EP2299056A1

EP2299056A1 - Kühlung eines Gasturbinenbauteils ausgebildet als Rotorscheibe oder Turbinenschaufel

Info

Publication number: EP2299056A1
Application number: EP09011282A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmed; Harald Hoell; Karsten Dr. Kolk; Harald Nimptsch; Werner Dr. Setz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-23
Also published as: JP2013503289A; US8956116B2; WO2011026903A1; RU2012112591A; US20120207615A1; RU2547354C2; EP2473710A1; CN102482944B; CN102482944A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil (2, 50), beispielsweise eine Turbinenschaufel (2) oder eine Rotorscheibe (50). Um eine Verlängerung der Lebensdauer des entsprechenden Bauteils (2, 50) durch Reduzierung der thermisch oder mechanisch bedingten Spannungskonzentration in unmittelbarer Umgebung eines in einer Oberfläche (37, 58) mündenden Kanals (34, 64) zu erreichen, ist zumindest eine nutartige Ausnehmung (40, 66) in Wirknähe der Mündungsstelle vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil mit zumindest einem in einer Oberfläche mündenden Kanal.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von gattungsgemäßen Gasturbinenbauteilen bekannt. Unter dem eingangs genannten Gasturbinenbauteil kann beispielsweise eine Turbinenschaufel mit Kühlluftöffnungen verstanden werden, die in der von Heißgas umströmten Oberfläche der Turbinenschaufel beispielsweise als Filmkühlöffnungen münden. Ebenso ist unter einem Gasturbinenbauteil im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung eine Rotorscheibe für eine Gasturbine zu verstehen, in der zumeist radial verlaufende Bohrungen zur Durchleitung von Luft angeordnet sind. Auch aus dem Stand der Technik bekannte Turbinenleitschaufelträger weisen Kanäle zur Durchleitung von später zur Kühlung verwendeter Kühlluft auf, die in seiner Oberfläche münden.
Allen genannten Gasturbinenbauteilen ist gemein, dass das den Kanal unmittelbar umgebende Material besonderen Belastungen ausgesetzt ist. Im Falle von Turbinenleitschaufeln und Laufschaufeln treten besonders thermische und mechanische Belastungen auf. Ebenso sind Rotorscheiben aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte besonders mechanisch belastet. Auch zyklische Belastungen können auftreten. Die Belastungen führen zu Spannungen, die aufgrund des Vorhandenseins der zumeist durch Bohren hergestellten Kanäle oberflächennah in unmittelbarer Umgebung des Kanals weiter erhöht sind (Spannungskonzentrationen). Unabhängig vom Ursprung der Belastung können die Erhöhungen unzulässig groß sein, was die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile beschränkt.
Daher können in den eingangs genannten Bauteilen ausgehend vom Mündungsbereich der Kanäle Risse entstehen, die überwacht werden müssen und die bei Überschreiten einer kritischen Risslänge zum Austausch der Bauteile führen.
Auch kann es sein, dass bei der Konstruktion der Bauteile durchgeführte Rechnungen aufzeigen, dass wegen einer zu geringen Anriss-Lastwechselzahl die gewünschte rechnerische Lebensdauer nicht erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines zuverlässigen Gasturbinenbauteils mit verlängerter Lebensdauer.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Gasturbinenbauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Oberfläche neben der Mündungsstelle, d. h. in Wirknähe, zumindest eine nutartige Ausnehmung zur Senkung der Spannungskonzentration vorhanden ist. Durch das Vorsehen von erfindungsgemäßen Nuten, die blind endende Ausnehmungen darstellen, wird die Spannungskonzentration im unmittelbaren Umfeld des in der Oberfläche mündenden Kanalabschnitts reduziert. Durch die Reduktion der Spannungskonzentration wird die Materialermüdung aufgrund zyklischer Belastungsänderungen und damit das Risiko des Entstehens von Ermüdungsrissen verringert. Sollten tatsächlich Risse auftreten, ist deren Wachstum entsprechend verlangsamt. Folglich weist das erfindungsgemäße Gasturbinenbauteil die gewünschte Lebensdauerverlängerung auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Gasturbinenbauteil als Rotorscheibe für eine Gasturbine ausgebildet. Vorzugsweise ist die Rotorscheibe als Turbinenscheibe ausgebildet und weist eine Anzahl von entlang des Umfangs verteilten Haltenuten für Laufschaufeln auf, deren Wände Oberfläche aufweisen und wobei zumindest neben einem der in der betreffenden Oberfläche mündenden Kanäle jeweils die zumindest eine nutartige Ausnehmung angeordnet ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Gasturbinenbauteil ausgebildet als Turbinenschaufel mit einer Anzahl von in einer von Heißgas umströmbaren Oberfläche mündenden Kanälen, von denen zumindest einer der Kanäle neben seiner Mündungsstelle in der Oberfläche die zumindest eine nutartige Ausnehmung zur Senkung der Spannungskonzentration aufweist.
