EP3232004A1 - Turbine blade for a thermal turbomachine - Google Patents

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EP3232004A1
EP3232004A1 EP16165216.9A EP16165216A EP3232004A1 EP 3232004 A1 EP3232004 A1 EP 3232004A1 EP 16165216 A EP16165216 A EP 16165216A EP 3232004 A1 EP3232004 A1 EP 3232004A1
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EP
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squealer
tip
edges
tip surface
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EP16165216.9A
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Bernd Hornung
Frank Schulz
Anne Maria Starke
Eric Thomas
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/20Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/20Three-dimensional
    • F05D2250/29Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/294Three-dimensional machined; miscellaneous grooved
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/30Arrangement of components
    • F05D2250/32Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/324Arrangement of components according to their shape divergent

Definitions

  • the invention relates to a blade for a thermal turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • a corresponding to the preamble of claim 1 blade is for example from the US 8,708,645 B1 known.
  • the known blade has at its blade tip a virtually closed circumferential squealer in the form of an extension of the airfoil walls of the airfoil. Between the suction-side and the pressure-side rubbing edge, further squealer edges are provided on the blade tip, so that swirl channels are formed between the individual, substantially parallel squealer edges.
  • the disadvantage is that during operation of such a turbine blade wear can occur on the squealer, which can adversely affect the life of the blade and also the efficiency of a gas turbine equipped therewith.
  • the object of the invention is therefore to provide a blade whose blade tip is less susceptible to wear.
  • the generic blade has at least two squealer edges, which are connected to each other at the tip surface side in a common root area.
  • the invention is based on the recognition that by two immediately adjacent squealer edges, the top surface side are connected to each other in a common root area, the wear, in particular when rubbed or by oxidation of the squealer, can be reduced. This is due to the fact that due to the common root area this - when viewing the squealer in cross section - is wider and thus more massive, compared to completely separate squealer edges.
  • cooling air passages which can be fed with cooling air from a cavity arranged in the airfoil open between the two relevant contact edges, which preferably form a V shape.
  • the thus existing between the two squeal, comparatively narrow grooves allow a more direct and immediate flow of the squealer with cooling air.
  • twice the number of sealing surfaces per suction side and per pressure side results from the presence of the total circumferential two rubbing edges with a common root area.
  • a longer duration can be achieved with constant efficiency, which represents a greater benefit for the operator of the gas turbine plant.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a rotor blade 10 for a thermal turbomachine, in particular for a stationary gas turbine, which is known to comprise successively: a blade root 12 for attachment of the blade 10 to a rotatable blade carrier.
  • the blade carrier can be designed, for example, as a welded rotor or as a rotor in disk construction. Both rotor variants are not shown here.
  • the blade 10 comprises an aerodynamically curved freestanding airfoil 14 which extends from a leading edge 16 of a working medium to a trailing edge 18 and transversely thereto from a blade end 20 to a blade tip 22 opposite the blade tip end 20.
  • the blade tip 22 is arranged in a gap-forming manner opposite to an outer wall bounding the flow path of the thermal turbomachine.
  • the blade 10 has an outwardly - thus away from the blade root - pointing tip surface 24 on which at least one of them protruding squealer is provided. Not in the FIG. 3 but in the Figures 1 and 2 these are representing in detail.
  • FIG. 1 shows the blade tip 22 in a perspective view.
  • Both on the pressure side 19 and on the suction side 17 of the blade 14 are provided on the blade tip 22 in each case two squealer edges 26, which merge into one another on the front edge side and the trailing edge side.
  • an outer, closed circumferential first squealer edge 26a and of an inner, also closed circumferential squealer edge 26b be discussed.
  • a half space 31 is enclosed, which opens radially outwards and radially inwardly from a crown bottom 33 (FIGS. Fig. 2 ) is limited.
  • outer squealer edge 26a nor the inner squealer edge 26b must be impermeably closed circumferential can also be configured only partially circumferential.
  • V-shaped groove 27 is present, so that the conceptually to a pair of summarizable outer and inner squealer edges 26a, 26b are also formed substantially V-shaped.
  • the rubbing edges 26 merge into a common root region 28 whose inner end terminates at the tip surface 24 (blade tip side). As a result, the squealer edges 26 have at their outer (free) end 29 a width B which is less than the width W of the root area.
  • Cooling channels 30 can open at the bottom of the groove 27 so that cooling air can flow out of the interior of the blade 10.
  • the outflow of the cooling air serves on the one hand for cooling the immediately adjacent squashing edges 26 and in particular also for cooling the root area 28.
  • the cooling air openings 30 can be provided at a uniform or uneven distance along the circumference or the longitudinal extent of the squealer edges 26. Of the cooling channels 30 are in FIG. 2 only some examples shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend aufeinander folgend einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem rotierbaren Schaufelträger und ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt (14), welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante (16) zu einer Hinterkante (18) und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende (20) bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende (20) gegenüberliegenden Schaufelspitze (22) erstreckt, wobei die Schaufelspitze (22) - im Einbauzustand der Laufschaufel in einer thermischen Strömungsmaschine - eine nach außen weisende Spitzenfläche (24) aufweist, an der zumindest eine von der Spitzenfläche (24) hervorstehende Anstreifkante (26) vorgesehen ist. Um eine besonders langlebige Laufschaufel bereitzustellen wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei Anstreifkanten (26) vorgesehen sind, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich (28) miteinander verbunden sind.The invention relates to a blade (10) for a thermal turbomachine, comprising in succession a blade root (12) for securing the blade (10) to a rotatable blade carrier and an aerodynamically curved freestanding blade (14) extending from one of a working medium inflowable leading edge (16) to a trailing edge (18) and extending transversely thereto from a blade root end (20) to a blade tip (22) opposite the blade root end (20), the blade tip (22) - in the installed condition of the blade in a thermal turbomachine - an outwardly facing tip surface (24) on which at least one of the tip surface (24) projecting squealer edge (26) is provided. In order to provide a particularly durable blade, it is proposed that at least two squealer edges (26) are provided which are connected to each other at the tip surface side in a common root area (28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine thermische Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a blade for a thermal turbomachine according to the preamble of claim 1.

Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Laufschaufel ist beispielsweise aus der US 8,708,645 B1 bekannt. Die bekannte Laufschaufel weist an ihrer Schaufelspitze eine nahezu geschlossen umlaufende Anstreifkante in Form einer Verlängerung der Schaufelblattwände des Schaufelblatts auf. Zwischen der saugseitigen und der druckseitigen Anstreifkante sind an der Schaufelspitze weitere Anstreifkanten vorgesehen, so dass sich zwischen den einzelnen, im Wesentlichen parallelen Anstreifkanten Wirbelkanäle ausbilden. Nachteilig ist jedoch, dass im Betrieb einer derartigen Turbinenschaufel Verschleißerscheinungen an den Anstreifkanten auftreten können, die die Lebensdauer der Laufschaufel und ebenso den Wirkungsgrad einer damit ausgestatteten Gasturbine negativ beeinflussen können.A corresponding to the preamble of claim 1 blade is for example from the US 8,708,645 B1 known. The known blade has at its blade tip a virtually closed circumferential squealer in the form of an extension of the airfoil walls of the airfoil. Between the suction-side and the pressure-side rubbing edge, further squealer edges are provided on the blade tip, so that swirl channels are formed between the individual, substantially parallel squealer edges. The disadvantage, however, is that during operation of such a turbine blade wear can occur on the squealer, which can adversely affect the life of the blade and also the efficiency of a gas turbine equipped therewith.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Laufschaufel, deren Schaufelspitze gegen Verschleiß weniger anfällig ist.The object of the invention is therefore to provide a blade whose blade tip is less susceptible to wear.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer Laufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The problem underlying the invention is achieved with a blade according to the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß weist die gattungsgemäße Laufschaufel zumindest zwei Anstreifkanten auf, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich miteinander verbunden sind.According to the invention, the generic blade has at least two squealer edges, which are connected to each other at the tip surface side in a common root area.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch zwei unmittelbar benachbarte Anstreifkanten, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich miteinander verbunden sind, der Verschleiß, insbesondere bei Anstreifen oder durch Oxidation der Anstreifkanten, reduziert werden kann. Dies ist darin begründet, dass aufgrund des gemeinsamen Wurzelbereichs dieser - bei Betrachtung der Anstreifkante im Querschnitt - breiter und damit massiver ausgestaltet ist, verglichen mit gänzlich separaten Anstreifkanten.The invention is based on the recognition that by two immediately adjacent squealer edges, the top surface side are connected to each other in a common root area, the wear, in particular when rubbed or by oxidation of the squealer, can be reduced. This is due to the fact that due to the common root area this - when viewing the squealer in cross section - is wider and thus more massive, compared to completely separate squealer edges.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung münden zwischen den beiden betreffenden Anstreifkanten, die vorzugsweise eine V-Form bilden, Kühlluftkanäle, die aus einem im Schaufelblatt angeordneten Hohlraum mit Kühlluft gespeist werden können. Die somit zwischen den beiden Anstreifkanten vorhandenen, vergleichsweise engen Nuten ermöglichen eine direktere und unmittelbare Anströmung der Anstreifkante mit Kühlluft. Zusätzlich ergibt sich je Saugseite und je Druckseite die doppelte Anzahl an Dichtflächen durch das Vorhandensein der insgesamt umlaufenden zwei Anstreifkanten mit gemeinsamem Wurzelbereich. Insgesamt kann mit der vorgeschlagenen Laufschaufel eine längere Laufzeit bei gleichbleibendem Wirkungsgrad erzielt werden, was einen höheren Nutzen für den Betreiber der Gasturbinenanlage darstellt.According to a particularly preferred embodiment, cooling air passages which can be fed with cooling air from a cavity arranged in the airfoil open between the two relevant contact edges, which preferably form a V shape. The thus existing between the two squeal, comparatively narrow grooves allow a more direct and immediate flow of the squealer with cooling air. In addition, twice the number of sealing surfaces per suction side and per pressure side results from the presence of the total circumferential two rubbing edges with a common root area. Overall, with the proposed blade a longer duration can be achieved with constant efficiency, which represents a greater benefit for the operator of the gas turbine plant.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
die perspektivische Ansicht der Schaufelspitze einer erfindungsgemäßen Laufschaufel,
Figur 2
den Längsschnitt durch die Laufschaufelspitze der in Figur 1 gezeigten Laufschaufel und
Figur 3
eine Laufschaufel in einer perspektivischen Darstellung.
The above-described characteristics, features and advantages of the invention as well as the manner in which they are achieved are explained in more detail in connection with the following description of the exemplary embodiments with reference to the following figures. Show it:
FIG. 1
the perspective view of the blade tip of a blade according to the invention,
FIG. 2
the longitudinal section through the blade tip of in FIG. 1 shown blade and
FIG. 3
a blade in a perspective view.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Laufschaufel 10 für eine thermische Strömungsmaschine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, die bekanntermaßen aufeinanderfolgend umfasst: einen Schaufelfuß 12 zur Befestigung der Laufschaufel 10 an einem rotierbaren Schaufelträger. Der Schaufelträger kann beispielsweise als ein geschweißter Rotor oder auch als ein Rotor in Scheibenbauweise ausgestaltet sein. Beide Rotorvarianten sind hier nicht weiter dargestellt. Weiter umfasst die Laufschaufel 10 ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt 14, welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante 16 zu einer Hinterkante 18 und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende 20 bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende 20 gegenüberliegenden Schaufelspitze 22 erstreckt. Im Einbauzustand ist die Schaufelspitze 22 spaltbildend einer dem Strömungspfad der thermischen Strömungsmaschine begrenzenden Außenwand gegenüberliegend angeordnet. Mithin weist die Laufschaufel 10 eine nach außen - folglich vom Schaufelfuß weg - weisende Spitzenfläche 24 auf, an der zumindest eine davon hervorstehende Anstreifkante vorgesehen ist. Nicht in der Figur 3, sondern in den Figuren 1 und 2 sind diese im Detail darstellt. FIG. 3 shows a schematic representation of a rotor blade 10 for a thermal turbomachine, in particular for a stationary gas turbine, which is known to comprise successively: a blade root 12 for attachment of the blade 10 to a rotatable blade carrier. The blade carrier can be designed, for example, as a welded rotor or as a rotor in disk construction. Both rotor variants are not shown here. Further, the blade 10 comprises an aerodynamically curved freestanding airfoil 14 which extends from a leading edge 16 of a working medium to a trailing edge 18 and transversely thereto from a blade end 20 to a blade tip 22 opposite the blade tip end 20. In the installed state, the blade tip 22 is arranged in a gap-forming manner opposite to an outer wall bounding the flow path of the thermal turbomachine. Thus, the blade 10 has an outwardly - thus away from the blade root - pointing tip surface 24 on which at least one of them protruding squealer is provided. Not in the FIG. 3 but in the Figures 1 and 2 these are representing in detail.

