WO2001036790A1

WO2001036790A1 - Turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel

Info

Publication number: WO2001036790A1
Application number: PCT/EP2000/010678
Authority: WO
Inventors: Dirk Anding; Michael Scheurlen; Peter Tiemann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2001-05-25
Also published as: DE50009560D1; EP1228293A1; JP4474085B2; US6631561B1; JP2003515024A; CN1312381C; EP1228293B1; CN1409800A; EP1099825A1

Abstract

Um eine Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel, mit einem Kopf-, einem Fuß (2)- und einem Schaufelblattbereich (3) und mit einem inneren Kanalsystem (5) aus einzelnen Kanälen (12), durch die Kühlgas auf einem Strömungsweg (6) innerhalb der Turbinenschaufel (1) hindurchführbar ist, mit einer den Durchfluß des Kühlgases beeinflussenden Drosselvorrichtung (11) ohne Beeinträchtigung der Strömung des Kühlgases im Eintrittsbereich auszubilden, wird vorgeschlagen, daß die Drosselvorrichtung (11) im hinteren Bereich des Strömungswegs (6) den Austrittsöffnungen (8) vorgeordnet ist.

Description

Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Turbi- nenschaufel

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, mit einem Kopf-, einem Fuß- und einem Schaufelblattbereich und mit einem inneren Kanalsystem aus einzelnen Kanälen, durch die Kühlgas auf einem Strömungsweg innerhalb der Turbinenschaufel hindurchführbar ist und mit einer den Durchfluß des Kühlgases beeinflussenden Drosselvor- richtung, wobei in den Kanälen Kühlgas vom Fußbereich durch den Schaufelblattbereich zum Kopfbereich geführt und in umgekehrte Richtung umgeleitet wird, sowie mit Austrittsöffnungen für die Ausleitung des Kühlgases aus der Turbinenschaufel, die auf der Abströmseite der Turbinenschaufel angeordnet sind, und die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10.

Um einen hohen Wirkungsgrad beim Betrieb einer Turbine mit einem Aktionsfluid, insbesondere einer mit einem Gas betriebenen Gasturbine, zu erzielen, wird das Aktionsfluid auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Bei einer Gasturbine mit einer Brennkammer zur Erzeugung des heißen Gases werden die der Brennkammer nächstgelegenen Leit- und Laufschaufeln von einem Kühlgas durchströmt, damit sie den dort herrschenden hohen Temperaturen widerstehen, die teilweise oberhalb von kritischen Werten des für die Herstellung der Turbinenschaufel verwendeten Werkstoffs liegen. Durch das Kühlgas wird die Temperatur auf und innerhalb der Turbinenschaufel abgesenkt, so daß die mechanische Stabilität und damit die Funktionstüchtigkeit der Turbinenschaufel bei diesen Bedingungen gewährleistet ist.

Eine von einem Aktionsfluid umströmte Außenwand der Turbinen- schaufei umschließt bei dieser Art der Kühlung ein mäanderartiges Kanalsystem, welches das Kühlgas wiederholt von einem Fußbereich hin zu einem Kopfbereich der Turbinenschaufel und wiederum zurück zum Fußbereich leitet. Der Bereich der Kühlgaseinleitung wird als Eintrittskantenbereich, und der Bereich der Kühlgasausleitung als Austrittskantenbereich bezeichnet. Im Austrittskantenbereich sind mehrere Austrittsöffnungen angebracht, die das Kanalsystem der Turbinenschaufel mit einem von dem Aktionsfluid durchströmten Außenraum verbinden. Bei Betrieb der Turbine tritt aus den Öffnungen Kühlgas aus dem Kanalsystem der Turbinenschaufel bis auf die Oberfläche der Außenwand aus .

