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EP2002085A1 - Leitschaufelsegment einer thermischen strömungsmaschine, zugehöriges herstellungsverfahren sowie thermische strömungsmaschine - Google Patents

Leitschaufelsegment einer thermischen strömungsmaschine, zugehöriges herstellungsverfahren sowie thermische strömungsmaschine

Info

Publication number
EP2002085A1
EP2002085A1 EP07704682A EP07704682A EP2002085A1 EP 2002085 A1 EP2002085 A1 EP 2002085A1 EP 07704682 A EP07704682 A EP 07704682A EP 07704682 A EP07704682 A EP 07704682A EP 2002085 A1 EP2002085 A1 EP 2002085A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
platform
vane segment
fastening element
vane
fastening
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.)
Granted
Application number
EP07704682A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2002085B1 (de
Inventor
Katharina Bergander
Georg Bostanjoglo
Tobias Buchal
Winfried Esser
Dirk Goldschmidt
Torsten Koch
Rudolf Küperkoch
Thorsten Mattheis
Jan Münzer
Ralf Müsgen
Matthias Oechsner
Ursula Pickert
Volker Vosberg
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to PL07704682T priority Critical patent/PL2002085T3/pl
Priority to EP07704682A priority patent/EP2002085B1/de
Publication of EP2002085A1 publication Critical patent/EP2002085A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2002085B1 publication Critical patent/EP2002085B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/238—Soldering
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49323—Assembling fluid flow directing devices, e.g., stators, diaphragms, nozzles

Definitions

  • the invention relates to a vane segment of an ther ⁇ mischen turbomachine , in particular a gas turbine, with at least one profiled on a platform profiled blade, wherein at the substantially flat, the
  • Airfoil side facing away from the platform a number of fasteners for attachment of the vane segment is arranged on an associated vane carrier.
  • Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel to produce a Rotati ⁇ onsquel a turbine shaft used.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
  • Produced in the Brennkam ⁇ mer by the combustion of the fuel, under high pressure and high-temperature standing working medium is guided via a standardized downstream of the combustion chambers Turbinenein- where it is work-expanded.
  • a number of rotor blades which are usually combined into groups of blades or rows of blades, are arranged thereon, which conveyors, via a momentum transfer, out of the flow medium
  • the working fluid typically have a profiled, réellerecktes along a blade axis for the airfoil geeigne ⁇ th guidance on, to the end for attachment of the turbine blade at the respective Carrier body is formed transversely to the blade axis extending platform.
  • the top of the platform facing the airfoil forms an outer boundary surface for the hot gas flow channel of the gas turbine.
  • the platform of the respective vane usually has a number of hook-like fastening elements on its underside or rear side facing away from the vane blade.
  • a similar hook fastening of the axial space of two guide vanes of adjacent turbine stages bridging guide ring is known for example from EP 1 505 259 Al.
  • the vane is inserted with its fasteners or mounting hooks into corresponding receiving grooves of a vane carrier, aligned and then suitably, for. with the help of Stemmblechen, fixed.
  • an additional fastener is still provided by means of which the hook of the guide ring in the guide blade carrier can be further braced.
  • a plurality of circumferentially of the gas turbine mutually adjacent vane blades of a row of guide vanes can be arranged on a common platform, so that the complete, hereinafter referred to as vane ⁇ segment blade unit using the platform-side mounting hooks axially or in Circumferential direction in the associated vane carrier is inserted.
  • vane ⁇ segment blade unit using the platform-side mounting hooks axially or in Circumferential direction in the associated vane carrier is inserted.
  • vane in the following, especially in the claims, always include the case of a single vane with only one blade, unless this is not explicitly excluded.
  • the vane, or the complete routing ⁇ is vane segment as part of a casting made are such that the platform and the platform side fastening elements ⁇ integral mitgegossene components of the guide vane fei or nozzle segment.
  • a so-called wax pattern of the blade or of the blade segment is manufactured, which is subsequently provided by such ⁇ derholtes dipping into a ceramic mass with a ceramic coating ⁇ .
  • the invention is therefore based on the object of specifying a guide vane segment of the type mentioned, which is designed for simple and cost-effective production while avoiding casting problem zones for a particularly reliable and secure attachment to an associated vane carrier. Furthermore, a method suitable for the production of the vane segment should be specified.
  • the object is achieved in that at least one section of at least one of the fastening elements is a separately manufactured component which is fixedly connected to the side of the platform facing away from the airfoil.
  • the invention is based on the consideration that the casting material for the vane segment usually should be optimized to a high high-temperature strength back to stability as high operational safety and structural Sta ⁇ and a long service life of the immediacy ⁇ bar exposed to the hot working medium sections ,
  • such an interpretation is, as has now been found, may not be optimal for the functionally and structurally decoupled from the rest of the blade segment Be ⁇ fastening elements including the hook, which are exposed on the one hand by the upstream platform only a comparatively low thermal load, however on the other hand have to absorb relatively high mechanical loads and bearing ⁇ or holding forces.
