CH699601A1

CH699601A1 - Schaufel für eine gasturbine.

Info

Publication number: CH699601A1
Application number: CH01548/08A
Authority: CH
Inventors: Christoph Nagler; Dr Ericht Kreiselmaier; Jose Anguisola Mcfeat; Sergei Riazantsev
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-03-31
Also published as: DE112009002628T5; WO2010037659A1; US20110236223A1

Abstract

Eine Schaufel (20) für eine Gasturbine umfasst ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11), das sich quer zur Längsrichtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante (16) ausdehnt und eine Druckseite (13) und eine Saugseite aufweist, und am einen Ende in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform (12) übergeht, wobei an der Hinterkante (16) ein sich entlang der Hinterkante (16) erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass (18) vorgesehen ist, durch welchen ein über den Innenraum der Schaufel (20) zugeführtes Kühlmittel ausgestossen wird. Bei einer solchen Schaufel (20) wird eine Erhöhung der Lebensdauer dadurch erreicht, dass der Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) an der Hinterkante (16) ein Übergangsdickenprofil (21) aufweist, bei dem die Dicke (D) mit zunehmender Annäherung an die Unterseite (12´) der Plattform (12) überproportional zunimmt, und dass der Kühlmittelauslass (18) zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) bis in die Plattform (12) hinein verlängert ist (19).

Description


  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Schaufel für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

  

[0002]    Die Forderungen nach einer Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen führen dazu, dass die Dicke an den Hinterkanten der Schaufelblätter der in den Gasturbinen eingesetzten Schaufeln immer weiter reduziert werden muss. Dies hat eine Geometrie der Schaufel zur Folge, wie sie in Fig. 1 im Querschnitt beispielhaft dargestellt ist: Die Schaufel 10 der Fig. 1erstreckt sich nach Art eines Flügelprofils quer zu ihrer Längsrichtung zwischen einer gerundeten Vorderkante 15 und einer vergleichsweise spitz zulaufenden Hinterkante 16. Die Schaufel 10 weist eine (konkave) Druckseite 13 und eine (konvexe) Saugseite 14 mit entsprechenden Wänden 13 und 14 auf. Im hohlen Innenraum 17 wird ein gasförmiges Kühlmittel bzw. Kühlmedium zugeführt und unter anderem durch einen an der Hinterkante 16 ausgebildeten Kühlmittelauslass in die Umgebung ausgestossen.

   Eine besonders spitz zulaufende, schlanke Hinterkante 16 wird dabei dadurch erreicht, dass der Kühlmittelauslass 18 vollständig auf der Druckseite 13 der Schaufel 10 angeordnet ist, und die beiden Wände 13 und 14 im Bereich der Hinterkante 16 besonders dünn ausgeführt sind.

  

[0003]    Wenn, wie dies in der perspektivischen Ansicht der Fig. 2 angedeutet ist, das Schaufelblatt 11 am Ende seiner Erstreckung in Längsrichtung in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform 12 übergeht und von dieser Plattform 12 begrenzt wird, stellt der Übergang des Schaufelblattes 11 zu dieser Plattform 12 im Bereich der Hinterkante 16 einen typischen, die Lebensdauer eines Gasturbinenbauteils begrenzenden Faktor dar, weil er mit einer Überlagerung von hoher thermischer Spannung, hervorgerufen durch die thermo-mechanische Fehlanpassung zwischen Plattform 12 und Schaufelblatt 11, und mechanischen Spannungsspitzen, hervorgerufen durch die Belastung der Schaufeln durch die Gasströmung, beaufschlagt wird.

   Die Reduzierung der Dicke der Hinterkante 16 verursacht ein Erhöhung der Spannung in diesem kritischen Bereich, so dass bei der Auslegung der Schaufel Massnahmen erwogen werden müssen, um eine hinreichend grosse Lebensdauer zu erreichen und zu gewährleisten.

Darstellung der Erfindung

  

[0004]    Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel der eingangs genannten Art für eine Gasturbine so weiterzuentwickeln, dass trotz einer geringen Dicke an der Hinterkante des Schaufelblattes eine ausreichende Lebensdauer erreicht wird.

