WO2021155992A1

WO2021155992A1 - Additiv hergestellte turbinenschaufel mit verdrehsicherung und justageverfahren

Info

Publication number: WO2021155992A1
Application number: PCT/EP2020/087578
Authority: WO
Inventors: Jose Angel Hernandez Maza; Robert Herfurth; Jan Münzer; Johannes Albert
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-08-12
Also published as: DE102020201448A1

Abstract

Es wird eine Turbinenschaufel (10) angegeben, umfassend ein Schaufelblatt (17) und eine Fußplatte (13) mit einer Aufnahme (14) zur Lagerung der Schaufel (10) im Betrieb, beispielsweise in einer Strömungsmaschine (100), und einer Anschlagfläche (15, 15'), wobei die Aufnahme (14) und die Anschlagfläche (15, 15 ^y ) angeordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel (10), eine Verdrehsicherung derselben zu bewirken, wobei die Aufnahme (14) anströmseitig etwa mittig an der Fußplatte (13) angeordnet ist. Weiterhin werden eine Turbine, ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Ausrichtung Justage der Turbinenschaufel angegeben.

Description

Beschreibung

Additiv hergestellte Turbinenschaufel mit Verdrehsicherung und Justageverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, vorzugsweise eine Turbinenleitschaufel einer Gasturbine für die Energieerzeugung, sowie eine Turbine, in der die genannte Turbinenschaufel angewendet werden kann. Weiterhin wird ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel so wie ein Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel in ei nem Turbinenring angegeben.

In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungs energie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationse nergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungska nal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wir kendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor an treibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Ge nerators genutzt werden kann.

Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbi nenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten . Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED) "-Verfahren, insbesondere Laserauf tragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschwei ßen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, soge nannte „sheet lamination"-Verfahren, oder thermische Spritz verfahren (VPS LPPS, GDCS).

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispiels weise bekannt aus EP 2 601 006 Bl.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, wie Dichtelemente, Kühlstrukturen und/oder allgemein Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbeson dere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.

Viele Gasturbinen verwenden für die Fixierung insbesondere der Turbinenleitschaufel der ersten Stufe(n) einen Stift oder ähnliche Mittel zur Fixierung der entsprechenden Komponente. Dieser Stift wird üblicherweise in einer Art Bohrung oder Durchgangsloch der Komponente eingeführt. Da dadurch allein noch keine Verdrehsicherung sichergestellt ist, sind weitere Merkmale zum Verhindern einer ungewollten Bewegung der Kompo nente in der Turbine erforderlich. Zur Fixierung können bei spielsweise weitere Anschlagflächen vorgesehen werden.

Während des Zusammenbaus muss die Komponente oder das Bauteil üblicherweise weiterhin, beispielsweise über eine integrierte Dichtfeder und/oder einen Dichtschlitz, zusammen mit einer Nachbarkomponente, wie einer weiteren Turbinen (leit)schaufei gehalten oder fixiert werden, oder mit einem weiteren Teil, wie einem Turbinen (leit)ring. Während des Betriebs der Turbi nenschaufel, und demzufolge unter Belastung, wird die Kompo nente aufgrund der Verhältnisse von Druck und Temperatur an einem Schaufelblatt der Turbinenschaufel, ungewollt in eine Bewegung oder Rotation versetzt. Eine Rotation kann insbeson dere um eine Axial- oder Fluidströmungsrichtung die Folge sein, wenn keine ausreichende Verdrehsicherung für die Turbi nenschaufel eingerichtet ist. Insbesondere kann eine Rotation jeder einzelnen Turbinenschaufel weiterhin in Richtung der Saugseite erfolgen. Um diese Bewegung oder Kraft aufzufangen, kann eine Erhebung mit einer Anschlagfläche vorgesehen sein, über die eine Verdrehung der Turbinenschaufel gegen den ent sprechenden Turbinenleitring verhindert werden soll.

Das beschriebene Problem tritt umso gravierender in Erschei nung, je größer die Toleranz und schwächer die Maßhaltigkeit in der Fertigung der Turbinenschaufel ist, und damit bei spielsweise eine Abweichung der genannten Anschlagfläche von einer optimalen Position oder Wirkung. Wenn beispielsweise die Anschlagfläche nicht exakt positioniert ist oder an einem Gegenstück eines Leitringes anliegt, wird im Betrieb der Schaufel die gesamte Last zwangsläufig von den Dichtelemen ten, wie Dichtfeder und/oder Dichtschlitz aufgenommen. Das kann zu Dichtspaltverlusten des Arbeitsmediums der Turbine und/oder der Zerstörung der Dichtelemente an den Schaufeln führen.

