EP4612397A1 - Schaufelspitze einer turbinenschaufel, turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel mit einer schaufelspitze - Google Patents

Schaufelspitze einer turbinenschaufel, turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel mit einer schaufelspitze

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EP4612397A1
EP4612397A1 EP23820875.5A EP23820875A EP4612397A1 EP 4612397 A1 EP4612397 A1 EP 4612397A1 EP 23820875 A EP23820875 A EP 23820875A EP 4612397 A1 EP4612397 A1 EP 4612397A1
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EP
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blade
blade tip
turbine blade
cooling
channel
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Phillip HAAKS
Kay Krabiell
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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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    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to a blade tip of a turbine blade and a method for producing it.
  • Gas turbine blades are operated at high temperatures.
  • the blade tip in particular is difficult to cool, which frequently leads to material oxidation and thus often to material loss.
  • this degradation increases the gap to the stationary component, such as the ring segment, which is directly associated with a loss of power.
  • Convective cooling holes in the blade tip counteract this damage phenomenon in the thermally highly stressed areas. Cooling of these tip walls is achieved by a coolant flow in radially extending cooling channels.
  • Figures 1 , 2 show the state of the art
  • FIGS 3, 4, 5 schematically show the invention.
  • the side walls 13 form or have a cooling channel 16T.
  • the arrow 11 shows the movement or direction of rotation of the blade tip 7 ' or of a turbine blade.
  • Figure 2 shows an overall overview with the details from Figure 1 .
  • the cooling channels 16T, 16 run largely or completely in the radial direction 3 within the blade wall 13, 14 and end on an end face 20 with an opening 22 in the end face 20, so that cooling air can flow out of the plane of the end face 20.
  • the cooling channels 16T, 16 can also run in a curved manner within the blade wall 13. This also applies to Figures 3, 4, 5.
  • Figure 3 shows, starting from Figure 1, an enlarged gap 19 according to the invention between a blade wall 14 '' according to the invention and the stator 4 .
  • the pressure side of a turbine blade 2 is shown in Figure 3 formed to the right of the blade wall 14 '' on the blade.
  • the blade walls 14 extend in the radial direction 3 .
  • Figure 4 shows a view according to Figure 2, but according to the invention or starting from Figure 3.
  • the gap 19 is formed by an open, in particular half-open channel 18.
  • the channel 18 runs in the direction of the pressure side.
  • a channel 18 of the blade wall 14 '' ends on the pressure side and a channel 18 of the opposite blade wall 14 ' ends in the cavity above a crown base 15 .
  • the two walls 17, 14 of the blade tip 7 extend from the leading edge 6 and surround and delimit the crown base 15.
  • the number and distance between the cooling channels 16 is determined by thermodynamic considerations.
  • a channel 18 is present in the front side 20 of the walls 14, 17.
  • Contaminants 8 are drained away through this channel 18.
  • the channels 18 preferably run parallel to each other.
  • the channels 18 are of different lengths due to the curvature of the blade wall 13, 14.
  • the channel 18 can have different designs and can be optimized or can be .
  • the width of the channel 18 preferably corresponds to the diameter of the cooling hole 16 at the level of the front side 20 .
  • the width of the channel 18 can also be wider or narrower than the diameter of the cooling hole 16 at the level of the front side 20.
  • the channel 18 may preferably have a constant width along its length.
  • the channel 18 can also widen at least partially, in particular completely, over its length starting from the cooling channel 16, so that it is V-shaped.
  • This design of the blade tip 7 has the advantage that there is no need to compromise between gap size and material loss for a stable design. Both requirements are met simultaneously, resulting in a time-stable design without high degradation and without significant aerodynamic losses.
  • the turbine blade 2 with the blade tip 7 , walls 14 , 17 and channels 18 can be cast or, when new, Position or during a repair process by a manufacturing process other than casting, in particular by an additive process such as build-up welding or three-dimensional printing, the blade tip 7 is applied to the crown base 15 of a turbine blade 2 to be manufactured or repaired.
  • the blade tip 7 can also be manufactured separately and applied to one end of a turbine blade, such as by soldering, particularly in the case of repairs.
  • the channels 18 can also be added later.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufelspitze (7) einer Turbinenschaufel (2), die Schaufelwände (14, 17) aufweist, wobei in der Schaufelwand (14, 17) Kühlkanäle (16) für Kühlluft vorhanden sind, wobei die Kühlkanäle (16) in der Schaufelwand (14, 17) verlaufen und auf der Stirnseite (20) der Schaufelwand (13, 14) münden, wobei ausgehend von der Öffnung (22) eines Kühlkanals (16) auf der Stirnseite (20) ein Kanal (18) auf der Stirnseite (20) quer zur radialen Richtung (3) und in Richtung hin zur Druckseite verläuft. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (2) mit einer solchen Schaufelspitze (7) bei dem die Turbinenschaufel (2) mit der Schaufelspitze (7) und Wänden (14, 17) und Kanälen (18) gegossen wird, oder bei der Neuherstellung oder während eines Reparaturverfahrens durch ein anderes Herstellungsverfahren als Gießen, insbesondere durch ein additives Verfahren wie Auftragsschweißen oder dreidimensionales Drucken, die Schaufelspitze (7) auf dem Kronenboden (15) einer herzustellenden oder zu reparierenden Turbinenschaufel (2) aufgebracht wird.

