EP3400373A1 - Laufschaufel für eine gasturbine mit gekühlter anstreifkante - Google Patents

Laufschaufel für eine gasturbine mit gekühlter anstreifkante

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EP3400373A1
EP3400373A1 EP17707889.6A EP17707889A EP3400373A1 EP 3400373 A1 EP3400373 A1 EP 3400373A1 EP 17707889 A EP17707889 A EP 17707889A EP 3400373 A1 EP3400373 A1 EP 3400373A1
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EP
European Patent Office
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squealer
edge
rotor according
recess
region
Prior art date
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Application number
EP17707889.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3400373B1 (de
Inventor
Markus Gill
Christian Gindorf
Andreas Heselhaus
Robert Kunte
Marcel SCHLÖSSER
Andrew Carlson
Ross PETERSON
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 Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3400373A1 publication Critical patent/EP3400373A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3400373B1 publication Critical patent/EP3400373B1/de
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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
    • F01D5/187—Convection cooling
    • 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
    • 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
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to a rotor blade for a gas turbine, comprising a radially extending airfoil having an airfoil body having a peripheral wall with a pressure-side wall portion and a suction-side wall portion, a connected in the region of the blade tip with the peripheral wall plate-shaped crown base and a along wherein the peripheral wall and the crown bottom define a cavity in the airfoil body, the squealer edge is flush with the peripheral wall on the outside and protrudes radially beyond the crown bottom and cooling channels are formed in the airfoil body which extend from the cavity to the cooling edge exit openings provided.
  • the gas turbine plant has a Strö ⁇ flow duct, a turbine rotor rotatably supported in the axial direction thereof.
  • This comprises a plurality of Rad ⁇ discs, at the radially outer end surfaces in each case a plurality of blades are arranged in the form of a blade ring.
  • the blades have for this purpose on each show ⁇ felffure which are inserted into one or more formed on the end faces of the wheel discs and grooves defined therein.
  • Blade platforms are formed on the upper surface of the blade roots, projecting from its side facing away from the wheel disc Au ⁇ zitit airfoils in the flow channel.
  • the gas turbine plant of the Strö ⁇ flow duct is traversed by the hot gas, where the flowing hot gas applied to the blades with a force that is converted to an acting on the turbine rotor torque due to the shape of the airfoils, which drives the door ⁇ binennoter rotating.
  • an objective is to provide blades have for the operation of the gas turbine plant suffi ⁇ sponding mechanical strength even at high loads, the thermal loading.
  • running blades are provided with complex coating systems.
  • blades are cooled during operation of the gas turbine plant.
  • cavities and cooling ⁇ channels are formed in their interior, which are traversed by a cooling fluid, usually air.
  • Common cooling methods are, for example, the impingement cooling, in which the cooling fluid is guided so that it impinges from the inside to the wall of the blade, or the film cooling, in which the cooling fluid through in the
  • Airfoil body which is closed in the region of the blade tip by a so-called crown bottom. Furthermore, in the region of the blade tip, the blade body carries a squealer edge, which is cast on the outside of the blade body in a flush manner and along the outer cone. the peripheral wall of the airfoil body protrudes in the radia ⁇ len direction.
  • the turbine runner may creep out of its original central position, increase the length of the rotor blade as a result of centrifugal force, or ovalize an originally circular flow channel.
  • These effects result from settling and / or elongation as a result of thermal stress from the hot gas and / or from rotational centrifugal forces or gravitational force.
  • the resulting contact between the end faces of the squealer edges and the channel wall leads to a friction-related removal of material in the form of metal dust or metal chips from the
  • the present invention provides a rotor blade for a gas turbine of the type mentioned, in which at least one recess is formed in the end face of the squealer, in which at least a part of the cooling channels opens such that thedefluidaustrittsöff- openings completely in a bottom area the at least one depression lie.
  • the invention is based on the consideration to lower the cooling fluid outlet openings relative to the radial direction relative to the end face of the squealer.
  • This is he ⁇ invention causes by the fact that in the end face of the squealer at least one recess is formed and at least a portion of the cooling outlet openings are arranged completely in a bottom portion of at least one recess. In this way, the cooling fluid outlet openings of the contact area between the end face of the
  • Airfoil material is reduced or prevented. As a result, the cooling performance over the service life of the gas turbine plant is essentially maintained, which is associated with a correspondingly long life of the blades.
  • the bottom area of the at least one depression is arranged angeord ⁇ net with respect to the radial direction between the end face of the squealer and the outer surface of the crown bottom.
  • the bottom portion is formed as a flat bottom surface, which has a depth relative to the end face, which is in the range of 0.5 mm to 4.5 mmm and be ⁇ preferably in the range of 0.5 mm to 2.5 mm.
  • the small depth of the bottom surface of the recess opposite the end face is sufficient. to prevent ablated from the end face Mate ⁇ rialp
  • the tip squealer has relative to the radial direction relative to the outer surface of the crown base an overall height which is, and in the range of 1 mm to 10 mm, advantageously ⁇ adhesive in the range of 1.5 mm to 6 mm preferably 3.5 mm , In rubbing edges with a total height in this area depressions of suitable depth can be readily formed.
  • an inner surface of the squealer is inclined ⁇ on the outward radial direction to form a first inclination angle, wherein the first Ne Techswin ⁇ angle is measured in a direction extending in the radial direction plane intersecting the squealer vertically by ⁇ , and in which Range is from 0 ° to 45 ° and vor ⁇ zugt more than 10 ° and / or less than 30 °. Due to the inclination of the inner surface of the squealer edge, the squealer edge widened from the end face in the direction of the crown bottom. This improves the stability of the
  • Rubbing edge and additionally improves the heat transfer between the squealer edge and the crown bottom or the circumferential wall.
  • the at least one recess extends to form a stepped cross-section to a réellesei ⁇ te the squealer, wherein in particular a stepped corner of the cross section, preferably, the inner corner is rounded.
  • at least one recess is open towards the inside. Such depressions can already be easily produced during the casting of the airfoil body or only later, for example, by milling or erosion.
  • each cooling channel is opposite to a plane perpendicular to the radial direction in the direction of the leading edge of the Blade or inclined in the direction of the trailing edge of the Laufschau ⁇ fel to form a third and / or fourth inclination angle, the third inclination angle in the direction of the trailing edge of the blade and the fourth inclination angle in the direction of the leading edge of the blade in each case in a plane which Measuring plane of the first angle of inclination perpendicularly intersects, be measured, in the range between 30 ° and 90 °, more preferably hiss are 30 ° and 80 ° and in ⁇ particular 45 °. Cooling channels with such a slope in the direction of the leading edge or in the direction of
  • Trailing edge have a greater length, which can improve the convective cooling of the squealer.
  • the beams are guided over the tops of the squealer saugsei- term and there cool the surface, where it is most-esten usually.
  • they can favorably influence the flow direction of the exiting cooling fluid. Cooling channels of different inclination directions can penetrate or intersect without penetration.
  • the end face of the tip squealer has a width which is ge ⁇ ringer than the thickness of the peripheral wall of the blade ⁇ blade body in the region of the at least one recess.