Es muss also auf eine sehr hohe Maßhaltigkeit der Komponenten geachtet werden, was wiederum sehr hohe Kosten und Anforde rungen an die Fertigung stellt. Bekannt sind die hohen Kosten von konventionellen Fertigungsverfahren hinsichtlich der in volvierten Gusstechniken und der Bereitstellung der Gusswerk zeuge und die damit verbundene hohe Durchlaufzeit. Weiterhin ist der Aufwand der Ausrichtung bzw. Justage der Turbinenleitschaufel in der Turbine bei konventionellen Fer tigungsverfahren erheblich.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lagerungsmethode für Turbinenschaufel-Komponen ten, sowohl bei deren Einbau als auch im Betrieb einer Tur bine und entsprechende Mittel bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinen schaufel, umfassend ein Schaufelblatt und eine Fußplatte mit einer Aufnahme oder Aufhängung zur Lagerung oder Fixierung der Schaufel im Betrieb, beispielsweise in einer Strömungsma schine, wie einer Gasturbine für die Energieerzeugung.

Die Fußplatte weist weiterhin eine Anschlagfläche auf, wobei die Aufnahme und die Anschlagfläche angeordnet und ausgebil det sind, im Betrieb der Turbinenschaufel, eine Verdrehsiche rung der Turbinenschaufel zu bewirken, wobei die Aufnahme an- strömseitig etwa mittig an bzw. in der Fußplatte angeordnet ist.

Der Ausdruck „mittig" bezeichnet vorzugsweise eine mittige Anordnung der Aufnahme entlang einer Tangentialrichtung bzw. Umfangsrichtung des Schaufelkranzes bzw. der Stufe, dem die Turbinenschaufel in ihrem Betrieb zugeordnet ist.

Das Schaufelblatt der Turbinenschaufel weist zweckmäßiger weise eine Anströmkante und eine Abströmkante, und vorzugs weise eine sogenannte Saug- und eine Druckseite auf.

Die Fußplatte bezeichnet vorliegend vorzugsweise ein Deck band, einen Kragen oder einen Schaufelfuß. Zweckmäßigerweise ist die Turbinenschaufel in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb an einen Rotor- oder Statorring, wie einen Turbinenleitring befestigt oder an diesen gekoppelt.

Wie die beschriebene Aufnahme ist vorzugsweise auch die An schlagfläche anströmseitig arrangiert, d.h. an einer Anström- seite der Turbinenschaufel bzw. einer Seite, dem die Anström- kante der Turbinenschaufel zugewandt ist, angeordnet.

Vorteilhafterweise kann durch die vorgestellte Turbinenschau fel auf eine Änderung oder Anpassung einer die Turbinenschau fel tragenden Komponente, wie beispielsweise eines Turbinen lauf- oder Turbinenleitring, verzichtet werden. Mit anderen Worten können die neuartigen vorgestellten Schaufeln, ohne geometrische Anpassung in bestehende „Hardware" integriert werden.

Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Lagerungsvariante den Vorteil, dass andere Dichtkonzepte, beispielsweise ohne Ände rung der Geometrie eines Turbinenleitrings, für die beschrie benen Komponenten/Schaufeln genutzt werden können.

In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel eine Turbi- nenleitschaufel, insbesondere für eine thermische und/oder stationäre Strömungsmaschine für die Energieerzeugung.

In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme zur, insbesondere me chanischen, Kopplung an ein Gegenstück eines Turbinenringes, beispielsweise Leitringes, ausgebildet.

In einer Ausgestaltung ist die Ausnahme bzw. die Aufhängung ein, insbesondere rundes, Durchgangsloch.

In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme ein Sackloch oder eine Bohrung.

In einer Ausgestaltung umfasst die Anschlagfläche zwei vonei nander getrennte Teilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine Gewichtsoptimierung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit erreicht werden. Für eine neuartige Her stellungsroute der beschriebenen Turbinenschaufel, beispiels weise im Wege einer additiven Fertigung, bedeutet dies Ge- wichtsoptimierung und eine Einsparung von Rohmaterial.

Durch die Vorsehung von mehreren kleinen getrennten Flächen anstatt einer großen Anschlagfläche wird mit anderen Worten vorteilhafterweise gleichzeitig Material und wertvolle Pro zesszeit eingespart.

In einer Ausgestaltung sind die Teilflächen entgegengesetzt von der Mitte der Fußplatte beabstandet angeordnet. Durch diese Ausgestaltung, in der beispielsweise in Umfangsrichtung eines Leitschaufelkranzes betrachtet, an jeder Seite der Auf nahme einer Anschlagfläche vorgesehen ist, kann vorteilhaf terweise eine besonders effiziente Lagerung und/oder Verdreh sicherung der Turbinenschaufel gewährleistet werden. Insbe sondere ermöglicht diese Ausgestaltung vorteilhafterweise die Wirkung einer Zweipunktverdrehsicherung, bei der weniger La gerungspunkte erforderlich sind, als bei vergleichbaren, kon ventionell hergestellten Turbinenschaufeln.

In einer Ausgestaltung ist die Verdrehsicherung eine Zwei punktverdrehsicherung. Eine Verdrehung oder ungewollte Rota tion der Turbinenschaufel im Betrieb wird dadurch, erstens, effizient durch die Aufhängung und, zweitens, durch die An schlagfläche bewirkt.

In einer Ausgestaltung erstrecken sich beide Teilflächen der Anschlagfläche - zusammengenommen - über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdehnung der Fußplatte. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine besonders große Anschlagfläche und damit effiziente Verdrehsicherung mit kleinen Bewegungstoleranzen im Betrieb erreicht werden.

In einer Ausgestaltung umfasst eine oder jede der Teilflächen wiederum zwei voneinander getrennte und vorzugsweise beab- standete Unterteilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise ebenfalls eine (weitere) Gewichtsoptimie- rung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Sta bilität und Passgenauigkeit erreicht werden.

In einer Ausgestaltung sind die Unterteilflächen in einer sich von einer Anströmseite zu einer Abströmseite der Turbi nenschaufel erstreckenden Richtung voneinander beabstandet. Auch dieser Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise eine (weitere) Gewichtsoptimierung ausreichender mechanischer Sta bilität und Passgenauigkeit der Schaufel.

In einer Ausgestaltung weist die Fußplatte eine Gitterstruk tur auf. Durch diese Ausgestaltung kann ein Gewicht der Kom ponente bei tolerabler mechanischer Stabilität weiterhin re duziert werden. Gleichzeitig kann - ähnlich zu den vorherge hend beschriebenen Ausgestaltungen - ein Herstellungsaufwand durch die Vorsehung neuartiger, additiver Verfahren, redu ziert werden.

In einer Ausgestaltung ist die Gitterstruktur angeordnet und ausgebildet, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine, insbesondere an einen Turbinenleitring, eine Justage der Schaufel zu erleichtern, oder zu unterstüt zen. Die genannte Ausrichtung oder Justage erfolgt vorzugs weise weiterhin mit Exzenterstiften. Die genannte Vereinfa chung der Justage wird dadurch erreicht, dass die Git terstruktur mechanische Kräfte bei der Justage, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung aufnehmen kann.

In einer Ausgestaltung weist die Gitterstruktur Gitterele mente auf, die dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel in eine Turbine, insbesondere zur Dichtspaltsoptimierung, verformt zu werden.

In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel frei von Dichtschiitzen und/oder Dichtfedern ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Turbinenschaufel vorteilhafterweise keine einstückig mit dieser verbundenen Dichtelemente auf. Dies kann insbesondere die Herstellung der Turbinenschaufel er leichtern.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine, umfassend eine Turbinenschaufel wie oben beschrieben bzw. eine Anordnung von solchen Turbinenschaufeln, wobei die Turbine weiterhin einen Turbinenring umfasst, an dem die Tur binenschaufeln befestigt sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel, insbesondere mittels eines lasergestützten, pulverbett-ba- sierten Ansatzes. Diese Herstellungsweise ermöglicht es mit Vorteil, die Produktdurchlaufzeit entsprechender Komponenten maßgeblich, insbesondere um mehrere Monate zu verkürzen, als auch die Komponenten mit verbesserten Geometrien und Eigen schaften auszugestalten, welche bisher auf konventionellem Wege nicht oder nur mit großen Kosten zu erzielen sind.