Description

SCHAUFELSPITZE EINER TURBINENSCHAUFEL, TURBINENSCHAUFEL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER TURBINENSCHAUFEL MIT EINER SCHAUFELSPITZE
Die Erfindung betri f ft eine Schaufelspitze einer Turbinenschaufel und ein Verfahren zur Herstellung .
Gasturbinenschaufeln werden bei hohen Temperaturen betrieben . Insbesondere die Schaufelspitze ist schwer zu kühlen, was häufig zu Materialoxidation und damit oft zu Materialverlust führt . Diese Degradation vergrößert auf der einen Seite den Spalt zum stationären Bauteil , wie z . B . dem Ringsegment , was direkt mit Leistungsverlust einhergeht .
Andererseits kann eine Degradation auch die mechanische Integrität des Bauteils gefährden .
Konvektive Kühlbohrungen in der Schaufelspitze wirken diesem Schädigungsphänomen in den thermisch hoch belasteten Bereichen entgegen . Kühlung dieser Spitzenwände wird durch einen Kühlmittelstrom in sich radial erstreckenden Kühlkanälen erreicht .
Allerdings reibt sich die Spitze mit abnehmendem Abstand zu den stationären Teilen immer häufiger an den gegenüberliegenden Teilen . Diese Reibung kann vorübergehend eine Kühlbohrung blockieren . Zusätzlich werden Verunreinigungen des gegenüberliegenden Turbinenbauteils „auf geschaufelt" und blockieren eine Kühlöf fnung ( Fig . 1 , 2 ) . Dadurch wird der Nutzen von diesen Kühllöchern an dieser Stelle direkt zunichte gemacht .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel mit einer verbesserten Schaufelspitze nach Anspruch 1 , einer Turbinenschaufel nach Anspruch 6 und ein Verfahren nach Anspruch 7 . In den Unteransprüchen sind weitere vorheilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen .
Es zeigen
Figuren 1 , 2 den Stand der Technik,
Figuren 3 , 4 , 5 schematisch die Erfindung .
Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 ' mit einem Stator 4 wie zum Beispiel einem Ringsegment , und einer Schaufelspitze 7 ' nach dem Stand der Technik .
Angedeutet sind die Ansammlungen von Schmutz 8 vor einer Seitenwand 13 einer Turbinenschaufel .
Die Seitenwände 13 bilden oder weisen einen Kühlkanal 16T auf .
Der Pfeil 11 zeigt die Bewegung bzw . Rotationsrichtung der Schaufelspitze 7 ' bzw . einer Turbinenschaufel .
Figur 2 zeigt eine Gesamtübersicht mit den Details aus Figur 1 .
Zu erkennen ist ebenfalls eine Schaufelspitze 7 ' mit ihrer umlaufenden Schaufelwand 13 , in der Kühlkanäle 16T vorhanden sind .
Die Kühlkanäle 16T , 16 verlaufen größtenteils oder vollständig in radialer Richtung 3 innerhalb der Schaufelwand 13 , 14 und enden auf einer Stirnseite 20 mit einer Öf fnung 22 in der Stirnseite 20 , so dass Kühlluft aus der Ebene der Stirnseite 20 ausströmen kann . Die Kühlkanäle 16T , 16 können auch innerhalb der Schaufelwand 13 gebogen verlaufen . Dies gilt ebenso für Figur 3 , 4 , 5 .
In den Figuren ist der Verlauf der Kühlkanäle 16T nur schematisch angedeutet .
Dies gilt ebenso für Figur 3 , 4 , 5 .
Figur 3 zeigt ausgehend von Figur 1 einen erfindungsgemäß vergrößerten Spalt 19 zwischen einer erfindungsgemäßen Schaufelwand 14 ' ' und dem Stator 4 .
Die Druckseite einer Turbinenschaufel 2 ist in der Figur 3 rechts der Schaufelwand 14 ' ' auf dem Schaufelblatt ausgebildet .
Die Schaufelwände 14 verlaufen in radialer Richtung 3 .
Figur 4 zeigt eine Ansicht gemäß Figur 2 , aber gemäß der Erfindung bzw . ausgehend von Figur 3 .
Zu erkennen ist , dass die in Rotationsrichtung 11 hintere Schaufelwand 14 ' ' den Spalt 19 aufweist .
Der Spalt 19 wird gebildet durch einen of fenen, insbesondere halbof fenen Kanal 18 .