  • the connecting element is expediently designed in the manner of a flat connection plate with a flat support surface ⁇ .
  • the connection element or the connection plate may ver ⁇ lowers in a corresponding recess of the platform may be arranged, in particular, thereby an easy to manufacture stator blade segment can be specified, since the geometry are difficult to access for the Gußher ein the Leitschaufelsegmenthaken has been eliminated.
  • the respective fastening element comprises a hook protruding from the platform, bent at an angle, which is adapted in its shape and contour to the associated receiving groove of a Leit ⁇ blade carrier.
  • a possible alternative to this is a substantially straight profile piece that is moved into a polygonal inclusion in the turbine housing a ⁇ .
  • the connecting element is positively fixed in a matched to the shape of the connecting element depression or groove of the platform.
  • a positive connection is for example given by the fact that the platform in the edge region of the recess or the groove has a number of projections which engage around the kausele ⁇ ment each on its side facing away from the support surface.
  • the connecting element is then laterally lent into the recess or the receiving groove of the platform is inserted and then fixed in a suitable manner to the case ⁇ play positively, positively and / or cohesively, against lateral slipping. Because the connection forces are essentially by the projections positively embracing the connecting element are received, the additional fixation must be designed only for relatively low loads.
  • a cohesive connection preferably by soldering or welding, may be provided.
  • the respective fastening element for a high mechanical load capacity is preferably produced integrally from a one-component workpiece.
  • the attachment hook can be milled or extruded as a straight profile piece and bent in a second operation in the required radius.
  • the buildin ⁇ actuating element is made of a nozzle segment in comparison to the remaining less resistant to high temperatures, but made tougher material.
  • the guide vane or Leitschau ⁇ felsegment for secure attachment to the guide vane on a plurality of fasteners preferably each of the fasteners is in the manner described above separately manufactured and ausgestaltetes component.
  • a gas turbine typically includes a plurality of turbine stages, each of the turbine stages including a plurality of stator vanes circumferentially around the flow passage on the turbine housing, which in their entirety form a row of vanes.
  • a ⁇ in each case a plurality of adjacent guide vanes to a guide blade segment or a "Mehrung" summarized in.
  • Each of the guide vanes the or each vane ⁇ segment expediently has a platform with hakenarti ⁇ gen fastening elements, wherein the specifications for the hooking profile with regard to bending angle and / or bending dius usually vary with the installation position, ie in particular depend on the turbine stage or the guide vane row.
  • the material selection for the fastener can be optimized to the Verhakungsan petitionen out, especially in terms of load bearing, wear and / or seal.
  • Leitschaufelsegmentes is much easier. Tolerances can be set or adhered to more easily.
  • An interlocking profile can be used as a standard for all turbine stages / performance classes and adapted to the respective intended use by different bending radii. Casting problem areas are avoided in the casting. The wax tools for the vanes are simpler, have fewer inserts or slides.
  • FIG. 2 shows a guide blade with a fastening element ge ⁇ according to a second embodiment
  • the illustrated in Figure 1 in a schematic side view cut-way and partially cut Leit ⁇ scoop 2 comprises a extending in the direction of the blade axis 4 profiled airfoil 6, to which in the region of the blade root a substantially transverse to the blade axis 4 oriented platform 8 is formed , In the installed state of the vane 2 which is oriented toward the blade 6 toward "top 10".
  • an outer Be ⁇ delimitation of a hot gas leading flow channel in a gas turbine (not shown) 12 or back of the platform 8 is a number of ha ⁇ kenartigen fasteners 14, by means of which the guide vane 2 in an associated vane support (not shown) mounted on the turbine housing / is attached.
  • the image section shown here is only one of the fastening elements 14 ⁇ visible, which is mounted with respect to the axial direction 16 near the trailing edge of the blade 6; another fastener is disposed in the vicinity of the leading edge not shown here.
  • the fastening element 14 is specifically adapted to the mechanical loads associated with the entanglement in the guide vane carrier in the case of a production that is simple and inexpensive.
  • the fastener 14 is designed as a separate, independent of the remaining vane 2 and only subsequently connected to her component, wherein the material used for the fastener 14 ⁇ material is less resistant to high temperatures, but it is tougher than the material from which the blade 6 and Platt ⁇ form are made. 8
  • the fastening element 14 comprises in addition to a projecting from the rear ⁇ side 12 of the platform 8, approximately at right angles angled mounting hook 18 thereon a molded connection plate 20 with a rectangular base.
  • the Verbin ⁇ manure plate 20 is positively deepening in an associated Ver ⁇ 21 of the platform 8 is fixed. With its flat bearing surface 22, the connecting plate 20 lies flat on the base surface of the recess 21. The depth of the recess 21 corresponds to the thickness of the connecting plate 20, so that in the edge area to the platform surface, an offset-free About ⁇ gear results.
