EP3400373B1

EP3400373B1 - Laufschaufel für eine gasturbine mit gekühlter anstreifkante

Info

Publication number: EP3400373B1
Application number: EP17707889.6A
Authority: EP
Inventors: Markus Gill; Christian Gindorf; Andreas Heselhaus; Robert Kunte; Marcel SCHLÖSSER; Andrew Carlson; Ross PETERSON
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-03-01
Also published as: WO2017153219A1; US20200386104A1; EP3216983A1; EP3400373A1; US11136892B2; CN209976583U

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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 konvertiert wird. Dazu besitzt die Gasturbinenanlage einen Strömungskanal, in dessen axialer Richtung ein Turbinenläufer drehbar gelagert ist. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Radscheiben, an deren radial äußeren Stirnflächen jeweils eine Mehrzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angeordnet sind. Die Laufschaufeln weisen hierzu jeweils Schaufelfüße 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 Außenseiten Schaufelblätter in den Strömungskanal vorstehen. Während des Betriebs der Gasturbinenanlage wird der Strömungskanal 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 Turbinenläufer 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 Belastungen eine für den Betrieb der Gasturbinenanlage ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Hierzu werden Laufschaufeln mit aufwendigen Beschichtungssystemen versehen. Zur weiteren Erhöhung der maximal zulässigen Heißgastemperatur werden Laufschaufeln während des Betriebs der Gasturbinenanlage gekühlt. Dazu sind in ihrem Inneren Hohlräume und Kühlkanäle 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 Aus der EP 2 378 076 A sind ausgebildete Kühlbohrungen in einer Vertiefung an der Spitze eines Schaufelblatts bekannt.
So ist es beispielsweise aus der US 5,733,102 und der
US 2014/044557 A1 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 Außenkontur der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers in der radialen Richtung vorsteht. Zwischen der Anstreifkante und einer den Strömungskanal der Gasturbinenanlage begrenzenden Kanalwandung 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 Radialspalt durchströmen zu lassen. Zum Schutz der Anstreifkante ist es bekannt, in der Anstreifkante zur Kühlung Kühlkanäle auszubilden, die sich ausgehend von dem Hohlraum zu Kühlfluidaustrittsöffnungen 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 Laufschaufeln infolge der Zentrifugalkraft zunehmen oder sich ein ursprünglich kreisrunder Strömungskanal ovalisieren. Diese Effekte resultieren aus einem 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 Material in Form von Metallstaub oder Metallspänen von den Anstreifkanten. Dann können sich die Kühlfluidaustrittsöffnungen 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 geringeren Lebensdauer der Schaufelblätter.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufschaufel für eine Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen alternativen 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 Kühlfluidaustrittsöffnungen vollständig in einem Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung liegen.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Kühlfluidaustrittsöffnungen bezogen auf die radiale Richtung gegenüber der Stirnfläche der Anstreifkante abzusenken. Dies wird erfindungsgemäß 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 Zusetzen 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 angeordnet. 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 bevorzugt 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 Materialpartikel 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, vorteilhaft 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 gegenüber der radialen Richtung nach außen unter Ausbildung eines ersten Neigungswinkels geneigt sowie längs der Radialrichtung betrachtet größtenteils gerade, wobei der erste Neigungswinkel in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante senkrecht durchschneidet, und in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und bevorzugt 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 beziehungsweise der Umfangswandung.
Zudem erstreckt sich die wenigstens eine Vertiefung unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu einer Innenseite 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 sind zumindest einige Kühlkanäle gegenüber einer zu der radialen Richtung senkrechten Ebene in Richtung der Anströmkante der Laufschaufel oder in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel unter Ausbildung eines vierten Neigungswinkels geneigt, wobei der vierte Neigungswinkel 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 80° liegen und insbesondere 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. Insbesondere durch eine zur Anströmkante geneigte Anordnung von Kühlkanälen werden die Strahlen über die Spitzen der saugseitigen 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 Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante eine Breite, die geringer ist als die Dicke der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers 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.
Weiter sind die Kühlkanäle gegenüber der radialen Richtung quer zu der Innenfläche der Anstreifkante unter Ausbildung eines zweiten Neigungswinkels geneigt, wobei insbesondere 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 austretende Kühlfluid von innen zu dem äußeren Endbereich der Anstreifkante.
