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WO2009106462A1 - Turbinenschaufel für eine stationäre gasturbine - Google Patents

Turbinenschaufel für eine stationäre gasturbine Download PDF

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Publication number
WO2009106462A1
WO2009106462A1 PCT/EP2009/051909 EP2009051909W WO2009106462A1 WO 2009106462 A1 WO2009106462 A1 WO 2009106462A1 EP 2009051909 W EP2009051909 W EP 2009051909W WO 2009106462 A1 WO2009106462 A1 WO 2009106462A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
side wall
platform
rib
turbine blade
opening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/051909
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Michael Dankert
Günther WALZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to JP2010548075A priority Critical patent/JP4971507B2/ja
Priority to ES09713896T priority patent/ES2374520T3/es
Priority to PL09713896T priority patent/PL2245273T3/pl
Priority to US12/919,265 priority patent/US8602741B2/en
Priority to CN200980106674.7A priority patent/CN101960096B/zh
Priority to EP09713896A priority patent/EP2245273B1/de
Priority to AT09713896T priority patent/ATE531899T1/de
Publication of WO2009106462A1 publication Critical patent/WO2009106462A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • 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
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
    • F01D5/143—Contour of the outer or inner working fluid flow path wall, i.e. shroud or hub contour
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade for a stationary gas turbine, comprising at least one platform region, which comprises a platform with a platform surface on which a profiled in cross section airfoil is arranged with a pressure side wall and a suction side wall, wherein the hot gas exposable surfaces of the pressure side wall and the suction side wall each pass over an outer rounding in the platform surface and with at least one disposed in the blade, extending into the platform area cavity, in which at least one of the pressure side wall with the suction side wall connecting rib is provided, which along a longitudinal direction of the airfoil dividing dividing the cavity.
  • the aforementioned turbine blades have long been known. As a rule, they have an airfoil traversed by cavities, which cavities are separated from one another by ribs.
  • the ribs extend from the suction side wall to the pressure side wall and along the longitudinal direction of the airfoil, i. H. from the platform to the blade tip.
  • cast turbine blades have a transitional area between the blade leaf and the platform surface, which by means of a fillet-like rounding reduces the blade side walls, ie. H. the suction side wall and the pressure side wall, thickening in this area. In the transition region thus an accumulation of material is present, which also brings a jump in stiffness of the airfoil with it.
  • the blade is thus platform-stiffer than in its central region or blade tip side. Due to this jump in stiffness, it can become larger during operation
  • Blade usually distributed evenly and always centered between suction and pressure side, to ensure uniform cooling of the leading edge.
  • At least one of the fins arranged in the airfoil, at the level of the outer fillet, has a wall-proximate opening penetrating the rib in the case of an input turbine blade.
  • the opening is provided at the level of the outer rounding in the interior of the turbine blade in the rib arranged there. Close to the wall can mean that their position between the inner sides of the pressure side wall and the suction side wall is eccentric. As a result, the accumulation of material at the level of the outer rounding can be reduced. This simple constructive means leads to the equalization of the stiffness jump and to the reduction of the
  • an adaptation of a further rounding arranged between the rib and the side wall may be expedient.
  • mechanical loads are reduced.
  • the proposed measures can also be combined to the entering through the use of the near-wall opening
  • Compensate for changes to achieve an overall extended life of the turbine blade can be reduced with the invention, the burden of material accumulation and thus increase the life.
  • the inventive measure to provide in the rib at the level of the outer rounding a rib penetrating wall-near opening is easy to implement and can also be retrofitted in operationally loaded turbine blades, provided that the accessibility to the rib is ensured by the blade root.
  • the opening in the production of new parts can be easily achieved. are sufficient if the airfoil and the platform are cast in one piece and the casting core used for the production of the cavities in the casting device for the later present in the rib wall near opening is realized by a bore in the core.
  • the bore can also be used to stabilize the casting core and other so-called cross-over holes, which neither near the wall nor at the level of the outer rounding in a rib, which is arranged between the suction side wall and the pressure side wall, are provided, can be omitted.
