EP4288638A1 - Laufschaufelspitze mit kühlkonfiguration - Google Patents

Laufschaufelspitze mit kühlkonfiguration

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EP4288638A1
EP4288638A1 EP22720982.2A EP22720982A EP4288638A1 EP 4288638 A1 EP4288638 A1 EP 4288638A1 EP 22720982 A EP22720982 A EP 22720982A EP 4288638 A1 EP4288638 A1 EP 4288638A1
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EP
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blade
turbine blade
cooling
cooling channel
blade tip
Prior art date
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Pending
Application number
EP22720982.2A
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English (en)
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Inventor
Björn ANDERS
Constantin Garske
Kay Krabiell
Heiko LAMMERS
Markus Lempke
Ricardo NILSSON
Daniel Vöhringer
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
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    • B23P6/007—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors using only additive methods, e.g. build-up welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
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    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to an improved design of a blade tip of a turbine blade that can be used for new parts or repaired components, and a method Power generation or used for aircraft and/or steam turbines and often have a cooling structure or internal structure on the inside.
  • the blade tip in particular is exposed to the highest temperatures and high mechanical loads during use and therefore often has to be reworked or sometimes replaced with a completely new blade.
  • the state of the art is to rebuild the original design of components to be repaired or to recreate an original component in the same way. It is therefore the object of the invention to show a design and a method so that the blade tip is cooled better.
  • the object is achieved by a blade tip according to claim 1 and a method according to claim 9.
  • the blade tip is understood to mean the outer visible blade tip per se and an upper blade area including the inner structure in the blade leaf and cooling.
  • 1 shows a view of a turbine blade being repaired
  • FIG. 2 shows a side view of a turbine blade to be repaired
  • FIG. 3 shows a machined, repaired turbine blade or newly manufactured turbine blade
  • FIG. The figures and the description only represent exemplary embodiments of the invention extends to the blade tip 7.
  • the airfoil 8 extends in a direction of flow 9 from the leading edge 6 to the trailing edge 3.
  • the blade tip 7 preferably has a blade tip wall 10 at its distal end, which at least in places, here preferably completely up to its end from the trailing edge 3 along the circumference of the blade tip 7 and between which a depression 11 is thus present.
  • 2 shows a side view according to FIG. 1 with possible defects 17 in the area of the blade tip 7.
  • FIG. 2 also shows a blade root 5 below the blade platform 4.
  • the defects 17 must be removed so that a component to be repaired according to FIG 3, in which a defect area 16 has been removed from the blade tip 7' (indicated here as a dashed line).
  • the machined turbine blade 1' then has an open end 19 according to the shape of the internal cavity(ies). More than the defect area 16 can also be removed, in particular in order to achieve a standard removal depth.
  • FIG. 4 now shows an improved cooling design using the example of a blade tip 7 inside.
  • a first cooling channel 30 is arranged in the area of the leading edge 6 along the leading edge 6 of the turbine blade 1 .
  • the first cooling channel 30 is, in particular, of tubular design and is supplied with a coolant starting from the blade root 5 (FIG. 2).
  • At the end of the first cooling channel 30 there is in particular a first outlet opening 36 from which the coolant flows out in the area of the depression 11 (FIG. 1) of the blade tip 7 .
  • a particularly present first transition 39 from the first cooling channel 30 to the first outlet opening 36 is particularly conical, i.e. in particular the cross section of the first cooling channel 30 narrows to a smaller diameter, in which case a first channel 37 preferably with a constant diameter up to the blade tip 7 .
