DE102017208679A1 - Turbine blade with cooling plate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (1), insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, mit einer Schaufelplattform (2) und einem Schaufelblatt (3), das mit der Schaufelplattform (2) verbunden ist, wobei an der Schaufelplattform (2) ein von Kühllöchern (16) durchsetztes Kühlblech (15) derart befestigt ist, dass es von einem gegenüberliegenden, zu kühlenden Wandabschnitt (13) der Schaufelplattform (2) beabstandet ist, wobei das Kühlblech (15) mit Hilfe zumindest eines Stifts (19) an der Schaufelplattform (2) befestigt ist, der sich durch eine Durchgangsbohrung (22) des Kühlblechs (15) erstreckt und an der Schaufelplattform (2) fixiert ist, wobei das Kühlblech (15) gegen ein axiales Abziehen von dem Stift (19) gesichert ist. The invention relates to a turbine blade (1), in particular running or guide blade, with a blade platform (2) and a blade (3) which is connected to the blade platform (2), wherein on the blade platform (2) one of cooling holes (16 ) is fixed in such a way that it is spaced from an opposite, to be cooled wall portion (13) of the blade platform (2), wherein the cooling plate (15) by means of at least one pin (19) on the blade platform (2) fixed, which extends through a through hole (22) of the cooling plate (15) and is fixed to the blade platform (2), wherein the cooling plate (15) is secured against axial withdrawal from the pin (19).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, mit einer Schaufelplattform und einem Schaufelblatt, das mit der Schaufelplattform verbunden ist, wobei an der Schaufelplattform ein von Kühllöchern durchsetztes Kühlblech derart befestigt ist, dass es von einem gegenüberliegenden, zu kühlenden Wandabschnitt der Schaufelplattform beabstandet ist.The present invention relates to a turbine blade, in particular rotor blade or vane, with a blade platform and an airfoil, which is connected to the blade platform, wherein on the blade platform penetrated by a cooling holes cooling plate is mounted such that it from an opposite, to be cooled wall portion of Blade platform is spaced.
In Strömungsmaschinen, wie etwa Gasturbinen, werden Turbinenschaufeln eingesetzt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen rotierenden Laufschaufeln und stationären Leitschaufeln, die ein heißes fluides Arbeitsmedium, insbesondere Gas, in Richtung der Laufschaufeln leiten. Insbesondere durch die hohe Temperatur des fluiden Arbeitsmediums und dem damit verbundenen hohen Wärmeeintrag aus dem fluiden Arbeitsmedium in die Turbinenschaufeln, sind die Turbinenschaufeln während ihres Betriebs hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen gekühlt werden.In turbomachines, such as gas turbines, turbine blades are used. In principle, a distinction is made between rotating blades and stationary vanes, which guide a hot fluid working medium, in particular gas, in the direction of the rotor blades. In particular, the high temperature of the fluid working medium and the associated high heat input from the fluid working fluid into the turbine blades, the turbine blades are exposed during their operation high thermal loads and must be cooled.
Um den hohen thermische Belastungen von Turbinenschaufeln entgegenzutreten, sind unter anderem drei Kühlarten für Turbinenschaufeln bekannt, nämlich die konvektive Kühlung, die Filmkühlung und die Prallkühlung. Alle drei Kühlarten nutzen ein Kühlfluid, um die Turbinenschaufeln zu kühlen. Bei der konvektiven Kühlung strömt das Kühlfluid durch Kühlkanäle, die im Inneren der Turbinenschaufel ausgebildet sind, und führt hierbei mittels Konvektion Wärme an den die Kühlkanäle umgebenden Wänden ab. Bei der Filmkühlung wird das Kühlfluid über Durchgangsöffnungen, die eine Wandung der Turbinenschaufel durchsetzen, die auf der einen Seite einen Kühlkanal umgibt und auf der gegenüberliegenden Seite einen Teil der äußeren Turbinenschaufeloberfläche definiert, von dem Kühlkanal im Inneren der Turbinenschaufel nach außen geführt und umströmt dort die Turbinenschaufel unter Bildung einer isolierenden Schicht zwischen dem heißen, fluiden Arbeitsmedium und der äußeren Turbinenschaufeloberfläche. Bei der Prallkühlung wird eine Wandung der Turbinenschaufel dadurch gekühlt, dass das Kühlfluid im Inneren der Turbinenschaufel unter Bildung von Kühlfluidstrahlen erhöhter Geschwindigkeit durch Kühllöcher, die ein beabstandet von der zu kühlenden Wandung angeordnetes Kühlblech durchsetzen, strömt, in Form der Kühlfluidstrahlen auf die zu kühlende Wandung prallt, anschließend von der zu kühlenden Wandung wegströmt und hierbei Wärme mittels Konvektion abführt.To counteract the high thermal loads on turbine blades, three types of cooling turbine blades are known, namely convective cooling, film cooling and impingement cooling. All three types of cooling use a cooling fluid to cool the turbine blades. In the case of convective cooling, the cooling fluid flows through cooling channels formed in the interior of the turbine blade, where it conducts heat by means of convection to the walls surrounding the cooling channels. In the film cooling, the cooling fluid is guided through through openings, which pass through a wall of the turbine blade, which surrounds a cooling channel on the one side and defines a part of the outer turbine blade surface on the opposite side, and flows out of the cooling channel in the interior of the turbine blade Turbine blade forming an insulating layer between the hot, fluid working fluid and the outer turbine blade surface. In impingement cooling, a wall of the turbine blade is cooled by flowing the cooling fluid inside the turbine blade to form cooling fluid jets of increased velocity through cooling holes passing through a cooling plate spaced apart from the wall to be cooled, in the form of cooling fluid jets on the wall to be cooled bounces, then flows away from the wall to be cooled and thereby dissipates heat by convection.
Insbesondere die Schaufelplattform einer Turbinenschaufel muss gekühlt werden. Hierbei kommen in an sich bekannter Weise die zuvor erwähnten Kühlarten zum Einsatz. Insbesondere die Prallkühlung hat sich zur Kühlung der Schaufelplattform einer Turbinenschaufel bewährt.In particular, the blade platform of a turbine blade must be cooled. Here, the aforementioned types of cooling are used in a conventional manner. In particular, the impingement cooling has proven itself for cooling the blade platform of a turbine blade.
Beispielsweise ist aus der
Eine Schweißverbindung hat jedoch den Nachteil, dass die miteinander verschweißten Bauteile derart fest miteinander verbunden sind, dass während des Betriebs der Turbinenschaufel, wenn sich unterschiedliche Materialien der miteinander verschweißten Bauteile bei den hohen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark ausdehnen, unerwünschte Spannungen zwischen diesen Bauteilen entstehen können. Des Weiteren kann ein mittels Schweißen an der Schaufelplattform befestigtes Prallkühlblech im Falle einer Reparatur, Wartung und/oder des Refurbishments der Turbinenschaufel nicht von der Schaufelplattform gelöst werden, ohne Beschädigungen an den miteinander verschweißten Bauteilen hervorzurufen, die anschließend repariert werden müssen. Da sowohl die Demontage des Kühlblechs als auch die anschließende Reparatur der Schaufelplattform sehr aufwändig und damit sehr teuer ist, ist eine wirtschaftliche Reparatur, Wartung und/oder Refurbishment der Turbinenschaufel nicht möglich.However, a welded joint has the disadvantage that the components welded together are so firmly connected to each other that during operation of the turbine blade, if different materials of the components welded together at the high operating temperatures expand differently, undesirable stresses between these components may arise. Furthermore, in the event of a repair, maintenance and / or turbine blade refurbishment, a baffle plate secured by welding to the paddle platform can not be detached from the paddle platform without causing damage to the components being welded together, which subsequently must be repaired. Since both the dismantling of the cooling plate and the subsequent repair of the blade platform is very complex and therefore very expensive, economic repair, maintenance and / or refurbishment of the turbine blade is not possible.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine wirtschaftliche Reparatur, Wartung und/oder Refurbishment möglich ist. Dabei soll insbesondere auch dem Auftreten unerwünschter Spannungen zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen während des Betriebs der Turbinenschaufel vorgebeugt werden.Against this background, the present invention has the object, a turbine blade of the type mentioned in such a way that an economical repair, maintenance and / or refurbishment is possible. In particular, the occurrence of undesirable stresses between the interconnected components during operation of the turbine blade should be prevented.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kühlblech mit Hilfe zumindest eines Stifts an der Schaufelplattform befestigt ist, der sich durch eine Durchgangsbohrung des Kühlblechs erstreckt und an der Schaufelplattform fixiert ist, wobei das Kühlblech gegen ein axiales Abziehen von dem Stift gesichert ist. Erfindungsgemäß ist somit das Kühlblech an der Schaufelplattform nur lokal an wenigen Befestigungsstellen durch Stifte befestigt. Auf diese Weise ist es möglich, das Kühlblech vergleichsweise einfach und zumindest weitestgehend zerstörungsfrei von der Schaufelplattform zu demontieren, so dass der Demontage- und Montageaufwand im Rahmen einer Reparatur oder Wartung oder aber auch dem Refurbishment der Turbinenschaufel vergleichsweise gering ausfällt. Insbesondere kann ein demontiertes Kühlblech auch wiederverwendet werden. Zudem ermöglicht die Befestigung des Kühlblechs an der Schaufelplattform mittels Stiften, dass sich die miteinander verbundenen Bauteile während des Betriebs der Turbinenschaufel, wenn sich unterschiedliche Materialien der Bauteile bei den hohen Betriebstemperaturen unterschiedlich stark ausdehnen, leicht gegeneinander verschieben können und somit unerwünschten Spannungen zwischen den Bauteilen vorgebeugt wird.To achieve this object, the present invention provides a turbine blade of the type mentioned, which is characterized in that the cooling plate is fixed by means of at least one pin on the blade platform, which extends through a through hole of the cooling plate and is fixed to the blade platform, said the cooling plate is secured against axial withdrawal from the pin. According to the invention, therefore, the