  • two opposite Lekskan ⁇ th 24 of the connecting plate 20 are chamfered in the embodiment shown in FIG 1 that they are encompassed by complementary, parallel to the longitudinal edges 24 extending projections 26 on the edge of the platform-side recess 21 or edged.
  • the projections 26 thus form a perpendicular to the plane extending guide and mounting rail into which the connecting plate 20 for mounting the fastener 14th is inserted.
  • additional fixing means not shown here may be provided.
  • a shift in the other two spatial directions, so on the one hand parallel to the blade axis 4 and the other in the axial direction 16 is excluded by the positive attachment.
  • the fastening element 14 shown in FIG. 2 is arranged sunk in a corresponding recess 21 of the platform 8 analogously to the fastening element 14 according to FIG. 1 with its connecting plate 20, but in contrast to this is not fixed in a form-fitting manner. Rather, the connection is ⁇ plate 20 integrally connected by a number of solder bumps or soldered joints 28 between the bearing surfaces 22 with the platform. 8
  • the geometry of the solder joints hereby insomnia ⁇ should be gush running all over.
  • the selection of the soldering process is essentially influenced by the operating conditions at the soldering, the material pairing and the compatibility with other heat treatment requirements.
  • FIG 3 shows a variant in which only a äuße ⁇ res section 30 of the fastener 14 is a separately manufactured component, the rest of the part, however, integrally molded to the platform 8 and is cast together with it ⁇ sam.
  • the effectively acting as an "adapter" outer portion 30 has much like a cap for a bottle or a pipe, a skirt 32, with which it encloses the platform-side component of the Befest Whilesele ⁇ Mentes 14 at its outer end.
  • the dimensioning ⁇ ments are chosen such that prior to the introduction of a joining agent results in a loose, play-afflicted seat that can be adapted to the present at the site geometric requirements and thereby compensates manufacturing tolerances and variations.
  • the two components of the fastening element 14 are connected to one another by a soldering compound 36 introduced into the intermediate space 34 and subsequently solidified.

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Description

Beschreibung
Leitschaufelsegment einer thermischen Strömungsmaschine, zugehöriges Herstellungsverfahren sowie thermische Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelsegment einer ther¬ mischen Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem auf einer Plattform angeordneten profilier- ten Schaufelblatt, wobei an der im wesentlichen ebenen, dem
Schaufelblatt abgewandten Seite der Plattform eine Anzahl von Befestigungselementen zur Befestigung des Leitschaufelsegmentes an einem zugeordneten Leitschaufelträger angeordnet ist.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotati¬ onsbewegung einer Turbinenwelle benutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkam¬ mer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird über eine der Brennkammern nachgeschaltete Turbinenein- heit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind an diese eine Anzahl von üblicherweise zu Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Strömungsmedium die
Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Strömungsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benach¬ barten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. Die Turbinenschaufeln, insbe- sondere die Leitschaufeln, weisen üblicherweise zur geeigne¬ ten Führung des Arbeitsmediums ein profiliertes, entlang einer Schaufelachse erstrecktes Schaufelblatt auf, an das endseitig zur Befestigung der Turbinenschaufel am jeweiligen Trägerkörper eine sich quer zur Schaufelachse erstreckende Plattform angeformt ist. Die dem Schaufelblatt zugewandte Oberseite der Plattform bildet eine äußere Begrenzungsfläche für den Heißgas führenden Strömungskanal der Gasturbine.
Zur einfachen und sicheren Montage und Fixierung an einem mit dem Turbinengehäuse verbundenen Leitschaufelträger weist die Plattform der jeweiligen Leitschaufel üblicherweise an ihrer vom Schaufelblatt abgewandten Unterseite oder Rückseite eine Anzahl von hakenartigen Befestigungselementen auf. Eine gleichartige Hakenbefestigung eines den axialen Zwischenraum von zwei Leitschaufeln benachbarter Turbinenstufen überbrückenden Führungsrings ist beispielsweise aus der EP 1 505 259 Al bekannt. Zur Montage wird die Leitschaufel mit ihren Befestigungselementen oder Befestigungshaken in korrespondierende Aufnahmenuten eines Leitschaufelträgers eingeschoben, ausgerichtet und anschließend auf geeignete Weise, z.B. mit Hilfe von Stemmblechen, fixiert. Im Falle des vorgenannten Führungsringes ist gemäß der EP 1 505 259 Al noch ein zusätzlicher Befestiger vorgesehen, mittels dem der Haken des Führungsringes im Leitschaufelträger weiter verspannt werden kann.
