WO1998031922A1 - Turbinenschaufel für eine strömungskraftmaschine, insbesondere eine gasturbine - Google Patents

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WO1998031922A1
WO1998031922A1 PCT/DE1998/000061 DE9800061W WO9831922A1 WO 1998031922 A1 WO1998031922 A1 WO 1998031922A1 DE 9800061 W DE9800061 W DE 9800061W WO 9831922 A1 WO9831922 A1 WO 9831922A1
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WO
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spar
turbine blade
jacket
webs
plate
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Application number
PCT/DE1998/000061
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English (en)
French (fr)
Inventor
Haralabos Liberopoulos
Mirko Milazar
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication of WO1998031922A1 publication Critical patent/WO1998031922A1/de

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades

Definitions

  • Turbine blade for a fluid-flow engine in particular a gas turbine
  • the invention relates to a turbine blade for a turbo engine, in particular for a gas turbine.
  • the blades draw mechanical energy from the medium flowing through (e.g. gas) to drive a work machine, e.g. a generator, while the guide vanes accelerate the flow of the action fluid under pressure and lowering the temperature, deflect it and feed it to a subsequent rotor blade.
  • a work machine e.g. a generator
  • the guide vanes accelerate the flow of the action fluid under pressure and lowering the temperature, deflect it and feed it to a subsequent rotor blade.
  • the guide vanes are fastened to the outer wall of a turbine duct through which the action fluid flows.
  • a bladed rotor is known, the hub of which is designed with a plurality of spars, to each of which a jacket is closely applied.
  • the spar and mantle of the guide vanes both have a wing-like shape, wherein the outside of the spar still has a wave structure.
  • the spar and sheath must be prefabricated so precisely (eg cast) that they adapt optimally to one another during assembly. In order to ensure a secure hold of the sheath on the spar under stress, the sheath must be welded to the spar. This fastening method according to the prior art is not without problems in that a damaged jacket can only be replaced with great effort.
  • a bladed rotor is known, the blades of which each comprise a metal core connected to a hub, around which a resilient component made of corrugated sheet metal and therefore a profiled ceramic component is arranged.
  • the function of the corrugated sheet is to dampen the aerodynamic stress on the profiled ceramic component, absorb different thermal expansions of the metal core and profiled ceramic component and to form flow channels for the cooling medium.
  • a metal cap which closes the outer end of the blade, must absorb the forces of the profiled ceramic components during operation, as a result of which the profiled ceramic component is essentially only subjected to pressure.
  • the profile ceramic component is resistant to high temperatures and thermally insulating, but is very brittle.
  • JP 6-146 895 (A) describes a ceramic guide vane for a gas turbine.
  • the guide vane has a thin-walled hollow cylindrical insert which is inserted into a cavity of the ceramic guide vane in such a way that an intermediate space is formed between the thin-walled insert and the comparatively thick wall of the ceramic guide vane.
  • JP 081 65 902 A also describes a ceramic guide vane for a gas turbine.
  • the airfoil area formed from the ceramic is designed with a thick wall structure and a cavity.
  • a metallic core is arranged in which a meandering cooling channel is provided.
  • a thermal insulation material is arranged between the ceramic sheet area and the metallic core.
  • JP 070 11 905 A specifies a hybrid ceramic guide vane for a gas turbine.
  • This guide vane has a hollow aerofoil area made purely of ceramic.
  • a metallic core is arranged within this ceramic airfoil area.
  • the ceramic airfoil area is spaced from the metal core within the metallic base plate used for the fastening by a spacer in a plane perpendicular to the main axis of the airfoil.
  • This spacer and the base plate have a gradient material which changes from a purely ceramic composition to a purely metallic composition from the ceramic to the metal.
  • the cross section of the metallic core is the same as that of the airfoil area.
  • the invention has for its object to provide a blade for a turbomachine, which is inexpensive to manufacture, ensures easy assembly and disassembly of a damaged spar and / or jacket.
  • a turbine blade for a turbo engine in particular a gas turbine, with a load-bearing, metallic and hollow spar, on the spar outside of which a web structure comprising a plurality of webs with associated web ends is arranged.
  • the spar is surrounded by a thin metallic jacket which has two metal ends lying opposite one another, the web ends being connected in a supporting manner to the inside of the jacket.
  • the spar has a flat, oval or elliptical cross section. He has two opposite
  • Rail ends of which one end of the rail adjoins a head plate and the other end of the rail adjoins a foot plate, the Base plate and the top plate each have a circumferential groove, in each of which grooves a jacket end is arranged under tension directed against the jacket and is clamped.
