Turbinenschaufel mit einer modularen, gestuften Hinterkante

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Gasturbine, mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt umfassend eine druckseitige Schaufelwand und eine saugseitige Schaufelwand, die sich von einer gemeinsamen, von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante des Schaufelblatts zu jeweils einer Hinterkante erstrecken, wobei die Hinterkante der druckseitigen Schaufelwand - bezogen auf die Richtung des das Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmediums - stromauf der Hinterkante der saugseitigen Schaufelwand angeordnet ist.

Eine eingangs genannte Turbinenschaufel und ein Gusskern zum Herstellen einer solchen Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der WO 2003/042503 Al bekannt. Die bekannte Turbinenschaufel weist eine sog. Cut-Back-Hinterkante auf. Die Cut- Back-Hinterkante des Schaufelblatts kennzeichnet sich im

Wesentlichen dadurch, dass nicht mittig zwischen Saugseitenwand und Druckseitenwand an der Hinterkante angeordnete Öffnungen zum Ausblasen von Kühlmittel vorgesehen sind, sondern dass diese Öffnungen allein an der druckseitigen Oberfläche des Schaufelblatts hinterkantennah angeordnet sind, welche entlang der Hinterkante von einem plattformseitigen Ende bis zu einem schaufelspitzseitigen Ende verteilt sind. Die Öffnungen sind durch quer zur Hinterkantenerstreckung verlaufende Stege voneinander getrennt, so dass das durch sie aus- strömende Kühlmittel im Wesentlichen parallel zu dem das

Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmedium ausströmen kann. Die zwischen den Öffnungen angeordneten Stege sind im Englischen auch als "Tear Drops" bekannt. Den an der Hinterkante angeordneten Öffnungen ist ein gemeinschaftlicher Hohlraum im Schaufelblattinneren vorgeschaltet. Bei der bekannten Turbinenschaufel sind drei Reihen von säulenartigen Sockel - im Englischen auch bekannt unter dem Namen "Pin-Fins" - angeordnet, welche zur Erhöhung des Wärmeübergangs der an ihnen vor- beistreifenden Kühlluft und zur Erhöhung des Druckverlusts dort vorgesehen sind.

Der zur Herstellung der in der WO 2003/042503 Al in FIG 1 dargestellten Turbinenschaufel zu verwendende Gusskern ist dort in FIG 7 perspektivisch dargestellt. Der vom Gusskern eingenommene Raum verbleibt nach Herstellung der gegossenen Turbinenschaufel als Hohlraum, wobei die im Gusskern angeordneten Öffnungen mit Gussmaterial aufgefüllt sind. Insofern stellt der Gusskern das negative Abbild des Inneren der Turbinenschaufel dar.

Des Weiteren ist aus der US 6,551,063 Bl eine Turbinenschaufel mit einer Cut-Back-Hinterkante bekannt, welche modular ausgebildet ist. Der Grundkörper des

Schaufelblatts ist im Gießverfahren gefertigt und weist im Bereich der Hinterkante druckseitig angeordnete Kühlluft- Ausblasöffnungen auf, welche vergleichsweise groß sind. Die großen Ausblasöffnungen sind einem Gusskern geschuldet, welcher im Bereich der Auslassöffnungen massiver und dicker als bisher ausgebildet ist, um dessen Handhabbarkeit zu verbessern aufgrund einer geringeren Bruchneigung. Um jedoch an der Hinterkante der Turbinenschaufel nur eine geringe vorbestimmte Menge an Kühlluft auszublasen, werden die Kühlluft-Ausblasöffnungen mit Hilfe eines angelöteten Abdeckbleches verkleinert. Das Blech ist streifenartig ausgebildet und überdeckt teilweise die Ausblasöffnungen, wodurch der effektive Ausströmquerschnitt verringert wird.

Daneben ist aus der EP 1 847 684 Al eine Turbinenschaufel bekannt, in welcher zwei Medien, Kühlmittel und Brennstoff, getrennt geführt werden. Beide Medien sollen prinzipiell erst im Moment des Austretens aus der Turbinenschaufel miteinander vermischen und dort gezündet werden, was zu einer Wirkungs- gradsteigerung der Gasturbine durch Nachheizen von Rauchgas führen soll. Gemäß einer dort offenbarten Ausgestaltung ist mittig im Zentrum der Hinterkante ein Einsatz vorgesehen, welcher die Vermischung der beiden Medien wie gewünscht bewerkstelligt .

Ferner ist bekannt, die durch die Hinterkante der Turbinen- schaufei austretende Kühlluftmenge durch eine geeignete Wahl zwischen maximalen Druckverlust und/oder der kleinsten, von der Kühlluft zu durchströmenden Querschnittsfläche nahe der Hinterkante einzustellen. Diese Vorgehensweise kann jedoch zu Gusskernen führen, bei denen die an der Gusskernhinterkante vorgesehenen Öffnungen derart groß werden, dass zwischen ihnen nur noch vergleichsweise dünne Trennstege im Gusskern verbleiben. Während der Handhabung des Gusskerns kann jedoch genau an dieser Stelle der Gusskern zerbrechen, so dass dieser anschließend unbrauchbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer eingangs genannten, alternativen Turbinenschaufel für eine Gasturbine, die ausgestattet mit einer Cut-Back-Hinterkante mit einer möglichst geringen Menge an Kühlluft effizient und ausreichend kühlbar ist, und/oder bei der zur Herstellung ein Gusskern in einer Gießvorrichtung verwendet werden kann, welcher besonders robust ist.

Die auf eine Turbinenschaufel mit einer Cut-Back-Hinterkante gerichtete Aufgabe wird mit einer Turbinenschaufel gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die üblicherweise unmittelbar mit dem Guss hergestellte Cut-Back-Hin- terkante auch separat von dem Grundkörper, welcher das Schaufelblatt zumindest grundlegend bildet, hergestellt werden kann. Die Erfindung sieht also vor, die Hinterkante als modu- lare Cut-Back-Hinterkante auszubilden, was erforderlich macht, dass die Hinterkante der druckseitigen Schaufelwand - bezogen auf die Richtung des das Schaufelblatt umströmenden Arbeitsmediums - stromauf der Hinterkante der saugseitigen Schaufelwand angeordnet ist, so dass in einem von der Hinterkante der druckseitigen Schaufelwand und der saugseitigen Schaufelwand begrenzten Schlitz ein Einsatz einsetzbar ist, durch ein im Inneren des Schaufelblatts strömbares Kühlmittel aus dem Schaufelblatt ausströmbar ist. Folglich ersetzt der Einsatz die ansonsten angegossenen Stege.

Aufgrund der modularen Hinterkante der Turbinenschaufel kann der zur Herstellung des gegossenen Schaufelblatts resp. der gegossenen Turbinenschaufel benötigte Gusskern strukturell weniger komplex ausgebildet sein als ein aus dem Stand der Technik bekannter Gusskern. Zumindest diejenigen Öffnungen im Gusskern entfallen, welche zur Bildung der Stege an der Hinterkante der Turbinenschaufel benötigt werden. Der nach dem Stand der Technik bekannte Gusskern weist an dieser Stelle den geringsten Querschnitt auf, welcher überdies aufgrund der dort angeordneten Öffnungen auch noch perforiert ist. Aufgrund des geringen Querschnitts und der Perforation könnte der bisherige Gusskern bei seiner Handhabung an dieser Stelle besonders leicht zerbrechen. Durch den Wegfall der im Gusskern bisher anzuordnenden Öffnungen ist dieser nun an der betreffenden Stelle wesentlich massiver, was seine Steifigkeit erhöht. Hierdurch neigt der zum Herstellen der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel zu verwendende Gusskern weniger zum Zerbrechen, was seine Handhabung vereinfacht und Kosten reduziert. Gleichzeitig ist es möglich, unterschiedliche Materialien für den Einsatz und den das Schaufelblatt bildenden Grundkörper zu verwenden. Beispielsweise könnte der Einsatz aus einer Superlegierung hergestellt sein.

Zudem gehen die Innenflächen der Schaufelwände versatzfrei in Kanäle des Einsatzes über. Mit anderen Worten: die

Innenflächen der Schaufelblattwände fluchten mit den Innenflächen der Kanäle des Einsatzes. Querschnittssprünge aufgrund unstetiger Übergänge, wie sie beispielsweise beim Stand der Technik gemäß US 6,551,063 Bl auftreten, werden somit vermieden. Durch die Vermeidung der Querschnittsprünge kann selbst auf dem letzten Strömungsabschnitt des Kühlmittels, also unmittelbar vor Verlassen der Turbinenschaufel, eine effiziente und vorbestimmbare Kühlung eingestellt werden, was die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöht und Kühlmittel einspart.

