DE102012213017A1

DE102012213017A1 - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE102012213017A1
Application number: DE102012213017.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Händler
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-01-30
Also published as: IN2015DN00258A; US20150198048A1; WO2014016149A1; RU2015106136A; JP2015528876A; CN104487657A; EP2877702A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (130) mit einem Schaufelblatt (149) und einem Schaufelfuß (145) soll dazu dienen, einen höheren Wirkungsgrad einer Turbine zu erzielen. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte: a) Herstellen eines Schaufelblatts (149) und eines Schaufelfußes (145) als separate Bauteile, b) Einbringen einer Kühlluftöffnung (151) in das Schaufelblatt (149), und c) Zusammenfügen von Schaufelblatt (149) und Schaufelfuß (145) nach Schritt b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß. Sie betrifft weiter eine derartige Turbinenschaufel.
Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt. Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben. Laufschaufeln und Welle sind Teile des beweglichen Rotors oder Läufers der Turbine, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
In der Regel sind mehrere Schaufeln auf der Achse montiert. In einer Ebene montierte Laufschaufeln bilden jeweils ein Schaufelrad oder Laufrad. Die Schaufeln sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche. Vor jedem Laufrad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschaufeln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und versetzen es in einen Drall. Der im Leitrad erzeugte Drall (kinetische Energie) wird im darauffolgenden Laufrad genutzt, um die Welle, auf der die Laufradschaufeln montiert sind, in Rotation zu versetzen.
Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als Stufe. Oft sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet. Da das Leitrad stillsteht, können seine Leitschaufeln sowohl am Gehäuseinneren als auch am Gehäuseäußeren befestigt sein, und somit für die Welle des Laufrads ein Lager bieten.
Sowohl Leitschaufeln als auch Laufschaufeln der Turbine umfassen neben dem aerodynamisch wirksamen eigentlichen Schaufelblatt üblicherweise einen Schaufelfuß, der auch als Plattform bezeichnet wird, gegenüber dem Schaufelblatt verbreitert ist und Befestigungsvorrichtungen zur Fixierung der jeweiligen Schaufel beispielsweise am Rotor oder am Gehäuse aufweist. Schaufelfuß und Schaufelblatt werden üblicherweise im Herstellungsprozess am Stück gemeinsam gegossen und anschließend metallisch beschichtet.
Zur Kühlung der heißgasbeaufschlagten Bauteile einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, wird unter anderem die Filmkühlung eingesetzt. Dies gilt auch für die Turbinenschaufeln. Dabei wird durch zylindrische oder diffusorartige Kühlluftöffnungen das Kühlmedium – typischerweise Luft – auf die zu kühlende Oberfläche geleitet, um einen schützenden Kühlfilm zu bilden. Den optimalen Kühlwirkungsgrad erhält man, indem man die Kühlluftöffnungen gegenüber der Oberfläche abhängig von den lokalen Strömungsverhältnissen entlang der Stromlinien neigt.
Im Herstellungsprozess werden die Kühlluftbohrungen überwiegend durch Laser oder Erodierverfahren eingebracht. Bei Turbinenleitschaufeln ist im Bereich des Überganges des Schaufelblatts zur Plattform aufgrund der dort entstehenden konkaven Kante die Zugängigkeit des Laser- bzw. Erodierwerkzeuges stark eingeschränkt. Dreidimensional geformte Schaufelblätter mit einem Winkel zwischen Druckseite des Schaufelblatts und Plattform kleiner als 90° sowie durch Sekundärströmungseffekte beeinflusste Stromlinien machen das Einbringen optimal ausgerichteter Kühlluftbohrungen unmöglich.
Da das Einbringen optimal ausgerichteter Bohrungen mit maximalem Kühlwirkungsgrad bislang nicht möglich war, musste die schlechtere Kühlwirkung durch eine erhöhte Anzahl von nicht optimalen Bohrungen kompensiert werden. Dadurch wurde der Kühlluftverbrauch erhöht und der aerodynamische Wirkungsgrad der Schaufelreihe reduziert. Beides führt zu einer Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel sowie eine Turbinenschaufel aufzuzeigen, mit dem ein höherer Wirkungsgrad einer Turbine erzielt werden kann.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen eines Schaufelblatts und eines Schaufelfußes als separate Bauteile,
b) Einbringen einer Kühlluftöffnung in das Schaufelblatt, und
c) Zusammenfügen von Schaufelblatt und Schaufelfuß nach Schritt b).

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Verbesserung des Wirkungsgrades der Turbine dadurch erreicht werden könnte, dass die Kühlluftbohrungen gerade im Bereich des Überganges von Schaufelblatt zu Plattform hinsichtlich der Stromlinien des umfließenden Mediums optimiert eingebracht werden könnten. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die entsprechenden Werkzeuge zur Einbringung der Öffnungen eine ausreichende Bewegungsfreiheit haben. Dies ist erreichbar, wenn Plattform bzw. Schaufelfuß und Schaufelblatt als getrennte Bauteile hergestellt und erst zusammengefügt werden, wenn die Öffnungen eingebracht sind. Somit können die Öffnungen ohne Behinderung durch den Schaufelfuß in das Schaufelblatt in beliebiger stromlinienoptimierter Anordnung eingebracht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt das Herstellen von Schaufelfuß und/oder Schaufelblatt durch Gießen. Hierdurch wird eine Herstellung der Bauteile in exakter Form mit geringer Fehlertoleranz gewährleistet.
Das Einbringen der Kühlluftöffnungen erfolgt vorteilhafterweise durch Laser und/oder mittels Funkenerodieren. Dadurch kann sowohl die Achse der Öffnungen als auch deren Form besonders einfach kontrolliert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Achse der Kühlluftöffnung an der Außenseite des Schaufelblatts auf den Schaufelfuß gerichtet. Derartige Öffnungen sind gerade im Bereich der konkaven Kante zwischen Schaufelblatt und Plattform notwendig, um eine optimale Ausrichtung des Kühlluftstromes entlang der Heißgasstromlinien zu gewährleisten. Gleichzeitig sind sie mit dem beschriebenen Verfahren besonders einfach herzustellen, da die Behinderung des Einbringwerkzeuges durch den Schaufelfuß entfällt und dieses frei beweglich ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt:

d) Beschichten eines Bereiches von Schaufelfuß und Schaufelblatt mit einer Beschichtung.

Hierbei kann es problematisch sein, dass im beschriebenen Verfahren die Beschichtung erst erfolgt, nachdem die Kühlluftöffnungen eingebracht worden sind. Hier kann es zu einem lokalen Zusetzen der Kühlluftöffnungen kommen. Wird die Achse der Kühlluftbohrungen entgegen der Beschichtungsrichtung orientiert, lässt sich diese Gefahr minimieren. Vorteilhafterweise wird die Kühlluftöffnung jedoch konisch ausgestaltet. Dadurch wirkt sich die metallische Schicht innerhalb der Öffnung nicht auf den Kühlluftdurchfluss aus. Insbesondere bei einer Einbringung mittels Laser ist eine konische Ausgestaltung ohne größeren Aufwand möglich.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung des Verfahrens umfasst es den zusätzlichen Schritt:

e) Entfernen der Beschichtung über der Kühlluftöffnung durch Laser und/oder mittels Funkenerodieren.