Figur 1 zeigt die Schaufelspitze 22 in perspektivischer Darstellung. Sowohl an der Druckseite 19 als auch an der Saugseite 17 des Schaufelblatts 14 sind an der Schaufelspitze 22 jeweils zwei Anstreifkanten 26 vorgesehen, die vorderkantenseitig als auch hinterkantenseitig dabei ineinander übergehen. Insofern kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel von einer äußeren, geschlossen umlaufenden ersten Anstreifkante 26a und von einer inneren, ebenso geschlossen umlaufenden Anstreifkante 26b die Rede sein. Von beiden umlaufenden Anstreifkanten 26 ist ein Halbraum 31 umschlossen, der radial nach außen geöffnet und radial nach innen von einem Kronenboden 33 (Fig. 2) begrenzt ist. FIG. 1 shows the blade tip 22 in a perspective view. Both on the pressure side 19 and on the suction side 17 of the blade 14 are provided on the blade tip 22 in each case two squealer edges 26, which merge into one another on the front edge side and the trailing edge side. In this respect, according to this embodiment of an outer, closed circumferential first squealer edge 26a and of an inner, also closed circumferential squealer edge 26b be discussed. Of both circumferential Anstreifkanten 26 a half space 31 is enclosed, which opens radially outwards and radially inwardly from a crown bottom 33 (FIGS. Fig. 2 ) is limited.

