oxidation. This results in increased aerodynamic losses during operation. The turbine blades must therefore be repaired consuming after each maintenance interval.
  • the object of the invention is therefore to show ways in which the cooling of such turbine blades can be improved.
  • the turbine blade according to the invention for a turbomachine has a cavity arranged in the interior of the turbine blade, through which a cooling fluid for cooling the turbine blade can be flowed during operation of the turbomachine, and a cooling fluid permeable and arranged in the cavity Ground up, which is formed by a metal foam body.
  • a conventional bottom forming a closure bottom on, for example, a turbine blade tip is replaced with metal foam.
  • the metal foam has a low density due to pores and voids, but has a high specific rigidity and strength.
  • the metal foam allows an increased absorption of kinetic energy, so that vibrations dampen particularly well.
  • the metal also acts as a heat exchanger, so that a heat conduction between the pressure side wall or the suction side wall and the metal foam reduces the metal temperature. Furthermore, depending on the porosity, the metal foam can limit or regulate a flow of cooling fluid. Thus, the turbine blade is provided with improved cooling.
  • the metal foam body preferably has an open-pored foam structure.
  • an open-pore foam structure is understood as meaning a foam structure in which the cell walls of the foam structure are not closed, whereas in the case of a closed-pore foam structure, the cell walls are closed.
  • the metal foam body is produced by means of a 3D printing process.
  • a 3D printing process Such a manufactured body can be manufactured by means of additive manufacturing.
  • Additive manufacturing is understood to mean production processes in which a component is built up in layers by depositing material on the basis of digital 3D design data. This is also called 3D printing.
  • the structure is computer controlled from one or more liquid or solid materials according to predetermined dimensions and shapes. When building physical and / or chemical hardening or Melting processes take place.
  • 3D printing is a generative manufacturing process, referred to as additive manufacturing according to the design principle.
  • the most important techniques of 3D printing are selective laser melting and electron beam melting and selective laser sintering for metals.
  • an insert of the desired complexity can first be manufactured and then inserted into the prefabricated turbine blade.
  • the turbine blade has a pressure sidewall and a suction sidewall defining the cavity, the bottom extending from the pressure sidewall to the suction sidewall.
  • the pressure side wall and the suction side wall are preferably integrally connected to the metal foam body. Under cohesive connection all connections are understood in which the connection partners are held together by atomic or molecular forces. They are at the same time non-detachable connections, which can only be separated by destruction of the connecting means. It is preferred that the pressure side wall and the suction side wall are connected to the metal foam body by soldering. During soldering, a liquid phase is formed by melting a solder (melt soldering) or by diffusion at interfaces (diffusion soldering).
  • a surface alloy is produced, but the workpiece is not melted at depth: the liquidus temperature of the base materials is not reached. After the solidification of the solder, as in welding a cohesive connection is made.
  • the difference to welding is that, during welding, the liquidus temperature of the components to be connected is considerably exceeded and, while the chemical bond may be the same during soldering, the liquidus temperature is barely exceeded or not exceeded.
  • the temperature load of the components can be reduced during manufacture and it will be undesirable material changes, such as structural modifications, avoided.
  • the metal foam body is preferably an insertion component.
  • the metal foam body can be manufactured separately from the turbine blade and then inserted into the turbine blade in an assembly step. This simplifies the production.
  • the metal foam body is preferably supported on a support.
  • the carrier may also be an insert member which is inserted into the turbine blade in an assembly step.
  • the carrier like the metal foam body, may extend from the pressure sidewall to the suction sidewall.
  • the carrier may be, for example, an SLM grid.
  • the SLM grating is a grating made by means of selective laser melting (English: selective laser melting).
  • the SLM grille is permeable to the cooling fluid but sufficiently strong to accommodate the forces encountered during operation. Thus, a fixed position is assigned by the carrier to the metal foam body.
  • the bottom is arranged in the region of the blade tip of the turbine blade.
  • the turbine blade has a pressure side wall and a suction side wall, each having in the region of the blade tip an abradable surface for grinding on a housing or a shaft of the turbomachine, wherein the metal foam body with a minimum distance greater than zero spaced from the abradable surface is arranged. This ensures that the metal foam body is not damaged by high-temperature oxidation occurring in the region of the abradable surface.
  • the pressure side wall and the suction side wall are made of a first material and the metal foam body of a second material, wherein the thermal expansion coefficient of the first material substantially corresponds to the coefficient of thermal expansion of the second material.
