DE102011121634B4

DE102011121634B4 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102011121634B4
Application number: DE102011121634.4A
Authority: DE
Inventors: Brian Kenneth WARDLE; Christoph DIDION; Herbert Brandl; Shailendra Naik
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: US20120163995A1; DE102011121634A1; US9051838B2

Abstract

Schaufel einer axial durchströmten Turbine, umfassend interne Passagen (4) und einen Schaufelfuß (2), wobei sich die internen Passagen (4) radial nach außen erstrecken und mit Löchern (6) in dem Schaufelfuß (2) verbunden sind, wobei mindestens eines der Löcher (6) von einer Platte (7) bedeckt ist, wobei die Platte (7) in einem an dem Schaufelfuß (2) der Turbinenschaufel (1) angeordneten Schlitz (12)gehalten wird, wobei der Schaufelfuß (2) als Tannenbaumfuß (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz als durchgehender Schlitz (12) ausgebildet ist und auf beiden Seiten des Tannenbaumfußes (2) derart offen ist, dass die Platte (7) durch die Flanken der den Tannenbaumfuß (2) aufnehmenden Rotornut des Turbinenrotors (10) der axial durchströmten Turbine entfernbar gesichert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Aus der WO 2010/046584 A1 , der US 5,318,404 A und der JP 2002-303 101 A sind Turbinenschaufeln mit Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden.
STAND DER TECHNIK
Turbinenschaufeln sind den sehr hohen Temperaturen des die Turbine antreibenden heißen Fluids ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Blätter aufgrund der hohen Temperaturen zu verhindern und um eine vernünftige Lebensdauer der Turbine sicherzustellen, werden Turbinenschaufeln oftmals durch ein Kühlmedium extern und intern gekühlt, in der Regel unter Verwendung von von dem Kompressor der Gasturbine abgezapfter Kühlluft. Eine innere Kühlung der Turbinenschaufel wird durch verschiedene Passagen innerhalb der Schaufel zwischen deren Druckseitenwand und deren Saugseitenwand realisiert. Die Passagen erstrecken sich in der Regel über die Spannbreite von dem Fuß der Schaufel bis zu ihrer Spitze. Einige der Passagen bestehen aus einer einzelnen Passage mit einer Austrittsöffnung nahe der Schaufelspitze und/oder mehreren Filmkühlungslöchern an der Kante oder an der Seitenwand der Schaufel. Andere Passagen verlaufen serpentinenförmig durch das Schaufelinnere und gestatten es dem Kühlfluid beispielsweise, von dem Fuß zu der Spitze zu strömen, dort nach einer 180°-Kehre zurück zum Fuß zu strömen, und von dort nach einer weiteren 180°-Kehre wieder zu der Spitze zurückzukehren, wo es schließlich durch Austrittsöffnungen oder Filmkühlungslöcher austritt. Gekrümmte Kühlpassagen dieser Art sind beispielsweise aus der EP 0 670 953 B1 bekannt. Sie gestatten einen großen internen Wärmetransfer mit einer minimalen Menge an Kühlluft.
Eine typische Schaufel nach dem Stand der Technik umfasst mehrere interne Passagen, die sich zwischen dem Fußbereich und der Spitze radial nach innen und außen erstrecken. Eine erste interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung im Fußbereich radial nach außen zur Schaufelspitze. Kühlfluid kann vom Fußbereich durch die Passage fließen und über mehrere Kühlschlitze entlang der Hinterkante sowie durch ein Austrittsloch an der Spitze austreten. Eine zweite interne Passage erstreckt sich von einer Eintrittsöffnung radial nach außen entlang der Schaufelvorderkante. Kühlfluid strömt durch diese Passage und tritt über das Austrittsloch an der Spitze und durch mehrere Reihen von Filmkühlungslöchern, die durch die Vorderkante des Blatts gebohrt sind, aus. Eine gekrümmte Passage umfasst eine Eintrittsöffnung an dem radial inneren Ende des Fußbereichs, wobei sich eine erste Passage radial nach außen zu einer Austrittsöffnung erstreckt. Bei der Spitze führt eine 180°-Kehre zu einer Passage, die sich radial nach innen erstreckt. An dem radial inneren Ende der Passage führt eine zweite 180°-Kehre zu einer dritten Passage, die sich radial nach außen zu einer Austrittsöffnung erstreckt. Kühlfluid, das durch die geraden und gekrümmten Passagen strömt, kühlt die Schaufel von innen durch Prallkühlung und tritt durch die Filmkühlungslöcher an den Kanten der Schaufel und/oder durch die Austrittsöffnungen an der Spitze aus. Andere typische Schaufeln besitzen mehrere gekrümmte Kühlpassagen oder gekrümmte Passagen, die fünf Passagen mit vier Kehren umfassen.
