EP2828484B2

EP2828484B2 - Turbinenschaufel

Info

Publication number: EP2828484B2
Application number: EP13714573.6A
Authority: EP
Inventors: Martin Schnieder; Sergey Shchukin
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2024-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: EP2828484A1; CA2867960A1; CN104204412A; JP2015511678A; US9932836B2; WO2013139926A1; CN104204412B; EP2828484B1; JP6169161B2; US20150004001A1

Description

Technisches Gebiet

Die Offenbarung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel für eine Strömungsrotationsmaschine mit einem Schaufelblatt, das von einer konkaven Druck- und einer konvexen Saugseitenwand begrenzt ist, die einen Hohlraum einschließen, der von der Druck- und Saugseitenwand sowie von einer sich in Längsrichtung erstreckenden, die Saug- und die Druckseitenwand inwandig verbindenden Zwischenwand begrenzt ist.

Stand der Technik

Turbinenschaufeln der vorstehend genannten Gattung stellen hitzebeständige Bauteile dar, die insbesondere innerhalb von Turbinenstufen von Gasturbinenanordnungen eingesetzt werden und in Form von Leit- oder Laufschaufeln den unmittelbar aus der Brennkammer austretenden Heißgasen ausgesetzt sind.
Die Hitzebeständigkeit derartiger Turbinenschaufeln rührt einerseits von der Verwendung hitzebeständiger Materialien und andererseits von einer höchst effizienten Kühlung der den Heißgasen unmittelbar ausgesetzten Turbinenschaufeln her, die zu Zwecken einer kontinuierlichen Durchströmung und Beaufschlagung mit einem Kühlmittel, vorzugsweise von Kühlluft, über entsprechende Hohlräume verfügen, die an ein Kühlmittelspeisesystem der Gasturbinenanordnung angeschlossen sind, das zur Kühlung sämtlicher hitzeexponierten Gasturbinenkomponenten Kühlluft während des Gasturbinenbetriebes, so insbesondere den Turbinenschaufeln, zur Verfügung stellt.
Herkömmliche Turbinenschaufeln verfügen über einen Schaufelfuß, an den sich radialwärts mittel- oder unmittelbar das Schaufelblatt anschließt, das eine konkav geformte Druckseitenwand sowie eine konvex geformte Saugseitenwand besitzt, die sich im Bereich der Schaufelvorderkante einstückig verbinden und zwischen denen ein Zwischenraum begrenzt ist, der zu Kühlzwecken von Seiten des Schaufelfußes mit Kühlluft versorgt wird. Der Begriff "radialwärts" bezeichnet hierbei die Turbinenschaufelerstreckung im montierten Zustand innerhalb der Gasturbinenanordnung, die radial zur Rotationsachse der Rotoreinheit orientiert ist. Um die Kühlluftzufuhr und -verteilung innerhalb des zwischen der Saugseiten- und Druckseitenwand eingeschlossenen Zwischenraumes für eine optimierte Kühlung der Turbinenschaufel vorzunehmen, ist der Zwischenraum mit radial verlaufenden Zwischenwänden versehen, die jeweils radial innerhalb des Schaufelblattes orientierte Hohlräume voneinander abgrenzen, von denen einige über fluidische Verbindungen verfügen. An geeigneten Stellen längs der Hohlräume sind Durchtrittsöffnungen in der Saug- oder Druckseitenwand, im Bereich der Turbinenschaufelvorder- und/oder -hinterkante oder an der Turbinenschaufelspitze vorgesehen, so dass die Kühlluft nach Aussen in den Heissgaskanal der Turbinenstufe entweichen kann.
Eine zu Kühlzwecken optimierte Gasturbinenschaufel ist der EP 1 319 803 A2 zu entnehmen, die innerhalb des Turbinenschaufelblattes eine Vielzahl radial orientierte Kühlkanalhohlräume vorsieht, die jeweils mäanderförmig fluidisch verbunden sind und nach Maßgabe unterschiedlich stark hitzebelasteter Schaufelblattbereiche mit mehr oder weniger Kühlluft durchströmt werden. Insbesondere gilt es den Bereich der Schaufelvorderkante, der die größte Strömungs- und Hitzeexposition der Heißgase erfährt in besonders effizienter Weise zu kühlen. Hierzu erstreckt sich innwandig längs zur Schaufelvorderkante ein Hohlraum, der von der Saug- und Druckseitenwand, die sich an der Schaufelvorderkante vereinen sowie von einer Zwischenwand, die innwandig die Saug- und Druckseite miteinander verbindet, begrenzt wird und der von Seiten des Schaufelfusses mit Kühlluft gespeist wird. Üblicherweise gelangt die durch den Hohlraum strömende Kühlluft im Bereich der Schaufelblattspitze nach außen. Um den Wärmeübergang zwischen der Schaufelblattwand und der den Hohlraum durchströmenden Kühlluft zu verbessern, sind darüber hinaus längs der den Hohlraum einschließenden Wandbereiche, die Kühlluftströmung verwirbelnde Strukturen vorgesehen.