Der Kanal 18 verläuft in Richtung zur Druckseite hin . Somit endet ein Kanal 18 der Schaufelwand 14 ' ' auf der Druckseite und ein Kanal 18 der gegenüberliegenden Schaufelwand 14 ' endet im Hohlraum über einem Kronenboden 15 .
Zur besseren Darstellung der Erfindung wird auf die Figur 5 eingegangen mit einer Aufsicht auf die erfindungsgemäße Schaufelspitze 7 , da die Figuren 1 bis 4 nur Schnittdarstellungen sind .
Neben der Aufsicht auf die Schaufelspitze 7 der Turbinenschaufel 2 mit ihrer Saug- und Druckseite erstrecken sich ausgehend von der Anströmkante 6 die zwei Wände 17 , 14 der Schaufelspitze 7 , die den Kronenboden 15 umgeben und begrenzen .
Auf der Stirnseite 20 der Wände 17 , 14 münden j eweils mehrere Kühlkanäle 16 mit ihrer Öf fnung 22 .
Die Anzahl und der Abstand der Kühlkanäle 16 zueinander ergibt sich durch thermodynamische Überlegungen .
Es ist zu erkennen, dass ausgehend von einem Kühlkanal 16 für Kühlluft bzw . von dessen Öf fnung 22 ein Kanal 18 in der Stirnseite 20 der Wände 14 , 17 vorhanden ist .
Durch diesen Kanal 18 werden Verschmutzungen 8 abgeleitet . Vorzugsweise ist für j eden Kühlkanal 16 ein Kanal 18 vorhanden .
Die Kanäle 18 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander . In Figur 5 ist zu erkennen, dass die Kanäle 18 aufgrund der Krümmung der Schaufelwand 13 , 14 verschieden lang ausgebildet sind .
Der Kanal 18 kann in seiner Geometrie verschieden ausgebildet sein und optimiert werden oder sein .
Die Breite des Kanals 18 entspricht vorzugsweise dem Durchmesser des Kühllochs 16 auf der Höhe der Stirnseite 20 .
Die Breite des Kanals 18 kann aber auch breiter oder schmäler ausgebildet sein als der Durchmesser des Kühllochs 16 auf der Höhe der Stirnseite 20 .
Der Kanal 18 kann vorzugsweise eine konstante Breite über seine Länge aufweisen .
Ebenso vorzugsweise kann sich der Kanal 18 ausgehend vom Kühlkanal 16 auch zumindest teilweise , insbesondere vollständig über seine Länge verbreitern, sodass der v- förmig ausgebildet ist .
Die grundlegende Idee ist die Einführung von Formen, die nicht in Strömungsrichtung ausgerichtet sind wie bei herkömmlichen Schauf el-/Plattform-/Scheibenspitzenkühlung, sondern entgegen der "Reibrichtung" . Die Reibung einer Schaufel 2 an einem feststehenden ist direkt mit der Rotation (Relativbewegung zwischen den beiden Reibpartnern) verbunden . Wie in Figur 3 , 4 zu sehen ist , wird dadurch verhindert , dass sich abgeriebenes Material von einem feststehenden Teil ( Stator ) in dem Kühlkanal ansammelt . Dadurch bleibt die Kühl funktion der Kühlkanäle 16 für den Fall des Reibens erhalten .
Dieses Design der Schaufelspitze 7 hat den Vorteil , dass man keinen Kompromiss zwischen Spaltgröße und Materialverlust für ein stabiles Design eingehen muss . Beide Anforderungen werden gleichzeitig erfüllt , was zu einem zeitstabilen Design ohne hohe Degradation und ohne signi fikante aerodynamische Verluste führt .
Die Turbinenschaufel 2 mit der Schaufelspitze 7 , Wänden 14 , 17 und Kanälen 18 kann gegossen werden oder bei der Neuher- Stellung oder während eines Reparaturverfahrens durch ein anderes Herstellungsverfahren als Gießen, insbesondere durch ein additives Verfahren wie Auftragsschweißen oder dreidimensionales Drucken, wird die Schaufelspitze 7 auf dem Kronenbo- den 15 einer herzustellenden oder zu reparierenden Turbinenschaufel 2 aufgebracht .
Die Schaufelspitze 7 kann auch separat hergestellt werden und auf ein Ende einer Turbinenschaufel aufgebracht werden, wie z . B . durch Löten, wie insbesondere im Reparaturf all .
Die Kanäle 18 können auch nachträglich eingebracht werden .