  • the end face of the squeal edge may have a width that is less than the width of the bottom area of the at least one depression. In this way, only a relatively narrow outer region of the squealer forms its radially outer end region.
  • the end face of the tip squealer and the Bodenbe ⁇ reaching the at least one recess have a width which is approximately equal to the thickness of the peripheral wall of the shovel blade body in the region of at least one recess in the region of the at least one recess together.
  • Such rubbing edges essentially represent a continuation of the peripheral wall of the airfoil body beyond the crown bottom.
  • Squealer be formed as a groove while leaving an outside end face portion and an inside end face portion, in particular the inner ⁇ corners of the recess are rounded.
  • the width of the outside end surface portion and the width of the inside end surface portion of the squeal edge may each be in the range of 0.5 mm to 5 mm, and preferably at least 1 mm, the ratio between the outside width and the outside inside width in the range between 0.7 mm and 1.3 mm, in particular 0.9 and 1.1 and is preferably 1.
  • the peripheral wall tapers in the direction of the crown bottom in favor of the cavity, the thickness of the circumferential wall being reduced from an initial thickness to a tapered thickness which is at least half the initial thickness, and Rejuvenation over a radial portion of the peripheral wall takes place, the height of which is at least five times and at most ten times as large as the initial thickness. Due to the reduced thickness of the peripheral wall immediately below the crown bottom, the cooling channels can be easily accommodated ⁇ det so that they are closer to the outside of the
  • the squeal edge extends, which is accompanied by an improved convective cooling of the squealer edge.
  • the cooling fluid outlet openings are arranged next to one another and at a distance from each other, in particular equidistantly and / or along a line.
  • Such arranged cooling fluid outlet openings are to a certain degree to cool the squealer ent ⁇ long your peripheral extension.
  • the cooling fluid outlet openings can be distributed as desired.
  • the at least one recess can only in a projecting from the suction-side wall portion of the surrounding wall portion of
  • each cooling channel extends geradli ⁇ nig and / or has a circular cross-section with a diameter which is in the range of 0.25 mm to 2 mm and is preferably 0.6 mm.
  • the cooling channels may be in the range ofbisfluidaus- openings be widened, the widened portions in particular are in the form of a cylinder whose height at most five times, preferably as large as the through ⁇ diameter of the cooling channel and / or its diameter is at most three times, preferably twice as big is like the diameter of the cooling channel.
  • Such expanded cooling fluid outlet openings can act as diffusers and expand the outgoing cooling fluid flow accordingly, so that a large area of the squealer edge can be cooled according to the principle of film cooling.
  • the cooling fluid outlet openings can also be widened in a conical, semi-conical or fan-like manner.
  • the cooling channels are formed as bores. By drilling, rectilinear cooling channels of circular cross-section can be easily inserted into a cast airfoil body.
  • the cooling channels relative to the radial Rich ⁇ tung are advantageously transversely to the inner surface of the squealer under Ausbil ⁇ dung a second inclination angle is inclined, wherein insbesonde ⁇ re the second angle of inclination of the cooling channels, which are measured in each case in a plane extending in the radial direction plane containing the Squeal edge perpendicularly intersects, are equal to or approximately equal to the first inclination angle of the inner surface of the squealer. Cooling channels with such an inclination guide the cooling fluid emerging from the cooling fluid outlet openings from the inside to the outer end area of the squealer edge.
  • a third and / or fourth angle of inclination is formed - the third angle of inclination - in the direction of the trailing edge of the rotor blade and the fourth angle of inclination - in the direction of the angle of impact of the cylinder cl-j cwcil - in a plane which intersects the first angle of inclination - be measured, in the range between-3- ⁇ - 2 -öftd - ⁇ - 2 -o and preferably-4- ⁇ - ⁇ -.-Kühlkanälc with a-olchen inclination in the direction of the inflow or -in the direction of Abströmkantc have a longer-length, whereby the convective cooling of the squeal edge-can improve.
  • a transition region between an inner surface of the squealer edge and the outer surface of the crown base is rounded off. This improves the aerodynamic see blade tip features. Otherwise, the inner surface of the squealer along the radial direction is considered, mostly straight.
  • the blade body is produced by casting or in a generative process, in particular by means of 3D printing. Casting has been found to be a suitable manufacturing process, in particular for cooled airfoils with a cavity in their interior. But also generative processes are suitable for the production of airfoil bodies.
  • Figure 1 is a partial perspective view of a blade ⁇ blade of a blade according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an enlarged partial view of that in FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the blade shown in FIG. 2 taken along the line labeled III;
  • FIG. 4 shows an enlarged cross-sectional view of a blade of a blade according to a second
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a blade of a blade according to a third embodiment
  • Embodiment of the present invention which corresponds to Figure 3; an enlarged cross-sectional view of a Blade ⁇ blade of a blade according to a fourth embodiment of the present invention, which corresponds to Figure 3; an enlarged partial view of a blade of a blade according to a fifth embodiment ⁇ form of the present invention, which corresponds to Figure 2; and an enlarged partial view of a blade of a blade according to a sixth embodiment of the present invention, which corresponds to FIG.
  • FIGS 1 to 3 show a blade for a Gastur ⁇ bine according to a first embodiment of the present invention.
  • the blade includes an airfoil 1 extending in a radial direction R with a cast airfoil body 2.
  • the airfoil body 2 has a peripheral wall 3 having a pressure-side wall portion 3a and a suction-side wall portion 3b.
  • the airfoil body around ⁇ 2 summarizes a plate-shaped crown bottom 4 which is connected with the circumferential wall 3 in the region of the blade tip. 5
  • the peripheral wall 3 and the crown bottom 4 define in the airfoil body 2 a cavity 6, which is flowed through during the operation of the gas turbine by a cooling fluid.
  • the airfoil body 2 comprises a
  • the squeal edge 7 extends along the peripheral wall 3 and is aligned on the outside with this. Since ⁇ stands at the squealer 7 radially above the crown base 4 and has based on the radial direction R relative to the outer surface 4a of the crown bottom an overall height h, which is measured perpendicular to the outer surface 4a of the crown base and is about 3 mm. An inner surface 7a of
  • Rubbing edge 7 is largest according to the cross-sectional view. partly rectilinear and with respect to the radial direction R by a first inclination angle ⁇ of about 25 ° ge ⁇ tends, which is measured in a in the radial direction (R) extending plane which intersects the squeal edge 7 perpendicular.
  • a transition region 8 between the inner surface 7a of the squealer edge 7 and the outer surface 4a of the crown ⁇ bottom 4 is rounded.
  • a ⁇ Ver indentation 9 is formed, which extends to form a tellstuf ⁇ th cross section up to the inside of the tip squealer. 7
  • the inside corner 10 of the stepped cross-section ⁇ is rounded.
  • the bottom portion 9 a of the recess 9 is formed as a flat bottom surface and with respect to the radial direction R between the end face 7 b
  • the recess 9 with respect to the end face 7 b has a Depth hi, which is measured as a vertical distance between the bottom surface 9a and the end face 7b and is about 1 mm.
