EP1428981A1 - Turbinenschaufel mit einer Schutzschicht - Google Patents

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EP1428981A1
EP1428981A1 EP02027764A EP02027764A EP1428981A1 EP 1428981 A1 EP1428981 A1 EP 1428981A1 EP 02027764 A EP02027764 A EP 02027764A EP 02027764 A EP02027764 A EP 02027764A EP 1428981 A1 EP1428981 A1 EP 1428981A1
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EP
European Patent Office
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protective layer
turbine
platform
expansion gap
turbine blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02027764A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades

Definitions

  • the invention relates to a turbine, in particular one Gas turbine, according to the preamble of claim 1 and one associated turbine blade according to the preamble of Claim 5.
  • gas turbines are used for generation electrical energy can be used.
  • the gas turbine points to do this, a compressor that sucks in ambient air and compacted.
  • the compressed air becomes a burner supplied, mixed with a fuel and with formation of a hot gas burned in a combustion chamber.
  • the hot gas then flows along an annular hot gas channel past guide and rotor blades.
  • the energy of the Hot gas by means of the rotatably mounted rotor arranged blades are converted into rotational energy and passed on to a generator.
  • the components exposed to the hot gas are removed using Cooling air cooled.
  • Particularly thermally stressed Components also point to the hot gas exposed surface to protect the high To withstand temperatures.
  • These components include the guide and rotor blades of the first turbine stage. she have integrated cooling and, where the Protective layer on the one hand on the wing and on the other hand the sides of the platform that the Limit hot gas duct.
  • the protective layer is applied by means of a coating process, especially a plasma spraying process, only on one Side of the platform bounding the hot gas duct, namely on the outside.
  • a spray over the edge the outside on a platform sidewall is not permissible because a mutual touch of the opposite platform side walls of neighboring Blades spaced apart to form an expansion gap are arranged to each other, flaking of the protective layer could cause.
  • the coating process for applying the protective layer requires an outlet area on the outside, in which the Thickness of the protective layer increasingly thinner towards its edge becomes.
  • the protective effect of the protective layer is therefore in Outlet area is smaller and is achieved by using Cooling air compensated at these points. Therefore, the Platforms on the outside in the outlet area of the Protective layer, which lie in the area of their edges, openings , through which the cooling air flows and cools the platform.
  • the object of the present invention is the efficiency to increase the turbine and a suitable one Specify turbine blade.
  • the solution provides that at least a protective layer protrudes into the expansion gap.
  • the Leakage of the protective layer into the expansion gap requires that the outside of the Platform has a uniformly thick protective layer.
  • the Protective layer running out in the expansion gap protects the Sufficient platform wall, since less hot gas flows there.
  • the cooling of the outside of the platform in the Outlet area with cooling air.
  • the compressed air saved can be used for combustion so that general Efficiency increases.
  • the distance between two immediately adjacent Platforms in the area of the expansion gap protruding protective layer according to the Protective layer thickness is increased, so that the expansion gap a predetermined minimum gap width over its total depth can prevent the protective layer from flaking off become.
  • the distance is chosen so that during the Operation of the turbine occurring thermal expansion opposite platform sides of neighboring platforms don't touch each other even then.
  • the protective layer on the Side wall and on the outside of the platform prevented be when the distance between two immediately neighboring platforms in the area of the expansion gap opposite protective layers corresponding to the Protective layer thickness is increased, so that the expansion gap a predetermined minimum gap width over its entire depth having.
  • the solution provides for the turbine blade that the platform wall is partially covered with the protective layer is, so the protective layer in the expansion gap protrudes.
  • the one covered with the protective layer is advantageously Area of the platform wall related to the uncovered Seen in cross section at least according to the area Protective layer thickness reset. This ensures at a temperature-related expansion of the platform sufficiently large expansion gap. As a result, a Touching opposite platform walls of two adjacent turbine blade can be prevented, what with could cause the protective layer to flake off.
  • the turbine blade is expediently a guide blade and / or a blade.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a gas turbine 1 in a partially cut longitudinal section.
  • the gas turbine 1 has a housing 2, by a around the axis of rotation 3 rotatably mounted rotor 4 is located. Cooling air 5 atmospheric pressure is drawn in by a compressor 6 and condensed.