  • the turbine blade is preferably a guide vane, in particular for a gas turbine.
  • the jacket preferably has a wing-like shape.
  • the invention is based on the idea of designing a guide vane in such a way that the spar has a flat, oval or elliptical cross section and a circumferential groove is arranged around the spar ends in the head and foot plates in order to receive the jacket ends.
  • the jacket is clamped between the respective grooves, since the distance between the grooves is dimensioned such that the jacket guided therein is under a certain compressive stress. If the jacket is damaged, it can be easily removed after removing the top plate. After positioning the new jacket around the spar and inserting one jacket end into the
  • the head plate which is provided on the cold gas-side spar end, is penetrated by a connecting pin of the spar end. On the outside, the head plate is fastened to the connecting pin with a holding element.
  • the head plate can, for example, be screwed to the connecting pin.
  • corresponding known securing means can be provided. In the event of damage, a screw connection is easy to loosen, so that the head plate can be dismantled quickly and the damaged jacket or the entire spar can be easily replaced.
  • the clamp fit of the jacket can also be optimally adapted by means of a suitable adjustable holding element.
  • the connecting pin is preferably formed in one piece with the spar, as a result of which a stable construction, ie connection of the spar and head plate, is ensured. Furthermore, this one-piece design leads to a reduction in production costs, since the connecting pin and the spar are cast together in one part.
  • the spar stem that is to say the spar without webs, preferably has a symmetrical basic cross section.
  • the occurrence of casting defects in asymmetrical castings is often due to an uneven cooling of the molten metal. Due to the described beam symmetry, a casting process is associated with fewer possible casting errors.
  • the length of the webs which are formed in one piece with the spar, are preferably dimensioned such that the envelope curve of the web ends has an airfoil-like shape.
  • the bendable jacket When the bendable jacket is inserted, it adapts to the envelope curve of the web ends, so that the cross section of the jacket also has an airfoil-like profile which serves to guide the flow.
  • the webs serve to transmit the gas forces which act on the casing during operation to the load-bearing part, namely the spar.
  • the base plate is also preferably cast in one piece with the spar, which supports the stability of the entire component.
  • Base plate, spar, connecting pin and webs are preferably formed in one piece, so that the parts mentioned can be produced by a single manufacturing step. This Construction leads to a significant cost reduction in turbine blade manufacture.
  • the spar In order to establish a connection between the channel running in the spar and the spar surface, the spar is provided with through openings, in particular through bores. These through holes can be made both during the casting process and in a subsequent cold machining.
  • the turbine blade is characterized by a thin-walled jacket, which has a jacket thickness of about 1-2 mm, so that an accelerated heat transfer takes place, which lowers the surface temperature under the same thermal load by 60-90 ° C compared to a thick-walled jacket.
  • a thin jacket can easily be formed or bent from a correspondingly thin sheet.
  • the spar has a basic width, preferably a wall thickness, of about 3-4 mm, so that the load-bearing function of the spar is ensured with rapid heat dissipation at the same time.
  • the outer web ends are preferably in a coolant-tight manner on the inside of the jacket, so that the coolant flows only in that in the given channel. This prevents an uneven distribution of coolant or temperature in the turbine blade, as a result of which undesirable thermal stresses are avoided.
  • the webs between the outside of the spar and the inside of the jacket are dimensioned such that each web is shorter than the total length of the jacket.
  • the webs intertwine like fingers and thereby form a meandering channel running back and forth in the longitudinal direction of the bar.
  • the longitudinal direction of the spar preferably coincides with a blade axis, along which the turbine blade, the spar and the jacket essentially extend.
  • the cooling medium enters the area of the head or foot plate and vice versa in the area of the foot or head plate, as a result of which the head and foot plates are also adequately cooled.
  • the cooling medium can also be led out of the turbine blade through outlet openings in the jacket.
  • the jacket can be at least partially coated with ceramic in order to reduce heat transfer to the spar due to the low thermal conductivity of the ceramic. Furthermore, a ceramic is characterized by an extremely low thermal expansion, so that thermal stresses are correspondingly low.
  • FIG. 2 shows a sectional view along the line I-I from FIG.
  • guide vane 1 shows that the guide vane 1 has a spar 2 which largely absorbs the thermodynamic forces acting during operation.
  • Guide vane 1, spar 2 and a thin jacket 11 surrounding spar 2 each extend along a blade axis 24.