In einer Ausgestaltung ist oder wird die Gitterstruktur ins besondere nach dessen additivem Aufbau mechanisch nicht oder kaum nachbearbeitet. Die oben beschriebene Ausgestaltung der Turbinenschaufel mit der Gitterstruktur prädestiniert die Schaufel gerade für die genannten additiven Herstellungsver fahren. Insbesondere durch konventionelle Herstellungsmetho den ist die Ausbildung einer Gitterstruktur - wie oben be schrieben - technisch oder wirtschaftlich unmöglich.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung oder Justage einer Turbinenschaufel in einem Turbinenring, wie einem Turbinenleitring, wobei die Gitterstruktur, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung, ver formt wird.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf die Turbinenschaufel oder die Turbine beziehen, kön nen ferner das beschriebene additive Herstellungsverfahren o- der das Justageverfahren betreffen, oder umgekehrt. Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeu tet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 zeigt vereinfachte perspektivische Ansicht eines Teils einer bekannten Turbinenleitschaufel.

Figur 2 zeigt einen Teil einer perspektivischen oder Seiten ansicht eines Schaufelfußes einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel gemäß einer alternativen Ausgestaltung .

Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Turbine oder eines Teils davon, umfassend eine Anordnung von Turbinenschaufeln wie oben beschrieben.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.

Figur 1 zeigt eine bekannte Turbinenschaufel 10' in einer Teilansicht. Insbesondere soll die Turbinenschaufel 10' eine Turbinenleitschaufel darstellen. Vorzugsweise ist die Turbi nenleitschaufel für den Einsatz in einer thermischen und/oder stationären Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine für die Energieerzeugung, vorgesehen.

Hauptsächlich ist in Figur 1 eine Fußplatte oder ein Schau felfuß 3 der Turbinenschaufel 10' dargestellt. Ein Schaufel blatt 7 der Turbinenschaufel 10' ist im unteren Bereich der Darstellung angedeutet.

Die Turbinenschaufel 10' weist weiterhin eine Anströmseite 1 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite des Schaufelfußes 3 ist eine Abströmkante 2 der Turbinenschaufel 10' mit dem Bezugs zeichen 2 gekennzeichnet.

Die Richtung y erstreckt sich von der Anströmseite 1 zu der Abströmseite 2 der Schaufel 10'. Die Richtung oder Achse y kann weiterhin eine Axialrichtung oder Fluidströmungsrichtung bezeichnen, wenn Bezug auf einen Betrieb der Turbinenschaufel in einer Strömungsmaschine genommen wird (vgl. ebenfalls Fi gur 4).

Die Richtung oder Achse x bezeichnet vorzugsweise eine zu der Richtung y senkrechte Richtung, welche auch eine Umfangs- o- der Tangentialrichtung einer entsprechenden Anordnung von Turbinenschaufeln in einem Schaufelkranz oder einer Turbinen stufe entspricht.

Weiterhin ist innerhalb des Schaufelfußes 3 eine Kontur des Schaufelblattes angedeutet. Eine Anströmkante und einer Ab strömkante sind jedoch nicht explizit mit Bezugszeichen ge kennzeichnet .

Der Schaufelfuß 3 weist weiterhin eine Aufnahme oder Aufhän gung 4 auf, welche an einer Anströmseite 1 der Fußplatte 3 angeordnet ist. Über diese Aufnahme 4 wird die Schaufel vor zugsweise für den Betrieb in einer Turbine (vergleiche Be zugszeichen 100 weiter unten) an einen Turbinenring gekoppelt oder an diesem befestigt. Der mit R bezeichnete Pfeil soll eine Rotation oder Bewegung der Turbinenschaufel 10' andeuten. Eine solche Rotation kann insbesondere um die Axi alrichtung y auftreten, wenn keine ausreichende Lagerung bzw. Verdrehsicherung für die Turbinenschaufel vorhanden ist. Die Rotation R ist derart eingezeichnet, dass sich das Schaufel blatt 7 der Turbinenschaufel 10' an der Aufhängung 4 in Rich tung einer Saugseite der Turbinenschaufel dreht oder bewegt.