Vorteilhaft besitzen in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung die Stirnfläche der Anstreifkante und der Bodenbereich der wenigstens einen Vertiefung gemeinsam eine Breite, die etwa gleich der Dicke der Umfangswandung des Schaufelblattkörpers 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 Stirnflächenabschnitts ausgebildet sein, wobei insbesondere die Innenecken 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 Umfangswandung 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 Umfangswandung 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 ausgebildet sein, dass sie sich näher zu der Außenseite der Anstreifkante erstrecken, was mit einer verbesserten konvektiven Kühlung der Anstreifkante einhergeht.
Vorteilhaft sind in der wenigstens einen Vertiefung die Kühlfluidaustrittsöffnungen nebeneinander und beabstandet zueinander insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet. Derartig angeordnete Kühlfluidaustrittsöffnungen eignen sich in besonderem Maße dazu, die Anstreifkante entlang 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 Umfangswandung abragenden Abschnitts der Anstreifkante verbessern.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung ist genau eine Vertiefung vorgesehen. Dies führt zu einer besonders einfachen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel.
Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Vertiefungen vorgesehen sein, in die jeweils ein Teil der Kühlkanäle mündet und die insbesondere jeweils wenigstens ein oben genanntes Merkmal aufweisen. Mehrere Vertiefungen führen zu einer entsprechenden Gruppierung der Kühlkanäle.
Gemäß einer Variante erstreckt sich jeder Kühlkanal geradlinig 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 Kühlfluidaustrittsöffnungen aufgeweitet sein, wobei die Aufweitungen insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals und/oder dessen Durchmesser höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Kühlkanals. Derartig aufgeweitete Kühlfluidaustrittsöffnungen können als Diffusor wirken und den austretenden Kühlfluidstrom 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.
Gemäß einer Weiterentwicklung ist ein Übergangsbereich zwischen einer Innenfläche der Anstreifkante und der Außenfläche des Kronenbodens abgerundet. Die verbessert die aerodynamischen 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 werden anhand von sechs Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:

Figur 1: eine perspektivische Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2: eine vergrößerte Teilansicht der in der Figur 1 dargestellten Laufschaufel;
Figur 3: eine vergrößerte Querschnittsansicht der in Figur 2 dargestellten Laufschaufel entlang der mit III bezeichneten Linie;
Figur 4: eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 5: eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 6: eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 3 entspricht;
Figur 7: eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblatts einer Laufschaufel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der Figur 2 entspricht; und
Figur 8: 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 Gasturbine 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 umfasst 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. Dabei 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 größtenteils geradlinig ausgestaltet und gegenüber der radialen Richtung R um einen ersten Neigungswinkel δ von ca. 25° geneigt, 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 Kronenbodens 4 ist abgerundet ausgebildet.
In einem von dem saugseitigen Wandabschnitt der Umfangswandung 3 abragenden Abschnitt der Anstreifkante 7 ist eine Vertiefung 9 ausgebildet, die sich unter Bildung eines abgestuften Querschnitts bis zu der Innenseite der Anstreifkante 7 erstreckt. Dabei ist die Innenecke 10 des abgestuften Querschnitts 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 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Außenfläche 4a des Kronenbodens 4, die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 parallel zueinander und senkrecht zu der radialen Richtung R. Auf diese Weise besitzt die Vertiefung 9 gegenüber der Stirnfläche 7b eine Tiefe h₁, die als senkrechter Abstand zwischen der Bodenfläche 9a und der Stirnfläche 7b gemessen wird und ca. 1 mm beträgt. Entsprechend beträgt die senkrecht gemessene Höhe h₂ der Bodenfläche der Vertiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 ca. 2 mm. Die Bodenfläche 9a der Vertiefung 9 und die Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 können aber auch zueinander und/oder zu der radialen Richtung R geneigt sein, wobei die Tiefe h₁ bzw. die Höhe h₂ dann jeweils bezogen auf die Innenecke 10 zu bestimmen sind.
