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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, vorzugsweise eine Turbinenleitschaufel einer Gasturbine für die Energieerzeugung, sowie eine Turbine, in der die genannte Turbinenschaufel angewendet werden kann. Weiterhin wird ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel in einem Turbinenring angegeben.
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In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationsenergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann.
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Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.
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Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
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Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
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Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
EP 2 601 006 B1 .
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Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, wie Dichtelemente, Kühlstrukturen und/oder allgemein Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
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Viele Gasturbinen verwenden für die Fixierung insbesondere der Turbinenleitschaufel der ersten Stufe(n) einen Stift oder ähnliche Mittel zur Fixierung der entsprechenden Komponente. Dieser Stift wird üblicherweise in einer Art Bohrung oder Durchgangsloch der Komponente eingeführt. Da dadurch allein noch keine Verdrehsicherung sichergestellt ist, sind weitere Merkmale zum Verhindern einer ungewollten Bewegung der Komponente in der Turbine erforderlich. Zur Fixierung können beispielsweise weitere Anschlagflächen vorgesehen werden.
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Während des Zusammenbaus muss die Komponente oder das Bauteil üblicherweise weiterhin, beispielsweise über eine integrierte Dichtfeder und/oder einen Dichtschlitz, zusammen mit einer Nachbarkomponente, wie einer weiteren Turbinen(leit)schaufel gehalten oder fixiert werden, oder mit einem weiteren Teil, wie einem Turbinen(leit)ring. Während des Betriebs der Turbinenschaufel, und demzufolge unter Belastung, wird die Komponente aufgrund der Verhältnisse von Druck und Temperatur an einem Schaufelblatt der Turbinenschaufel, ungewollt in eine Bewegung oder Rotation versetzt. Eine Rotation kann insbesondere um eine Axial- oder Fluidströmungsrichtung die Folge sein, wenn keine ausreichende Verdrehsicherung für die Turbinenschaufel eingerichtet ist. Insbesondere kann eine Rotation jeder einzelnen Turbinenschaufel weiterhin in Richtung der Saugseite erfolgen. Um diese Bewegung oder Kraft aufzufangen, kann eine Erhebung mit einer Anschlagfläche vorgesehen sein, über die eine Verdrehung der Turbinenschaufel gegen den entsprechenden Turbinenleitring verhindert werden soll.
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Das beschriebene Problem tritt umso gravierender in Erscheinung, je größer die Toleranz und schwächer die Maßhaltigkeit in der Fertigung der Turbinenschaufel ist, und damit beispielsweise eine Abweichung der genannten Anschlagfläche von einer optimalen Position oder Wirkung. Wenn beispielsweise die Anschlagfläche nicht exakt positioniert ist oder an einem Gegenstück eines Leitringes anliegt, wird im Betrieb der Schaufel die gesamte Last zwangsläufig von den Dichtelementen, wie Dichtfeder und/oder Dichtschlitz aufgenommen. Das kann zu Dichtspaltverlusten des Arbeitsmediums der Turbine und/oder der Zerstörung der Dichtelemente an den Schaufeln führen.
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Es muss also auf eine sehr hohe Maßhaltigkeit der Komponenten geachtet werden, was wiederum sehr hohe Kosten und Anforderungen an die Fertigung stellt. Bekannt sind die hohen Kosten von konventionellen Fertigungsverfahren hinsichtlich der involvierten Gusstechniken und der Bereitstellung der Gusswerkzeuge und die damit verbundene hohe Durchlaufzeit.
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Weiterhin ist der Aufwand der Ausrichtung bzw. Justage der Turbinenleitschaufel in der Turbine bei konventionellen Fertigungsverfahren erheblich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lagerungsmethode für Turbinenschaufel-Komponenten, sowohl bei deren Einbau als auch im Betrieb einer Turbine und entsprechende Mittel bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, umfassend ein Schaufelblatt und eine Fußplatte mit einer Aufnahme oder Aufhängung zur Lagerung oder Fixierung der Schaufel im Betrieb, beispielsweise in einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine für die Energieerzeugung.
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Die Fußplatte weist weiterhin eine Anschlagfläche auf, wobei die Aufnahme und die Anschlagfläche angeordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel, eine Verdrehsicherung der Turbinenschaufel zu bewirken, wobei die Aufnahme anströmseitig etwa mittig an bzw. in der Fußplatte angeordnet ist.
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Der Ausdruck „mittig“ bezeichnet vorzugsweise eine mittige Anordnung der Aufnahme entlang einer Tangentialrichtung bzw. Umfangsrichtung des Schaufelkranzes bzw. der Stufe, dem die Turbinenschaufel in ihrem Betrieb zugeordnet ist.
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Das Schaufelblatt der Turbinenschaufel weist zweckmäßigerweise eine Anströmkante und eine Abströmkante, und vorzugsweise eine sogenannte Saug- und eine Druckseite auf.
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Die Fußplatte bezeichnet vorliegend vorzugsweise ein Deckband, einen Kragen oder einen Schaufelfuß. Zweckmäßigerweise ist die Turbinenschaufel in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb an einen Rotor- oder Statorring, wie einen Turbinenleitring befestigt oder an diesen gekoppelt.
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Wie die beschriebene Aufnahme ist vorzugsweise auch die Anschlagfläche anströmseitig arrangiert, d.h. an einer Anströmseite der Turbinenschaufel bzw. einer Seite, dem die Anströmkante der Turbinenschaufel zugewandt ist, angeordnet.
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Vorteilhafterweise kann durch die vorgestellte Turbinenschaufel auf eine Änderung oder Anpassung einer die Turbinenschaufel tragenden Komponente, wie beispielsweise eines Turbinenlauf- oder Turbinenleitring, verzichtet werden. Mit anderen Worten können die neuartigen vorgestellten Schaufeln, ohne geometrische Anpassung in bestehende „Hardware“ integriert werden.
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Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Lagerungsvariante den Vorteil, dass andere Dichtkonzepte, beispielsweise ohne Änderung der Geometrie eines Turbinenleitrings, für die beschriebenen Komponenten/Schaufeln genutzt werden können.
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In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel eine Turbinenleitschaufel, insbesondere für eine thermische und/oder stationäre Strömungsmaschine für die Energieerzeugung.
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In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme zur, insbesondere mechanischen, Kopplung an ein Gegenstück eines Turbinenringes, beispielsweise Leitringes, ausgebildet.
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In einer Ausgestaltung ist die Ausnahme bzw. die Aufhängung ein, insbesondere rundes, Durchgangsloch.
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In einer Ausgestaltung ist die Aufnahme ein Sackloch oder eine Bohrung.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Anschlagfläche zwei voneinander getrennte Teilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine Gewichtsoptimierung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit erreicht werden. Für eine neuartige Herstellungsroute der beschriebenen Turbinenschaufel, beispielsweise im Wege einer additiven Fertigung, bedeutet dies Gewichtsoptimierung und eine Einsparung von Rohmaterial.
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Durch die Vorsehung von mehreren kleinen getrennten Flächen anstatt einer großen Anschlagfläche wird mit anderen Worten vorteilhafterweise gleichzeitig Material und wertvolle Prozesszeit eingespart.
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In einer Ausgestaltung sind die Teilflächen entgegengesetzt von der Mitte der Fußplatte beabstandet angeordnet. Durch diese Ausgestaltung, in der beispielsweise in Umfangsrichtung eines Leitschaufelkranzes betrachtet, an jeder Seite der Aufnahme einer Anschlagfläche vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise eine besonders effiziente Lagerung und/oder Verdrehsicherung der Turbinenschaufel gewährleistet werden. Insbesondere ermöglicht diese Ausgestaltung vorteilhafterweise die Wirkung einer Zweipunktverdrehsicherung, bei der weniger Lagerungspunkte erforderlich sind, als bei vergleichbaren, konventionell hergestellten Turbinenschaufeln.
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In einer Ausgestaltung ist die Verdrehsicherung eine Zweipunktverdrehsicherung. Eine Verdrehung oder ungewollte Rotation der Turbinenschaufel im Betrieb wird dadurch, erstens, effizient durch die Aufhängung und, zweitens, durch die Anschlagfläche bewirkt.
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In einer Ausgestaltung erstrecken sich beide Teilflächen der Anschlagfläche - zusammengenommen - über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdehnung der Fußplatte. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise eine besonders große Anschlagfläche und damit effiziente Verdrehsicherung mit kleinen Bewegungstoleranzen im Betrieb erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst eine oder jede der Teilflächen wiederum zwei voneinander getrennte und vorzugsweise beabstandete Unterteilflächen. Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise ebenfalls eine (weitere) Gewichtsoptimierung der Turbinenschaufel bei ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung sind die Unterteilflächen in einer sich von einer Anströmseite zu einer Abströmseite der Turbinenschaufel erstreckenden Richtung voneinander beabstandet. Auch dieser Ausgestaltung ermöglicht vorteilhafterweise eine (weitere) Gewichtsoptimierung ausreichender mechanischer Stabilität und Passgenauigkeit der Schaufel.
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In einer Ausgestaltung weist die Fußplatte eine Gitterstruktur auf. Durch diese Ausgestaltung kann ein Gewicht der Komponente bei tolerabler mechanischer Stabilität weiterhin reduziert werden. Gleichzeitig kann - ähnlich zu den vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen - ein Herstellungsaufwand durch die Vorsehung neuartiger, additiver Verfahren, reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Gitterstruktur angeordnet und ausgebildet, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine, insbesondere an einen Turbinenleitring, eine Justage der Schaufel zu erleichtern, oder zu unterstützen. Die genannte Ausrichtung oder Justage erfolgt vorzugsweise weiterhin mit Exzenterstiften. Die genannte Vereinfachung der Justage wird dadurch erreicht, dass die Gitterstruktur mechanische Kräfte bei der Justage, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung aufnehmen kann.
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In einer Ausgestaltung weist die Gitterstruktur Gitterelemente auf, die dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel in eine Turbine, insbesondere zur Dichtspaltsoptimierung, verformt zu werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Turbinenschaufel frei von Dichtschlitzen und/oder Dichtfedern ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Turbinenschaufel vorteilhafterweise keine einstückig mit dieser verbundenen Dichtelemente auf. Dies kann insbesondere die Herstellung der Turbinenschaufel erleichtern.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine, umfassend eine Turbinenschaufel wie oben beschrieben bzw. eine Anordnung von solchen Turbinenschaufeln, wobei die Turbine weiterhin einen Turbinenring umfasst, an dem die Turbinenschaufeln befestigt sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung der Turbinenschaufel, insbesondere mittels eines lasergestützten, pulverbettbasierten Ansatzes. Diese Herstellungsweise ermöglicht es mit Vorteil, die Produktdurchlaufzeit entsprechender Komponenten maßgeblich, insbesondere um mehrere Monate zu verkürzen, als auch die Komponenten mit verbesserten Geometrien und Eigenschaften auszugestalten, welche bisher auf konventionellem Wege nicht oder nur mit großen Kosten zu erzielen sind.
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In einer Ausgestaltung ist oder wird die Gitterstruktur insbesondere nach dessen additivem Aufbau mechanisch nicht oder kaum nachbearbeitet. Die oben beschriebene Ausgestaltung der Turbinenschaufel mit der Gitterstruktur prädestiniert die Schaufel gerade für die genannten additiven Herstellungsverfahren. Insbesondere durch konventionelle Herstellungsmethoden ist die Ausbildung einer Gitterstruktur - wie oben beschrieben - technisch oder wirtschaftlich unmöglich.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung oder Justage einer Turbinenschaufel in einem Turbinenring, wie einem Turbinenleitring, wobei die Gitterstruktur, insbesondere zu Dichtspaltsoptimierung, verformt wird.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Turbinenschaufel oder die Turbine beziehen, können ferner das beschriebene additive Herstellungsverfahren oder das Justageverfahren betreffen, oder umgekehrt.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
- 1 zeigt vereinfachte perspektivische Ansicht eines Teils einer bekannten Turbinenleitschaufel.
- 2 zeigt einen Teil einer perspektivischen oder Seitenansicht eines Schaufelfußes einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Schaufelfußes der Turbinenschaufel gemäß einer alternativen Ausgestaltung.
- 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Turbine oder eines Teils davon, umfassend eine Anordnung von Turbinenschaufeln wie oben beschrieben.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 zeigt eine bekannte Turbinenschaufel 10' in einer Teilansicht. Insbesondere soll die Turbinenschaufel 10' eine Turbinenleitschaufel darstellen. Vorzugsweise ist die Turbinenleitschaufel für den Einsatz in einer thermischen und/oder stationären Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine für die Energieerzeugung, vorgesehen.
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Hauptsächlich ist in 1 eine Fußplatte oder ein Schaufelfuß 3 der Turbinenschaufel 10' dargestellt. Ein Schaufelblatt 7 der Turbinenschaufel 10' ist im unteren Bereich der Darstellung angedeutet.
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Die Turbinenschaufel 10` weist weiterhin eine Anströmseite 1 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite des Schaufelfußes 3 ist eine Abströmkante 2 der Turbinenschaufel 10' mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet.
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Die Richtung y erstreckt sich von der Anströmseite 1 zu der Abströmseite 2 der Schaufel 10'. Die Richtung oder Achse y kann weiterhin eine Axialrichtung oder Fluidströmungsrichtung bezeichnen, wenn Bezug auf einen Betrieb der Turbinenschaufel in einer Strömungsmaschine genommen wird (vgl. ebenfalls 4) .
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Die Richtung oder Achse x bezeichnet vorzugsweise eine zu der Richtung y senkrechte Richtung, welche auch eine Umfangs- oder Tangentialrichtung einer entsprechenden Anordnung von Turbinenschaufeln in einem Schaufelkranz oder einer Turbinenstufe entspricht.
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Weiterhin ist innerhalb des Schaufelfußes 3 eine Kontur des Schaufelblattes angedeutet. Eine Anströmkante und einer Abströmkante sind jedoch nicht explizit mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der Schaufelfuß 3 weist weiterhin eine Aufnahme oder Aufhängung 4 auf, welche an einer Anströmseite 1 der Fußplatte 3 angeordnet ist. Über diese Aufnahme 4 wird die Schaufel vorzugsweise für den Betrieb in einer Turbine (vergleiche Bezugszeichen 100 weiter unten) an einen Turbinenring gekoppelt oder an diesem befestigt. Der mit R bezeichnete Pfeil soll eine Rotation oder Bewegung der Turbinenschaufel 10' andeuten. Eine solche Rotation kann insbesondere um die Axialrichtung y auftreten, wenn keine ausreichende Lagerung bzw. Verdrehsicherung für die Turbinenschaufel vorhanden ist. Die Rotation R ist derart eingezeichnet, dass sich das Schaufelblatt 7 der Turbinenschaufel 10' an der Aufhängung 4 in Richtung einer Saugseite der Turbinenschaufel dreht oder bewegt.
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Um einer solchen Bewegung vorzubeugen, weist die dargestellte Turbinenschaufel weiterhin eine Anschlagfläche 5 auf, welche im Betrieb einer Turbine eine Bewegung der einzelnen Turbinenschaufeln über Gebühr verhindert, indem die Anschlagfläche an ein Gegenstück, beispielsweise einen Turbinenring, anschlägt.
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Weiterhin weist die gezeigte Turbinenschaufel 10` einen Dichtschlitz 6 oder eine Dichtfeder (nicht explizit gekennzeichnet) auf. Dieser Dichtschlitz 6 kann im Betrieb dieses bekannten Designs der Schaufel ebenfalls als Teil der Lagerung, Fixierung oder Verdrehsicherung fungieren, wenngleich dann eine (zusätzliche) mechanische Last von dem Dichtschlitz aufgenommen werden würde. Dies kann unter Umständen dann auch zu Leckageverlusten an der Dichtstelle führen.
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2 zeigt im Unterschied zu 1 einen Teil einer Turbinenschaufel 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wieder ist hauptsächlich ein Schaufelfuß bzw. eine Fußplatte 13 gezeigt. Diese Turbinenschaufel 10 weist zweckmäßigerweise ebenfalls ein Turbinenschaufelblatt 17 auf, welches lediglich im unteren Teil ansatzweise angedeutet ist. Eine Anströmseite ist mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet.
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Die Fußplatte 13 weist eine Aufnahme 14, ähnlich zu der beschriebenen Aufnahme 4 auf. Weiterhin weist die Fußplatte 13 eine Anschlagfläche 15 auf. Im Unterschied zu der bekannten Ausgestaltung, zeichnet sich dieses Design dadurch aus, dass die Aufnahme 14 und die Anschlagfläche 15 (vergleiche weiterhin auch die Bezugszeichen 15' und 15'') angeordnet und ausgebildet sind, im Betrieb der Turbinenschaufel eine Verdrehsicherung, insbesondere lediglich eine Zweipunktverdrehsicherung, derselben zu bewirken, wobei die Aufnahme 14 anströmseitig etwa mittig an oder in der Fußplatte angeordnet ist.
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Die Aufnahme 14 ist bevorzugt - ähnlich zu einer Bohrung - als rundes oder kreisförmiges Durchgangsloch für die Kopplung eines Gegenstücks an einem Turbinenleitring ausgebildet.
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Demgegenüber ist in 1 klar zu erkennen, dass die Aufhängung zwar auch anströmseitig, jedoch näher an einem druckseitigen Ende (links in der Darstellung) der Fußplatte angeordnet ist als an einem saugseitigen Ende (rechts).
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Diese „mittige“ oder zentrale Anordnung bzw. Ausgestaltung der Aufnahme 14, hat den Vorteil, dass die entsprechende Schaufelkomponente sowohl beim Zusammenbau als auch im Betrieb auf verbesserte Weise fixiert, eingebaut und/oder gelagert werden kann, ohne dass dafür auch Änderungen an der tragenden Komponente, insbesondere des Turbinenleitring, erforderlich sind. Weiterhin können - sofern überhaupt erforderlich - Dichtelemente, wie Dichtfedern oder Dichtschlitze, mechanisch deutlich entlastet und oder allgemein ganz andere Dichtkonzepte verwendet werden. Das in 2 gezeigte Design der Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise frei von Dichtelementen. Zu diesen Effekten trägt ebenfalls bei, dass die Anschlagfläche 15 gegenüber weiteren Bereichen der Fußplatte erhaben ist.
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Die Anschlagfläche 15 ist, wie beispielhaft dargestellt, in eine Mehrzahl, insbesondere zwei, Teilflächen 15' unterteilt, wobei die genannten Teilflächen 15' voneinander über den Abstand a beabstandet sind. Jede dieser Teilflächen 15' ist gemäß 2 entgegengesetzt auf jeweils einer anderen Seite (rechts und links) entlang einer Ausdehnung A des Schaufelfußes 13 angeordnet. Zwischen den Teilflächen 15' ist eine Ausnehmung (nicht explizit gekennzeichnet) angeordnet, auf deren Höhe sich in Umfangsrichtung x die Aufhängung 14 befindet. Vorzugsweise erstrecken sich beide Teilflächen 15' zusammengenommen über mehr als die Hälfte der anströmseitigen Ausdehmung A.
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Technische Vorteile ergeben sich beispielhaft weiterhin durch eine weitere Unterteilung der Anschlagfläche 15 in Unterteilflächen 15''. Diese Unterteilung erfolgt vorliegend nicht entlang der Richtung x, sondern entlang der axialen Richtung y (vergleiche auch 3). Insbesondere kann eine Gewichtsersparnis optimiert und die Herstellung der Komponente insgesamt dadurch vereinfacht werden. Die Unterteilflächen 15" sind vorzugsweise also durch einen Abstand b entlang der Richtung x voneinander beabstandet.
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3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht auf die Fußplatte 13 von unten, ohne das Schaufelblatt der Turbinenschaufel anzudeuten. Dort ist weiterhin gezeigt, dass die Turbinenschaufel 10 filigrane Strukturen, wie eine Gitterstruktur 18 aufweist. Die Gitterstruktur 18 ist am oberen rechten Rand der Darstellung der 3, also in der Nähe der Anströmseite der Turbinenschaufel, angeordnet.
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Insgesamt ist die Gitterstruktur 18 vorzugsweise arrangiert und ausgebildet, beim Einbau der Schaufel, beispielsweise in eine Strömungsmaschine, eine Justage der Schaufel 10 zu unterstützen, oder zu erleichtern. Genauer weist die Gitterstruktur 18 Gitterelemente (nicht explizit gekennzeichnet) auf, welche dünn genug ausgebildet sind, gegebenenfalls beim Einbau der Schaufel oder einer Ausrichtung zur Dichtspaltsoptimierung derselben, verformt zu werden.
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In einem entsprechenden Justage-Verfahren oder Verfahren zur Ausrichtung der Turbinenschaufel kann die Gitterstruktur dabei vorteilhafterweise und in kontrollierter Art verformt werden. Dabei werden vorzugsweise keine Gitterelemente abgebrochen, sondern die Verformung erfolgt vorzugsweise fließend und bewirkt eine stabile Positionierbarkeit oder Einstellbarkeit der Turbinenschaufel 10 relativ zu einem Turbinenring (vergleiche Bezugszeichen 30 in 4) und möglicherweise benachbart angeordneten weiteren Turbinenschaufeln der entsprechenden Stufe. Möglicherweise wirkt die Gitterstruktur 18 bei dieser Justage mit einem weiteren Anschlag oder Gegenstück eines Turbinenringes zusammen.
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Solche Gitterstrukturen sind auf konventionellem Herstellungswege nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar.
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Daher wird die Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise durch eine additive Herstellungstechnologie, insbesondere pulverbettbasierte Verfahren, wie selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt. Die genannten Verfahren zählen zu sogenannten „Powder-Bed Fusion“-Verfahren. Ein beispielsweise im Wege einer CAD-Datei („Computer-Aided-Manufacturing“) bereitgestelltes Design der Komponente wird dabei in einen Prozessor der Anlage eingelesen und durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“) vorzugsweise in einzelne Schichten von weniger als 50 µm Dicke unterteilt, die dann in Form von Pulver auf einer Bauplattform aufgetragen und anschließend selektiv mit einem Energiestrahl, vorzugsweise Laserstrahl oder Elektronenstrahl, gemäß der gewünschten Geometrie aufgeschmolzen und verfestigt werden.
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Dadurch besteht eine sehr große Designfreiheit bei der Herstellung der Bauteile, welche beispielsweise auch die Herstellung der Gitterelemente, wie oben beschrieben, erst ermöglicht oder prädestiniert. Hinsichtlich einer Strukturqualität der Bauteile stehen additive Herstellungswege in der Regel konventionellen Herstellungsrouten etwas nach. Das liegt u.a. an den großen Temperaturgradienten von teilweise mehr als 106 K/s, welche durch den sehr lokalen Energieeintrag des Energiestrahls bewirkt werden, und die erzielten Strukturen anfällig für Heiß- oder Erstarrungsrisse machen.
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Bei der Herstellung der Gitterstruktur für die vorliegende Turbinenschaufel, wird diese nachträglich, d.h. nach dem eigentlichen additiven Aufbau, vorzugsweise nicht mehr mechanisch nachbearbeitet. Eine Nachbearbeitung ist insbesondere obsolet, da die Gitterstrukturen, wie oben beschrieben, beim Einbau der Schaufel ohnehin verformt werden. Dadurch kann die gesamte Herstellung des Bauteils, beispielweise gegenüber konventionellen Herstellungsansätzen vorteilhafterweise weiterhin deutlich verkürzt werden.
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4 zeigt eine schematische Teilansicht einer Turbine 100. Obwohl in der Darstellung nur Teile der Turbine angedeutet sind, betrifft die Turbine 100 vorzugsweise eine vollständige Gasturbine zur Energieerzeugung oder auch zur industriellen Nutzung von Turbinen oder Antriebe im Allgemeinen.
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Die Turbine 100 umfasst vorzugsweise mehrere Turbinenstufen, jedenfalls aber einen Rotor bzw. Laufschaufelkranz 20. Eine Rotations- oder Axialerrichtung ist wieder mit dem Bezugszeichen x angedeutet. Weiterhin umfasst die Turbine 100 einen Turbinenring 30, welcher im Betrieb der Turbine 100 zweckmäßigerweise mit einer Mehrzahl von Turbinenleitschaufeln 10 (wie oben beschrieben) bestückt ist. Über entsprechende Aufnahmen 14 sind die Schaufeln vorzugsweise an dem Turbinenring 30 befestigt. Eine Anordnung der Turbinenschaufeln ist mit dem Bezugszeichen 50 angedeutet. Weiterhin ist mit dem Pfeil F eine Fluidströmung bzw. Strömungsrichtung angedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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