Um einer solchen Bewegung vorzubeugen, weist die dargestellte Turbinenschaufel weiterhin eine Anschlagfläche 5 auf, welche im Betrieb einer Turbine eine Bewegung der einzelnen Turbi nenschaufeln über Gebühr verhindert, indem die Anschlagfläche an ein Gegenstück, beispielsweise einen Turbinenring, an schlägt.

Weiterhin weist die gezeigte Turbinenschaufel 10' einen Dichtschlitz 6 oder eine Dichtfeder (nicht explizit gekenn zeichnet) auf. Dieser Dichtschlitz 6 kann im Betrieb dieses bekannten Designs der Schaufel ebenfalls als Teil der Lage rung, Fixierung oder Verdrehsicherung fungieren, wenngleich dann eine (zusätzliche) mechanische Last von dem Dichtschlitz aufgenommen werden würde. Dies kann unter Umständen dann auch zu Leckageverlusten an der Dichtstelle führen.

Figur 2 zeigt im Unterschied zu Figur 1 einen Teil einer Tur binenschaufel 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wieder ist hauptsächlich ein Schaufelfuß bzw. eine Fußplatte 13 gezeigt. Diese Turbinenschaufel 10 weist zweckmäßigerweise ebenfalls ein Turbinenschaufelblatt 17 auf, welches lediglich im unte ren Teil ansatzweise angedeutet ist. Eine Anströmseite ist mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet.

Die Fußplatte 13 weist eine Aufnahme 14, ähnlich zu der be schriebenen Aufnahme 4 auf. Weiterhin weist die Fußplatte 13 eine Anschlagfläche 15 auf. Im Unterschied zu der bekannten Ausgestaltung, zeichnet sich dieses Design dadurch aus, dass die Aufnahme 14 und die Anschlagfläche 15 (vergleiche weiter hin auch die Bezugszeichen 15' und 15'') angeordnet und aus gebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel eine Verdrehsicherung, insbesondere lediglich eine Zweipunktver drehsicherung, derselben zu bewirken, wobei die Aufnahme 14 anströmseitig etwa mittig an oder in der Fußplatte angeordnet ist.

Die Aufnahme 14 ist bevorzugt - ähnlich zu einer Bohrung - als rundes oder kreisförmiges Durchgangsloch für die Kopplung eines Gegenstücks an einem Turbinenleitring ausgebildet.

Demgegenüber ist in Figur 1 klar zu erkennen, dass die Auf hängung zwar auch anströmseitig, jedoch näher an einem druck seitigen Ende (links in der Darstellung) der Fußplatte ange ordnet ist als an einem saugseitigen Ende (rechts).

Diese "mittige" oder zentrale Anordnung bzw. Ausgestaltung der Aufnahme 14, hat den Vorteil, dass die entsprechende Schaufelkomponente sowohl beim Zusammenbau als auch im Be trieb auf verbesserte Weise fixiert, eingebaut und/oder gela gert werden kann, ohne dass dafür auch Änderungen an der tra genden Komponente, insbesondere des Turbinenleitring, erfor derlich sind. Weiterhin können - sofern überhaupt erforder lich - Dichtelemente, wie Dichtfedern oder Dichtschlitze, me chanisch deutlich entlastet und oder allgemein ganz andere Dichtkonzepte verwendet werden. Das in Figur 2 gezeigte De sign der Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise frei von Dich telementen. Zu diesen Effekten trägt ebenfalls bei, dass die Anschlagfläche 15 gegenüber weiteren Bereichen der Fußplatte erhaben ist.

Die Anschlagfläche 15 ist, wie beispielhaft dargestellt, in eine Mehrzahl, insbesondere zwei, Teilflächen 15' unterteilt, wobei die genannten Teilflächen 15' voneinander über den Ab stand a beabstandet sind. Jede dieser Teilflächen 15' ist ge mäß Figur 2 entgegengesetzt auf jeweils einer anderen Seite (rechts und links) entlang einer Ausdehnung A des Schaufelfu ßes 13 angeordnet. Zwischen den Teilflächen 15' ist eine Aus nehmung (nicht explizit gekennzeichnet) angeordnet, auf deren Höhe sich in Umfangsrichtung x die Aufhängung 14 befindet. Vorzugsweise erstrecken sich beide Teilflächen 15' zusammen genommen über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdeh- mung A.