Die erfindungsgemäße Anordnung bietet sich somit einerseits für Rotorscheiben an, in denen Bohrungen zur Durchleitung von Kühlluft vorhanden sind. Dabei kann es sich um Turbinenscheiben handeln, an deren Außenumfang Turbinenlaufschaufeln in entsprechende Haltenuten eingesetzt sind oder es kann sich auch um Verdichterscheiben handeln, die zur Entnahme von Verdichterluft im verdichterseitigen Abschnitt des Rotors eingesetzt werden.
Andererseits wird die Erfindung besonders vorteilhaft in Turbinenschaufeln angewendet, in denen zumeist zylindrisch ausgebildete Kühlluftaustrittsöffnungen in einer von Heißgas umströmbaren Oberfläche münden. Da insbesondere die in einer Anströmkante des Schaufelblatts einer Turbinenschaufel angeordneten Kühlkanalaustritte den höchsten thermischen Belastungen ausgesetzt sind, bietet es sich an, gerade diese mit Hilfe der erfindungsgemäßen nutartigen Ausnehmung vor Rissentstehung zu schützen und das Wachstum doch entstandener Risse zu verlangsamen.
Zweckmäßigerweise ist der zumindest eine Kanal zum Führen von Kühlmittel als Bohrung ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Rotorscheibe weist zwei Ausnehmungen auf, die bei einer senkrecht zur Rotationsachse der Rotorscheibe gemachten Querschnittsbetrachtung beidseits der Kanalmündung angeordnet sind. Mit anderen Worten: die Haltenuten, in denen die Laufschaufeln der Gasturbine eingesetzt sind, weisen Wände auf, die zum einen eine Nutgrundfläche und zum anderen zwei einander gegenüberliegende, zumindest teilweise gewellte sich zum Außenrand der Rotorscheibe erstreckende Flankenflächen umfassen, wobei im Übergang von Nutgrundfläche zur jeweiligen Flankenfläche jeweils eine der Ausnehmungen angeordnet ist.
Die Ausnehmungen können dabei in ihrer Kontur beliebig sein. Vorzugsweise ist die Kontur hauptsächlich rechteckig, jedoch mit abgerundeten Ecken zwischen den Seitenwänden. Gleichfalls ist der Übergang der Seitenwände der Ausnehmung zur Bodenfläche verrundet. Beides dient zur Verminderung und Vermeidung von Kerbspannungen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die nutartige Ausnehmung als endlose Nut ausgebildet sein, welche die Mündungsstelle des betreffenden Kanals umgreift. Weiter bevorzugt ist die endlose Nut kreisrund und konzentrisch zum Mündungsabschnitt des betreffenden Kanals angeordnet. Insbesondere sind zwei, ggf. mehr Nuten konzentrisch um den Mündungsabschnitt des betreffenden Kanals angeordnet, wobei diese auch unterschiedliche Nuttiefen aufweisen können. Sofern die nutartige Ausnehmung als endlose Nut ausgebildet ist, kann diese besonders bevorzugt bei der Rotorscheibe und bei der Turbinenschaufel eingesetzt werden. Anstelle einer kreisrunden endlosen Nut kann diese selbstverständlich auch elliptisch sein.