Claims

Patentansprüche
1. Schaufelspitze (7) einer Turbinenschaufel (2) , die Schaufelwände (14, 17) und ein Schaufelblatt eine Druckseite und eine Saugseite aufweist, wobei in einer Schaufelwand (14, 17) der Schaufelspitze
(7) Kühlkanäle (16) für Kühlluft vorhanden sind, wobei die Kühlkanäle (16) innerhalb der Schaufelwand (14, 17) verlaufen und auf der Stirnseite (20) der Schaufelwand (13, 14) münden, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Öffnung (22) des zumindest einen Kühlkanals (16) auf der Stirnseite (20) ein Kanal (18) auf der Stirnseite (20) quer zur Längsrichtung der Turbinenschaufel (2) und in Richtung hin zur Druckseite verläuft .
2. Schaufelspitze nach Anspruch 1, bei dem für jeden Kühlkanal (16) nur ein Kanal (18) vorhanden ist.
3. Schaufelspitze nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem einige, insbesondere alle, Kühlkanäle (18) parallel zueinander verlaufen.
4. Schaufelspitze nach einem oder mehreren der Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Kühlkanäle (18) verschieden lang ausgebildet sind.
5. Schaufelspitze nach einem oder mehreren der Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der Kanal (18) über seine Länge eine konstante Breite aufweist.
6. Turbinenschaufel aufweisend eine Schaufelspitze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
7. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (2) mit einer Schaufelspitze (7) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Turbinenschaufel (2) mit der Schaufelspitze
(7) und Wänden (14, 17) und Kanälen (18) gegossen wird, oder bei der Neuherstellung oder während eines Reparaturverfahrens durch ein anderes Herstellungsverfahren als Gießen, insbesondere durch ein additives Verfahren wie Auftragsschweißen oder dreidimensionales Drucken, die Schaufelspitze (7) auf dem Kronenboden (15) einer herzustellenden oder zu reparierenden Turbinenschaufel (2) aufgebracht wird.
EP23820875.5A 2023-01-20 2023-12-07 Schaufelspitze einer turbinenschaufel, turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel mit einer schaufelspitze Pending EP4612397A1 (de)

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DE102023200420.8A DE102023200420A1 (de) 2023-01-20 2023-01-20 Verbesserte Schaufelspitze, Turbinenschaufel und Verfahren
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EP4612397A1 true EP4612397A1 (de) 2025-09-10

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