EP1717416A1 - Turbinenschaufel, Verwendung einer Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel, Verwendung einer Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel Download PDF

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EP1717416A1
EP1717416A1 EP05009054A EP05009054A EP1717416A1 EP 1717416 A1 EP1717416 A1 EP 1717416A1 EP 05009054 A EP05009054 A EP 05009054A EP 05009054 A EP05009054 A EP 05009054A EP 1717416 A1 EP1717416 A1 EP 1717416A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
throttle
blade
cavity
insert
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05009054A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Dr. Blomeyer
Karsten Klein
Christian Lerner
Jan Münzer
Uwe Dr. Paul
Olaf Schmidt
Oliver Schneider
Silke Settegast
Rostislav Dr. Teteruk
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05009054A priority Critical patent/EP1717416A1/de
Publication of EP1717416A1 publication Critical patent/EP1717416A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • 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
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    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/237—Brazing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/32—Arrangement of components according to their shape
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the invention relates to a cast, cooled turbine blade with a wing-shaped blade profile, which is formed by a concave pressure side wall and a convex suction side wall and which has at least one cavity for guiding a coolant between the two side walls. Furthermore, the invention relates to the use and manufacture of such a turbine blade.
  • a generic turbine blade for a gas turbine is from the US 5,243,759 known.
  • the turbine blade has seen in cross-section in the flow direction of the hot gas, a plurality of successive cavities, which cooling air can be supplied by two arranged in the blade root supply channels.
  • a first, arranged immediately behind the leading edge cavity is separated by a barrier rib from a second cavity.
  • One of the two supply channels merges into the second cavity, which is in fluid communication with the first cavity via connecting channels provided in the barrier rib.
  • Film cooling holes extend from the first cavity through the outer wall of the turbine blade, through which cooling air blown from the supply channel via the second cooling air fed into the first cavity is blown during operation of the gas turbine.
  • the amount of blown cooling air depends on the one hand on the pressure of the provided cooling air and on the other hand on the number and size of the cavities and the connecting channels in the partition wall.
  • connection channels are made by spacers, which connect the casting cores together and support each other. After casting the turbine blade, both the casting cores and the spacers are purged and removed from the turbine blade so that voids and connection channels remain within the turbine blade.
  • the connecting channels in the interior of the turbine blade, the cavities interconnected subject to the manufacturing tolerances.
  • these connecting channels are dimensioned so that at least the turbine blade during operation undergoes at least sufficient cooling.
  • the object of the present invention is to provide a generic turbine blade, which, used in a gas turbine, results in increased efficiency of the gas turbine during operation.
  • the task directed towards the turbine blade is achieved by the features of claim 1, the use directed object by the features of claim 7 and the manufacturing process directed by the features of claim 8.
  • the invention is based on the knowledge to provide in a cast turbine blade at least one separately manufactured throttle insert, which is equipped with at least one throttle opening, whose cross-section adjusts the flow of coolant targeted.
  • a molded cavity boundary or wall having communication passages for passing coolant is partially replaced by a throttle insert with prefabricated throttle openings.
  • the flow of coolant defining opening of the compound of two rooms is no longer determined by the highly tolerance-prone casting, but by the provided in the throttle insert and prefabricated throttle openings. These can be manufactured with a much greater accuracy than the cast connection channels, for example by machining such as drilling or milling. A needs-based, economical dosage of coolant is achieved.
  • the coolant can be forwarded both from a first cavity into a second cavity or throttled outward.
  • the casting cores used to make the turbine blade can be increased, which promotes core stability and also simplifies the interior design of the turbine blade. This leads in total to a reduction of development costs.
  • the invention does not require any spacers arranged between the casting cores of the casting mold, to be produced to the desired degree, which later leave the connecting channels provided between the cavities.
  • the flowable through the throttle opening portion of the coolant is used in the turbine blade only for convective cooling, for effusion and / or film cooling of the turbine blade.
  • the proportion of the coolant flowing through the throttle openings is not immediately used for impingement cooling, i. the throttle insert is not an impingement cooling element or sheet.
  • the two cavities are separated by a common, cast wall of the turbine blade, in which connection channels are provided.
