Turbinenschaufel und Verfahren zum Herstellen bzw. Wiederherstellen einer Turbinenschaufel

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem gegossenen Schaufelblatt umfassend eine saugseitige Schaufelblatt ^¬ wand und eine druckseitige Schaufelblattwand, welches besagte Schaufelblatt sich in einer Spannweiterichtung von einem fuß- seitigen Ende zu einem kopfseitigen Ende und in einer Umströ- mungsrichtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante erstreckt, wobei unmittelbar stromauf der Hinterkante in einer der beiden Schaufelblattwände entlang der Hinterkante Ausspa- rungen zum Ausblasen eines Kühlmittels verteilt sind, derart, dass die betreffende Schaufelblattwand in Profilschnitten mit Aussparungen stromauf der Hinterkante endet.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen bzw. Wiederherstellen einer derartigen Turbinenschaufel.

Im umfangreich vorhandenen Stand der Technik sind die voran beschriebenen Turbinenschaufeln als sogenannte Cut-Back-Turbinenschaufeln bekannt. Der englische Begriff „Cut-Back" be- schreibt im Detail, dass die eine, beispielsweise die druckseitige, Schaufelblattwand gegenüber der anderen, dann der saugseitigen, Schaufelblattwand zurückgeschnitten ist. Durch die Rückschnitte ergeben sich Aussparungen, denen über daran mündende Öffnungen ein im Inneren des Schaufelblatts geführ- tes Kühlmittel zuführbar ist. Die Aussparungen sind dabei derart dimensioniert, dass die (druckseitige) Fläche der verbliebenden (saugseitigen) Schaufelblattwand bis zur Hinterkante durch das ausströmende Kühlmittel gekühlt wird. Mit dieser Ausgestaltung werden vergleichsweise schmale Hinter- kanten bereitgestellt, die aerodynamisch verlustärmer sind als Hinterkanten von Turbinenschaufeln, die eine mittige Ausblasung aufweisen. Eine derartige Turbinenschaufel ist beispielsweise aus der US 6,551,063 Bl bekannt, deren Öffnungen der Cut-Back- Hinterkante alle durch ein einziges in Profilsehnenrichtung relativ kurzes Blech teilweise abgedeckt sind, um eine ver- besserte Kühlung der Hinterkante zu erreichen. Eine modular hergestellte Cut-Back-Hinterkante ist aus der EP 2 163 726 AI bekannt, wobei deren Anwendung einen festeren Gusskern ermöglicht, der weniger zum Brechen neigt. Alternativ dazu ist aus der JP 2010-043568 A bekannt, in jeder Cut-Back-Öffnung ein blechartiges, durchströmbares Gitter vorzusehen, um die Kühleffektivität zu erhöhen.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass in den zurückgeschnittenen Bereichen - also von der Hinterkante des Schaufelblatts aus - Risse entstehen können, die die Lebensdauer der Turbinen ^¬ schaufel verkürzen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Tur- binenschaufel sowie die Angabe eines Verfahrens zum Herstel ^¬ len bzw. Wiederherstellen einer Turbinenschaufel, die eine verlängerte Lebensdauer aufweist.

Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Die Turbinenschaufel der eingangs genannten Art umfasst er- findungsgemäß ein plattenförmiges Abdeckelement, durch welches zumindest eine der Aussparungen teilweise abgedeckt ist. Das Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel oder Wiederherstellen einer betriebsbeanspruchten Turbinenschaufel sieht vor, dass nach dem Gießen eines Schaufelblatts umfas- send eine saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand, welches besagte Schaufelblatt sich in ei ^¬ ner Spannweiterichtung von einem fußseitigen Ende zu einem kopfseitigem Ende und in einer Umströmungsrichtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante erstreckt, wobei unmittelbar stromauf der Hinterkante in einem der Schaufelblattwände entlang der Hinterkante Aussparungen zum Ausblasen eines Kühlmittels verteilt sind, derart, dass die betreffende Schaufel- blattwand in Profilschnitten mit Aussparungen stromauf der Hinterkante endet, zumindest eine der Aussparungen durch das Anbringen, insbesondere Anschweißen eines Abdeckelements teilweise abgedeckt wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die die Lebensdauer verkürzenden Risse im Bereich der Hinterkante deswegen entstehen, da das aus den Öffnungen in die Aussparungen strömende Kühlfluid sich zu schnell mit dem das Schaufelblatt umströmenden Heißgas vermischt. Insofern wird der Abschnitt der durch eine druckseitige Aussparung druckseitig freigelegten saugseitigen Hinterkante von einem Fluidgemisch umströmt, welches heißer ist als ursprünglich vorgesehen. Somit wird das Schaufelmaterial im Bereich der Hinterkante nicht mehr ausreichend gekühlt. Die dort auftretenden lokalen thermi- sehen Überhitzungen führen zu mechanischen Spannungen, die das Material dort vorzeitig altern und ggf. einreißen lassen kann. Aus diesem Grunde schlägt die Erfindung vor, eine Abdeckung im Bereich der Hinterkante vorzusehen, die geeignet ist, das im Aussparungsbereich strömende Kühlmittel selbst im freigeschnittenen Bereich der gegossenen Turbinenschaufel länger entlang der Schaufelblattwand zu führen und so das Gussmaterial des Schaufelblatts vor den Einflüssen des Heißgases besser zu schützen. Damit werden unzulässig hohe thermische Einflüsse und thermische Spannungen im Gussmaterial des Schaufelblatts verringert, was die Lebensdauer der besagten Turbinenschaufel erhöht.

