TURBINENSCHAUFEL SOWIE ZUGEHÖRIGES VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER TURBINENSCHAUFEL

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Befes ^¬ tigungsabschnitt, einer Plattform zur Begrenzung eines Strö ^¬ mungskanals und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel aufeinanderfolgen. Des Weite ^¬ ren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel umfassend den Schritt: Herstellen einer mo ^¬ nolithischen Rumpfschaufei umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform zur Begrenzung eines Strömungskanals und einen Be- festigungsabschnitt .

Turbinenschaufeln und Verfahren zum Herstellen von Turbinenschaufel sind aus dem umfangreich vorhandenen Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise werden Turbinenschaufeln für Gasturbinen häufig in einem

Gießverfahren hergestellt. Beim Gießen werden gleichzeitig Schaufelfuß, Plattform und Schaufelblatt aus dem Gießmaterial geformt, so dass derartige Turbinenschaufeln einstückig sind. Anschließend werden die dem Heißgas der Turbine ausgesetzten Flächen - also Plattform und Schaufelblatt - noch mit einer Korrosionsschutzschicht und einer Wärmeschutzschicht verse ^¬ hen, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel zu erhöhen. Die gegossenen Turbinenschaufeln sind zumeist auch hohl ausgebildet, damit im Inneren ein Mittel zur Kühlung des Schaufelma- terials strömen kann. Turbinenschaufeln von Dampfmaschinen werden zumeist aus dem Vollen gefräst oder sind geschmiedet.

Die in stationären Turbomaschinen eingesetzten Turbinenschaufeln unterliegen beim Betrieb der Turbomaschine einer Viel- zahl von Belastungen, die die Turbinenschaufeln sowohl in vorhersehbarer als auch in nicht vorhersehbarer Art und Weise altern und abnutzen lassen. Im Detail treten sowohl niederzyklische als auch höher zyklische Ermüdungsbelastungen sowie auch thermo-mechanische Be ^¬ lastungen auf. Auch sind Turbinenschaufeln vor Oxidation und vor Kriechen zu schützen. Die vorgenannten Belastungen be- treffen insbesondere die dem Heißgas oder Heißdampf unmittel ^¬ bar ausgesetzten Oberflächen und Bestandteile der Turbinenschaufeln. Befestigungsseitig sind Turbinenschaufeln zudem noch sogenannten "Auflagerbelastungen" und "Reibbelastungen" ausgesetzt. Im Lichte dieser unterschiedlichen Belastungen und Anforderungen muss das Material von einstückigen Turbinenschaufeln so gewählt sein, dass nach Möglichkeit eine Vielzahl, wenn nicht sogar alle Belastungen vom Material aufgenommen werden, ohne dass eine vorzeitige Alterung oder ein vorzeitiges Lebensdauerende der Turbinenschaufel erreicht wird. Hinsichtlich der thermischen Belastung und hinsichtlich der Korrosionsbelastung ist es beispielsweise bekannt, Turbi ^¬ nenschaufeln von Gasturbinen mit einem Schichtsystem auszustatten, welches deren Material sowohl vor Korrosion als auch vor einem überhöhten Wärmeeintrag schützt.

Dennoch können in verschiedenen Bereichen der Turbinenschaufel Verschleißerscheinungen wie Risse auftreten, die den Betrieb der Turbomaschine gefährden. Aus diesem Grund ist es bekannt, Turbinenschaufeln nach einer vorbestimmten Einsatz- zeit auf derartige Defekte hin zu überprüfen und bei Vorlie ^¬ gen eines derartigen Befundes die betroffenen Turbinenschau ^¬ feln auszutauschen oder wieder aufzubereiten.

Auch bekannt ist es, Turbinenschaufeln modular auszugestalten und die entsprechenden Module aus denjenigen Materialen herzustellen, die auf ihre lokalen Anforderungen abgestimmt sind. Hier mangelt es häufig jedoch an einer dauerhaften und zuverlässigen Verbindung. Beispielsweise offenbart hierzu die US 4,650,399 AI eine

Laufschaufel mit zwei Plattformhälften, die beidseits eines Schaufelblatts angeordnet sind. Um eine Verschiebung der Plattformhälften entland des Schaufelblattes zu verhindern, ist eine formschlüssige Verbindung vorgesehen, wobei die bei ^¬ den Plattformhälften miteinander verstiftet sind. Die Befestigung der Plattformen wird jedoch als unsicher eingestuft. Eine ebenso hälftige Teilung von Plattformen offenbaren die EP 1 905 950 AI und die US 4,019,832 AI.