  • the vertically measured height h.2 of the bottom surface of the recess 9 over the outer surface 4a of the crown base 4 is approximately 2 mm.
  • the bottom surface 9a of the recess 9 and the outer ⁇ surface 4a of the crown base 4 can also each other and / or to the radial direction R may be inclined, with the depth hi or the height .2 then based in each case on the inner ⁇ corner 10 to are determined.
  • the end face 7b of the squealer 7 has a width ai which is smaller than the thickness di of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9.
  • the width ai of the end face 7b of the squealer 7 in the area of the recess 9 is less than the width bi of the bottom portion 9a
  • the end face 7b of the squealer 7 and the bottom portion 9a of the recess 9 have a width ai + bi, which is approximately equal to the thickness di of the peripheral wall 3 of the airfoil body 2 in the region of the recess 9, wherein the thickness di vertical distance between the outer surface and the inner surface of mattersswandung 3 is gemes ⁇ sen.
  • the widths ai and bi are parallel to each other and to the measured discomfortflä ⁇ surface 4a of the base crown. 4
  • Other embodiments of the present invention may have relative proportions of the widths ai and bi and the thickness di that differ from those selected here.
  • cooling channels 11 are formed, which extend from the cavity 6 toridgefluidaustritts- openings 12 which are provided in the squealer 7.
  • the cooling channels 11 open into the recess 9 in such a way that the cooling fluid outlet openings 12 are arranged completely in the bottom area 9a of the recess 9.
  • the cooling fluid outlet openings 12 are equidistant in the depression 9 and arranged next to one another along a line.
  • Je ⁇ the cooling channel 11 is formed as a bore and extends in a straight line. It has a circular cross section with a diameter of about 0.6 mm.
  • Each cooling channel 11 is inclined with respect to the radial direction R transversely to the inner surface 7a of the squealer edge 7, wherein the second angle of inclination ⁇ of the cooling channels 11, each measured in a plane extending in the radial direction R, which intersects the squealer 7 perpendicular , are approximately equal to the first inclination angle ⁇ of the inner surface 7a of the squealer edge 7.
  • FIG. 4 shows a rotor for a gas turbine according to a second embodiment of the present invention.
  • the construction of this blade is basically in agreement with the on ⁇ construction illustrated in the Figures 1 to 3 the first embodiment.
  • the cooling channels are widened in the region of the cooling fluid outlet openings.
  • the widened cooling fluid opening 12a has the shape of a Zy ⁇ Linders whose height h 5 is equal to the diameter of the cooling channel 11 and whose diameter C 5 is twice as large as the diameter of the cooling channel 11, whereby the cylinder results in a cross-sectional area, the four times as large as the cross-sectional area of the cooling channel 11.
  • a widened cooling flow is generated in accordance with which a large area of the squealer edge 7 can be cooled.
  • FIG. 5 shows a rotor for a gas turbine according to a third embodiment of the present invention. It basically has the same structure as the rotor blade shown in Figures 1 to 3.
  • the recess 9 is formed as a groove leaving a Budapestlysei ⁇ term face portion and an inside end ⁇ surface portion, so does not extend to the inside of the squealer 7, but is also ⁇ inside bounded by the squealer 7.
  • the outside end face 7b has a width a 2
  • the inside end face 7b has a width C2
  • the bottom area 9a of the recess 9 has a width b 2 .
  • FIG. 6 shows a rotor for a gas turbine according to a fourth embodiment of the present invention. It differs from the previously described embodiments in that the circumferential wall 3 tapers in the direction of the crown base 4 in favor of the cavity 6.
  • the thickness of the circumferential wall 3 is reduced by a gangsdicke di to a tapered thickness d 2 , which is about half as large as the initial thickness di.
  • the taper takes place via a radial section of the circumferential wall 3, whose height 1 is approximately five times the initial thickness di.
  • the taper is linear, ie the inside of the peripheral wall 3 is flat and inclined relative to embodiments without tapering of the peripheral wall 3 by an angle ⁇ .
  • the bank angle ⁇ of the cooling channels 11 is selected smaller such that the cooling channels 11 extend closer to the outside of the squealer edge 7, whereby the convective cooling of the squealer edge 7 is improved.
  • the transition region to the crown bottom 4 is rounded, wherein the curvature is defined by a radius of curvature r 2 , which may deviate from the radius of curvature ri of embodiments without tapering of the circumferential wall 3.
  • a radius of curvature r 2 is shown, which is about twice as large as ri.
  • the transition region of the taper facing away from the crown bottom 4 is rounded to avoid an edge, wherein the rounding is defined by a radius of curvature r3.
  • FIG. 7 shows a moving blade for a gas turbine according to a fifth embodiment of the present invention. It has the same basic structure as the previously described embodiments and differs from the previously described embodiments in that the cooling channels are inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the trailing edge of the blade. In this case, the third inclination angles are measured in the direction of the trailing edge of the blade in a plane which perpendicularly intersects the measuring plane of the first inclination angle ⁇ and amount to 45 °. As a result, the cooling channels 11 have a greater length, which improves the convective cooling of the squealer edge 7.
  • FIG. 8 shows a moving blade for a gas turbine according to a sixth embodiment of the present invention. 1 b
  • cooling channels 11 which are inclined relative to a plane perpendicular to the radial direction R in the direction of the leading edge of the blade.
  • the cooling channels 11 of different inclination directions penetrate each other. Alternatively, however, they can also intersect without penetration, in particular if the cooling fluid outlet openings 12 are arranged in two rows arranged next to one another.
  • the fourth inclination angle ⁇ may be selected differently from the third inclination angle.
  • An advantage of the blade according to the invention is that the cooling channels 11 are not or only slightly by Mate ⁇ riped from the end face 7b of the squealer 7 zuge ⁇ sets. This ensures a constant during operation of the gas turbine cooling the squealer 7 and thus a long life of the rotor blade.
  • a further advantage of the blade according to the invention is shown in the simple manufacture of the recess 9 and the cooling channels 11. Due to the small depth of the recess 9, an effective cooling of the squealer 7 remains possible over its entire height h.
  • the cooling fluid flowing from thedefluidaus ⁇ openings 12 is hardly deflected on its short path to the outside stage of the squealer 7 during operation of the gas turbine, which is accompanied by an effec ⁇ tive cooling of the blade tip 5.