  • An opening penetrating the rib is not only close to the wall when it is arranged eccentrically between the suction side wall and the pressure side wall, but also when it touches or intersects the side wall plane spanned by the inside of the suction side wall and / or pressure side wall.
  • the opening is round or oval. These openings can be produced particularly easily, in particular if the turbine blade has essentially been cast in one piece. A casting core must then have only a corresponding hole at the appropriate location.
  • the service life of a turbine blade according to the preamble of claim 1 can also be extended by the fact that the platform-side rib end extends longer or shorter on the inside of the pressure side wall than on the inside of the suction side wall.
  • the turbine blade according to the second embodiment can have a platform surface which is part of an imaginary platform plane which extends through the cavity, wherein the platform-side end of the rib lies on the pressure side on the one hand the platform plane and on the suction side on the other hand the platform plane.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a turbine blade according to the invention with a schematically illustrated airfoil
  • FIG 2 shows the detail Z as a detail of the turbine blade according to the invention according to FIG 1 in a perspective view
  • FIG. 1 shows a perspective view of a turbine blade 10 for a stationary gas turbine.
  • the turbine blade 10 according to FIG. 1 is designed as a rotor blade. However, the invention can also be applied in guide vanes of a stationary gas turbine.
  • the cast, one-piece turbine blade 10 comprises along a longitudinal direction 12 a blade root 14, to which a platform region 16 adjoins.
  • the platform region 16 essentially comprises a platform 18 having a platform surface 20.
  • the platform surface 20 is substantially planar and thus
  • a profiled in cross-section blade 24 is arranged on the platform surface 20 .
  • the airfoil 24 is supported by a pressure tenwand 26 and a suction side wall 28 are formed, which extend from a common front edge 30 to a common trailing edge 32 and thereby merge into each other both at the front edge 30 and at the trailing edge 32.
  • the surfaces of the suction side wall 28, the pressure side wall 26 and the platform surface 20 are flowed around by a hot gas of the gas turbine. Both the pressure side wall 26 and the suction side wall 28 merge into the platform 18 via a hollow groove-like circumferential rounding 34.
  • the mixing fertil 34 and the transition region is also known as fillet.
  • Each rib 36 extends, at least within the airfoil 24, along its longitudinal direction 12. In FIG. 1, only one stub of the airfoil 24 is shown. The complete blade up to the blade tip is indicated only by a dashed line.
  • FIG. 2 shows the detail Z of the turbine blade 10 according to FIG. 1 in a perspective view, wherein, for reasons of clarity, insignificant elements in the direction of the front edge 30 and the trailing edge 32 are hidden.
  • FIG. 2 shows in detail the features already described for FIG. 1: the platform surface 20, the pressure side wall 26, the suction side wall 28, the platform 18, the rib 36 and the rounding 34.
  • a rib 36 penetrating wall-near opening 40 is provided in the rib 36 - viewed along the longitudinal direction 12 of the blade leaf 24 - at the level of the outer rounding 34.
  • the near-wall opening 40 is executed in the embodiment shown around.
  • An oval opening 40 is possible.
  • the opening 40 is arranged with respect to an inner side 42 of the pressure side wall 26 such that the sidewall plane 44 spanned by it is cut by the opening 40. This results in the area of the outer rounding 34 a material reduction, which with the reference numeral 46 is shown hatched.
  • the effect of the invention can also be achieved with a turbine blade 10, in which the web 50 is not present.
  • the detail Z shown in FIG. 3 essentially corresponds to the detail mentioned in FIG. 2 and will therefore not be described in more detail here.
  • Identical features are provided with identical reference numerals in FIG.
  • no completely surrounded by material opening 40 of the rib 36 is provided.
  • the rib 36 ends platform on a non-uniform height with respect to the longitudinal extent of the turbine blade 10.
  • a recess is provided instead of the opening 40.
  • the platform-side rib end extends on the inside 42 of the pressure side wall 26 less far than the arranged on the inside 43 of the suction side wall 28 fin end.
  • the platform surface 20 is part of an imaginary platform plane 22 which extends through the cavity.