Anstelle der Plattformhäften der US 4, 650,399 AI offenbart die WO 2000/057032 AI ein einziges Plattformelement zwischen zwei unmittelbar benachtbarten Laufschaufeln eines Laufschau- felkranzes. Hier erscheint die Montage der Bauteile am Rotor nachteilig zu sein.

Weitere Varianten von gebauten Turbinenschaufeln zeigen die US 3,451,654 AI und die US 7,762,781 Bl . In beiden Schriften wird vorgeschlagen, eine einstückige Plattform für Turbinenschaufeln zu verwenden, die eine dem Profil des Schaufel ^¬ blatts folgende Ausnehmung aufweist. Zur Fertigungstellung der Turbinenschaufeln werden jeweils das plattformlose Schau ^¬ felblatt durch die Plattform hindurchgesteckt und mittels Zwischenstücken befestigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbinenschaufel mit einem Befestigungsabschnitt, einer Plattform zur Begrenzung eines Strömungskanals und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel aufein ^¬ ander folgen, welche Turbinenschaufel mit besonders geringem Aufwand wiederaufarbeitbar ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Turbinenschaufeln.

Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit ei ^¬ ner solchen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf das Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel ge- richtete Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten gemäß An ^¬ spruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den je ^¬ weiligen Unteransprüchen angegeben. Dabei sind die Merkmale der jeweiligen Unteransprüche mit den Merkmalen anderer Unteransprüche ohne Weiteres kombinierbar.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbeson- dere bei betriebsbeanspruchten Turbinenschaufeln auch am äußeren Rand der Plattform durch Oxidation verursachte Fehlstellen auftreten können. Diese Oxidationsprobleme treten insbesondere dann auf, wenn die häufig auch dort vorgesehene Wärmedämmschicht lokal abplatzt. Derartige Befunde können bei der Turbinenschaufel zu einem erhöhten Betriebsrisiko führen, weswegen derartige Turbinenschaufeln ausgetauscht oder aufbereitet werden. Die Wiederaufbereitung der Turbinenschaufel ist bisher vergleichsweise aufwendig. Gleichzeitig kann die Aufarbeitungsquote, d.h. der Anteil an wiederaufbereiteten Schaufeln, die sich nach der Wiederaufbereitung tatsächlich weiterhin für den Einsatz in der Turbomaschine qualifizieren, eher gering sein. Um diesen Effekten entgegenzuwirken wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Plattform - in radialem Bezug auf eine zentrale Längsachse - ein inneres

Plattformteil und ein äußeres Plattformteil umfasst, wobei das äußere Plattformteil als ein den äußeren Rand des inneren Plattformteils umgreifender endloser Plattformrahmen ausgebildet ist. Der Plattformrahmen ist somit endlos umlaufend und einstückig - er könnte auch als geschlossen bezeichnet werden.

Dabei versucht die Erfindung nicht eine Konstruktion für mo- dulare Turbinenschaufeln bereitzustellen, weswegen vorzugsweise die vom Heißgas überströmbare Fläche des inneren Platt- formteils wesentlich größer ist als die vom Heißgas über ^¬ strömbare Fläche des Plattformrahmens.

Sofern eine betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel im Bereich des Plattformrands aufzuarbeiten ist, sind die weiter oben angegebenen Fehlstellen in der Nähe des Plattformrands zu entfernen, indem der Rand der Plattform beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen zurückgesetzt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass beim Zurücksetzen des Plattformrands nicht nur die lokale Fehlstelle entfernt wird. Vielmehr wird der Plattformrand entlang des gesamten Umlaufs zurückgesetzt, um so eine monolithische Rumpfschaufei herzustellen, deren Plattform als inneres Plattformteil der herzustellenden Tur- binenschaufel eine Anlagefläche für einen Plattformrahmen be ^¬ reitstellt. Nach dem Anbringen eines endlosen Plattformrahmens an dem inneren Plattformteil weist die so hergestellte Turbinenschaufel dann eine Plattform auf, deren Abmaße der ursprünglichen Turbinenschaufel entsprechen.