Technische Vorteile ergeben sich beispielhaft weiterhin durch eine weitere Unterteilung der Anschlagfläche 15 in Unterteil flächen 15''. Diese Unterteilung erfolgt vorliegend nicht entlang der Richtung x, sondern entlang der axialen Richtung y (vergleiche auch Figur 3). Insbesondere kann eine Ge- wichtsersparnis optimiert und die Herstellung der Komponente insgesamt dadurch vereinfacht werden. Die Unterteilflächen 15'' sind vorzugsweise also durch einen Abstand b entlang der Richtung x voneinander beabstandet.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht auf die Fußplatte 13 von unten, ohne das Schaufelblatt der Turbi nenschaufel anzudeuten. Dort ist weiterhin gezeigt, dass die Turbinenschaufel 10 filigrane Strukturen, wie eine Git terstruktur 18 aufweist. Die Gitterstruktur 18 ist am oberen rechten Rand der Darstellung der Figur 3, also in der Nähe der Anströmseite der Turbinenschaufel, angeordnet.

Insgesamt ist die Gitterstruktur 18 vorzugsweise arrangiert und ausgebildet, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine, eine Justage der Schaufel 10 zu un terstützen, oder zu erleichtern. Genauer weist die Git terstruktur 18 Gitterelemente (nicht explizit gekennzeichnet) auf, welche dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel oder einer Ausrichtung zur Dichtspaltsop- timierung derselben, verformt zu werden.

In einem entsprechenden Justage-Verfahren oder Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel kann die Gitterstruktur da bei vorteilhafterweise und in kontrollierter Art verformt werden. Dabei werden vorzugsweise keine Gitterelemente abge brochen, sondern die Verformung erfolgt vorzugsweise fließend und bewirkt eine stabile Positionierbarkeit oder Einsteilbar keit der Turbinenschaufel 10 relativ zu einem Turbinenring (vergleiche Bezugszeichen 30 in Figur 4) und möglicherweise benachbart angeordneten weiteren Turbinenschaufeln der ent sprechenden Stufe. Möglicherweise wirkt die Gitterstruktur 18 bei dieser Justage mit einem weiteren Anschlag oder Gegen stück eines Turbinenringes zusammen.

Solche Gitterstrukturen sind auf konventionellem Herstel lungswege nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar.

Daher wird die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfin dung vorzugsweise durch eine additive Herstellungstechnolo- gie, insbesondere pulverbettbasierte Verfahren, wie selekti ves Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronen strahlschmelzen hergestellt. Die genannten Verfahren zählen zu sogenannten „Powder-Bed Fusion"-Verfahren. Ein beispiels weise im Wege einer CAD-Datei („Computer-Aided-Manufactu- ring") bereitgestelltes Design der Komponente wird dabei in einen Prozessor der Anlage eingelesen und durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing") vorzugsweise in einzelne Schichten von weniger als 50 pm Dicke unterteilt, die dann in Form von Pulver auf einer Bauplattform aufgetragen und an schließend selektiv mit einem Energiestrahl, vorzugsweise La serstrahl oder Elektronenstrahl, gemäß der gewünschten Geo metrie aufgeschmolzen und verfestigt werden.

Dadurch besteht eine sehr große Designfreiheit bei der Her stellung der Bauteile, welche beispielsweise auch die Her stellung der Gitterelemente, wie oben beschrieben, erst er möglicht oder prädestiniert. Hinsichtlich einer Strukturqua lität der Bauteile stehen additive Herstellungswege in der Regel konventionellen Herstellungsrouten etwas nach. Das liegt u.a. an den großen Temperaturgradienten von teilweise mehr als 10⁶ K/s, welche durch den sehr lokalen Energieein trag des Energiestrahls bewirkt werden, und die erzielten Strukturen anfällig für Heiß- oder Erstarrungsrisse machen.

Bei der Herstellung der Gitterstruktur für die vorliegende Turbinenschaufel, wird diese nachträglich, d.h. nach dem eigentlichen additiven Aufbau, vorzugsweise nicht mehr mecha nisch nachbearbeitet. Eine Nachbearbeitung ist insbesondere obsolet, da die Gitterstrukturen, wie oben beschrieben, beim Einbau der Schaufel ohnehin verformt werden. Dadurch kann die gesamte Herstellung des Bauteils, beispielweise gegenüber konventionellen Herstellungsansätzen vorteilhafterweise wei terhin deutlich verkürzt werden.