  • the transition from the first cooling channel 30 to the outlet opening 36 can also be configured differently.
  • turbulators 31′ can also be arranged in particular at least in the first cooling channel 30 . These turbulators 31' can also be chosen completely freely in terms of their shape and frequency in order to achieve a favorable flow with targeted/high heat exchange. Adjusting the surface roughness can achieve such results.
  • a U-shaped second cooling channel 48 mainly flows through the blade leaf 8 and flows along the first leg 47 from the blade root 5 to the blade tip 7, makes a U-turn at a reversal point 43 in the area of the blade tip 7 and flows along the second leg 46 back again.
  • a first thickening 49 in particular in the form of wing-like elements at the end of the first partition wall 41 from the first 47 and second leg 46, which causes the cooling medium to flow in the direction of the blade tip 7 in this area passes through a constriction and then widens and again passes through a second constriction in the second leg 46 .
  • the flow within the second cooling channel 48 therefore does not separate from the wall of the cooling channel 48 or only slightly.
  • the second outlet opening 45 with a conical second transition 42 (similar to transition 39) which is also preferably designed to narrow conically, with a second channel 44 (similar to the first channel 37 ) with a preferably constant diameter up to the blade tip 7.
  • the second outlet opening 45 is formed in the area of the reversal point 43 of the second cooling channel 48, preferably on the side of the first leg 47 of the upflow area. Further outlet openings can preferably be present in the area of the reversal point 43 of the second cooling channel 48 .
  • the cross section of the first leg 47, ie the inflow area is wider than the second leg 46 of the outflow area.
  • turbulators 31 ′′ can also be arranged in the second cooling channel 48 .
  • These turbulators 31'' can also be chosen completely freely in terms of their shape and frequency in order to achieve a favorable flow with targeted/high heat exchange. Adjusting the surface roughness can achieve such results.
  • the airfoil 8 can preferably also have a third cooling duct 57, comparable to the second cooling duct 48, with a first leg 55 and a second leg 54, in which the cooling medium flows in the direction of the blade tip 7, with a second thickening 60 here as well at the end of a second partition wall 53 between the first 55 and second leg 54 of the third cooling channel 57 is present.
  • the outlet opening 50 in the area of the second reversal point 51 with an in particular conical second transition 63 into a third channel 64 .
  • the cross section of the inflowing limb 55 in the third cooling duct 64 is larger than the cross section of the outflowing limb 54.
  • the two limbs 54, 55 of the third cooling duct 57 are each wider than the limbs 46, 47 of the second cooling duct 48 lying between them.
  • This improved design can also be produced directly for the new part.
  • the new part can be cast in this way or built up completely using AM and an improved cooling design according to FIG. 4 is built up separately. This makes it possible to provide an improved cooling design when repairing. It is also possible to repair, build up and thus improve competitor blades.
  • the design possibilities of the additive structure on the blade cavity can enable the following functions: ⁇ Multi-wall structure to separate cooling air into individual strands and place them in a targeted manner; ⁇ Cross-section adjustments to achieve targeted flow properties, such as turbulent and/or laminar flow-enhancing features; ⁇ baffles, which are particularly wing-like, in 2D and 3D profile, in order to be able to deflect or direct the flow; ⁇ Heat transfer characteristics that provide increased surface areas, particularly through a spongy build-up via LPBF; ⁇ Structural features that can absorb a large area through a large number of small "filling elements" (e.g. support structure).

