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Title:
ROTOR-BLADE TIP INCLUDING COOLING CONFIGURATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/238051
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbine rotor (1) having an improved rotor tip (7), which has at least one cooling channel (48, 57) in the rotor blade (8), said cooling channel (48, 57), in the region of its cuspidal point (43, 51), having at least one locally limited constriction that is caused by a thickened portion (49, 60) at the end of a partition (41, 53) of the cooling channel (48, 57).

Inventors:
ANDERS BJÖRN (DE)
GARSKE CONSTANTIN (DE)
KRABIELL KAY (DE)
LAMMERS HEIKO (DE)
LEMPKE MARKUS (DE)
NILSSON RICARDO (DE)
VÖHRINGER DANIEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2022/059013
Publication Date:
November 17, 2022
Filing Date:
April 05, 2022
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
F01D5/00; B23P6/00; F01D5/18; F01D5/20
Foreign References:
EP2489838A22012-08-22
EP2495397A22012-09-05
EP1882817A22008-01-30
EP3346093A12018-07-11
JP2004132218A2004-04-30
EP2186999A12010-05-19
EP2728117A12014-05-07
GB2165315A1986-04-09
EP3054093A12016-08-10
US20070140851A12007-06-21
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Claims:
Patentansprüche 1. Turbinenschaufel (1) mit verbesserter Schaufelspitze (7), die im Schaufelblatt (8) zumindest einen, insbesondere zwei, ganz insbesondere drei Kühlkanäle (30, 48, 57) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Umkehrpunktes (43, 51) eines Kühlkanals (48, 57) zumindest eine, insbesondere jeweils zwei örtlich befristete Verengungen vorhanden sind, die begründet sind durch eine Verdickung (49, 60) insbeson- dere am Ende einer Trennwand (41, 53) der Kühlkanäle (48, 57). 2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, bei dem der Kühlkanal (30, 48, 57) jeweils zumindest eine, insbesondere jeweils nur eine Auslassöffnung (36, 45, 50) aufweist. 3. Turbinenschaufel nach Anspruch 2, bei der ausgehend von einem Kühlkanal (30, 48, 57) ein konischer Übergang (39, 42, 63) vorhanden ist und dann vorzugsweise ein Kanal (37, 44, 64) mit konstantem Querschnitt auf Höhe der Austrittsöffnung (36, 45, 50) im Bereich der Schaufelspitze (7) vorhanden ist. 4. Turbinenschaufeln nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der jeweilige Schenkel des Kühlkanals (48, 57) im einströmenden Schenkel (47, 55) breiter ausgebildet ist als im abströmenden Schenkel (46, 54) des jeweiligen Kühlkanals (48, 57).

5. Turbinenschaufeln nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Auslassöffnung (45, 50) in der verlängerten Strömungsrichtung des einströmenden Schenkels (47, 55) des jeweiligen Kühlkanals (48, 57) angeordnet ist. 6. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei der ein erster Kühlkanal (30) im Bereich der Anström- kante (6) entlang der Anströmkante (6) der Turbinenschaufel (1) angeordnet ist und insbesondere schlauchförmig ausgebildet ist, so dass er mit einem Kühlmittel ausgehend vom Schaufelfuß (5) versorgt werden kann. 7. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, die in den Kühlkanälen (30, 48, 57) Turbulatoren (31‘, 31‘‘, …) aufweist. 8. Turbinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, die im Schaufelblatt (8) zwei U-förmige Kühlkanäle (48, 57) aufweist. 9. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1), bei dem eine Turbinenschaufel mit einer Schaufelspitze (7) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Schaufelspitze (7) auf ein neu gegossenes Bauteil oder ein zu reparierendes Bauteil (1‘) aufgetragen wird.

11. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem ein additives Verfahren, insbesondere Pulverbettverfahren, verwendet wird.