  • the production of the cavities, the wall and the connecting channels takes place with a casting mold, in which two casting cores are connected by means of spacers.
  • the spacers are manufactured with comparatively large cross-sections, so that in the manufactured turbine blade more coolant would flow through the remaining connecting channel than required at least. Due to the additional introduction of a throttle insert in the turbine blade - in the flow direction of the coolant immediately before or after the connecting channels - in which throttle openings are already provided, which flows through the connecting channel Coolant dosed because the throttle opening has a smaller, transverse to the flow of coolant flow area than the connecting channel. The throttle opening and the connecting channel are thus connected in series.
  • the throttle insert is disposed in the interior of the turbine blade so as to abut against a cast support rib substantially separating two cavities, or arranged comparatively close, preferably parallel. To keep the flow losses in the coolant low, the throttle opening and the connecting channel are aligned.
  • the throttle insert extends in the direction of the blade longitudinal axis approximately over the entire height of the blade profile.
  • the throttle insert (s) may be part of the casting mold so as to be cast during casting of the turbine blade.
  • the throttle openings are then filled with the core material and are opened with removal of the casting core.
  • the throttle insert may be incorporated into the cast turbine blade such that it forms the common wall separating the part cavities.
  • the throttle openings incorporated in the throttle insert continue to operate according to the invention.
  • the prefabricated, provided with at least one throttle opening Throttle insert is inserted into the mold and is then cast together with the turbine blade.
  • the throttle insert is thus a part of the casting core that remains in the turbine blade after casting, whereas the remaining casting core is dissolved out of the interior.
  • the turbine blade can be particularly inexpensive to produce without finishing and bring the throttle insert effectively and firmly with the turbine blade. This is particularly advantageous in the case of rotor blades, since they are exposed to enormous centrifugal forces during operation.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. It has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 3 successively follow an intake 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with several Coaxially arranged burners 7, a turbine unit 8 and the exhaust housing 9.
  • the annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 17 which communicates with an annular flow channel 18.
  • There four successive turbine stages 10 form the turbine unit 8. Each turbine stage 10 and each compressor stage is formed of two blade rings.
  • the turbine blades 21 in this case have a blade root 25, a platform region 27 and a wing-shaped airfoil profile 29 in succession along a blade longitudinal axis 23.
  • At least the turbine blades 21 of the front turbine stages, based on the flow direction of the hot gas 11, are cast. They are hollow in their interior for the guidance of coolant, preferably cooling air, so that they can withstand the occurring in the front region of the turbine unit 8, particularly high temperatures.
  • a blade profile 29 of a turbine blade 21 according to the invention is shown in perspective in FIG.
  • the blade profile 29 has a leading edge 31 for the inflowing hot gas 11 and a trailing edge 33, at which the hot gas 11 flowing around the blade profile 29 leaves the turbine blade 21.
  • a support rib 38 is provided between the pressure side wall 37 and the suction side wall 35, which connects and supports the two walls.
  • a plate-shaped throttle insert 39 is provided over approximately the complete height of the blade profile 29, in which a plurality of throttle openings 41 in the form of bores 43 are introduced.
  • the throttle insert 39 is close to the two blade walls 35, 37 and supports the two side walls 35, 37 additionally in the region of the trailing edge 33 from each other.
  • the throttle insert 39 may be part of the casting mold for casting the turbine blade 21 remaining in the casting after casting, or it has been retrofitted into the casting and tightly secured between the pressure sidewall 37 and the suction sidewall 35 by welding, brazing or other suitable method .
  • the throttle openings 41 were made as bores. Since the bores can be made mechanically simple and comparatively precise with respect to a casting process, they are not subject to such great tolerance variations as the connecting ducts of the prior art remaining after casting by removal of the spacers.
  • the support rib 38 includes with the pressure side wall 37 and the suction side wall 35 a first cavity 45 a.
  • a second cavity 47 which is partially bounded by the throttle insert 39, follows downstream of the hot gas flow direction.
  • Both cavities 45, 47 each have a feed channel 49 for supplying coolant 51.