Weiterer Vorteil ist die vergleichsweise exakte Fertigung des Einsatzes mit geringerer Fertigungsstreuung, verglichen mit der gegossenen Ausgestaltung der Cut-Back-Hinterkante. Bekanntermaßen wird der durch die Hinterkante ausströmenden Massenstrom der Kühlluft im Bereich der Stege durch eine geeignete Wahl der dortigen Geometrie und deren Abmaße einge- stellt. Da nun diese Geometrie nicht mehr im Bereich des

Gussteils liegen muss, sondern im Bereich des Einsatzes liegen kann, kann der Massenstrom aufgrund geringer Fertigungstoleranzen des Einsatzes wesentlich genauer eingestellt werden. Zudem vermindert die wenigere Fertigungsstreuung des Einsatzes wesentlich unterschiedliche Massenströme. Insofern kann durch die Verwendung des Einsatzes Kühlmittel eingespart werden. Zudem kann das Herstellungsverfahren bezüglich der Einstellung der durch die Hinterkante austretenden Kühlluft vereinfacht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben .

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist der Ein- satz zwei einander gegenüberliegende Wände auf, die über zueinander beabstandete, sich in Ausströmrichtung des Kühlmittels erstreckende Stege miteinander verbunden sind. Daraus ergibt sich, dass im Wesentlichen nur ein einziger Einsatz in den an der Hinterkante des Schaufelblatts angeordneten Schlitz eingesetzt werden muss. Es wird vermieden, dass eine Vielzahl von jeweils nur als Steg ausgebildete Einsätze befestigt werden müssen, die den entlang der Hinterkantenerstreckung angeordneten Schlitz in Öffnungen unterteilen. Insofern ist der Einsatz mit zwei einander gegenüberliegenden Wänden, die über mehrere Stege miteinander verbunden sind, schnell und einfach in der Turbinenschaufel zu montieren. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist derjenige Bereich einer Seitenfläche der druckseitigen Schaufelwand und/oder saugseitigen Schaufelwand, an welcher der Einsatz anliegt, im Querschnitt geradlinig ausgebildet. Dies er- möglicht das Einsetzen des Einsatzes bei der Fertigung der Turbinenschaufel mittels einer einfachen geradlinigen Einsetzbewegung .

Vorzugsweise erstrecken sich der Schlitz und der darin ange- ordnete Einsatz jeweils von einem Fußbereich des Schaufelblatts bis zu einem Spitzenbereich des Schaufelblatts. Hierdurch kann eine größere Anzahl an Bauteilen, die zur Herstellung der Turbinenschaufel benötigt werden, vermieden werden.

Zweckmäßiger Weise ist der Einsatz mit der druckseitigen

Schaufelwand und/oder saugseitigen Schaufelwand verlötet oder verschweißt. Dies ist insbesondere dann einfach zu bewerkstelligen und von Vorteil, wenn der Einsatz zwei einander gegenüberliegende Wände aufweist. Ein Passieren der im Inneren der Turbinenschaufel strömenden Kühlluft durch einen Spalt zwischen einer Wand des Einsatzes und der dieser unmittelbar gegenüberliegenden Seitenfläche der jeweiligen Schaufelwand kann somit vermieden werden.

Vorzugsweise ist die Turbinenschaufel als gegossene Turbinenschaufel in Form einer Leitschaufel oder einer Laufschaufel mit mindestens einer quer zum Schaufelblatt angeordneten Plattform ausgebildet.

Weitere strukturelle Merkmale sowie weitere Vorteile einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ergeben sich aus der Zeichnung und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen :

FIG 1 den Querschnitt durch ein Schaufelblatt einer Turbinenschaufel, FIG 2 den Querschnitt durch den Hinterkantenbereich einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel im Detail,

FIG 3 den Querschnitt durch einen Einsatz für die Hinter- kante einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel,

FIG 4 die Seitensicht auf den Einsatz gemäß FIG 3 und

FIG 5 den Querschnitt durch den Hinterkantenbereich eines Schaufelblatts einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit darin angeordnetem Einsatz.