Description:
Beschreibung Verbesserte Schaufelspitze im Neuteil oder repariertem Bau- teil und Verfahren Die Erfindung betrifft eine verbesserte Ausführung einer Schaufelspitze einer Turbinenschaufel, die für Neuteile oder reparierte Bauteile verwendet werden kann, sowie ein Verfah- ren. Turbinenschaufeln werden in Turbinen wie insbesondere in Gas- turbinen zur Stromerzeugung oder für Flugzeuge und/oder Dampfturbinen eingesetzt und weisen im Inneren oft eine Kühl- struktur oder innere Struktur auf. Insbesondere die Schaufelspitze ist im Einsatz höchsten Tem- peraturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und muss daher oft überarbeitet werden oder manchmal durch eine komplett neue Schaufel ersetzt werden. Stand der Technik ist es, das ursprüngliche Design bei zu re- parierenden Bauteilen wiederaufzubauen oder ein ursprüng- liches Bauteil neu wieder so herzustellen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Design und ein Verfah- ren aufzuzeigen, damit die Schaufelspitze besser gekühlt wird. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaufelspitze nach An- spruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön- nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Unter Schaufelspitze wird die äußere sichtbare Schaufelspitze an sich und ein oberer Schaufelbereich samt innerer Struktur im Schaufelblatt und Kühlung verstanden. Es zeigen Figur 1 die Aufsicht auf eine Turbinenschaufel im Repara- turfall, Figur 2 eine Seitenansicht auf eine zu reparierende Turbi- nenschaufel, Figur 3 eine bearbeitete reparierte Turbinenschaufel oder neu hergestellte Turbinenschaufel sowie Figur 4 ein verbessertes Design für eine Kühlstruktur im Bereich der Schaufelspitze. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt eine Aufsicht von oben auf eine Schaufelspitze 7 mit ihrem Schaufelspitzenboden 2 einer Turbinenschaufel 1. Zu erkennen ist eine Schaufelplattform 4, von der sich ausge- hend ein Schaufelblatt 8 bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Das Schaufelblatt 8 erstreckt sich in einer Umströmungsrich- tung 9 von der Anströmkante 6 bis zu der Abströmkante 3. Die Schaufelspitze 7 weist an ihrem distalen Ende vorzugswei- se eine Schaufelspitzenwand 10 auf, die zumindest stellenwei- se, hier vorzugsweise vollständig bis auf ihr Ende ab der Ab- strömkante 3 entlang des Umfangs der Schaufelspitze 7 ver- läuft und zwischen der dadurch eine Vertiefung 11 vorhanden ist. Figur 2 zeigt eine Seitenansicht gemäß Figur 1 mit möglichen Defekten 17 im Bereich der Schaufelspitze 7. Zu erkennen ist in Figur 2 auch ein Schaufelfuß 5 unterhalb der Schaufelplattform 4. Die Defekte 17 müssen entfernt werden, sodass sich ein zu re- parierendes Bauteil gemäß Figur 3 ergibt, bei dem ein Defekt- bereich 16 von der Schaufelspitze 7‘ (hier als gestrichelte Linie angedeutet) entfernt wurde. Die bearbeitete Turbinenschaufel 1‘ weist dann ein offenes Ende 19 gemäß der Form der inneren Kavität(en) auf. Es kann auch mehr als der Defektbereich 16 abgetragen werden, um insbesondere eine Standardentfernungstiefe zu erzielen. Ebenso kann ein Neuteil gemäß Figur 3 ohne Schaufelspitzen- boden 2 so gegossen werden. Figur 4 zeigt nun ein verbessertes Kühldesign am Beispiel einer Schaufelspitze 7 im Inneren. Im Innern der Turbinenschaufel 1, im Schaufelblatt 8 sind vorzugsweise mehrere Kühlkanäle 30, 48, 57 vorhanden. Ein erster Kühlkanal 30 ist im Bereich der Anströmkante 6 entlang der Anströmkante 6 der Turbinenschaufel 1 angeordnet. Der erste Kühlkanal 30 ist insbesondere schlauchförmig aus- gebildet und wird mit einem Kühlmittel ausgehend vom Schau- felfuß 5 (Fig. 2) versorgt. Am Ende des ersten Kühlkanals 30 befindet sich insbesondere eine erste Auslassöffnung 36, aus der das Kühlmittel im Be- reich der Vertiefung 11 (Fig. 1) der Schaufelspitze 7 aus- strömt. Ein insbesondere vorhandener erster Übergang 39 vom ersten Kühlkanal 30 hin zu der ersten Austrittsöffnung 36 ist insbe- sondere konisch ausgebildet, d.h. insbesondere der Quer- schnitt des ersten Kühlkanals 30 verengt sich auf einen klei- neren Durchmesser, wobei sich dann insbesondere ein erster Kanal 37 mit vorzugsweise konstantem Durchmesser bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Der Übergang vom ersten Kühlkanal 30 zur Auslassöffnung 36 kann auch anders ausgebildet sein. Insbesondere zumindest in dem ersten Kühlkanal 30 können auch insbesondere Turbulatoren 31‘ angeordnet sein. Diese Turbula- toren 31‘ können auch in ihrer Gestalt sowie Häufigkeit kom- plett frei gewählt werden, um einen günstigen Strömungsfluss mit gezieltem/hohem Wärmetausch zu gelangen. Die Einstellung der Oberflächenrauheit kann solche Ergebnisse erzielen. Ein U-förmiger zweiter Kühlkanal 48 durchströmt das Schaufel- blatt 8 hauptsächlich und strömt entlang des ersten Schenkels 47 vom Schaufelfuß 5 zur Schaufelspitze 7 hin, macht eine Kehrtwende an einem Umkehrpunkt 43 im Bereich der Schaufel- spitze 7 und strömt entlang des zweiten Schenkels 46 wieder zurück. Erfindungsgemäß ist im Bereich des Umkehrpunkts 43 eine erste Verdickung 49 insbesondere in Form von flügelähnlichen Ele- menten am Ende der ersten Trennwand 41 vom ersten 47 und zweiten Schenkel 46 vorhanden, die dazu führt, dass das Kühl- medium beim Strömen in Richtung der Schaufelspitze 7 in die- sem Bereich eine Verengung durchläuft und danach sich ver- breitert und wiederum eine zweite Verengung im zweiten Schen- kel 46 durchläuft. Die Strömung innerhalb des zweiten Kühlkanals 48 löst sich daher nicht oder nur geringfügig von der Wand des Kühlkanals 48 ab. Dies führt zur verbesserten Kühlung. Vorzugsweise kann am Umkehrpunkt 43 des zweiten Kühlkanals 48 ebenfalls eine zweite Auslassöffnung 45 vorhanden sein mit einem ebenfalls vorzugsweise konisch verengend ausgebildeten konischen zweiten Übergang 42 (ähnlich zu Übergang 39), wobei sich dann insbesondere ein zweiter Kanal 44 (ähnlich zum ers- ten Kanal 37) mit vorzugsweise konstantem Durchmesser bis zur Schaufelspitze 7 erstreckt. Die zweite Auslassöffnung 45 ist im Bereich des Umkehrpunkts 43 des zweiten Kühlkanals 48 ausgebildet, vorzugsweise auf der Seite des ersten Schenkels 47 des hochströmenden Be- reichs. Vorzugsweise können noch weitere Auslassöffnungen im Bereich des Umkehrpunkts 43 des zweiten Kühlkanals 48 vorhanden sein. Ebenso vorzugsweise ist der Querschnitt des ersten Schenkels 47, also des Einströmbereiches, breiter ausgebildet als der zweite Schenkel 46 des abströmenden Bereiches. In dem zweiten Kühlkanal 48 können insbesondere auch Turbula- toren 31‘‘ angeordnet sein. Diese Turbulatoren 31‘‘ können auch in ihrer Gestalt sowie Häufigkeit komplett frei gewählt werden, um einen günstigen Strömungsfluss mit gezieltem/hohem Wärmetausch zu gelangen. Die Einstellung der Oberflächenrauheit kann solche Ergebnisse erzielen. Je nach Größe kann das Schaufelblatt 8 vorzugweise weiterhin einen wie zum zweiten Kühlkanal 48 vergleichbaren dritten Kühlkanal 57 mit einem ersten Schenkel 55 und einem zweiten Schenkel 54, in dem das Kühlmedium Richtung Schaufelspitze 7 strömt, aufweisen, wobei hier ebenfalls eine zweite Verdi- ckung 60 am Ende einer zweiten Trennwand 53 zwischen erstem 55 und zweitem Schenkel 54 des dritten Kühlkanals 57 vorhan- den ist. Vorzugsweise ist auch eine Auslassöffnung 50 im Bereich des zweiten Umkehrpunkts 51 mit einem insbesondere konischen zweiten Übergang 63 in einen dritten Kanal 64 vorhanden. Ebenso vergleichsweise ist hier im dritten Kühlkanal 64 der Querschnitt des einströmenden Schenkels 55 größer ausgebildet als der Querschnitt des abströmenden Schenkels 54. Vorzugsweise sind die beiden Schenkel 54, 55 des dritten Kühlkanals 57 jeweils breiter ausgebildet als die Schenkel 46, 47 des dazwischenliegenden zweiten Kühlkanals 48. Dieses verbesserte Design kann auch beim Neuteil direkt her- gestellt werden. Das Neuteil kann so gegossen werden oder komplett mittels AM aufgebaut werden und ein verbessertes Kühldesign gemäß Figur 4 wird separat aufgebaut. Dies ermöglicht bei der Reparatur ein verbessertes Kühldesign zur Verfügung zu stellen. Ebenso ist es möglich Schaufeln von Wettbewerbern zu reparie- ren, aufzubauen und so zu verbessern. Die gestalterischen Möglichkeiten des additiven Aufbaus auf der Schaufelkavität kann folgende Funktionen ermöglichen: ^ Mehrwandiger Aufbau, um Kühlluft in einzelne Stränge zu separieren und gezielt zu platzieren; ^ Querschnittsanpassungen, um gezielte Strömungseigenschaften zu erzielen, wie turbulente und/oder laminare strömungser- zielende Features; ^ Leitbleche, die insbesondere flügelartig gestaltet sind, im 2D- und 3D-Profil, um die Strömung umzulenken oder richten zu können; ^ Wärmeübergangsmerkmale, die vergrößerte Oberflächen zur Verfügung stellen, insbesondere durch einen schwammartigen Aufbau mittels LPBF; ^ Strukturmerkmale, die durch eine hohe Anzahl an kleinen „Füllelementen“ eine große Fläche abfangen können (bspw. Stützstruktur).