Schaufeln mit inneren serpentinenförmig verlaufenden Kühlpassagen werden in der Regel durch einen Feingussprozess hergestellt, der mit einem Keramikkern die individuellen internen Passagen definiert. Nach dem Gießen wird der Keramikkern durch einen Laugprozess aus der Schaufel entfernt. Die Filmkühlungslöcher an den Kanten und Seitenwänden der Schaufel werden dann durch einen Laserbohrprozess realisiert. Dieser Prozess beinhaltet vor dem eigentlichen Bohren das Einsetzen eines Gegen- oder Blockierungsmaterials, das die Laserstrahlung auf die gewünschten Orte der Filmkühlungslöcher begrenzt und eine Beschädigung der Passagenwände und anderer Innenoberflächen der Schaufel verhindert. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 854 005 A2 bekannt. Es verwendet ein Wachsmaterial als Blockiermaterial.
Ein weiterer geeigneter Bohrprozess könnte ein Ionenstrahlbohrprozess sein.
Während des Prozesses des Gießens der internen Passagen ist es wegen thermisch bedingter Deformationen, die durch unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten des Kerns und des umgebenden Metalls verursacht werden, oft schwierig, die Trennung der Passagen in den Kernen aufrechtzuerhalten.
Eine gegenwärtige Praxis zum Aufrechterhalten der Trennung der serpentinenförmig verlaufenden Kühlpassagen und zum Stützen des Kerns während des Gießprozesses nutzt konisch geformte Durchbrüche in dem Kern. Diese konischen Durchbrüche sind als Teil des Kerns ausgebildet und erstrecken sich vom Fußbereich durch eine Öffnung in der Wand der 180°-Kehre und in die Passagen. Nachdem das Teil gegossen worden ist und der Kern ausgelaugt worden ist, werden die konischen Durchbrüche mit einem kugelförmigen Stopfen abgeschlossen, der, wie in EP 1 267 040 A2 beschrieben, durch Hartlötung fixiert wird.
Schließlich wird auf die Turbinenschaufel eine Wärmedämmschicht (TBC - Thermal Barrier Coating) aufgetragen. Diese Schicht dient dazu, Komponenten vor größeren und längeren Hitzebelastungen zu isolieren, indem Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die eine nennenswerte Temperaturdifferenz zwischen den lasttragenden Legierungen und der Schichtoberfläche aushalten können. Die Wärmedämmschicht besteht oftmals aus drei Schichten: dem Metallsubstrat, einer metallischen Bondschicht und der TBC-Keramikdeckschicht. Die Keramikdeckschicht besteht in der Regel aus mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumoxid (YSZ), das wünschenswert ist, weil es eine sehr niedrige Leitfähigkeit besitzt, während es bei Nennarbeitstemperaturen stabil bleibt. Diese Keramikschicht erzeugt den größten Wärmegradienten des Wärmeisolationssystems und hält die unteren Schichten bei einer niedrigeren Temperatur als diejenige der Oberfläche. Nach dem Auftragen der Wärmedämmschicht ist nachfolgendes Schweißen und/oder Hartlöten auf wirtschaftliche Weise nicht mehr machbar.