In FIG 1 ist der Querschnitt durch das Schaufelblatt 12 einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 schematisch darge- stellt. Die Turbinenschaufel 10 kann sowohl als Leitschaufel einer stationären Gasturbine aber auch als Laufschaufel ausgebildet sein. Die in der Regel im Gießverfahren und somit grundlegend einstückige Turbinenschaufel 10 weist einen nicht weiter dargestellten Fußbereich zur Befestigung der Turbinen- schaufei 10 an einem Schaufelträger oder im Falle von einer Laufschaufei, an einem Rotor der Gasturbine auf. Daran angeordnet befindet sich eine Plattform 14, von der aus sich das aerodynamisch gekrümmte Schaufelblatt 12 bis zu einer aufgrund der Schnittdarstellung nicht weiter sichtbaren Blatt- spitze erstreckt. Das aerodynamisch gekrümmte Schaufelblatt 12 umfasst im Wesentlichen eine saugseitige Schaufelwand 16 sowie eine druckseitige Schaufelwand 18. Beide Schaufelwände 16, 18 erstrecken sich von einer gemeinsamen Vorderkante 20 zu einem Hinterkantenbereich 22 des Schaufelblatts 12. Das Schaufelblatt 12 ist im Inneren hohl ausgebildet, wobei die dort angeordneten Hohlräume 24 durch sich von der druckseitigen Schaufelwand 18 zur saugseitigen Schaufelwand 16 sowie sich vom Fußbereich zum Schaufelplattspitzenbereich erstreckende Rippen 26 unterteilt sind. Die Hohlräume 24 können da- bei sequentiell, parallel oder beliebig kombiniert von einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft, durchströmbar sein, wobei das im zum Hinterkantenbereich 22 benachbarten Hohlraum 24 strömende Kühlmittel durch Kanäle 28 zu Öffnungen 30 ge- führt werden kann, welche im Hinterkantenbereich 22 druckseitig angeordnet sind. Zwischen dem Kühlkanal 28 und den Öffnungen 30 können dabei in Reihen oder in Feldern angeordnete, sog. Pin-Fins 32 vorgesehen sein, die eine Verwirbelung und Umlenkung der zu den Öffnungen 30 strömenden Kühlluft herbeiführen sollen, um die in den Schaufelwänden 16, 18 vorhandene Wärmeenergie beim Betrieb der Gasturbine aufzunehmen und aus diesen abzutransportieren. Aufgrund der druckseitig angeordneten Öffnungen 30 handelt es sich bei der in FIG 1 schema- tisch dargestellten Turbinenschaufel 10 um eine Turbinenschaufel 10 mit einer sog. Cut-Back-Hinterkante. Die im Hinterkantenbereich 22 angeordneten Öffnungen 30 sind dabei entlang der Hinterkantenerstreckung vom plattformseitigen Bereich der Hinterkante bis zum spitzenseitigen Bereich der Hinterkante gleichmäßig verteilt und durch Stege voneinander getrennt .

In FIG 2 ist der Hinterkantenbereich 22 gemäß FIG 1 im Detail dargestellt, jedoch unter Ausblendung des dort vorzusehenden erfindungsgemäßen Einsatzes. Der in FIG 2 dargestellte Hinterkantenbereich 22 ist Teil eines Grundkörpers des Schaufelblattes 12, welcher einstückig in einem Gießverfahren hergestellt worden ist. Die in FIG 2 dargestellte saugseitige Schaufelwand 16 erstreckt sich bis zu ihrer Hinterkante 36, wohingegen eine Hinterkante 38 der druckseitigen Schaufelwand 18, bezogen auf die Richtung des das Schaufelblatt 12 umströmenden Arbeitsmediums, stromauf der Hinterkante 36 der saug- seitigen Schaufelwand 16 angeordnet ist. Zwischen der Hinterkante 38 der druckseitigen Schaufelwand 18 und derjenigen Seitenfläche 40 der saugseitigen Schaufelwand 16, welcher der Hinterkante 38 der druckseitigen Schaufelwand 18 zugewandt ist, ist ein Schlitz 42 vorgesehen. Der Schlitz 42 erstreckt sich über die gesamte Höhe des Schaufelblatts 16, welche senkrecht zur Zeichnungsebene erfasst wird. Die Höhe des Schaufelblatts 12 wird somit zwischen der Plattform 14 und der Spitze des Schaufelblatts 12 erfasst. Zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 ist vorgesehen, dass der in FIG 3 im Querschnitt dargestellte Einsatz 44 von außen in den Schlitz 42 eingesetzt und dort befestigt wird. Der Einsatz 44 umfasst im Wesentlichen zwei Wände 46, 48, zwischen denen mehrere Stege 50 (siehe FIG 4) angeordnet sind, um die beiden Wände 46, 48 miteinander zu verbinden und den Einsatz 44 als Einheit auszugestalten. Zwischen den Stegen 50 sind somit Kanäle 52 vorhanden, durch die das im Inneren der Turbinenschaufel 10 strömende Kühlmittel, beispielsweise Kühlluft, aus der Turbinenschaufel 10 austreten kann. Die Kanäle 52 münden dabei als in der Oberfläche des Einsatzes 44 angeordnete Öffnungen 30, welche in FIG 1 lediglich schematisch dargestellt sind.