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) mit verbesserter Schaufelspitze (7), die im Schaufelblatt (8) zumindest einen Kühlkanal (48, 57) aufweist, der im Bereich eines Umkehrpunktes (43, 51) des Kühlkanals (48, 57) zumindest eine örtlich befristete Verengung aufweist, die begründet ist durch eine Verdickung (49, 60) am Ende einer Trennwand (41, 53) des Kühlkanals (48, 57).

Description

Beschreibung Verbesserte Schaufelspitze im Neuteil oder repariertem Bau- teil und Verfahren Die Erfindung betrifft eine verbesserte Ausführung einer Schaufelspitze einer Turbinenschaufel, die für Neuteile oder reparierte Bauteile verwendet werden kann, sowie ein Verfah- ren. Turbinenschaufeln werden in Turbinen wie insbesondere in Gas- turbinen zur Stromerzeugung oder für Flugzeuge und/oder Dampfturbinen eingesetzt und weisen im Inneren oft eine Kühl- struktur oder innere Struktur auf. Insbesondere die Schaufelspitze ist im Einsatz höchsten Tem- peraturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und muss daher oft überarbeitet werden oder manchmal durch eine komplett neue Schaufel ersetzt werden. Stand der Technik ist es, das ursprüngliche Design bei zu re- parierenden Bauteilen wiederaufzubauen oder ein ursprüng- liches Bauteil neu wieder so herzustellen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Design und ein Verfah- ren aufzuzeigen, damit die Schaufelspitze besser gekühlt wird. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaufelspitze nach An- spruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Unter Schaufelspitze wird die äußere sichtbare Schaufelspitze an sich und ein oberer Schaufelbereich samt innerer Struktur im Schaufelblatt und Kühlung verstanden. Es zeigen Figur 1 die Aufsicht auf eine Turbinenschaufel im Repara- turfall, Figur 2 eine Seitenansicht auf eine zu reparierende Turbi- nenschaufel, Figur 3 eine bearbeitete reparierte Turbinenschaufel oder neu hergestellte Turbinenschaufel sowie Figur 4 ein verbessertes Design für eine Kühlstruktur im Bereich der Schaufelspitze. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt eine Aufsicht von oben auf eine Schaufelspitze 7 mit ihrem Schaufelspitzenboden 2 einer Turbinenschaufel 1. Zu erkennen ist eine Schaufelplattform 4, von der sich ausge- hend ein Schaufelblatt 8 bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Das Schaufelblatt 8 erstreckt sich in einer Umströmungsrich- tung 9 von der Anströmkante 6 bis zu der Abströmkante 3. Die Schaufelspitze 7 weist an ihrem distalen Ende vorzugswei- se eine Schaufelspitzenwand 10 auf, die zumindest stellenwei- se, hier vorzugsweise vollständig bis auf ihr Ende ab der Ab- strömkante 3 entlang des Umfangs der Schaufelspitze 7 ver- läuft und zwischen der dadurch eine Vertiefung 11 vorhanden ist. Figur 2 zeigt eine Seitenansicht gemäß Figur 1 mit möglichen Defekten 17 im Bereich der Schaufelspitze 7. Zu erkennen ist in Figur 2 auch ein Schaufelfuß 5 unterhalb der Schaufelplattform 4. Die Defekte 17 müssen entfernt werden, sodass sich ein zu re- parierendes Bauteil gemäß Figur 3 ergibt, bei dem ein Defekt- bereich 16 von der Schaufelspitze 7‘ (hier als gestrichelte Linie angedeutet) entfernt wurde. Die bearbeitete Turbinenschaufel 1‘ weist dann ein offenes Ende 19 gemäß der Form der inneren Kavität(en) auf. Es kann auch mehr als der Defektbereich 16 abgetragen werden, um insbesondere eine Standardentfernungstiefe zu erzielen. Ebenso kann ein Neuteil gemäß Figur 3 ohne Schaufelspitzen- boden 2 so gegossen werden. Figur 4 zeigt nun ein verbessertes Kühldesign am Beispiel einer Schaufelspitze 7 im Inneren. Im Innern der Turbinenschaufel 1, im Schaufelblatt 8 sind vorzugsweise mehrere Kühlkanäle 30, 48, 57 vorhanden. Ein erster Kühlkanal 30 ist im Bereich der Anströmkante 6 entlang der Anströmkante 6 der Turbinenschaufel 1 angeordnet. Der erste Kühlkanal 30 ist insbesondere schlauchförmig aus- gebildet und wird mit einem Kühlmittel ausgehend vom Schau- felfuß 5 (Fig. 2) versorgt. Am Ende des ersten Kühlkanals 30 befindet sich insbesondere eine erste Auslassöffnung 36, aus der das Kühlmittel im Be- reich der Vertiefung 11 (Fig. 1) der Schaufelspitze 7 aus- strömt. Ein insbesondere vorhandener erster Übergang 39 vom ersten Kühlkanal 30 hin zu der ersten Austrittsöffnung 36 ist insbe- sondere konisch ausgebildet, d.h. insbesondere der Quer- schnitt des ersten Kühlkanals 30 verengt sich auf einen klei- neren Durchmesser, wobei sich dann insbesondere ein erster Kanal 37 mit vorzugsweise konstantem Durchmesser bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Der Übergang vom ersten Kühlkanal 30 zur Auslassöffnung 36 kann auch anders ausgebildet sein. Insbesondere zumindest in dem ersten Kühlkanal 30 können auch insbesondere Turbulatoren 31‘ angeordnet sein. Diese Turbula- toren 31‘ können auch in ihrer Gestalt sowie Häufigkeit kom- plett frei gewählt werden, um einen günstigen Strömungsfluss mit gezieltem/hohem Wärmetausch zu gelangen. Die Einstellung der Oberflächenrauheit kann solche Ergebnisse erzielen. Ein U-förmiger zweiter Kühlkanal 48 durchströmt das Schaufel- blatt 8 hauptsächlich und strömt entlang des ersten Schenkels 47 vom Schaufelfuß 5 zur Schaufelspitze 7 hin, macht eine Kehrtwende an einem Umkehrpunkt 43 im Bereich der Schaufel- spitze 7 und strömt entlang des zweiten Schenkels 46 wieder zurück. Erfindungsgemäß ist im Bereich des Umkehrpunkts 43 eine erste Verdickung 49 insbesondere in Form von flügelähnlichen Ele- menten am Ende der ersten Trennwand 41 vom ersten 47 und zweiten Schenkel 46 vorhanden, die dazu führt, dass das Kühl- medium beim Strömen in Richtung der Schaufelspitze 7 in die- sem Bereich eine Verengung durchläuft und danach sich ver- breitert und wiederum eine zweite Verengung im zweiten Schen- kel 46 durchläuft. Die Strömung innerhalb des zweiten Kühlkanals 48 löst sich daher nicht oder nur geringfügig von der Wand des Kühlkanals 48 ab. Dies führt zur verbesserten Kühlung. Vorzugsweise kann am Umkehrpunkt 43 des zweiten Kühlkanals 48 ebenfalls eine zweite Auslassöffnung 45 vorhanden sein mit einem ebenfalls vorzugsweise konisch verengend ausgebildeten konischen zweiten Übergang 42 (ähnlich zu Übergang 39), wobei sich dann insbesondere ein zweiter Kanal 44 (ähnlich zum ers- ten Kanal 37) mit vorzugsweise konstantem Durchmesser bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Die zweite Auslassöffnung 45 ist im Bereich des Umkehrpunkts 43 des zweiten Kühlkanals 48 ausgebildet, vorzugsweise auf der Seite des ersten Schenkels 47 des hochströmenden Be- reichs. Vorzugsweise können noch weitere Auslassöffnungen im Bereich des Umkehrpunkts 43 des zweiten Kühlkanals 48 vorhanden sein. Ebenso vorzugsweise ist der Querschnitt des ersten Schenkels 47, also des Einströmbereiches, breiter ausgebildet als der zweite Schenkel 46 des abströmenden Bereiches. In dem zweiten Kühlkanal 48 können insbesondere auch Turbula- toren 31‘‘ angeordnet sein. Diese Turbulatoren 31‘‘ können auch in ihrer Gestalt sowie Häufigkeit komplett frei gewählt werden, um einen günstigen Strömungsfluss mit gezieltem/hohem Wärmetausch zu gelangen. Die Einstellung der Oberflächenrauheit kann solche Ergebnisse erzielen. Je nach Größe kann das Schaufelblatt 8 vorzugweise weiterhin einen wie zum zweiten Kühlkanal 48 vergleichbaren dritten Kühlkanal 57 mit einem ersten Schenkel 55 und einem zweiten Schenkel 54, in dem das Kühlmedium Richtung Schaufelspitze 7 strömt, aufweisen, wobei hier ebenfalls eine zweite Verdi- ckung 60 am Ende einer zweiten Trennwand 53 zwischen erstem 55 und zweitem Schenkel 54 des dritten Kühlkanals 57 vorhan- den ist. Vorzugsweise ist auch eine Auslassöffnung 50 im Bereich des zweiten Umkehrpunkts 51 mit einem insbesondere konischen zweiten Übergang 63 in einen dritten Kanal 64 vorhanden. Ebenso vergleichsweise ist hier im dritten Kühlkanal 64 der Querschnitt des einströmenden Schenkels 55 größer ausgebildet als der Querschnitt des abströmenden Schenkels 54. Vorzugsweise sind die beiden Schenkel 54, 55 des dritten Kühlkanals 57 jeweils breiter ausgebildet als die Schenkel 46, 47 des dazwischenliegenden zweiten Kühlkanals 48. Dieses verbesserte Design kann auch beim Neuteil direkt her- gestellt werden. Das Neuteil kann so gegossen werden oder komplett mittels AM aufgebaut werden und ein verbessertes Kühldesign gemäß Figur 4 wird separat aufgebaut. Dies ermöglicht bei der Reparatur ein verbessertes Kühldesign zur Verfügung zu stellen. Ebenso ist es möglich Schaufeln von Wettbewerbern zu reparie- ren, aufzubauen und so zu verbessern. Die gestalterischen Möglichkeiten des additiven Aufbaus auf der Schaufelkavität kann folgende Funktionen ermöglichen: ^ Mehrwandiger Aufbau, um Kühlluft in einzelne Stränge zu separieren und gezielt zu platzieren; ^ Querschnittsanpassungen, um gezielte Strömungseigenschaften zu erzielen, wie turbulente und/oder laminare strömungser- zielende Features; ^ Leitbleche, die insbesondere flügelartig gestaltet sind, im 2D- und 3D-Profil, um die Strömung umzulenken oder richten zu können; ^ Wärmeübergangsmerkmale, die vergrößerte Oberflächen zur Verfügung stellen, insbesondere durch einen schwammartigen Aufbau mittels LPBF; ^ Strukturmerkmale, die durch eine hohe Anzahl an kleinen „Füllelementen“ eine große Fläche abfangen können (bspw. Stützstruktur).

Claims

Patentansprüche 1. Turbinenschaufel (1) mit verbesserter Schaufelspitze (7), die im Schaufelblatt (8) zumindest einen, insbesondere zwei, ganz insbesondere drei Kühlkanäle (30, 48, 57) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Umkehrpunktes (43, 51) eines Kühlkanals (48, 57) zumindest eine, insbesondere jeweils zwei örtlich befristete Verengungen vorhanden sind, die begründet sind durch eine Verdickung (49, 60) insbeson- dere am Ende einer Trennwand (41, 53) der Kühlkanäle (48, 57).
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, bei dem der Kühlkanal (30, 48, 57) jeweils zumindest eine, insbesondere jeweils nur eine Auslassöffnung (36, 45, 50) aufweist.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der ausgehend von einem Kühlkanal (30, 48, 57) ein konischer Übergang (39, 42, 63) vorhanden ist und dann vorzugsweise ein Kanal (37, 44, 64) mit konstantem Querschnitt auf Höhe der Austrittsöffnung (36, 45, 50) im Bereich der Schaufelspitze (7) vorhanden ist.
4. Turbinenschaufeln nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der jeweilige Schenkel des Kühlkanals (48, 57) im einströmenden Schenkel (47, 55) breiter ausgebildet ist als im abströmenden Schenkel (46, 54) des jeweiligen Kühlkanals (48, 57).
5. Turbinenschaufeln nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Auslassöffnung (45, 50) in der verlängerten Strömungsrichtung des einströmenden Schenkels (47, 55) des jeweiligen Kühlkanals (48, 57) angeordnet ist.
6. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei der ein erster Kühlkanal (30) im Bereich der Anström- kante (6) entlang der Anströmkante (6) der Turbinenschaufel (1) angeordnet ist und insbesondere schlauchförmig ausgebildet ist, so dass er mit einem Kühlmittel ausgehend vom Schaufelfuß (5) versorgt werden kann.
7. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, die in den Kühlkanälen (30, 48, 57) Turbulatoren (31‘, 31‘‘, …) aufweist.
8. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, die im Schaufelblatt (8) zwei U-förmige Kühlkanäle (48, 57) aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), bei dem eine Turbinenschaufel mit einer Schaufelspitze (7) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Schaufelspitze (7) auf ein neu gegossenes Bauteil oder ein zu reparierendes Bauteil (1‘) aufgetragen wird.
11. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem ein additives Verfahren, insbesondere Pulverbettverfahren, verwendet wird.
EP22720982.2A 2021-05-11 2022-04-05 Laufschaufelspitze mit kühlkonfiguration Pending EP4288638A1 (de)

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DE102021204782.3A DE102021204782A1 (de) 2021-05-11 2021-05-11 Verbesserte Schaufelspitze im Neuteil oder repariertem Bauteil und Verfahren
PCT/EP2022/059013 WO2022238051A1 (de) 2021-05-11 2022-04-05 Laufschaufelspitze mit kühlkonfiguration

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EP4288638A1 true EP4288638A1 (de) 2023-12-13

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22720982.2A Pending EP4288638A1 (de) 2021-05-11 2022-04-05 Laufschaufelspitze mit kühlkonfiguration

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US (1) US12345176B2 (de)
EP (1) EP4288638A1 (de)
DE (1) DE102021204782A1 (de)
WO (1) WO2022238051A1 (de)

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