  • the compressor 6 is followed by a Annular combustion chamber 7, which is located on its radially outer side End has a burner 8. In the burner 8 compressed cooling air 5 of the compressor 6 with a Mixed fuel and in the combustion chamber of the annular combustion chamber 7th burned to a hot gas 9.
  • the hot gas 9 flows along of an annular hot gas duct 10 past several Turbine stages 11, each consisting of two successive Blade rings are formed.
  • Each guide vane ring has another rotor vane ring.
  • the Guide vanes 12 of the guide vane ring are on the housing 2 Gas turbine 1 attached, the blade 13 of the Blade ring on the rotor 4.
  • the rotor 4 drives next to one Generator, not shown, also the compressor 6.
  • Each turbine blade 14 includes one Wing 15 and a transversely to the longitudinal extension of the wing 15 extending platform 16.
  • Each platform 16 has a laterally arranged one to the outer wall 18 extending platform wall 19, the Outer wall 18 and the platform wall 19 via a rounded outer edge 21 are connected. Between opposite platform walls 19 of two adjacent Turbine blades 14 there is an expansion gap 20 which runs between the hot gas side 22 and a cold side 23.
  • the wing 15 projecting into the hot gas duct 10 has one Outside 17, which is covered with a protective layer 18 is. Furthermore, the hot gas duct 10 is delimiting Outside 17 of platform 16 with protective layer 18 Mistake. It protects the turbine blade 14 from both thermal stress as well as corrosion.
  • the protective layer 18 projects over the edge 21 of the outside 17 out into the expansion gap 20.
  • the areas of Platform walls 19 covered with the protective layer 18 are related to the protective layer-free area moved back so that stepped platform walls 19 result.
  • two immediately Adjacent platform walls 19 are each other spaced (distance B).
  • the two in uncoated area of the expansion gap 20 opposite platform walls 19 at a distance A the is selected so that the expansion gap 20 during the Operation of the gas turbine 1 due to the thermal expansion of the Platforms 16 is approximately closed.
  • the width B of the Expansion gap 20 is larger than the distance A and is there chosen so that during operation of the gas turbine 1 the in protruding from this area and opposite Protective layers 18 are not despite the thermal expansion touch.
  • the smallest width B is determined from the distance A plus twice the protective layer thickness.
  • the outlet area of the protective layer 18 is a multiple the protective layer thickness long. From the hot gas side 22 to the cold side 23 extending depth of the groove-shaped Recess in the expansion gap 20 is selected so that the Outlet area of the protective layer 18 completely in the Expansion gap 20 is. Hence the area of the edge 21, on which the outside 17 adjoins, with the intended Protective layer thickness covered.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbine (1), insbesondere Gasturbine, die von einem Heißgas (9) angetrieben wird, mit ringförmig koaxial zum Rotor (4) angeordneten Turbinenschaufeln (14), die jeweils einen flügelförmiges Schaufelblatt (15) umfassen, der an zumindest einem Ende seiner Längserstreckung eine Plattform (16) aufweist, wobei das Schaufelblatt (15) und die Plattformen (16) an ihren vom Heißgas (9) umströmten Außenseiten (17) eine Schutzschicht (18) aufweisen und wobei jeweils zwischen den Plattformen (16) zweier unmittelbar benachbarter Turbinenschaufeln (14) ein Dehnungsspalt (20) vorgesehen ist. Um eine verlustarme Gasturbine (1) anzugeben, wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Schutzschicht (18) in den Dehnungsspalt (20) hineinragt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zugehörige Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Es ist allgemein bekannt, dass Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Die Gasturbine weist dazu einen Verdichter auf, der Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird einem Brenner zugeführt, mit einem Brennmittel vermischt und unter Bildung eines Heißgases in einer Brennkammer verbrannt. Das Heißgas strömt anschließend entlang eines ringförmigen Heißgaskanals vorbei an Leit- und Laufschaufeln. Dabei wird die Energie des Heißgases mittels der an dem drehgelagerten Rotor angeordneten Laufschaufeln in Rotationsenergie umgewandelt und an einen Generator weitergegeben.
