Beschreibung
Turbinenschaufel mit gestufter und abgeschrägter Plattformkante
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, beispielsweise eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel einer Gasturbine oder einer Dampfturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Turbinenschaufel und einer Turbine.
Hintergrund der Erfindung
Die Turbinenschaufeln von Gasturbinen oder Dampfturbinen sind typischerweise starken mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund werden die Oberflächen der jeweiligen Schaufelblätter und die den ge- nannten Belastungen ebenfalls ausgesetzten Oberflächen der Schaufelplattformen mit geeigneten Beschichtungen versehen. Ein solches Beschichtungssystem umfasst beispielsweise eine sogenannte Haftschicht (bond coat) und eine thermische
Schutzbeschichtung (thermal barrier coating - TBC) .
Das Schaufelblatt einer Turbinenschaufel ist in der Regel auf einer sogenannten Plattform angeordnet. Die Plattform und der darunter angeordnete Schaufelfuß dienen dazu, die Turbinen¬ schaufel auf einem Halterungsbauteil, zum Beispiel einer Ro- torscheibe (rotor disc) oder einem Ring oder Schaufelring anzuordnen und zu befestigen. In diesem Zusammenhang ist es unerwünscht, wenn Beschichtungsmaterial in Folge der Beschich- tung des Schaufelblattes und der Oberfläche der Plattform über die Kante der Plattform hinausragt und sich insbesondere an der Seitenfläche der Plattform befindet. Entsprechende
Verunreinigungen der Seitenflächen der Plattform würden ein präzises Anordnen der Turbinenschaufel an dem Halterungsbau¬ teil, zum Beispiel an der Rotorscheibe oder an einem Ring,
erschweren und könnten darüber hinaus zu unerwünschten mechanischen Effekten oder Leckströmen führen.
Die Beschichtung des Schaufelblattes und der Oberfläche der Plattform erfolgt vorzugsweise durch Aufsprühen des Beschich- tungsmaterials . Ein mögliches Übersprühen der Plattformränder von Turbinenschaufeln, beispielsweise Leitschaufeln oder Laufschaufeln, ist nicht akzeptabel, sodass aus den oben ge¬ nannten Gründen Beschichtungsmaterial , welches über den
Plattformrand gelangt ist, manuell entfernt werden muss, bei¬ spielsweise abgeschliffen werden muss. Dies verursacht erhöh¬ te Kosten, zusätzlichen Zeitverlust im Rahmen des Herstellungsprozesses und unter Umständen unerwünschte Abweichungen in der Dimension der jeweiligen Turbinenschaufel.
Um die beschriebene Nachbearbeitung der Plattformen zu vermeiden, werden teilweise die Randkanten der oberen Oberfläche der Plattform durch Ausnehmungen zurück gesetzt, sodass der Übergang zwischen der oberen Plattformoberfläche und der Sei- tenfläche der Plattform stufenförmig ausgestaltet ist. Eine derartige Stufe oder Ausnehmung hat üblicherweise eine Höhe von 4 mm.
An der Seitenfläche der Plattform in der Regel ein Schlitz für einen Dichtungsstreifen angeordnet. Der Schlitz umfasst einen oberen und einen unteren Rand. Da die Plattform von Laufschaufeln oder Leitschaufeln in Richtung der an die Turbine angeschlossenen Arbeitsmaschine bzw. in Hauptströmungs¬ richtung dünner wird, was der Kontur des Heißgasströmungska- nals geschuldet ist, besteht das Risiko, das durch die be¬ schriebene Stufe oder Ausnehmung der obere Rand kontinuierlich dünner wird und unter Umständen verschwindet. Der obere Rand des Dichtungsschlitzes ist aber erforderlich, um ein Einsprühen von Beschichtungsmaterial in den Schlitz selbst zu verhindern.