Eine weitere bevorzugte Kühlung des Schaufelvorderkantenbereiches einer Turbinenschaufel ist in der US 5,688,104 beschrieben. Längs der Schaufelvorderkante verläuft ein Hohlraum, der zum einen von der Saug- und Druckseitenwand, die sich an der Schaufelvorderkante vereinen, sowie von einer Zwischenwand, die die Saug- und Druckseitenwand innerhalb des Schaufelblattes starr miteinander verbindet, begrenzt ist. Der längs der Schaufelvorderkante verlaufende Hohlraum wird mit Kühlluft gespeist, die ausschließlich durch innerhalb der Zwischenwand vorgesehene Kühlkanalöffnungen in den Hohlraum eintritt. Die geradlinig ausgebildete Zwischenwand ist in radialer Längserstreckung mit einer Vielzahl einzelner Durchgangskanäle versehen, durch die Kühlluft aus einem angrenzenden radial verlaufenden Kühlkanal längs des Schaufelblattes in Form einer Prallkühlung in Richtung der Schaufelvorderkante innerhalb des vorstehend bezeichneten Hohlraums eintritt. Zur Ausleitung der in den Hohlraum eingebrachten Kühlluft sind jeweils längs der Schaufelvorderkante zur Saug- und Druckseitenaußenwand gerichtete Filmkühlöffnungen vorgesehen, durch die die innerhalb des Hohlraumes eingebrachte Kühlluft unter Ausbildung einer Filmkühlung jeweils an der Druck- sowie Saugseitenaußenwand ausgebracht wird.
Um die Kühlwirkung insbesondere der Schaufelvorderkante einer Turbinenschaufel zu verbessern, bietet es sich mit den bekannten Kühltechniken an, einerseits die Kühlluftzuführung zu steigern, andererseits die Kühlmechanismen der Prallkühlung zu optimieren.
Turbinenschaufeln, die zu Zwecken einer optimierten Hitzebeständigkeit insbesondere im Bereich der Schaufelvorderkante über die vorstehend erläuterten Kühlmaßnahmen verfügen, zeigen jedoch im Schaufelvorderkantenbereich längs der Druck- und Saugseitenwand häufig Ermüdungserscheinungen, die im Endstadium durch Rissbildung in Erscheinung treten. Der Grund für derartige Rissbildungen liegt im Auftreten von thermomechanischen Spannungen innerhalb der Saug- und Druckseitenwand im Schaufelvorderkantenbereich, die durch hohe Temperaturunterschiede zwischen der Heißgasbeaufschlagten Schaufelvorderkante und den Kühlluftbeaufschlagten inneren Wandbereichen des Schaufelblattes herrühren. Insbesondere im Falle transienter Betriebszustände der Gasturbinenanordnung, wie sie beim Anfahren oder bei Lastwechseln in der Turbinenstufe auftreten, können Temperaturunterschiede zwischen der Heißgasbeaufschlagten Schaufelvorderkante und den mit Kühlluft beaufschlagten Zwischen- und Innenwandabschnitten von ca. 1000°C auftreten. Es liegt auf der Hand, dass bei derart großen Temperaturunterschieden erhebliche thermomechanische Spannungen innerhalb der Saugseiten- und Druckseitenwand längs der Schaufelvorderkante auftreten, die zu erheblichen Materialbelastungen, wie vorstehend erwähnt, führen.
Aus der EP 0 447 320 A1 ist eine Schaufel mit Saug- und Druckseitenwand bekannt, in die eine die Saug- und die Druckseitenwand inwandig verbindenden Zwischenwand eingesetzt ist, die Löcher zur Prallkühlung der Seitenwand aufweist.
Aus der EP 2107215 A1 , US 3191908 und der JP 2002 242607 A sind Schaufeln mit einer die Saug- und Druckseitenwand inwandig verbindenden Zwischenwand bekannt, die Löcher zur Prallkühlung der Seitenwand aufweist.
Die EP 0 806 546 A1 offenbart eine Turbinenschaufel mit keramischen Vorderkanteneinsatz, der auf die Vorderkante des Schaufelprofils aufgesetzt ist und prallluftgekühlt wird.
Aus der EP 2258 925 A2 und der US 5246340 sind Schaufeln mit einer die Saug- und Druckseitenwand verbindendende Zwischenwand bekannt, die Löcher zur Einleitung eines Flusses eines Kühlmediums in den vorderen Kühlkanal aufweist.

Darstellung der Offenbarung

Der Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 für eine Strömungsrotationsmaschine mit einem Schaufelblatt, das von einer konkaven Druck- und einer konvexen Saugseitenwand begrenzt ist, die im Bereich einer dem Schaufelblatt zuordenbaren Schaufelvorderkante verbunden sind und einen sich Längserstreckung der Schaufelvorderkante erstreckenden Hohlraum einschließen, der innwandig von der Druck- und Saugseitenwand im Bereich der Schaufelvorderkante sowie von einer sich in Längsrichtung zur Schaufelvorderkante erstreckenden, die Saug- und die Druckseitenwand innwandig verbindenden Zwischenwand begrenzt ist, dadurch weiterzubilden, dass die durch Temperaturunterschiede bedingten Ermüdungserscheinungen im Bereich der Schaufelvorderkante reduziert bis ganz vermieden werden sollen, um auf diese Weise die Lebensdauer der stark hitzeexponierter Turbinenschaufeln zu verbessern. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sollen möglichst die an sich bekannten Kühlmaßnahmen nicht beeinträchtigen, sondern darüber hinaus verbessern und unterstützen. Auch sollen die hierfür erforderlichen Maßnahmen weder kostenintensive noch herstellungsrelevant aufwendige Aufwendungen erfordern.
Eine lösungsgemäße Turbinenschaufel für eine Strömungsrotationsmaschine weist ein Schaufelblatt auf, das von einer konkaven Druck- und einer konvexen Saugseitenwand begrenzt ist. Diese Wände sind im Bereich einer dem Schaufelblatt zuordenbaren Schaufelvorderkante verbunden und schliessen einen sich in Längserstreckung der Schaufelvorderkante erstreckenden Hohlraum ein, der inwandig von der Druck- und Saugseitenwand im Bereich der Schaufelvorderkante sowie von einer sich in Längsrichtung zur Schaufelvorderkante erstreckenden, die Saug- und die Druckseitenwand inwandig verbindenden Zwischenwand begrenzt ist. Diese Zwischenwand sowie die Saug- und/oder Druckseitenwand sind ein zusammenhängendes Teil. Dies ist typischerweise als Gussteil hergestellt. Die offenbarte Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Zwischenwand im Anschlussbereich an die Saug- und/oder Druckseitenwand wenigstens abschnittsweise eine Perforierung aufweist, um die Elastizität zu erhöhen. Als Perforierung ist dabei eine Vielzahl von Löchern zu verstehen. Diese sind typischerweise entlang einer Line angeordnet. Typischerweise ist diese Linie zumindest abschnittsweise gerade. Beispielsweise können drei oder mehr Löcher entlang einer Geraden angeordnet sein. Insbesondere wird damit die Elastizität der Zwischenwand erhöht. Durch den elastischen Anschlussbereich wirkt die Zwischenwand weniger versteifend auf die gesamte Schaufel, so dass auch die Verspannungen zwischen Druck- und Saugseitenwand reduziert werden. Als Anschlussbereich der Zwischenwand an die Saug- und/oder Druckseitenwand ist hier der an die Saug- und/oder Druckseitenwand angrenzende Bereich der Zwischenwand bezeichnet. Der Anschlussbereich kann sich bis zu einem Viertel der Distanz zwischen Saug- und Druckseitenwand erstrecken. Typischerweise erstreckt sich der Anschlussbereich auf eine Distanz, die kleiner als die Dicke der Zwischenwand ist oder kleiner als ein bis zweimal der Dicke der Zwischenwand ist. Nach einer Ausführung ist der Anschlussbereich auf eine Rundung oder Hohlkehle im Übergang von Zwischenwand an die Saug- und/oder Druckseitenwand beschränkt. Nach einer weiteren Ausführung ist der Anschlussbereich auf einen Bereich ab der Seitenwand beschränkt, die dem doppelten Radius der Rundung oder Hohlkehle im Übergang von Zwischenwand an die Saug- und/oder Druckseitenwand entspricht.
Der Offenbarung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ermüdungsrissbildungen im Schaufelvorderkantenbereich von mit Heißgasen exponierten Turbinenschaufeln vornehmlich darauf zurückzuführen sind, dass dem thermisch bedingten Ausdehnungs- und Schrumpfungsbestreben der Druck- und Saugseitenwandbereiche im Schaufelvorderkantenbereich die Unnachgiebigkeit der starr ausgebildeten, stets mit Kühlluft umströmten Zwischenwand, die der Schaufelvorderkante unmittelbar innerhalb des Schaufelblattes nachgeordnet ist und die Saugseitenwand und Druckseitenwand fest miteinander verbindet, mechanisch entgegenwirkt, wodurch die stark erhitzten Hitzeexponierten Saug- und Druckseitenwandbereiche eine erhöhte innere mechanische Spannung erfahren, die wiederum eine hohe Materialbeanspruchung nach sich zieht, die letztlich zu den die Lebensdauer reduzierenden Ermüdungserscheinungen führt. Zur Begegnung des die Ermüdungserscheinungen hervorrufenden mechanischen Zwangs, der auf die Druck- und Saugseitenwandbereiche längs der Schaufelvorderkante wirkt, wird die der Schaufelvorderkante unmittelbar nachgeordnete Zwischenwand, die gemeinsam mit den Innenwänden