  • the platform-side end of the rib 36 on the pressure side on the one hand ie above (blade tip side) of the platform level 22 and suction side on the other hand, ie below (blade foot side) of the platform level 22.
  • An inverted arrangement of the rib ends is also possible, in which the platform side terminates the pressure-side end of the rib below and the suction-side end of the rib above the platform plane.
  • the manner of the course of the platform-side rib end from the pressure side 26 to the suction side 28 can be designed as desired.
  • the course may for example be rectilinear or, as shown in the embodiment shown 3, convex / concave.
  • a further rounding 41 which in the transition from the rib 36 to the inner wall 42, 43 of the pressure side wall 26 and / or suction sidewall 28 is present.
  • the adaptation leads to different radii Rl, R2 for the further rounding 41 at different positions along the longitudinal extent 12 of the airfoil 24.
  • the radius Rl of the further rounding 41 can be greater at the level of the outer rounding 34 than the radius R2 of the further rounding 41 the mean height of the airfoil 24th
  • the opening 40 or recess is provided on the pressure side wall.
  • the opening 40 or the recess according to the invention can be arranged on the suction side, since higher hot gas and material temperatures occur in the corresponding regions.
  • the recessed recess at the level of the outer fillet 34 may also extend beyond the region of the rib 36 along the inner side 42, 43, so that the recess is arranged on the inside also in the section of the transition region where no rib 36 engages the side walls 26 , 28 is supported.
  • the recess deepens each associated spanned sidewall plane of the side walls 26, 28 in a hollow throat, whereby a mass reduction can also be achieved in the portion of the outer rounding 34, in which no rib 36 is arranged.
  • This recess can also be used in a turbine blade formed according to FIG.
  • stress reductions can thus be achieved, which causes cracking and possibly crack growth to occur further delayed in this section of the transition region.
  • the invention relates to a turbine blade 10 for a stationary gas turbine, which has a hollow airfoil 24, in which at least one inside the inside of the Drucktown- 26 and the suction side wall 28 supporting rib 36 is present in the extension of the life of the turbine blade 10th at the level of the outer rounding 34 between the side wall 26, 28 and platform surface 20 a rib 36 penetrating wall-near opening 40 is provided.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) für eine stationäre Gasturbine, welche ein hohles Schaufelblatt (24) aufweist, in dem im Innern zumindest eine die Druckseitenwand (26) und die Saugseitenwand (28) einander abstützende Rippe (36) vorhanden ist, in der zur Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel (10) auf Höhe der äußeren Verrundung (34) zwischen Seitenwand (26), (28) und Plattformoberfläche (20) eine die Rippe (36) durchdringende wandnahe Öffnung (40) vorgesehen ist. Mittels der Öffnung (40) werden Materialanhäufungen im Übergangsbereich vermieden bzw. die Anhäufung wird im Vergleich ohne Öffnung (40) reduziert, wodurch Steifigkeitssprünge und die damit einhergehenden größeren Temperaturgradienten vermieden werden können.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine, mit zumindest einem Plattformbereich, welcher eine Plattform mit einer Plattformoberfläche umfasst, an der ein im Querschnitt profiliertes Schaufelblatt mit einer Druckseitenwand und einer Saugseitenwand angeordnet ist, wobei die einem Heißgas aussetzbaren Oberflächen der Druckseitenwand und der Saugseitenwand jeweils über eine äußere Verrundung in die Plattformoberfläche übergehen und mit zumindest einen im Schaufelblatt angeordneten, sich bis in den Plattformbereich erstreckenden Hohlraum, in den zumindest eine die Druckseitenwand mit der Saugseitenwand verbindende Rippe vorgesehen ist, welche entlang einer Längsrichtung des Schaufelblatts erstreckend den Hohlraum unterteilt.