  • the thermal expansion coefficient may have a value of 13.0 ⁇ m / (m * K).
  • m * K 13.0 ⁇ m / (m * K).
  • the pressure side wall and the suction side wall are made of a first material and the metal foam body of a second material, wherein the thermal conductivity of the second material is equal to or greater than the thermal conductivity of the first material.
  • the thermal conductivity may for example have a value of 11.2 W / (m * K). This avoids heating of the second material.
  • the pressure side wall and the suction side wall are made of a first material and the metal foam body of a second material, wherein the temperature resistance of the first material substantially corresponds to the temperature resistance of the second material.
  • the temperature resistance may be in a range of 700 ° C to 950 ° C. Essentially, these correspond to deviations of 5%. This avoids thermal damage.
  • the turbomachine according to the invention is in particular a gas turbine or a steam turbine and has one of the turbine blades according to the invention.
  • the turbine blade 1 may be formed as a blade or as a vane.
  • the turbomachine may be designed in an axial construction and may be a steam turbine or gas turbine. During operation of the turbomachine, a cooling fluid, for example air, in the cavity 7 in the direction of the blade tip 8 can be flowed.
  • the turbine blade 1 has a bottom, which is arranged in the cavity 7 in the region of the blade tip 8 and is permeable to the cooling fluid.
  • the bottom is formed by a metal foam body 2.
  • the figure shows that the metal foam body 2 is supported on a support 3.
  • the carrier 3 extends from the pressure side wall 5 to the suction side wall 6.
  • the carrier 3 may, for example, be an SLM grid, which is inserted into the interior of the turbine blade 1.
  • the pressure side wall 5 and the suction side wall 6 each have in the region of the blade tip 8 a rubbing surface 4 for grinding against a housing or a shaft of the turbomachine, wherein the metal foam body 2 is arranged in the axial direction of the turbine blade with a minimum distance greater than zero spaced from the rubbing surface 4.
  • the metal foam body 2 is protected from high temperatures in the region of the rubbing surface 4.
  • the metal foam body 2 is produced in the present embodiment by means of a 3D printing process, for example by means of selective laser melting, electron beam melting or selective laser sintering. Furthermore, in the present exemplary embodiment, the metal foam body 2 has an open-pore foam structure through which the cooling fluid can pass.
  • the material of which the metal foam body is made has a coefficient of thermal expansion which substantially corresponds to the thermal expansion coefficient of the material, from which the pressure side wall 5 and the suction side wall 6 are made.
  • the thermal expansion coefficient may have a value of 13.0 ⁇ m / (m * K).
  • a material for the metal foam body 2 As a material for the metal foam body 2, a material is further selected whose thermal conductivity, for example, has a value of 11.2 W / (m * K).
  • the thermal conductivity of the material of the insert is at least the same size as the thermal conductivity of the material from which the pressure side wall 5 and the suction side wall 6 is made.
  • a material is selected whose temperature resistance is in a range of 700 ° C to 950 ° C and thus corresponds to the temperature resistance of the material from which the pressure side wall 5 and the suction side wall 6 are made.
  • the metal foam body 2 in the present embodiment an insertion member.
  • the metal foam body 2 is produced in a first step, for example by means of the 3D printing process and then inserted into the turbine blade 1 in a further step.
  • the pressure side wall 5 and the suction side wall 6 with the metal foam body 2 are materially connected, for example by soldering.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) für eine Strömungsmaschine, mit einem im Inneren der Turbinenschaufel (1) angeordneten Hohlraum, durch den im Betrieb der Strömungsmaschine ein Kühlfluid zum Kühlen der Turbinenschaufel (1) strömbar ist, und einem das Kühlfluid durchlässigen und in dem Hohlraum angeordneten Boden, der durch einen Metallschaumkörper (2) gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel.
  • Turbinenschaufeln finden in Strömungsmaschinen Verwendung. Dabei wird unter einer Strömungsmaschine oder Turbomaschine eine Fluidenergiemaschine verstanden, bei der die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine in einem offenen Raum durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik über den Umweg der kinetischen Energie erfolgt.
  • Eine derartige thermische Strömungsmaschine kann einen Verdichter oder eine Turbine aufweisen. Während ein Verdichter zum Komprimieren von Gasen verwendet wird, wie z.B. vor einer Brennkammer eines Strahltriebwerks, wird unter einer Turbine eine rotierende Strömungsmaschine verstanden, welche die innere Energie eines strömenden Fluides (Flüssigkeit oder Gas) in mechanische Energie umwandelt, die sie über ihre Rotorwelle abgibt.