der Druck- und Saugseitenwand den längs der Schaufelvorderkante verlaufenden Hohlraum begrenzt, lösungsgemäß derart modifiziert, so dass die Zwischenwand bzw. der Anschlussbereich der Zwischenwand eine Elastizität erfährt, wodurch dem thermisch bedingten Ausdehnungs- und Schrumpfungsbestreben der Saugseiten- und Druckseitenwandbereiche längs der Schaufelvorderkante zumindest teilweise nachgegeben werden können. Die Zwischenwand weist hierzu in Abkehr zur herkömmlich starren Wandverbindung zwischen Zwischenwand und Saug- und Druckseitenwand zumindest an einem Anschlussbereich zur Seitenwand eine Perforierung auf, durch die die vorstehend beschriebene Elastizität realisierbar ist. Nach einer Ausführungsform umfasst die Perforierung eine Reihe von zylindrischen Löchern. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Perforierung eine Reihe von Langlöchern oder Schlitzen, deren längere Seite sich parallel zur jeweils benachbarten Saug- oder Druckseitenwand erstreckt.
Durch den Anschluss der Zwischenwand and die Seitenwand, bilden sich relativ Dicke Materialansammlungen deren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen viel kleiner ist als in einem freien Wandabschnitt. Auf der Innenseite ist durch den Anschluss ausserdem die Strömung der Wände behindert, so dass sich die Temperatur des Schaufelmaterials im Anschlussbereich bei transienten Änderungen der Heissgas- oder Kühllufttemperaturen langsamer ändert als die Materialtemperaturen in einem freien Wandabschnitt. Dies führt zu zusätzlichen Wärmespannungen, die durch die Perforierung reduziert werden.
Typischerweise ist der Anschlussbereich von Zwischenwand an die Saug- und/oder Druckseitenwand sogar mit einer Rundung oder Hohlkehle ausgebildet. Diese Hohlkehle ist bei gegossenen Schaufeln fertigungsbedingt. Durch sie werden einerseits Spannungskonzentration am Wandanschluss reduziert, andererseits werden durch die Hohlkehle die Materialansammlungen im Anschlussbereich von Zwischenwand an die Saug- und/oder Druckseitenwand noch vergrössert. Die Perforierung im Anschlussbereich verbessert den Wärmeübergang auf der Innenseite der Wände, so dass transienten Temperaturänderungen besser gefolgt werden kann. Um den Effekt der Materialansammlung weiter entgegen zu wirken und den Wärmeübergang im Anschlussbereich zu verbessern verläuft nach einer Ausführungsform die Perforierung zumindest teilweise durch die Hohlkehle.
Die Zwischenwand weist in Erstreckung von der Saug- zur Druckseitenwand oder umgekehrt wenigstens einen von einem geradlinigen Wandverlauf abweichenden, gekrümmt ausgebildeten Wandabschnitt auf. Diese Krümmung erhöht die Elastizität, so dass sich insbesondere in Kombination mit dem perforierten Anschlussbereich der Zwischenwand eine flexible Zwischenwand ergibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die der Schaufelvorderkante unmittelbar zugewandte Zwischenwand, die die Saug- und Druckseiteninnenwand miteinander verbindet, einen "V"- bzw. "U"-förmigen Wandquerschnitt auf, der sich vorzugsweise über die gesamte radiale Länge der Zwischenwand erstreckt. Eine derart lösungsgemäß ausgebildete Krümmung der Zwischenwand, deren Verlauf sich von der Saug- zur Druckseitenwand bzw. umgekehrt erstreckt und in eben dieser Raumrichtung eine krümmungsbedingte Wandelastizität ermöglicht, erlaubt im Falle einer thermisch induzierten Ausdehnung von Saug- und Druckseitenwand im Schaufelvorderkantenbereich durch elastische Streckung der gekrümmten Zwischenwand dem Bestreben der Saug- und Druckseitenwand sich relativ voneinander zu beabstanden nachzugeben.
Im umgekehrten Fall einer thermisch bedingten Materialschrumpfung, die zu einer Verringerung des gegenseitigen Abstandes zwischen Druck- und Saugseitenwand im Schaufelvorderkantenbereich führt, vermag die gekrümmt ausgebildete Zwischenwand durch Erhöhung der Wandkrümmung dem sich verringernden Wandabstand zu folgen.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Turbinenschaufel am Grund des "v-" oder "u-förmig" ausgebildeten Querschnittes der Zwischenwand wenigstens abschnittsweise eine Perforierung auf, die parallel zu der Perforierung des Anschlussbereichs verläuft, um die Elastizität zu erhöhen. Insgesamt ergibt sich so für die Zwischenwand eine scharnierartige Struktur, zwischen den beiden Schenkel des v-" oder "u-förmig" ausgebildeten Querschnittes, die eine Drehbewegung der Schenkel um die Perforierungen ermöglicht, und somit für einen Ausgleich bei Änderungen des gegenseitigen Abstandes zwischen Druck- und Saugseitenwand sorgt.
Durch die vorstehend erläuterte Nachgiebigkeit der Zwischenwand kann sich der gegenseitige Abstand zwischen Druck- und Saugseitenwand im Schaufelvorderkantenbereich je nach Temperaturniveau einstellen ohne dass dabei schädliche mechanische Verspannungen innerhalb der Druck- und Saugseitenwand insbesondere im Verbindungsbereich zur innenliegenden Zwischenwand auftreten.