Da hier lediglich eine oberflächliche Entfernung und keine tiefe Bohrung mehr vorgenommen wird, ist keine so große Beweglichkeit des Werkzeugs erforderlich, so dass die Entfernung auch nach Zusammenbau und Beschichten des Bauteils möglich ist. Dazu ist lediglich die Kenntnis der genauen Position der Öffnung notwendig.
Eine Turbinenschaufel wird vorteilhafterweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt.
Bezüglich der Turbinenschaufel wird die Aufgabe gelöst, indem die Turbinenschaufel ein Schaufelblatt und einen Schaufelfuß umfasst, wobei das Schaufelblatt eine Kühlluftöffnung aufweist, deren Achse an der Außenseite des Schaufelblatts auf den Schaufelfuß gerichtet ist.
Eine Turbine umfasst vorteilhafterweise eine derartige Turbinenschaufel.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einbringung der Kühlluftöffnungen am separaten Schaufelblatt nach dem Gießen eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich der Ausrichtung der Achse der Öffnung erreicht wird, so dass die Kühlluftbohrungen entlang der Stromlinien des Heißgases optimiert ausgerichtet werden können, der Kühlwirkungsgrad und somit auch der Wirkungsgrad der Turbine erhöht wird. Durch das beschriebene Verfahren lassen sich auch komplexeste 3D-Geometrien effektiv kühlen.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine Gasturbine im Längsteilschnitt,
2 eine Leitschaufel nach dem Stand der Technik in Aufsicht,
3 eine Leitschaufel nach dem Stand der Technik im Schnitt,
4 eine Leitschaufel mit vor Zusammenbau von Schaufelblatt und Schaufelfuß eingebrachten Kühllöchern in Aufsicht, und
5 eine Leitschaufel mit vor Zusammenbau von Schaufelblatt und Schaufelfuß eingebrachten Kühllöchern im Schnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂) aufweisen.
In 2 ist eine Leitschaufel 130 gemäß dem Stand der Technik in Aufsicht und in 3 im Teilschnitt dargestellt. Mit Bezug zu 1 weist die Leitschaufel 130 einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß 145 und einen dem Leitschaufelfuß 145 gegenüberliegenden Leitschaufelkopf 147 auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 befestigt. Die Leitschaufel 130 ist hohl ausgestaltet. Im Innenraum 131 zirkuliert ein Kühlmedium, typischerweise Luft.
Die Leitschaufel 130 weist insbesondere an dem zwischen Leitschaufelfuß 145 und Leitschaufelkopf 147 liegenden Leitschaufelblatt 149 eine Vielzahl von Kühlluftöffnungen 151 auf. Die Kühlluftöffnungen 151 werden im Stand der Technik in die am Stück gegossene Leitschaufel 130 eingebracht. Insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen Leitschaufelfuß 145 und Leitschaufelblatt 149, wo eine konkave Kante 153 entsteht, ist hierbei jedoch die Flexibilität des Werkzeugs zum Einbringen der Kühlluftöffnungen 151 eingeschränkt. So konnten bislang nur Kühlluftöffnungen 151 eingebracht werden, deren Achse 155 nicht auf den Leitschaufelfuß 145 gerichtet ist. In den 2 und 3 zeigen Pfeile die Strömungsrichtung von Kühlluft K und Heißgas H. Wie 3 deutlich zeigt, sind die Strömungsrichtungen teilweise entgegengesetzt, so dass keine optimale Kühlung gewährleistet ist und der Kühlluftverbrauch erhöht ist.
Eine erhebliche Verbesserung bietet hier die in 4 und 5 analog zu 2 bzw. 3 gezeigte Leitschaufel 130. Hier ist die Achse 155 der Kühlluftöffnung 151 im Bereich der Kante 153 auf den Leitschaufelfuß 145 gerichtet. Dadurch ist der Strom der Kühlluft K entlang der Stromlinien des Heißgases H gerichtet und es wird ein wesentlich besserer Wirkungsgrad der Gasturbine 100 erreicht.
Ermöglicht wird diese Anordnung der Kühlluftöffnungen 151 durch das Herstellungsverfahren, das im Folgenden erläutert wird. Zunächst werden Leitschaufelblatt 149 und Leitschaufelfuß 145 getrennt gegossen. Dann werden die kritischen Kühlluftöffnungen 151 im Bereich der Kante 153 mittels Laser oder Funkenerodieren eingebracht. Das Werkzeug ist dabei frei beweglich. Anschließend werden Schaufelfuß 145 und Schaufelblatt 149 an der in 5 gezeigten Naht 157 verbunden, z. B. verschweißt.
Anschließend erfolgt eine Beschichtung der Leitschaufel 130, z. B. mit einer metallischen Schicht. Dabei können sich die Kühlluftöffnungen 151 mit dem Beschichtungsmaterial zusetzen. Damit hier keine Beeinträchtigung des Kühlluftflusses entsteht, sind die Kühlluftöffnungen 151 konisch ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung über den Kühlluftöffnungen 151 anschließend mittels Laser oder Funkenerodieren wieder entfernt werden. Gleichzeitig können weitere, hinsichtlich der Erreichbarkeit unkritische Kühlluftöffnungen eingebracht werden.
Eine derart gefertigte Leitschaufel 130 erhöht den Wirkungsgrad der Gasturbine 100 aufgrund der verbesserten Kühlwirkung.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel (130) mit einem Schaufelblatt (149) und einem Schaufelfuß (145) mit den Schritten: a) Herstellen eines Schaufelblatts (149) und eines Schaufelfußes (145) als separate Bauteile, b) Einbringen einer Kühlluftöffnung (151) in das Schaufelblatt (149), und c) Zusammenfügen von Schaufelblatt (149) und Schaufelfuß (145) nach Schritt b).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Herstellen gemäß Schritt a) durch Gießen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einbringen gemäß Schritt b) durch Laser und/oder mittels Funkenerodieren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Achse (155) der Kühlluftöffnung (151) an der Außenseite des Schaufelblatts (149) auf den Schaufelfuß (145) gerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt: d) Beschichten eines Bereiches von Schaufelfuß (145) und Schaufelblatt (149) mit einer Beschichtung.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Kühlluftöffnung (151) konisch ausgestaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 mit dem zusätzlichen Schritt: e) Entfernen der Beschichtung über der Kühlluftöffnung (151) durch Laser und/oder mittels Funkenerodieren.
Turbinenschaufel (130), hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Turbinenschaufel (130) mit einem Schaufelblatt (149) und einem Schaufelfuß (145), bei der das Schaufelblatt (149) eine Kühlluftöffnung (151) aufweist, deren Achse (155) an der Außenseite des Schaufelblatts (149) auf den Schaufelfuß (145) gerichtet ist.
Turbine (100) mit einer Turbinenschaufel (130) nach Anspruch 8 oder 9.