  • One spar end 3 is connected to head plate 5, while the other spar end 4 is connected in one piece to base plate 6.
  • the depth of the respective groove 7, 8 is dimensioned so that the jacket 11 has a secure fit.
  • the spacing of the grooves 7, 8 from one another is selected such that the jacket 11 is clamped between them.
  • the multi-part structure prevents undesirable thermal stresses during operation.
  • a connecting pin 12 extends through the head plate 5 at the bar end 3 on the cold gas side.
  • the head plate 5 is detachably connected to the connecting pin 12 by a holding element 13.
  • a holding element 13 e.g. serve a screw that is secured with a screw locking ring, for example.
  • the connecting pin 12 at the spar end 3 is formed in one piece with the spar 2, so that the head plate 5 is stable and securely connected to the remaining guide vane 1.
  • the base plate 6 and the webs 14, which support the jacket 11 from the inside in the manner of strips, are also integrally cast with the spar 2. The webs 14 are thereby able to move from the outside to the
  • the foot plate 6 By also integrally connecting the foot plate 6 to the spar 2, it is possible without additional holding elements to continue the channel 17 running in the interior of the spar 2 in the foot plate 6.
  • the spar 2 is provided with through holes 16. Characterized the channel 17 extending in the spar 2 is connected to the spar outer side 18, so that the cooling effect is increased especially in the spar cross section by the cooling medium flowing through.
  • the webs 14 are arranged such that first webs 14 connect to the top plate 5 and second webs 14 to the base plate 6.
  • Each web 14 is shorter than the total length 20 of the jacket 11 and the first and second webs 14 are arranged offset from one another in such a way that they are finger-like intermesh and thereby form a meandering channel 22 running back and forth in the longitudinal direction of the bar.
  • the cooling medium thus enters, for example, the base plate 6, flows through the channel 17, the through-bores 16 and the meandering channel 22 and exits at the top plate 5 and through an outlet opening 23 (outlet bore) provided in the jacket 11.
  • the entire spar 2 is thus cooled evenly from all sides.
  • the spar 2 shows the symmetrical basic cross section of the spar 2, on the outside 18 of which the webs 14 are connected.
  • the spar 2 has a wall thickness of about 3-4 mm, which is sufficiently dimensioned for the load-bearing function and at the same time guarantees rapid heat dissipation.
  • the webs 14 are dimensioned in their length and also in their possibly obliquely arranged position on the spar 2 such that the envelope curve 15 of the web ends 19 has an airfoil-like shape.
  • these outer web ends 19 are connected to the jacket inside 21 in a coolant-tight manner.
  • the cooling medium is thus forced to flow along within the meander channel 22 and thus to reach all relevant areas of the outer side 18 of the spar or the inner side 21 of the jacket.
  • the jacket thickness is about 1 - 2 mm, so that the heat applied from the outside can be quickly transferred inwards to the cooling medium, so that heat build-up in the jacket and the associated undesirable thermal stresses are avoided.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1) für eine Strömungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem tragenden Holm, in dessen Inneren gegebenenfalls ein Kanal (17) zur Aufnahme und Leitung eines Kühlmediums vorgesehen ist und an dessen Außenseite (18) eine eine Mehrzahl von Stegen (14) aufweisende Stegstruktur angeordnet ist, wobei die Stegenden (19) mit der Innenseite (21) eines insbesondere tragflächenartig geformten Mantels (11) abstützend in Verbindung stehen, wobei der Holm (2) einen flachen, ovalen oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweist, um die Holmenden (3, 4) herum jeweils in der Kopf- (5) und Fußplatte (6) eine umlaufende Nut (7 bzw. 8) zur Aufnahme der Mantelenden (9 bzw. 10) angeordnet ist, die in den jeweiligen Nuten (7, 8) unter gegen den Mantel (11) gerichteter Spannung klemmbefestigt sind.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel für eine Strömungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Strömungskraftmaschine, insbesondere für eine Gasturbine.
Bei einer Turbine besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Erhöhung der Eintrittstemperatur eines Aktionsfluids (z.B. eines Heißgases) und der Verbesserung des Wirkungsgrades der Turbine. Um die Oberflächentemperatur der Schaufeln in der Turbine in einem für die Schaufelwerkstoffe zulässigen Bereich zu halten, können in den Schaufeln entsprechend effektive KühlungsSysteme vorhanden sein. Nach dem Stand der Technik sind die Schaufeln in einer Gasturbine bei Temperaturen bis ca. 1450 °C einsetzbar. Eine deutliche Reduzierung des Kühlluftmassenstroms ist jedoch trotz komplexer Kühlungssysteme nur schwierig zu erreichen. Die Konsequenz ist, daß eine Eintrittstemperaturerhöhung auf ca.