Beschreibung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es eine erste Aufgabe der vorlie¬ genden Erfindung, eine vorteilhafte Turbinenschaufel zur Ver¬ fügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe besteht darin, eine vorteilhafte Turbine zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel nach An- spruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Turbine nach Anspruch 8 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel umfasst ein Schaufel¬ blatt und eine Plattform. Die Plattform umfasst eine obere Oberfläche, auf der das Schaufelblatt angeordnet ist. Die Plattform umfasst weiterhin mindestens eine Seitenfläche. Die Seitenfläche umfasst einen Schlitz zum Einfügen bzw. Aufnehmen eines Dichtungsstreifens. Der Übergang zwischen der obe¬ ren Oberfläche der Plattform und der Seitenfläche umfasst ei¬ nen gestuften Bereich und einen abgeschrägten Bereich. Die in dem Rohling für die Plattform zunächst vorhandene Kante zwischen der oberen Oberfläche der Plattform und der Seitenfläche wurde also im Rahmen der Herstellung der Turbinenschaufel in einem ersten Bereich in der Form einer Stufe oder Kerbe oder Kerbe oder in Form eines Rücksprungs oder einer Ausnehmung ausgestaltet. In einem zweiten Bereich wurde die ursprüngliche Kante in der Form einer Abschrägung oder Abkantung oder Fase ausgestaltet.
Vorzugsweise sind der gestufte Bereich und der abgeschrägte Bereich in einer Längsrichtung der Turbinenschaufel hintereinander angeordnet. Die Turbinenschaufel kann eine Vorderseite und eine Rückseite umfassen. Dabei ist die Vorderseite die Seite, an welcher auf der Plattform die Anströmkante des
Schaufelblattes angeordnet ist und die Rückseite die Seite ist, an welcher die Abströmkante des Schaufelblattes angeord¬ net ist. In Richtung von der Vorderseite zur Rückseite der Turbinenschaufel ist der gestufte Bereich vorzugsweise vor dem abgeschrägten Bereich angeordnet.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel hat den Vorteil, dass die im Zusammenhang mit einer durchgehend gestuften Ausgestaltung der Kante der Plattform sich ergebenden Nachteile vermieden werden. Insbesondere bleibt der obere Rand des
Dichtungsschlitzes erhalten und büßt insbesondere seine Sta¬ bilität nicht ein.
Bei der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel handelt es sich vorteilhafterweise um eine Laufschaufel oder eine Leitschau¬ fel, beispielsweise eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer Gasturbine oder einer Dampfturbine.
Die Plattform kann beispielsweise zwei Seitenflächen, eine Vorderseite und eine Rückseite umfassen. Dabei ist der ge¬ stufte Bereich zwischen der Vorderseite und dem abgeschrägten Bereich angeordnet und der abgeschrägte Bereich zwischen dem gestuften Bereich und der Rückseite angeordnet. Zwischen bedeutet dabei in einer Richtung parallel zu der jeweiligen Seitenkante bzw. parallel zur Längsrichtung der jeweiligen Seitenfläche. Vorzugsweise sind beide Seitenflächen der
Plattform wie beschrieben mit einem gestuften Bereich und einem abgeschrägten Bereich ausgestaltet. Darüber hinaus kann die Plattform einen Übergangsbereich umfassen, der zwischen dem gestuften Bereich und dem abgeschrägten Bereich angeordnet ist und in welchem der gestufte Bereich in den abgeschrägten Bereich überführt wird. Vorzugsweise wird in dem Übergangsbereich der gestufte Bereich kon- tinuierlich in den abgeschrägten Bereich überführt. Ein kontinuierliches Überführen des gestuften Bereichs in den abge¬ schrägten Bereich hat den Vorteil, dass die Turbinenschaufel leicht zu montieren ist und unerwünschte Verkantungen in der
Halterung, beispielsweise in der Rotorscheibe, vermieden werden .
Der gestufte Bereich hat vorzugsweise eine Stufe mit einer Höhe zwischen 2 mm und 6 mm, beispielsweise zwischen 3,5 mm und 4,5 mm, bevorzugt 4 mm. Die Stufe kann darüber hinaus ei¬ ne Tiefe zwischen 0,4 mm und 8 mm, beispielsweise zwischen 0,5 mm und 7 mm, bevorzugt 6 mm aufweisen. Vorteilhafterweise ist der abgeschrägte Bereich in einer pa¬ rallel zur Seitenfläche verlaufenden Längsrichtung zwischen der Rückseite der Plattform und dem Schaufelblatt angeordnet. Das heißt, in einer Projektion der Position des Schaufelblatts auf eine entlang der Seitenfläche verlaufende Achse ist der abgeschrägte Bereich auf dieser Achse zwischen der Rückseite der Plattform und dem Schaufelblatt, insbesondere der Abströmkante des Schaufelblattes, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Bereich der Plattform, in welchem die Dicke der Plattform am geringsten ist, mit einer abgeschräg- ten Kante ausgestaltet ist. Dadurch bleibt der Schlitz für den Dichtungsstreifen im Hinblick auf seine Funktion und Stabilität erhalten bleibt.
Vorteilhafterweise nimmt die Höhe bzw. Dicke der Plattform von der Abströmkante des Schaufelblattes zur Rückseite der
Plattform hin ab. Vorzugsweise nimmt die Dicke bzw. Höhe der Plattform an dem abgeschrägten Bereich zur Rückseite der Plattform hin ab. Die Abnahme erfolgt vorteilhafterweise kon¬ tinuierlich .
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel hat den Vorteil, dass im Anschluss an die Beschichtung unter Umständen erforderliche Nacharbeiten reduziert werden bzw. vermieden werden.
Gleichzeitig werden die in Folge der zusätzlichen Bearbeitung der Plattform in Folge eines Übersprühens von Beschichtungs- material verursachten Abweichungen in der Geometrie bzw. Dimension der Plattform reduziert oder komplett vermieden. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Turbinenschaufel ser-
vicefreundlich . Sie verursacht weniger Schwierigkeiten in Bezug auf Erosionen und Korrosionen bei der Wiederaufarbeitung. Grundsätzlich ist die Verbindung eines abgeschrägten Bereichs mit einem gestuften Bereich sowohl für Leitschaufeln als auch für Laufschaufeln anwendbar.
Die erfindungsgemäße Turbine umfasst eine zuvor beschriebene Turbinenschaufel. Sie hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene Turbinenschaufel. Bei der erfin- dungsgemäßen Turbine kann es sich beispielsweise um eine Gas¬ turbine oder eine Dampfturbine handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass der gestufte Bereich und/oder der abgeschrägte Bereich und/oder der Übergangsbereich zwischen dem gestuften Bereich und dem abgeschrägten Bereich durch Funkenerodieren (EDM-electrical discharge machining) von der Platt¬ form abgetragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass auf einfacher Weise die für die erfindungsgemä¬ ße Turbinenschaufel charakteristische Geometrie der Plattform erzeugt werden kann.
Die für die erfindungsgemäße Turbinenschaufel charakteristi- sehe Geometrie des gestuften Bereichs und/oder des abge¬ schrägten Bereichs kann vorzugsweise in eine im Rahmen der Herstellung der Turbinenschaufel verwendete Elektrode, bei¬ spielsweise Graphitelektrode, implementiert werden. Grund¬ sätzlich kann zum Beispiel der gestufte Bereich und/oder der abgeschrägte Bereich und/oder der Übergangsbereich im Zusammenhang mit dem Herausarbeiten des Schlitzes für den Dichtungsstreifen ebenfalls aus dem Plattformrohling herausgearbeitet werden. Dies bietet sich insbesondere bei Leitschau¬ feln an.
Weiterhin kann die verwendete Elektrode beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden. Insbesondere bei Laufschaufeln
bietet es sich an, die zu verwendende Elektrode durch ein 5- Achsen-Fräsen herzustellen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbei¬ spiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher be¬ schrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkma- le sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel stellt lediglich ein Beispiel dar, welches den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht be¬ schränkt .
Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Turbinenschaufel.
Figur 2 zeigt schematisch einen Teilbereich einer Leit- schaufei in perspektivischer Ansicht.
Figur 3 zeigt schematisch einen Teilbereich einer Leitschaufel in perspektivischer Ansicht. Figur 4 zeigt schematisch eine Gasturbine.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Turbinenschaufel 1. Bei der in der Figur 1 gezeigten Turbinenschaufel 1 kann es sich beispielsweise um eine Leit- schaufei 117 oder eine Laufschaufel 115 handeln. Die Figur 1 zeigt schematisch einen Teil der Plattform 2 und einen Teil des Schaufelblattes 3. Die Plattform 2 umfasst eine obere Oberfläche 4, eine untere Oberfläche 5, eine Vorderseite 6, eine Rückseite 7 und zwei Seitenflächen 8. Auf der Oberseite 4 bzw. auf der oberen Oberfläche der Plattform 2 ist das
Schaufelblatt 3 angeordnet. An die untere Oberfläche 5 bzw. Unterseite der Plattform 2 schließt sich ein Schaufelfuß 9 an .