cooling plate is attached to the blade platform only locally at a few attachment points by pins. In this way, it is possible to disassemble the heat sink comparatively simple and at least largely non-destructive of the blade platform, so that the disassembly and assembly costs in the context of a repair or maintenance or even the refurbishment of the turbine blade comparatively low. In particular, a dismantled cooling plate can also be reused. In addition, the attachment of the cooling plate to the blade platform by means of pins allows the interconnected components to easily displace against each other during operation of the turbine blade, as different materials of the components expand differently at high operating temperatures, thus preventing undesirable stresses between the components becomes.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stift als Kerbstift ausgebildet sein, welcher in eine zu der Durchgangsbohrung des Kühlblechs korrespondierende und koaxial dazu angeordnete Sackbohrung der Schaufelplattform eingepresst und so an der Schaufelplattform fixiert ist. Hierfür weist der Kerbstift einen Stiftdurchmesser auf, der größer als der Durchmesser der Sackbohrung ist. Insbesondere kann der Kerbstift auch in die Durchgangsbohrung des Kühlblechs eingepresst sein, wodurch das Kühlblech gegen ein axiales Abziehen von dem Stift gesichert ist. Hierfür ist der Stiftdurchmesser des Kerbstifts auch größer als der Durchmesser der Durchgangsbohrung. Eine Verbindung der Bauteile mittels Kerbstift ist vorteilhaft, da sie lösbar ist. Wenn das Kühlblech entfernt werden soll, kann der Kerbstift verglichen mit dem Auftrennen einer Schweißverbindung mit relativ geringem Aufwand und keiner oder relativ geringer Beschädigung der verbundenen Bauteile aus der Sackbohrung und der Durchgangsbohrung gezogen werden.According to one embodiment of the invention, the pin may be formed as a grooved pin, which is pressed into a corresponding to the through hole of the cooling plate and arranged coaxially thereto blind bore of the blade platform and fixed to the blade platform. For this purpose, the grooved pin on a pin diameter which is greater than the diameter of the blind bore. In particular, the grooved pin can also be pressed into the through hole of the cooling plate, whereby the cooling plate is secured against axial withdrawal from the pin. For this purpose, the pin diameter of the notched pin is also larger than the diameter of the through hole. A compound of the components by means of grooved pin is advantageous because it is solvable. When the heatsink is to be removed, the grooved pin can be pulled out of the blind bore and the through bore with relatively little effort and no or relatively little damage to the bonded components as compared to severing a weld joint.
Vorteilhaft erstrecken sich die Kerben, insbesondere drei Kerben, des Kerbstifts in der Umfangsfläche des Kerbstifts und zumindest im Wesentlichen parallel zur zentralen Längsachse des Kerbstifts, wobei sie sich zweckmäßigerweise zumindest im Wesentlichen über die gesamte Länge des Kerbstifts erstrecken.Advantageously, the notches, in particular three notches, of the notched pin extend in the peripheral surface of the notched pin and at least substantially parallel to the central longitudinal axis of the notched pin, expediently extending at least substantially over the entire length of the notched pin.
Die Kerben des Kerbstifts sind bevorzugt gleichmäßig über die Umfangsfläche des Kerbstifts verteilt angeordnet und können einen halbkreisförmigen, V-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweisen.The notches of the notched pin are preferably arranged distributed uniformly over the peripheral surface of the notched pin and may have a semicircular, V-shaped or U-shaped cross-section.
Vorteilhafterweise ist der Kerbstift als Kerbnagel, insbesondere als Halbrundkerbnagel nach
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stift als Schweißbolzen, insbesondere als Schweißbolzen nach
Der Schweißbolzen kann unter Bildung einer ringförmigen Anlagefläche, auf der das Kühlblech aufliegt, axiale Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweisen. Alternativ liegt das Kühlblech auf der Schweißnaht des Schweißbolzens auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Kühlblech von dem zu kühlenden Wandabschnitt der Schaufelplattform beabstandet ist.The weld stud may have axial sections of different diameter to form an annular contact surface on which the heat sink rests. Alternatively, the cooling plate is located on the weld of the weld stud. In this way, it is ensured that the cooling plate is spaced from the wall section of the blade platform to be cooled.