Zwar wird bei diesem Verfahren auch nicht beeinträchtiges bzw. beschädigtes Schaufelmaterial entfernt. Dies hat jedoch den Vorteil, dass die Wiederaufbereitung nicht individuell - also in Abhängigkeit der defekten Stelle - durchgeführt wer- den muss, sondern automatisiert ablaufen kann. Dies reduziert den Aufwand zur Wiederaufarbeitung und die Ausschussrate.

Selbstverständlich lassen sich nach dem Verfahren auch neue Bauteile, also nicht durch Betrieb beanspruchte Turbinen- schaufeln herstellen, indem zuerst eine sog. Rumpfschaufei umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform und ein Befesti ^¬ gungsabschnitt in monolithischer Ausführungsform bereitgestellt wird. Die monolithische Rumpfschaufei kann auf konven ^¬ tionellem Wege im Gießverfahren hergestellt und beispiels- weise auch einkristallin oder gerichtet erstarrt sein. Nach dem Herstellen der Rumpfschaufei ist der Plattformrand der Rumpfschaufei ggf. noch entlang des gesamten Umlaufs durch geringfügiges Schleifen oder Fräsen auf das vorbestimmte, ex ^¬ akte Maß zu bringen, um das innere Plattformteil der Turbi- nenschaufel mit einer maßhaltigen Anlagefläche für den Platt ^¬ formrahmen bereitzustellen. Vor, während oder danach ist der Plattformrahmen als zumeist rechteckiges Gebilde herzustel ^¬ len. Nach dem Anbringen bzw. der Montage des Plattformrahmens an dem maßhaltigen Rand des inneren Plattformteils ist dann die Turbinenschaufel als Neubauteil hergestellt.

Der Plattformrahmen kann im Querschnitt unterschiedliche Formen aufweisen. Bevorzugt sind jedoch derartige Formen, die einen Formschluss mit dem Rand des inneren Plattformteils herbeiführen. Beispielweise kann die Querschnittform rautenförmig oder C-förmig ausgebildet sein. Der Rand des inneren Plattformteils ist dabei stets korrespondierend zur Quer- schnittsform ausgeführt.

Besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und auch des Verfahrens ist, dass insbesondere auch zwei unter ^¬ schiedliche Materialien für die Rumpfschaufei und für den Plattformrahmen verwendet werden können. So kann zusätzlich auf die unterschiedlichen lokalen Belastungen Rücksicht genommen werden, was ggf. zu einer verlängerten Lebensdauer der Turbinenschaufel führt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist die höhere Präzision hinsichtlich der äußeren Abmaße der Plattform, da diese beim Herstellen des Plattformrahmens sich einfacher herbeiführen lassen als beim Gießen einer rein monolithischen Turbinenschaufel.

Zum dauerhaften Verbinden des Plattformrahmens mit der Rumpfschaufel sind unterschiedliche Verfahren einsetzbar. Da der Plattformrahmen als endloser Rahmen ausgestaltet ist, bietet sich vorzugsweise das Aufschrumpfen des Plattformrahmens auf den umlaufenden Rand des inneren Plattformteils an. Vor dem Aufschrumpfen kann der Plattformrahmen erhitzt und/oder die Rumpfschaufei abgekühlt werden. Nach dem Zusammensetzen von Plattformrahmen und Rumpfschaufei und einer sich anschließenden Temperaturangleichung sitzt der Plattformrahmen dann fest an dem umlaufenden Rand des inneren Plattformteils. Auch Löten und Schweißen - punktuell als auch entlang der Verbindungslinie vom Rand des inneren Plattformteils und Plattform ^¬ rahmen - sind möglich. Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung liegt der

Plattformrahmen flächig an dem inneren Plattformteil an, wobei die Kontaktfläche zumindest teilweise mit der Längsachse einen Winkel einschließt, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist. Eine derartige Anordnung verhindert zumindest in einer Richtung eine Parallelverschiebung des Plattformrahmens entlang der Längsachse, was insbesondere bei der Verwendung der Erfindung an Turbinenlaufschaufeln von Vorteil ist. In diesem Fall wird die während des Betriebs der Turbomaschine auf den Plattformrahmen einwirkende Fliehkraft auch durch Formschluss aufgrund der in Bezug auf die Längsachse geneig ^¬ ten Kontaktfläche in das Plattformteil übertragen. Dies ver ^¬ hindert zuverlässig den Verlust des Plattformrahmens aufgrund der Fliehkraft.

Vorzugsweise beträgt der Winkel eine Größe zwischen 15° und 35°, beispielsweise liegt der Winkel bei 20°. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung weist der

Plattformrahmen an zumindest einer seitlich nach außen weisenden Fläche einen Schlitz zur Aufnahme eines Dichtelements auf. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass bei Verschleiß von im Plattformrand vorhandenen Schlitzen aufgrund der darin sitzenden blechförmigen Dichtelemente mit der nunmehr bereitgestellten Erfindung eine einfache und zuverlässige Möglichkeit besteht, auch derartige betriebsbean ^¬ spruchte Turbinenschaufeln wieder aufzuarbeiten. Zudem lassen sich derartige Schlitze kostengünstiger herstellen als bei rein monolithischen Turbinenschaufeln.

Zweckmäßigerweise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leit ^¬ schaufel oder als Laufschaufel ausgebildet sein. Damit die Turbinenschaufel mit dem inneren Plattformteil und dem äußeren Plattformteil in Form des das innere Plattformteil umgreifenden endlosen Plattformrahmens auch bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden kann, ist es von Vorteil, wenn der innere Plattformteil und der Plattformrahmen in einem Beschichtungsvorgang beschichtet werden. Somit kann eine nahtlose Schutzschicht auf beide Plattformteile aufge ^¬ bracht werden. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Figu ^¬ renbeschreibung angegeben. Es zeigen:

Figur 1 in perspektivischer Darstellung die Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel,

Figur 2 in perspektivischer Darstellung die Draufsicht auf einen Plattformrahmen,

Figur 3 den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß

Figur 1 und

Figur 4 einen Ausschnitt von der Ecke einer Plattform der

Turbinenschaufel nach Figur 1 beim Zusammensetzen von Rumpfschaufei und Plattformrahmen.

In allen Figuren sind identische Merkmale mit den identischen Bezugsziffern versehen.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 ist als Laufschaufei ausgebildet. Sie könnte jedoch auch als Leitschaufel ausge ^¬ bildet sein. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang ihrer Längsachse 12 unmittelbar aufeinanderfolgend einen Befesti ^¬ gungsabschnitt 14, eine Plattform 16 sowie ein Schaufelblatt 18. Der Befestigungsabschnitt 14 ist in einer für eine Lauf ^¬ schaufel typischen Manier nach Art eines Tannenbaumprofils konturiert. Leitschaufeln für Turbinen weisen anstelle des tannenbaumförmigen Befestigungsabschnitts 14 zumeist mehrere Haken auf, welche in einen nicht weiter dargestellten Leitschaufelträger der Turbomaschine eingeschoben sind.

Der Befestigungsabschnitt 14 geht in die Plattform 16 über. Gemäß der in Figur 1 gewählten Darstellung weist die Plattform 16 eine nach oben weisende Plattformoberfläche 20 auf, an der sich das Schaufelblatt 18 ansiedelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform 16 - in radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil 22 und ein äußeres Plattformteil 24, wobei das äußere Plattform ^¬ teil 24 als ein den äußeren Rand 26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen 28 ausgebildet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl Befestigungsabschnitt 14, das innere Plattformteil 22 und das Schaufelblatt 18 monolithisch - also einstückig - ausgebil ^¬ det. Diese monolithische Einheit wird auch als Rumpfschaufei 19 bezeichnet. Die gemäß dieser Darstellung zum Schaufelblatt 18 weisenden Flächen 20 des inneren Plattformteils 22 und des äußeren Plattformteils 24 sind zueinander versatzfrei, so dass sie - bei der Verwendung der Turbinenschaufel 10 in ei ^¬ ner Turbomaschine - für das in der Turbomaschine strömende Arbeitsmedium eine kanten- und stufenfreie Begrenzungswand bereitstellen .

Dabei ist die vom Heißgas überströmbare Fläche des inneren Plattformteils 22 wesentlich größer ist als die vom Heißgas überströmbare Fläche des Plattformrahmens 28. Die Turbinenschaufel 10 kann in beliebiger Weise mit Hilfe eines Kühlmediums innengekühlt ausgebildet sein. Auch Film ^¬ kühlöffnungen und Hinterkantenöffnungen für Kühlmittel können vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch ungekühlt sein.

Figur 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Plattformrahmen 28. Der Plattformrahmen 28 umfasst zwei zueinander parallele Längsstreben 30 sowie zwei zueinander parallele Quer ^¬ streben 32. Der Plattformrahmen 28 kann aus einem anderen Ma- terial hergestellt sein als die in Figur 1 dargestellte

Rumpfschaufei 19. Der Plattformrahmen 28 kann aber auch aus dem gleichen Material hergestellt sein. Der Plattformrahmen kann auch durch Verschweißen von den Längsstreben 30 mit den Querstreben 32 hergestellt sein. Er kann auch gegossen oder aus dem Vollen gefräst sein.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Turbinenschaufel 10 entlang der Längsachse 12. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel ist der Befestigungsabschnitt gemäß Figur 3 nicht tannenbaumförmig ausgebildet, sondern schwalbenschwanzförmig . Zudem zeigt Figur 3 den Plattformrahmen 28 während der Montage an der Rumpfschaufei 19, kurz be- vor der Plattformrahmen 28 seine endgültige Montageposition erreicht. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Plattformrahmen 28 im Querschnitt eine Rautenform auf. Auch andere Formen sind möglich.

Jede Strebe 30, 32 des Plattformrahmens 28 weist eine nach innen gerichtete erste Anlagefläche 34 und eine zweite An ^¬ lagefläche 36 auf. Ebenso weist der äußere Rand 26 des inne ^¬ ren Plattformteils 22 eine seitlich nach außen weisende erste Anlagefläche 38 sowie eine zweite Anlagefläche 40 auf. Nach der Montage des Plattformrahmens 28 liegen dessen erste An ^¬ lagefläche 34 an der ersten Anlagefläche 38 des inneren

Plattformteils 22 und dessen zweite Anlagefläche 36 an der zweiten Anlagefläche des inneren Plattformteils 22 flächig an. Die sich so ausbildenden ersten Kontaktflächen und zweiten Kontaktflächen sind gegenüber der Längsachse 12 unterschiedlich geneigt. Die erste Kontaktfläche ist im Quer ^¬ schnitt parallel zur Längsachse 12 ausgerichtet. Die zweite Kontaktfläche ist im Querschnitt jedoch unter einem spitzen Winkel gegenüber der Längsachse 12 geneigt. Diese Ausfüh ^¬ rungsform verhindert auch durch Formschluss das Lösen des Plattformrahmens 28 von der Rumpfschaufei 19 bei auf die Tur ^¬ binenschaufel 10 einwirkenden Fliehkräften.

Figur 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ecke des inneren Plattformteils 22 und des Plattformrahmens 28 während der Montage. Neben den bereits beschriebenen Merkmalen ist zudem in Figur 4 an einer seitlich nach außen weisenden Fläche 42 des Plattformrahmens 28 ein Schlitz 44 zur Aufnahme eines blechförmigen Dichtelements dargestellt.

Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel 10 mit einem Befestigungsabschnitt 14, einer Plattform 16 und einem Schaufelblatt 18, welche entlang einer Längsachse 12 der Turbinenschaufel unmittelbar aufeinander folgen. Um eine besonders langlebige Turbinenschaufel 10 bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Plattform 16 - in radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil 22 und ein äußeres Plattformteil 24 umfasst, wobei das äußere Plattform ^¬ teil 24 als ein den äußeren Rand 26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen 28 ausgebildet ist. Hinsichtlich des Verfahrens wird vorgeschlagen, eine mo ^¬ nolithisch hergestellte Rumpfschaufei 19 zu verwenden oder eine bereits betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel 10 entlang des gesamten Umlaufs des Plattformrands anzupassen bzw. zu ^¬ rückzusetzen und einen endlosen Plattformrahmen 28 herzustellen, welcher anschließend an dem Plattformrand 26 montiert werden kann, um so die ursprünglichen oder planmäßig vorgese- henen Abmessungen der Turbinenschaufel 10 herzustellen.