Selbstverständlich ist es denkbar, die betreffende Zwischenwand mit von der "V"- bzw. "U"-Wandquerschnittsform abweichenden gekrümmt ausgebildeten Wandkonturen auszubilden. Allen derartigen lösungsgemäß auszubildenden Wandabschnitten ist jedoch gemeinsam, dass sie über eine krümmungsbedingte Wandelastizität verfügen und durch die Perforierung flexibel an die Aussenwände angeschlossen sind.
Zur weiteren Verbesserung der Wandelastizität sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, die Zwischenwand zumindest bereichsweise mit einer gleichen oder vorzugsweise geringeren Zwischenwanddicke auszubilden, verglichen zu den Wanddicken der Saug- und Druckseitenwand im Schaufelvorderkantenbereich. Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, dass die Zwischenwand längs ihres gesamten Wandquerschnittes über eine gleich bleibende Wanddicke verfügen muss. Es lassen sich auf diese Weise die Zwischenwanddicke, Elastizität des perforierten Anschlussbereichs und das Krümmungsverhalten der Zwischenwand aufeinander derart optimiert abstimmen, dass eine besonders geeignete Wandelastizität erzielbar ist. Gilt es besonders hohe Wandelastizitäten zu realisieren, so eignen sich besonders stark gekrümmte und/oder geeignet dünn gewählte Wandabschnitte längs der Zwischenwand.
Auch begrenzt sich die lösungsgemäße Maßnahme einer Zwischenwand mit perforiertem Anschlussbereich nicht notwendigerweise auf die unmittelbar der Schaufelvorderkante zugewandte Zwischenwand. Selbstverständlich ist es möglich, auch weitere, innerhalb des Schaufelprofils vorgesehene Zwischenwände, in lösungsgemäßer Weise mit Perforierung oder Perforierung und gekrümmt auszuführen, um thermisch induzierte Schrumpfungs- oder Ausdehnungseffekte, betreffend die Druck- und Saugseitenwand, spannungsfrei nachgeben zu können. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die "V"- bzw. "U"-förmig ausgebildete Wandkrümmung der der Schaufelvorderkante unmittelbar zugewandten Zwischenwand derart ausgebildet und angeordnet ist, so dass die konvexe Wandseite des "V"- oder "U"-förmig ausgebildeten Wandabschnittes dem Bereich der Schaufelvorderkante zugewandt ist.
Ferner ist es vorteilhaft, die sich von der Saug- zur Druckseitenwand bzw. in umgekehrter Richtung erstreckende Krümmungskontur der Zwischenwand derart auszubilden, so dass die der Schaufelvorderkante zugewandte konvexe Wandseite der Zwischenwand weitgehend parallel zu der den Hohlraum begrenzenden, an der Schaufelvorderkante verbundenen Saug- und Druckseitenwand ausgebildet und angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere bei der Realisierung einer sogenannten Prallkühlung besonders vorteilhaft, wie dies die weiteren Erläuterungen unter Bezugnahme auf ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel zeigen werden. Hierbei ist es möglich, zielgerichtet Prallkühlluftströmungen durch jeweils innerhalb der Zwischenwand eingebrachte Durchtrittskanäle auf bestimmte Innenwandbereiche im Schaufelvorderkantenbereich zu richten. Auf diese Weise lassen sich temperaturbedingte Materialspannungen durch eine optimierte Kühlung des Schaufelvorderkantenbereichs wirkungsvoll begegnen.
Um eine ausreichende Flexibilität zu erreichen, wird nach einem Ausführungsbeispiel eine Lochreihe als Perforierung angesehen, in der in Perforierungsrichtung der Anteil der Lochlängen mindestens 30% der Gesamtlänge des perforierten Bereichs beträgt. Für hohe Flexibilität beträgt nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Anteil der Lochlängen mindestens 50% der Gesamtlänge des perforierten Bereichs. Dies wird z.B. durch eine Reihe von zylindrischen Bohrungen realisiert, die jeweils mit dem doppelten Durchmesser beabstanded sind. Insbesondere bei Ausführungen mit Langlöchern oder Schlitzen kann ein Anteil der Lochlängen 70% der Gesamtlänge des perforierten Bereichs überschreiten.
Der Anschlussbereich der Zwischenwand an die Druck- oder Saugseitenwand umfasst beispielsweise jeweils bis zu 20% des Wandabstandes zwischen beiden Seitenwänden. Typischerweise erstreckt sich der Anschlussbereich ein oder zwei Wanddicken der Zwischenwand in Verbindungsrichtung der Zwischenwand.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Illustration zur schematischen Anordnung von Turbinenleit- und Turbinenlaufschaufeln innerhalb einer Turbinenstufe,
Fig. 2: repräsentatives Profil durch eine Turbinenschaufel und
Fig. 3a, b, c: alternative Varianten zur Ausbildung einer Perforation in einer Zwischenwand im Bereich der Schaufelvorderkante,
Fig. 4a - d: alternative Varianten zur Ausbildung einer Zwischenwand im Bereich der Schaufelvorderkante.