Aus dem Stand der Technik sind vorgenannte Turbinenschaufeln längst bekannt. Sie weisen in der Regel ein von Hohlräumen durchzogenes Schaufelblatt auf, welches Hohlräume untereinander durch Rippen getrennt sind. Die Rippen erstrecken sich von der Saugseitenwand zur Druckseitenwand und entlang der Längsrichtung des Schaufelblatts, d. h. von der Plattform bis zur Schaufelspitze. Gegossene Turbinenschaufeln weisen dabei einen Übergangsbereich zwischen Schaufelblatt und Plattformoberfläche auf, welcher durch eine hohlkehlartige Verrundung die Schaufelseitenwände, d. h. die Saugseitenwand und die Druckseitenwand, in diesem Bereich aufdickt. Im Übergangsbereich ist somit eine Materialanhäufung vorhanden, welche auch einen Steifigkeitssprung des Schaufelblatts mit sich bringt. Das Schaufelblatt ist somit plattformseitig steifer als in seinem mittleren Bereich oder schaufelspitzenseitig. Aufgrund dieses Steifigkeitssprungs kann es im Betrieb zu größeren
Temperaturgradienten kommen, die hohe Wärmespannungen hervorrufen und damit die Lebensdauer der Turbinenschaufel begrenzen . Um Folgeschäden in der Gasturbine, in der eine derartige Turbinenschaufel eingesetzt und bei Betrieb verwendet wird, durch sich von der Turbinenschaufel ablösende Bruchstücke zu vermeiden, wird die Turbinenschaufel nach dem Erreichen einer vorab bestimmten, maximalen Lebensdauer ausgetauscht.
Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, die Lebensdauer zumindest teilweise dadurch zu verlängern, in dem in den Be- reichen von Steifigkeitssprüngen eine dickere Wärmedämmschicht aufgebracht wird, als in den Bereichen ohne derartige Materialanhäufungen. Damit lassen sich die Temperaturgradienten reduzieren.
Daneben ist aus der EP 1 420 142 Al eine Gasturbinenschaufel bekannt, deren von einem Heißgas anströmbare Vorderkante prallgekühlt ist. Die dazu erforderlichen Prallkühlöffnungen sind in einer Rippe angeordnet, welche das Schaufelblatt zwischen Saug- und Druckseitenwand abstützt. Die Prallkühlöffnungen sind dabei über die Höhe des
Schaufelblatts zumeist gleichmäßig verteilt und stets mittig zwischen Saug- und Druckseite angeordnet, um eine gleichmäßige Kühlung der Vorderkante zu gewährleisten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Turbinenschaufel für eine stationäre Gasturbine bereitzustellen, welche eine verlängerte Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Erfindung sieht vor, dass bei einer Eingangs genannten Turbinenschaufel zumindest eine der im Schaufelblatt angeordneten Rippen auf Höhe der äußeren Verrundung eine die Rippe durchdringende wandnahe Öffnung aufweist.
Die Öffnung ist auf Höhe der äußeren Verrundung im Innern der Turbinenschaufel in der dort angeordneten Rippe vorgesehen. Wandnah kann dabei bedeuten, dass ihre Lage zwischen den Innenseiten von Druckseitenwand und Saugseitenwand außermittig ist. Hierdurch kann die Materialanhäufung auf Höhe der äußeren Verrundung verringert werden. Dieses einfache konstruktive Mittel führt zur Angleichung des Steifigkeitssprungs und zur Reduzierung des
Temperaturgradienten in der dann reduzierten Materialanhäufung. Gegebenenfalls sind zusätzlich die von der Öffnung hervorgerufenen Auswirkungen auf das Kühlluftsystem der Turbi- nenschaufel sowie auf die Spannungsüberhöhung um der Öffnung herum zu beachten. Gleiches gilt für die so genannte Kriechlebensdauer in Folge des reduzierten, tragenden Querschnitts der Rippe und die möglicherweise veränderten Eigenfrequenzen aufgrund der dann fehlenden Masse. Dementsprechend kann es sinnvoll sein, eine ovale Öffnung mit einer geeigneten Orientierung vorzusehen. Auch kann die Verlängerung der Rippe bis in den Plattformbereich und darüber hinaus bis an den Fußoder Befestigungsbereich der Turbinenschaufel sinnvoll sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Anpassung einer zwischen Rippe und Seitenwand angeordneten weiteren Verrundung sinnvoll sein. Hierdurch werden mechanische Belastungen verringert. Selbstverständlich können die vorgeschlagenen Maßnahmen auch kombiniert werden, um die durch die Verwendung der wandnahen Öffnung eintretenden