Zur Verringerung des Herstellungs- oder Montageaufwandes können auch mehrere von in Umfangsrichtung der Gasturbine zueinander benachbarten Leitschaufelblättern einer Leitschaufelreihe auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet sein, so dass die komplette, im Folgenden als Leitschaufel¬ segment bezeichnete Schaufeleinheit mit Hilfe der plattform- seitigen Befestigungshaken axial oder in Umfangsrichtung in den zugehörigen Leitschaufelträger einschiebbar ist. Zur Vereinfachung der Sprechweise soll der Begriff
„Leitschaufelsegment" im Folgenden, insbesondere auch in den Ansprüchen, immer auch den Fall einer einzelnen Leitschaufel mit nur einem Schaufelblatt beinhalten, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Üblicherweise wird die Leitschaufel oder das komplette Leit¬ schaufelsegment im Rahmen eines Gießverfahrens hergestellt, so dass die Plattform und die plattformseitigen Befestigungs¬ elemente integrale, mitgegossene Bestandteile der Leitschau- fei oder des Leitschaufelsegmentes sind. Dazu wird in einem ersten Schritt ein so genanntes Wachsmodell der Schaufel oder des Schaufelsegmentes gefertigt, das anschließend durch wie¬ derholtes Eintauchen in eine Keramikmasse mit einem Keramik¬ überzug versehen wird. Sobald dieser eine ausreichende Dicke aufweist, wird das mit dem Keramiküberzug versehene Wachsmo¬ dell ausgebrannt, wobei sich die Keramik verfestigt und das verflüssigte oder verdampfte Wachs entfernt wird. Die auf diese Weise erhaltene Negativ-Gießform aus Keramik wird schließlich mit dem metallischen Schaufelwerkstoff ausgegos- sen. Nach dem Erstarren der Schmelze und dem Entfernen der schalenartigen äußeren Gießform werden gegebenenfalls noch im Schaufelkörper verbliebene keramische Kernelemente, welche zuvor zur Ausbildung von in den Schaufelkörper integrierten Hohlräumen oder Kühlkanälen eingebracht waren, durch Auslau- gen mit Natronlauge oder dergleichen entfernt.
Die hakenartig von der Plattform abstehenden Befestigungsele¬ mente verursachen im Rahmen des Fertigungsprozesses in mehr¬ facher Hinsicht Schwierigkeiten. Bereits die Herstellung des Wachsmodells ist relativ umständlich, da zur Ausbildung der
Befestigungshaken vergleichsweise komplexe Wachswerkzeuge mit einer Vielzahl so genannter Maskenelemente oder Schieber erforderlich sind. Auch in gießtechnischer Hinsicht stellen die Befestigungshaken Problembereiche dar, da die Hinterschnitte beim Aufbau der Formschale nur schlecht besandet werden kön¬ nen und beim anschließenden Gießvorgang aufgrund ihrer exponierten Lage immer zur Ausbildung von Lunkerfeldern, d. h. zu durch Wärmeschrumpfung im auskühlenden Bauteil verursachten Materialfehlern, neigen.
Zudem ist es häufig schwierig, die für einen passgenauen Sitz des Befestigungshakens in der zugehörigen Aufnahmenut erfor¬ derlichen Toleranzen einzuhalten, insbesondere bei Ausfüh- rungsvarianten mit verhältnismäßig kleinen Krümmungsradien. Damit können an dieser Stelle im späteren Betrieb der Turbine auch Abdichtungsprobleme auftreten. Schließlich hat sich gezeigt, dass die Befestigungshaken oftmals auch in Bezug auf ihr Verschleißverhalten bei betrieblicher Beanspruchung und in Bezug auf die zulässige maximale Lastaufnahme Schwachstel¬ len der Turbinenschaufeln darstellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Leit- schaufelsegment der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung unter Vermeidung gießtechnischer Problemzonen für eine besonders zuverlässige und sichere Befestigung an einem zugeordneten Leitschaufelträger ausgelegt ist. Weiterhin soll ein zur Herstel- lung des Leitschaufelsegmentes geeignetes Verfahren angegeben werden .
In Bezug auf das Leitschaufelsegment wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest ein Teilstück mindestens eines der Be- festigungselemente ein fest mit der dem Schaufelblatt abgewandten Seite der Plattform verbundenes, separat hergestelltes Bauteil ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Gusswerkstoff für das Leitschaufelsegment üblicherweise auf eine hohe Hochtemperaturfestigkeit hin optimiert sein sollte, um so eine hohe betriebliche Sicherheit und strukturelle Sta¬ bilität sowie eine möglichst lange Lebensdauer der unmittel¬ bar dem heißen Arbeitsmedium ausgesetzten Teilbereiche, ins- besondere der in den Strömungskanal der Gasturbine hineinra¬ genden Schaufelblätter und der dem Strömungskanal zugewandten Oberseite der Plattform, zu gewährleisten. Eine derartige Auslegung ist jedoch, wie sich nunmehr herausgestellt hat, möglicherweise nicht optimal für die funktionell und auch strukturell vom restlichen Schaufelsegment entkoppelten Be¬ festigungselemente einschließlich der Haken, die einerseits durch die vorgelagerte Plattform einer nur vergleichsweise geringen thermischen Belastung ausgesetzt sind, die jedoch andererseits relativ hohe mechanische Belastungen und Lager¬ oder Haltekräfte aufnehmen müssen. Zur Vermeidung der bislang bestehenden Nachteile wird gemäß dem hier vorgestellten Konzept vorgeschlagen, die funktionell vom restlichen Leitschaufelsegment entkoppelten Befestigungselemente, sprich den bzw. die Befestigungshaken, separat unter Verwendung eines konsequent an die jeweilige technische Funktion angepassten Werkstoffes herzustellen und erst im Anschluss daran mit Hilfe eines geeigneten Fügeverfahrens mit dem restlichen Befestigungselement oder mit der Plattform des beispielsweise in bewährter Gießtechnik hergestellten, d. h. integral ausgeführten, restlichen Leitschaufelsegmentes zu verbinden .
Zur dauerhaften Verbindung mit der Plattform der Leitschaufel oder des Leitschaufelsegmentes umfasst das jeweilige Befesti¬ gungselement vorzugsweise ein mit einer Auflagefläche auf der rückseitigen, heißgasabgewandten Seite der Plattform aufliegendes Verbindungselement. Für eine besonders gleichmäßige Verteilung von Auflage- oder Verbindungskräften und für eine präzise Ausrichtbarkeit des Befestigungselementes relativ zur Plattform ist das Verbindungselement zweckmäßigerweise in der Art einer flachen Verbindungsplatte mit einer ebenen Auflage¬ fläche ausgeführt. Zur Realisierung einer geringen Einbauhöhe kann das Verbindungselement oder die Verbindungsplatte ver¬ senkt in einer korrespondierenden Vertiefung der Plattform angeordnet sein, wobei insbesondere hierdurch eine einfach herzustellendes Leitschaufelsegment angegeben werden kann, da die für die Gußherstellung schwer zugängliche Geometrie der Leitschaufelsegmenthaken eliminiert worden ist.
Es kann vorteilhaft sein, nur ein äußeres, plattformabgewand- tes Teilstück des jeweiligen Befestigungselementes separat zu fertigen und dieses äußere Teilstück mit einem an die Platt- form angeformten, inneren Teilstück zu verbinden, zum Beispiel mit Hilfe einer „ausgleichenden" Fügung, insbesondere durch Löten. Dadurch kann das die Plattform und das angeformte Teilstück des Befestigungselementes umfassende Gussteil mit vergleichsweise grob gewählten Toleranzen hergestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, das komplette Befestigungselement als separates Bauteil herzustellen.
Bei dieser zumindest zweikomponentigen Ausführung des Leitschaufelsegmentes kann nicht nur die Werkstoffauswahl für die Befestigungselemente im Hinblick auf die Anforderungen der „verhakten" Befestigung am Leitschaufelträger optimiert werden, zum Beispiel in Bezug auf Lastaufnahme, Verschleiß und/oder Dichtung; darüber hinaus entfallen beispielsweise auch die eingangs geschilderten Schwierigkeiten bei der Herstellung des Wachsmodells oder beim Gießvorgang. Trotz des mit dem Fügevorgang einhergehenden zusätzlichen Fertigungsschrittes wird die Fertigung des Leitschaufelsegmentes damit insgesamt wesentlich einfacher.
In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung umfasst das jeweilige Befestigungselement einen von der Plattform abstehenden, winklig abgebogenen Befestigungshaken, der in seiner Formge- bung und Kontur an die zugeordnete Aufnahmenut eines Leit¬ schaufelträgers angepasst ist. Eine mögliche Alternative hierzu stellt ein im Wesentlichen gerades Profilstück dar, das in eine polygonartige Aufnahme im Turbinengehäuse ein¬ führbar ist.
Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement formschlüssig in einer auf die Form des Verbindungselementes abgestimmten Vertiefung oder Nut der Plattform fixiert. Eine derart formschlüssige Verbindung ist beispielsweise dadurch gegeben, dass die Plattform im Randbereich der Vertiefung oder der Nut eine Anzahl von Vorsprüngen aufweist, die das Verbindungsele¬ ment jeweils an seiner der Auflagefläche abgewandten Seite umgreifen. Zur Montage des Befestigungselementes an der Plattform wird dann zum Beispiel das Verbindungselement seit- lieh in die Vertiefung oder die Aufnahmenut der Plattform eingeschoben und anschließend auf geeignete Weise, zum Bei¬ spiel form-, kraft- und/oder stoffschlüssig, gegen seitliches Wegrutschen fixiert. Da die Verbindungskräfte im Wesentlichen durch die das Verbindungselement formschlüssig umgreifenden Vorsprünge aufgenommen werden, muss die zusätzliche Fixierung lediglich für verhältnismäßig geringe Belastungen ausgelegt sein .
Anstelle der formschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der Plattform oder zusätzlich dazu kann auch eine Stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise durch Löten oder Verschweißen, vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird das jeweilige Befestigungselement für eine hohe mechanische Belastbarkeit integral aus einem einkompo- nentigen Werkstück hergestellt. Dabei kann zum Beispiel der Befestigungshaken als gerades Profilstück gefräst oder stranggepresst und in einem zweiten Arbeitsgang in den erforderlichen Radius gebogen werden. Vorzugsweise ist das Befes¬ tigungselement aus einem im Vergleich zum restlichen Leitschaufelsegment weniger hochtemperaturfesten, dafür aber zäheren Werkstoff hergestellt.
Zweckmäßigerweise weist die Leitschaufel oder das Leitschau¬ felsegment für eine sichere Befestigung am Leitschaufelträger eine Mehrzahl von Befestigungselementen auf, wobei vorzugsweise jedes der Befestigungselemente ein in der oben be- schriebenen Weise separat hergestelltes und ausgestaltetes Bauteil ist.
Üblicherweise weist eine Gasturbine mehrere Turbinenstufen auf, wobei jede der Turbinenstufen eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um den Strömungskanal herum am Turbinengehäuse angeordneten Leitschaufeln umfasst, die in ihrer Gesamtheit eine Leitschaufelreihe bilden. Dabei können, wie bereits ein¬ gangs erwähnt, jeweils mehrere benachbarte Leitschaufeln zu einem Leitschaufelsegment oder einem „Mehrung" zusammenge- fasst sein. Jede der Leitschaufeln oder jedes Leitschaufel¬ segment weist zweckmäßigerweise eine Plattform mit hakenarti¬ gen Befestigungselementen auf, wobei die Vorgaben für das Verhakungsprofil hinsichtlich Biegewinkel und/oder Biegera- dius in der Regel mit der Einbauposition variieren, d. h. insbesondere von der Turbinenstufe beziehungsweise von der Leitschaufelreihe abhängen. Besonders vorteilhaft ist in die¬ sem Zusammenhang eine normierte oder standardisierte Ausfüh- rung der Verbindungselemente und der korrespondierenden plattformseitigen Aufnahmen oder Vertiefungen, mittels derer die Befestigungselemente mit der jeweiligen Plattform verbunden sind. Auch das jeweilige Profilstück, aus dem durch Biegen der Befestigungshaken entsteht, kann im ursprünglichen „Rohzustand" für alle Befestigungselemente gleich aussehen. Ein und dasselbe Befestigungselement kann damit im Prinzip für alle Turbinenstufen einer Turbine verwendet werden; lediglich der Biegeradius und/oder der Biegewinkel des Befes¬ tigungshakens muss an den jeweiligen Einsatzort bzw. an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden. Zweckmäßigerweise erfolgt das Biegen des Profilstücks noch vor der Ver¬ bindung des Verbindungselements mit der Plattform des Leit¬ schaufelsegmentes, weil dies die Handhabung und die Durchfüh¬ rung des Biegevorganges erleichtert. Es ist im Prinzip aber auch möglich, erst nach der Verbindung von Befestigungselement und Plattform den Befestigungshaken in die gewünschte oder erforderliche Form zu biegen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re in folgenden Punkten:
Die Werkstoffauswahl für das Befestigungselement kann auf die Verhakungsanforderungen hin optimiert werden, insbesondere in Bezug auf Lastaufnahme, Verschleiß und/oder Dichtung.
Die Fertigung der Leitschaufel oder des
Leitschaufelsegmentes wird insgesamt wesentlich einfacher. Toleranzen können einfacher eingestellt bzw. eingehalten werden . - Ein Verhakungsprofil kann als Standard für weitgehend alle Turbinenstufen/Leistungsklassen verwandt und durch unterschiedliche Biegeradien an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden. Im Gussteil werden gießtechnische Problemzonen vermieden. Die Wachswerkzeuge für die Leitschaufeln werden einfacher, haben weniger Einsätze oder Schieber.
Die Vorteile wiegen bei einem Leitschaufelsegment mit mehre¬ ren Schaufelblättern auf einer gemeinsamen Plattform noch stärker als bei einer Einzelschaufel.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 eine Leitschaufel mit einem Befestigungselement ge¬ mäß einer ersten Ausführungsform,
FIG 2 eine Leitschaufel mit einem Befestigungselement ge¬ mäß einer zweiten Ausführungsform, und
FIG 3 eine Leitschaufel mit einem Befestigungselement ge¬ mäß einer dritten Ausführungsform.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei¬ chen versehen.
Die in FIG 1 in einer schematischen Seitenansicht aus- schnittsweise und teilweise geschnitten dargestellte Leit¬ schaufel 2 umfasst ein sich in Richtung der Schaufelachse 4 erstreckendes profiliertes Schaufelblatt 6, an das im Bereich der Schaufelwurzel eine im Wesentlichen quer zur Schaufelachse 4 orientierte Plattform 8 angeformt ist. Im eingebauten Zustand der Leitschaufel 2 bildet die zum Schaufelblatt 6 hin orientierte „Oberseite 10" der Plattform 8 eine äußere Be¬ grenzung eines Heißgas führenden Strömungskanals in einer Gasturbine (nicht dargestellt) . An der vom Schaufelblatt 6 abgewandten, im wesentlichen ebenen „Unterseite" 12 oder Rückseite der Plattform 8 befindet sich eine Anzahl von ha¬ kenartigen Befestigungselementen 14, mittels derer die Leitschaufel 2 in einem zugeordneten Leitschaufelträger (nicht dargestellt) am Turbinengehäuse eingehängt/befestigt ist. Im hier gezeigten Bildausschnitt ist nur eines der Befestigungs¬ elemente 14 sichtbar, welches in Bezug auf die Axialrichtung 16 nahe der Austrittskante des Schaufelblatts 6 angebracht ist; ein weiteres Befestigungselement ist in der Nähe der hier nicht mehr dargestellten Eintrittskante angeordnet.
Das Befestigungselement 14 ist bei einfach und kostengünstig gehaltener Fertigung spezifisch an die mit der Verhakung im Leitschaufelträger verbundenen mechanischen Belastungen ange- passt. Dazu ist das Befestigungselement 14 als separates, unabhängig von der restlichen Leitschaufel 2 hergestelltes und erst nachträglich mit ihr verbundenes Bauteil ausgeführt, wobei der für das Befestigungselement 14 eingesetzte Werk¬ stoff weniger hochtemperaturbeständig, dafür aber zäher ist als der Werkstoff, aus dem das Schaufelblatt 6 und die Platt¬ form 8 hergestellt sind.
Das Befestigungselement 14 umfasst neben einem von der Rück¬ seite 12 der Plattform 8 abstehenden, annähernd rechtwinklig abgewinkelten Befestigungshaken 18 eine daran angeformte Verbindungsplatte 20 mit rechteckiger Grundfläche. Die Verbin¬ dungsplatte 20 ist formschlüssig in einer zugeordneten Ver¬ tiefung 21 der Plattform 8 fixiert. Mit ihrer ebenen Auflagefläche 22 liegt die Verbindungsplatte 20 plan auf der Grund- fläche der Vertiefung 21 auf. Die Tiefe der Vertiefung 21 entspricht der Dicke der Verbindungsplatte 20, so dass sich im Randgebiet zur Plattformoberfläche ein versatzfreier Über¬ gang ergibt .
Zur Realisierung der formschlüssigen Verbindung sind im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 zwei gegenüberliegende Längskan¬ ten 24 der Verbindungsplatte 20 derart abgeschrägt, dass sie von dazu komplementären, parallel zu den Längskanten 24 verlaufenden Vorsprüngen 26 am Rand der plattformseitigen Ver- tiefung 21 umgriffen beziehungsweise eingefasst werden. Die Vorsprünge 26 bilden damit eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Führungs- und Befestigungsschiene, in die die Verbindungsplatte 20 zur Montage des Befestigungselementes 14 eingeschoben wird. Um ein unerwünschtes Verrutschen oder Verschieben in dieser Richtung zu verhindern, können zusätzliche, hier nicht dargestellte Fixiermittel vorgesehen sein. Eine Verlagerung in den anderen beiden Raumrichtungen, also zum einen parallel zur Schaufelachse 4 und zum anderen in axialer Richtung 16, ist durch die formschlüssige Anbringung ausgeschlossen. Entsprechende Lager- und Haltekräfte werden in erster Linie von den abgeschrägten Längskanten 24 der Verbindungsplatte 20 und den korrespondierenden plattformseiti- gen Vorsprüngen 26 aufgenommen. Bei entsprechend groß gewählter Kantenlänge der Verbindungsplatte 20 sind die pro Längen¬ abschnitt wirksamen Kräfte relativ klein und somit gut be¬ herrschbar. Es versteht sich von selbst, dass der Fachmann zahlreiche Details der Verbindung zwischen Befestigungsele- ment 14 und Plattform 20 abändern kann, ohne von dem in FIG 1 dargestellten Prinzip des Formschlusses abzuweichen.
Das in FIG 2 dargestellte Befestigungselement 14 ist analog zu dem Befestigungselement 14 nach FIG 1 mit seiner Verbin- dungsplatte 20 in einer zugehörigen Vertiefung 21 der Plattform 8 versenkt angeordnet, jedoch im Unterschied zu diesem nicht formschlüssig fixiert. Vielmehr ist die Verbindungs¬ platte 20 durch eine Anzahl von Lötpunkten oder Lötstellen 28 zwischen den Auflageflächen 22 stoffschlüssig mit der Platt- form 8 verbunden. Für die benötigte Hochtemperaturlötung stehen eine große Zahl von Loten/Wärmebehandlungen kommerziell zur Verfügung, wobei die Geometrie der Lötstellen zweckmäßi¬ gerweise voll flächig ausgeführt sein sollte. Die Auswahl des Lötverfahrens wird im Wesentlichen beeinflusst durch die Be- triebsbedingungen an der Lötung, die Materialpaarung und die Vereinbarkeit mit sonstigen Wärmebehandlungsanforderungen.
Schließlich zeigt FIG 3 eine Variante, bei der nur ein äuße¬ res Teilstück 30 des Befestigungselementes 14 ein separat hergestelltes Bauteil ist, der restliche Teil jedoch integral an die Plattform 8 angeformt beziehungsweise mit ihr gemein¬ sam gegossen ist. Das gewissermaßen als „Adapter" wirksame äußere Teilstück 30 weist ähnlich wie eine Verschlusskappe für eine Flasche oder ein Rohr eine Einfassung 32 auf, mit der es die plattformseitige Komponente des Befestigungsele¬ mentes 14 an deren äußeren Ende umschließt. Die Dimensionie¬ rungen sind derart gewählt, dass sich vor dem Einbringen eines Fügemittels ein lockerer, spielbehafteter Sitz ergibt, der an die am jeweiligen Einsatzort bestehenden geometrischen Vorgaben angepasst werden kann und dabei fertigungsbedingte Toleranzen und Schwankungen ausgleicht. Nach einer derartigen Lageanpassung werden die beiden Komponenten des Befestigungs- elementes 14 durch eine in den Zwischenraum 34 eingebrachte und anschließend erstarrte Lötmasse 36 miteinander verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufelsegment (2) für eine thermischen Strömungsma¬ schine, mit mindestens einem auf einer Plattform (8) angeordneten profilierten Schaufelblatt (6), wobei an der im wesentlichen ebenen dem Schaufelblatt (6) abgewandten Seite der Plattform (8) eine Anzahl von Befestigungselementen (14) zur Befestigung des Leitschaufelsegmentes (2) an einem zugeordneten Leitschaufelträger vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstück mindestens eines der Befestigungs¬ elemente (14) ein fest mit der dem Schaufelblatt (6) abgewandten Seite der Plattform (8) verbundenes, separat hergestelltes Bauteil ist.
2. Leitschaufelsegment nach Anspruch 1, bei dem das jeweilige Befestigungselement (14) ein mit einer Auflagefläche (22) auf der Plattform (8) aufliegendes Verbindungselement umfasst.
3. Leitschaufelsegment nach Anspruch 1, bei dem das jeweilige Befestigungselement (14) ein mit einer Auflagefläche (22) in der Plattform (8) versenktes Verbindungselement umfasst.
4. Leitschaufelsegment (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das komplette Befestigungselement (14) ein separat hergestelltes Bauteil ist.
5. Leitschaufelsegment (2) nach Anspruch 4, bei dem das Befestigungselement (14) integral aus einem einkomponentigen Werkstück herstellt ist.
6. Leitschaufelsegment (2) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das jeweilige Befestigungselement (14) aus einem im Vergleich zu der Plattform (8) und/oder zu dem Schaufelblatt (6) zäheren Werkstoff hergestellt ist.
7. Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das jeweilige Befestigungselement (14) einen von der Plattform (8) abstehenden Befestigungshaken (18) um- fasst .
8. Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Verbindungselement eine Verbindungsplatte (20) ist.
9. Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das Verbindungselement formschlüssig in einer auf die Form des Verbindungselementes abgestimmten Vertiefung (21) oder Nut der Plattform (8) fixiert ist.
10. Leitschaufelsegment (2) nach Anspruch 9, bei dem die Plattform (8) im Randbereich der Vertiefung (21) oder der Nut eine Anzahl von Vorsprüngen (26) aufweist, die das Verbindungselement jeweils an seiner der Auflagefläche (22) abgewandten Seite umgreifen.
11. Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Befestigungselement (14) oder dessen separat hergestelltes Teilstück (30) Stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten, mit der Plattform (8) oder mit dem restlichen Teil des Befestigungselementes (14) verbunden ist.
12. Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Mehrzahl von Schaufelblättern (6) auf einer gemeinsamen Plattform (8) .
13. Thermische Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit mindestens einem Leitschaufelsegment (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelsegmentes (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem aus einem ein längliches Profilstück umfassenden Werkstück ein Befestigungselement (14) mit einem Befesti- gungshaken (18) hergestellt wird, indem das Profilstück durch Biegen zu dem Befestigungshaken (18) verformt wird, und wobei anschließend das Befestigungselement (14) kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Plattform (8) verbunden wird.
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