Die dem Heißgas ausgesetzten Komponenten werden mittels Kühlluft gekühlt. Besonders thermisch beanspruchte Komponenten weisen darüber hinaus an ihrer dem Heißgas ausgesetzten Oberfläche eine Schutzschicht auf, um den hohen Temperaturen Stand zu halten. Zu diesen Komponenten gehören die Leit- und Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe. Sie weisen eine integrierte Kühlung und auf, wobei die Schutzschicht einerseits auf den Flügel und andererseits auf den Seiten der Plattform aufgetragen ist, die den Heißgaskanal begrenzen.
Die Schutzschicht wird mittels eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere eines Plasmaspritzverfahrens, nur auf eine den Heißgaskanal begrenzende Seite der Plattform aufgetragen, nämlich auf die Außenseite. Ein Übersprühen über die Kante der Außenseite hinweg auf eine Plattformseitenwand ist nicht zulässig, da ein gegenseitiges Berühren der gegenüberliegenden Plattformseitenwände benachbarter Schaufeln, die unter Bildung eines Dehnungsspalts beabstandet zueinander angeordnet sind, ein Abplatzen der Schutzschicht verursachen könnte.
Das Beschichtungsverfahren zum Auftragen der Schutzschicht bedingt einen Auslaufbereich auf den Außenseiten, in dem die Dicke der Schutzschicht zu ihrem Rand hin zunehmend dünner wird. Die Schutzwirkung der Schutzschicht ist deshalb im Auslaufbereich geringer und wird durch den Einsatz von Kühlluft an diesen Stellen kompensiert. Daher weisen die Plattformen an ihren Außenseiten im Auslaufbereich der Schutzschicht, die im Bereich ihrer Kanten liegen, Öffnungen auf, durch die Kühlluft strömt und die Plattform kühlt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es den Wirkungsgrad der Turbine zu erhöhen und eine dazu geeignete Turbinenschaufel anzugeben.
Die Aufgabe wird bezogen auf die Turbine durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Turbinenschaufel durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Die Lösung sieht bezogen auf die Turbine vor, dass zumindest eine Schutzschicht in den Dehnungsspalt hineinragt. Das Auslaufen der Schutzschicht in den Dehnungsspalt hinein bedingt, dass die den Heißgaskanal begrenzende Außenseite der Plattform eine gleichmäßig dicke Schutzschicht aufweist. Die im Dehnungsspalt auslaufende Schutzschicht schützt die Plattformwand ausreichend, da dort weniger Heißgas strömt. Somit entfällt die Kühlung der Außenseite der Plattform im Auslaufbereich mit Kühlluft. Die eingesparte verdichtete Luft kann zur Verbrennung genutzt werden, so dass sich allgemeine Wirkungsgradsteigerung einstellt.
Wenn der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Plattformen im Bereich der in den Dehnungsspalt hineinragenden Schutzschicht entsprechend der Schutzschichtdicke vergrößert ist, so dass der Dehnungsspalt über seine Gesamttiefe eine vorgegebene Mindestspaltbreite aufweist, kann das Abplatzen der Schutzschicht verhindert werden. Der Abstand ist so gewählt, dass die während des Betriebes der Turbine auftretenden Wärmeausdehnung die gegenüberliegenden Plattformseiten benachbarter Plattformen sich auch dann nicht berühren.
Ebenfalls kann ein Abplatzen der Schutzschicht an der Seitenwand und an der Außenseite der Plattform verhindert werden, wenn der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Plattformen im Bereich der im Dehnungsspalt einander gegenüberliegenden Schutzschichten entsprechend der Schutzschichtdicke vergrößert ist, so dass der Dehnungsspalt über seine gesamte Tiefe eine vorgegebene Mindestspaltbreite aufweist.
Die einfache Herstellbarkeit eines hinreichend großen Dehnungsspaltes ist gegeben, wenn dieser entlang des Dehnungsspalts an seiner dem Heißgas zugewandten Öffnung eine nutförmige Ausnehmung aufweist. Der so im Vergleich zum freien Bereich zurückverlagerte und mit der Schutzschicht zu überdeckende Bereich der Plattformwand kann bereits in der Gussform vorgesehen sein, als auch durch nachträgliches Bearbeiten der gegossenen Schaufel hergestellt werden.
Die Lösung sieht bezogen auf die Turbinenschaufel vor, dass die Plattformwand teilweise mit der Schutzschicht überdeckt ist, so dass die Schutzschicht in den Dehnungsspalt hineinragt.