Um Kühlgas einzusparen, und dadurch die Leistung der Gasturbine zu erhöhen, soll nur so viel Kühlgas für die Schaufeln verwendet werden, wie unbedingt notwendig ist, um eine Überhitzung zu vermeiden. Da in die Auslegung einer Schaufel viele Annahmen hinsichtlich verschiedener Wärmeübergänge einfließen, die zur Vermeidung von Schädigungen der Schaufeln konservativ ausgelegt werden und auch die tatsächliche geometrische Konfiguration der Turbinenschaufeln erst nach Beendigung des Gusses festgestellt werden kann, wird der Durchfluß des Kühlgases durch die Schaufeln nachträglich, nach dem Guß eingestellt. Üblicherweise geschieht dies dadurch, daß im Bereich der Eintrittskante der Kühlluft in die Turbinenschaufel Eintrittskantenbohrungen oder Lochblenden vorgesehen sind, die den Eintritt des Kühlgases in die Schaufel drosseln. Nachteilig dabei ist jedoch, daß diese Drosselvorrichtungen einen erheblichen Verlustbeiwert aufweisen, und zudem zu Strömungsablösungen im Bereich des Eintritts des Kühlgases führen können, so daß eine ausreichende Kühlung in diesem Bereich der Turbinenschaufel nicht gewährleistet werden kann. Zudem beeinträchtigt diese Konfiguration auch den Eintrittskantenbereich, in dem die Druckdifferenz zwischen erster Kühlkammer und außenliegendem Heißgas abnimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine die eingangs genannten Merkmale aufweisende Turbinenschaufel mit einer Drosselvorrichtung zur Einstellung des Durchflusses des Kühlgases ohne Einfluß auf die Strömung des Kühlgases an der Eintrittskante auszubilden sowie - als Unteraufgabe - ein konstruktiv einfaches und zudem individuell anpaßbares Verfahren zur Herstellung einer derartigen Turbinenschaufel anzugeben .

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Drosselvorrichtung im hinteren Bereich des Strömungswegs den Austrittsöffnungen vorgeordnet ist.

Durch eine derartige Anordnung der Drosselvorrichtung läßt sich der Durchfluß des Kühlgases ohne nachteilige Einflüsse auf die Srömung des Kühlgases drosseln. Die Strömung an der Eintrittskante erfolgt weitgehend ungestört. Die Drosselung erfolgt erst in einem hinteren Bereich des Strömungswegs . Der Kühlgasstrom hat den größten Teil seines Wegs hinter sich gelassen und die Aufgaben der Wärmeabfuhr, die an eine ausreichende Fließgeschwindigkeit gekoppelt sind, bereits erfüllt. Die Druckdifferenz zwischen erster Kühlkammer und umgebenden heißem Aktionsfluid bleibt erhalten, so daß kein Heißgasein- tritt in die Schaufel erfolgen kann, was zu starken Schädigungen führen würde. Es ist somit eine zuverlässige Kühlung der Turbinenschaufel gewährleistet. Zugleich ist der Verbrauch an Kühlgas minimiert . Es muß nur soviel Kühlgas für die Turbinenschaufel verwendet werden, wie unbedingt notwen- dig ist, um eine Überhitzung zu verhindern. Auf diese Weise erhält man eine optimale Kühlung der Turbinenschaufel und zugleich einen guten Wirkungsgrad der Turbine.

Eine strömungsgünstige Regelung des Kühlgasflusses ist mög- lieh, wenn die Drosselvorrichtung an einer Umkehrstelle eines

Kanals angebracht ist. Hier läßt sich der Querschnitt des Kanals und somit der Durchfluß des Kühlgases einfach in vorbestimmtem Maße einstellen. Eventuelle Maßdifferenzen die durch die Herstellung der Gasturbine entstehen, lassen sich mit der Drosselvorrichtung unschädlich machen. Somit kann auch an verschiedenen Modellen von Turbinenschaufeln dieselbe Drosselvorrichtungsart eingesetzt werden. Dies senkt die Anzahl κ_ tsJ t_π O (_n o LΠ O (_π

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an die Strömungsanforderungen des Austrittskantenbereichs. Durch ein Verstemmen der Schraube wird die Schraube in der gewünschten Stellung arretiert.

Ein unverstellbarer Halt ist dadurch gewährleistet, daß der Stopfen eingeschweißt ist. Der Stopfen kann hierdurch mit einfachen Maßnahmen genau in der gewünschten Position in der Öffnung in der Turbinenschaufel, in der er eingesetzt ist, befestigt und gehalten werden, ohne beispielsweise umgebendes Material zu deformieren. Bei der Öffnunge kann es sich um eine gußhersteilungsbedingte Durchführungsöffnung, aber auch um eine nach dem Guß in die Turbinenschaufel bsw. durch Bohren eingebrachte Öffnung handeln. Dabei kann die Stelle der Drosselvorrichtung den modeil- und gußabhängigen Bedürfnissen besser angepaßt werden.