Änderungen zu kompensieren, um insgesamt eine verlängerte Lebensdauer der Turbinenschaufel zu erreichen. Insgesamt lässt sich mit der Erfindung die Belastung an der Materialanhäufung reduzieren und somit die Lebensdauer erhöhen.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, in der Rippe auf Höhe der äußeren Verrundung eine die Rippe durchdringende wandnahe Öffnung vorzusehen, ist einfach realisierbar und kann auch nachträglich in betriebsbeanspruchten Turbinenschaufeln nachgerüstet werden, sofern die Zugänglichkeit zur Rippe durch den Schaufelfuß gewährleistet ist. Andererseits kann die Öffnung bei der Fertigung von Neuteilen in einfacher Weise er- reicht werden, wenn das Schaufelblatt und die Plattform in einem Stück gegossen sind und der zur Herstellung der Hohlräume in der Gießvorrichtung verwendete Gusskern für die später in der Rippe vorhandene wandnahe Öffnung durch eine im Kern vorhandene Bohrung realisiert wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Bohrung auch zur Stabilisierung des Gusskerns benutzt werden kann und andere so genannte Cross- Over-Holes, welche weder wandnah noch auf Höhe der äußeren Verrundung in einer Rippe, welche zwischen der Saugseitenwand und der Druckseitenwand angeordnet ist, vorgesehen sind, entfallen können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine die Rippe durchdringende Öffnung ist nicht nur dann wandnah, wenn sie außermittig zwischen Saugseitenwand und Druckseitenwand angeordnet ist, sondern auch dann, wenn sie die von der Innenseite der Saugseitenwand und/oder Drucksei- tenwand aufgespannte Seitenwandebene tangiert oder schneidet.
Zweckmäßiger Weise ist die Öffnung rund oder oval. Diese Öffnungen lassen sich besonders einfach herstellen, insbesondere wenn die Turbinenschaufel im Wesentlichen in einem Stück ge- gössen ist. Ein Gusskern muss dann an der entsprechenden Stelle lediglich eine entsprechende Bohrung aufweisen.
Gemäß einer zu Anspruch 1 alternativen Lösung kann die Lebensdauer einer dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspre- chenden Turbinenschaufel auch dadurch verlängert werden, dass das plattformseitige Rippenende sich an der Innenseite der Druckseitenwand länger oder kürzer erstreckt als an der Innenseite der Saugseitenwand.
Darunter ist anstelle der die Rippe durchdringenden wandnahen Öffnung eine Aussparung verstanden. D. h. die Öffnung ist nicht vollumfänglich mit Rippenmaterial umgeben. Auch mit einer derartig ausgestatteten Turbinenschaufel kann die Mas- seanhäufung im Übergangsbereich lokal verringert werden. Die Turbinenschaufel gemäß der zweiten Ausgestaltung kann in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Plattformoberfläche aufweisen, die Teil einer gedachten Plattformebene ist, wel- che sich durch den Hohlraum erstreckt, wobei das plattform- seitige Ende der Rippe druckseitig einerseits der Plattformebene und saugseitig andererseits der Plattformebene liegt.
Weiter Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft sein.
FIG 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit einem schematisch dargestellten Schaufelblatt,
FIG 2 zeigt das Detail Z als Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel gemäß FIG 1 in perspektivischer Darstellung und
FIG 3 zeigt das Detail Z mit einer alternativen Lösung.