1600 °C große Schwierigkeiten bereitet.
In einer Turbine befinden sich zwei verschiedene Typen von Schaufeln, nämlich die Laufschaufeln und die Leitschaufeln. Die Laufschaufeln entziehen dem durchfließenden Medium (z.B. Gas) mechanische Energie zum Antrieben einer Arbeitsmaschine, z.B. eines Generators, während die Leitschaufeln die Strömung des Aktionsfluids unter Druck und Temperaturabsenkung beschleunigen, umlenken und einer nachfolgenden Laufschaufel zuführen. Typischerweise sind die Leitschaufeln an der Außenwandung eines Turbinenkanals befestigt, durch den das Akti- onsfluid strömt.
Aus der GB 2 172 060 A ist ein beschaufelter Rotor bekannt, dessen Nabe mit einer Mehrzahl von Holmen ausgestaltet ist, an die jeweils ein Mantel eng angelegt ist. Holm und Mantel der Leitschaufeln haben beide eine tragflächenartige Gestalt, wobei die Außenseite des Holms noch eine Wellenstruktur aufweist. Holm und Mantel müssen so exakt vorgefertigt (z.B. gegossen) sein, daß sie sich beim Zusammenbau einander optimal anpassen. Um einen sicheren Halt des Mantels auf dem Holm bei Beanspruchung zu gewährleisten, muß der Mantel am Holm angeschweißt sein. Diese Befestigungsmethode nach dem Stand der Technik ist insofern nicht unproblematisch, als ein Auswechseln eines beschädigten Mantels nur mit großem Aufwand durchzuführen ist.
Aus DE 31 25 469 C2 ist ein beschaufelter Rotor bekannt, dessen Schaufeln jeweils einen mit einer Nabe verbundenen Metallkern umfassen, um den ein nachgiebiges Bauteil aus gewelltem Blech und darum ein Profilkeramikbauteil angeordnet ist. Das gewellte Blech hat die Aufgabe, die aerodynamischen Beanspruchung des Profilkeramikbauteils zu dämpfen, unterschiedliche thermische Expansionen von Metallkern und Profil- keramikbauteil aufzunehmen und Strömungskanäle für das Kühl- edium zu bilden. Eine Metallkappe, die das äußere Ende der Schaufel verschließt, muß beim Betrieb die Kräfte der Profilkeramikbauteile aufnehmen, wodurch das Profilkeramikbauteil im wesentlichen nur druckbeansprucht ist . Das Profilkeramikbauteil ist zwar hochtemperaturbeständig und thermisch isolierend, aber sehr spröde.
In der JP 6-146 895 (A) ist eine keramische Leitschaufel für eine Gasturbine beschrieben. Die Leitschaufel weist einen dünnwandigen hohlzylindrischen Einsatz auf, der in einen Hohlraum der keramischen Leitschaufel so eingesetzt ist, daß ein Zwischenraum zwischen dem dünnwandigen Einsatz und der vergleichsweise dicken Wand der keramischen Leitschaufei gebildet ist.
In der JP 081 65 902 A ist ebenfalls eine keramische Leit- schaufei einer Gasturbine beschrieben. Der aus der Keramik gebildete Schaufelblattbereich ist mit einer dicken Wandstruktur und einem Hohlraum ausgeführt. In dem Hohlraum, die keramische Schaufel durchdringend, ist ein metallischer Kern angeordnet, in dem ein mäanderförmiger Kühlkanal vorgesehen ist. Zwischen dem keramischen Blattbereich und dem metallischen Kern ist ein thermisches Isolationsmaterial angeordnet.