  • the turbine blade 21 according to the invention is used in a gas turbine 1 to save the operation of this machine coolant 51, preferably cooling air, since only the proportion of coolant 51 is blown through the throttle openings 41, which is required to cool the trailing edge 33 as needed. Compared with a turbine blade known from the prior art, the turbine blade 21 according to the invention can be manufactured more cheaply.
  • FIG. 1 A further embodiment of a blade profile 129 with a support rib 138 and a throttle insert 139 is shown partially in perspective in FIG.
  • the throttle insert 139 provided in the first cavity 145 bears against a support rib 138 parallel thereto and has at least one throttle opening 141 whose minimum cross section d 2 is smaller than the minimum cross section d 1 of a connecting channel 140 located in the support rib 138.
  • the side of the throttle opening 141 facing the connecting channel 140 is approximately the same size, ie it has substantially the same flow cross-section d 1 as the connecting channel 140.
  • the side of the throttle opening 141 facing the first cavity 145 represents the flow-limiting cross-section d 2 .
  • the guided through the throttle insert 139 proportion of coolant 51 by the simple, inexpensive and comparatively exactly established throttle opening 141 set so that due to the low manufacturing tolerances When drilling or milling no excessive cooling of the leading edge 31 takes place. Coolant 51 can accordingly be saved, which has an efficiency-increasing effect on a gas turbine 1 equipped with this turbine blade 21.
  • the coolant 51 passing from the second cavity 147 into the first cavity 145 also experiences a flow acceleration.
  • FIG. 4 shows a further variant of a throttle insert 239, in which this is mounted in a located in the support rib 238 connecting channel 240.
  • a throttle insert 239 with a throttle opening 241 can be arranged in each connecting channel 240 in each case.
  • the connecting channel 240 has the shape of an opening or a bore, the throttle insert 239 can also be inserted in the form of a sleeve therein
  • the coolant 51 which is supplied as required to a cavity 45, 145 is then used for convective cooling, for effusion and / or film cooling, and discharged accordingly.
  • the invention thus provides a cast, low-cost turbine blade with improved coolant consumption by providing the throttle openings inside the turbine blade in a throttle insert which is not cast with the turbine blade but is prefabricated with, for example, mechanically machined throttle openings.
  • the throttle insert may also be manufactured by a precision casting process to achieve the required throttle opening accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine gegossene Turbinenschaufel (21) für eine Gasturbine (1) mit einem tragflügelförmigen Schaufelprofil (25), welches von einer konkaven Druckseitenwand (37, 137) und einer konvexen Saugseitenwand (35, 135) geformt ist und welches zwischen den Seitenwänden zumindest einen Hohlraum (45, 147) zur Führung eines Kühlmittels aufweist. Um eine kostengünstige Turbinenschaufel (21) mit einem verbesserten Kühlmittelverbrauch bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die den Kühlmittelfluss im Innern der Turbinenschaufel (21) einstellenden Drosselöffnungen (41, 141, 241) in einem Drosseleinsatz (39, 139, 239) vorgesehen sind, welcher nicht gegossen, sondern vorgefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine gegossene, gekühlte Turbinenschaufel mit einem tragflügelförmigen Schaufelprofil, welches von einer konkaven Druckseitenwand und einer konvexen Saugseitenwand geformt ist und welches zwischen den beiden Seitenwänden zumindest einen Hohlraum zur Führung eines Kühlmittels aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung und die Herstellung einer solchen Turbinenschaufel.
  • Eine gattungsgemäße Turbinenschaufel für eine Gasturbine ist aus der US 5,243,759 bekannt. Die Turbinenschaufel weist im Querschnitt in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen, mehrere aufeinander folgende Hohlräume auf, denen durch zwei im Schaufelfuß angeordnete Versorgungskanale Kühlluft zuführbar ist. Ein erster, unmittelbar hinter der Anströmkante angeordneter Hohlraum ist mittels einer Trennrippe von einem zweiten Hohlraum getrennt. Einer der beiden Versorgungskanäle geht in den zweiten Hohlraum über, welcher über in der Trennrippe vorgesehene Verbindungskanäle mit dem ersten Hohlraum in Strömungsverbindung steht. Vom ersten Hohlraum erstrecken sich Filmkühlöffnungen durch die Außenwand der Turbinenschaufel, durch die von dem Versorgungskanal über den zweiten in den ersten Hohlraum zugeführte Kühlluft beim Betrieb der Gasturbine ausgeblasen wird.