FIG 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinenschaufel 10 für eine stationäre Gasturbine. Die Turbinenschaufel 10 gemäß FIG 1 ist als Laufschaufei ausgebildet. Die Erfindung kann jedoch auch in Leitschaufeln einer stationären Gasturbine angewendet werden. Die gegossene, einstückige Turbinenschaufel 10 umfasst entlang einer Längsrichtung 12 einen Schaufelfuß 14, an dem sich ein Plattformbereich 16 anschließt. Der Plattformbereich 16 umfasst im Wesentlichen eine Plattform 18 mit einer Plattformoberfläche 20. Die Plattformoberfläche 20 ist im Wesentlichen plan und somit
Teil einer gedachten Plattformebene 22. An der Plattformoberfläche 20 ist ein im Querschnitt profiliertes Schaufelblatt 24 angeordnet. Das Schaufelblatt 24 wird von einer Drucksei- tenwand 26 und einer Saugseitenwand 28 gebildet, die sich von einer gemeinsamen Vorderkante 30 zu einer gemeinsamen Hinterkante 32 erstrecken und dabei sowohl an der Vorderkante 30 als auch an der Hinterkante 32 ineinander übergehen. Die Oberflächen der Saugseitenwand 28, der Druckseitenwand 26 sowie die Plattformoberfläche 20 sind dabei von einem Heißgas der Gasturbine umströmbar. Sowohl die Druckseitenwand 26 als auch die Saugseitenwand 28 gehen über eine hohlkehlartige umlaufende Verrundung 34 in die Plattform 18 über. Die Verrun- düng 34 bzw. der Übergangsbereich ist auch als Fillet bekannt .
Der von den Seitenwänden 26, 28 umgebende Hohlraum wird durch mehrere Rippen 36, in Teilhohlräume unterteilt. Jede Rippe 36 erstreckt sich, zumindest innerhalb des Schaufelblatts 24, entlang dessen Längsrichtung 12. In FIG 1 ist lediglich ein Stummel des Schaufelblatts 24 gezeigt. Das vollständige Schaufelblatt bis hin zur Schaufelspitze ist lediglich durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
FIG 2 zeigt das Detail Z der Turbinenschaufel 10 gemäß FIG 1 in einer perspektivischen Darstellung, wobei aus Klarheitsgründen unwesentliche Elemente in Richtung zur Vorderkante 30 und Hinterkante 32 ausgeblendet sind. FIG 2 zeigt im Detail die bereits zu FIG 1 beschriebenen Merkmale: die Plattformoberfläche 20, die Druckseitenwand 26, die Saugseitenwand 28, die Plattform 18, die Rippe 36 und die Verrundung 34.
Gemäß der Erfindung ist in der Rippe 36 - entlang der Längs- richtung 12 des Schaufelblattes 24 betrachtet - auf Höhe der äußeren Verrundung 34 eine die Rippe 36 durchdringende wandnahe Öffnung 40 vorgesehen. Die wandnahe Öffnung 40 ist in der gezeigten Ausgestaltung rund ausgeführt. Auch eine ovale Öffnung 40 ist möglich. Die Öffnung 40 ist in Bezug auf eine Innenseite 42 der Druckseitenwand 26 derart angeordnet, dass die von ihr aufgespannte Seitenwandebene 44 von der Öffnung 40 geschnitten wird. Hierdurch entsteht im Bereich der äußeren Verrundung 34 eine Materialreduzierung, welche mit dem Bezugszeichen 46 versehen schraffiert dargestellt ist. Aufgrund der Materialreduzierung im Bereich der äußeren Verrundung 34 im Inneren der Turbinenschaufel 10 kann ein Steifigkeitssprung vermieden werden, da die Massenzunahme im Bereich der äußeren Verrundung 34 aufgrund der durch die Öffnung 40 vorhandenen Aussparung zumindest teilweise kompensiert ist. Aufgrund der in der Rippe 36 vorhandenen Öffnung 40 verbleibt - bezogen auf das Rippenende 48 - ein die Saugseitenwand 28 mit der Druckseitenwand 26 verbindender Steg 50.
Die erfindungsgemäße Wirkung kann auch mit einer Turbinenschaufel 10 erreicht werden, bei der der Steg 50 nicht vorhanden ist. Dies führt zu einer alternativen Turbinenschaufel 10, deren Detail Z in FIG 3 dargestellt ist. Das in FIG 3 gezeigte Detail Z entspricht im Wesentlichen dem in FIG 2 genannten Detail und wird daher hier nicht näher beschrieben. Identische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen in FIG 3 versehen. Im Unterschied zu FIG 2 ist keine vollständig von Material umgebene Öffnung 40 ist der Rippe 36 vorgesehen. Stattdessen endet die Rippe 36 plattformseitig auf einer nicht einheitlichen Höhe bezogen auf die Längserstreckung der Turbinenschaufel 10. Somit ist anstelle der Öffnung 40 eine Aussparung vorgesehen. Derjenige Teil der Rippe 36, welcher unmittelbar an der Innenseite 43 der Saugseitenwand 28 angeordnet ist, endet in Längsrichtung der Schaufelachse 12 gesehen, an einer anderen Stelle als derjenige Teil der Rippe 36, welcher unmittelbar an der Innenseite 42 der Druckseitenwand 26 angeordnet ist. Mit anderen Worten: Das plattformseitige Rippenende erstreckt sich an der Innenseite 42 der Druckseitenwand 26 weniger weit als das an der Innenseite 43 der Saugseitenwand 28 angeordnete Rippenende. Eine unnötige Masseanhäufung, die zu einem unnötigen Steifigkeitssprung führt, kann somit zumindest für den druckseitigen Abschnitt der äußeren Verrundung 34 vermieden werden.
Die Plattformoberfläche 20 ist Teil einer gedachten Plattformebene 22, welche sich durch den Hohlraum erstreckt. Vor- zugsweise ist das plattformseitige Ende der Rippe 36 druckseitig einerseits, d. h. oberhalb (schaufelspitzseitig) der Plattformebene 22 und saugseitig andererseits, d. h. unterhalb (schaufelfußseitig) der Plattformebene 22 angeordnet. Auch eine umkehrte Anordnung der Rippenenden ist möglich, bei der plattformseitig das druckseitige Ende der Rippe 34 unterhalb und das saugseitige Ende der Rippe 34 oberhalb der Plattformebene 22 endet. Die Art und Weise des Verlaufs des plattformseitigen Rippenendes von der Druckseite 26 zur Saug- seite 28 kann dabei beliebig ausgebildet sein. Der Verlauf kann beispielsweise geradlinig sein oder, wie in der FIG 3 gezeigten Ausgestaltung, konvex/konkav. Um durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Öffnung 40 oder Aussparung entstehenden Auswirkungen auf das Kühlluftsystem sowie auf die Spannungssituation in der Öffnung 40 zu beachten, kann vorzugsweise auch eine weitere Verrundung 41, welche im Übergang von Rippe 36 zur Innenwand 42, 43 der Druckseitenwand 26 und/oder Saugseitenwand 28 vorhanden ist, angepasst werden. Die Anpassung führt zu unterschiedlichen Radien Rl, R2 für die weitere Verrundung 41 an unterschiedlichen Positionen entlang der Längserstreckung 12 des Schaufelblattes 24. Der Radius Rl der weiteren Verrundung 41 kann auf Höhe der äußeren Verrundung 34 größer sein als der Radius R2 der weiteren Verrundung 41 auf der mittleren Höhe des Schaufelblatts 24.
Sofern die Rippen 36 im mittleren Bereich zwischen Vorderkante 30 und Hinterkante 32 des Schaufelblattes 24 angeordnet ist, ist die Öffnung 40 oder Aussparung druckseitenwandig vorgesehen. Befindet sich die Rippe 36 jedoch vergleichsweise nahe an der Vorderkante 30 oder vergleichsweise nahe an der Hinterkante 32, so kann die Öffnung 40 oder die erfindungsgemäße Aussparung saugseitenwandig angeordnet sein, da in den entsprechenden Bereichen höhere Heißgas- und Materialtempera- turen auftreten.