Vorteilhafterweise ist der mit der Schutzschicht überdeckte Bereich der Plattformwand bezogen auf den nicht überdeckten Bereich im Querschnitt gesehen zumindest entsprechend der Schutzschichtdicke zurückgesetzt. Dies gewährleistet bei einer temperaturbedingten Ausdehnung der Plattform einen hinreichend großen Dehnungsspalt. Demzufolge kann eine Berührung von gegenüberliegenden Plattformwänden zweier benachbarter Turbinenschaufel verhindert werden, was mit einem Abplatzen der Schutzschicht hervorrufen könnte.
Wenn die von der Außenseite der Plattform und der Plattformwand gebildeten Kante angerundet ist, ist eine sicherere Haftung der Schutzschicht über die Kante hinweg gegeben.
Zweckmäßigerweise ist die Turbinenschaufel eine Leitschaufel und/oder eine Laufschaufel.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 2
zwei unmittelbar benachbarte Turbinenschaufeln im Querschnitt und
Fig. 1
eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine 1 in einem teilgeschnittenen Längsschnitt. Die Gasturbine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, indem ein sich um die Rotationsachse 3 drehbar gelagerter Rotor 4 befindet. Kühlluft 5 atmosphärischen Drucks wird von einem Verdichter 6 angesaugt und verdichtet. Dem Verdichter 6 nachgeschaltet ist eine Ringbrennkammer 7, die an ihrem radial gesehen außenliegenden Ende einen Brenner 8 aufweist. Im Brenner 8 wird die verdichtete Kühlluft 5 des Verdichters 6 mit einem Brennmittel vermischt und im Brennraum der Ringbrennkammer 7 zu einem Heißgas 9 verbrannt. Das Heißgas 9 strömt entlang eines ringförmigen Heißgaskanals 10 vorbei an mehreren Turbinenstufen 11, die jeweils aus zwei aufeinander folgenden Schaufelringen gebildet werden. Dabei folgt im Heißgaskanal 10 jedem Leitschaufelring ein weiterer Laufschaufelring. Die Leitschaufeln 12 des Leitschaufelrings sind am Gehäuse 2 der Gasturbine 1 befestigt, die Laufschaufel 13 des Laufschaufelrings am Rotor 4. Mittels der Laufschaufeln 13 wird die Energie des Heißgases 9 in Rotationsenergie des Rotors 4 umgewandelt. Der Rotor 4 treibt dabei neben einem nicht dargestellten Generator auch den Verdichter 6 an.
Fig. 1 zeigt zwei unmittelbar benachbarte Turbinenschaufeln 14 im Querschnitt. Jede Turbinenschaufel 14 umfasst einen Flügel 15 und eine sich quer zur Längserstreckung des Flügels 15 erstreckende Plattform 16.
Jede Plattform 16 weist seitlich angeordnet eine sich quer zur Außenwand 18 erstreckende Plattformwand 19 auf, wobei die Außenwand 18 und die Plattformwand 19 über eine abgerundete äußere Kante 21 verbunden sind. Zwischen den gegenüberliegenden Plattformwände 19 zweier benachbarter Turbinenschaufeln 14 ist ein Dehnungsspalt 20 vorhanden, der zwischen der Heißgasseite 22 und einer Kaltseite 23 verläuft.
Der in den Heißgaskanal 10 hineinragende Flügel 15 weist eine Außenseite 17 auf, die mit einer Schutzschicht 18 abgedeckt ist. Ferner ist die den Heißgaskanal 10 begrenzende Außenseite 17 der Plattform 16 mit der Schutzschicht 18 versehen. Sie schützt die Turbinenschaufel 14 sowohl vor der thermischen Belastung als auch vor Korrosion.