  • Die Menge der ausgeblasenen Kühlluft hängt einerseits von dem Druck der bereitgestellten Kühlluft und andererseits von der Anzahl und Größe der Hohlräume und der Verbindungskanäle in der Trennwand ab.
  • Bei der Herstellung von gegossenen Turbinenschaufel treten vergleichsweise große Toleranzen auf, die bei der Bemessung der Gießform und des bzw. der Gusskerne berücksichtigt werden müssen, um eine Turbinenschaufel mit gewünschten Eigenschaften herzustellen.
  • Die Verbindungskanäle werden durch Abstandshalter hergestellt, welche die Gusskerne miteinander verbinden und gegenseitig abstützen. Nach dem Gießen der Turbinenschaufel werden sowohl die Gusskerne als auch die Abstandshalter aus der Turbinenschaufel herausgespült und entfernt, so dass Hohlräume und Verbindungskanäle im Inneren der Turbinenschaufel zurückbleiben. Insbesondere die im Inneren der Turbinenschaufel die Hohlräume miteinander verbindenden Verbindungskanäle unterliegen den herstellungsbedingten Toleranzen.
  • Um einen besonders sicheren Betrieb der Turbinenschaufel zu gewährleisten, werden diese Verbindungskanäle so bemessen, dass auf jeden Fall die Turbinenschaufel beim Betrieb mindestens eine ausreichende Kühlung erfährt. Dies führt jedoch aufgrund der nicht beeinflussbaren Herstellungstoleranzen häufig zu Turbinenschaufeln, die zu viel Kühlluft ausblasen und somit den Wirkungsgrad der Gasturbine verringern.
  • Die vorgenannte US 5,243,759 zeigt eine Möglichkeit, die an der Hinterkante der Turbinenschaufel befindlichen Auslassöffnungen für Kühlluft optimal einzustellen. Beim Guss werden die Auslassöffnungen im Querschnitt kleiner als erforderlich hergestellt und in einem Nachbearbeitungsschritt vergrößert, damit beim Betrieb eine bedarfsgerechte Menge an Kühlluft an der Hinterkante ausgeblasen wird.
  • Zudem wird versucht, die Gusskerne vergleichsweise groß auszubilden, um deren Herstellbarkeit zu vereinfachen. Dies führt jedoch zu hohen Durchflussraten und auch zu erhöhtem Kühlmittelverbrauch.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Turbinenschaufel, welche, verwendet in einer Gasturbine, beim Betrieb zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Gasturbine führt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein besonders günstiges und einfaches Herstellungsverfahren für eine solche Turbinenschaufel anzugeben.
  • Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, die auf die Verwendung gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 7 und die auf das Herstellungsverfahren gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, in einer gegossenen Turbinenschaufel mindestens einen separat gefertigten Drosseleinsatz vorzusehen, der mit mindestens einer Drosselöffnung ausgestattet ist, dessen Querschnitt den Durchfluss von Kühlmittel gezielt einstellt.
  • Eine gegossene Hohlraumbegrenzung oder Wand, welche Verbindungskanäle zum Weiterleiten von Kühlmittel aufweist, wird teilweise durch einen Drosseleinsatz mit vorgefertigten Drosselöffnungen ersetzt. Damit wird die den Durchfluss an Kühlmittel bestimmende Öffnung der Verbindung zweier Räume nicht mehr durch den stark toleranzbehafteten Guss festgelegt, sondern durch die im Drosseleinsatz vorgesehenen und vorgefertigten Drosselöffnungen. Diese können mit einer wesentlich größeren Genauigkeit hergestellt werden als die gegossenen Verbindungskanäle, beispielsweise durch spanende Verfahren wie Bohren oder Fräsen. Eine bedarfsgerechte, sparsame Dosierung von Kühlmittel wird erzielt.
  • Das Kühlmittel kann sowohl von einem ersten Hohlraum in einen zweiten Hohlraum oder nach außen gedrosselt weiter geleitet werden.