Aus EP 1 267 040 A2 ist eine Schaufel bekannt, die serpentinenförmig verlaufende interne Kühlluftpassagen umfasst. Die Passagen stehen durch Kehren von etwa 180° untereinander in Fluidverbindung. Gemäß der Erfindung werden die Kehren nahe der Plattform der Schaufel, die eine sich radial nach innen erstreckende Passage mit einer sich radial nach außen erstreckenden Passage verbindet, durch eine Fußkehre realisiert, die durch die Passagenseitenwände definiert ist, die sich radial nach innen zu dem radial inneren Ende des Fußbereichs der Schaufel erstrecken, und durch eine Endplatte, die an den radial inneren Enden der Wände angebracht ist. Die Endplatte ist an die radial inneren Enden der Seitenwände der gekrümmten Passagen, die durch die Fußkehre vereinigt sind, geschweißt oder hartgelötet.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Turbinenschaufel, wobei mindestens eines der an der Fußsektion angeordneten Zufuhrlöcher für Kühlfluid durch eine Platte geschlossen ist, die keine nachfolgenden Hartlöt-/Schweißoperationen erfordert, was für die mechanischen Eigenschaften der Schaufel und/oder der Platte abträglich sein kann. Die Platte sollte entfernt werden können, um eine Untersuchung/Reinigung oder eine weitere Bearbeitung der Schaufel in Wartungsintervallen zu erleichtern. Weiterhin sollte sich die Erfindung sowohl auf neues wie auch auf existierendes Design von Schaufeln anwenden lassen, d. h. sowohl für neue wie auch für nachgerüstete Schaufeln.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel einer axial durchströmten Turbine bereitgestellt, das interne Passagen, z. B. Kühlfluidpassagen, umfasst, wobei sich radial nach außen erstreckende Passagen im Schaufelfußbereich Löchern aufweisen, wobei mindestens eines dieser Löcher von einer Platte bedeckt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz als durchgehender Schlitz ausgebildet ist und auf beiden Seiten des Tannenbaumfußes offen ist, so dass die Platte durch die Flanken der Rotornut der axial durchströmten Turbine entfernbar gesichert ist. Die sich radial nach außen erstreckenden Passagen mit Löchern sind allgemein Kern-Printouts, die dem Kern während des Gießprozesses Stabilität verleihen. Oftmals werden nicht alle dieser Kernöffnungen (Printouts) später zur Kühlluftzufuhr benötigt. Diese nicht benötigten Löcher müssen geschlossen werden, um das Funktionieren des Kühlsystems zu garantieren. Der sogenannte „Briefkastenschlitz“ zum Halten der Platte kann quer durch den unteren Teil der Fußsektion der Schaufel elektroerosiv bearbeitet werden (EDM - Electro Discharge Machined) und kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass die Platte über das zu schließende Loch bewegt wird, indem sie einfach in den Schlitz geschoben wird. Somit kann die Platte durch eine formschlüssige Verbindung entfernbar über dem zu bedeckenden Loch platziert werden. Dadurch kann der Schlitz leicht als ein durchgehender Schlitz hergestellt werden, d. h. er kann auf beiden Seiten des Schaufelfußes offen sein. Somit wird das an der Fußsektion angeordnete Loch für Kühlfluid durch eine einfache mechanische Einrichtung geschlossen, d. h. eine Platte, die keine nachfolgenden Hartlöt-/Schweißoperationen erfordert. Außerdem kann die Platte entfernt werden, um eine Untersuchung/Reinigung oder eine weitere Bearbeitung der Schaufel in Wartungsintervallen zu ermöglichen.
Weiterhin lässt sich die Erfindung auf neue oder existierende Designs von Schaufeln anwenden, d. h. sowohl für neue Produkte wie auch für nachgerüstete Schaufeln. Die vorliegende Erfindung kann für alle Turbinenschaufeln eingesetzt werden, die die Schließung eines Lochs erfordern, z. B. ein Kern-Printout oder ein Kernprofilausgang in dem Fußbereich.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Platte durch die Flanken des Turbinenrotors gegen unbeabsichtigtes Entfernen gesichert ist. Dies ist ein leichter, ausfallsicherer und kosteneffektiver Weg, um die Platte gegen unbeabsichtigtes Entfernen zu sichern. Eine typische Anwendung könnte beispielsweise die Niederdruckstufe einer Gasturbine sein, insbesondere einer stationären Gasturbine.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel dadurch gekennzeichnet, dass die Platte ein Öffnungsloch umfasst. Während die Platte gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein als Verschluss verwendet werden kann, kann sie auch als eine Blende mit einer Dosieröffnung verwendet werden. Somit kann die Platte eine doppelte Funktion aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus einer wärmebeständigen Legierung besteht, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist. Eine derartige Legierung kann beispielsweise Hastaloy X oder ähnliches sein.
Figurenliste
Eine umfassendere Würdigung der Erfindung und vieler der damit einhergehenden Vorteile werden ohne Weiteres erhalten werden, wenn selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:

1 eine Teildarstellung der Seitenansicht einer Turbinenschaufel mit einem Plattendeckel in dem Fußbereich gemäß einer ersten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 eine Schnittdarstellung entlang Linie A-A der Turbinenschaufel von 1;
3 eine Teildarstellung der Seitenansicht einer Turbinenschaufel mit einem Plattendeckel im Fußbereich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Teildarstellung der Vorderansicht der Turbinenschaufel von 3, in den Turbinenrotor eingesetzt;
5 eine Platte mit einem Öffnungsloch.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten identische oder entsprechende Teile bezeichnen. Die Zeichnungen dienen nur der Erläuterung der Erfindung.