  • Dem Fluidstrom wird in einer Turbine durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie (bestehend aus Bewegungs-, Lage- und Druckenergie) entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Rotorwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben.
  • Unter der Beschaufelung versteht man die Gesamtheit der Schaufeln einer Turbine oder eines Verdichters. Unterschieden wird dabei zwischen Laufschaufeln und Leitschaufeln. Ein Kranz von Laufschaufeln mit dem zugehörigen Kranz von Leitschaufeln nennt man eine Stufe. Die Beschaufelung von Turbinen oder Verdichtern kann mehrstufig sein.
  • Die Leitschaufeln sind fest im Gehäuse der Turbine eingebaut und leiten das Arbeitsmittel im optimalen Winkel auf die Laufschaufeln, die sich auf der drehbaren Rotorwelle befinden. Über die Laufschaufeln findet die Kopplung der mechanisch nutzbaren Leistung zwischen Maschine und Fluid statt.
  • Gerade Turbinenschaufeln unterliegen hohen thermischen Belastungen, da heiße Verbrennungsgase aus der Brennkammer auf sie treffen. Daher werden Turbinenschaufel gekühlt, z.B. in dem Kühlluft ins hohle Innere der Turbinenschaufel geblasen wird, die durch Austrittsöffnungen der Turbinenschaufel wieder austritt und sich als kühlender Luftstrom auf die Turbinenschaufeloberfläche legt.
  • Ein Boden und die darauf liegende Anstreiffläche von einer derartigen luftgekühlten Turbinenschaufel unterliegen ebenfalls hohen thermischen Belastungen. Zugleich lässt sich dieser Bereich der Turbinenschaufel aufgrund der komplexen geometrischen Gegebenheiten nicht optimal kühlen. Dieser Bereich unterliegt daher einem hohen Verschleiß. Im laufenden Betrieb erfolgt ein Abtragen der Anstreiffläche durch Hochtemperaturoxidation. Daraus ergeben sich im Betrieb erhöhte aerodynamische Verluste. Die Turbinenschaufeln müssen daher nach jedem Wartungsintervall aufwändig repariert werden.
  • Aus der EP 1 659 263 A2 ist ein Kühlsystem für eine Gasturbinenschaufel bekannt, bei dem Turbinenschaufelspitze kleine Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft austreten kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, Wege aufzuzeigen, wie die Kühlung derartiger Turbinenschaufeln verbessert werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine weist einen im Inneren der Turbinenschaufel angeordneten Hohlraum, durch den im Betrieb der Strömungsmaschine ein Kühlfluid zum Kühlen der Turbinenschaufel strömbar ist, und einen das Kühlfluid durchlässigen und in dem Hohlraum angeordneten Boden auf, der durch einen Metallschaumkörper gebildet ist. Somit wird ein konventioneller Boden, der einen Verschlussboden an beispielsweise einer Turbinenlaufschaufelspitze bildet, durch Metallschaum ersetzt. Der Metallschaum besitzt eine durch Poren und Hohlräume bedingte geringe Dichte, weist aber eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Zusätzlich ermöglicht der Metallschaum eine gesteigerte Absorption kinetischer Energie, so dass auch Schwingungen besonders gut dämpfen. Das Metall fungiert ferner als Wärmeüberträger, so dass eine Wärmeleitung zwischen der Druckseitenwand beziehungsweise der Saugseitenwand und dem Metallschaum die Metalltemperatur reduziert. Des Weiteren kann der Metallschaum in Abhängigkeit von der Porosität einen Kühlfluidstrom begrenzen oder regulieren. Somit wird die Turbinenschaufel mit einer verbesserter Kühlung bereitgestellt.
  • Der Metallschaumkörper weist bevorzugt eine offenporige Schaumstruktur auf. Dabei wird unter einer offenporigen Schaumstruktur eine Schaumstruktur verstanden, bei der die Zellwände der Schaumstruktur nicht geschlossen sind, während bei einer geschlossenporigen Schaumstruktur die Zellwände geschlossen sind. Ferner gibt es noch gemischtporige Schaumstrukturen, die beide Arten von Schaumstrukturen aufweisen. Daher kann beispielsweise eine offenporige Schaumstruktur Gase und/oder Flüssigkeiten aufnehmen und diese können die offenporige Schaumstruktur durchdringen.
  • Es ist bevorzugt, dass der Metallschaumkörper mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt ist. Ein derart hergestellter Körper kann mittels additiver Fertigung hergestellt werden. Unter additiver Fertigung (englisch: Additive Manufacturing - AM) werden dabei Fertigungsverfahren verstanden, bei denen auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Dies wird auch als 3D-Druck bezeichnet. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische und/oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Der 3D-Druck ist ein generatives Fertigungsverfahren, nach dem Aufbauprinzip als additive Fertigung bezeichnet. Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen sowie das selektive Lasersintern für Metalle. So kann zuerst ein Einsetzteil mit der gewünschten Komplexität hergestellt und dann in die vorgefertigte Turbinenschaufel eingesetzt werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Turbinenschaufel eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand aufweist, die den Hohlraum begrenzen, wobei sich der Boden von der Druckseitenwand bis zu der Saugseitenwand erstreckt. Die Druckseitenwand und die Saugseitenwand sind bevorzugt stoffschlüssig mit dem Metallschaumkörper verbunden. Dabei werden unter stoffschlüssigem Verbinden alle Verbindungen verstanden, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Dabei ist bevorzugt, dass die Druckseitenwand und die Saugseitenwand mit dem Metallschaumkörper durch Löten verbunden sind. Beim Löten entsteht eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten). Dabei wird eine Oberflächenlegierung erzeugt, das Werkstück in der Tiefe aber nicht aufgeschmolzen: Die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht. Nach dem Erstarren des Lotes ist wie beim Schweißen eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Der Unterschied zum Schweißen liegt darin, dass beim Schweißen die Liquidustemperatur der zu verbindenden Komponenten erheblich überschritten wird und dass beim Löten die chemische Bindung zwar gleich sein kann, aber die Liquidustemperatur kaum oder nicht überschritten wird. So kann die Temperaturbelastung der Bauteile während der Fertigung reduziert werden und es werden unerwünschte Materialänderungen, wie Gefügemodifikationen, vermieden.
  • Bevorzugt ist der Metallschaumkörper ein Einsetzbauteil. Somit kann der Metallschaumkörper separat von der Turbinenschaufel hergestellt werden und dann in einem Montageschritt in die Turbinenschaufel eingesetzt werden. Dies vereinfacht die Fertigung.
  • Der Metallschaumkörper ist bevorzugt auf einem Träger abgestützt. Der Träger kann ebenfalls ein Einsetzbauteil sein, das in einem Montageschritt in die Turbinenschaufel eingesetzt wird. Der Träger kann ebenso wie der Metallschaumkörper sich von der Druckseitenwand zu der Saugseitenwand erstrecken. Bei dem Träger kann es sich beispielsweise um ein SLM-Gitter handeln. Bei dem SLM-Gitter handelt es sich um ein mittels selektiven Laserschmelzen (englisch: selective laser melting) hergestelltes Gitter. Das SLM-Gitter ist durchlässig für das Kühlfluid, aber ausreichend fest, um die im Betrieb auftretenden Kräfte aufzunehmen. So wird durch den Träger dem Metallschaumkörper eine fixe Position zugewiesen.
  • Es ist bevorzugt, dass der Boden im Bereich der Schaufelspitze der Turbinenschaufel angeordnet ist. Bevorzugt ist, dass die Turbinenschaufel eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand aufweist, die jeweils im Bereich der Schaufelspitze eine Anstreiffläche zum Anschleifen an einem Gehäuse oder einer Welle der Strömungsmaschine aufweisen, wobei der Metallschaumkörper mit einem Mindestabstand größer Null beabstandet von der Anstreiffläche angeordnet ist. So ist sichergestellt, dass der Metallschaumkörper nicht durch im Bereich der Anstreiffläche erfolgende Hochtemperaturoxidation Schaden nimmt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Druckseitenwand und die Saugseitenwand aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials entspricht. Beispielsweise kann der Wärmeausdehnungskoeffizient einen Wert von 13,0 µm/(m*K) aufweisen. Dabei werden unter im Wesentlichen entsprechend Abweichungen von 5% verstanden. So werden thermisch induzierte Spannungen vermieden oder reduziert.