In FIG 2 ist im Bereich des Schlitzes 42 im

Schaufelgrundkörper kühlkanalseitig eine Stufe 43 dargestellt. Die Stufenhöhe entspricht dabei der Wandstärke der Wand 46 des Einsatzes 44 zzgl. eines etwaigen Raumbedarfs für die Befestigung des Einsatzes 44 an der entsprechenden Wand 16. Mittels dieser Maßnahme sind die das Kühlmittel führenden Flächen des Schaufelinneren und des Einsatzes 44 zueinander versatz- und kantenfrei, was die verlustarme Führung des Kühlmittels ermöglicht.

FIG 5 zeigt im Querschnitt gemäß FIG 2 den Hinterkantenbereich 22 der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10, bei der der Einsatz 44 im Schlitz 42 angeordnet und durch Verlöten oder Verschweißen befestigt ist. Die Wand 48 des Einsatzes 44 ist dabei mit der Hinterkante 38 der druckseitigen Schaufel- wand 18 verbunden. Die Wand 46 ist mit der Seitenfläche 40 der saugseitigen Schaufelwand 16 verbunden. In den verlöteten oder verschweißten Bereichen liegen jeweils die betreffenden Wandflächen geradlinig aneinander, wodurch der Einsatz 44 vergleichweise einfach positionierbar ist.

Ingesamt wird mit der Erfindung eine Turbinenschaufel 10 für eine Gasturbine angegeben, bei der der nach Art einer Cut- Back-Hinterkante ausgebildete Hinterkantenbereich 22 modular ausgebildet ist. Hierzu ist vorgesehen, dass im Bereich 22 der Hinterkante des Schaufelblatts 10 ein sich von der Plattform bis zur Schaufelspitze erstreckender Schlitz 42 druckseitig vorgesehen ist, in welchem ein Einsatzbauteil 44 ange- ordnet ist, in dem die für eine Cut-Back-Hinterkante typischen Stege 50 ausgebildet sind. Der Einsatz 44 weist somit zwischen den Stegen 50 angeordnete Kanäle 52 auf, die in Öffnungen 30 münden, aus denen das im Inneren des Schaufelblatts 10 strömbare Kühlmittel aus dem Schaufelblatt 10 ausströmbar ist. Durch die vorgeschlagene Maßnahme kann ein im Hinterkantenbereich weiter aufgedickter Gusskern für die Herstellung des gegossenen Schaufelblatts 12 verwendet werden, wodurch dessen mechanische Integrität verbessert wird und dieser während seiner Handhabung weniger zum Zerbrechen neigt. Außerdem kann mit einer derartigen Turbinenschaufel 10 die Menge der an der Hinterkante austretenden Kühlluft vergleichsweise genau mittels eines nicht gegossenen, herkömmlich hergestellten Einsatzes 44 eingestellt werden.

Selbstverständlich ist es möglich, dass der Einsatz 44 nicht nur die im Hinterkantenbereich angeordneten Stege 50 aufweist. Selbstverständlich ist möglich, das der Einsatz 44 auch die üblicher Weise weiter im Inneren der Turbinenschaufel 10 stromauf angeordneten Pin-Fins 32 umfasst, wobei der Einsatz 44 auch einen geringfügigen Teil der druckseitigen

Schaufelwand 18 bilden kann, so wie es in FIG 5 exemplarisch mit dem Bezugszeichen 54 dargestellt ist.