Prinzipiell wäre das gleiche Resultat auch mit - in Umströ- mungsrichtung - verkürzten Aussparungen zu erreichen. Dies ist jedoch aufgrund der gießtechnischen Fertigung des Schaufelblatts und der damit einhergehenden Anforderungen an die strukturmechanische Festigkeit des Schaufelgusskerns nicht hinreichend realisierbar, weswegen die modulare Lösung hier erforderlich ist.

Das plattenförmige Abdeckelement kann dabei aus dem gleichen Material hergestellt sein wie das gegossene Schaufelblatt. Es kann aber auch aus einem anderen Material hergestellt sein, beispielsweise aus Inconel 617.

Das Abdeckelement ist in seinen Abmaßen so zu dimensionieren, dass die Aussparung nicht vollständig verschlossen ist, da weiterhin eine Restöffnung erforderlich ist, aus der das Kühlmittel ausströmen kann. Weiterhin soll das Abdeckelement nicht dazu dienen, die Menge an ausströmendem Kühlmittel zu drosseln. Mit anderen Worten, die Menge an ausströmendem Kühlmittel wird allein durch die Geometrie des Inneren des gegossenen Schaufelblatts bestimmt.

Weiter ist zumindest eine der in Spannweiterichtung im mittleren Bereich angeordneten Aussparungen jeweils mittels eines Abdeckelements teilweise abgedeckt und eine Mehrzahl der in

Spannweiterichtung fußseitig und/oder kopfseitig angeordneten Aussparungen dagegen abdeckfrei.

Hiermit kann eine vergleichsweise preisgünstige Turbinen- schaufei angegeben werden, da selbstverständlich nur diejenigen Aussparungen mit einem Abdeckelement teilweise abgedeckt werden, an denen mit den schädigenden Effekten zu rechnen ist bzw. an denen bisher die Defekte auftraten. Andere Aussparungen, an denen die Gefahren aufgrund von Sekundärströmungen vermutlich nicht auftreten oder die bisher schadensfrei blieben, können zwar mit einer erfindungsgemäßen Abdeckung versehen sein, jedoch ist dies nicht zwangsweise erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das plat- tenförmige Abdeckelement an zwei seiner Kanten unter Bildung von Flanschen abgewinkelt, um so dieses höher mechanisch belasten zu können. Zudem können die Flansche des Abdeckele- ments so dimensioniert sein, dass sie eine Positionierungs ^¬ hilfe beim Befestigen des Abdeckelements in der Aussparung darstellen, um eine stufenfreie Anordnung zwischen der Heiß- gas-Umströmungsflache des Abdeckelements und der das Abdeckelement umgebenden Flächen der entsprechenden Schaufelblatt- wand zu gewährleisten. Mit Hilfe der vorzugsweise stufenfreien Anordnung können aerodynamische Verluste im Heißgas gering gehalten werden.

Um eine zuverlässige Anbindung des Abdeckelements an dem ge- gossenen Schaufelblatt zu gewährleisten, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass das Abdeckelement an der Schaufelblattwand angeschweißt ist.

Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel mit einem gegossenen Schaufelblatt umfassend eine saugseitige Schaufelblattwand und eine druckseitige Schaufelblattwand, welches sich in einer Spannweiterichtung von einem fußseiti- gen Ende zu einem kopfseitigen Ende und in einer Umströmungs- richtung von einer Vorderkante zu einer Hinterkante er- streckt, wobei unmittelbar stromauf der Hinterkante in einer der beiden Schaufelblattwände Aussparungen zum Ausblasen eines Kühlmittels entlang der Hinterkante verteilt sind derart, dass die betreffende Schaufelblattwand in Profilschnitte mit Aussparungen stromauf der Hinterkante endet. Um die Lebens- dauer der besagten Turbinenschaufel zu verlängern, wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der in der gegossenen Schaufelblattwand angeordneten Aussparungen durch ein plat- tenförmiges Abdeckelement maximal teilweise abgedeckt ist. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen: Figur 1 die Seitensicht auf eine Turbinenschaufel,

Figur 2 den Querschnitt durch das Schaufelblatt der Turbi- nenschaufel aus Figur 1,

Figur 3 einen Teil einer Hinterkante des Schaufelblatts aus

Figur 2 mit einer teilweise abgedeckten Aussparung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine abge ^¬ deckte Aussparung einer Turbinenschaufel.

In allen Figuren sind identisch wirkende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Turbinenschaufel 10 für eine Gasturbine. Die Turbinenschaufel 10 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Leitschaufel einer Turbinenstufe mo- nolithisch ausgestaltet und im Gießverfahren hergestellt worden. Die Turbinenschaufel 10 umfasst neben einer fußseitigen Plattform 12 und einer kopfseitigen Plattform 15 ein dazwischen angeordnetes aerodynamisch gewölbtes Schaufelblatt 14. Die fußseitige Plattform 12 ist im verbauten Zustand der Turbinenschaufel 10 in einer axial durchströmten Gasturbine radial außen angeordnet und die kopfseitige Plattform 15 radial innen. Das Schaufelblatt 14 weist eine Vorderkante 16 auf, von der sich sowohl eine druckseitige Schaufelblattwand 18 (Figur 2) als auch eine saugseitige Schaufelblattwand 20 zu einer Hinterkante 19 erstrecken. Eine Spannweiterichtung, welche im eingebauten Zustand mit der Radialrichtung der Gasturbine zusammenfällt, erstreckt sich vom schaufelfußseitigen Ende 24 zu einem schaufelkopfseifigen Ende 26. Den Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II aus Figur 1 zeigt Figur 2. Die Schnittlinie II-II durch das Schaufelblatt 14 der Turbinenschaufel 10 ist so gewählt, dass dessen aerodynamisch gewölbte Kontur dargestellt ist. Diese Kontur wird auch als Profil bezeichnet, weswegen derartige Schnitte auch als Profilschnitte bezeichnet werden. Die Schnittebenen der Profilschnitte liegen in der Regel senkrecht zur Spannweiterichtung des Schaufelblatts.

Wie aus Figur 1 erkennbar sind unmittelbar stromauf der Hinterkante 19 druckseitig eine Vielzahl von Aussparungen 28 längs der Hinterkante 19 verteilt und jeweils durch Stege 34 voneinander getrennt. Jede dieser Aussparungen 28 kommuni- ziert strömungstechnisch mit einem Hohlraum 31 der Turbinenschaufel 10. Diesem Hohlraum 31 ist über einen fußseitig oder kopfseitig angeordneten Zugang Kühlmittel zuführbar, welche die Turbinenschaufel 10 auch durch die Aussparungen 28 verlassen kann.

Der Hohlraum 31 im Schaufelblattinneren ist durch sich von der druckseitigen Schaufelblattwand 18 zur saugseitigen