Insgesamt wird mit der Erfindung ein Gasturbinenbauteil mit einer verlängerten Lebensdauer angegeben. Die Lebensdauerverlängerung wird erreicht anhand einer Spannungsreduzierung in denjenigen Bereichen des Gasturbinenbauteils, die aufgrund eines dort angeordneten Kanals eine für diesen Bereich unzulässig hohe Spannungskonzentration aufweisen konnte. Durch die Spannungsreduzierung wird zudem das Betriebsrisiko einer mit dem Bauteil ausgestatteten Gasturbine minimiert, da im Bauteil nunmehr seltener Risse entstehen.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
Im Einzelnen zeigen:

FIG 1: eine Seitenansicht auf eine Turbinenschaufel,
FIG 2: den Querschnitt durch das Schaufelblatt der Turbi- nenschaufel aus FIG 1,
FIG 3: einen Ausschnitt einer perspektivischen Darstellung einer Rotorscheibe einer Gasturbine und
FIG 4: den Ausschnitt nach FIG 3 aus einer anderen Perspektive.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen.
Eine Turbinenschaufel 2 nach FIG 1 ist als Leitschaufel für eine hier nicht weiter dargestellte Gasturbine ausgebildet. Sie umfasst einen Fußabschnitt 4 und einen Spitzenabschnitt 6 mit dazugehörigen Plattformen 8, 10 und einem dazwischen liegenden, sich in Längsrichtung L erstreckenden Schaufelblatt 12. Das aerodynamisch gekrümmte Schaufelblatt 12 weist eine sich ebenfalls im Wesentlichen in Längsrichtung L erstreckende Vorderkante 14 und eine Hinterkante 16 mit dazwischen liegenden Seitenwänden 18 auf. Die Turbinenschaufel 2 wird über den Fußabschnitt 4 am Innengehäuse der Turbine fixiert, wobei die zugehörige Plattform 8 ein den Strömungsweg des Heißgases in der Gasturbine begrenzendes Wandelement bildet. Die der Turbinenwelle gegenüberliegende spitzenseitige Plattform 10 bildet eine weitere Begrenzung für das strömende Heißgas. Die Turbinenschaufel 2 könnte alternativ auch als Laufschaufel ausgebildet sein, die in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete fußseitige Plattform 8 an einer Rotorscheibe der Turbinenwelle befestigt ist.
Über eine Anzahl von am unteren Ende des Fußabschnitts 4 angeordneten Einlassöffnungen 20 wird ein Kühlmittel K ins Schaufelinnere eingebracht. Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Zuleitung des Kühlmittels K über die spitzenseitige Plattform 10 erfolgt. Üblicherweise handelt es sich beim Kühlmittel K um Kühlluft. Nachdem das Kühlmittel K einen oder mehrere sich an die Einlassöffnungen 20 anschließenden Kühlmittelkanäle 22 im Inneren der Turbinenschaufel 2 durchströmt hat, tritt es an einer Anzahl von auch als Filmkühllöcher bezeichneten, mit dem Kühlmittelkanälen 22 korrespondierenden Austrittsöffnungen 24 im Bereich des Schaufelblatts 12 aus. Unterschiedliche Bereiche des Schaufelblatts 12 stellen dabei im Hinblick auf die verschiedenartige thermische und mechanische Belastung sowie die jeweiligen Platzverhältnisse im Schaufelinneren an die Anordnung und Gestaltung der Filmkühllöcher ganz unterschiedliche Anforderungen. Insbesondere der sich an die Vorderkante des Schaufelblatts unmittelbar anschließende, vergleichsweise stark gekrümmte Vorderkantenbereich 28 bedarf aufgrund einer relativ hohen Belastung einer wirkungsvollen Kühlung.
FIG 2 zeigt den vorderen Bereich des profilierten Schaufelblatts 12 im Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II aus FIG 1, mit dem die Vorderkante 14 umfassenden Vorderkantenbereich 28, an den sich Druckseite 30 und Saugseite 32 anschließen. Von einem im Wesentlichen in Längsrichtung L der Turbinenschaufel 2 verlaufenden, zur Vorderkante 14 beabstandeten Kühlmittelkanal 22 zweigen Austrittskanäle 34 von kleinerem Querschnitt ab, welche die Schaufelwand 36 durchdringen und im Vorderkantenbereich 28 in Austrittsöffnungen 24 oder Filmkühllöchern münden. Durch die Durchströmung der Austrittskanäle 34 mit Kühlmittel K wird eine konvektive Kühlung der angrenzenden Gebiete der Schaufelwand erreicht. Zu der konvektiven Kühlung des Schaufelinnern trifft der durch die aus den Austrittsöffnungen 24 ausströmende Kühlluft verursachte Effekt der Filmkühlung auf der Oberfläche 37 des Schaufelblatts 12 auf. Dabei bildet sich auf der Oberfläche 37 der Schaufelwand 36 durch die mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit an ihr entlang strömender Kühlluft gewissermaßen ein Luftpolster bzw. einen Schutzfilm aus, der einen direkten Kontakt mit der Schaufeloberfläche 37 mit dem eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Heißgases verhindert.