  • Durch den Wegfall der gegossenen, einer den Hohlraum teilweise begrenzenden Wand kann der bzw. können die zur Herstellung der Turbinenschaufel verwendeten Gusskerne vergrößert werden, was die Kernstabilität begünstigt und auch das Innen-Design der Turbinenschaufel vereinfacht. Dies führt insgesamt zu einer Senkung der Entwicklungskosten.
  • Zudem erfordert die Erfindung für die zu gießende Turbinenschaufel keine zwischen den Gusskernen der Gießform angeordneten, auf das gewünschte Maß zu fertigenden Abstandshalter, welche später die zwischen den Hohlräumen vorgesehenen Verbindungskanäle hinterlassen.
  • Beim Betrieb einer Gasturbine, welche mit einer solchen Turbinenschaufel ausgestattet ist, wird Kühlmittel eingespart, was zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gasturbine führt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der durch die Drosselöffnung strömbare Anteil des Kühlmittels dient bei der Turbinenschaufel lediglich zur konvektiven Kühlung, zur Effusions- und/oder Filmkühlung der Turbinenschaufel. Der durch die Drosselöffnungen strömende Anteil des Kühlmittels wird nicht unmittelbar zur Prallkühlung einsetzt, d.h. der Drosseleinsatz ist kein Prallkühlelement oder -blech.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zwei Hohlräume durch eine gemeinsame, gegossene Wand der Turbinenschaufel voneinander getrennt, in welcher Verbindungskanäle vorgesehen sind. Die Herstellung der Hohlräume, der Wand und der Verbindungskanäle erfolgt mit einer Gießform, in der zwei Gusskerne mittels Abstandshaltern verbunden sind. Die Abstandshalter werden mit vergleichsweise großen Querschnitten gefertigt, so dass bei der hergestellten Turbinenschaufel mehr Kühlmittel durch den verbliebenen Verbindungskanal durchströmen würde als mindestens benötigt. Durch das zusätzliche Einbringen eines Drosseleinsatzes in die Turbinenschaufel - in Strömungsrichtung des Kühlmittels unmittelbar vor oder hinter den Verbindungskanälen -, in dem bereits Drosselöffnungen vorgesehen sind, wird das durch den Verbindungskanal strömende Kühlmittel dosiert, weil die Drosselöffnung eine kleinere, zur Kühlmittelströmung quer stehende Durchströmfläche aufweist als der Verbindungskanal. Die Drosselöffnung und der Verbindungskanal sind folglich in Reihe geschaltet.
  • Der Drosseleinsatz ist im Inneren der Turbinenschaufel so angeordnet, dass er an einer gegossenen Stützrippe, welche zwei Hohlräume im Wesentlichen trennt, anliegt, oder vergleichsweise nah, vorzugsweise parallel, angeordnet ist. Um die Strömungsverluste im Kühlmittel gering zu halten, fluchtet die Drosselöffnung und der Verbindungskanal.
  • Insbesondere wenn die Turbinenschaufel mehrere, über die Höhe des Schaufelprofils sich erstreckende, meanderförmige (Teil-) Hohlräume zur Führung von Kühlmittel aufweisen, können Drosselöffnungen des Drosseleinsatzes als Cross-Over-Öffnungen benachbarte Hohlräume miteinander verbinden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Drosseleinsatz in Richtung der Schaufellängsachse annähernd über die vollständige Höhe des Schaufelprofils.
  • Der oder die Drosseleinsätze können Teil der Gießform sein, so dass sie beim Gießen der Turbinenschaufel mit eingegossen werden. Die Drosselöffnungen sind dann mit dem Kernmaterial aufgefüllt und werden mit Entfernen des Gusskerns geöffnet.
  • Anstelle einer gegossenen Trennwand zwischen zwei Hohlräumen kann der Drosseleinsatz derartig in die gegossene Turbinenschaufel eingearbeitet sein, dass er die gemeinsame Wand bildet, die die Teilhohlräume voneinander trennt. Die in dem Drosseleinsatz eingearbeiteten Drosselöffnungen arbeiten weiterhin erfindungsgemäß.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Herstellung einer gegossenen Turbinenschaufel mit einem Drosseleinsatz, der vorgefertigte, mit mindestens einer Drosselöffnung versehene Drosseleinsatz, in die Gießform eingesetzt wird und anschließend zusammen mit der Turbinenschaufel vergossen wird.
