EP3289182A1 - Turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel

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EP3289182A1
EP3289182A1 EP16733363.2A EP16733363A EP3289182A1 EP 3289182 A1 EP3289182 A1 EP 3289182A1 EP 16733363 A EP16733363 A EP 16733363A EP 3289182 A1 EP3289182 A1 EP 3289182A1
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EP
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blade
wall thickness
transition
airfoil
turbine blade
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Björn Buchholz
Ralph Gossilin
Daniela Koch
Marco Schüler
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens AG
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    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades

Definitions

  • Turbine blade the invention relates to a turbine blade according to the Gat ⁇ tung term of claim 1.
  • Hollow turbine blades in particular gas turbine blades, have in the region of a transition from the blade to
  • a turbine blade with an extended life is also known from EP 1 355 041 AI, wherein the contour of the transition from the blade to the platform in the blade interior is adapted to obtain in the transition region a blade wall thickness, which is approximately the wall thickness of the rest ⁇ corresponding blade.
  • the contour is ent ⁇ long the entire, closed circulation, ie along the platform adapted.
  • the reduced wall thickness for reasons of strength, can adversely affect the life of the turbine blade, which is undesirable.
  • the invention is characterized in that it comprises a defining a cavity inside surface in the region of the ⁇ gear, whose contour is adapted in a first section of the inner surface in such a way that in the region of the transition has a substantially uniform blade wall thickness available for a corresponding to the preamble turbine blade is, wherein in the transition of the contour of the inner surface at a second inner surface portion of the airfoil, which is opposite the leading edge, such that there the blade wall thickness is increased, compared with the show ⁇ felwanddicke the transition of the first portion of the inner ⁇ surface.
  • the contour profile is at an inner surface of the blade opposite the leading edge such that there the blade wall thickness is increased compared to the show ⁇ felwanddicke the transition, away from the local inner surface ⁇ section.
  • the second inner surface portion extends with increased blade wall thickness starting at the front edge of the airfoil along the suction sidewall and / or the pressure sidewall along the profile centerline to a position equal to or less than 9% of the length of the profile centerline.
  • the strength can, in particular in the pre ⁇ derkanten Scheme of the turbine blade, locally enlarged ⁇ the, resulting in an increased service life of the respective areas.
  • the platform has a platform wall thickness and the blade ⁇ blade off the transition a blade wall thickness, wherein in the region with substantially uniform blade wall thickness of the transition, the ratio of blade wall thickness to platform wall thickness between 0.5 and 1 lies.
  • Such a turbine blade can be cooled particularly homogeneously, which reduces thermomechanical stresses in the material of the turbine blade.
  • FIG. 1 shows a plan view of the foot region of a turbine blade designed as a guide face
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the turbine blade according to FIG. 1 along the section line II-II.
  • the 1 shows in perspective view a turbine blade 10.
  • the perspective is chosen so that the top ⁇ view of a mounting portion 12 of the vane as configured turbine blade 10 is shown.
  • FIG 2 the longitudinal section through the turbine blade 10 according to the section line II-II of FIG 1 is shown.
  • the turbine blade 10 has, along a radial axis 14, successively the fastening region 12, an adjacent blade plate 16 and an airfoil 18.
  • a blade root 20 is formed, which serves for fastening ⁇ tion of the turbine blade 10 to a turbine vane support, not shown.
  • the representation of the invention takes place by way of example with reference to egg ⁇ ner designed as a guide blade with two platforms turbine blade. Nevertheless, other embodiments are possible, in particular, the turbine blade can also be configured as a blade of a turbine. At least the main body of the turbine blade is produced by a casting method and comprises at least the blade 18, as ⁇ at least one platform 16. As is apparent from the figures, the invention ⁇ turbine blade 10 and in particular its blade 18 is designed to be hollow inside, so that it comprises a cavity 25, which may be configured in a known manner as a cooling channel with or without impingement cooling.
  • the airfoil 18 extends from a front edge 28 to a trailing edge 30.
  • the airfoil 18 comprises only schematically indicated in Figure 1 suction side show ⁇ felwand 32 and a pressure-side vane wall 34.
  • the vane walls 32, 34 a wall thickness D. which is essentially consistent.
  • a transition 36 the surface on the outer top of the turbine blade is rounded 10 and thus fillet- ⁇ like.
  • Inside 18 has the blade to a temperature the outer surfaces FLAE ⁇ opposite inner surface. This is such in the area of the suction-side blade wall 32 so as to partially ⁇ as the outer contour of the transition, ie, along the radial axis 14 of a blade tip to the blade root, is Designed to fit, so that there uniform the transition 36 in the Wesent ⁇ union Vane wall thickness Dl is present.
  • the inner surface in the region of the transition 36 comprises a second mecanicab ⁇ section 40 opposite the front edge 28, the contour of which is such that there the blade wall thickness (D 2 ) is increased compared to the blade wall thickness Di of the transition away from the second inner ⁇ surface portion 40th in other words, the second interior surface portion 40 is only located in the immediate Conversely ⁇ bung of the front edge and forms, with inner surface of the remainder of the airfoil along the radial direction 14 and in longitudinal section viewed a straight line, whereas the rest of the inner surface of the suction and / or Pressure side in the transition, ie, a first inner surface portion 41 under Beibe ⁇ attitude of an approximately uniform blade wall thickness Di is curved. Consequently, starting from the front edge 28 along the transition 36, the second inner surface section 40 with the increased wall thickness D2 is followed by the first inner surface section 41 having a wall thickness Di which corresponds to the wall thickness D of the airfoil.
  • the invention relates to a cast turbine blade or vane 10 having a platform 16 and a thereto ⁇ arranged hollow airfoil 18, wherein the airfoil 18 includes a pressure-side blade wall 34 and a suction-side show ⁇ felwand 32, a centrally reasonable longitudinally thereof extend arcuate tread center line 42 from a common leading edge 28 to a common trailing edge 30 and having an outer contour transition 36 between the blade and platform 36, wherein the blade walls 32, 34 each have a locally to be detected blade wall thickness D, wherein the turbine blade inside a contour profile which is partially adapted to the outer contour of the transition 36 in such a way that in the region of the transition 36, a substantially uniform blade wall thickness is present.
  • the contour at one of the leading edge 28 opposite second inner surface portion 40 of the airfoil is such that there the blade wall thickness is increased compared to the blade wall thickness of the transition away from the leading edge ,

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 gegossene Turbinenschaufel (10) mit einer Plattform (16) und mit einem daran angeordneten hohlen Schaufelblatt (18), wobei das Schaufelblatt (18) eine druckseitige Schaufelwand (34) und eine saugseitige Schaufelwand (32) umfasst, die sich längs einer mittig davon angeordneten gewölbten Profilmittenline (42) von einer gemeinsamen Vorderkante (28) zu einer gemeinsamen Hinterkante (30) erstrecken sowie mit einem einen äußeren Konturverlauf aufweisenden Übergang (36) zwischen Schaufelblatt und Plattform (36), wobei die Schaufelwände (32, 34) jeweils eine lokal zu erfassende Schaufelwanddicke (D) aufweisen, wobei die Turbinenschaufel im Inneren einen Konturverlauf aufweist, welcher teilweise dem äußeren Konturverlauf des Übergangs (36) in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs (36) eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke vorhanden ist. Um die Lebensdauer einer derartigen Turbinenschaufel weiter zu verbessern ist vorgesehen, dass im Übergang (36) der Konturverlauf an einem der Vorderkante (28) gegenüberliegenden Flächenabschnitt (40) des Schaufelblatts dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, vergleichen mit der Schaufelwanddicke des Übergangs abseits der Vorderkante.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Gat¬ tungsbegriff des Anspruchs 1.