  • Zudem ist bevorzugt, dass die Druckseitenwand und die Saugseitenwand aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials gleich oder größer als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials ist. Die Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise einen Wert von 11,2 W/(m*K) aufweisen. So wird eine Erwärmung des zweiten Materials vermieden.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die Druckseitenwand und die Saugseitenwand aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei die Temperaturfestigkeit des ersten Materials im Wesentlichen der Temperaturfestigkeit des zweiten Materials entspricht. Die Temperaturfestigkeit kann in einem Bereich von 700°C bis 950°C liegen. Es werden unter im Wesentlichen entsprechend Abweichungen von 5% verstanden. So werden thermische Schäden vermieden.
  • Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine ist insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine und weist eine der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln auf.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel.
  • Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, weist eine Turbinenschaufel 1 für eine Strömungsmaschine einen Hohlraum 7, eine Druckseitenwand 5, eine Saugseitenwand 6 und eine Schaufelspitze 8 auf, wobei die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 den Hohlraum 7 begrenzen. Die Turbinenschaufel 1 kann als Laufschaufel oder als Leitschaufel ausgebildet sein. Die Strömungsmaschine kann in Axialbauweise ausgeführt sein und kann eine Dampfturbine oder Gasturbine sein. Im Betrieb der Strömungsmaschine ist ein Kühlfluid, beispielsweise Luft, in dem Hohlraum 7 in Richtung zu der Schaufelspitze 8 strömbar.
  • Die Turbinenschaufel 1 weist einen Boden auf, der in dem Hohlraum 7 im Bereich der Schaufelspitze 8 angeordnet ist und durchlässig für das Kühlfluid ist. Der Boden ist durch einen Metallschaumkörper 2 gebildet.
  • Die Figur zeigt, dass der Metallschaumkörper 2 auf einem Träger 3 abgestützt ist. Der Träger 3 erstreckt sich von der Druckseitenwand 5 bis zur Saugseitenwand 6. Der Träger 3 kann beispielsweise ein SLM-Gitter sein, das in das Innere der Turbinenschaufel 1 eingesetzt ist.
  • Die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 weisen jeweils im Bereich der Schaufelspitze 8 eine Anstreiffläche 4 zum Anschleifen an einem Gehäuse oder einer Welle der Strömungsmaschine auf, wobei der Metallschaumkörper 2 in Axialrichtung der Turbinenschaufel mit einem Mindestabstand größer Null beabstandet von der Anstreiffläche 4 angeordnet ist. So ist der Metallschaumkörper 2 vor hohen Temperaturen im Bereich der Anstreiffläche 4 geschützt.
  • Der Metallschaumkörper 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt, beispielsweise mittels selektivem Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder selektivem Lasersintern. Ferner weist der Metallschaumkörper 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine offenporige Schaumstruktur auf, durch die das Kühlfluid hindurchtreten kann.
  • Das Material, aus dem der Metallschaumkörper gefertigt ist, weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials entspricht, aus dem die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 gefertigt sind. Beispielsweise kann der Wärmeausdehnungskoeffizient einen Wert von 13,0 µm/(m*K) aufweisen.
  • Als Material für den Metallschaumkörper 2 wird ferner ein Material gewählt, dessen Wärmeleitfähigkeit beispielsweise einen Wert von 11,2 W/(m*K) aufweist. Somit ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Einsetzteils zumindest gleich groß wie die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 gefertigt ist.
  • Des Weiteren wird als Material für den Metallschaumkörper 2 ein Material gewählt, dessen Temperaturfestigkeit in einem Bereich von 700°C bis 950°C liegt und damit der Temperaturfestigkeit des Materials entspricht, aus dem die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 gefertigt sind.
  • Ferner ist der Metallschaumkörper 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Einsetzbauteil. Somit wird der Metallschaumkörper 2 in einem ersten Schritt beispielsweise mittels des 3D-Druck-Verfahrens hergestellt und dann in einem weiteren Schritt in die Turbinenschaufel 1 eingesetzt. In einem weiteren Schritt werden dann die die Druckseitenwand 5 und die Saugseitenwand 6 mit dem Metallschaumkörper 2 stoffschlüssig, beispielsweise durch Löten, verbunden. Somit wird eine leicht zu fertigende Turbinenschaufel 1 mit verbesserter Kühlung bereitgestellt.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

  1. Turbinenschaufel (1) für eine Strömungsmaschine, mit einem im Inneren der Turbinenschaufel (1) angeordneten Hohlraum (7), durch den im Betrieb der Strömungsmaschine ein Kühlfluid zum Kühlen der Turbinenschaufel (1) strömbar ist, und einem das Kühlfluid durchlässigen und in dem Hohlraum (7) angeordneten Boden, der durch einen Metallschaumkörper (2) gebildet ist.
  2. Turbinenschaufel (1) gemäß Anspruch 1,
    wobei der Metallschaumkörper (2) eine offenporige Schaumstruktur aufweist.
  3. Turbinenschaufel (1) gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Metallschaumkörper (2) mittels eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt ist.
  4. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Turbinenschaufel (1) ein Schaufelblatt umfassend eine Druckseitenwand (5) und eine Saugseitenwand (6) aufweist, welche Seitenwänden (5, 6) den Hohlraum (7) begrenzen, wobei sich der Boden von der Druckseitenwand (5) bis zu der Saugseitenwand (6) erstreckt.
  5. Turbinenschaufel (1) gemäß Anspruch 4,
    wobei die Druckseitenwand (5) und die Saugseitenwand (6) stoffschlüssig mit dem Metallschaumkörper (2) verbunden sind.
  6. Turbinenschaufel (1) gemäß Anspruch 5,
    wobei die Druckseitenwand (5) und die Saugseitenwand (6) mit dem Metallschaumkörper (2) durch Löten verbunden sind.
  7. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Druckseitenwand (5) und die Saugseitenwand (6) aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper (2) aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Materials entspricht.
  8. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Druckseitenwand (5) und die Saugseitenwand (6) aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper(4) aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei die Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials gleich oder größer als die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials ist.
  9. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Druckseitenwand (5) und die Saugseitenwand (6) aus einem ersten Material und der Metallschaumkörper(4) aus einem zweiten Material gefertigt sind, wobei die Temperaturfestigkeit des ersten Materials im Wesentlichen der Temperaturfestigkeit des zweiten Materials entspricht.
  10. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Metallschaumkörper (2) ein Einsetzbauteil ist.
  11. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Turbinenschaufel (1) einen Träger aufweist und der Metallschaumkörper (2) auf dem Träger (3) abstützt ist.
  12. Turbinenschaufel (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Boden im Bereich der Schaufelspitze (8) der Turbinenschaufel (1) angeordnet ist.
  13. Turbinenschaufel (1) gemäß Anspruch 12,
    wobei die Turbinenschaufel (1) eine Druckseitenwand (5) und eine Saugseitenwand (6) aufweist, die jeweils im Bereich der Schaufelspitze (8) eine Anstreiffläche (4) zum Anschleifen an einem Gehäuse oder einer Welle der Strömungsmaschine aufweisen, wobei der Metallschaumkörper (2) mit einem Mindestabstand größer Null beabstandet von der Anstreiffläche (4) angeordnet ist.
  14. Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, aufweisend eine Turbinenschaufel (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1186748A1 (de) * 2000-09-05 2002-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Laufschaufel für eine Strömungsmaschine sowie Strömungsmaschine
EP1623776A2 (de) * 2004-07-30 2006-02-08 United Technologies Corporation Präzisionsgiessen
EP1659263A2 (de) 2004-11-18 2006-05-24 General Electric Company Kühlungssystem für eine Turbinenschaufel
EP2581557A2 (de) * 2011-10-12 2013-04-17 General Electric Company Heissgaskomponente für Turbinensystem
US20140169943A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-19 General Electric Company Components with porous metal cooling and methods of manufacture
EP2949634A1 (de) * 2014-05-29 2015-12-02 United Technologies Corporation Transpirationsgekühlter artikel mit nanozellulärem schaumstoff

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1186748A1 (de) * 2000-09-05 2002-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Laufschaufel für eine Strömungsmaschine sowie Strömungsmaschine
EP1623776A2 (de) * 2004-07-30 2006-02-08 United Technologies Corporation Präzisionsgiessen
EP1659263A2 (de) 2004-11-18 2006-05-24 General Electric Company Kühlungssystem für eine Turbinenschaufel
EP2581557A2 (de) * 2011-10-12 2013-04-17 General Electric Company Heissgaskomponente für Turbinensystem
US20140169943A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-19 General Electric Company Components with porous metal cooling and methods of manufacture
EP2949634A1 (de) * 2014-05-29 2015-12-02 United Technologies Corporation Transpirationsgekühlter artikel mit nanozellulärem schaumstoff

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