  • Der Drosseleinsatz ist somit ein Teil des Gusskerns, der nach dem Gießen in der Turbinenschaufel verbleibt, wogegen der restliche Gusskern aus dem Inneren herausgelöst wird.
  • Somit lässt sich die Turbinenschaufel besonders preisgünstig ohne Nachbearbeitung herstellen und der Drosseleinsatz wirksam und fest mit der Turbinenschaufel einbringen. Dies ist insbesondere bei Laufschaufeln von Vorteil, da diese beim Betrieb enormen Fliehkräften ausgesetzt sind.
  • Selbstverständlich kann auch anstelle des Vergießens des Drosseleinsatzes mit der Turbinenschaufel dieser nach dem Gießen eingefügt werden.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert.
    Es zeigen:
    • FIG 1
    eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
    FIG 2
    ein Schaufelprofil einer Turbinenschaufel mit einem Drosseleinsatz,
    FIG 3
    ein Schaufelprofil einer Turbinenschaufel mit einer Stützrippe und einem Drosseleinsatz,
    FIG 4
    ein Querschnitt durch ein Schaufelprofil mit einem streifenförmigen Drosseleinsatz
  • FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und das Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Strömungskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 und jede Verdichterstufe ist aus zwei Schaufelringen gebildet.
  • In der Turbineneinheit 8 in Strömungsrichtung eines Heißgases 11 gesehen, folgt im Strömungskanal 18 einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind dabei am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. Am Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine angekoppelt (nicht dargestellt).
  • Die Turbinenschaufeln 21 weisen dabei entlang einer Schaufellängsachse 23 aufeinander folgend einen Schaufelfuß 25, ein Plattformbereich 27 und ein im Querschnitt tragflügelförmiges Schaufelprofil 29 auf.
  • Mindestens die Turbinenschaufeln 21 der vorderen Turbinenstufen, bezogen auf die Strömungsrichtung des Heißgases 11, werden gegossen. Sie sind dabei in ihrem Inneren zur Führung von Kühlmittel, vorzugsweise Kühlluft, hohl ausgebildet, damit sie den im vorderen Bereich der Turbineneinheit 8 auftretenden, besonders hohen Temperaturen widerstehen können.
  • Ein Schaufelprofil 29 einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 21 ist in FIG 2 perspektivisch dargestellt. Das Schaufelprofil 29 weist eine Anströmkante 31 für das anströmende Heißgas 11 und eine Abströmkante 33 auf, an der das das Schaufelprofil 29 umströmende Heißgas 11 die Turbinenschaufel 21 verlässt.
  • Zwischen der Anströmkante 31 und der Abströmkante 33 erstreckt sich eine konvex gebogene Saugseitenwand 35 und eine dazu beabstandete, konkav gebogene Druckseitenwand 37.
  • Der Klarheit halber ist die sonst verschlossene Kopfseite 43 der Turbinenschaufel 21 offen dargestellt.
  • Aus Festigkeitsgründen ist zwischen der Druckseitenwand 37 und der Saugseitenwand 35 eine Stützrippe 38 vorgesehen, welche die beiden Wände miteinander verbindet und abstützt.
  • Zudem ist im Bereich der Abströmkante 33 ein blechförmiger Drosseleinsatz 39 über annähernd die vollständige Höhe des Schaufelprofils 29 vorgesehen, in dem mehrere Drosselöffnungen 41 in Form von Bohrungen 43 eingebracht sind. Der Drosseleinsatz 39 liegt dicht an den beiden Schaufelwänden 35, 37 an und stützt die beiden Seitenwände 35, 37 zusätzlich im Bereich der Abströmkante 33 voneinander ab.