In der JP 070 11 905 A ist eine hybridkeramische Leitschaufel für eine Gasturbine angegeben. Diese Leitschaufel weist einen rein aus Keramik bestehenden hohlen Schaufelblattbereich aus . Innerhalb dieses keramischen Schaufelblattbereichs ist ein metallischer Kern angeordnet. Der keramische Schaufelblattbereich ist innerhalb der der Befestigung dienenden metallischen Fußplatte durch einen Abstandshalter in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse der Schaufel von dem metallischen Kern beabstandet . Dieser Abstandshalter sowie die Fußplatte weisen ein Gradientenmaterial auf, welches sich von einer rein keramischen Zusammensetzung zu einer rein metallischen Zusammensetzung von der Keramik zum Metall ändert . Der metallische Kern ist im Querschnitt wie der Schaufelblattbereich ausgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel für eine Strömungskraftmaschineanzugeben, die kostengünstig herzustellen ist, eine einfache Montage und Demontage eines beschädigten Holms und/oder Mantels gewährleistet .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel für eine Strömungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem lasttragenden, metallischen und hohlen Holm, an dessen Holmaußenseite eine Stegstruktur umfassend eine Mehrzahl von Stegen mit zugehörigen Stegenden angeordnet ist. Der Holm ist von einem dünnen metallischen Mantel umgeben, welcher zwei sich gegenüberliegende Metallenden aufweist, wobei die Stegenden mit der Mantelinnenseite abstützend in Verbindung stehen. Der Holm weist einen flachen, ovalen oder ellipsenförmi- gen Querschnitt auf. Er weist zwei sich gegenüberliegende
Holmenden auf, von denen ein Holmende an eine Kopfplatte und das andere Holmende an eine Fußplatte angrenzt, wobei die Fußplatte sowie die Kopfplatte jeweils eine umlaufende Nut aufweisen, in welche Nuten jeweils ein Mantelende unter gegen den Mantel gerichteter Spannung angeordnet und klemmbefestigt ist.
Die Turbinenschaufel ist vorzugsweise eine Leitschaufei, insbesondere für eine Gasturbine. Der Mantel weist vorzugsweise eine tragflächenähnliche Form auf .
Die Erfindung geht von der Idee aus, eine Leitschaufei so zu gestalten, daß der Holm einen flachen, ovalen oder ellipsen- förmigen Querschnitt aufweist und um die Holmenden herum jeweils in der Kopf- und Fußplatte eine umlaufende Nut zur Aufnahme der Mantelenden angeordnet ist. Der Mantel ist zwischen den jeweiligen Nuten klemmbefestigt, da der Abstand der Nuten so dimensioniert ist, daß der darin geführte Mantel unter einer bestimmten Druckspannung steht . Bei einer Beschädigung des Mantels kann dieser nach Entfernung der Kopfplatte einfach beseitigt werden. Nach der Positionierung des neuen Man- tels um dem Holm und Einführung des einen Mantelendes in die
Fußplatte ist nur noch die Kopfplatte zu montieren, wobei das andere Mantelende in die in der Kopfplatte umlaufende Nut einzuführen ist. Ferner treten bei einer mehrteiligen Struktur, wie z.B. bei dieser Holm-Mantel-Konstruktion, wesentlich geringere Wärmespannungen auf als bei einteiligen Stücken.
Hierdurch ist ein reduzierter Massenstromverbrauch sichergestellt und eine Eintrittstemperatur des durchfließenden Aktionsfluids von ca. 1600 °C erreichbar.
Die Kopfplatte, die am kaltgasseitigen Holmende vorgesehen ist, wird von einem Verbindungszapfen des Holmendes durchsetzt. Außenseitig wird die Kopfplatte an den Verbindungszapfen mit einem Halteelement befestigt. Die Kopfplatte kann beispielsweise mit dem Verbindungszapfen verschraubt sein. Um zu verhindern, daß sich die Verschraubung löst, können entsprechende bekannte Sicherungsmittel vorgesehen werden. Im Schadensfall ist eine Schraubverbindung einfach zu lösen, so daß die Kopfplatte schnell demontiert und der beschädigte Mantel oder der gesamte Holm einfach ausgewechselt werden können. Durch ein geeignetes verstellbares Halteelement kann auch der Klemmsitz des Mantels optimal angepaßt werden. Der Verbindungszapfen ist vorzugsweise einstückig mit dem Holm ausgebildet, wodurch eine stabile Konstruktion, d.h. Verbindung von Holm und Kopfplatte, gewährleistet ist. Ferner führt diese einstückige Ausbildung zu einer Reduzierung der Herstellungskosten, da Verbindungszapfen und Holm zusammen in einem Teil gegossen werden.
Ferner weist der Holmstamm, also der Holm ohne Stege betrachtet, bevorzugt einen symmetrischen Grundquerschnitt auf. Das Auftreten von Gußfehlern in asymmetrischen Gußteilen ist oft auf eine ungleichmäßige Abkühlung der Metallschmelze zurückzuführen. Aufgrund der beschriebenen Holmsymmetrie ist ein Gießvorgang mit weniger möglichen Gußfehlern verbunden.
