Turbinenschaufel für eine Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, mit einem aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich entlang einer Profilsehne von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer Hinterkante und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende zu einem schaufelkopfseitigen Ende erstrecken, wobei das Schaufelblatt zur Führung eines Kühlmittels hohl ausgestaltet ist und in dessen Inneren eine sich parallel zur Vorderkante erstreckende Rippe mit Öffnungen geeignet zur Prallkühlung der Innenseite der Vorderkante vorgesehen ist.

Gattungsgemäße Turbinenschaufeln sind aus dem umfangreich verfügbaren Stand der Technik längstens bekannt. In der Regel werden derartige Turbinenschaufeln im Gussverfahren hergestellt, so dass diese integral, d.h. einstückig sind. Eine im Inneren vorhandene Rippe, welche sich von der druckseitigen Seitenwand zur saugseitigen Seitenwand über die gesamte Höhe des Schaufelblatts in Spannweiterichtung erstreckt, ist mitgegossen, wobei die dafür erforderlichen Gusskerne so ausgestaltet sind, dass in der Rippe Öffnungen verbleiben. Diese auch als „cross-over-holes" bekannten Öffnungen dienen dann zur Erzeugung von Kühlmittelstrahlen, die auf der Innenseite der Vorderkante aufprallen und somit eine Prallkühlung der

Vorderkante der Turbinenschaufeln bewirken. Derartige Geometrien führen jedoch dazu, dass die erforderlichen Gusskerne vergleichsweise komplex sind. Die Komplexität der Gusskerne mit vergleichsweise filigranen Ausgestaltungen bedingt jedoch eine gewisse Fragilität, so dass die Handhabung der Gusskerne zur Vermeidung von Brüchen besonderer Vorsicht bedarf. Zusätzlich können derartige Gusskerne auch beim Befüllen der Gießvorrichtung mit heißem flüssigem Metall brechen, was die Ausschussquote des Herstellungsprozesses erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Tur- binenschaufel , bei der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile reduziert, wenn nicht gar vermieden werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Turbinenschaufel sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei diese in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.

Bei einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel für eine Gastur- bine, mit einem aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand aufweist, die sich entlang einer Profilsehne von einer Vorderkante zu einer Hinterkante und in einer Spannweiterichtung mit einer GesamtSpannweite von einem schaufei - fußseitigen Ende zu einem schaufelkopfseitigen Ende erstrecken, wobei das Schaufelblatt zur Führung eines Kühlmittels hohl ausgestaltet ist und in dessen Inneren eine sich parallel zur Vorderkante erstreckende Rippe mit Öffnungen geeignet zur Prallkühlung der Innenseite der Vorderkante vorgesehen ist, wird vorgeschlagen, dass die Länge der Rippe in Spannweiterichtung kleiner als 80% der Gesamtspannweite ist und die Rippe annähernd mittig zwischen den beiden Rippenenden angeordnet ist. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung wird die Komplexität der Struktur im Inneren der Turbinenschaufel reduziert, was zur Folge hat, dass der dafür erforderliche Gusskern ebenfalls weniger komplex ausgestaltet ist. Die verringerte Komplexität führt dann zu einer erhöhten Stabilität des Gusskerns, so dass dieser weniger zum Bruch neigt. Die verringerte Bruchneigung verbessert die Handhabung und auch die Ausschuss- quote . Zugleich erreicht man mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine Anpassung der Kühlung an die tatsächlich erforderlichen Kühlanforderungen. Es hat sich gezeigt, dass in Spannweiterichtung - also bei einer axial durchströmten, stationären Gasturbine in Radialrichtung - die höchste Temperaturbelastung im Bereich der mittleren Spannweite auftritt und zu den Randschnitten, also bei einem ringförmigen Heißgaskanal radial außen bzw. radial innen, geringer ist. Im Zuge dessen lässt sich mit der vorgeschlagenen Turbinenschaufel eine lokal angepasste Kühlung der Vorderkante des Schaufelblatts erreichen .

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist kein Ende der beiden Enden der Rippen, die dem Schaufel - fuß und dem Schaufelkopf zugewandt sind, mit der Innenseite der Vorderkante durch einen Übergangsbereich integral verbunden. Vorzugsweise ist nur ein Ende dieser beiden Enden mit Hilfe eines Übergangsbereichs integral mit der Innenseite der Vorderkante verbunden. Die nicht miteinander verbundenen Enden führen zu einem vergleichsweise großen Freiraum zwischen den Rippenenden und der Innenseite der Vorderkante, welcher durch einen an dieser Stelle aufgedickten Gusskern herstellbar ist. Diese Maßnahme erhöht die Stabilität des Gusskerns und kann schlussendlich zu einer geringeren Aus- schussrate bei der Herstellung derartiger Turbinenschaufeln führen .