Landscapes

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Abstract

Laufschaufel für eine Gasturbine mit gekühlter Anstreifkante Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung erstreckendes Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelblattkörper (2), der eine Umfangswandung mit einem druckseitigen Wandabschnitt (3a) und einem saugseitigen Wandabschnitt (3b), einen im Bereich der Schaufelspitze mit der Umfangswandung verbundenen plattenförmigen Kronenboden und eine sich entlang der Umfangswandung erstreckende Anstreifkante aufweist, wobei die Umfangswandung und der Kronenboden in dem Schaufelblattkörper einen Hohlraum definieren, die Anstreifkante außenseitig mit der Umfangswandung fluchtet und radial über den Kronenboden vorsteht, und in dem Schaufelblattkörper Kühlkanäle ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu in der Anstreifkante vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) erstrecken, wobei in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung (9) ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Laufschaufel für eine Gasturbine mit gekühlter Anstreifkante
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung erstreckendes Schaufelblatt mit einem Schaufelblattkörper, der eine Umfangswandung mit einem druckseitigen Wandabschnitt und einem saugseitigen Wandabschnitt, einen im Bereich der Schaufelspitze mit der Umfangswandung verbundenen plattenförmigen Kronenboden und eine sich entlang der Umfangswandung erstreckende Anstreifkante aufweist, wobei die Umfangswandung und der Kronenboden in dem Schaufelblattkörper einen Hohlraum definieren, die Anstreifkante außenseitig mit der Umfangswan- dung fluchtet und radial über den Kronenboden vorsteht und in dem Schaufelblattkörper Kühlkanäle ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu in der Anstreifkante vorgesehe- nen Kühlfluidaustrittsöffnungen erstrecken.
In einer Gasturbinenanlage wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugten Heißgases in Rotationsenergie umgewandelt, die meist mittels eines Generators in elektrische Energie konver¬ tiert wird. Dazu besitzt die Gasturbinenanlage einen Strö¬ mungskanal, in dessen axialer Richtung ein Turbinenläufer drehbar gelagert ist. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Rad¬ scheiben, an deren radial äußeren Stirnflächen jeweils eine Mehrzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angeordnet sind. Die Laufschaufeln weisen hierzu jeweils Schau¬ felfüße auf, die in eine oder mehrere an den Stirnflächen der Radscheiben ausgebildete Aufnahmenuten eingesetzt und darin festgelegt sind.
An der Oberseite der Schaufelfüße sind Schaufelplattformen ausgebildet, von deren von der Radscheibe weg weisenden Au¬ ßenseiten Schaufelblätter in den Strömungskanal vorstehen. Während des Betriebs der Gasturbinenanlage wird der Strö¬ mungskanal von dem Heißgas durchströmt, wobei das strömende Heißgas die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die aufgrund der Form der Schaufelblätter in ein auf den Turbinenläufer wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Tur¬ binenläufer rotierend antreibt.
Der thermodynamische Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen ist umso größer, je höher die Heißgastemperatur in der Gasturbinenanlage ist. Der Höhe der Heißgastemperatur sind jedoch Grenzen durch die thermische Belastbarkeit der Laufschaufeln gesetzt. Dementsprechend besteht eine Zielsetzung darin, Laufschaufeln zu schaffen, die auch bei hohen thermischen Be- lastungen eine für den Betrieb der Gasturbinenanlage ausrei¬ chende mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Lauf¬ schaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Zur weiteren Erhöhung der maximal zulässigen Heißgastemperatur werden Laufschaufeln während des Betriebs der Gasturbinenan- läge gekühlt. Dazu sind in ihrem Inneren Hohlräume und Kühl¬ kanäle ausgebildet, die von einem Kühlfluid, zumeist Luft durchströmt werden. Gängige Kühlverfahren sind beispielsweise die Prallkühlung, bei der das Kühlfluid derart geführt wird, dass es von innen auf die Wandung des Schaufelblatts prallt, oder die Filmkühlung, bei der das Kühlfluid durch in dem
Schaufelblattkörper ausgebildete Kühlbohrungen aus dem Inneren des Schaufelblatts nach außen strömt, um an dessen Außenseite einen Kühlfilm zu bilden. So ist es beispielsweise aus der US 5,733,102 und der
US 2014/044557 AI bekannt, die Schaufelblätter gekühlter Laufschaufeln in einem Gussverfahren herzustellen. Gängige gegossene Schaufelblätter umfassen jeweils einen hohlen
Schaufelblattkörper, der in dem Bereich der Schaufelspitze durch einen sogenannten Kronenboden verschlossen ist. Ferner trägt der Schaufelblattkörper in dem Bereich der Schaufelspitze eine Anstreifkante, die außenseitig bündig an den Schaufelblattkörper angegossen ist und entlang der Außenkon- tur der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in der radia¬ len Richtung vorsteht. Zwischen der Anstreifkante und einer den Strömungskanal der Gasturbinenanlage begrenzenden Kanal¬ wandung verbleibt ein enger Radialspalt vorgegebener Breite, um einerseits ein reibungsarmes Rotieren des Turbinenläufers in dem Strömungskanal zu ermöglichen, andererseits aber nur einen geringen Teil des Heißgases ungenutzt durch den Radial¬ spalt durchströmen zu lassen. Zum Schutz der Anstreifkante ist es bekannt, in der Anstreifkante zur Kühlung Kühlkanäle auszubilden, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu Kühl- fluidaustrittsöffnungen erstrecken, die in den Stirnflächen der Anstreifkante ausgebildet sind.
Nach einer gewissen Betriebsdauer der Turbinenanlage kann es zu Veränderungen des Radialspalts kommen. Beispielsweise kann der Turbinenläufer durch Kriechen seine ursprünglich zentrale Lage verlassen, die Länge der Laufschaufein infolge der Zentrifugalkraft zunehmen oder sich ein ursprünglich kreisrunder Strömungskanal ovalisieren. Diese Effekte resultieren aus ei- nem Setzen und/oder einer Längung infolge thermischer Belastung durch das Heißgas und/oder von rotationsbedingten Fliehkräften beziehungsweise der Schwerkraft. Der dadurch bewirkte Kontakt zwischen den Stirnflächen der Anstreifkanten und der Kanalwandung führt zu einem reibungsbedingten Abtrag von Ma- terial in Form von Metallstaub oder Metallspänen von den
Anstreifkanten . Dann können sich die Kühlfluidaustrittsöff- nungen mit dem abgetragenen Schaufelblattmaterial zusetzen, wodurch ein Kühlen der Anstreifkanten beeinträchtigt oder verhindert wird. Die unzureichende Kühlung der Anstreifkanten führt zu einem höheren Verschleiß und folglich zu einer ge¬ ringeren Lebensdauer der Schaufelblätter.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufschaufel für eine Gas- turbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen al¬ ternativen Aufbau besitzt und eine zuverlässige Kühlung der Anstreifkante ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Laufschaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art, bei der in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöff- nungen vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung liegen.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Kühlfluid- austrittsöffnungen bezogen auf die radiale Richtung gegenüber der Stirnfläche der Anstreifkante abzusenken. Dies wird er¬ findungsgemäß dadurch bewirkt, dass in der Stirnfläche der Anstreifkante wenigstens eine Vertiefung ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Kühlaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Kühlfluidaustrittsöffnungen von dem Kontaktbereich zwischen der Stirnfläche der
Anstreifkante und der Kanalwandung entfernt, wodurch ein Zu¬ setzen der Kühlfluidaustrittsöffnungen mit abgetragenem
Schaufelblattmaterial reduziert oder verhindert wird. Infolge dessen bleibt die Kühlleistung über die Betriebsdauer der Gasturbinenanlage im Wesentlichen erhalten, was mit einer entsprechend langen Lebensdauer der Schaufelblätter einhergeht .