In dem Bereich der Vertiefung 9 besitzt die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 eine Breite a₁, die geringer ist als die Dicke d₁ der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9. Darüber hinaus ist die Breite a₁ der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 in dem Bereich der Vertiefung 9 geringer als die Breite b₁ des Bodenbereichs 9a der Vertiefung 9. Gemeinsam besitzen die Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 und der Bodenbereich 9a der Vertiefung 9 eine Breite a₁+b₁, die etwa gleich der Dicke d₁ der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2 in dem Bereich der Vertiefung 9 ist, wobei die Dicke d₁ als senkrechter Abstand zwischen der Außenfläche und der Innenfläche der Umgebungswandung 3 gemessen wird. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, werden die Breiten a₁ und b₁ jeweils parallel zueinander und zu der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 gemessen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können relative Größenverhältnisse der Breiten a₁ und b₁ sowie der Dicke d₁ aufweisen, die von den hier gewählten abweichen.
In dem Schaufelblattkörper 2 sind Kühlkanäle 11 ausgebildet, die sich ausgehend vom dem Hohlraum 6 zu Kühlfluidaustrittsöffnungen 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 äquidistant und entlang einer Linie nebeneinander angeordnet. Jeder 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 Kühlkanal 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 Aufbau 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 Zylinders, 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 Zylinder 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 Laufschaufel. Im Unterschied zu dieser ist die Vertiefung 9 als Nut unter Belassung eines außenseitigen Stirnflächenabschnitts und eines innenseitigen Stirnflächenabschnitts ausgebildet, erstreckt sich also nicht bis zur Innenseite der Anstreifkante 7, sondern wird auch innenseitig 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 d₁ der Umfangswandung 3 des Schaufelblattkörpers 2. Infolgedessen ist der erste Neigungswinkel δ der Innenfläche 7a der Anstreifkante 7 gegenüber der radialen Richtung R entsprechend kleiner. Die innenseitige Höhe (h₃ + h₄) der Anstreifkante 7 ist vorliegend gleich der außenseitigen Höhe (h = h₁ + 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 Ausgangsdicke d₁ auf eine verjüngte Dicke d₂, die etwa halb so groß ist wie die Ausgangsdicke d₁. Die Verjüngung erfolgt über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung 3, dessen Höhe 1 ungefähr fünfmal so groß ist wie Ausgangsdicke d₁. 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 r₁ von Ausführungsformen ohne Verjüngung der Umfangswandung 3 abweichen kann. In der Figur 7 ist ein Krümmungsradius r₂ dargestellt, der ungefähr doppelt so groß wie r₁ 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. Erfindungsgemäß sind die Kühlkanäle gegenüber einer zu der radialen Richtung R senkrechten Ebene in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel geneigt . Dabei werden die dritten Neigungswinkel α 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 konvektive Kühlung der Anstreifkante 7 verbessert.
Die Figur 8 zeigt eine Laufschaufel für eine Gasturbine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 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 β 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 Neigungsrichtungen 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 β abweichend von dem dritten Neigungswinkel α gewählt sein.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laufschaufel besteht darin, dass die Kühlkanäle 11 nicht oder nur geringfügig durch Materialabtrag von der Stirnfläche 7b der Anstreifkante 7 zugesetzt werden. Dies gewährleistet eine während des Betriebs der Gasturbine gleichbleibende Kühlung der Anstreifkante 7 und somit eine lange Lebensdauer der Laufschaufel. Ein weiterer 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 Kühlfluidaustrittsöffnungen 12 strömende Kühlfluid auf seinem kurzen Weg zu der außenseitigen Stufe der Anstreifkante 7 während des Betriebs der Gasturbine kaum abgelenkt, was mit einer effektiven 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 eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Laufschaufel 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 Schaufelspitze (5) mit der Umfangswandung (3) verbundenen plattenförmigen Kronenboden (4) und eine sich entlang der Umfangswandung (3) erstreckende Anstreifkante (7) aufweist, wobei die Umfangswandung (3) und der Kronenboden (4) in dem Schaufelblattkörper (2) einen Hohlraum (6) definieren 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 sowie längs der Radialrichtung betrachtet größtenteils gerade ist und in einer sich in radialer Richtung (R) erstreckenden Ebene gemessen wird, welche die Anstreifkante (7) senkrecht durchschneidet wobei unter Ausbildung eines zweiten Neigungswinkels (θ) die Kühlkanäle (11) gegenüber der radialen Richtung (R) geneigt sind, wobei die zweiten Neigungswinkel 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, dadurch gekennzeichnet dass die Anstreifkante(7) außenseitig mit der Umfangswand(3) fluchtend und radial über den Kronenboden (4) vorsteht, wobei
dass der erste Neigungswinkel (δ) in dem Bereich von 0° bis 45° liegt und dass jeder Kühlkanal (11) unter Ausbildung eines dritten oder eines vierten Neigungswinkels (α, β) 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 (α) in Richtung der Abströmkante der Laufschaufel 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 80° liegen, derart, dass durch die zur Anströmkante geneigte Anordnung von Kühlkanälen (11) im Betrieb deren Kühlfluid-Strahlen über die Spitze der saugseitig angeordneten Anstreifkante (7) führbar sind.
Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bodenbereich (9a) als eine flache Bodenfläche ausgebildet ist, die gegenüber der Stirnfläche (7b) eine Tiefe (h₁) besitzt, die im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm und bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt.
Laufschaufel 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 Gesamthöhe (h) besitzt, die im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorteilhaft im Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegt und bevorzugt 3,5 mm beträgt, wobei eine Höhe h₂ der Bodenfläche der Vertiefung 9 über der Außenfläche 4a des Kronenbodens 4 vorteil haft im Bereich zwischen 60% und 80% der Gesamthöhe (h) liegt.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Neigungswinkel (δ) weniger als 30° und/oder mehr als 10° beträgt.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Stufenecke des Querschnitts, bevorzugt die Innenecke (10) abgerundet ist.
Laufschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite (a₁) besitzt, die geringer ist als die Dicke (d₁) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9).
Laufschaufel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) die Stirnfläche (7b) der Anstreifkante (7) eine Breite (a₁) besitzt, die geringer ist als die Breite (b₁) des Bodenbereichs (9a) der wenigstens einen Vertiefung (9).
Laufschaufel 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 (a₁ + b₁) besitzen, die etwa gleich der Dicke (d₁) der Umfangswandung (3) des Schaufelblattkörpers (2) in dem Bereich der wenigstens einen Vertiefung (9) ist.
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.
Laufschaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Bereich der Vertiefung (9) die Breite (a₂) des außenseitigen Stirnflächenabschnitts und die Breite (c₂) des innenseitigen Stirnflächenabschnitts der Anstreifkante (7) jeweils 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.
Laufschaufel 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 einer Ausgangsdicke (d1) auf eine verjüngte Dicke (d2) reduziert, die mindestens halb so groß wie die Ausgangsdicke (d1) ist, und wobei insbesondere die Verjüngung über einen radialen Abschnitt der Umfangswandung (3) erfolgt, dessen Höhe (1) mindestens fünfmal und höchstens zehnmal so groß ist wie die Ausgangsdicke (d1).
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Vertiefung (9) nur in einem von dem saugseitigen Wandabschnitt (3b) der Umfangswandung (3) abragenden Abschnitt der Anstreifkante (7) vorgesehen ist.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
genau eine Vertiefung (9) vorgesehen ist.
Laufschaufel 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 wenigstens ein Merkmal aus den Ansprüchen 2 bis 10 aufweisen.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in der wenigstens einen Vertiefung (9) die Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) in der Umfangsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander, insbesondere äquidistant und/oder entlang einer Linie angeordnet sind.
Laufschaufel 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.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) im Bereich der Kühlfluidaustrittsöffnungen (12) aufgeweitet sind, wobei die Aufweitungen (12a) insbesondere die Form eines Zylinders besitzen, dessen Höhe (h5) höchstens fünfmal, bevorzugt ebenso groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals (11) und/oder dessen Durchmesser (c₅) höchstens dreimal, bevorzugt doppelt so groß ist wie der Durchmesser eines Kühlkanals (11).
Laufschaufel nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanäle (11) als Bohrungen ausgebildet sind.
Laufschaufel nach Anspruch 16 bis 18 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte und/oder vierte Neigungswinkel 45° beträgt.
Laufschaufel 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.
Laufschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaufelblattkörper (2) durch Gießen oder in einem generativen Verfahren, insbesondere mittels 3D-Drucken hergestellt ist.