Hohle Turbinenschaufeln, insbesondere Gasturbinenschaufeln, weisen im Bereich eines Übergangs vom Schaufelblatt zur
Plattform eine belastungsmäßig und gusstechnisch notwendige Krümmung auf einer Außenoberfläche auf, wobei es in diesem hohlkehlartigen Übergang aufgrund einer geradlinigen Innengestalt der im Inneren vorgesehenen Kühlkanälen es lokal zu Massenanhäufungen kommt, die durch ein dort strömbares Kühl- medium schwerer kühlbar sind. Derartige Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus der US 6,019,579 und aus der WO
2007/012592 bekannt, wobei letztere vorschlägt, die Massean¬ häufungen durch Vorsehen von lokalen Kühlluftkanälen zu kühlen. Des Weiteren zeigt das Dokument US 2,861,775 eine aus gebogenen Blechen hergestellte Turbinenschaufel.
Eine Turbinenschaufel mit einer verlängerten Lebensdauer ist zudem aus dem EP 1 355 041 AI bekannt, wobei die Kontur des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform im Schaufelinneren angepasst ist, um auch im Übergangbereich eine Schaufelblatt- Wandstärke zu erhalten, die in etwa der Wandstärke des rest¬ lichen Schaufelblatts entspricht. Dabei ist die Kontur ent¬ lang des gesamten, geschlossenen Umlaufs, also entlang der Plattform, angepasst. Die verringerte Wandstärke kann aus Festigkeitsgründen jedoch die Lebensdauer der Turbinenschaufel negativ beeinflussen, was unerwünscht ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gegossene Turbinen- schaufei aufzuzeigen, bei der der Übergangsbereich vom Schaufelblatt zur Plattform weiterhin hinreichend kühlbar ist unter Erreichung einer verlängerten Lebensdauer. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
Erfindungsgemäß ist für eine dem Gattungsbegriff entsprechende Turbinenschaufel vorgesehen, dass sie im Bereich des Über¬ gangs eine einen Hohlraum begrenzende Innenfläche aufweist, deren Kontur in einem ersten Abschnitt der Innenfläche in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke vorhanden ist, wobei im Übergang der Konturverlauf der Innenfläche an einem zweiten Innenflächenabschnitt des Schaufelblatts, welcher der Vorderkante gegenüber liegt, dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schau¬ felwanddicke des Übergangs des ersten Abschnitts der Innen¬ fläche. Mit anderen Worten: im Übergang ist der Konturverlauf an einem der Vorderkante gegenüberliegenden Innenflä- chenabschnitt des Schaufelblatts dergestalt, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schau¬ felwanddicke des Übergangs, abseits des lokalen Innenflächen¬ abschnitts . Damit weist die Turbinenschaufel im Inneren auf Höhe der
Plattform eine Kontur auf, die längs des Umlaufs des Hohl¬ raums unterschiedlich ist. Im Bereich der Vorderkante ist die innere Kontur des Hohlraums entlang einer Radialachse einer damit ausgestatten Gasturbine eher geradlinig und fluchtet mit derjenigen Innenfläche, welcher der Vorderkante abseits des Übergangs gegenüber liegt. Damit ist die die Masseanhäu¬ fungen vermeidende innere Kontur lediglich an denjenigen Bereichen des Schaufelblatts vorgesehen, die weiter stromab der Vorderkante zu finden sind.
Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Innenflächenabschnitt mit vergrößerter Schaufelwanddicke beginnend an der Vorder- kante des Schaufelblatts entlang der Saugseitenwand und/oder der Druckseitenwand längs der Profilmittenlinie bis zu einer Position, die gleich oder geringer ist als 9 % der Länge der Profilmittenlinie .
Mit der Erfindung kann die Festigkeit, insbesondere im Vor¬ derkantenbereich der Turbinenschaufel, lokal vergrößert wer¬ den, was zu einer erhöhten Lebensdauer der betreffenden Bereiche führt.
Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Plattform eine Plattformwanddicke und das Schaufel¬ blatt abseits des Übergangs eine Schaufelwanddicke aufweisen, wobei im Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Schaufel- wanddicke des Übergangs, das Verhältnis von Schaufelwanddicke zu Plattformwanddicke zwischen 0,5 und 1 liegt.
Eine derartige Turbinenschaufel lässt sich besonders homogen kühlen, was thermomechanische Belastungen im Material der Turbinenschaufel reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen: FIG 1 eine Draufsicht auf den Fußbereich einer als Leitschau¬ fel ausgestalteten Turbinenschaufel und
FIG 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel gemäß FIG 1, entlang der Schnittlinie II-II.
Die FIG 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Turbinenschaufel 10. Die Perspektive ist so gewählt, dass die Drauf¬ sicht auf einen Befestigungsbereich 12 der als Leitschaufel ausgestalteten Turbinenschaufel 10 dargestellt ist. In FIG 2 ist der Längsschnitt durch die Turbinenschaufel 10 gemäß der Schnittlinie II-II aus FIG 1 gezeigt. Die Turbinenschaufel 10 weist entlang einer Radialachse 14 aufeinanderfolgend den Be- festigungsbereich 12, eine daran angrenzende Schaufelplatt¬ form 16 sowie ein Schaufelblatt 18 auf. Im Befestigungsbe¬ reich 12 ist ein Schaufelfuß 20 ausgebildet, der zur Befesti¬ gung der Turbinenschaufel 10 an einem nicht dargestellten Turbinenleitschaufelträger dient .
Die Darstellung der Erfindung erfolgt beispielhaft anhand ei¬ ner als Leitschaufel mit zwei Plattformen ausgestalteten Turbinenschaufel. Nichts desto trotz sind andere Ausgestaltungen möglich, insbesondere kann die Turbinenschaufel auch als Laufschaufel einer Turbine ausgestaltet sein. Zumindest der Grundkörper der Turbinenschaufel ist durch ein Gussverfahren hergestellt und umfasst wenigstens das Schaufelblatt 18, so¬ wie wenigstens eine Plattform 16. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Tur¬ binenschaufel 10 und insbesondere deren Schaufelblatt 18 im Inneren hohl ausgeführt, so dass sie einen Hohlraum 25 umfasst, der in bekannter Art und Weise als Kühlkanal mit oder ohne Prallkühlung ausgestaltet sein kann.
Das Schaufelblatt 18 erstreckt sich von einer Vorderkante 28 zu einer Hinterkante 30. Dabei umfasst das Schaufelblatt 18 eine in FIG 1 nur schematisch angedeutete saugseitige Schau¬ felwand 32 sowie eine druckseitige Schaufelwand 34. Entlang der Radialrichtung 14 weisen die Schaufelwände 32, 34 eine Wanddicke D auf, die im Wesentlichen gleichbleibend ist.
Fertigungsbedingt besteht zwischen dem Schaufelblatt 18 und der Plattform 16 ein Übergang 36, der auf der äußeren Ober- fläche der Turbinenschaufel 10 abgerundet und somit hohlkehl¬ artig ist. Im Inneren weist das Schaufelblatt 18 eine den äußeren Flä¬ chen gegenüber liegende Innenfläche auf. Diese ist im Bereich der saugseitigen Schaufelwand 32 dergestalt, dass sie teil¬ weise dem äußeren Konturverlauf des Übergangs, also längs der Radialachse 14 von einer Schaufelspitze zum Schaufelfuß, an- gepasst ist, so dass auch dort im Übergang 36 eine im Wesent¬ lichen gleichmäßige Schaufelwanddicke Dl vorhanden ist.
Die Innenfläche im Bereich des Übergangs 36 umfasst einen der Vorderkante 28 gegenüberliegenden zweiten Innenflächenab¬ schnitt 40, dessen Konturverlauf derartig ist, dass dort die Schaufelwanddicke (D2) vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke Di des Übergangs abseits des zweiten Innen¬ flächenabschnitts 40. Mit anderen Worten: der zweite Innen- flächenabschnitt 40 ist lediglich in der unmittelbaren Umge¬ bung der Vorderkante angesiedelt und bildet mit Innenfläche des restlichen Schaufelblatts längs der Radialrichtung 14 bzw. im Längsschnitt betrachtet eine Gerade, wohingegen die restliche Innenfläche der Saug- und/oder Druckseite im Über- gang, d.h. ein erster Innenflächenabschnitt 41 unter Beibe¬ haltung einer annähernd gleichmäßigen Schaufelwanddicke Di gekrümmt ist. Mithin folgt ausgehend von der Vorderkante 28 längs des Übergangs 36 dem zweiten Innenflächenabschnitt 40 mit der vergrößerten Wandstärke D2 der erste Innenflächenab- schnitt 41 mit einer Wandstärke Di, die der Wandstärke D des Schaufelblatts entspricht.