Vorteilhaft weist der Schweißbolzen an seinem freien Ende einen Nietkopf auf, durch den das Kühlblech gegen ein axiales Abziehen von dem Stift gesichert ist. Wenn das Kühlblech entfernt werden soll, kann der Nietkopf mit relativ geringem Aufwand und relativ geringer Beschädigung der verbundenen Bauteile entfernt werden, indem der Nietkopf beispielsweise aufgebohrt oder abgeschliffen wird.Advantageously, the welding stud at its free end to a rivet head, through which the cooling plate is secured against axial withdrawal from the pin. If the heat sink is to be removed, the rivet head can be removed with relatively little effort and relatively little damage to the connected components by, for example, drilling or abrading the rivet head.
Alternativ kann der Schweißbolzen an seinem freien Ende ein Außengewinde aufweisen, auf das eine Mutter geschraubt ist, durch die das Kühlblech gegen ein axiales Abziehen von dem Schweißbolzen gesichert ist. Eine derartige Schraubverbindung ist vorteilhaft, da sie lösbar ist.Alternatively, the welding stud may have at its free end an external thread on which a nut is screwed, by which the cooling plate is secured against axial withdrawal from the welding stud. Such a screw connection is advantageous because it is detachable.
Zweckmäßigerweise ist die Mutter eine Sechskantmutter mit Regelgewinde nach
Vorteilhafterweise weist die Schaufelplattform an ihrer blattabgewandten Unterseite eine Vertiefung auf, deren Boden der zu kühlende Wandabschnitt der Schaufelplattform ist, umfasst das Kühlblech einen zentralen Bereich, in dem Kühllöcher ausgebildet sind, und einen diesen umgebenden Randbereich und liegt der Randbereich des Kühlblechs an einer die Vertiefung umgebenden Wandung der Schaufelplattform von der Unterseite der Schaufelplattform heran.Advantageously, the blade platform on its side facing away from the blade on a recess whose bottom is to be cooled wall portion of the blade platform, the cooling plate comprises a central region in which cooling holes are formed, and a surrounding edge region and is the edge region of the cooling plate at a recess approaching wall of the bucket platform from the bottom of the bucket platform.
Bevorzugt ist die mindestens eine Durchgangsbohrung in dem zentralen Bereich des Kühlblechs ausgebildet und das Kühlblech mit Hilfe eines als Schweißbolzen ausgebildeten Stifts, wie zuvor beschrieben, der an den Boden der Vertiefung geschweißt ist, an der Schaufelplattform befestigt.Preferably, the at least one through-hole is formed in the central region of the cooling plate and the cooling plate is fixed to the blade platform by means of a pin formed as a welding pin, as previously described, welded to the bottom of the recess.
Ebenso kann die mindestens eine Durchgangsbohrung in dem Randbereich des Kühlblechs ausgebildet und das Kühlblech mit Hilfe eines als Kerbstift oder Kerbnagel ausgebildeten Stifts, wie zuvor beschrieben, an der Schaufelplattform befestigt sein. Likewise, the at least one through-hole can be formed in the edge region of the cooling plate and the cooling plate can be fastened to the blade platform with the aid of a pin designed as a grooved pin or notched nail, as described above.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von fünf Ausführungsformen einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin zeigt
-
1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Schnittansicht der in1 gezeigten Turbinenschaufel; -
3 eine weitere schematische Schnittansicht der in1 gezeigten Turbinenschaufel; -
4 eine schematische Schnittansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 eine schematische Schnittansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
6 eine schematische Schnittansicht einer Turbinenschaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
7 eine schematische, perspektivische Ansicht der Schaufelplattform einer Turbinenschaufel gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic, perspective view of a turbine blade according to a first embodiment of the present invention; -
2 a schematic sectional view of in1 shown turbine blade; -
3 another schematic sectional view of the in1 shown turbine blade; -
4 a schematic sectional view of a turbine blade according to a second embodiment of the present invention; -
5 a schematic sectional view of a turbine blade according to a third embodiment of the present invention; -
6 a schematic sectional view of a turbine blade according to a fourth embodiment of the present invention; and -
7 a schematic perspective view of the blade platform of a turbine blade according to a fifth embodiment of the present invention.
Die
Konkret erstrecken sich zur konvektiven Kühlung der Schaufelplattform
Die blattabgewandte Unterseite
An der Schaufelplattform
Durch die zuvor beschriebene Anordnung des Kühlblechs
Erfindungsgemäß ist das Kühlblech
Die zuvor beschriebene Befestigung des Kühlblechs
Während des Betriebs der Turbinenleitschaufel
Die
Die
Die
Die
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele 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. So ist die vorliegende Erfindung nicht auf Turbinenleitschaufeln beschränkt, sondern kann ebenso auf Turbinenlaufschaufeln angewandt werden.While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not limited to turbine vanes, but may also be applied to turbine blades.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |