DE19734273A1 - Hitzebeständige Leitschaufel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel einer Gasturbine mit einer äußeren Schaufel-Eintrittskante, die an einem Schaufelkörper der Leitschaufel lösbar befestigt ist. Die äußere Schaufel-Eintrittskante weist ein anderes Material als der Schaufelkörper auf.

Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, sind in neuen Gasturbi­ nen-Generationen die Leitschaufeln der ersten Reihe, insbe­ sondere ihre Eintrittskanten, sehr hohen Heißgastemperaturen ausgesetzt. Diese Temperaturen übersteigen die Betriebstempe­ raturen metallischer Werkstoffe bei weitem, so besondere Schutzmaßnahmen, insbesondere eine Kühlung der Leitschaufeln, erforderlich sind. Eine Verbesserung des Gasturbinenwirkungs­ grades kann außer durch Erhöhung der Eintrittstemperatur auch erzielt werden, wenn der Austritt von Kühlluft zur Kühlung von Leitschaufeln ins Heißgas verringert wird. Insbesondere die am stärksten belastete erste Leitschaufelreihe benötigt aufgrund der dort vorliegenden hohen Temperaturen einen er­ heblichen Kühlaufwand.

Eine Verwendung von hochtemperaturbeständigeren metallischen Werkstoffen bzw. eine Anwendung einer Filmkühlung an einer Schaufel-Eintrittskante der Leitschaufel unterliegt immer den Anforderungen, die sich aus einem zuverlässigen und sicheren Betrieb der Gasturbine ergeben. Die Leitschaufeln müssen zu jeder Zeit eine ausreichende Festigkeit, Lebensdauer und Zu­ verlässigkeit aufweisen, die auch unter extremen Betriebsbe­ dingungen der Gasturbine eingehalten werden müssen. Der Ein­ satz von hochtemperaturbeständigeren metallischen Werkstoffen erfordert bei steigender Heißgastemperatur einen steigenden Bedarf an Kühlluft, um die Betriebssicherheit sicherzustel­ len. Weiterhin sind bei der Auslegung insbesondere der ersten Leitschaufelreihe diejenigen Verschleißprobleme zu berück­ sichtigen, die aufgrund von Strahlverschleiß durch Partikel sowie aufgrund der Heißgasbedingungen vor allem an den Ein­ trittskanten der Schaufeln beispielsweise durch Heißgaskor­ rosion auftreten. Aus der US 5,358,379 ist eine Leitschaufel bekannt, die sich aus zwei Teilen zusammensetzt. Ein erstes Teil, ein Schaufelkörper, bildet den überwiegenden Teil der Druck- und Saugseite der Leitschaufel aus. Ein anderes Teil ist als Schaufel-Eintrittskante ausgebildet. Beide Teile sind über ein Feder-Nut-System miteinander verbindbar. Durch die Verbindung bilden sie eine vollständige Leitschaufel aus. Die Schaufel-Eintrittskante weist dabei ein anderes Material mit einem anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Schaufelkörper.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leitschaufel einer Gasturbine anzugeben, die den mechanischen und thermi­ schen Belastungen bei hohen Gaseintrittstemperaturen gerecht wird. Insbesondere soll die Leitschaufel sicher in der ersten Leitschaufelreihe einer Gasturbine einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leitschaufel gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Eine Schaufeleintrittskante mit den Merkmalen des Anspruches 12 sowie ein Schaufelkörper 16 mit den Merkmalen des Anspruches 16 dienen bei erfindungsge­ mäßer Verwendung für eine Leitschaufel nach dem Anspruch 1 ebenfalls zur Lösung der Aufgabe.

Eine Leitschaufel einer Gasturbine mit einer äußeren Schau­ fel-Eintrittskante, die an einem Schaufelkörper der Leit­ schaufel lösbar befestigt ist, wobei die äußere Schaufel-Ein­ trittskante ein anderes Material als der Schaufelkörper auf­ weist, weist nach der Erfindung zwischen der äußeren Schau­ fel-Eintrittskante und dem Schaufelkörper ein elastisches Ma­ terial auf. Dieses elastische Material sorgt dafür, daß die miteinander verbundene äußere Schaufel-Eintrittskante und der Schaufelkörper keine starre Verbindung untereinander aufwei­ sen, sondern ein gewisses, wenn auch geringes Spiel zwischen beiden zulässig ist. Diese elastische Lagerung ermöglicht eine freie Wärmedehnung zwischen der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante und dem Schaufelkörper. Bei Verwendung eines ke­ ramischen Werkstoffes für die äußere Schaufel-Eintrittskante und einen metallischen Werkstoff für den Schaufelkörper er­ möglicht die elastische Lagerung, daß die aufgrund der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Mate­ rialien entstehenden thermischen Spannungen ausgeglichen wer­ den. Gegenüber einer starren Verbindung von äußerer Schaufel- Eintrittskante und Schaufelkörper werden Spannungskonzentra­ tionen zwischen beiden vermieden. Die Verwendung des elasti­ schen Materials ermöglicht damit auch eine Funktionstrennung von äußerer Schaufel-Eintrittskante und Schaufelkörper bezüg­ lich ihrer kombinierten Verwendung als Leitschaufel. Der Schaufelkörper ist insbesondere zur Aufnahme der auftretenden mechanischen Belastungen auslegbar. Vorteilhafterweise wird er daher als Metallstruktur ausgelegt. Die äußere Schaufel- Eintrittskante wiederum dient zur Aufnahme der Heißgasbela­ stung. Dazu weist sie vorteilhafterweise eine Keramikstruktur auf.

Das Auftreten von Wärmespannungen zwischen dem Schaufelkörper und der äußeren Schaufel-Eintrittskante wird weiterhin da­ durch vermieden, daß sich zwischen diesen beiden eine Wärme­ isolierung befindet. Diese Wärmeisolierung kann ein geeigne­ tes wärmeisolierendes Material sein oder durch eine konstruk­ tive Lösung, beispielsweise durch einen Spalt zwischen der äußeren Schaufel-Eintrittskante und dem Schaufelkörper, her­ gestellt sein. Die Wärmeisolierung unterstützt die gegenüber dem Material des Schaufelkörpers schlechtere Wärmeleitfähig­ keit des Materials der äußeren Schaufel-Eintrittskante. Der Wärmeübergang zwischen beiden wird dadurch noch weiter abge­ senkt.

Als besonders geeignetes Material zwischen der äußeren Schau­ fel-Eintrittskante und dem Schaufelkörper hat sich ein faser­ keramisches Material erwiesen. Die Faserstruktur stellt dabei die Elastizität sicher und sorgt für eine gute Wärmeisolie­ rung. Das faserkeramische Material wird beispielsweise als Schicht entweder innen auf der äußeren Schaufel-Eintritts­ kante oder außen auf dem Schaufelkörper aufgetragen. Je nach Ausrichtung der Fasern sowie der Schichtdicke sind dabei ge­ wünschte Elastizitätswerte einstellbar. Gleiches gilt auch für die Richtungen, in welchen die Elastizität besonders wirksam ist. Als geeignetes Material für die Fasern hat sich Al2O3 erwiesen.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin­ dung, die auch als eigenständige Lösung einsetzbar ist, weist eine innere Schaufel-Eintrittskante des Schaufelkörpers auf, die von der äußeren Schaufel-Eintrittskante überdeckt ist, wobei die innere Schaufel-Eintrittskante ein Strömungsprofil aufweist, welches demjenigen der äußeren Schaufel-Eintritts­ kante angenähert ist. Auf diese Weise entsteht eine Hybrid- Leitschaufel, die eine besondere Betriebssicherheit bewirkt. Wenn die äußere Schaufel-Eintrittskante einen Schaden auf­ weist, der die strömungstechnische Wirkung der äußeren Schau­ fel-Eintrittskante beeinträchtigt, bleibt die Funktionsfähig­ keit der Leitschaufel trotzdem trotzdem erhalten. Die Funk­ tion der Schaufel-Eintrittskante wird dann durch die innere Schaufel-Eintrittskante des Schaufelkörpers übernommen. Da­ durch wird auch eine gute Notlaufeigenschaft der Leitschaufel erreicht, welche einen Weiterbetrieb der Gasturbine auch nach Schädigung der Leitschaufeln beispielsweise wegen eines de­ fekten vorgeschalteten Partikelfilters ermöglicht. Die äußere Schaufel-Eintrittskante weist bevorzugt eine Schalenform auf. Einerseits ermöglicht dieses eine besonders weitgehende An­ passung des Strömungsprofiles der inneren Schaufel-Eintritts­ kante an dasjenige Strömungsprofil der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante, ohne daß strömungstechnisch schwerwiegende Fehlanströmungen bei der inneren Schaufel-Eintrittskante nach Beschädigung der äußeren Schaufel-Eintrittskante in Kauf ge­ nommen werden müßten. Andererseits ermöglicht die Schalenform eine weitere Absenkung einer Versagenswahrscheinlichkeit. Die Schalenform als Hohlstruktur weist ein geringeres Volumen als ein Vollkörper auf. Dementsprechend sinkt der Grad der Wahr­ scheinlichkeit von Materialstörungen bei gleichzeitiger Erhö­ hung einer gewissen Elastizität der Form der äußeren Schau­ fel-Eintrittskante. Die Verwendung einer Schalenform für die äußere Schaufel-Eintrittskante ermöglicht die Verwendung strukturkeramischer Werkstoffe. Diese sind hochtemperaturbe­ ständig, korrosionsbeständig sowie erosionsbeständig. Die Form der äußeren Schaufel-Eintrittskante ist mittels ther­ moplastischer Formgebungsverfahren wie beispielsweise Spritz­ gießen oder Heißgießen möglich. Dieses eröffnet die Möglich­ keit der Verwendung verschiedener, auch komplizierter Formen für die äußere Schaufel-Eintrittskante, wobei aufgrund der Herstellungsweise große Stückzahlen bei kostengünstigen Prei­ sen möglich sind. Der strukturkeramische Werkstoff wird für bestimmte Belastungsbereiche, wie sie beispielsweise an be­ stimmten Abschnitten der äußeren Schaufel-Eintrittskante auf­ treten, durch Composite oder Fasern unterstützt. Jedoch nicht nur ein Abschnitt, sondern auch die gesamte äußere Schaufel- Eintrittskante ist auf diese Weise verstärkbar.

Für eine Langzeitbeständigkeit der inneren Schaufel-Ein­ trittskante und damit Vermeidung eines sofort notwendigen Austausches der äußeren Schaufel-Eintrittskante außerhalb ei­ ner routinemäßigen Stillegung der Gasturbine hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die innere Schaufel-Ein­ trittskante Kühlluftöffnungen zur Ausbildung einer Filmküh­ lung aufweist. Diese Filmkühlung ermöglicht es, daß die in­ nere Schaufel-Eintrittskante einen metallischen Werkstoff aufweist, welcher ansonsten den Betriebstemperaturen des Heißgases nicht gewachsen wäre. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Leitschaufel sieht vor, daß das elastische Material min­ destens eine Kühlluftbohrung in dem Schaufelkörper und insbe­ sondere in der inneren Schaufel-Eintrittskante abdeckt. Bei einer Beschädigung der äußeren Schaufel-Eintrittskante und des elastischen Materials wird die Kühlluftbohrung freige­ legt. Das ebenfalls freigelegte Material der inneren Schau­ fel-Eintrittskante wird dann über die freigelegte Kühlluft­ bohrung ausreichend gekühlt. Die Kühlluftbohrungen, das ela­ stische Material sowie die konstruktive Gestaltung von äuße­ rer und innerer Schaufel-Eintrittskante sind in einer Weiter­ bildung so ausgeführt, daß sich bei einem Versagensfall der äußeren Schaufeleintrittskante und des elastischen Materials eine Filmkühlung ausbildet, die den Schaufelkörper vor Überhitzung schützt.

Damit die äußere Schaufel-Eintrittskante mit dem Schaufelkör­ per elastisch gelagert verbunden ist, werden beide in einer bevorzugten Ausgestaltung entsprechend zusammengesteckt. Die­ ses erfolgt beispielsweise mittels geeigneter Führungen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die äußere Schaufel-Eintrittskante und der Schaufelkörper miteinander verklammert. Die Verklammerung an sich ermöglicht wiederum eine gewisse Elastizität zwischen der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante und dem Schaufelkörper.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Merkmale der Erfindung sind in den Beispielen der nachfolgen­ den Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine äußere Schaufel-Eintrittskante zur Ver­ wendung bei einer erfindungsgemäßen Leitschaufel,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leitschaufel,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Leitschaufel mit ei­ ner äußeren Schaufel-Eintrittskante und einem Schaufelkörper,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Leitschaufel aus Fig. 3 und

Fig. 5 einen an die äußere Schaufel-Eintrittskante anfügbaren Kopf.

Fig. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte und bevorzugte Aus­ gestaltung einer äußeren Schaufel-Eintrittskante 1. Die äußere Schaufel-Eintrittskante 1 hat eine Außenseite 2 und eine Innenseite 3. Auf der Innenseite 3 ist ein elastisches Material 4 aufgebracht. Das elastische Material 4, vorzugs­ weise eine faserkeramische Schicht, hat zusätzlich eine wär­ meisolierende Eigenschaft, die einerseits die äußere Schau­ fel-Eintrittskante 1 gegen eine rückwärtige Prallkühlung ei­ nes in der Fig. 1 nicht dargestellten Schaufelkörpers schützt und andererseits einen Wärmeübergang von der Innenseite 3 auf den nicht dargestellten Schaufelkörper vermindert. Die äußere Schaufel-Eintrittskante 1, die vorzugsweise auch als Werk­ stoff Siliciumnitrid enthält, weist zur Verbindung mit dem Schaufelkörper Klammersegmente 5 auf. Diese sind voneinander mit einem Abstand L getrennt. Eine derartige segmentierte Klammerung erfüllt eine mögliche Schadenstoleranz der Befe­ stigung zwischen der äußeren Schaufel-Eintrittskante 1 und dem Schaufelkörper: sollte ein Riß oder ein anderer Schaden an der Verklammerung entstehen, fällt nur ein Klammersegment 5 aus. Die übrigen verbleibenden Klammersegmente sind dann weiterhin in der Lage die Verbindung zwischen der äußeren Schaufeleintrittskante 1 und dem Schaufelkörper sicherzustel­ len. Der Abstand L genauso wie die Abmessungen der Klammer­ segmente 5 sind dabei an die hauptsächlich auftretenden Bela­ stungen im Betrieb der Gasturbine und damit der Leitschaufel auslegbar.

Fig. 2 zeigt eine Leitschaufel 6 im Querschnitt. Die äußere Schaufel-Eintrittskante 1 entsprechend der Fig. 1 ist mit ei­ nem Schaufelkörper 7 verklammert. Die äußere Schaufel-Ein­ trittskante 1, die eine Schalenform hat, deckt dabei eine in­ nere Schaufel-Eintrittskante 8 des Schaufelkörpers 7 ab. Zwi­ schen der äußeren Schaufel-Eintrittskante 1 und der inneren Schaufel-Eintrittskante 8 ist das elastische Material 4 ange­ ordnet, welches Kühlluftbohrungen 9 im Schaufelkörper 7 eben­ falls mit abdeckt. Die Kühlluftbohrungen 9 werden im Scha­ densfalle freigelegt, so daß Kühlluft aus dem Inneren 10 der Leitschaufel 6 über einen Blecheinsatz 11 zu den freigelegten Kühlluftbohrungen 9 geleitet wird. Die Verklammerung zwischen der äußeren Schaufel-Eintrittskante und dem Schaufelkörper 7 ist in dieser Ausgestaltung so gestaltet, daß auf zwei Seiten jeweils ein erster Abschnitt 12 der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante 1 einen zweiten Abschnitt 13 des Schaufelkörpers 7 einklammert. Diese Einklammerung ist konstruktiv so vor­ teilhaft gelöst, daß das Strömungsprofil der inneren Schau­ fel-Eintrittskante 8 demjenigen der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante 1 weitestgehend angenähert ist und eine Strö­ mungsstörung am Schaufelkörper 7 soweit wie möglich ausge­ schlossen ist.

Fig. 3 zeigt die Leitschaufel 6 mit der äußeren Schaufel-Ein­ trittskante 1, wie sie durch einen ersten 14 und einen zwei­ ten 15 Träger im Strömungskanal einer Gasturbine gehalten wird. Die äußere Schaufel-Eintrittskante 1 weist einen ange­ fügten Kopf 16 auf, der eine definierte Stoßkante 17 hat. An der Stoßkante 17 liegt ein Teil des Schaufelkörpers 7 auf. Dadurch wird die äußere Schaufel-Eintrittskante 1 mit dem Schaufelkörper 7 in eine genau festgelegte Relation gebracht.

Fig. 4 zeigt die Leitschaufel 6 aus der Fig. 3 in einer Auf­ sicht von oben. Der Kopf 16 deckt dabei die äußere Schaufel- Eintrittskante 1 von oben vollständig ab und ermöglicht damit die genaue Lagedefinition zum Schaufelkörper 7. Der Kopf 16 ist wiederum so dimensioniert, daß er das Innere 10 der Leit­ schaufel 6 und damit die innere Kühlungsströmung nicht behin­ dert.

Fig. 5 zeigt den Kopf 16 in einer Schrägsicht. Der Kopf 16 weist eine Stufe 18, an der die Stoßkante 17 definiert ist. Eine Verbindung zwischen dem Kopf 16 und der äußeren Schau­ fel-Eintrittskante 1 ist abhängig vom Material. Vorteilhaf­ terweise werden beide miteinander verschweißt. Eine Trennung der äußeren Schaufel-Eintrittskante 1 von dem Schaufelkörper 7 ist dann beispielsweise durch Abschleifen des aufgeschweiß­ ten Kopfes 16 möglich.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades aufgrund einer Reduzierung des einzu­ setzenden Kühlluftmassenstromes. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung eine selbst bei Beschädigungen betriebssichere Ver­ wendung einer Leitschaufel, wobei der verwendete Schaufelkör­ per in seinem Aufbau nur geringer Formänderungen im Bereich der Schaufelvorderkante bedarf.

Claims (18)

1. Leitschaufel (6) einer Gasturbine mit einer äußeren Schaufel-Eintrittskante (1), die an einem Schaufelkörper (7) der Leitschaufel (6) lösbar befestigt ist, wobei die äußere Schaufel-Eintrittskante (1) ein anderes Material als der Schaufelkörper (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) und dem Schaufelkörper (7) ein elastisches Material (4) befindet.

2. Leitschaufel (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) und dem Schaufelkörper (7) eine Wärmeisolierung befindet.

3. Leitschaufel (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (4) ein faserkeramisches Material ist.

4. Leitschaufel (6) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper (7) eine innere Schaufel-Eintrittskante (8) hat, die von der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) überdeckt ist, wobei die innere Schaufel-Eintrittskante (8) ein Strömungsprofil aufweist, welches demjenigen der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) angenähert ist.

5. Leitschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schaufel-Eintrittskante (1) eine Schalenform aufweist.

6. Leitschaufel (6) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material (4) mindestens eine Kühlluftboh­ rung (9) in dem Schaufelkörper (7) abdeckt.

7. Leitschaufel (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beschädigung der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) und des elastischen Materials (4) die Kühlluftbohrung (9) zur Ausbildung einer Filmkühlung freigelegt ist.

8. Leitschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schaufel-Eintrittskante (1) und der Schaufelkörper (7) zusammengesteckt sind.

9. Leitschaufel (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schaufel-Eintrittskante (1) und der Schaufelkörper (7) miteinander verklammert sind.

10. Leitschaufel (6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Abschnitt (12) der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) einen zweiten Abschnitt (13) des Schaufelkörpers (7) einklammert oder umgekehrt.

11. Leitschaufel (6) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verklammerung der äußeren Schaufel-Eintrittskante (1) und des Schaufelkörpers (7) über mehrere Klammersegmente (5) erfolgt.

12. Äußere Schaufel-Eintrittskante (1) zur Verwendung bei einer Leitschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel-Eintrittskante (1) ein strukturkeramisches Material enthält und eine Schalenform mit einer Innenseite (3) und einer Außenseite (2) aufweist.

13. Schaufel-Eintrittskante (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese zumindest ein Klammersegment (5) aufweist.

14. Schaufel-Eintrittskante (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein elastisches Material (4) auf der Innenseite (3) der Schalenform aufweist.

15. Schaufel-Eintrittskante (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Stoßkante (17) aufweist, die an die Schaufel- Eintrittskante (1) angefügt ist.

16. Schaufelkörper (7) zur Verwendung bei einer Leitschaufel (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper (7) zumindest teilweise eine der Leitschaufel strömungstechnisch angepaßte Schaufel-Eintrittskante (8) auf­ weist.

17. Schaufelkörper (7) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel-Eintrittskante (1) des Schaufelkörpers (7) mindestens eine Kühlluftbohrung (9) aufweist.

18. Schaufelkörper (7) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel-Eintrittskante (8) zumindest teilweise mit einem elastischen Material (4) abgedeckt ist.