Die Schutzschicht 18 ragt über die Kante 21 der Außenseite 17 hinaus in den Dehnungsspalt 20 hinein. Die Bereiche der Plattformwände 19, die mit der Schutzschicht 18 abgedeckt sind, sind bezogen auf den Schutzschicht-freien Bereich zurückverlagert, so dass sich abgestufte Plattformwände 19 ergeben. Im beschichteten Bereich zweier unmittelbar benachbarter Plattformwände 19 sind diese zueinander beabstandet (Abstand B). Dagegen weisen die beiden im unbeschichteten Bereich des Dehnungsspalts 20 gegenüberliegenden Plattformwände 19 einen Abstand A auf, der so gewählt ist, dass der Dehnungsspalt 20 während des Betriebes der Gasturbine 1 aufgrund der Wärmeausdehnungen der Plattformen 16 annähernd geschlossen ist. Die Breite B des Dehnungsspaltes 20 ist größer als der Abstand A und ist dabei so gewählt, dass während des Betriebs der Gasturbine 1 die in diesem Bereich hineinragenden und sich gegenüberliegenden Schutzschichten 18 sich trotz der Wärmeausdehnungen nicht berühren. Die kleinste Breite B bestimmt sich aus dem Abstand A zuzüglich der zweifachen Schutzschichtdicke.
Der Auslaufbereich der Schutzschicht 18 ist ein Mehrfaches der Schutzschichtdicke lang. Die sich von der Heißgasseite 22 zur Kaltseite 23 erstreckende Tiefe der nutförmigen Ausnehmung im Dehnungsspalt 20 ist so gewählt, dass der Auslaufbereich der Schutzschicht 18 vollständig im Dehnungsspalt 20 liegt. Demzufolge ist der Bereich der Kante 21, an der die Außenseite 17 angrenzt, mit der vorgesehenen Schutzschichtdicke überzogen.

Claims (9)

  1. Turbine, insbesondere Gasturbine (1), die von einem Heißgas (9) angetrieben wird,
    mit ringförmig koaxial zum Rotor (4) angeordneten Turbinenschaufeln (14),
    die jeweils einen Flügel (15) umfassen, der an zumindest einem Ende seiner Längserstreckung eine Plattform (16) aufweist,
    wobei die Flügel (15) und die Plattformen (16) an ihren vom Heißgas (9) umströmten Außenseiten (17) eine Schutzschicht (18) aufweisen und
    wobei jeweils zwischen den Plattformen (16) zweier unmittelbar benachbarter Turbinenschaufeln (14) ein Dehnungsspalt (20) vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schutzschicht (18) in den Dehnungsspalt (20) hineinragt.
  2. Turbine (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Plattformen (16) im Bereich der in den Dehnungsspalt (20) hineinragenden Schutzschicht (18) entsprechend der Schutzschichtdicke vergrößert ist, so dass der Dehnungsspalt (20) über seine gesamte Tiefe eine vorgegebene Mindestspaltbreite aufweist.
  3. Turbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Plattformen (16) im Bereich der im Dehnungsspalt (20) einander gegenüberliegenden Schutzschichten (18)entsprechend der Schutzschichtdicke vergrößert ist, so dass der Dehnungsspalt (20) über seine gesamte Tiefe eine vorgegebene Mindestspaltbreite aufweist.
  4. Turbine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsausdehnung des Dehnungsspalts (20) an seiner dem Heißgas (9) zugewandten Öffnung eine nutförmige Vertiefung aufweist.
  5. Turbinenschaufel (14), insbesondere für eine Gasturbine (1),
    mit einem Flügel (15), der an zumindest einem Ende seiner Längserstreckung eine Plattform (16) mit einer seitlichen Plattformwand (19) aufweist,
    wobei die Flügel (15) und die Plattformen (16) an ihren vom Heißgas (9) umströmten Außenseiten (17) eine Schutzschicht (18) aufweisen und
    wobei die Plattformwand (19) bei montierter Turbinenschaufel (14) der Plattformwand (19) der unmittelbar benachbarten Turbinenschaufel (14) unter Belassung eines Dehnungsspalts (20) gegenüberliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Plattformwand (16) teilweise mit der Schutzschicht (18) überdeckt ist, so dass die Schutzschicht (18) in den Dehnungsspalt (20) hineinragt.
  6. Turbinenschaufel (14) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Schutzschicht (18) überdeckte Bereich der Plattformwand (19) bezogen auf den nicht überdeckten Bereich im Querschnitt gesehen zumindest entsprechend der Schutzschichtdicke zurückverlagert ist.
  7. Turbinenschaufel (14) nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die von der Außenseite (17) der Plattform (16) und der Plattformwand (19) gebildete Kante (21) abgerundet ist.
  8. Turbinenschaufel (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (14) eine Leitschaufel (12) ist.
  9. Turbinenschaufel (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (14) eine Laufschaufel (13) ist.
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