Weiter ist der Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung bezogen auf die radiale Richtung zwischen der Stirnfläche der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens angeord¬ net. Vorzugsweise ist dabei der Bodenbereich als eine flache Bodenfläche ausgebildet, die gegenüber der Stirnfläche eine Tiefe besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mmm und be¬ vorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt. Eine solche radiale Position des Bodenbereichs bewirkt einerseits, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen in unmittelbarer Nähe des freien Endbereichs der Anstreifkante angeordnet sind, wodurch sich eine effektive Kühlung dieses Bereichs der Anstreifkante gewährleisten lässt. Die geringe Tiefe der Bodenfläche der Vertiefung gegenüber der Stirnfläche reicht andererseits aus, um zu verhindern, dass von der Stirnfläche abgetragene Mate¬ rialpartikel die Kühlfluidaustrittsöffnungen zusetzen, was mit einer gleichbleibenden Kühlleistung einhergeht. In bekannter Weise besitzt die Anstreifkante bezogen auf die radiale Richtung gegenüber der Außenfläche des Kronenbodens eine Gesamthöhe, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorteil¬ haft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt. In Anstreifkanten mit einer Gesamthöhe in diesem Bereich lassen sich Vertiefungen mit geeigneter Tiefe ohne Weiteres ausbilden.
Darüber hinaus ist eine Innenfläche der Anstreifkante gegen¬ über der radialen Richtung nach außen unter Ausbildung eines ersten Neigungswinkels geneigt, wobei der erste Neigungswin¬ kel in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante senkrecht durch¬ schneidet, und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevor¬ zugt mehr als 10° und/oder weniger als 30° beträgt. Infolge der Neigung der Innenfläche der Anstreifkante verbreitert sich die Anstreifkante von der Stirnfläche in Richtung des Kronenbodens. Dies verbessert die Stabilität der
Anstreifkante und verbessert zusätzlich den Wärmetransport zwischen der Anstreifkante und dem Kronenboden beziehungswei- se der Umfangswandung .
Zudem erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu einer Innensei¬ te der Anstreifkante, wobei insbesondere eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke abgerundet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist wenigstens eine Vertiefung zur Innenseite hin offen ausgebildet. Derartige Vertiefungen können bereits während des Gießens des Schaufelblattkörpers oder erst nachträglich beispielsweise durch Fräsen oder Erodieren einfach hergestellt werden.
Weiter ist jeder Kühlkanal gegenüber einer zu der radialen Richtung senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der Abströmkante der Laufschau¬ fel unter Ausbildung eines dritten und/oder vierten Neigungswinkels geneigt, wobei der dritte Neigungswinkel in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel und der vierte Neigungswin- kel in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des ersten Neigungswinkels senkrecht schneidet, gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90°, weiter bevorzugt zischen 30° und 80° liegen und ins¬ besondere 45° betragen. Kühlkanäle mit einer solchen Neigung in Richtung der Anströmkante oder in Richtung der
Abströmkante weisen eine größere Länge auf, wodurch sich die konvektive Kühlung der Anstreifkante verbessern kann. Insbe¬ sondere durch eine zur Anströmkante geneigte Anordnung von Kühlkanälen werden die Strahlen über die Spitzen der saugsei- tigen Anstreifkante geführt und kühlen dort die Oberfläche, wo sie in der Regel am heißesten wird. Zudem können sie die Strömungsrichtung des austretenden Kühlfluids günstig beeinflussen. Kühlkanäle unterschiedlicher Neigungsrichtungen können sich durchdringen oder ohne Durchdringung kreuzen.
Bevorzugt besitzt in dem Bereich der wenigstens einen Vertie¬ fung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite, die ge¬ ringer ist als die Dicke der Umfangswandung des Schaufel¬ blattkörpers in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung. Dazu kann in dem Bereich der Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite besitzen, die geringer ist als die Breite des Bodenbereichs der wenigstens einen Vertiefung. Auf diese Weise bildet nur ein relativ schmaler Außenbereich der Anstreifkante deren radial äußeren Endbereich.
Vorteilhaft besitzen in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante und der Bodenbe¬ reich der wenigstens einen Vertiefung gemeinsam eine Breite, die etwa gleich der Dicke der Umfangswandung des Schaufel- blattkörpers in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung ist. Derartige Anstreifkanten stellen im Wesentlichen eine Fortsetzung der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers über den Kronenboden hinaus dar. Alternativ kann die Vertiefung in der Stirnfläche der
Anstreifkante als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächen- abschnitts ausgebildet sein, wobei insbesondere die Innen¬ ecken der Vertiefung abgerundet sind.
In diesem Fall können in dem Bereich der Vertiefung die Breite des außenseitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante jeweils im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens 1 mm betragen, wobei das Verhältnis zwischen der außenseitigen Breite und der innenseitigen Breite im Bereich zwischen 0,7 mm und 1,3 mm, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt 1 ist.
Gemäß einer weiteren Variante verjüngt sich in dem Bereich der Vertiefung die Umfangswandung in Richtung des Kronenbodens zugunsten des Hohlraums, wobei sich die Dicke der Um- fangswandung von einer Ausgangsdicke auf eine verjüngte Dicke reduziert, die mindestens halb so groß wie die Ausgangsdicke ist, und die Verjüngung über einen radialen Abschnitt der Um- fangswandung erfolgt, dessen Höhe mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke. Infolge der reduzierten Dicke der Umfangswandung unmittelbar unterhalb des Kronenbodens können die Kühlkanäle derart ausgebil¬ det sein, dass sie sich näher zu der Außenseite der
Anstreifkante erstrecken, was mit einer verbesserten konvek- tiven Kühlung der Anstreifkante einhergeht.
Vorteilhaft sind in der wenigstens einen Vertiefung die Kühl- fluidaustrittsöffnungen nebeneinander und beabstandet zueinander insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet. Derartig angeordnete Kühlfluidaustrittsöffnungen eignen sich in besonderem Maße dazu, die Anstreifkante ent¬ lang Ihrer umfänglichen Erstreckung zu kühlen. Grundsätzlich können die Kühlfluidaustrittsöffnungen aber beliebig verteilt sein . Bei einer erfindungsgemäßen Laufschaufel kann die wenigstens eine Vertiefung nur in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umgebungswandung abragenden Abschnitt der
Anstreifkante vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung des von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangs- wandung abragenden Abschnitts der Anstreifkante verbessern.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung ist genau eine Vertiefung vorgesehen. Dies führt zu einer besonders einfa¬ chen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufei .
Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen vorgesehen sein, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle mündet und die insbeson¬ dere jeweils wenigstens ein oben genanntes Merkmal aufweisen. Mehrere Vertiefungen führen zu einer entsprechenden Gruppierung der Kühlkanäle. Gemäß einer Variante erstreckt sich jeder Kühlkanal geradli¬ nig und/oder besitzt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm liegt und bevorzugt 0,6 mm beträgt. Dabei können die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaus- trittsöffnungen aufgeweitet sein, wobei die Aufweitungen insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durch¬ messer des Kühlkanals und/oder dessen Durchmesser höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals. Derartig aufgeweitete Kühlfluidaustrittsöff- nungen können als Diffusor wirken und den austretenden Kühl- fluidstrom entsprechend aufweiten, sodass nach dem Prinzip der Filmkühlung ein großer Bereich der Anstreifkante gekühlt werden kann. Alternativ zu der zylindrischen Form können die Kühlfluidaustrittsöffnungen auch konisch, halb-konisch oder fächerartig aufgeweitet sein. Vorteilhaft sind die Kühlkanäle als Bohrungen ausgebildet. Durch Bohren lassen sich geradlinige Kühlkanäle mit kreisförmigem Querschnitt einfach in einen gegossenen Schaufelblattkörper einbringen.
Vorteilhaft sind die Kühlkanäle gegenüber der radialen Rich¬ tung quer zu der Innenfläche der Anstreifkante unter Ausbil¬ dung eines zweiten Neigungswinkels geneigt, wobei insbesonde¬ re die zweite Neigungswinkel der Kühlkanäle, die jeweils in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante senkrecht durchschneidet, gleich oder etwa gleich dem ersten Neigungswinkel der Innenfläche der Anstreifkante sind. Kühlkanäle mit einer solchen Neigung leiten das aus den Kühlfluidaustrittsöffnungen aus- tretende Kühlfluid von innen zu dem äußeren Endbereich der Anstreifkante .
Gemäß—einer Variante—±-&ΐ—jeder Kühlkanal—gegenüber einer—z-u- der radialen Richtung senkrechten Ebene—in Richtung der An- strömkantc der Laufschaufcl—oder—in Richtung der Abströmkantc der Laufschaufcl unter Ausbildung eine —dritten und/oder vierten Neigungswinkel —geneigt,—wobei—der dritte Neigungswinkel—in Richtung der Abströmkantc der Laufschaufcl und der vierte Neigungswinkel—in Richtung der Anströmkantc der Lauf- chaufcl—j cwcil —in einer Ebene,—welche die Mcsscbcnc des ersten Neigungswinkel — enkrecht— chneidet,—gemessen werden, im Bereich—zwischen—3-Θ-2—öftd—-Θ-2—liegen und bevorzugt—4-§-^—betragen .—Kühlkanälc mit einer— olchen Neigung in Richtung der Anströmkantc—oder—in Richtung der Abströmkantc weisen eine größere Länge—auf,—wodurch sich die—konvektive Kühlung der Anstreifkante verbessern—kann .—Zudem können— ie die—Strömungsrichtung de —austretenden Kühlfluid —günstig beeinflussen .—Kühlkanälc unterschiedlicher Neigungsrichtungen—können sich durchdringen oder ohne—Durchdringung kreuzen.
Gemäß einer Weiterentwicklung ist ein Übergangsbereich zwischen einer Innenfläche der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens abgerundet. Dies verbessert die aerodynami- sehen Eigenschaften der Schaufelspitze. Ansonsten ist die Innenfläche der Anstreifkante längs der Radialrichtung betrachtet, größtenteils gerade. In an sich bekannter Weise ist der Schaufelblattkörper durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt. Gießen hat sich insbesondere für gekühlte Schaufelblätter mit einem Hohlraum in ihrem Inneren als ein geeignetes Herstellungsverfahren herausgestellt. Aber auch generative Verfahren sind zur Herstellung von Schaufelblattkörpern geeignet.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung wer den anhand von sechs Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich¬ nung deutlich. Darin ist:
Figur 1 eine perspektivische Teilansicht eines Schaufel¬ blatts einer Laufschaufel gemäß einer ersten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine vergrößerte Teilansicht der in der Figur 1
dargestellten Laufschaufei ; Figur 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht der in Figur 2 dargestellten Laufschaufel entlang der mit III bezeichneten Linie;
Figur 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schau- felblatts einer Laufschaufel gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schau- felblatts einer Laufschaufel gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht; eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schau¬ felblatts einer Laufschaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht; eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer fünften Ausführungs¬ form der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht; und eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Laufschaufel für eine Gastur¬ bine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laufschaufel umfasst ein sich in einer radialen Richtung R erstreckendes Schaufelblatt 1 mit einem gegossenen Schaufelblattkörper 2. Der Schaufelblattkörper 2 besitzt eine Umfangswandung 3, die einen druckseitigen Wandabschnitt 3a und einen saugseitigen Wandabschnitt 3b aufweist. Ferner um¬ fasst der Schaufelblattkörper 2 einen plattenförmigen Kronenboden 4, der mit der Umfangswandung 3 im Bereich der Schaufelspitze 5 verbunden ist. Die Umfangswandung 3 und der Kronenboden 4 definieren in dem Schaufelblattkörper 2 einen Hohlraum 6, der während des Betriebs der Gasturbine von einem Kühlfluid durchströmt wird.
Weiterhin umfasst der Schaufelblattkörper 2 eine
Anstreifkante 7. Die Anstreifkante 7 erstreckt sich entlang der Umfangswandung 3 und fluchtet außenseitig mit dieser. Da¬ bei steht die Anstreifkante 7 radial über den Kronenboden 4 vor und besitzt bezogen auf die radiale Richtung R gegenüber der Außenfläche 4a des Kronenbodens eine Gesamthöhe h, die senkrecht zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens gemessen wird und etwa 3 mm beträgt. Eine Innenfläche 7a der
Anstreifkante 7 ist gemäß der Querschnittsansicht größten- teils geradlinig ausgestaltet und gegenüber der radialen Richtung R um einen ersten Neigungswinkel δ von ca. 25° ge¬ neigt, der in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet. Ein Übergangsbereich 8 zwischen der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 und der Außenfläche 4a des Kronen¬ bodens 4 ist abgerundet ausgebildet.
In einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswan- dung 3 abragenden Abschnitt der Anstreifkante 7 ist eine Ver¬ tiefung 9 ausgebildet, die sich unter Bildung eines abgestuf¬ ten Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante 7 erstreckt. Dabei ist die Innenecke 10 des abgestuften Quer¬ schnitts abgerundet. Der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 ist als eine flache Bodenfläche ausgebildet und bezogen auf die radiale Richtung R zwischen der Stirnfläche 7b der
Anstreifkante 7 und der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 an¬ geordnet. Dabei erstrecken sich die Außenfläche 4a des Kro¬ nenbodens 4, die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und Stirn- fläche 7b der Anstreifkante 7 parallel zueinander und senk¬ recht zu der radialen Richtung R. Auf diese Weise besitzt die Vertiefung 9 gegenüber der Stirnfläche 7b eine Tiefe hi, die als senkrechter Abstand zwischen der Bodenfläche 9a und der Stirnfläche 7b gemessen wird und ca. 1 mm beträgt. Entspre- chend beträgt die senkrecht gemessene Höhe h.2 der Bodenfläche der Vertiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 ca. 2 mm. Die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und die Außen¬ fläche 4a des Kronenbodens 4 können aber auch zueinander und/oder zu der radialen Richtung R geneigt sein, wobei die Tiefe hi bzw. die Höhe .2 dann jeweils bezogen auf die Innen¬ ecke 10 zu bestimmen sind.
In dem Bereich der Vertiefung 9 besitzt die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 eine Breite ai, die geringer ist als die Dicke di der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9. Darüber hinaus ist die Breite ai der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 geringer als die Breite bi des Bodenbereichs 9a der Vertiefung 9. Gemeinsam besitzen die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite ai+bi , die etwa gleich der Dicke di der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9 ist, wobei die Dicke di als senkrechter Abstand zwischen der Außenfläche und der Innenfläche der Umgebungswandung 3 gemes¬ sen wird. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, werden die Breiten ai und bi jeweils parallel zueinander und zu der Außenflä¬ che 4a des Kronenbodens 4 gemessen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können relative Größenverhältnisse der Breiten ai und bi sowie der Dicke di aufweisen, die von den hier gewählten abweichen.
In dem Schaufelblattkörper 2 sind Kühlkanäle 11 ausgebildet, die sich ausgehend vom dem Hohlraum 6 zu Kühlfluidaustritts- öffnungen 12 erstrecken, die in der Anstreifkante 7 vorgesehen sind. Die Kühlkanäle 11 münden derart in die Vertiefung 9, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 vollständig in dem Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 angeordnet sind. Dabei sind die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 in der Vertiefung 9 äqui- distant und entlang einer Linie nebeneinander angeordnet. Je¬ der Kühlkanal 11 ist als Bohrung ausgebildet und erstreckt sich geradlinig. Er besitzt einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der etwa 0,6 mm beträgt. Jeder Kühlka- nal 11 ist gegenüber der radialen Richtung R quer zu der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 geneigt, wobei die zweiten Neigungswinkel Θ der Kühlkanäle 11, die jeweils in einer sich in radialer Richtung R erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante 7 senkrecht durchschneidet, etwa gleich dem ersten Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 sind.
Die Figur 4 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau dieser Laufschaufel stimmt grundsätzlich mit dem Auf¬ bau der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein. Abweichend davon sind hier die Kühlkanäle im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen aufgeweitet. Die aufgeweitete Kühlfluidöffnung 12a besitzt die Form eines Zy¬ linders, dessen Höhe h5 gleich dem Durchmesser des Kühlkanals 11 ist und dessen Durchmesser C5 doppelt so groß wie der Durchmesser des Kühlkanals 11 ist, wodurch sich für den Zy- linder eine Querschnittsfläche ergibt, die viermal so groß ist wie die Querschnittsfläche des Kühlkanals 11. Bei dieser Ausführungsform wird im Betrieb der Laufschaufel entsprechend ein aufgeweiteter Kühlstrom erzeugt, mit dem sich ein großer Bereich der Anstreifkante 7 kühlen lässt.
Die Figur 5 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt grundsätzlich denselben Aufbau wie die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Laufschaufei . Im Unterschied zu dieser ist die Vertiefung 9 als Nut unter Belassung eines außensei¬ tigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirn¬ flächenabschnitts ausgebildet, erstreckt sich also nicht bis zur Innenseite der Anstreifkante 7, sondern wird auch innen¬ seitig durch die Anstreifkante 7 begrenzt. Dabei besitzen die außenseitige Stirnfläche 7b eine Breite a2, die innenseitige Stirnfläche 7b eine Breite C2 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite b2. Auf diese Weise ergibt sich für die Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 eine gemeinsame Breite von a2 + b2 + c2, die größer ist als die Dicke di der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2. Infolge¬ dessen ist der erste Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 gegenüber der radialen Richtung R entsprechend kleiner. Die innenseitige Höhe (ti3 + h4) der
Anstreifkante 7 ist vorliegend gleich der außenseitigen Höhe (h = hi + h2) der Anstreifkante, kann aber auch von dieser abweichen .
Die Figur 6 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass sich die Umfangswandung 3 in Richtung des Kronenbodens 4 zugunsten des Hohlraums 6 verjüngt. Dabei reduziert sich die Dicke der Umfangswandung 3 von einer Aus- gangsdicke di auf eine verjüngte Dicke d2, die etwa halb so groß ist wie die Ausgangsdicke di . Die Verjüngung erfolgt über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung 3, dessen Höhe 1 ungefähr fünfmal so groß ist wie Ausgangsdicke di . In der gezeigten Ausführungsform verläuft die Verjüngung linear, d.h. die Innenseite der Umfangswandung 3 ist flach und bezogen auf Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 um einen Winkel ε geneigt. Dank der Verjüngung der Umfangswandung 3 ist der Querneigungswinkel Θ der Kühlkanäle 11 kleiner derart gewählt, dass sich die Kühlkanäle 11 näher zu der Außenseite der Anstreifkante 7 erstrecken, wodurch die konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert wird. Der Übergangsbereich zum Kronenboden 4 ist abgerundet, wobei die Krümmung durch einen Krümmungsradius r2 definiert ist, der von dem Krümmungsradius ri von Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 abweichen kann. In der Figur 7 ist ein Krümmungsradius r2 dargestellt, der ungefähr doppelt so groß wie ri ist. Der von dem Kronenboden 4 abgewandte Übergangsbereich der Verjüngung ist zur Vermeidung einer Kante abgerundet, wobei die Abrundung durch einen Krümmungsradius r3 definiert ist.
Die Figur 7 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie besitzt denselben grundsätzlichen Aufbau wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass die Kühlkanäle gegenüber einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt sind. Dabei werden die dritten Neigungswinkel in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel in einer Ebene, welche die Messebene des ersten Neigungswinkels δ senkrecht schneidet, gemessen und betragen 45°. Dadurch weisen die Kühlkanäle 11 eine größere Länge auf, wodurch sich die kon- vektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert.