Figur 4 zeigt eine schematische Teilansicht einer Turbine 100. Obwohl in der Darstellung nur Teile der Turbine angedeu tet sind, betrifft die Turbine 100 vorzugsweise eine voll ständige Gasturbine zur Energieerzeugung oder auch zur in dustriellen Nutzung von Turbinen oder Antriebe im Allgemei nen.

Die Turbine 100 umfasst vorzugsweise mehrere Turbinenstufen, jedenfalls aber einen Rotor bzw. Laufschaufelkranz 20. Eine Rotations- oder Axialerrichtung ist wieder mit dem Bezugszei chen x angedeutet. Weiterhin umfasst die Turbine 100 einen Turbinenring 30, welcher im Betrieb der Turbine 100 zweckmä ßigerweise mit einer Mehrzahl von Turbinenleitschaufein 10 (wie oben beschrieben) bestückt ist. Über entsprechende Auf nahmen 14 sind die Schaufeln vorzugsweise an dem Turbinenring 30 befestigt. Eine Anordnung der Turbinenschaufeln ist mit dem Bezugszeichen 50 angedeutet. Weiterhin ist mit dem Pfeil F eine Fluidströmung bzw. Strömungsrichtung angedeutet.

Claims

Patentansprüche

1. Turbinenschaufel (10), umfassend ein Schaufelblatt (17) und eine Fußplatte (13) mit einer Aufnahme (14) zur Lagerung der Schaufel (10) im Betrieb, beispielsweise in einer Strö mungsmaschine (100), und einer Anschlagfläche (15, 15'), wo bei die Aufnahme (14) und die Anschlagfläche (15, 15') ange ordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel (10), eine Verdrehsicherung derselben zu bewirken, wobei die

Aufnahme (14) anströmseitig etwa mittig an der Fußplatte (13) angeordnet ist, wobei die Aufnahme (14) ein, insbesondere rundes, Durchgangsloch, ist, und wobei die Anschlagfläche (15) zwei voneinander getrennte Teilflächen (15') umfasst, und die Teilflächen (15') entgegengesetzt von der Mitte der Fußplatte (13) beabstandet (a) angeordnet sind.

2. Turbinenschaufel (10) gemäß Anspruch 1, welche eine Tur binenleitschaufel, insbesondere für eine thermische Strö mungsmaschine für die Energieerzeugung, ist.

3. Turbinenschaufel (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufnahme (14) zur Kopplung an ein Gegenstück eines Turbinen ringes (30) ausgebildet, ist.

4. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, wobei sich beide Teilflächen (15') zusammen über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdehnung (A) der Fußplatte (13) erstrecken.

5. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, wobei eine der Teilflächen (15') wiederum in zwei voneinander getrennte Unterteilflächen (15'') umfasst, wobei die Unterteilflächen (15'') in einer sich von einer Anström- seite (11) zu einer Abströmseite (12) der Schaufel (10) er streckenden Richtung (y) voneinander beabstandet (b) sind.

6. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, wobei die Verdrehsicherung eine Zweipunkt-Verdrehsi cherung ist.

7. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, wobei die Fußplatte (13) eine Gitterstruktur (18) aufweist, die angeordnet und ausgebildet ist, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine eine Jus tage der Schaufel (10) zu unterstützen.

8. Turbinenschaufel (10) gemäß Anspruch 7, wobei Gitterele mente der Gitterstruktur (18) dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel (10) zur Dichtspal toptimierung, verformt zu werden.

9. Turbinenschaufel (10) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, wobei welche frei von Dichtschiitzen (6) ausgebildet ist.

10. Turbine (100) umfassend eine Anordnung (50) von Turbi nenschaufeln gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wei terhin umfassend einen Turbinenring (30), an dem die Turbi nenschaufeln (10) befestigt sind.

11. Verfahren zur additiven Herstellung einer Turbinenschau fel (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, welche ein, ins besondere lasergestütztes, Pulverbettverfahren (LPBF) ist, und wobei die Gitterstruktur (18) insbesondere nicht mecha nisch nachbearbeitet wird.

12. Verfahren zur Ausrichtung einer Turbinenschaufel (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Turbinenring (30), wobei die Gitterstruktur (18), insbesondere zur Dichtspaltop- timierung, verformt wird.