Von besonderem Vorteil ist, dass derartige Turbinenschaufeln Vorderkantenkanäle für Kühlmittel zwischen der Innenseite der Vorderkante und der Rippe aufweisen, die für unterschiedliche Kühlkonzepte eingerichtet werden können. Aufgrund der vorhandenen Freiräume zwischen den Enden der Rippe und der Innenseite der Vorderkante kann eine reine konvektive Kühlung der Innenseite der Vorderkante, ggf. ausgestaltet mit Turbulato- ren erreicht werden. Die in der Rippe vorhandenen „cross- over-holes" sind dann ohne Funktion. Eine mit der gleichen Gießvorrichtung und den gleichen Gusskernen hergestellte Turbinenschaufel kann jedoch auch für eine Prallkühlung der Vor- derkante ertüchtigt werden. Hierzu ist lediglich nach dem Gießen der Turbinenschaufel der Freiraum zwischen einem Ende der Rippe und der Innenseite der Vorderkante mit Hilfe eines Stopfens nachträglich zu verschließen. Letztere Turbinen- schaufeln sind dann geeignet, höheren Temperaturen standzuhalten als die konvektiv gekühlten.

Somit formt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ein einem Schaufelfuß zugewandtes Ende der Rippe oder ein einem Schaufelkopf zugewandtes Ende der Rippe mit der Innenseite der Vorderkante eine nach dem Guss vorhandene Öffnung, die jeweils mittels eines separat hergestellten Stopfens verschlossen ist. Für den erstgenannten Fall, bei dem eine rein konvektive Kühlung der Vorderkante vorgesehen ist, sollten gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung im integralen Übergangsbereich Öffnungen zum Auslassen eines Kühlmittels aus dem Raum zwischen der Innenseite der Vorderkante und der Rippe vorgesehen sein.

Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel als Laufschaufel oder als Leitschaufel ausgebildet sein.

Die Erfindung wird anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei werden in der Figurenbeschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung angegeben.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel in Form einer Leitschaufel,

Figur 2 den Längsschnitt durch das Schaufelblatt einer Turbinenschaufel gemäß Figur 1 in einer ersten Ausfüh- rungsvariante , und

Figur 3 den Längsschnitt analog zu Figur 2 für ein weiteres

Ausführungsbeispiel . Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht eine als Leitschaufel einer ersten Gasturbinenstufe ausgebildete Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 umfasst eine fußseitige Plattform 12 zur Befestigung der Turbinenschaufel 10 an einem nicht weiter dargestellten Turbinenleitschaufelträger . Ferner umfasst sie ein Schaufelblatt 14, welches sich in Spannweiterichtung an die Plattform 12 anschließt. In der Betriebslage der Turbinenschaufel 10 in einer axial durchströmten Gastur- bine schließt sich an das innere Ende des Schaufelblatts 14 eine kopfseitige Plattform 15 an. Das Schaufelblatt 14 umfasst eine Vorderkante 16, von der aus sich eine druckseitige Seitenwand 20 und eine saugseitige Seitenwand zu einer Hinterkante 22 hin erstreckt. Das Schaufelblatt 14 erstreckt sich in einer Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende 24 zu einem kopfseitigen Ende 26. Entlang dieser Spannweiterichtung weist das Schaufelblatt eine Gesamtspannweite auf, die normiert 100% beträgt, wobei der Ursprung schaufelfußsei - tig - also im Übergangspunkt von Plattform 12 zum schaufei - fußseitigen Ende 24 - angeordnet ist.

Figur 2 zeigt den Schnitt durch den Vorderkantenbereich der Turbinenschaufel 10 gemäß Figur 1. Dabei ist in Figur 2 - wie in Figur 1 - das schaufelfußseitige Blattende 24 oberhalb des schaufelkopfseitigen Endes 26 dargestellt. Der mit dem Bezugszeichen 21 versehene Punkt ist mittig zwischen dem schau- felfußseitigen Ende 24 und dem schaufelkopfseitigen Ende 26 des Schaufelblatts 14 angeordnet. Insofern liegt der Punkt 21 bei 50% der Gesamtspannweite ausgehend vom schaufelfußseiti - gen Ende 24.