Die von der Öffnung 40 in der Innenseite 42 der Druckseitenwand 26 resp. der Innenseite 43 der Saugseitenwand 28 hervor- gerufene Ausnehmung auf Höhe der äußeren Verrundung 34 kann sich entlang der Innenseite 42, 43 auch über den Bereich der Rippe 36 hinaus weiter erstrecken, so dass die Ausnehmung innenseitig auch in dem Abschnitt des Übergangsbereichs ange- ordnet ist, wo keine Rippe 36 die Seitenwände 26, 28 abstützt. Die Ausnehmung vertieft die jeweils zugehörige aufgespannte Seitenwandebene der Seitenwände 26, 28 hohlkehlartig, wodurch eine Massereduzierung auch in dem Abschnitt der äußeren Verrundung 34 erreicht werden kann, in der keine Rippe 36 angeordnet ist. Diese Ausnehmung kann auch bei einer gemäß FIG 3 ausgebildeten Turbinenschaufel verwendet werden. Auch hier können somit erfindungsgemäß Spannungsreduzierungen erreicht werden, welches Rissentstehung und ggf. Risswachstum in diesen Abschnitt des Übergangsbereichs weiter verzögert eintreten lässt.
Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel 10 für eine stationäre Gasturbine, welche ein hohles Schaufelblatt 24 aufweist, in dem im Innern zumindest eine die Druckseiten- wand 26 und die Saugseitenwand 28 einander abstützende Rippe 36 vorhanden ist, in der zur Verlängerung der Lebensdauer der Turbinenschaufel 10 auf Höhe der äußeren Verrundung 34 zwischen Seitenwand 26, 28 und Plattformoberfläche 20 eine die Rippe 36 durchdringende wandnahe Öffnung 40 vorgesehen ist. Mittels der Öffnung 40 werden Materialanhäufungen im Übergangsbereich vermieden bzw. die Anhäufung wird im Vergleich ohne Öffnung 40 reduziert, wodurch Steifigkeitssprünge und die damit einhergehenden größeren Temperaturgradienten vermieden werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel (10) für eine stationäre Gasturbine, mit einem Befestigungsbereich und einem sich daran anschließenden Plattformbereich (16), welcher eine Plattform (18) mit einer Plattformoberfläche (20) umfasst, an der ein im Querschnitt profiliertes Schaufelblatt (24) mit einer Druckseitenwand (26) und einer Saugseitenwand (28) angeord- net ist, wobei die einem Heißgas aussetzbaren Oberflächen der Druckseitenwand (26) und der Saugseitenwand (28) jeweils über eine äußere Verrundung (34) in die Plattformoberfläche (20) übergehen, mit zumindest einem im Schaufelblatt (24) angeordneten, sich bis in den Plattformbereich (16) erstreckenden Hohlraum, in dem zumindest eine die Druckseitenwand (26) mit der Saugseitenwand (28) verbindende Rippe (36) vorgesehen ist, welche sich entlang einer Längsrichtung (12) des Schaufelblatts (24) erstreckend den Hohlraum unterteilt, wobei in der Rippe (36) auf Höhe der äußeren Verrundung (34) eine die Rippe (36) durchdringende Öffnung (40) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (40) wandnah angeordnet ist.
2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, bei der die Öffnung (40) teilweise die von der Innenseite (42, 43) der Saugseitenwand (28) und/oder Druckseitenwand (26) aufgespannte Seitenwandebene (44) tangiert oder schneidet .
3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Öffnung (40) rund oder oval ist.
4. Turbinenschaufel (10) nach dem Oberbegriff von Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass das plattformseitige Rippenende sich an der Innenseite (42) der Druckseitenwand (26) länger (oder kürzer) erstreckt als an der Innenseite (43) der Saugseitenwand (28) .
5. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 4, dass die Plattformoberfläche (30) Teil einer gedachten Plattformebene (22) ist, welche sich durch den Hohlraum erstreckt und dass das plattformseitige Ende der Rippe (36) druckseitig einerseits der Plattformebene (22) liegt und saugseitig andererseits der Plattformebene (22) liegt.
6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Rippe (36) in die Innenseite (43) der Saugseitenwand (28) und/oder in die Innenseite (42) der Druckseitenwand (26) über eine weitere Verrundung (41) übergeht, wobei die weitere Verrundung (41) auf Höhe der Plattform (18) einen anderen Radius (Rl) als auf der mittleren Höhe des Schaufelblattes (24) aufweist.
7. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 6, bei der ein Übergang der weiteren Verrundung (41) auf unterschiedlich große Radien (Rl, R2) fließend ist.
8. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Schaufelblatt (24) und Plattform (18) in einem Stück gegossen sind.
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