Die Seitenfläche 8 umfasst einen Schlitz 10 zum Einfügen ei¬ nes Dichtungsstreifens. Der Dichtungsstreifen dient zum Ab¬ dichten des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Turbi- nenschaufein 1.
Sowohl das Schaufelblatt 3, als auch die obere Oberfläche 4 der Plattform 2 werden mit einer Haftschicht und einer thermischen Schutzschicht beschichtet. Dies erfolgt typischerwei- se durch Aufsprühen des Beschichtungsmaterials. Um ein Über¬ sprühen des Beschichtungsmaterials von der oberen Oberfläche auf die Seitenfläche zu verhindern, ist der Übergang von der oberen Oberfläche 4 zur Seitenfläche 8 in Form einer Stufe 11 ausgestaltet. Dies bewirkt, dass ein Übersprühen des gestuf- ten Bereichs 11 unschädlich ist und insbesondere keine Nach¬ bearbeitung der Plattform 2 erforderlich macht. Darüber hinaus ist der Bereich der Seitenfläche 8 unterhalb der Stufe 11 oder Ausnehmung oder Kerbe vor einem unerwünschten Besprühen mit Beschichtungsmaterial wirksam geschützt.
Die Stufe 11 hat eine Höhe h von 4,0 ± 0,5 mm und eine Tiefe t von 0,6 ± 0,1 mm.
Die Figuren 2 und 3 zeigen schematisch einen Teilbereich ei- ner Leitschaufel 117 in perspektivischer Ansicht. Die Leit¬ schaufel 117 umfasst ein Schaufelblatt 3, eine Plattform 2 und einen Schaufelfuß 9. Das Schaufelblatt 3 ist auf der Plattform 2 angeordnet. Es umfasst eine Anströmkante 16 und eine Abströmkante 17. Die Plattform 2 umfasst zwei Seitenflä- chen 8. An jeder Seitenfläche 8 ist ein Schlitz 10 zum Einfü¬ gen eines Dichtungsrings angeordnet.
Die Dicke oder Höhe d der Plattform 2 nimmt in Hauptströ¬ mungsrichtung 20 des Heißgases bzw. in einer Längsrichtung 21, die parallel zur einer der Seitenflächen 8 verläuft, zu- mindest von der Abströmkante 17 des Schaufelblattes 3 zur
Rückseite 7 der Plattform 2 hin ab, vorzugsweise kontinuierlich. In der Figur 2 ist zum Beispiel die Dicke oder Höhe di
der Plattform 2 hinter der Abströmkante 17 größer als die Dicke oder Höhe d2 der Plattform 2 an der Rückseite 7.
Zwischen der Vorderseite 6 der Plattform 2 und der Rückseite 7 der Plattform 2 ist entlang der Seitenfläche 8 oberhalb des Schlitzes 10 für den Dichtungsring ein gestufter Bereich 13 und daran anschließend ein abgeschrägter Bereich 14 angeordnet. Der gestufte Bereich 13 beginnt an der Vorderseite 6 der Plattform 2 und erstreckt sich bis hinter die Abströmkante 17 des Schaufelblattes 3 in Bezug auf die Längsrichtung 21. Der abgeschrägte Bereich 14 erstreckt sich von dem gestuften Bereich 13 bis zur Rückseite 7 der Plattform 2.
Zwischen dem gestuften Bereich 13 und dem abgeschrägten Be- reich 14 befindet sich ein Übergangsbereich 15. In dem Übergangsbereich 15 wird die Geometrie des gestuften Bereichs 13 kontinuierlich in die Geometrie des abgeschrägten Bereichs 14 überführt . Der gestufte Bereich 13 weist vorzugsweise eine Stufe 11 mit einer Höhe zwischen 2 mm und 6 mm, zum Bespiel 3,5 mm bis 4,5 mm, vorzugsweise 4 mm auf. Die Stufe 11 hat vorzugsweise eine Tiefe t zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, zum Beispiel zwischen 0,5 mm und 0,7 mm, bevorzugt 0,6 mm.
Die Figur 4 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbi¬ ne weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläu¬ fer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, eine Brenneranord¬ nung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
Die Brenneranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstu¬ fe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leit¬ schaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete Reihe.
Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitge- stellte verdichtete Luft wird zu den Brenneranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Ar¬ beitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .