WO2018196956A1

WO2018196956A1 - Turbinenschaufel, die ein schaufelblatt aufweist, das aus zumindest einem keramischen bauteil und zumindest einem metallischen bauteil montiert ist

Info

Publication number: WO2018196956A1
Application number: PCT/EP2017/059779
Authority: WO
Inventors: Tobias Buchal; Robert Grewe; Sebastian HOHENSTEIN; Robert Kunte; Uwe Paul; Gregor Schmid; Stephan Schwarz; Stefan Völker
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-11-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel 1, insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, die einen Schaufelfuß 2, eine sich daran anschließende Plattform 3 und ein sich an der fußabge-wandten Seite der Plattform 3 anschließendes Schaufelblatt 4 aufweist, das eine Vorderkante 5 und eine Hinterkante 6, die sich in einer Haupterstreckungsrichtung R von einem Wurzelbe- reich 7 zu einem Spitzenbereich 8 des Schaufelblatts 4 erstrecken, und eine Saugseite 9 und eine Druckseite 10, die sich zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6 erstrecken, umfasst und aus zumindest einem keramischen Bauteil 11 und zumindest einem metallischen Bauteil 12 montiert ist, wo- bei das zumindest eine keramische Bauteil 11 die Vorderkante 5 definiert und sich ausgehend von dieser zumindest entlang der Druckseite 10 erstreckt.

Description

Beschreibung

Turbinenschaufel, die ein Schaufelblatt aufweist, das aus zu- mindest einem keramischen Bauteil und zumindest einem metal^¬ lischen Bauteil montiert ist

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, insbesondere Lauf- oder Leitschaufel, die einen Schaufelfuß, eine sich daran anschließende Plattform und ein sich an der fußabgewandten Seite der Plattform anschließendes Schaufel^¬ blatt aufweist, das eine Vorderkante und eine Hinterkante, die sich in einer Haupterstreckungsrichtung von einem Wurzel- bereich zu einem Spitzenbereich des Schaufelblatts erstre^¬ cken, und eine Saugseite und eine Druckseite, die sich zwi^¬ schen der Vorderkante und der Hinterkante erstrecken, umfasst und aus zumindest einem keramischen Bauteil und zumindest ei^¬ nem metallischen Bauteil montiert ist.

Turbinenschaufeln werden in Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, eingesetzt. Man unterscheidet grundsätz^¬ lich zwischen rotierenden Laufschaufeln und stationären Leitschaufeln, die ein heißes fluides Arbeitsmedium, insbesondere Gas, in Richtung der Laufschaufeln leiten. Die Temperatur des fluiden Arbeitsmediums liegt in der Regel über den zulässigen Materialtemperaturen der meist metallischen Turbinenschaufeln. Hierdurch können sich Beschädigungen der Turbinenschaufeln ergeben. Bei Gasturbinen nehmen die Temperatur und der Druck des Gasstroms von der Vorderkante zur Hinterkante (axi^¬ ale Stromabrichtung) eines Turbinenschaufelblatts ab. Während also im Bereich der Hinterkante über die axiale Länge des Schaufelblatts gesehen die niedrigsten Drücke herrschen, ist die Temperatur- und Druckbelastung durch den Gasstrom jeweils an der Vorderkante am größten. Das erzeugt einen hohen Wärme^¬ eintrag aus dem Gasstrom in die Vorderkante. Durch Tempera^¬ turgradienten innerhalb einer gekühlten Turbinenschaufel tre^¬ ten insbesondere unerwünschte thermische Spannungen auf. Ne- ben thermo-mechanischen Belastungen treten auch aerodynamische Belastungen auf, die ihre Ursache in den aerodynamischen Kräften des Gasstroms haben, die auf die Turbinenschaufeln wirken. Zusätzlich treten bei rotierenden Laufschaufeln noch Zentrifugalkräfte bzw. Fliehkräfte auf. Alle diese Belastun^¬ gen führen zu lokal unterschiedlichen Zug-, Druck-, Biege- und Scherspannungen in der Turbinenschaufel. Auch wenn in der Beschreibung manchmal auf Gasturbinen Bezug genommen wird, ist dies nur exemplarisch zu sehen, so dass die beschriebenen Merkmale und deren Vorteile sich auch auf jede beliebige an^¬ dere Strömungsmaschine beziehen können.

Um insbesondere den während des Betriebs einer Strömungsma^¬ schine auftretenden hohen thermischen Belastungen von Turbinenschaufeln aus metallischen Legierungen entgegenzutreten, sind unterschiedliche Herangehensweisen bekannt. So werden beispielsweise Nickel-basierte Superlegierungen, teilweise mit einkristalliner oder gerichtet erstarrter Kristallstruktur, eingesetzt, um die zulässige maximale Materialtemperatur der Turbinenschaufeln zu erhöhen. Zudem wird je nach Bedarf eine thermische Schutzschicht auf die metallische Turbinen^¬ schaufel aufgebracht. Zusätzlich wird die Turbinenschaufel aktiv gekühlt. Hierbei erfolgt die Kühlung im Inneren der Turbinenschaufel über konvektive Kühlverfahren sowie Prall^¬ kühlung. Bei besonders hohen Temperaturen wird diese noch um eine externe Kühlung in Form einer Filmkühlung ergänzt.

Die zuvor beschriebenen Maßnahmen können den erforderlichen Kühlaufwand für eine metallische Turbinenschaufel nicht ent- scheidend reduzieren. Um eine metallische Turbinenschaufel effizienter zu kühlen ist es bekannt, durch Integration zumindest eines keramischen Bauteils, das eine wesentlich ge^¬ ringere Wärmeleitfähigkeit als die der eingesetzten Metallle^¬ gierungen aufweist, den metallischen Gesamtanteil der Turbi- nenschaufel zu reduzieren. Beispielsweise beschreibt die

WO2014/011242 ein Schaufelblatt einer Turbinenschaufel, das aus zumindest einem metallischen Bauteil und zumindest einem keramischen Bauteil montiert ist. Genauer gesagt weist das Schaufelblatt einen keramischen Hinterkantenbereich und einen metallischen Vorderkantenbereich auf. Während die eingesetzten Metalllegierungen eine Kühlung auf etwa 900°C erfordern, kann Keramik Temperaturen bis 1250 °C aushalten. Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit und der geringen Wärmeleitfä^¬ higkeit von Keramik kann in dem keramischen Bauteil ganz oder teilweise auf interne Kühlluftkanäle verzichtet werden. Auch kann ein gekühltes metallisches Bauteil des Schaufelblatts das keramische Bauteil auf 1250°C kühlen, falls die Tempera- tur des Arbeitsfluids darüber liegt. Verglichen mit einer rein metallischen Turbinenschaufel lässt sich somit Kühlluft sparen, die damit der Verbrennung zur Verfügung steht und entsprechend die Leistung und den Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht. Allerdings wird durch die in der WO2014/011242 vorge- schlagene Anordnung des keramischen Bauteils ein Kühlluftein- sparpotential der Turbinenschaufel nicht vollständig ausge^¬ schöpft. Zudem treten während des Betriebs einer Strömungsma^¬ schine aufgrund der Anordnung des keramischen Bauteils in der WO2014/011242 hohe Zug-, Biege- und Scherspannungen in diesem auf. Dies kann zu einer verringerten Lebensdauer des keramischen Bauteils und somit zu erhöhten Betriebskosten einer Strömungsmaschine führen, da keramische Werkstoffe eine ge^¬ ringere Festigkeit als metallische Werkstoffe gegen diese Spannungen aufweisen.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel mit alternativem Auf^¬ bau bereitzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenschaufel der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das zumindest eine keramische Bau^¬ teil die Vorderkante definiert und sich ausgehend von dieser zumindest entlang der Druckseite erstreckt.

Auf der Druckseite des Schaufelblatts herrschen, wie der Name bereits andeutet, höhere Gas-Drücke als auf der Saugseite, wobei wiederum auf der Druckseite im Bereich der Vorderkante die höchste Druck- und Temperaturbelastung durch einen

Gasstrom auftritt. Denn der Druck und die Temperatur des Gasstroms nimmt, wie bereits zuvor erwähnt, von der Vorderkante zur Hinterkante ab. Somit wird ein hoher Wärmeeintrag aus dem Gasstrom in die Vorderkante erzeugt. Deswegen müssen insbe^¬ sondere die vorderen Reihen (Reihe 1 und 2) der Turbinenschaufeln einer Strömungsmaschine im Vorderkantenbereich intensiv gekühlt werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des zumindest einen keramischen Bauteils lässt sich Kühlluft, insbesondere mehr Kühlluft als bei einer Anbringung eines ke^¬ ramischen Bauteils lediglich in einem Hinterkantenbereich, sparen. Diese Kühlluft kann wiederum für die Verbrennung genutzt werden und damit kann die Leistung und der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert werden. Insbesondere kann das keramische Bauteil auf der Druckseite die Turbinenschau^¬ fel sehr effizient vor den hohen druckseitigen Gas- Temperaturen schützen, weshalb das zumindest eine metallische Bauteil weniger stark aufgeheizt wird. Somit kann für das zu^¬ mindest eine metallische Bauteil ein einfacherer und kosten- günstigerer Werkstoff benutzt werden. Zudem treten während des Betriebs einer Strömungsmaschine durch die Anordnung des zumindest einen keramischen Bauteils im Bereich der Vorderkante und der Druckseite vornehmlich Druckkräfte und keine oder minimale Zug-, Biege- und Scherkräfte in dem keramischen Bauteil auf. Dadurch werden Beschädigungen, wie beispielswei^¬ se Risse, durch Zug-, Biege- und/oder Scherkräfte vermieden oder zumindest verringert. Der hierdurch erzielte verringerte Verschleiß erhöht die Lebensdauer des keramischen Bauteils, wodurch sich die Betriebskosten einer Strömungsmaschine ver- ringern.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das zumindest eine keramische Bauteil über mindestens 50 %, be^¬ vorzugt mindestens 60%, besser noch mindestens 75% der Länge der Druckseite zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Dadurch, dass sich das keramische Bauteil über einen Großteil der Länge der Druckseite erstreckt, kann es die Turbinen^¬ schaufel effizient vor den hohen druckseitigen Gas- Temperaturen schützen, weshalb insbesondere Kühlluft einge^¬ spart werden kann.

Vorzugsweise erstreckt sich das zumindest eine keramische Bauteil ausgehend von der Vorderkante entlang der Saugseite, wobei es maximal 60% der Saugseite bildet, bevorzugt maximal 25%. Da in einem Bereich der Hinterkante relativ hohe Tempe^¬ raturen auftreten, ist es sinnvoll, dass das zumindest eine keramische Bauteil zumindest einen Teil des Bereichs der Hin- terkante bildet, um auch dort die Temperaturbeständigkeit der Turbinenschaufel zu erhöhen. Besonders vorteilhaft ist aller^¬ dings, wenn das zumindest eine keramische Bauteil nur einen kleinen Teil der Saugseite, d.h. im Wesentlichen den Teil im Bereich der Vorderkante, bildet. Denn im Bereich der Vorder- kante sind beispielsweise die Temperaturbelastungen der Tur^¬ binenschaufel am größten.

Bevorzugt erstreckt sich das zumindest eine keramische Bau^¬ teil ausgehend von der Vorderkante entlang der Druckseite und der Saugseite gleich weit. Dies ist insbesondere dann vor^¬ teilhaft, wenn das zumindest eine keramische Bauteil mit dem zumindest einen metallischen Bauteil formschlüssig verbunden ist. Eine derartige formschlüssige Verbindung wird im Folgen^¬ den noch näher erläutert.

Vorteilhaft ist das zumindest eine keramische Bauteil form^¬ schlüssig an dem zumindest einen metallischen Bauteil und/oder an der Plattform befestigt. Beispielsweise kann der Formschluss über einen Schiebesitz in der Plattform erfolgen. Das zumindest eine keramische Bauteil kann in eine entspre^¬ chende Ausnehmung der Plattform gesteckt sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Formschluss über einen Zapfen erfolgen, über den das keramische Bauteil gelegt ist. Es ist auch denkbar, dass das zumindest eine metallische Bauteil über ei- ne Zapfenverbindung mit der Plattform verbunden ist und das zumindest eine keramische Bauteil, insbesondere über eine schwalbenschwanzartige Verbindung, wiederum formschlüssig mit dem zumindest einen metallischen Bauteil verbunden ist. Eine rein formschlüssige Verbindung ist insbesondere deshalb vor^¬ teilhaft, weil sie eine Relativbewegung zwischen den verbundenen Bauteilen, insbesondere ein axiales gegeneinander Verschieben oder Gleiten der Bauteile, ermöglicht. Dies kann da^¬ zu beitragen, dass in dem zumindest einen keramischen Bauteil keine oder nur äußerst geringe Zug-, Biege- und Scherspannun^¬ gen auftreten. Zudem ist das zumindest eine keramische Bau^¬ teil beispielsweise während einer Inspektion leicht aus^¬ tauschbar. In einem Fall, wo sich das zumindest eine keramische Bauteil über einen wesentlichen Teil der Länge der Druckseite erstreckt und sich das zumindest eine metallische Bauteil über einen wesentlichen Teil der Länge der Saugseite erstreckt, können die relativ großen Druckkräfte auf der Druckseite einen Formschluss zwischen dem zumindest einen ke^¬ ramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil und damit den Zusammenhalt beider Bauteile unterstützen.

Die Verbindung zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil sollte vor^¬ teilhafterweise so gestaltet werden, dass auftretende Zug-, Biege- und Scherspannungen in erster Linie von dem zumindest einen gut gekühlten metallischen Bauteil aufgenommen werden und nicht auf das zumindest eine keramische Bauteil übertra^¬ gen werden. So treten keine oder nur äußerst geringe Zug-, Biege- und Scherspannungen in dem zumindest einen keramischen Bauteil auf.

Auch wenn eine rein formschlüssige Verbindung aus den zuvor erwähnten Gründen vorteilhaft sein kann, ist es grundsätzlich auch möglich, dass das zumindest eine keramische Bauteil mit dem zumindest einen metallischen Bauteil alternativ oder zusätzlich zu einer formschlüssigen Verbindung über eine Lötverbindung, insbesondere über eine duktile Lötverbindung, oder über eine Verbindung, die auf einem Bindemittel und ei^¬ nem Brennvorgang basiert, verbunden ist. Lötverbindungen, die insbesondere mittels Aktivlöten hergestellt sind, haben im Allgemeinen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, wodurch ein optimaler Wärmeaustausch zwischen den verbundenen Bauteilen erreicht wird. Im Falle einer formschlüssigen Verbindung verhindert eine zusätzliche Lötverbindung eine Relativbewegung zwischen den verbundenen Bauteilen, insbesondere ein axiales gegeneinander Verschieben der Bauteile. Da jedes noch so geringe Spiel zwischen den formschlüssig verbundenen Bauteilen bei einer Schwingung des Schaufelblatts während des Betriebs der Turbinenschaufel normalerweise zu einem erhöhten Ver^¬ schleiß führt, trägt die Lötverbindung zu einem verringerten Verschleiß der Turbinenschaufel bei. Eine duktile Lötverbindung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass während eines Betriebs der Turbinenschaufel auftretende thermische Spannungen, die insbesondere aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem zumindest einen metallischen Bauteil und dem zumindest einen keramischen Bauteil entstehen, innerhalb der Lötverbindung aufgenommen werden können. Dies geschieht, indem sich die duktile Lötverbindung elastisch und/oder plastisch verformt.

Bevorzugt ist in dem zumindest einen metallischen Bauteil und/oder zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil zumindest ein Haupt- kühlluftkanal ausgebildet, der fluidtechnisch mit der Druck^¬ seite und/oder der Saugseite und/oder der Hinterkante verbunden ist. Der zumindest eine Hauptkühlluftkanal erstreckt sich insbesondere in der Haupterstreckungsrichtung des Schaufelblatts und kann sich bevorzugt bis in den Schaufelfuß der Turbinenschaufel hinein oder dadurch hindurch erstrecken. Der zumindest eine Hauptkühlluftkanal bieten den Vorteil, dass sowohl das zumindest eine metallische Bauteil als auch das zumindest eine keramische Bauteil ausreichend gekühlt werden können. Eine Anordnung eines Hauptkühlluftkanals zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil ist besonders vorteilhaft. Denn hier^¬ durch kann die Wärme des während des Betriebs der Turbinen^¬ schaufel aufgeheizten zumindest einen keramischen Bauteils unmittelbar an eine diesen Hauptkühlluftkanal durchströmende Kühlluft abgegeben werden, ohne das zumindest eine metalli^¬ sche Bauteil weiter aufzuheizen. Vorteilhafterweise ist die fluidtechnische Verbindung durch Kühlluftlöcher, insbesondere Kühlluftbohrungen, realisiert, die in dem zumindest einen metallischen Bauteil und/oder in dem zumindest einen keramischen Bauteil ausgebildet sind. Be^¬ sonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühlluftlöcher in dem zumindest einen metallischen Bauteil ausgebildet sind. Denn hierdurch wird die Stabilität des zumindest einen keramischen Bauteils nicht geschwächt. Die Kühlluftlöcher tragen dazu bei, dass sich für das Schaufelblatt eine Reduktion der benö^¬ tigten Kühlluft von mindestens 70% ergeben kann.

Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Kühlluftlöchern benachbart zu einem Übergangsbereich zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil angeordnet. Mittels der Kühlluftlöcher kann somit sowohl ein Teil des zumindest einen keramischen Bauteils als auch ein Teil des zumindest einen metallischen Bauteils gekühlt werden .

Bevorzugt sind Austrittsöffnungen von zumindest einem Teil der Kühlluftlöcher auf der Druckseite, der Saugseite und/oder an der Hinterkante des Schaufelblatts in der Haupterstre^¬ ckungsrichtung im Wesentlichen entlang einer Geraden und be- abstandet zueinander angeordnet. Auch wenn eine derartige An^¬ ordnung bevorzugt wird, sind selbstverständlich auch andere Anordnungsmuster denkbar.

Vorteilhaft sind innerhalb eines Kühlluftkanals zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil und dem zumindest einen metallischen Bauteil, der sich insbesondere in der Haupterstreckungsrichtung des Schaufelblatts erstreckt, Abstandshal^¬ ter, insbesondere in Form von Pins und/oder Streben, vorgesehen. Die Streben können sich hierbei insbesondere über die gesamte Haupterstreckungsrichtung des Schaufelblatts erstre^¬ cken. Durch die Auswahl der Länge der Abstandshalter kann die Breite des Kühlluftkanals einfach bestimmt werden. Der Kühl^¬ luftkanal kann beispielsweise durch Montage des zumindest ei- nen keramischen Bauteils mit dem zumindest einen metallischen Bauteil automatisch ausgebildet werden, ohne dass zusätzliche Bohrungen zwingend erforderlich sind. Vorzugsweise ist das zumindest eine metallische Bauteil mit einer metallischen Schicht (Bondcoat) und einer

daraufliegenden keramischen Schicht (Thermal Barrier

Coating,TBC) beschichtet. Durch solche thermischen Schutz^¬ schichten lässt sich die Temperatur des zumindest einen me- tallischen Bauteils reduzieren. Derartige Beschichtungen tragen also dazu bei, dass sich für das Schaufelblatt eine Re^¬ duktion der benötigten Kühlluft von mindestens 70% ergeben kann . Von Vorteil ist auch, wenn das zumindest eine keramische Bau^¬ teil ein „Ceramic Matrix Composite", CMC, -Material aufweist oder daraus besteht. Das CMC-Material steigert die Festigkeit des zumindest einen keramischen Bauteils. Weiterhin ist durch eine gute Hochtemperaturbeständigkeit des CMC-Materials keine oder allenfalls eine geringe Kühlung des zumindest einen ke^¬ ramischen Bauteils notwendig. Damit wird beispielsweise ein Temperaturgradient über die Wanddicke des zumindest einen ke^¬ ramischen Bauteils in den inneren Bereich des Turbinenschaufelblattes verringert, was die thermisch bedingten Spannungen in dem zumindest einen keramischen Bauteil verringert und da^¬ mit die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöht.

Bevorzugt besteht das Schaufelblatt aus genau einem kerami^¬ schen Bauteil und genau einem metallischen Bauteil. Erstreckt sich das keramische Bauteil also beispielsweise ausgehend von der Vorderkante über 75% der Länge der Druckseite und über 25% der Länge der Saugseite zwischen der Vorderkante und der Hinterkante, so erstreckt sich das metallische Bauteil ausge^¬ hend von der Hinterkante entsprechend über die verbleibenden 25% der Länge der Druckseite und über die verbleibenden 75% der Länge der Saugseite. In diesem Fall bildet das keramische Bauteil 75% der Druckseite und das metallische Bauteil 75% der Saugseite. Es findet also eine vorteilhafte Aufgabentei- lung statt. Denn auf das keramische Bauteil auf der Drucksei^¬ te wirken vornehmlich Druckkräfte und keine oder nur äußerst geringe schädliche Zug-, Biege- und Scherkräfte. Gleichzeitig schützt das keramische Bauteil das Schaufelblatt der Turbi- nenschaufel effektiv gegenüber den hohen druckseitigen Temperaturen, insbesondere im Bereich der Vorderkante. Das metal^¬ lische Bauteil auf der Saugseite nimmt hingegen vornehmlich Zug-, Biege- und Scherspannungen auf. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer^¬ den anhand der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer

Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine schematische Ansicht eines Schaufelblatts ei- ner Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausfüh^¬ rungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 3 eine schematische Ansicht eines Schaufelblatts ei^¬ ner Turbinenschaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel 1 handelt es sich um eine Laufschaufei . Es sollte jedoch klar sein, dass es sich in anderen hier nicht dargestellten Ausführungsformen auch um eine Leitschaufel handeln kann. Die Turbinenschaufel 1 weist einen Schaufelfuß 2, eine sich daran anschließende Plattform 3 und ein sich an der fußabgewandten Seite der Plattform 3 anschließendes

Schaufelblatt 4 auf. Das Schaufelblatt 4 umfasst eine Vorder^¬ kante 5 und eine Hinterkante 6, die sich in einer Haupter- streckungsrichtung R von einem Wurzelbereich 7 zu einem Spitzenbereich 8 des Schaufelblatts 4 erstrecken, und eine Saug- seite 9 und eine Druckseite 10, die sich zwischen der Vorder^¬ kante 5 und der Hinterkante 6 erstrecken. Das Schaufelblatt 4 ist aus genau einem keramischen Bauteil 11, in diesem Fall aus CMC-Material, und genau einem metallischen Bauteil 12 montiert. Das keramische Bauteil 11 definiert die Vorderkante 5 und erstreckt sich ausgehend von der Vorderkante 5 zumin^¬ dest entlang der Druckseite 10. Die bis hierin beschriebenen Merkmale der Turbinenschaufel 1 treffen auch auf die beiden weiteren Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Turbinen- schaufei 1 zu, die in den Figuren 2 und 3 gezeigt sind und im Anschluss an diese Beschreibung der ersten Ausführungsform ausführlich beschrieben werden.

Wieder Bezug nehmend auf die in der Figur 1 dargestellte ers- te Ausführungsform, erstreckt sich das keramische Bauteil 11 ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 60% der Länge der Druckseite 10 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6, bildet also etwa 60% der Druckseite. Zusätzlich erstreckt sich das keramische Bauteil 11 ebenfalls ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 25% der Länge der Saugseite 9 zwi^¬ schen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6, bildet also etwa 25% der Saugseite 9. Da das Schaufelblatt 4 nur aus dem keramischen Bauteil 11 und dem metallischen Bauteil 12 besteht, erstreckt sich das metallische Bauteil 12 entsprechend ausgehend von der Hinterkante 6 über die verbleibenden etwa 40% der Länge der Druckseite 10 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6. Zudem erstreckt sich das metallische Bauteil 12 ausgehend von der Hinterkante 6 über die verblei^¬ benden etwa 75% der Länge der Saugseite 9 zwischen der Vor- derkante 5 und der Hinterkante 6.

Das keramische Bauteil 11 ist formschlüssig an der Plattform 3 befestigt, indem es in eine entsprechende Ausnehmung 13 der Plattform 3 gesteckt ist. Somit ist das keramische Bauteil 11 leicht austauschbar und es wird ein gegeneinander Gleiten oder Verschieben der beiden Bauteile 11, 12 ermöglicht. Da sich das keramische Bauteil 11 über einen wesentlichen Teil der Länge der Druckseite 10 erstreckt und sich das metalli- sehe Bauteil 12 über einen wesentlichen Teil der Länge der Saugseite 9 erstreckt, unterstützen die relativ großen Druckkräfte auf der Druckseite 10 die Verbindung der beiden Bau^¬ teile 11, 12.

In dem metallischen Bauteil 12 sind zwei Hauptkühlluftkanäle 14 ausgebildet. Einer der beiden Hauptkühlluftkanäle 14 ist über eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 15, die in dem metallischen Bauteil 12 ausgebildet sind, fluidtechnisch mit der Saugseite 9 des Schaufelblatts 4 verbunden. Der andere Haupt- kühlluftkanal 14 ist über eine Vielzahl von weiteren Kühlluftlöchern 15, die ebenfalls in dem metallischen Bauteil 12 ausgebildet sind, mit der Druckseite 10 beziehungsweise mit der Hinterkante 6 des Schaufelblatts 4 verbunden. Sowohl die druckseitigen als auch ein Teil der sogseitigen Kühlluftlöcher 15 sind benachbart zu einem Übergangsbereich zwischen dem metallischen Bauteil 12 und dem keramischen Bauteil 11 angeordnet. Austrittsöffnungen 16 der Kühlluftlöcher 15 sind auf der Druckseite 10, der Saugseite 9 und an der Hinterkante 6 in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4 jeweils im Wesentlichen entlang einer Geraden und beabstandet zueinander angeordnet. Insgesamt gibt es drei Reihen von Kühlluftöffnungen 16, wovon die sogseitige Reihe darstel^¬ lungsbedingt der Figur 1 nicht zu entnehmen ist. Beide Haupt- kühlluftkanäle 14 erstrecken sich in der Haupterstreckungs^¬ richtung R des Schaufelblatts 4. Die Pfeile an den Kühlluft^¬ löchern 15 in der Figur 1 sollen eine mögliche Strömungsrichtung von Kühlluft andeuten. Dadurch, dass das keramische Bau^¬ teil 11 in der ersten Ausführungsform einen Großteil der Druckseite 10 bildet, kann es die Turbinenschaufel effizient vor den hohen druckseitigen Temperaturen schützen. Gleichzeitig erhöht sich die Lebensdauer des keramischen Bauteils 11, da es vornehmlich Druckkräften und nur in geringem Maße Zug-, Biege- und Scherkräften ausgesetzt ist.

In der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 1 ist das metallische Bauteil 12 noch zusätzlich mit einer metallischen Schicht (Bondcoat) und einer daraufliegenden keramischen Schicht (Thermal Barrier Coating, TBC) beschichtet, um eine Erwärmung der Turbinenschaufel 1 während ihres Betriebs weiter zu minimieren. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Schaufelblatts 4 einer Turbinenschaufel 1 gemäß einer zweiten Ausführungs^¬ form der vorliegenden Erfindung. Das keramische Bauteil 11 erstreckt sich ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 60% der Länge der Länge der Druckseite 10 zwischen der Vorderkan- te 5 und der Hinterkante 6. Zusätzlich erstreckt sich das ke^¬ ramische Bauteil 11 ebenfalls ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 60% der Länge der Saugseite 9 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6. Das keramische Bauteil 11 er^¬ streckt sich also entlang der Druckseite 10 und der Saugseite 9 gleich weit. Da das Schaufelblatt 4 nur aus dem keramischen Bauteil 11 und dem metallischen Bauteil 12 besteht, erstreckt sich das metallische Bauteil 12 ausgehend von der Hinterkante 6 über die jeweils verbleibenden etwa 40% der Länge der

Druckseite 10 und der Länge der Saugseite 9 zwischen der Vor- derkante 5 und der Hinterkante 6.

Das metallische Bauteil 12 ist über eine Zapfenverbindung 17 formschlüssig mit der Plattform 3 verbunden und das keramische Bauteil 11 ist wiederum über eine schwalbenschwanzartige Verbindung 18 formschlüssig mit dem metallischen Bauteil 12 verbunden. Zusätzlich ist das keramische Bauteil 11 über eine Verbindung, die auf einem Bindemittel und einem Brennvorgang basiert, mit dem metallischen Bauteil 12 verbunden. Alternativ wäre es auch möglich, eine Lötverbindung vorzusehen.

Durch die zweifache Befestigung ist das keramische Bauteil 11 besonders sicher mit dem metallischen Bauteil 12 verbunden.

In dem metallischen Bauteil 12 ist ein Hauptkühlluftkanal 14 ausgebildet, der über eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 15, die in dem metallischen Bauteil 12 ausgebildet sind, fluid- technisch mit der Saugseite 9, der Druckseite 10 und mit der Hinterkante 6 des Schaufelblatts 4 verbunden sind. Sowohl die druckseitigen als auch die sogseitigen Kühlluftlöcher 15 sind benachbart zu einem Übergangsbereich zwischen dem metallischen Bauteil 12 und dem keramischen Bauteil 11 angeordnet. Austrittsöffnungen 16 der Kühlluftlöcher 15 sind auf der Druckseite 10, der Saugseite 9 und an der Hinterkante 6 in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4 jeweils im Wesentlichen entlang einer Geraden und beabstandet zueinander angeordnet. Insgesamt gibt es drei Reihen von Kühl- luftöffnungen 16. In der Figur 2 ist aufgrund der Perspektive jeweils nur ein Kühlluftloch 15 aus jeder der drei Reihen zu erkennen. Der Hauptkühlluftkanal 14 erstreckt sich in der

Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4. Die Pfeile an den Kühlluftlöchern 15 in der Figur 2 sollen eine mögliche Strömungsrichtung von Kühlluft andeuten. Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Schaufelblatts 4 einer Turbinenschaufel 1 gemäß einer dritten Ausführungs^¬ form der vorliegenden Erfindung. Hier erstreckt sich das keramische Bauteil 11 ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 75% der Länge der Druckseite 10 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6. Zusätzlich erstreckt sich das kerami^¬ sche Bauteil 11 ebenfalls ausgehend von der Vorderkante 5 über etwa 25% der Länge der Saugseite 9 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6. Da das Schaufelblatt 4 nur aus dem keramischen Bauteil 11 und dem metallischen Bauteil 12 besteht, erstreckt sich das metallische Bauteil 12 entspre^¬ chend ausgehend von der Hinterkante 6 über die verbleibenden etwa 25% der Länge der Druckseite 10 beziehungsweise die ver^¬ bleibenden etwa 75% der Länge der Saugseite 9 zwischen der Vorderkante 5 und der Hinterkante 6.

In dieser dritten Ausführungsform kann das keramische Bauteil 11 auf unterschiedliche Weise mit dem metallischen Bauteil 12 verbunden sein. Beispielsweise kann das keramische Bauteil 11 formschlüssig an der Plattform 3 befestigt und/oder mit dem metallischen Bauteil 12 über eine duktile Lötverbindung verbunden sein. Obwohl es auf die genaue Verbindungsart in die^¬ ser Ausführungsform nicht ankommt, kann es vorteilhaft sein, eine Verbindung zu wählen, die eine gewisse Relativbewegung zwischen den beiden verbundenen Bauteilen 11, 12 ermöglicht.

In dem metallischen Bauteil 12 ist ein Hauptkühlluftkanal 14 ausgebildet, der sich in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4 erstreckt und über eine Vielzahl von Kühl^¬ luftlöchern 15, die in dem metallischen Bauteil 12 ausgebildet sind, fluidtechnisch mit der Saugseite 9 des Schaufel^¬ blatts 4 verbunden ist. Ein zweiter Hauptkühlluftkanal 14 ist zwischen dem keramischen Abschnitt 11 und dem metallischen

Abschnitt 12 ausgebildet und erstreckt sich ebenfalls in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4. Innerhalb des zweiten Hauptkühlluftkanals 14 sind Abstandshalter 19 in Form von Streben vorgesehen. Die Streben 19 erstrecken sich in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4 über die gesamte Länge des zweiten Hauptkühlluftkanals 14. In der Figur 3 sind die Streben 19 angedeutet, deren Länge aller^¬ dings aus Gründen der Darstellungsperspektive nicht zu erken^¬ nen. Der zweite Hauptkühlluftkanal 14 ist über eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 15 mit der Hinterkante 6 fluidtechnisch verbunden. Zusätzlich ist der zweite Hauptkühlluftkanal 14 an den in der Figur 3 kenntlich gemachten Positionen I und II mit der Saugseite 9 und der Druckseite 10 fluidtechnisch ver^¬ bunden. Auf der Saugseite 9 und an der Hinterkante 6 sind Austrittsöffnungen 16 der Kühlluftlöcher 15 in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts 4 jeweils im Wesent^¬ lichen entlang einer Geraden und beabstandet zueinander angeordnet. Insgesamt gibt es drei Reihen von Kühlluftöffnungen 16, zwei auf der Saugseite 9 und eine an der Hinterkante 6. In der Figur 3 ist aufgrund der Perspektive jeweils nur ein Kühlluftloch 15 aus jeder der drei Reihen zu erkennen. Beide Hauptkühlluftkanäle 14 erstrecken sich in der Haupterstre^¬ ckungsrichtung R des Schaufelblatts 4. Die Pfeile an den Kühlluftlöchern 15 in der Figur 1 sollen eine mögliche Strö- mungsrichtung von Kühlluft andeuten.

Dadurch, dass das keramische Bauteil 11 in der dritten Aus^¬ führungsform einen Großteil der Druckseite 10 bildet, kann es die Turbinenschaufel 1 effizient vor den hohen druckseitigen Temperaturen schützen. Gleichzeitig erhöht sich die Lebens^¬ dauer des keramischen Bauteils 11, da es vornehmlich Druckkräften und nur in geringem Maße Zug-, Biege- und Scherkräf- ten ausgesetzt ist. Zudem bietet der Hauptkühlluftkanal 14 zwischen dem keramischen Bauteil 11 und dem metallischen Bauteil 12 den Vorteil, dass beispielsweise Wärme des während des Betriebs der Turbinenschaufel 1 aufgeheizten keramischen Abschnitts 11 unmittelbar an eine diesen Hauptkühlluftkanal 14 durchströmende Kühlluft abgegeben werden kann, ohne das metallische Bauteil 12 weiter aufzuheizen.

Bezüglich weiterer Vorteile der im Zusammenhang mit der Beschreibung der drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel erwähnten Merkmale oder Merkmalskombinatio^¬ nen wird auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche

1. Turbinenschaufel (1), insbesondere Lauf- oder Leitschau- fei, die einen Schaufelfuß (2), eine sich daran anschließende Plattform (3) und ein sich an der fußabgewandten Seite der Plattform (3) anschließendes Schaufelblatt (4) aufweist, das eine Vorderkante (5) und eine Hinterkante (6), die sich in einer Haupterstreckungsrichtung R von einem Wurzelbereich (7) zu einem Spitzenbereich (8) des Schaufelblatts (4) erstre^¬ cken, und eine Saugseite (9) und eine Druckseite (10), die sich zwischen der Vorderkante (5) und der Hinterkante (6) er^¬ strecken, umfasst und aus zumindest einem keramischen Bauteil (11) und zumindest einem metallischen Bauteil (12) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine kerami^¬ sche Bauteil (11) die Vorderkante (5) definiert und sich aus^¬ gehend von dieser zumindest entlang der Druckseite (10) er^¬ streckt .

2. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich das zumindest eine keramische Bauteil (11) über mindes^¬ tens 50 %, bevorzugt mindestens 60%, besser noch mindestens 75% der Länge der Druckseite (10) zwischen der Vorderkante (5) und der Hinterkante (6) erstreckt.

3. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich das zumindest eine keramische Bauteil (11) ausgehend von der Vorderkante (5) entlang der Saugseite (9) erstreckt, wo^¬ bei es maximal 60% der Saugseite (9) bildet, bevorzugt maxi^¬ mal 25%.

4. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich das zumindest eine keramische Bauteil (11) ausgehend von der Vorderkante (5) entlang der Druckseite (10) und der Saug^¬ seite (9) gleich weit erstreckt.

5. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zumindest eine keramische Bauteil (11) formschlüssig an dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) und/oder an der Plattform (3) befestigt ist.

6. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zumindest eine keramische Bauteil (11) mit dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) über eine Lötverbindung, insbesondere über eine duktile Lötverbindung, oder über eine Verbindung, die auf einem Bindemittel und einem Brennvorgang basiert, verbunden ist.

7. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) und/oder zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil (11) und dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) zumindest ein Hauptkühlluftkanal (14) ausgebildet ist, der fluidtechnisch mit der Druckseite (10) und/oder der Saugseite (9) und/oder der Hinterkante (6) verbunden ist und sich insbesondere in der Haupterstreckungsrichtung R des Schaufelblatts (4) er- streckt.

8. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die fluidtechnische Verbindung durch Kühlluftlöcher (15), insbesondere Kühlluftbohrungen, realisiert ist, die in dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) und/oder in dem zumindest einen keramischen Bauteil (11) ausgebildet sind.

9. Turbinenschaufel (1) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Vielzahl von Kühlluftlöchern (15) benachbart zu einem Übergangsbereich zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil (11) und dem zumindest einen metallischen Bauteil (12) angeordnet sind.

10. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass

Austrittsöffnungen (16) von zumindest einem Teil der Kühlluftlöcher (15) auf der Druckseite (10), der Saugseite (9) und/oder an der Hinterkante (6) des Schaufelblatts (4) in der Haupterstreckungsrichtung R im Wesentlichen entlang einer Geraden und beabstandet zueinander angeordnet sind.

11. Turbinenschaufel (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

innerhalb eines Kühlluftkanals (14) zwischen dem zumindest einen keramischen Bauteil (11) und dem zumindest einen metal^¬ lischen Bauteil (12) Abstandshalter (19), insbesondere in Form von Pins und/oder Streben, vorgesehen sind.

12. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zumindest eine metallische Bauteil (12) mit einer metal- lischen Schicht und einer daraufliegenden keramischen Schicht beschichtet ist.

13. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zumindest eine keramische Bauteil ein CMC-Material auf- weist oder daraus besteht.

14. Turbinenschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Schaufelblatt (4) aus genau einem keramischen Bauteil (11) und genau einem metallischen Bauteil (12) besteht.