Detaillierte Beschreibung

In Fig. 1 sind in schematischer Darstellung eine Leitschaufel 2 sowie eine Laufschaufel 3 dargestellt, wie sie in einer nicht weiter illustrierten Turbinenstufe 1 längs einer Leit- und Laufschaufelreihe angeordnet sind. Es sei angenommen, dass die Leitschaufel 2 sowie die Laufschaufel 3 mit einem Heißgasstrom H in Kontakt treten, der in der Darstellung von links nach rechts die jeweiligen Schaufelblätter 4 der Leitschaufel 2 sowie der Laufschaufel 3 überströmt. Die Schaufelblätter 4 der Leit- und Laufschaufeln 2, 3 ragen in den Heißgaskanal der Turbinenstufe 1 einer Gasturbinenanordnung hinein, der durch jeweils radial innen liegende Deckbänder 2i, 3i sowie durch die radial außen liegenden Deckbänder 2a der Leitschaufeln 2 sowie radial außen liegenden Wärmestausegmenten 3a begrenzt ist. Die Laufschaufel 3 ist an einer nicht weiter dargestellten Rotoreinheit R montiert, die um eine Rotationsachse A drehbar gelagert ist.
In Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine Leit- bzw. Laufschaufel dargestellt, die sich längs einer aus Fig. 1 entnehmbaren Schnittebene A-A ergibt. Das typische Schaufelprofil einer Turbinenleit- oder Turbinenlaufschaufel zeichnet sich durch ein aerodynamisch profiliertes Schaufelblatt 4 aus, das von einer konvexen Saugseitenwand 7 sowie von einer konkaven Druckseitenwand 6 beidseitig begrenzt ist. Die konvex ausgebildete Saugseitenwand 7 sowie die konkav ausgebildete Druckseitenwand 6 vereinen sich einstückig im Bereich der Schaufelvorderkante 5, die, wie bereits eingangs erläutert, dem durch die Turbinenstufe einer Gasturbinenanordnung hindurch tretenden Heißgasstrom unmittelbar ausgesetzt ist. Es liegt auf der Hand, dass der Turbinenschaufelbereich längs der Schaufelvorderkante 5 eine besonders starke thermische Belastung erfährt.
Zur Kühlung der den Heißgasen ausgesetzten Turbinenschaufel sind innerhalb des Schaufelblattes 4 radial orientierte Hohlräume 9, 10, 11 etc. vorgesehen, die mit Kühlluft gespült werden. Die einzelnen Hohlräume 9, 10, 11 etc. sind durch Zwischenwände 8, 12, 13 etc. gegenseitig abgetrennt. Je nach Ausbildung und Ausformung der Turbinenschaufel kommunizieren die einzelnen Kühlkanäle 9, 10, 11 etc. miteinander.
Um das eingangs geschilderte Problem der ermüdungsbedingten Rissbildung in der Saug- und Druckseitenwand 6, 7 nahe der Schaufelvorderkante 5 zu lösen, ist die vorderste Zwischenwand 8 im Anschlussbereich an die Saug- 7 und/oder Druckseitenwand 6 wenigstens abschnittsweise mit einer Perforierung 16 versehen. Ausführungsbeispiele von Perforierungen 16 sind in den Fig. 3a, b und c dargestellt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3a gezeigt. Je eine Perforierung 16 ist im Anschlussbereich der Zwischenwand 8 an die Saug- und Druckseitenwand 6, 7 vorgesehen. Die Perforierungen des gezeigten Beispiels sind eine Reihe von zylindrischen Löchern 18, die parallel zu der Saug- und Druckseitenwand 6, 7 angeordnet sind. Die Perforierung 16 an der Druckseitenwand 6 verläuft in dem Beispiel nur über einen Abschnitt der Zwischenwand 8.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3b gezeigt. Je eine Perforierung 16 ist im Anschlussbereich der Zwischenwand 8 an die Saug- und Druckseitenwand 6, 7 vorgesehen. Die Perforierungen dieses Beispiels sind eine Reihe von Langlöchern 19, die parallel zu der Saug- und Druckseitenwand 6, 7 angeordnet sind und deren längere Seite sich jeweils parallel zur benachbarten Saug- 7 bzw. Druckseitenwand 6 erstreckt.
In dem dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 3c ist zusätzlich zu den Perforierung 16 des in Fig. 3b gezeigten Beispiels noch eine Mittel- Perforierung 20 vorgesehen, die parallel zu den Saug- und Druckseitenwänden 6, 7 in der Mitte der Zwischenwand 8 verläuft. Zusammen mit den Perforierungen 16 im Anschlussbereich an die Saug- und Druckseitenwand 6, 7 wird so eine zweigeteilte Zwischenwand 8 gebildet, die flexibel zusammengefaltet werden kann.