Die Länge der Stege, die einstückig mit dem Holm ausgebildet sind, sind vorzugsweise derart bemessen, daß die Hüllkurve der Stegenden eine tragflächenartige Form aufweist. Beim Einsetzen des biegefähigen Mantels paßt sich dieser der Hüllkurve der Stegenden an, so daß auch der Querschnitt des Mantels ein tragflächenartiges Profil aufweist, das der Strö- mungsführung dient.
Ferner dienen die Stege der Kraftübertragung der Gaskräfte, die beim Betrieb auf den Mantel einwirken, auf das tragende Teil, nämlich den Holm. Indem die Stege einstückig mit dem Holm ausgebildet sind, ist eine gute Kraftübertragung vom
Mantel auf den Holm gewährleistet. Auch die Fußplatte ist vorzugsweise einstückig mit dem Holm vergossen, wodurch die Stabilität des gesamten Bauteils unterstützt wird.
Fußplatte, Holm, Verbindungszapfen und Stege sind vorzugsweise einstückig ausgebildet, so daß die genannten Teile durch eine einzigen Fertigungsschritt herstellbar sind. Diese Konstruktion führt zu einer erheblichen Kostenreduzierung bei der Turbinenschaufelherstellung.
Um eine Verbindung zwischen dem im Holm verlaufenden Kanal mit der Holmoberfläche herzustellen, ist der Holm mit Durchgangsöffnungen, insbesondere Durchgangsbohrungen, versehen. Diese Durchgangsbohrungen können sowohl während des Gießprozesses als auch in einer anschließenden Kaltbearbeitung eingebracht werden.
Weiterhin ist die Turbinenschaufel durch einen dünnwandigen Mantel gekennzeichnet, der eine Mantelstärke von etwa 1 - 2 mm aufweist, so daß ein beschleunigter Wärmeabtransport stattfindet, der die Oberflächentemperatur unter gleicher thermischer Belastung um 60 - 90 °C gegenüber einem dickwandigen Mantel absenkt . Ein derart dünner Mantel kann einfach aus einem entsprechend dünnen Blech geformt bzw. gebogen werden. Der Holm weist eine Grundbreite, vorzugsweise eine Wanddicke, von etwa 3 - 4 mm auf, so daß die tragende Funktion des Holms bei ebenfalls gleichzeitig raschem Wärmeabtransport gesichert ist.
Die äußeren Stegenden liegen bevorzugt kühlmediumdicht an der Mantelinnenseite an, so daß das Kühlmedium nur in dem im vor- gegebenen Kanal entlang fließt. Dies verhindert eine ungleichmäßige Kühlmittel- bzw. Temperaturverteilung in der Turbinenschaufel, wodurch unerwünschte Wärmespannungen vermieden werden.
Die Stege zwischen der Holmaußenseite und der Mantelinnenseite sind derart bemessen, daß jeder Steg kürzer als die Gesamtlänge des Mantels ist. Die Stege greifen fingerartig ineinander und bilden dadurch einen in Holmlängsrichtung hin und her laufenden Mäanderkanal. Die Holmlängsrichtung fällt vorzugsweise mit einer Schaufelachse zusammen, entlang derer sich die Turbinenschaufel, der Holm und der Mantel im wesentlichen erstrecken. Durch dieses Kühlleitsystem werden alle unter thermischer Belastung stehenden Bereiche mit dem Kühl- medium gleichmäßig versorgt. Dabei schließen erste Stege an die Kopfplatte an und zweite Stege an die Fußplatte, so daß eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums im gesamten Holmbereich gesichert ist. Die Stege stehen also sowohl mit dem Holm als auch mit der Kopf- und Fußplatte in Verbindung und sind so stabil gegen mechanische äußere Einflüsse. Das Kühlmedium tritt in den Bereich der Kopf- bzw. der Fußplatte ein und umgekehrt im Bereich der Fuß- bzw. Kopfplatte aus, wodurch auch Kopf- und Fußplatte ausreichend gekühlt werden. Das Kühlmedium kann auch durch Austrittsöffnungen in dem Mantel aus der Turbinenschaufel herausgeführt werden.
Der Mantel kann zumindest teilweise keramisch beschichtet sein, um eine Wärmeübertragung auf den Holm durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der Keramik zu reduzieren. Ferner zeichnet sich eine Keramik durch eine extrem geringe Wärmeausdehnung aus, so daß WärmeSpannungen entsprechend gering ausfallen.
Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbei- spiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
FIG 1 einen Querschnitt durch die Leitschaufel;
FIG 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie I-I aus FIG 1.
FIG 1 zeigt, daß die Leitschaufel 1 einen die während eines Betriebs wirkenden thermodynamisehen Kräfte zum Großteil aufnehmenden Holm 2 aufweist. Leitschaufel 1, Holm 2 sowie ein den Holm 2 umgebender dünner Mantel 11 erstrecken sich jeweils entlang einer Schaufelachse 24. Ein Holmende 3 steht mit der Kopfplatte 5 in Verbindung, während das andere Holm- ende 4 mit der Fußplatte 6 einstückig verbunden ist. Um die Holmenden 3, 4 herum ist jeweils in der Kopf- 5 und der Fußplatte 6 eine umlaufende Nut 7 bzw. 8 zur Aufnahme der Man- telenden 9 bzw. 10 angeordnet. Dabei ist die Tiefe der jeweiligen Nut 7, 8 so dimensioniert, daß der Mantel 11 einen sicheren Sitz hat. Außerdem ist der Abstand der Nuten 7, 8 voneinander so gewählt, daß der Mantel 11 dazwischen klemmbefe- stigt ist . Der mehrteilige Aufbau verhindert unerwünschte Wärmespannungen im Betrieb .
Durch die Kopfplatte 5 am kaltgasseitigen Holmende 3 verläuft ein Verbindungszapfen 12 am Holmende 3. Dabei ist die Kopf- platte 5 lösbar mit dem Verbindungszapfen 12 durch ein Halteelement 13 verbunden. Als Halteelement 13 kann z.B. eine Schraube dienen, die beispielsweise mit einem Schraubensicherungsring gesichert wird.
Der Verbindungszapfen 12 am Holmende 3 ist mit dem Holm 2 einstückig ausgebildet, so daß die Kopfplatte 5 mit der restlichen Leitschaufel 1 stabil und sicher verbunden ist. Auch die Fußplatte 6 und die Stege 14, die den Mantel 11 von innen leistenartig stützen, sind einstückig mit dem Holm 2 vergos- sen. Die Stege 14 sind dadurch fähig, die von außen auf den
Mantel 11 aufgebrachten, durch Heißgas erzeugten Kräfte direkt auf den Holm 2 zu übertragen. Indem auch die Fußplatte 6 einstückig mit dem Holm 2 verbunden ist, ist es ohne zusätzliche Haltelemente möglich, den im Inneren des Holms 2 ver- laufenden Kanal 17 in der Fußplatte 6 fortzusetzen.
Weiterhin ist der Holm 2 mit Durchgangsbohrungen 16 versehen. Dadurch ist der im Holm 2 verlaufende Kanal 17 mit der Holmaußenseite 18 verbunden, so daß durch das hindurchfließende Kühlmedium die Kühlwirkung vor allem auch im Holmquerschnitt erhöht wird.
Die Stege 14 sind derart angeordnet, daß erste Stege 14 an die Kopfplatte 5 und zweite Stege 14 an die Fußplatte 6 an- schließen. Jeder Steg 14 ist kürzer als die Gesamtlänge 20 des Mantels 11 und die ersten und zweiten Stege 14 sind derart versetzt zueinander angeordnet, daß sie fingerartig in- einandergreifen und dadurch einen in Holmlängsrichtung hin und her laufenden Mäanderkanal 22 bilden. Das Kühlmedium tritt so beispielsweise in der Fußplatte 6 ein, strömt durch den Kanal 17, die Durchgangsbohrungen 16 und den Mäanderkanal 22 und tritt an der Kopfplatte 5 und durch eine im Mantel 11 vorgesehene Austrittsöffnung 23 (Austrittsbohrung) wieder aus. Der gesamte Holm 2 wird also gleichmäßig von allen Seiten gekühlt .
FIG 2 zeigt den symmetrischen Grundquerschnitt des Holm 2, an dessen Außenseite 18 sich die Stege 14 anschließen. Der Holm 2 weist eine Wanddicke von etwa 3 - 4 mm auf, die für die tragende Funktion ausreichend dimensioniert ist und gleichzeitig einen raschen Wärmeabtransport garantiert.