  

[0005]    Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform an der Hinterkante ein Übergangsdickenprofil aufweist, bei dem die Dicke mit zunehmender Annäherung an die Unterseite der Plattform überproportional zunimmt, und dass der Kühlmittelauslass zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform bis in die Plattform hinein verlängert ist. Durch die Ausweitung der Dicke der Hinterkante zur Plattform hin wird die mechanische Spannung im Übergangsbereich sicher abgebaut. Die Verlängerung des Kühlmittelauslasses bis in die Plattform hinein führt dort zu einer verbesserten Kühlung, so dass thermisch bedingte Spannungen ebenfalls deutlich reduziert werden.

  

[0006]    Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Übergangsdickenprofil eine im wesentlichen exponentielle Gestalt aufweist, die einem auf dem Kopf stehenden sehr schlanken Pyramidenstumpf oder einer auf den Kopf stehenden quasi Pyramiden ähnelt. Hierdurch wird ein besonders "weicher" Übergang zwischen Hinterkante und Plattform erzielt.

  

[0007]    Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil aufweist, welches ebenfalls die Spannungen reduziert.

  

[0008]    Weiterhin ist es von Vorteil, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung die Hinterkante am Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform bis an die Kante der Plattform vorgezogen ist.

  

[0009]    Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmittelauslass zwischen einer druckseitigen Wand des Schaufelblattes und einer saugseitigen Wand des Schaufelblattes ausgebildet ist, und dass die druckseitige Wand im Übergang vom Schaufelblatt zur Plattform ein gekrümmtes Übergangskantenprofil aufweist, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt zur Plattform in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufelblattes ist.

Kurze Erläuterung der Figuren

  

[0010]    Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>einen stark vereinfachten Querschnitt durch eine beispielhafte Gasturbinenschaufel mit schmaler Hinterkante und einem auf der Druckseite angeordneten Kühlmittelauslass an der Hinterkante, wie sie für die Anwendung der Erfindung geeignet ist;


  <tb>Fig. 2<sep>bei einer Schaufel gemäss Fig. 1den bisher verwendeten abrupten Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform; und


  <tb>Fig. 3<sep>den spannungsarmen Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

  

[0011]    In Fig. 3 ist eine Schaufel 20 für eine Gasturbine mit einem spannungsarmen Übergang zwischen Schaufelblatt 11 und Plattform 12 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Schaufel 20 des Ausführungsbeispiels umfasst ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt 11, das sich nach Art eines Flügels quer zur Längsrichtung zwischen einer Vorderkante 15 und einer Hinterkante 16 ausdehnt und eine Druckseite 13 und eine Saugseite 14 aufweist. Am oberen (oder unteren) Ende geht das Schaufelblatt 11 in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform 12 über, die seitlich über den Schaufelquerschnitt hinausragt.

   An der Hinterkante 16 des Schaufelblattes 11 ist ein sich entlang der Hinterkante 16 erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass 18 vorgesehen, durch welchen ein über den (hohlen) Innenraum 17 der Schaufel 20 zugeführtes Kühlmittel, z.B. Kühlluft, ausgestossen wird. Die Hinterkante 16 ist mit ihren dünnen Wänden 13 und 14 ist sehr schmal ausgeführt. Um am Übergang zwischen der schmalen Hinterkante 16 und der massiven Plattform 12 die thermischen Spannungen zu reduzieren, weist der Übergang erfindungsgemäss ein Übergangsdickenprofil 21 auf, bei dem die Dicke D mit zunehmender Annäherung an die Unterseite 12 der Plattform 12 überproportional zunimmt. Gleichzeitig ist der Kühlmittelauslass 18 zur Reduzierung der lokalen Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 bis in die Plattform 12 hinein verlängert (Verlängerung 19).

  

[0012]    Das Übergangsdickenprofil 21 weist eine im wesentlichen exponentielle Gestalt auf und ähnelt damit einem auf dem Kopf stehenden Eiffelturm. Besonders günstig hinsichtlich der Spannungsverteilung ist es dabei, wenn der Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil 22 aufweist. Während bei der herkömmlichen Schaufel gemäss Fig. 2die Hinterkante 16 des Schaufelblattes 11 innerhalb der Plattform 12 endet und sich nicht bis zum Rand der Plattform 12 erstreckt, ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Hinterkante 16 am Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 bis an die Kante 12 der Plattform 12 vorgezogen.

  

[0013]    Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, wird der Kühlmittelauslass 18 von der druckseitigen Wand 13<!> und der saugseitigen Wand 14 des Schaufelblattes 11 begrenzt. Die druckseitige Wand 13 weist dabei im Übergang vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 ein gekrümmtes Übergangskantenprofil 23 auf, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand 13 im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt 11 zur Plattform 12 in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufelblattes 11 ist.

  

[0014]    Insgesamt wird mit der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der Lebensdauer am Übergang zwischen der Schaufelblatt-Hinterkante und der Plattform einer Gasturbinenschaufel durch folgende Massnahmen erreicht:
<tb>(1)<sep>Die Verlängerung des Kühlmittelauslasses (Kühlungsschlitzes) in die Plattform hinein, um in dem kritischen Bereich durch Heranführen von Kühlmittel die Metalltemperatur zu verringern, wobei eine konvektive Kühlung der Wände auf beiden Seiten stattfindet.


  <tb>(2)<sep>Verlagerung der Schaufelblatt-Hinterkante an den Rand der Plattform, um die Spannung zu erniedrigen und die Gestaltung der Schaufel unabhängig von Abweichungen in der radialen Position des Gusskerns zu machen.


  <tb>(3)<sep>Einführen eines Übergangs-Dickenprofils von "Eiffelturm"-Typ durch Erhöhen der Grösse und Einführen einer speziellen elliptischen Kontur der Kehlung am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform im Bereich der Hinterkante.


  <tb>(4)<sep>Einführen eines speziell gekrümmten Übergangskantenprofils zur Druckseite des Schaufelblattes an der Kehlung am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform im Bereich der Hinterkante, um im Übergangsbereich eine Wandstärke zu erreichen die der Wandstärke des Schaufelblattes entspricht, wodurch Spannung und Metalltemperatur verringert und die Lebensdauer am Übergang erhöht werden.

Bezugszeichenliste

  

[0015]    
<tb>10, 20<sep>Schaufel (Gasturbine)


  <tb>11<sep>Schaufelblatt


  <tb>12<sep>Plattform


  <tb>12<sep>Unterseite (Plattform)


  <tb>12<sep>Kante (Plattform)


  <tb>13<sep>Druckseite


  <tb>13<sep>Wand (Druckseite)


  <tb>14<sep>Saugseite


  <tb>14<sep>Wand (Saugseite)


  <tb>15<sep>Vorderkante


  <tb>16<sep>Hinterkante


  <tb>17<sep>Innenraum


  <tb>18<sep>Kühlmittelauslass (schlitzförmig)


  <tb>19<sep>Verlängerung (Kühlmittelauslass)


  <tb>21<sep>Übergangsdickenprofil


  <tb>22<sep>Übergangsrandprofil


  <tb>23<sep>Übergangskantenprofil


  <tb>D<sep>Dicke (Übergangsdickenprofil)

Claims

1. Schaufel (20) für eine Gasturbine, welche Schaufel (20) ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt (11) umfasst, das sich quer zur Längsrichtung zwischen einer Vorderkante (15) und einer Hinterkante (16) ausdehnt und eine Druckseite (13) und eine Saugseite (14) aufweist, und am einen Ende in eine quer zur Längsrichtung liegende Plattform (12) übergeht, wobei an der Hinterkante (16) ein sich entlang der Hinterkante (16) erstreckender, schlitzförmiger Kühlmittelauslass (18) vorgesehen ist, durch welchen ein über den Innenraum (17) der Schaufel (20) zugeführtes Kühlmittel ausgestossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) an der Hinterkante (16) ein Übergangsdickenprofil (21) aufweist, dessen Dicke (D) mit zunehmender Annäherung an die Unterseite (12) der Plattform (12) überproportional zunimmt,

und dass der Kühlmittelauslass (18) zur Reduzierung der Temperatur im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) bis in die Plattform (12) hinein verlängert ist (19).

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsdickenprofil (21) eine im Wesentlichen exponentielle Gestalt aufweist, die einem auf dem Kopf stehenden Eiffelturm ähnelt.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) ein näherungsweise elliptisches Übergangsrandprofil (22) aufweist.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (16) am Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) bis an die Kante (12) der Plattform (12) vorgezogen ist.

5. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelauslass (18) zwischen einer druckseitigen Wand (13) des Schaufelblattes (11) und einer saugseitigen Wand (14) des Schaufelblattes (11) ausgebildet ist, und dass die druckseitige Wand (13) im Übergang vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) ein gekrümmtes Übergangskantenprofil (23) aufweist, derart, dass die Wanddicke der druckseitigen Wand (13) im Bereich des Übergangs vom Schaufelblatt (11) zur Plattform (12) in etwa gleich der Wanddicke im übrigen Bereich des Schaufelblattes (11) ist.