Zur besseren Illustration der Zwischenwandausbildung sei auf das in Fig. 4a illustrierte detailliert dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen, das das Schaufelprofil im Schaufelvorderkantenbereich zeigt. Die Fig. 4a zeigt eine Perforierung 16 im Anschlussbereich der Saugseitenwand 7 und im Anschlussbereich der Druckseitenwand 6. Die Hauptrichtung des Materialausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbestreben 21 der Seitenwände 6, 7 verläuft in dem Beispiel im wesentlichen parallel zur Erstreckung der Zwischenwand 8.
Im Unterschied zu einer geradlinigen Ausbildung, wie dies in Fig. 1, 2, 3 und 4a bei den Zwischenwänden 8, 12, 13 der Fall ist, ist in Fig. 4b ein Ausführungsbeispiel mit einer gekrümmten Zwischenwand 8 dargestellt. Die Zwischenwand 8 verfügt über einen U-förmig ausgebildeten Wandquerschnitt, der beidseitig sowohl zur Saugseitenwand 6 als auch zur Druckseitenwand 7 innwandig einstückig verbunden ist. Die U-förmige Wandausbildung der Zwischenwand 8 verleiht dem Schaufelprofilbereich eine zusätzliche elastische Verformbarkeit dergestalt, dass dem thermisch bedingten Materialausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbestreben der Saug- und Druckseitenwand nachgegeben werden kann, indem der Wandabstand w nicht fix, wie bisher, sondern in gewissen Grenzen, die durch die Form und Krümmungselastizität der Zwischenwand 8 sowie die Elastizität der Perforierung 16 bestimmt sind, variabel ist.
In Fig. 4c ist detailliert ein Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen MittelPerforierung 20 dargestellt. Diese Teilt die Zwischenwand 8 in zwei Schenkel, die Ausgehend von dem Anschlussbereich an die Seitenwände 6, 7 in einem Winkel aufeinander zu laufen, wobei der Winkel durch die Mittel- Perforierung 20 flexibel verändert werden kann und somit dehnungsbedingte Änderungen im Abstand zwischen der Druck- und Saugseitenwand leicht ausgeglichen werden können.
Weiter ist in Fig. 4c ein Beispiel für eine mögliche Filmkühlungsanordnung gezeigt. Durch die Filmkühllöcher 14 gelangt Kühlluft aus dem Hohlraum 9 nach außen und bildet jeweils einen oberflächig an der Saug- 6 und Druckseitenaußenwand 7 anliegenden Kühlluftfilm aus. Die U-förmig ausgebildete Zwischenwand 8, die beidseitig sowohl mit der Innenwand der Saug- 7 als auch Druckseitenwand 6 einstückig verbunden ist, weist vorzugsweise einen konvexseitigen Wandverlauf auf, der der Schaufelvorderkante 5 zugewandt ist und weitgehend parallel zu der den Hohlraum 9 begrenzenden, an der Schaufelvorderkante 5 einstückig verbundenen Saug- 7 und Druckseitenwand 6 ausgebildet ist. Die Kühlluft gelangt in diesem Beispiel zumindest teilweise durch die Perforierungen 16 und Mittelperforierung 20 in den vorderen Hohlraum 9.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Details zur Kühlung ist in Fig. 4d dargestellt. Hier weist die Zwischenwand Perforierungen 16 an den Anschlussbereichen an die Saug- 7 und Druckseitenwand 6 auf. Neben der Perforierung weist sie noch Kühlluftdurchtrittskanäle 15a, b, c auf, die zur Prallluftkühlung der Innenwandseite der Schaufelwandvorderkante dienen. In besonders vorteilhafter Weise sind die Durchtrittskanäle 15a, b, c bezüglich ihrer Durchtrittskanallängserstreckung und der damit vorgegebenen Durchströmungsrichtung zumindest in drei Gruppen unterteilbar. Eine erste Gruppe an Durchtrittskanälen 15a zeichnet sich durch eine auf die Saugseitenwand 7 gerichtete Durchströmungsrichtung aus, eine zweite Gruppe an Durchtrittskanälen 15b zeichnet sich durch eine auf die Schaufelvorderkante gerichtete Durchströmungsrichtung aus und eine dritte Gruppe an Durchtrittskanälen 15c zeichnet sich durch eine auf die Druckseitenwand 6 gerichtete Durchströmungsrichtung aus. Die Durchtrittskanäle 15a, 15b und 15c verteilen sich längs der gesamten radialen Erstreckung in der Zwischenwand 8 und sorgen auf diese Weise für eine effektive und individuelle Kühlung des Schaufelvorderkantenbereiches der Turbinenschaufel. Selbstverständlich können weitere Durchtrittskanäle an der Zwischenwand 8 zu Zwecken einer optimierten Prallkühlung angebracht werden.
Weiter kann die Prallluftkühlung mit einer Mittel- Perforierung kombiniert werden. Typischerweise haben Prallluftkühlluftlöcher einen grösseren Durchmesser, z.B. doppelt so grossen Durchmesser, als Perforierungslöcher.

Bezugszeichenliste

1: Turbinenstufe
2: Leitschaufel
2i: Inneres Deckband der Leitschaufel
2a: Äußeres Deckband der Leitschaufel
3: Laufschaufel
3i: Inneres Deckblatt der Laufschaufel
3a: Wärmestausegment
4: Schaufelblatt
5: Schaufelvorderkante
6: Konkave Druckseitenwand
7: Konvexe Saugseitenwand
8: Zwischenwand
9: Hohlraum
10,11: Hohlräume
12,13: Zwischenwände
14: Filmkühllöcher
15: Durchtrittskanäle
16: Perforierung
17: Hohlkehle
18: Loch
19: Langloch
20: Mittel- Perforierung
21: Hauptrichtung des Materialausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbestrebens
R: Rotoreinheit
A: Rotationsachse
E: Elastizitätsfreiheitsgrad
W: Wandabstand

Claims

Turbinenschaufel für eine Strömungsrotationsmaschine, die Turbinenschaufel umfasst ein Schaufelblatt (4), das von einer konkaven Druck- (6) und einer konvexen Saugseitenwand (7) begrenzt ist, die im Bereich einer dem Schaufelblatt (4) zuordenbaren Schaufelvorderkante (5) verbunden sind und einen sich in Längserstreckung der Schaufelvorderkante (5) erstreckenden Hohlraum (9) einschließen, der inwandig von der Druck- (6) und Saugseitenwand (7) im Bereich der Schaufelvorderkante (5) sowie von einer sich in Längsrichtung zur Schaufelvorderkante (5) erstreckenden, die Saug- (7) und die Druckseitenwand (6) inwandig verbindenden Zwischenwand (8) begrenzt ist, wobei die Turbinenschaufel im Übergang von Zwischenwand (8) an die Saug- (7) und/oder Druckseitenwand (6) eine Rundung oder Hohlkehle (17) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (8) in einem Anschlussbereich an die Saug- (7) und/oder Druckseitenwand (6) wenigstens abschnittsweise eine Perforierung (16) aufweist um die Elastizität der Zwischenwand in dem Anschlussbereich zu erhöhen, wobei der Anschlussbereich auf einen Bereich ab der Saug- (7) und/oder Druckseitenwand (6) beschränkt ist, der dem doppelten Radius der Rundung oder Hohlkehle (17) entspricht, wobei die Zwischenwand (8) in Erstreckung von der Saug-(7) zur Druckseitenwand (6) oder umgekehrt wenigstens einen von einem geradlinigen Wandverlauf abweichenden, gekrümmt ausgebildeten Wandabschnitt aufweist und der wenigstens eine gekrümmte Wandabschnitt derart ausgebildet ist, dass der Wandabschnitt eine krümmungsbedingte Elastizität in Richtung der Erstreckung der Zwischenwand (8) von der Saug- (7) zur Druckseitenwand (6) oder umgekehrt aufweist, und wobei in der Zwischenwand (8) Durchtrittskanäle (15) für eine Prallkühlung der an der Schaufelvorderkante (5) verbundenen Saug- (7) und Druckseitenwand (6) vorgesehen sind.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Perforierung (16) eine Reihe von zylindrischen Löchern (18) umfasst.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Perforierung eine Reihe von Langlöchern (19) oder Schlitzen umfasst, deren längere Seite sich parallel zur benachbarten Saug- (7) und/oder Druckseitenwand (6) erstreckt.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussbereich von Zwischenwand (8) an die Saug- (7) und/oder Druckseitenwand (6) eine Hohlkehle (17) umfasst und die Perforierung (16) zumindest teilweise durch die Hohlkehle (17) verläuft.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (8) eine dem Hohlraum (9) abgewandte Wandseite aufweist, die wenigstens einen weiteren Hohlraum (10) zusammen mit der Saug- (7) und Druckseitenwand (6) begrenzt,
und

dass die Hohlräume (9, 10) Kühlkanäle sind, in die ein Kühlmittel einleitbar ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen der Perforierung (16) parallel zur Oberfläche der Saug- (7) respektive Druckseitenwand (6) im Anschlussbereich der Zwischenwand (8) ausgeführt sind und im Betrieb Kühlluft durch diese Öffnungen von dem einen Hohlraum (10) in den weiteren Hohlraum (9) strömt und ein Austrittstrahl der jeweiligen Öffnung tangential zur Innenwand der jeweiligen Saug-(7) respektive Druckseitenwand (6) verlaufen.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine gekrümmt ausgebildete Wandabschnitt in einem die Schaufelvorderkante (5) schneidenden Querschnitt "v-" oder "u-förmig" ausgebildet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel am Grund des "v-" oder "uförmig" ausgebildeten Querschnittes der Zwischenwand (8) wenigstens abschnittsweise eine Perforierung (16) aufweist, die parallel zu der Perforierung des Anschlussbereichs verläuft, um die Elastizität zu erhöhen.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wandseite des "v-" oder "u-förmig" ausgebildeten Wandabschnittes weitgehend parallel zur den Hohlraum (9) begrenzenden, an der Schaufelvorderkante (5) verbundenen Saug- (7) und Druckseitenwand (6) ausgebildet und angeordnet ist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Zwischenwand (8) angeordneten Durchtrittskanäle hinsichtlich ihrer durch eine den Durchtrittskanälen zuordenbaren Durchtrittskanallängserstreckung vorgegebenen Durchströmungsrichtung zumindest in drei Gruppen unterteilbar sind: eine erste Gruppe von Durchtrittskanälen (15a) mit einer auf die Saugseitenwand (7) gerichteten Durchströmungsrichtung, eine zweite Gruppe von Durchtrittskanälen (15b) mit einer auf die Schaufelvorderkante (5) gerichteten Durchströmungsrichtung sowie eine dritte Gruppe von Durchtrittskanälen (15c) mit einer auf die Druckseitenwand (6) gerichteten Durchströmungsrichtung.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel eine Leit- oder Laufschaufel einer Turbinenstufe einer Gasturbinenanordnung ist.