Im Inneren der Turbinenschaufel 10 erstreckt sich parallel zur Vorderkante 16 eine Rippe 30. Diese Rippe 30 verbindet im Inneren die druckseitige Seitenwand 20 mit der saugseitigen Seitenwand, so dass zwischen einer Innenseite 32 der Vorderkante 16 und der Rippe 30 ein Vorderkantenraum 34 gebildet ist. Die Rippe 30 weist zudem ein dem Schaufelfuß zugewandtes Ende 36 und ein dem Schaufelkopf zugewandtes Ende 38 auf. Das schaufelkopfseitige Ende 38 geht über einen Übergangsbereich 40 in die Vorderkante 16 über. Somit ist die Rippe 30 und der Übergangsbereich 40 einstückig mit dem Rest des Schaufelblatts 14 ausgebildet, sie sind integral. Im Übergangsbereich 40 ist zumindest eine Öffnung, oder wie exemplarisch dargestellt, zwei Öffnungen 42 zum Auslassen eines Kühlmittels 44 aus dem Vorderkantenraum 34 vorgesehen.

Im Betrieb ist dem Hohlraum der Turbinenschaufel 10 von der Fußseite her Kühlluft 44 zuführbar. Ein Teil dieser Kühlluft 44 kann in den Vorderkantenraum 34 einströmen und dabei die Vorderkante 16 von innen her kühlen. Die in den Vorderkantenraum 34 einströmende Kühlluft 44 tritt dann über die Öffnungen 42 aus. Je nach Kühlanforderung kann vorgesehen sein, dass an den Innenseiten 32 der Vorderkante 16 und/oder Innenseiten der Seitenwände 20 Turbulatoren 46 zur Anfachung des Wärmeübergangs vorgesehen sind.

Um eine derartige Turbinenschaufel 10 mit einer im mittleren Bereich der Spannweite angeordneten Prallkühlung zu ertüchtigen, ist vorgesehen, dass die von dem schaufelfußseitigen Ende 36 der Rippe 30 und der Vorderkante 16 geformte Öffnung 48 durch einen separat hergestellten Stopfen 50 (Figur 3) verschlossen wird. Zugleich werden in die Vorderkante 16 Aus- trittslöcher 52 eingebracht. Infolge des sich im Betrieb einstellenden Druckgefälles wird eine im Inneren strömende Kühl- luft 44 durch in der Rippe angeordnete Öffnungen 54, 42 in den Vorderkantenraum 34 einströmen und dabei die Vorderkante 16 im Abschnitt der Rippe 30 prallkühlen. Anschließend kann die aufgeheizte Kühlluft durch die nachträglich hergestellten Austrittslöcher 52 aus der Turbinenschaufel 10 austreten. Je nach Druckgefälle im Inneren der Turbinenschaufel 10 können jedoch die Öffnungen 42 auch durch Stopfen zu verschließen sein .

Mithin lassen sich mit einer einzigen Gießvorrichtung zwei unterschiedliche Typen von gegossenen Turbinenschaufeln 10 herstellen, die allein aufgrund eines simplen nachrüstbaren Stopfens 50 die Anwendung unterschiedlicher Kühlkonzepte für den mittleren Bereich der Vorderkante 16 ermöglichen.

Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel 10 für eine Gasturbine, mit einem aerodynamisch gewölbten Schaufelblatt 14, welches eine saugseitige Seitenwand und eine druckseitige Seitenwand 20 aufweist, die sich entlang einer Profilsehne von einer gemeinsamen Vorderkante 16 zu einer Hinterkante 22 und in einer Spannweiterichtung mit einer Gesamtspannweite von einem schaufelfußseitigen Ende 24 zu einem schaufelkopfseitigen Ende 26 erstrecken, wobei das Schaufelblatt 14 zur Führung eines Kühlmittels hohl ausgestaltet ist und in dessen Inneren eine sich parallel zur Vorderkante 16 erstreckende Rippe 30 mit Öffnungen 54 geeignet zur Prallkühlung der Innenseite 32 der Vorderkante 16 vorgesehen ist. Um eine Turbinenschaufel 10 für unterschiedliche Kühlkonfigurationen bereitzustellen und bei der die Ausschlussquote aufgrund eines stabileren Gusskerns verringert ist, wird vorgeschlagen, dass die Länge der Rippe 30 in

Spannweiterichtung kleiner als 80% der Gesamtspannweite ist und die Rippe annähernd mittig zwischen ihren beiden Enden 24, 26 angeordnet ist.