  • Der Drosseleinsatz 39 kann Teil der Gießform zum Gießen der Turbinenschaufel 21 sein, welche nach dem Gießen im Guss verbleibt, oder er wurde nachträglich in den Guss eingesetzt und durch Schweißen, Löten oder ein anderes geeignetes Verfahren zwischen der Druckseitenwand 37 und der Saugseitenwand 35 dicht befestigt. Vor dem Einbau des Drosseleinsatzes 39 wurden die Drosselöffnungen 41 als Bohrungen gefertigt. Da die Bohrungen mechanisch einfach und vergleichsweise exakt in Bezug auf ein Gießverfahren gefertigt werden können, unterliegen diese nicht dermaßen starken Toleranzschwankungen wie die nach dem Gießen durch Entfernen der Abstandhalter verbleibenden Verbindungskanäle aus dem Stand der Technik.
  • Die Stützrippe 38 schließt mit der Druckseitenwand 37 und der Saugseitenwand 35 einen ersten Hohlraum 45 ein. Ein zweiter Hohlraum 47, welcher teilweise vom Drosseleinsatz 39 begrenzt wird, folgt stromabwärts der Heißgasströmungsrichtung.
  • Beide Hohlräume 45, 47 weisen jeweils einen Zuführkanal 49 zur Zuführung von Kühlmittel 51 auf.
  • Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 21 wird in einer Gasturbine 1 verwendet, um beim Betrieb dieser Maschine Kühlmittel 51, vorzugsweise Kühlluft einzusparen, da durch die Drosselöffnungen 41 lediglich der Anteil an Kühlmittel 51 ausgeblasen wird, der erforderlich ist, um die Abströmkante 33 bedarfsgerecht zu kühlen. Verglichen mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Turbinenschaufel kann die erfindungsgemäße Turbinenschaufel 21 preiswerter hergestellt werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung eines Schaufelprofils 129 mit einer Stützrippe 138 und einem Drosseleinsatz 139 ist in FIG 3 perspektivisch teilweise dargestellt.
  • Der im ersten Hohlraum 145 vorgesehene Drosseleinsatz 139 liegt an einer Stützrippe 138 parallel zu dieser an und weist mindestens eine Drosselöffnung 141 auf, deren Mindestquerschnitt d2 kleiner ist als der Mindestquerschnitt d1 eines in der Stützrippe 138 befindlichen Verbindungskanals 140.
  • Um Strömungsverluste im Kühlmittel 51 zu mindern, ist die dem Verbindungskanal 140 zugewandte Seite der Drosselöffnung 141 ungefähr gleich groß, d.h. sie weist im Wesentlichen den gleichen Strömungsquerschnitt d1 wie der Verbindungskanal 140 auf. Die dem ersten Hohlraum 145 zugewandte Seite der Drosselöffnung 141 stellt den strömungsbegrenzenden Querschnitt d2 dar.
  • Unabhängig davon, ob Kühlmittel 51 vom zweiten Hohlraum 147 aus den Verbindungskanal 140 und anschließend den Drosseleinsatz 139 durchströmt, um in den ersten Hohlraum 145 zu gelangen oder umgekehrt, wird der durch den Drosseleinsatz 139 geführte Anteil an Kühlmittel 51 durch die einfach, kostengünstig und vergleichsweise exakt hergestellte Drosselöffnung 141 eingestellt, so dass aufgrund der geringen Herstellungstoleranzen beim Bohren oder Fräsen keine übermäßige Kühlung der Anströmkante 31 erfolgt. Kühlmittel 51 kann dementsprechend eingespart werden, was sich bei einer mit dieser Turbinenschaufel 21 ausgestatteten Gasturbine 1 wirkungsgradsteigernd auswirkt.
  • Durch die düsenförmige Verjüngung 151 der Drosselöffnung 141 in Strömungsrichtung erfährt das vom zweiten Hohlraum 147 in den ersten Hohlraum 145 übergehende Kühlmittel 51 zudem eine Strömungsbeschleunigung.
  • FIG 4 zeigt eine weitere Variante eines Drosseleinsatzes 239, bei der dieser in einem in der Stützrippe 238 befindlichen Verbindungskanal 240 angebracht ist. Somit kann in jedem Verbindungskanal 240 jeweils ein Drosseleinsatz 239 mit einer Drosselöffnung 241 angeordnet sein. Weist der Verbindungskanal 240 die Form einer Öffnung oder einer Bohrung auf, kann der Drosseleinsatz 239 auch hülsenförmig darin eingesetzt sein
  • Bei beiden erfindungsgemäßen Varianten wird das einem Hohlraum 45, 145 bedarfsgerecht zugeführte Kühlmittel 51 anschließend zur konvektiven Kühlung, zur Effusions-, und/oder Filmkühlung eingesetzt und dementsprechend abgeführt.
  • Mit der Erfindung wird folglich eine gegossene, kostengünstige Turbinenschaufel mit einem verbesserten Kühlmittelverbrauch bereitgestellt, indem die den Kühlmittelfluss im Innern der Turbinenschaufel einstellenden Drosselöffnungen in einem Drosseleinsatz vorgesehen sind, welcher nicht mit der Turbinenschaufel gegossen, sondern mit beispielsweise spanend mechanisch hergestellten Drosselöffnungen vorgefertigt ist. Selbstverständlich kann der Drosseleinsatz auch durch ein Präzisionsgießverfahren hergestellt werden, um die erforderliche Genauigkeit der Drosselöffnung zu erreichen.

Claims (8)

  1. Gegossene Turbinenschaufel (21),
    mit einem tragflügelförmigen Schaufelprofil (29), welches von einer konkaven Druckseitenwand (37, 137) und einer konvexen Saugseitenwand (35, 135) geformt ist und welches zwischen den Seitenwänden (35, 37, 135, 137) zumindest einen Hohlraum (47, 145) zur Führung eines Kühlmittels (51) aufweist,
    mit einem im Hohlraum (47, 145) angeordneten und den Hohlraum (47, 145) abschließenden Drosseleinsatz (39, 139, 239), in dem mindestens eine Drosselöffnung (41, 141) vorgesehen ist,
    durch die mindestens ein Teilstrom des im Hohlraum (47, 145) strömbaren Kühlmittels (51) in einen weiteren Hohlraum und/oder nach außen gedrosselt überführbar ist.
  2. Turbinenschaufel (21) nach Anspruch 1,
    bei der der durch die Drosselöffnung (39, 139, 239) strömbare Anteil des Kühlmittels (51) zur konvektiven Kühlung, zur Effusions- und/oder Filmkühlung der Turbinenschaufel (21) einsetzbar ist.
  3. Turbinenschaufel (21) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der im Wesentlichen parallel zum Drosseleinsatz (39, 139, 239) eine innere, sich von der Druckseitenwand (37, 137) zu der Saugseitenwand (35, 135) erstreckende Stützrippe (38, 138, 238) mit zumindest einem Verbindungskanal (140, 240) vorgesehen ist,
    bei der der Verbindungskanal (140, 240) mit der Drosselöffnung (141, 241) annähernd fluchtet und der Strömungsquerschnitt (d1) des Verbindungskanals (140) größer ist als der Strömungsquerschnitt (d2) der Drosselöffnung.
  4. Turbinenschaufel (21) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    deren Drosseleinsatz (39, 139, 239) sich in Richtung einer Schaufellängsachse (23) annähernd über die vollständige Höhe des Schaufelprofils (29) erstreckt.
  5. Turbinenschaufel (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    deren Drosseleinsatz (39, 139, 239) den Hohlraum in zwei Teilhohlräume aufteilt, welche über mehrere, im Drosseleinsatz (39, 139, 239) vorgesehene Drosselöffnungen (41, 141, 241) miteinander verbunden sind.
  6. Turbinenschaufel (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der die Drosselöffnung (141) des Drosseleinsatzes (139) düsenförmig ausgebildet ist.
  7. Verwendung einer Turbinenschaufel (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    in einer axial durchströmbaren, stationären Gasturbine (1).
  8. Verfahren zur Herstellung einer gegossenen Turbinenschaufel (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    mit einem Drosseleinsatz (39, 139, 239),
    bei dem der vorgefertigte, mit zumindest einer Drosselöffnung (41, 141, 241) versehene Drosseleinsatz (39, 139, 239) in die Gießform eingesetzt wird und zusammen mit der Turbinenschaufel (21) vergossen wird.
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