Hierdurch kann ein im Bereich der Vorderkante 28 aufgedickter Übergangsbereich einer Turbinenschaufel 10 bereit gestellt werden, der eine größere Steifigkeit aufweist als im restli¬ chen Bereich. Dies kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel 10 verbessern.
Insgesamt betrifft die Erfindung eine gegossene Turbinen- schaufei 10 mit einer Plattform 16 und mit einem daran ange¬ ordneten hohlen Schaufelblatt 18, wobei das Schaufelblatt 18 eine druckseitige Schaufelwand 34 und eine saugseitige Schau¬ felwand 32 umfasst, die sich längs einer mittig davon ange- ordneten gewölbten Profilmittenlinie 42 von einer gemeinsamen Vorderkante 28 zu einer gemeinsamen Hinterkante 30 erstrecken sowie mit einem einen äußeren Konturverlauf aufweisenden Übergang 36 zwischen Schaufelblatt und Plattform 36, wobei die Schaufelwände 32, 34 jeweils eine lokal zu erfassende Schaufelwanddicke D aufweisen, wobei die Turbinenschaufel im Inneren einen Konturverlauf aufweist, welcher teilweise dem äußeren Konturverlauf des Übergangs 36 in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs 36 eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke vorhanden ist. Um die Lebens¬ dauer einer derartigen Turbinenschaufel weiter zu verbessern ist vorgesehen, dass im Übergang 36 der Konturverlauf an einem der Vorderkante 28 gegenüberliegenden zweiten Innenflächenabschnitt 40 des Schaufelblatts dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke des Übergangs abseits der Vorderkante.

Claims

Patentansprüche
1. Gegossene, hohle Turbinenschaufel (10),
mit einer Plattform und mit einem daran angeordneten hohlen Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt (18) eine drucksei¬ tige Schaufelblattwand (34) und eine saugseitige Schaufel¬ blattwand (32) umfasst, die sich längs einer mittig davon angeordneten gewölbten Profilmittenlinie (42) von einer gemeinsamen Vorderkante (28) zu einer gemeinsamen Hinterkante (30 erstrecken sowie mit einem einen äußeren Konturverlauf aufweisenden Übergang (36) zwischen Schaufelblatt (18) und Plattform (16),
wobei die Schaufelwände (32, 34) jeweils eine lokal zu er¬ fassende Schaufelwanddicke (D) aufweisen,
wobei die Turbinenschaufel (10) im Bereich des Übergangs (36) eine einen Hohlraum begrenzende Innenfläche aufweist, deren Kontur in einem ersten Abschnitt (41) der Innenfläche in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs (36) eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke ( Di ) vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Übergang (36) der Konturverlauf der Innenfläche an einem zweiten Innenflächenabschnitt (40) des Schaufelblatts (18), welcher der Vorderkante (28) gegenüber liegt, dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke ( Di ) vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke (D2) des Übergangs (36) des ersten Abschnitts (41) der Innenfläche.
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der der Konturverlauf im zweiten Innenflächenabschnitt (40) entlang einer Radialachse (14) geradlinig ist.
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Plattform eine Plattformwanddicke (D3) und das Schaufelblatt (18) abseits des zweiten Innenflächenab¬ schnitts (40) eine Schaufelwanddicke (D) aufweisen, wobei im Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Schaufelwanddicke das Verhältnis (D/D3) von Schaufelwanddicke (D) zu Plattformwanddicke (D3) zwischen 0,5 und 1 liegt.
4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der sich der zweite Innenflächenabschnitt (40) mit ver¬ größerter Schaufelwanddicke (D2) von der Vorderkante (28) ausgehend sich entlang der Saugseitenwand (32) und/oder entlang der Druckseitenwand (34) längs der Profilmittenlinie (42) bis zu einer Position erstreckt, die geringer ist als 15 % der Länge der Profilmittenlinie (42) .
5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
ausgestaltet als eine Turbinenleitschaufel .
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