1 zeigt in Teildarstellung eine Seitenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Schaufel 1 einer Gasturbine. Die Schaufel erstreckt sich von der Fußsektion 2 zu der nichtgezeigten Spitze und umfasst mehrere interne Passagen 4. Weiterhin zeigt 2 eine Schnittdarstellung der Turbinenschaufel 1 entlang der Linie A-A von 1. Eine Passage 4 erstreckt sich von dem kühlluftzufuhrloch 5 am Fuß 2 radial nach außen zu der Spitze. Kühlluft kann durch nichtgezeigte Kühlschlitze austreten. Das Loch 6 an dem Fuß 2 ist mit Hilfe einer Abdeckplatte 7 verschlossen, die durch Einsetzen in einen Schlitz 9, der in hinzugefügtes Material an dem Fuß 2 der Schaufel 1 eingearbeitet ist, entfernbar am Schaufelfuß 2 gesichert. Der Schlitz 9 ist als ein Blindschlitz 9 ausgeführt, wie aus 2 zu sehen ist, wo der Bereich des Blindschlitzes 9 ohne die Platte 7 gezeigt ist, wodurch das durch die Platte 7 zu bedeckende Loch 6 zu sehen ist.
3 zeigt in Teildarstellung eine Seitenansicht einer Turbinenschaufel 1 mit einem Plattendeckel 7 im Fußbereich 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt in Teildarstellung eine Vorderansicht der Turbinenschaufel 1 entlang der Linie B-B von 3. Im Gegensatz zu der ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform einen Schlitz 12, der ohne hinzugefügtes zusätzliches Material direkt in den Tannenbaumfuß 2 der Schaufel 1 eingearbeitet ist. Im Gegensatz zu der ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der die Platte 7 haltende Schlitz 12 weiterhin ein durchgehender Schlitz, wie in 4 am besten zu sehen ist. Der Tannenbaumfuß 2 ist in die aufnehmende Rotornut des Turbinenrotors 10 eingesetzt. Diese Anordnung hindert die Platte 7 effektiv daran, sich aus dem Schlitz 12 zu bewegen. In einem derartigen Fall ist keine zusätzliche Sicherung der Platte 7 erforderlich.
Schließlich zeigt 5 eine Perspektivansicht einer Platte 7 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Öffnungsloch 11. Auf diese Weise kann die Platte 7 als eine Strömungsblende verwendet werden. Die Platte 7 besitzt allgemein eine rechteckige Gestalt und abgerundete Kanten, um leicht innerhalb des Schlitzes 9 bewegt werden zu können. Auch kann das Entfernen der Platte 7 für Wartungsarbeiten leicht erreicht werden. Bei den vorliegenden Ausführungsformen besteht die Platte 7 aus einem Blech Hastaloy X und weist eine Dicke von etwa 0,1 mm bis 5 mm auf, insbesondere etwa 1 mm.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenschaufel
2: Fußsektion
4: interne Passage
5: Zufuhrloch
6: Loch
7: Platte
8: hinzugefügtes Material
9: Blindschlitz
10: Turbinenrotor
11: Öffnungsloch
12: durchgehender Schlitz

Claims

Schaufel einer axial durchströmten Turbine, umfassend interne Passagen (4) und einen Schaufelfuß (2), wobei sich die internen Passagen (4) radial nach außen erstrecken und mit Löchern (6) in dem Schaufelfuß (2) verbunden sind, wobei mindestens eines der Löcher (6) von einer Platte (7) bedeckt ist, wobei die Platte (7) in einem an dem Schaufelfuß (2) der Turbinenschaufel (1) angeordneten Schlitz (12)gehalten wird, wobei der Schaufelfuß (2) als Tannenbaumfuß (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz als durchgehender Schlitz (12) ausgebildet ist und auf beiden Seiten des Tannenbaumfußes (2) derart offen ist, dass die Platte (7) durch die Flanken der den Tannenbaumfuß (2) aufnehmenden Rotornut des Turbinenrotors (10) der axial durchströmten Turbine entfernbar gesichert ist.
Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Platte (7) ein Öffnungsloch (11) umfasst.
Schaufel einer axial durchströmten Turbine nach Anspruch 1, wobei die Platte (7) aus einer wärmebeständigen Legierung besteht, die aus einem Blechmaterial hergestellt ist.