Im Stand der Technik traten insbesondere an dem heißgasseitigen Ende der Austrittskanäle 34 strahlenartig wachsende Risse auf, die im schlimmsten Fall die Integrität des Schaufelblattes 12 und somit der gesamten Turbinenschaufel 2 lebensdauerverkürzend beeinträchtigte. Um derartige Defekte zu vermeiden, ist zumindest bei in der Vorderkante 14 mündenden Austrittskanälen 34 zur Senkung der Spannungskonzentration im Material, welches die Mündungsstelle des Austrittskanals 34 unmittelbar umgibt, zumindest eine nutartige Ausnehmung 40 (FIG 2) vorhanden, welche aus Klarheitsgründen in FIG 1 nicht dargestellt ist. Insbesondere bei denjenigen Austrittskanälen 34, die in einer von dem Heißgas umströmbaren Oberfläche 37 münden, sind dabei die erfindungsgemäßen nutförmigen Ausnehmungen 40 als endlose Nuten ausgebildet, die konzentrisch zum in der Oberfläche 37 mündenden Austrittskanal 34 angeordnet sind. Gemäß einer Variante der Erfindung können auch zwei konzentrische endlose Nuten um je einen Austrittskanal 34 angeordnet sein, was beispielsweise an dem mit 42 bezeichneten Kanal exemplarisch dargestellt ist.
FIG 3 zeigt als weiteres Gasturbinenbauteil einen Ausschnitt einer perspektivischen Darstellung einer Rotorscheibe 50. Die Rotorscheibe 50 ist als Turbinenscheibe nach bekannter Art und Weise mit einer Anzahl von Haltenuten 52 ausgestattet, die an der Mantelfläche 54 der Rotorscheibe 50 entlang des Umfangs in gleichmäßigen Abständen verteilt sind. Die Haltenut 52 ist radial nach außen hin geöffnet und weist zusätzlich jeweils seitliche Öffnungen auf, die in den Stirnseiten der Rotorscheibe 50 vorgesehen sind. Die stirnseitige, im Querschnitt betrachtete Kontur der Haltenut 52 entspricht dabei im Wesentlichen einer Tannenbaumform, wobei auch andere Formen bekannt sind und verwendet werden können. In den Haltenuten 52 sind Laufschaufeln der Turbine einer Gasturbine einsetzbar, wobei die entsprechenden Laufschaufeln zur Kontur der Haltenut 52 korrespondierend geformte Schaufelfüße aufweisen.
Jede Haltenut 52 weist somit Wände mit Oberflächen auf. Die Oberfläche lässt sich unterteilen in eine nutgrundseitige Fläche 58 und in zwei an den Flanken der Haltenut angeordnete Seitenflächen 60, 62, die übergangslos sich seitlich der Nutgrundfläche 58 anschließen. Da in der Regel die in den Haltenuten 52 eingesetzten Turbinenschaufeln während des Betriebes in der Gasturbine gekühlt werden müssen, wird diesen über den Schaufelfuß Kühlluft zugeführt. Zur Zuführung von Kühlluft ist in der Rotorscheibe 50 ein Kanal 64 vorgesehen, der in der Nutgrundfläche 58 der Haltenut 52 mündet. Die in den Haltenuten 52 eingesetzten Laufschaufeln weisen an ihrer der Nutgrundfläche 58 gegenüberliegenden Fläche Einlassöffnungen für Kühlluft auf, um die über den Kanal 64 zugeführte Kühlluft in die Laufschaufeln eintreten zu lassen. In der Laufschaufel erfolgt in bekannter, für die Erfindung in jedoch unrelevanter Art und Weise die Kühlung des Schaufelblatts und/oder der zur Laufschaufel gehörenden Plattform.
Zur Senkung der Spannungskonzentration in unmittelbarer Umgebung der Mündungsstelle des Kanals 64 sind in den beiden Übergangen zwischen Nutgrund 58 und Seitenflächen 60, 62 jeweils eine nutartige Ausnehmung 66 angeordnet. Die Ausnehmungen 66 sind dabei so platziert, dass bei einer senkrecht zur Rotationsachse der Rotorscheibe 50 gemachten Querschnittsbetrachtung diese beidseits der Kanalmündung angeordnet sind. Die beiden Ausnehmungen 66 liegen also in Umfangrichtung der Rotorscheibe betrachtet beidseits der Kanalmündung.
Hierdurch werden im oberflächennahen Bereich des Materials die aufgrund des Vorhandenseins des Kanals 64 erhöhten Spannungskonzentration reduziert, was die Materialermüdung aufgrund zyklischer Belastungsänderungen während des Betriebs der Gasturbine und damit das Risiko von dem Entstehen von Ermüdungsrissen senkt.
Insgesamt wird mit der Erfindung ein Gasturbinenbauteil 2, 50, beispielsweise eine Turbinenschaufel 2 oder eine Rotorscheibe 50 für eine Gasturbine angegeben, bei der zur Verlängerung der Lebensdauer des entsprechenden Bauteils 2, 50 durch Reduzierung der thermisch oder mechanisch bedingten Spannungskonzentration in unmittelbarer Umgebung eines in einer Oberfläche 37, 58 mündenden Kanals 34, 64 zumindest eine nutartige Ausnehmung 40, 66 in Wirknähe der Mündungsstelle vorhanden ist.

Claims

Gasturbinenbauteil (2, 50)
mit zumindest einem in einer Oberfläche (37, 58) mündenden Kanal (34, 64),
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Senkung der Spannungskonzentration in der Oberfläche (37, 58) neben der Mündungsstelle zumindest eine nutartige Ausnehmung (40, 66) vorhanden ist.
Gasturbinenbauteil (2, 50) nach Anspruch 1, ausgebildet als Rotorscheibe (50) für eine Gasturbine, mit einer Anzahl von entlang des Umfangs verteilten Haltenuten (52) für Laufschaufeln, deren Wände Oberflächen (58), wobei zumindest neben einem der in der betreffenden Oberfläche (58) mündenden Kanäle (64) jeweils die zumindest eine nutartige Ausnehmung (66) angeordnet ist.
Rotorscheibe (50) nach Anspruch 2,
bei der der zumindest eine Kanal (64) als Bohrung zum Führen von Kühlmittel ausgebildet ist.
Rotorscheibe (50) nach Anspruch 2 oder 3,
bei der zwei Ausnehmungen (66) vorgesehen sind, die bei einer senkrecht zur Rotationsachse der Rotorscheibe (50) gemachten Querschnittsbetrachtung beidseits der Kanalmündung angeordnet sind.
Rotorscheibe (50) nach Anspruch 2 oder 3,
bei der die Ausnehmung (66) als endlose Nut ausgebildet ist, welche die Mündungsstelle des betreffenden Kanals (64) umgreift.
Rotorscheibe (50) nach Anspruch 5,
bei der die endlose Nut kreisrund und konzentrisch zum Mündungsabschnitt des betreffenden Kanals (64) angeordnet ist.
Rotorscheibe (50) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der jeder Kanal (64) in einem Nutgrund (58) der betreffenden Haltenut (52) mündet.
Gasturbinenbauteil (2, 50) nach Anspruch 1, ausgebildet als Turbinenschaufel (2) mit einer Anzahl von in einer von Heißgas umströmbaren Oberfläche (37) mündenden Kanälen (34), von denen zumindest einer der Kanäle (34) neben seiner Mündungsstelle in der Oberfläche (37) die zumindest eine nutartige Ausnehmung (40) zur Senkung der Spannungskonzentration aufweist.
Turbinenschaufel (2) nach Anspruch 8,
bei der die Ausnehmung (40) als endlose Nut ausgebildet ist, welche die Mündungsstelle des betreffenden Kanals (34) umgreift.
Turbinenschaufel (2) nach Anspruch 9,
bei der die endlose Nut kreisrund und konzentrisch zum Mündungsabschnitt des betreffenden Kanals (34) angeordnet ist.