Die Figur 8 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 b
Sie unterscheidet sich von der in Figur 7 dargestellten Ausführungsformen dadurch, dass weitere Kühlkanäle 11 vorgesehen sind, die gegenüber einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel geneigt sind. Dabei werden die vierten Neigungswinkel ß in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel in einer Ebene, welche die Messebene des ersten Neigungswinkels δ senkrecht schneidet, gemessen und betragen 45°. Bei dieser Laufschaufel durchdringen sich die Kühlkanäle 11 unterschiedlicher Nei- gungsrichtungen jeweils gegenseitig. Alternativ können sie sich aber auch ohne Durchdringung kreuzen, insbesondere wenn die Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 in zwei nebeneinander angeordneten Reihen angeordnet sind. Auch kann der vierte Neigungswinkel ß abweichend von dem dritten Neigungswinkel ge- wählt sein.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel besteht darin, dass die Kühlkanäle 11 nicht oder nur geringfügig durch Mate¬ rialabtrag von der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 zuge¬ setzt werden. Dies gewährleistet eine während des Betriebs der Gasturbine gleichbleibende Kühlung der Anstreifkante 7 und somit eine lange Lebensdauer der Laufschaufei . Ein weite¬ rer Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel zeigt sich in der einfachen Herstellbarkeit der Vertiefung 9 sowie der Kühlkanäle 11. Aufgrund der geringen Tiefe der Vertiefung 9 bleibt eine effektive Kühlung der Anstreifkante 7 über ihre gesamte Höhe h möglich. Zudem wird das aus den Kühlfluidaus¬ trittsöffnungen 12 strömende Kühlfluid auf seinem kurzen Weg zu der außenseitigen Stufe der Anstreifkante 7 während des Betriebs der Gasturbine kaum abgelenkt, was mit einer effek¬ tiven Kühlung der Schaufelspitze 5 einher geht.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Laufschaufei für eine Gasturbine, umfassend ein sich in einer radialen Richtung (R) erstreckendes Schaufelblatt (1) mit einem Schaufelblattkörper (2), der eine Umfangswandung (3) mit einem druckseitigen Wandabschnitt (3a) und einem saugseitigen Wandabschnitt (3b) , einen im Bereich der Schau- feispitze (5) mit der Umfangswandung (3) verbundenen platten- förmigen Kronenboden (4) und eine sich entlang der Umfangs- wandung (3) erstreckende Anstreifkante (7) aufweist, wobei die Umfangswandung (3) und der Kronenboden (4) in dem Schaufelblattkörper (2) einen Hohlraum (6) definieren, die
Anstreifkante (7) außenseitig mit der Umfangswandung (3) fluchtet und radial über den Kronenboden (4) vorsteht und in dem Schaufelblattkörper (2) Kühlkanäle (11) ausgebildet sind, die sich ausgehend von dem Hohlraum (6) zu in der
Anstreifkante (7) vorgesehenen Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) erstrecken, wobei in der Stirnfläche (7b) der
Anstreifkante (7) wenigstens eine Vertiefung (9) ausgebildet ist, in die zumindest ein Teil der Kühlkanäle (11) derart mündet, dass die Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) vollständig in einem Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) liegen,
wobei der Bodenbereich (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9) bezogen auf die radiale Richtung (R) zwischen der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) und der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) angeordnet ist,
wobei sich die wenigstens eine Vertiefung (9) unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu einer Innenseite der Anstreifkante (7) erstreckt und
wobei unter Ausbildung eines ersten Neigungswinkel (δ) eine Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) gegenüber der radialen Richtung (R) nach außen geneigt ist und in einer sich in ra- dialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante (7) senkrecht durchschneidet,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Neigungswinkel (δ) in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und
dass jeder Kühlkanal (11) unter Ausbildung eines dritten und/oder eines vierten Neigungswinkels ( , ß) gegenüber einer zu der radialen Richtung (R) senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der
Abströmkante der Laufschaufel geneigt ist, wobei der dritte Neigungswinkel ( ) in Richtung der Abströmkante der Lauf¬ schaufel und der vierte Neigungswinkel (ß) in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel jeweils in einer Ebene, welche die Messebene des ersten Neigungswinkels (δ) senkrecht schneidet, gemessen werden, im Bereich zwischen 30° und 90° liegen .
2. Laufschaufei nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Bodenbereich (9a) als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche (7b) eine Tiefe (hi) be¬ sitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt.
3. Laufschaufei nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anstreifkante (7) bezogen auf die radiale Richtung (R) gegenüber der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) eine Ge- samthöhe (h) besitzt, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vor¬ teilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt, wobei eine Höhe .2 der Bodenfläche der Ver¬ tiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 vorteil¬ haft im Bereich zwischen 60% und 80% der Gesamthöhe (h) liegt.
4. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Neigungswinkel (δ) weniger als 30° und/oder mehr als 10° beträgt.
5. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke (10) abgerundet ist.
6. Laufschaufei nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite ( a i ) besitzt, die geringer ist als die Dicke (di) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) .
7. Laufschaufei nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirn- fläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite ( a i ) besitzt, die geringer ist als die Breite ( b i ) des Bodenbereichs (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9) .
8. Laufschaufei nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) und der Bodenbereich (9a) der Vertiefung (9) gemeinsam eine Breite ( a i + b i ) besitzen, die etwa gleich der Dicke (di) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) ist.
9. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vertiefung (9) in der Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts ausgebildet ist, wobei insbesondere die Innenecken (10) der Vertiefung (9) abgerundet sind.
10. Laufschaufei nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der Vertiefung (9) die Breite ( a2 ) des außen- seitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite (C2) des in¬ nenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante (7) je¬ weils im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm liegen und bevorzugt mindestens 1 mm betragen, wobei das Verhältnis zwischen der außenseitigen Breite (a2) und der innenseitigen Breite (C2) im Bereich zwischen 0,7 und 1,3, insbesondere 0,9 und 1,1 liegt und bevorzugt 1 ist.
11. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich in dem Bereich der Vertiefung (9) die Umfangswandung (3) in Richtung des Kronenbodens (4) zugunsten des Hohlraums (6) verjüngt, wobei sich die Dicke der Umfangswandung (3) von ei¬ ner Ausgangsdicke (dl) auf eine verjüngte Dicke (d2) redu¬ ziert, die mindestens halb so groß wie die Ausgangsdicke (dl) ist, und wobei insbesondere die Verjüngung über einen radia¬ len Abschnitt der Umfangswandung (3) erfolgt, dessen Höhe (1) mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke (dl) .
12. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (9) nur in einem von dem saug- seitigen Wandabschnitt (3b) der Umfangswandung (3) abragenden Abschnitt der Anstreifkante (7) vorgesehen ist.
13. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
genau eine Vertiefung (9) vorgesehen ist.
14. Laufschaufei nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen (9) vorgesehen ist, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle (11) mündet und die insbesondere wenigs¬ tens ein Merkmal aus den Ansprüchen 2 bis 10 aufweisen.
15. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in der wenigstens einen Vertiefung (9) die Kühlfluidaus- trittsöffnungen (12) in der Umfangsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander, insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet sind.
16. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich jeder Kühlkanal (11) geradlinig erstreckt und/oder einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser besitzt, der im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm liegt und bevorzugt 0,6 mm beträgt .
17. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) aufgeweitet sind, wobei die Aufweitungen (12a) ins¬ besondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe (h5) höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durch¬ messer eines Kühlkanals (11) und/oder dessen Durchmesser (es) höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals (11).
18. Laufschaufei nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) als Bohrungen ausgebildet sind.
19. Laufschaufei nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
unter Ausbildung eines zweiten Neigungswinkels (Θ) die Kühlkanäle (11) gegenüber der radialen Richtung (R) geneigt sind, wobei die zweiten Neigungswinkel (Θ) der Kühlkanäle (11), die jeweils in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen werden, welche die Anstreifkante (7) senkrecht schneidet, gleich oder etwa gleich dem ersten Neigungswinkel (δ) der Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) sind.
20. Laufschaufei nach Anspruch 16 bis 19 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte und/oder vierte Neigungswinkel kleiner als 80° ist und vorzugsweise 45° betragen.
21. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Übergangsbereich (8) zwischen einer Innenfläche (7a) der Anstreifkante (7) und der Außenfläche (4a) des Kronenbodens (4) abgerundet ist.
22. Laufschaufei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattkörper (2) durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt ist.
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