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Title:
TURBINE BLADE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/005484
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a cast turbine blade (10) having a platform (16) and a hollow blade airfoil (18) arranged thereon, wherein the blade airfoil (18) has a pressure-side blade wall (34) and a suction-side blade wall (32) that extend, along a centrally arranged curved profile centerline (42), from a common leading edge (28) to a common trailing edge (30), and having a transition (36), with an outer contour profile, between the blade airfoil and the platform (36), wherein the blade walls (32, 34) each have a locally determined blade wall thickness (D), wherein the turbine blade has, internally, a contour profile that partially matches the outer contour profile of the transition (36) such that the region of the transition (36) has an essentially constant blade wall thickness. In order to further improve the service life of such a turbine blade, it is provided that, in the transition (36), the contour profile at a surface section (40) of the blade airfoil facing the leading edge (28) is such that the blade wall thickness is increased there in comparison to the blade wall thickness of the transition away from the leading edge.

Inventors:
BUCHHOLZ BJÖRN (DE)
GOSSILIN RALPH (DE)
KOCH DANIELA (DE)
SCHÜLER MARCO (DE)
Application Number:
EP2016/064274
Publication Date:
January 12, 2017
Filing Date:
June 21, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (80333, DE)
International Classes:
F01D5/14
Domestic Patent References:
WO2007012592A12007-02-01
WO2007012592A12007-02-01
Foreign References:
GB2395987A2004-06-09
EP2476863A12012-07-18
US6019579A2000-02-01
US2861775A1958-11-25
EP1355041A22003-10-22
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Claims:
Patentansprüche

1. Gegossene, hohle Turbinenschaufel (10),

mit einer Plattform und mit einem daran angeordneten hohlen Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt (18) eine drucksei¬ tige Schaufelblattwand (34) und eine saugseitige Schaufel¬ blattwand (32) umfasst, die sich längs einer mittig davon angeordneten gewölbten Profilmittenlinie (42) von einer gemeinsamen Vorderkante (28) zu einer gemeinsamen Hinterkante (30 erstrecken sowie mit einem einen äußeren Konturverlauf aufweisenden Übergang (36) zwischen Schaufelblatt (18) und Plattform (16),

wobei die Schaufelwände (32, 34) jeweils eine lokal zu er¬ fassende Schaufelwanddicke (D) aufweisen,

wobei die Turbinenschaufel (10) im Bereich des Übergangs (36) eine einen Hohlraum begrenzende Innenfläche aufweist, deren Kontur in einem ersten Abschnitt (41) der Innenfläche in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs (36) eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke ( Di ) vorhanden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Übergang (36) der Konturverlauf der Innenfläche an einem zweiten Innenflächenabschnitt (40) des Schaufelblatts (18), welcher der Vorderkante (28) gegenüber liegt, dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke ( Di ) vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke (D2) des Übergangs (36) des ersten Abschnitts (41) der Innenfläche.

2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,

bei der der Konturverlauf im zweiten Innenflächenabschnitt (40) entlang einer Radialachse (14) geradlinig ist.

3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Plattform eine Plattformwanddicke (D3) und das Schaufelblatt (18) abseits des zweiten Innenflächenab¬ schnitts (40) eine Schaufelwanddicke (D) aufweisen, wobei im Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Schaufelwanddicke das Verhältnis (D/D3) von Schaufelwanddicke (D) zu Plattformwanddicke (D3) zwischen 0,5 und 1 liegt.

4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,

bei der sich der zweite Innenflächenabschnitt (40) mit ver¬ größerter Schaufelwanddicke (D2) von der Vorderkante (28) ausgehend sich entlang der Saugseitenwand (32) und/oder entlang der Druckseitenwand (34) längs der Profilmittenlinie (42) bis zu einer Position erstreckt, die geringer ist als 15 % der Länge der Profilmittenlinie (42) .

5. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

ausgestaltet als eine Turbinenleitschaufel .

Description:
Beschreibung

Turbinenschaufel Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel gemäß dem Gat ¬ tungsbegriff des Anspruchs 1.

Hohle Turbinenschaufeln, insbesondere Gasturbinenschaufeln, weisen im Bereich eines Übergangs vom Schaufelblatt zur

Plattform eine belastungsmäßig und gusstechnisch notwendige Krümmung auf einer Außenoberfläche auf, wobei es in diesem hohlkehlartigen Übergang aufgrund einer geradlinigen Innengestalt der im Inneren vorgesehenen Kühlkanälen es lokal zu Massenanhäufungen kommt, die durch ein dort strömbares Kühl- medium schwerer kühlbar sind. Derartige Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus der US 6,019,579 und aus der WO

2007/012592 bekannt, wobei letztere vorschlägt, die Massean ¬ häufungen durch Vorsehen von lokalen Kühlluftkanälen zu kühlen. Des Weiteren zeigt das Dokument US 2,861,775 eine aus gebogenen Blechen hergestellte Turbinenschaufel.

Eine Turbinenschaufel mit einer verlängerten Lebensdauer ist zudem aus dem EP 1 355 041 AI bekannt, wobei die Kontur des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform im Schaufelinneren angepasst ist, um auch im Übergangbereich eine Schaufelblatt- Wandstärke zu erhalten, die in etwa der Wandstärke des rest ¬ lichen Schaufelblatts entspricht. Dabei ist die Kontur ent ¬ lang des gesamten, geschlossenen Umlaufs, also entlang der Plattform, angepasst. Die verringerte Wandstärke kann aus Festigkeitsgründen jedoch die Lebensdauer der Turbinenschaufel negativ beeinflussen, was unerwünscht ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gegossene Turbinen- schaufei aufzuzeigen, bei der der Übergangsbereich vom Schaufelblatt zur Plattform weiterhin hinreichend kühlbar ist unter Erreichung einer verlängerten Lebensdauer. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenschaufel mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.

Erfindungsgemäß ist für eine dem Gattungsbegriff entsprechende Turbinenschaufel vorgesehen, dass sie im Bereich des Über ¬ gangs eine einen Hohlraum begrenzende Innenfläche aufweist, deren Kontur in einem ersten Abschnitt der Innenfläche in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke vorhanden ist, wobei im Übergang der Konturverlauf der Innenfläche an einem zweiten Innenflächenabschnitt des Schaufelblatts, welcher der Vorderkante gegenüber liegt, dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schau ¬ felwanddicke des Übergangs des ersten Abschnitts der Innen ¬ fläche. Mit anderen Worten: im Übergang ist der Konturverlauf an einem der Vorderkante gegenüberliegenden Innenflä- chenabschnitt des Schaufelblatts dergestalt, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schau ¬ felwanddicke des Übergangs, abseits des lokalen Innenflächen ¬ abschnitts . Damit weist die Turbinenschaufel im Inneren auf Höhe der

Plattform eine Kontur auf, die längs des Umlaufs des Hohl ¬ raums unterschiedlich ist. Im Bereich der Vorderkante ist die innere Kontur des Hohlraums entlang einer Radialachse einer damit ausgestatten Gasturbine eher geradlinig und fluchtet mit derjenigen Innenfläche, welcher der Vorderkante abseits des Übergangs gegenüber liegt. Damit ist die die Masseanhäu ¬ fungen vermeidende innere Kontur lediglich an denjenigen Bereichen des Schaufelblatts vorgesehen, die weiter stromab der Vorderkante zu finden sind.

Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Innenflächenabschnitt mit vergrößerter Schaufelwanddicke beginnend an der Vorder- kante des Schaufelblatts entlang der Saugseitenwand und/oder der Druckseitenwand längs der Profilmittenlinie bis zu einer Position, die gleich oder geringer ist als 9 % der Länge der Profilmittenlinie .

Mit der Erfindung kann die Festigkeit, insbesondere im Vor ¬ derkantenbereich der Turbinenschaufel, lokal vergrößert wer ¬ den, was zu einer erhöhten Lebensdauer der betreffenden Bereiche führt.

Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Plattform eine Plattformwanddicke und das Schaufel ¬ blatt abseits des Übergangs eine Schaufelwanddicke aufweisen, wobei im Bereich mit im Wesentlichen gleichmäßiger Schaufel- wanddicke des Übergangs, das Verhältnis von Schaufelwanddicke zu Plattformwanddicke zwischen 0,5 und 1 liegt.

Eine derartige Turbinenschaufel lässt sich besonders homogen kühlen, was thermomechanische Belastungen im Material der Turbinenschaufel reduziert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen: FIG 1 eine Draufsicht auf den Fußbereich einer als Leitschau ¬ fel ausgestalteten Turbinenschaufel und

FIG 2 einen Längsschnitt durch die Turbinenschaufel gemäß FIG 1, entlang der Schnittlinie II-II.

Die FIG 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Turbinenschaufel 10. Die Perspektive ist so gewählt, dass die Drauf ¬ sicht auf einen Befestigungsbereich 12 der als Leitschaufel ausgestalteten Turbinenschaufel 10 dargestellt ist. In FIG 2 ist der Längsschnitt durch die Turbinenschaufel 10 gemäß der Schnittlinie II-II aus FIG 1 gezeigt. Die Turbinenschaufel 10 weist entlang einer Radialachse 14 aufeinanderfolgend den Be- festigungsbereich 12, eine daran angrenzende Schaufelplatt ¬ form 16 sowie ein Schaufelblatt 18 auf. Im Befestigungsbe ¬ reich 12 ist ein Schaufelfuß 20 ausgebildet, der zur Befesti ¬ gung der Turbinenschaufel 10 an einem nicht dargestellten Turbinenleitschaufelträger dient .

Die Darstellung der Erfindung erfolgt beispielhaft anhand ei ¬ ner als Leitschaufel mit zwei Plattformen ausgestalteten Turbinenschaufel. Nichts desto trotz sind andere Ausgestaltungen möglich, insbesondere kann die Turbinenschaufel auch als Laufschaufel einer Turbine ausgestaltet sein. Zumindest der Grundkörper der Turbinenschaufel ist durch ein Gussverfahren hergestellt und umfasst wenigstens das Schaufelblatt 18, so ¬ wie wenigstens eine Plattform 16. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Tur ¬ binenschaufel 10 und insbesondere deren Schaufelblatt 18 im Inneren hohl ausgeführt, so dass sie einen Hohlraum 25 umfasst, der in bekannter Art und Weise als Kühlkanal mit oder ohne Prallkühlung ausgestaltet sein kann.

Das Schaufelblatt 18 erstreckt sich von einer Vorderkante 28 zu einer Hinterkante 30. Dabei umfasst das Schaufelblatt 18 eine in FIG 1 nur schematisch angedeutete saugseitige Schau ¬ felwand 32 sowie eine druckseitige Schaufelwand 34. Entlang der Radialrichtung 14 weisen die Schaufelwände 32, 34 eine Wanddicke D auf, die im Wesentlichen gleichbleibend ist.

Fertigungsbedingt besteht zwischen dem Schaufelblatt 18 und der Plattform 16 ein Übergang 36, der auf der äußeren Ober- fläche der Turbinenschaufel 10 abgerundet und somit hohlkehl ¬ artig ist. Im Inneren weist das Schaufelblatt 18 eine den äußeren Flä ¬ chen gegenüber liegende Innenfläche auf. Diese ist im Bereich der saugseitigen Schaufelwand 32 dergestalt, dass sie teil ¬ weise dem äußeren Konturverlauf des Übergangs, also längs der Radialachse 14 von einer Schaufelspitze zum Schaufelfuß, an- gepasst ist, so dass auch dort im Übergang 36 eine im Wesent ¬ lichen gleichmäßige Schaufelwanddicke Dl vorhanden ist.

Die Innenfläche im Bereich des Übergangs 36 umfasst einen der Vorderkante 28 gegenüberliegenden zweiten Innenflächenab ¬ schnitt 40, dessen Konturverlauf derartig ist, dass dort die Schaufelwanddicke (D 2 ) vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke Di des Übergangs abseits des zweiten Innen ¬ flächenabschnitts 40. Mit anderen Worten: der zweite Innen- flächenabschnitt 40 ist lediglich in der unmittelbaren Umge ¬ bung der Vorderkante angesiedelt und bildet mit Innenfläche des restlichen Schaufelblatts längs der Radialrichtung 14 bzw. im Längsschnitt betrachtet eine Gerade, wohingegen die restliche Innenfläche der Saug- und/oder Druckseite im Über- gang, d.h. ein erster Innenflächenabschnitt 41 unter Beibe ¬ haltung einer annähernd gleichmäßigen Schaufelwanddicke Di gekrümmt ist. Mithin folgt ausgehend von der Vorderkante 28 längs des Übergangs 36 dem zweiten Innenflächenabschnitt 40 mit der vergrößerten Wandstärke D2 der erste Innenflächenab- schnitt 41 mit einer Wandstärke Di, die der Wandstärke D des Schaufelblatts entspricht.

Hierdurch kann ein im Bereich der Vorderkante 28 aufgedickter Übergangsbereich einer Turbinenschaufel 10 bereit gestellt werden, der eine größere Steifigkeit aufweist als im restli ¬ chen Bereich. Dies kann die Lebensdauer der Turbinenschaufel 10 verbessern.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine gegossene Turbinen- schaufei 10 mit einer Plattform 16 und mit einem daran ange ¬ ordneten hohlen Schaufelblatt 18, wobei das Schaufelblatt 18 eine druckseitige Schaufelwand 34 und eine saugseitige Schau ¬ felwand 32 umfasst, die sich längs einer mittig davon ange- ordneten gewölbten Profilmittenlinie 42 von einer gemeinsamen Vorderkante 28 zu einer gemeinsamen Hinterkante 30 erstrecken sowie mit einem einen äußeren Konturverlauf aufweisenden Übergang 36 zwischen Schaufelblatt und Plattform 36, wobei die Schaufelwände 32, 34 jeweils eine lokal zu erfassende Schaufelwanddicke D aufweisen, wobei die Turbinenschaufel im Inneren einen Konturverlauf aufweist, welcher teilweise dem äußeren Konturverlauf des Übergangs 36 in der Weise angepasst ist, dass im Bereich des Übergangs 36 eine im Wesentlichen gleichmäßige Schaufelwanddicke vorhanden ist. Um die Lebens ¬ dauer einer derartigen Turbinenschaufel weiter zu verbessern ist vorgesehen, dass im Übergang 36 der Konturverlauf an einem der Vorderkante 28 gegenüberliegenden zweiten Innenflächenabschnitt 40 des Schaufelblatts dergestalt ist, dass dort die Schaufelwanddicke vergrößert ist, verglichen mit der Schaufelwanddicke des Übergangs abseits der Vorderkante.