Die auf die Herstellung einer Turbinenschaufel gerichtete Unteraufgabe wird dadurch gelöst, daß nach dem Gußvorgang eine den Durchfluß des Kühlgases beeinflussende Drosselvorrichtung im hinteren Bereich des Strömungswegs, den Austrittsöffnungen vorgeordnet, eingebracht wird und unter Messung des Durchflusses des Kühlgases so in einer herstellungsbedingten Durchführungsöffnung eingerichtet wird, daß ein vorbestimmter Wert eines Durchflußparameters des Kühlgases erreicht wird und anschließend die Drosselvorrichtung in der Drosselstellung unlösbar befestigt wird.

Durch diese Vorgehensweise muß beim Gußvorgang selbst eine bestimmte Kühlgasdrosselung noch nicht berücksichtigt werden. Dies erleichtert den Gußvorgang, vereinfacht die Gußformen und verringert den Ausschuß. Eine durch den Guß bedingte Öffnung, beispielsweise entstanden durch eine den Kern in seiner Position haltende Verbindung des Gußkerns mit dem Gußaußenmantel, kann auf diese Weise ausgenutzt werden. Zugleich verschließt die Drosselvorrichtung die Durchführungsöffnung. Hierdurch wird ein sonst notwendiger Arbeitsschritt eingespart. Durch die nachträgliche Messung des Durchflusses des Kühlgases kann der Kühlgasfluß individuell und mit einfachen Maßnahmen auf den Kühlgasbedarf einer Turbinenschaufel abgestimmt werden. Die Einstellung ist dabei erleichtert, weil die Drosselwirkug von außen einfach beeinflußt werden kann. Die anschließende Befestigung der Drosselvorrichtung in der Durchführungsöffnung kann ebenfalls von außen geschehen. Die Befestigung kann dabei durch die Messung des Kühlgasflusses direkt kontrolliert und notfalls wiederholt werden, ohne die Turbinenschaufel zu beschädigen.

Das Verfahren zur Herstellung ist für verschiedene Schaufeltypen sehr ähnlich, wenn der Gußkern beim Gußvorgang mittels einer Führungshaiterung im Fußbereich der Turbinenschaufel in seiner Position relativ zum Gußaußenmantel gehalten wird, und daß in die durch die Halterung bedingte Durchführungsöffnung eine Drosselvorrichtung eingesetzt wird. Die erleichtert den Herstellungsvorgang, verringert die Umbauzeit und die Anzahl der einzusetzenden Teile bei Herstellung von verschiedenen Turbinenschaufeltypen .

Ein besonders einfaches und gut reproduzierbares Herstellungsverfahren mit geringen Materialkosten ist dadurch gegeben, daß die Messung des Kühlgasflusses jeweils nach dem Einsetzen von Stopfen mit verschiedenen Drosselvorsprüngen er- folgt, und daß derjenige Stopfen eingeschweißt wird, der einen vorbestimmten Durchfluß des Kühlgases bewirkt. Durch die Auswahl eines Stopfens ist auch der Drosselvorsprung vorherbestimmt. Somit kann der Stopfen durch eine Modellmessung für Turbinenschaufeln derselben Serie annähernd derselbe sein. Dies senkt die Herstellungskosten, weil Arbeitsschritte vereinfacht werden oder wegfallen.

Eine individuelle Einstellung der Kühlluftströmung ist dadurch möglich, daß ein Stopfen mit einer Drosselschraube, die einen in den Strömungsweg hineinragenden Drosselvorsprung aufweist, in die gußherstellungsbedingte Durchführungsöffnung eingesetzt wird und daß die Messung des Durchflusses unter Verstellung der Schraube erfolgt, die anschließend in der gewünschten Drosselstellung verstemmt wird. Die Schraubstellung kann stufenlos während der laufenden Messung verändert werden. Dies erlaubt eine sehr genaue und den Kühlanforderungen angepaßte Einstellung. Das Verstemmen der Schraube sorgt für eine sichere Befestigung, ohne das Material der Turbinenschaufel zu schädigen. Für eine Serie von Turbinenschaufeln, die annähernd dieselben Kühlanforderungen und denselben Innenaufbau der Kühlkanäle haben, kann eine vorher bei einer exemplarischen Kühlströmungsmessung bestimmte Einstellung der Schraube markiert und eingestellt werden. Der Stopfen mit der eingestellten Schraube wird dann direkt in die Turbinenschaufel eingesetzt und die Schraube verstemmt.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l: einen Längsschnitt durch einen Fußbereich einer Turbinenschaufel mit Drosselvorrichtung, Fig.2: einen Längsschnitt durch einen Fußbereich mit einem Stopfen,

Fig.3: eine perspektivische Aufsicht auf einen Fußbereich einer Turbinenschaufel mit Stopfen, Fig.4: einen Längsschnitt durch einen Fußbereich mit einem Stopfen und einer Drosselschraube,

Fig.5: einen Längsschnitt durch einen Fußbereich einer Turbi- nenschaufel, und

Fig.6: eine Gußform mit einem Gußkern.

Fig.l zeigt einen Längsschnitt durch einen Fußbereich 2 und einen Teil eines Kanalsystems 5 einer gasgekühlten Turbinenschaufel 1. Das Kanalsystem 5 befindet sich im wesentlichen im Schaufelblattbereich 3 der Turbinenschaufel 1. Es weist eine Eintrittsöffnung 22 am Fußbereich 2, am Beginn des Strö- mungswegs 6 des Kühlgases auf, durch die Kühlgas in das Kanalsystem 5 hineingeführt wird, sowie Austrittsöffnungen 8 im Abströmbereich 21 der Turbinenschaufel 1, durch die das Kühl- gas am Ende seines Strömungswegs 6 das Kanalsystem 5 verläßt. Das Kühlgas wird auf seinem Strömungsweg 6 mäanderförmig in den Kanälen 12, die durch Zwischenwände 21 voneinander getrennt sind, mehrfach vom Fußbereich 2 zum nicht dargestell- ten Kopfbereich und wiederum zum Fußbereich 2 geleitet . Die Kanäle 12 sind untereinander durch Umkehrstellen 13, die an den Fußbereich 2 oder den Kopfbereich angrenzen, verbunden. Im hinteren Bereich des Strömungswegs 6 den Austrittsöffnungen 8 vorgeordnet, befindet sich eine den Durchfluß des Kühl- gases beeinflussende Drosselvorrichtung 11. Somit wird die

Strömung im Bereich der Eintrittsöffnung 22 nicht gestört und zugleich eine Reduzierung des Kühlgasbedarfs erreicht.

Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch den Fußbereich 2 einer Turbinenschaufel mit einem drosselnden Stopfen 20. Der Stopfen 20 wird mittels eines Absatzes 26 in einer Durchgangsöffnung 10 gehalten. Der Stopfen 20 weist einen Drosselvorsprung 17 auf, mit dem im eingesetzten Zustand der Kühlgasstrom verkleinert werden kann. Der Stopfen 20 ist an der letzten Um- kehrsteile 13 vor Austritt des Kühlgases aus dem Kanalsystem

5 in einer Öffnung in der Wand 32 des Fußbereichs 2 der Turbinenschaufel 1 angebracht. Vorteilhaft ist die Anbringung in einer gußherstellungsbedingten Öffnung, weil dadurch ein Herstellungsschritt der Turbinenschaufel 1 gespart wird und der Stopfen 20 zugleich an einer für die Drosselung günstigen Stelle, nämlich der Umkehrstelle 13 eines Kanals sitzt. An diesen Stellen befinden sich beim Guß vorzugsweise, wie in Fig.6 dargestellt, Kernhaltestücke 29, die den Gußkern 28 relativ zum umgebenden Gußmantel 31 festsetzen und sicherstel- len, daß vorbestimmte Bemaßungen eingehalten werden.

Der Strömungsweg 6 ist an der Umkehrstelle 13 mittels einer gekrümmten Leitrippe 18 in zwei Teilströmungswege aufgeteilt, einen ersten Kühlgasteilströmungsweg 23, der dem Fußbereich 2 direkt benachbart ist und einen zweiten Kühlgasteilströmungsweg 24, der durch die Leitrippe 18 abgetrennt ist. Die hindurchgeleiteten Kühlgasteilströme werden nach dem Passieren _J t P¹ o Lπ o Lπ o Lπ cn H¹ d d i P. cn ω hh 3 d d cn d >τj < Hi Ω tSJ 3 SD hh cn i Pi Hi ^ rt d hj cn i rr > . d Hf Φ Φ o rt Φ μ- hj d Φ hi μ- d d oo μ- d Φ rt Φ μ- φ μ- Φ Φ h{ d= P- Ω Φ

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Claims

Patentansprüche

1. Turbinenschaufel (1), insbesondere Gasturbinenschaufel , mit einem Kopf-, einem Fuß (2)- und einem Schaufelblattbe- reich (3) und mit einem inneren Kanalsystem (5) aus einzelnen Kanälen (12), durch die Kühlgas auf einem Strömungsweg (6) innerhalb der Turbinenschaufel (1) hindurchführbar ist und mit einer den Durchfluß des Kühlgases beeinflussenden Drosselvorrichtung (11) , wobei in den Kanä- len (12) Kühlgas vom Fußbereich (2) durch den Schaufelblattbereich (3) zum Kopfbereich geführt und in umgekehrte Richtung umgeleitet wird, sowie mit Austrittsöffnungen (8) für die Ausleitung des Kühlgases aus der Turbinenschaufel (1), die auf der Abströmseite (21) der Tur- binenschaufel (1) angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) im hinteren Bereich des Strömungswegs (6) den Austrittsöffnungen (8) vorgeordnet ist.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) an einer Umkehrstelle (13) eines Kanals (12) angebracht ist.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) an der letzten, den Austrittsöffnungen (8) vorgeordneten Umkehrstelle (13) angebracht ist .

Turbinenschaufel nach Anspruch 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) in einer gußherstellungsbedingten Durchführungsöffnung (10) angebracht ist.

Turbinenschaufel nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durchführungsöffnung (10) von der Drosselvorrichtung (11) unlösbar verschlossen ist.

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 4 oder 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) im Fußbereich (2) angeordnet ist.

7. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) von einem Drosselvorsprung (17) eines Stopfens (20) gebildet ist.

8. Turbinenschaufel nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drosselvorrichtung (11) von einem Fuß (16) einer in einem Stopfen (20) verstemmten Schraube (14) gebildet ist.

9. Turbinenschaufel nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stopfen (20) eingeschweißt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einem Kopf-, einem Fuß (2)- und einem Schaufelblattbereich (3) und mit einem inneren Kanalsystem (5) aus einzelnen Kanälen (12), durch die Kühlgas auf einem Strömungsweg (6) innerhalb der Turbinenschaufel (1) hindurchführbar ist und mit einer den Durchfluß des Kühlgases (6) beeinflussenden Drosselvor- richtung (11), wobei in den Kanälen (12) Kühlgas vom Fuß- bereich (2) durch den Schaufelblattbereich (3) zum Kopf- bereich geführt und in umgekehrte Richtung umgeleitet wird, sowie mit Austrittsöffnungen (8) für die Ausleitung des Kühlgases aus der Turbinenschaufel (1), die auf der Abströmseite (21) der Turbinenschaufel (1) angeordnet sind, insbesondere mit Merkmalen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 , wobei das Verfahren einen Gußvorgang mit einer Gußform (27), die einen Gußkern (28) und einen Gußaußenmantel (31) umfaßt, beinhaltet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Gußvorgang eine den Durchfluß des Kühlgases beeinflussende Drosselvorrichtung (11) im hinteren Bereich des Strömungswegs (6) den Austrittsöffnungen (8) vorgeordnet, eingebracht wird und unter Messung des Durchflusses des Kühlgases so in einer herstellungsbedingten Durchführungsöffnung (10) eingerichtet wird, daß ein vorbestimmter Wert eines Durchflußparameters des Kühlgases erreicht wird und anschließend die Drosselvorrichtung (11) in der Drosselstellung unlösbar befestigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gußkern (28) beim Gußvorgang mittels einer Führungshaite- rung (29) im Fußbereich (2) der Turbinenschaufel (1) in seiner Position relativ zum Gußaußenmantel (31) gehalten wird, und daß in die durch die Halterung (29) bedingte Durchführungsöffnung (10) eine Drosselvorrichtung (11) eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Messung des Kühlgasflusses jeweils nach dem Einsetzen von Stopfen (20) mit verschiedenen Drosselvorsprüngen (17) erfolgt, und daß derjenige Stopfen (20) eingeschweißt wird, der einen vorbestimmten Durchfluß des Kühlgases bewirkt .

13.Verfahren nach Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Stopfen (20) mit einer Drosselschraube (14), die einen in den Stömungsweg (6) hineinragenden Drosselvorsprung (17) aufweist, in die gußherstellungsbedingte Durchfüh- rungsöffnung (10) eingesetzt wird und daß die Messung des

Durchflusses unter Verstellung der Schraube (14) erfolgt, die anschließend in der gewünschten Drosselstellung verstemmt wird.