Die Stege 14 sind in ihrer Länge und auch in ihrer eventuell schräg angeordneten Position auf dem Holm 2 derart bemessen, daß die Hüllkurve 15 der Stegenden 19 eine tragflächenartige Form aufweist. Dadurch sind diese äußeren Stegenden 19 mit der Mantelinnenseite 21 kühlmediumdicht verbunden. So ist das Kühlmedium gezwungen, auch innerhalb des Mäanderkanals 22 entlang zu fließen und damit alle relevanten Bereiche der Holmaußenseite 18 bzw. der Mantelinnenseite 21 zu erreichen.
Die Mantelstärke beträgt etwa 1 - 2 mm, so daß die von außen aufgebrachte Wärme schnell nach innen auf das Kühlmedium weitergeleitet werden kann, so daß ein Hitzestau im Mantel und die damit verbundenen unerwünschten WärmeSpannungen vermieden werden .

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (1) für eine Strömungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem lasttragenden, me- tallischen, hohlen Holm (2)
- an dessen Holmaußenseite (18) eine Stegstruktur umfassend eine Mehrzahl von Stegen (14) mit zugehörigen Stegenden (19) angeordnet ist,
- der von einem dünnen metallischen Mantel (11) umgeben ist, welcher zwei sich gegenüberliegende Mantelenden (9,10) aufweist, wobei die Stegenden (19) mit der Mantelinnenseite (21) abstützend in Verbindung stehen,
- der einen flachen, ovalen oder ellipsenförmigen Querschnitt aufweist, - der zwei sich gegenüberliegende Holmenden (3, 4) aufweist, von denen ein Holmende (3) an eine Kopfplatte (5) und das andere Holmende (4) an eine Fußplatte (6) angrenzt, wobei die Fußplatte (6) sowie die Kopfplatte (5) jeweils eine umlaufende Nut (7,8) aufweisen, in welche Nuten (7,8) jeweils ein Mantelende (9,10) unter gegen den Mantel (11) gerichteter Spannung angeordnet und klemmbefestigt ist.
2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1, wobei die Kopfplatte (5) am kaltgasseitigen Holmende (3) angeordnet, von einem Verbindungszapfen (12) des Holmendes (3) durchsetzt und außenseitig von einem mit dem Verbindungszapfen (12) zusammenwirkenden Halteelement (13) beaufschlagt ist.
3. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 2, wobei der Verbin- dungszapfen (12) einstückig mit dem Holm (2) ausgebildet ist.
4. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Holm (2) einen symmetrischen Grundquerschnitt (ohne Stege betrachtet) aufweist.
5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von dem Holm (2) abstehenden Stege (14) eine Länge aufweisen, die derart bemessen ist, daß die Hüllkurve (15) der Stegenden (19) eine tragflächenartige Form hat.
6. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (14) einstückig mit dem Holm (2) ausgebildet sind.
7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fußplatte (6) einstückig mit dem Holm (2) vergossen ist.
8. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei der Holm (2) mit Durchgangsbohrungen (16) versehen ist, die einen im Holm (2) verlaufenden, zur Aufnahme und Leitung eines Kühlmediums dienenden Kanals (17) mit der Holmaußenseite (18) verbinden.
9. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mantel (11) einen Mantelstärke von etwa 1 mm bis 2 mm aufweist.
10. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, der Holm (2) eine Wanddicke von etwa 3 mm bis 4 mm aufweist .
11. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stegenden (19) den Mantel (11) leistenar- tig stützen.
12. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Steg (14) kürzer als die Gesamtlänge (20) des Mantels (11) ist.
13. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 12, wobei die äußeren Stegenden (19) an die Mantelinnenseite (21) kühlmediumdicht anliegen.
14. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei die Stege (14) zwischen der Holmaußenseite (18) und der Mantelinnenseite (21) fingerartig ineinandergreifen und dadurch einen in Holmlängsrichtung hin und her laufenden Mäanderkanal (22) bilden.
15. Turbinenschaufel (1) nach dem Anspruch 13, wobei erste
Stege (14) an die Kopfplatte (5) und zweite Stege (14) an die Fußplatte (6) anschließen.
16. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, wobei Kühlmedium im Bereich der Fußplatte (6) oder der Kopfplatte (5) eintritt und im Bereich der Fußplatte (6) , der Kopfplatte (5) und/oder durch eine in dem Mantel (11) vorhandenen Austrittsöffnung (23) austritt.
17. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mantel (11) zumindest teilweise mit einer keramischen Beschichtung versehen ist.
18. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, die als eine Leitschaufel (1) ausgebildet ist.
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