Weder die äußere Anstreifkante 26a noch die innere Anstreifkante 26b müssen zwingend geschlossen umlaufend sein, sie können auch nur teilweise umlaufend ausgestaltet sein. Zwischen der äußeren Anstreifkante 26a und der inneren Anstreifkante 26b ist eine im Querschnitt - siehe Figur 2 - V-förmige Nut 27 vorhanden, so dass die gedanklich zu einem Paar zusammenfassbaren äußeren und inneren Anstreifkanten 26a, 26b im Wesentlichen ebenso V-förmig ausgebildet sind. Die Anstreifkanten 26 gehen in einen gemeinsamen Wurzelbereich 28 über, dessen inneres Ende an der Spitzenfläche 24 (schaufelspitzenseitig) endet. Dadurch weisen die Anstreifkanten 26 an ihrem äußeren (freien) Ende 29 eine Breite B auf, die geringer ist als die Breite W des Wurzelbereichs.Neither the outer squealer edge 26a nor the inner squealer edge 26b must be impermeably closed circumferential can also be configured only partially circumferential. Between the outer squealer edge 26a and the inner squealer edge 26b is a cross-section - see FIG. 2 V-shaped groove 27 is present, so that the conceptually to a pair of summarizable outer and inner squealer edges 26a, 26b are also formed substantially V-shaped. The rubbing edges 26 merge into a common root region 28 whose inner end terminates at the tip surface 24 (blade tip side). As a result, the squealer edges 26 have at their outer (free) end 29 a width B which is less than the width W of the root area.

Am Grund der Nut 27 können Kühlkanäle 30 münden, so dass aus dem Inneren der Schaufel 10 Kühlluft ausströmen kann. Das Ausströmen der Kühlluft dient einerseits zur Kühlung der unmittelbar benachbarten Anstreifkanten 26 und insbesondere auch zu der Kühlung des Wurzelbereichs 28. Die Kühlluftöffnungen 30 können dabei in einem gleichmäßigen oder auch ungleichmäßigen Abstand längs des Umlaufes bzw. der Längserstreckung der Anstreifkanten 26 vorgesehen sein. Von den Kühlkanälen 30 sind in Figur 2 nur einige exemplarisch dargestellt.Cooling channels 30 can open at the bottom of the groove 27 so that cooling air can flow out of the interior of the blade 10. The outflow of the cooling air serves on the one hand for cooling the immediately adjacent squashing edges 26 and in particular also for cooling the root area 28. The cooling air openings 30 can be provided at a uniform or uneven distance along the circumference or the longitudinal extent of the squealer edges 26. Of the cooling channels 30 are in FIG. 2 only some examples shown.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung kann eine besonders langlebige sowie den thermischen Belastungen besonders lange widerstehende Laufschaufel 10 bereitgestellt werden.With the aid of the proposed solution, it is possible to provide a rotor blade 10 which is particularly durable and which withstands the thermal stresses for a particularly long time.

Claims (3)

Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend aufeinander folgend
einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem rotierbaren Schaufelträger und
ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt (14), welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante (16) zu einer Hinterkante (18) und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende (20) bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende (20) gegenüberliegenden Schaufelspitze (22) erstreckt,
wobei die Schaufelspitze (22) - im Einbauzustand der Laufschaufel in einer thermischen Strömungsmaschine - eine nach außen weisende Spitzenfläche (24) aufweist, an der zumindest eine von der Spitzenfläche (24) hervorstehende Anstreifkante (26) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei Anstreifkanten (26) vorgesehen sind, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich (28) miteinander verbunden sind.
Blade (10) for a thermal turbomachine comprising sequentially
a blade root (12) for securing the blade (10) to a rotatable blade carrier and
an aerodynamically curved freestanding airfoil (14) extending from a leading edge (16) of a working fluid to a trailing edge (18) and transversely thereto from a blade root end (20) to a blade tip end (20) Blade tip (22) extends,
wherein the blade tip (22) - in the installed state of the blade in a thermal turbomachine - an outwardly facing tip surface (24) on which at least one of the tip surface (24) projecting squealer edge (26) is provided
characterized in that
at least two squealer edges (26) are provided, which are connected to each other at the tip surface side in a common root area (28).
Laufschaufel nach Anspruch 1,
bei der die beiden betreffenden Anstreifkanten (26) gemeinsam eine V-Form bilden.
Blade according to claim 1,
wherein the two respective squint edges (26) together form a V-shape.
Laufschaufeln nach Anspruch 2,
bei der zwischen den beiden betreffenden Anstreifkanten Kühlluftkanäle (30) münden.
Blades according to claim 2,
at the between the two respective squash edges cooling air channels (30) open.
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