Schaufelblattwand 20 sowie sich vom Fußbereich zum Schaufel ^¬ blattspitzenbereich erstreckende Rippen 32 in Passagen 30 un- terteilt. Die Passagen 30 können dabei sequentiell, parallel oder beliebig kombiniert, von einem Kühlmittel, bei ^¬ spielsweise Kühlluft durchströmbar sein, wobei das in der zur Hinterkante 19 benachbarten Passage 30 strömende Kühlmittel durch Kanäle 35 zu den Aussparungen 28 geführt wird. Zwischen dem Kühlkanal 35 und den Aussparungen 28 können dabei in Reihen oder in Feldern angeordnete Sockel 33 vorgesehen sein, die eine Verwirbelung und Umlenkung der dadurch geführten Kühlluft herbeiführen können, um die in den Schaufelblattwänden 18, 20 vorhandene Wärmeenergie beim Betrieb der Gastur- bine aufzunehmen und aus diesen abzutransportieren. Anschließend verlässt die Kühlluft durch eine Öffnung 37 das gegossene Schaufelblatt 14 und strömt in die Aussparungen 28 ein, bevor es die Turbinenschaufel 10 gänzlich verlässt. In Abhängigkeit von der Lage des Profilschnitts zwischen dem schaufelfußseitigen Ende 24 und dem schaufelkopfseifigen Ende 26 kann, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, die druckseitige Schaufelblattwand - in Umströmungsrichtung des Heiß- gases gesehen - unmittelbar an die Aussparung 28 angrenzen. Insofern liegt für diese Profilschnitte eine Hinterkante 22 der druckseitigen Schaufelblattwand 18 stromauf der Aussparung 28. Für Profilschnitte, die durch die Stege 34 verlau- fen, fällt sowohl eine Hinterkante 21 der saugseitigen Schaufelblattwand 18 mit der druckseitigen Hinterkante 22 zusammen. Soweit in dieser Schrift lediglich von „der Hinterkante" die Rede ist, ist darunter die am weitesten stromab gelegene Struktur des Schaufelblattes zu verstehen. Wenn dagegen von der „saugseiten Hinterkante" oder der „druckseitigen Hinterkante" gesprochen wird, ist darunter die betreffende Hinterkante der druckseitigen bzw. saugseitigen Schaufelblattwand gemeint . Aufgrund der Aussparungen 28 handelt es sich bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Turbinenschaufel 10 um eine Turbinenschaufel 10 mit einer so genannten Cut-Back-Hinterkante. Die Aussparungen 28 legen unmittelbar stromauf der Hinterkante 19 die zur Druckseite weisenden Flächen der saugseiti- gen Schaufelblattwand 20 frei.

Figur 3 zeigt den in Figur 1 mit dem Detail X hervorgehobenen Bereich der Hinterkante 19 der Turbinenschaufel 10 in perspektivischer Darstellung. In einer der gezeigten Aussparun- gen 28 ist ein Abdeckelement 36 angeordnet. Durch das Abdeckelement 36 wird ein Teil derjenigen gedachten Fläche der Aussparung 28, die mit der entsprechenden Oberfläche 42 der Schaufelblattwand 18 zusammenfallen würde, gebildet. Mit anderen Worten: die gegossene druckseitige Schaufelblattwand 18 wird durch das nachträglich befestigte Abdeckelement 36 verlängert. Hierdurch wird die aus den Öffnungen 37 austretende Kühlluft über eine längere Strecke entlang der durch die Aussparungen 28 freigelegten zur Druckseite weisenden Fläche 38 der Saugseitenwand 20 geführt als bei Aussparungen 28 ohne ein derartiges Abdeckelement.

Das Abdeckelement 36 ist im Wesentlichen rechteckig ausgeführt und weist mithin an seinen beiden Längskanten quer ab- „

y

stehende Flansche 40 auf, so dass das Abdeckelement 36 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine U-Form aufweist. Die Größe der Flansche 40 ist so gewählt, dass eine fehlerhafte Positionierung des Abdeckelements 36 bei dessen Montage verhindert werden kann. Eine fehlerhafte Positionierung des die beiden Flansche 40 verbindenden Stegs des Abdeckelements könnte den resultierenden Ausströmungsquerschnitt der aus der Turbinenschaufel 10 herausströmenden Kühlluft verringern, wodurch die Kühlwirkung reduziert werden würde. Diese Drosselwirkung wird jedoch aufgrund der abgewinkelten Kanten verhindert.

Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Abdeckung einer Aussparung 28 an der Hinterkante 19 der Turbinenschaufel 10. Hier ist das Abdeckelement 36 rein als Platte ausge- führt und so angeordnet, dass dieses mit der Oberfläche 42 der druckseitigen Schaufelblattwand 18 stufenfrei ist.

Das Abdeckelement 36 kann sowohl bei unbenutzten als auch bei schon benutzten Turbinenschaufeln 10 angebracht werden. Als gängige und zuverlässige Befestigungsmethoden haben sich sowohl Löten als auch Schweißen herausgestellt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .