EP2644834A1 - Turbinenschaufel sowie zugehöriges Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel sowie zugehöriges Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel Download PDF

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EP2644834A1
EP2644834A1 EP12162103.1A EP12162103A EP2644834A1 EP 2644834 A1 EP2644834 A1 EP 2644834A1 EP 12162103 A EP12162103 A EP 12162103A EP 2644834 A1 EP2644834 A1 EP 2644834A1
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EP
European Patent Office
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platform
turbine blade
frame
platform frame
fuselage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12162103.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Nihal Kurt
Hans-Thomas Bolms
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to EP13713842.6A priority patent/EP2805023A1/de
Priority to IN7295DEN2014 priority patent/IN2014DN07295A/en
Priority to JP2015502338A priority patent/JP2015517048A/ja
Priority to PCT/EP2013/056594 priority patent/WO2013144245A1/de
Priority to US14/388,411 priority patent/US20150064018A1/en
Priority to RU2014143493A priority patent/RU2014143493A/ru
Priority to CN201380017991.8A priority patent/CN104204417A/zh
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    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • 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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
    • 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
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    • 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
    • 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
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49339—Hollow blade

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade with a mounting portion, a platform and an airfoil, which follow one another along a longitudinal axis of the turbine blade.
  • the invention further relates to a method of manufacturing a turbine blade, comprising the step of producing a monolithic fuselage blade comprising an airfoil, a platform and a mounting section.
  • Turbine blades and methods of making turbine blades are known in a variety of ways from the extensive prior art.
  • turbine blades for gas turbines are often produced in a casting process.
  • the blade root, platform and blade are formed from the casting material at the same time, so that such turbine blades are in one piece.
  • the surfaces exposed to the hot gas of the turbine are still provided with a corrosion protection layer and a thermal protection layer in order to increase the service life of the turbine blade.
  • the cast turbine blades are usually also hollow, so that a means for cooling the blade material can flow inside.
  • Turbine blades of steam engines are mostly milled from solid or forged.
  • the turbine blades used in stationary turbomachinery are subject to a variety of stresses during operation of the turbomachinery which cause the turbine blades to age and wear down in both predictable and unpredictable ways.
  • both low-cycle and higher cyclic fatigue loads as well as thermo-mechanical loads occur.
  • turbine blades are to be protected from oxidation and creep.
  • the above-mentioned loads relate in particular to the surfaces and components of the turbine blades which are directly exposed to the hot gas or superheated steam.
  • turbine blades are also exposed to so-called “bearing loads” and “friction loads”.
  • the material of integral turbine blades must be selected so that, if possible, a large number, if not all, loads are absorbed by the material without premature aging or premature end-of-life of the turbine blade being achieved.
  • the thermal load and with regard to the corrosion load it is known, for example, to equip turbine blades of gas turbines with a layer system which protects their material against corrosion as well as against excessive heat input.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade with a fastening portion, a platform and an airfoil, which follow one another along a longitudinal axis of the turbine blade, which turbine blade with particularly low effort is reprocessed.
  • Another object of the invention is to provide a method of manufacturing turbine blades.
  • the task directed to the turbine blade is achieved with such according to the features of claim 1.
  • the object directed to the method for producing a turbine blade is achieved with the method steps according to claim 8.
  • Advantageous embodiments are specified in the respective subclaims.
  • the features of the respective subclaims with the features of other claims are readily combinable.
  • the invention is based on the finding that, in particular in the case of operationally stressed turbine blades, it is also possible for defects caused by oxidation to occur at the outer edge of the platform. These oxidation problems occur, in particular, when the thermal insulation layer, which is often provided there, locally flakes off. Such findings can lead to an increased operating risk in the turbine blade, which is why such turbine blades are replaced or processed.
  • the reprocessing of the turbine blade has been comparatively expensive.
  • the work-up rate i. the proportion of recycled blades that actually continue to qualify for use in the turbomachinery after reprocessing is likely to be low.
  • the platform comprises - in relation to a central longitudinal axis - an inner platform part and an outer platform part, the outer platform part being designed as an endless platform frame encompassing the outer edge of the inner platform part.
  • the flaws indicated above near the edge of the platform are to be removed, for example by passing the edge of the platform Milling or grinding is reset.
  • the platform edge is reset along the entire circulation so as to produce a monolithic fuselage bucket whose platform provides an abutment surface for a platform frame as an inner platform part of the turbine bucket to be produced. After attaching an endless platform frame to the inner platform portion, the turbine bucket thus produced then has a platform whose dimensions correspond to the original turbine bucket.
  • the method it is also possible to produce new components, ie turbine blades not subjected to operation, by first providing a so-called fuselage blade comprising an airfoil, a platform and a fastening section in a monolithic embodiment.
  • the monolithic fuselage bucket can be produced conventionally by casting and, for example, also be monocrystalline or directionally solidified.
  • the platform edge of the fuselage shovel may need to be brought to the predetermined, exact extent along the entire cycle by slight grinding or milling to provide the inner platform portion of the turbine bucket with a dimensionally bearing surface for the platform frame.
  • the platform frame Before, during or after the platform frame is to produce as a mostly rectangular structure. After attaching or mounting the platform frame to the dimensionally stable edge of the inner platform part, the turbine blade is then produced as a new component.
  • the platform frame may have different shapes in cross section. Preferably, however, such forms, which bring about a positive connection with the edge of the inner platform part.
  • the cross-sectional shape may be diamond-shaped or C-shaped.
  • the edge of the inner platform part is always executed corresponding to the cross-sectional shape.
  • a particular advantage of the turbine blade according to the invention and also of the method is that in particular also two different materials can be used for the fuselage bucket and for the platform frame. Thus, in addition to the different local loads consideration be taken, which possibly leads to an extended life of the turbine blade.
  • a further advantage of the turbine blade according to the invention is the higher precision with regard to the external dimensions of the platform, since these can be produced more easily when producing the platform frame than when casting a purely monolithic turbine blade.
  • Different methods can be used for permanently connecting the platform frame to the fuselage bucket. Since the platform frame is designed as an endless frame, it is preferable to shrink the platform frame to the peripheral edge of the inner platform part. Prior to shrinking, the platform frame may be heated and / or the fuselage shovel may be cooled. After assembly of the platform frame and fuselage bucket and subsequent temperature adjustment, the platform frame then sits firmly against the peripheral edge of the inner platform portion. Also soldering and welding - at points as well as along the connecting line from the edge of the inner platform part and platform frame - are possible.
  • the platform frame is flat against the inner platform part, wherein the contact surface at least partially encloses an angle with the longitudinal axis which is greater than 0 ° and less than 90 °.
  • Such an arrangement prevents at least in one direction a parallel displacement of the platform frame along the longitudinal axis, which is particularly advantageous when using the invention on turbine blades.
  • the centrifugal force acting on the platform frame during operation of the turbomachine is also transferred into the platform part by positive engagement due to the contact surface inclined with respect to the longitudinal axis. This reliably prevents the loss of the platform frame due to the centrifugal force.
  • the angle is a size between 15 ° and 35 °, for example, the angle is 20 °.
  • the turbine blade may be formed both as a vane or as a blade.
  • the turbine blade with the inner platform part and the outer platform part in the form of the endless platform frame enclosing the inner platform part can also be used in high-temperature applications, it is advantageous if the inner platform part and the platform frame are coated in a coating process. Thus, can a seamless protective layer can be applied to both platform parts.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a turbine blade 10.
  • the turbine blade 10 is formed as a blade. However, it could also be designed as a guide vane.
  • the turbine blade 10 comprises, along its longitudinal axis 12, a fastening section 14, a platform 16 and an airfoil 18 in direct succession.
  • the mounting section 14 is contoured in a manner typical of a blade in the manner of a fir tree profile.
  • Guide vanes for turbines, instead of the fir-tree-shaped attachment portion 14 mostly a plurality of hooks, which are inserted into a not shown guide vane carrier of the turbomachine.
  • the attachment portion 14 merges into the platform 16.
  • the platform 16 has an upwardly facing platform surface 20, where the blade 18 settles.
  • the platform 16 includes an inner platform portion 22 and an outer platform portion 24 radially relative to the longitudinal axis 12, the outer platform portion 24 being formed as an endless platform frame 28 encompassing the outer edge 26 of the inner platform portion 22.
  • both attachment portion 14, the inner platform portion 22 and the blade 18 are monolithic - that is, in one piece - formed. This monolithic unit is also referred to as a fuselage bucket 19.
  • the surfaces 20 of the inner platform part 22 and of the outer platform part 24 pointing in this illustration to the blade leaf 18 are mutually offset so that they - when using the turbine blade 10 in a turbomachine - have an edge-free and boundary-free boundary wall for the working medium flowing in the turbomachine provide.
  • the turbine blade 10 may be formed internally cooled in any way by means of a cooling medium. Film cooling openings and trailing edge openings for coolant can also be provided. Of course, the turbine blade can also be uncooled.
  • FIG. 2 shows in perspective view the platform frame 28.
  • the platform frame 28 comprises two mutually parallel longitudinal struts 30 and two mutually parallel transverse struts 32.
  • the platform frame 28 may be made of a different material than those in FIG. 1 illustrated fuselage bucket 19.
  • the platform frame 28 may also be made of the same material.
  • the platform frame may also be made by welding the longitudinal struts 30 to the cross struts 32. It can also be cast or milled from solid.
  • FIG. 3 shows a section through the turbine blade 10 along the longitudinal axis 12.
  • the mounting portion according to FIG. 3 not fir-tree-shaped, but dovetail-shaped.
  • FIG. 3 shows FIG. 3 the platform frame 28 during assembly to the fuselage 19, just before the platform frame 28 reaches its final mounting position.
  • the platform frame 28 has a diamond shape in cross section. Other shapes are possible.
  • Each strut 30, 32 of the platform frame 28 has an inwardly directed first abutment surface 34 and a second abutment surface 36.
  • the outer edge 26 of the inner platform portion 22 has a laterally outwardly facing first abutment surface 38 and a second abutment surface 40.
  • FIG. 4 shows in perspective a corner of the inner platform part 22 and the platform frame 28 during assembly. In addition to the features already described is also in FIG. 4 on a laterally outwardly facing surface 42 of the platform frame 28, a slot 44 for receiving a sheet-like sealing element shown.
  • the invention thus relates to a turbine blade 10 having a mounting portion 14, a platform 16 and an airfoil 18, which follow one another along a longitudinal axis 12 of the turbine blade directly on each other.
  • the platform 16 in relation to the longitudinal axis 12 - an inner platform portion 22 and an outer platform portion 24, wherein the outer platform portion 24 as an outer edge 26 of the inner platform portion 22 encompassing endless Platform frame 28 is formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel (10) mit einem Befestigungsabschnitt (14), einer Plattform (16) und einem Schaufelblatt (18), welche entlang einer Längsachse (12) der Turbinenschaufel (10) aufeinander folgen, wobei die Plattform (16) - in radialen Bezug auf die Längsachse (12) - ein inneres Plattformteil (22) und ein äußeres Plattformteil (24) umfasst, wobei das äußere Plattformteil (24) als ein den äußeren Rand (26) des inneren Plattformteils (22) umgreifender endloser Plattformrahmen (28) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit einem Befestigungsabschnitt, einer Plattform und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel aufeinanderfolgen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel umfassend den Schritt: Herstellen einer monolithischen Rumpfschaufel umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform und einen Befestigungsabschnitt.
  • Turbinenschaufeln und Verfahren zum Herstellen von Turbinenschaufel sind aus dem umfangreich vorhandenen Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise werden Turbinenschaufeln für Gasturbinen häufig in einem Gießverfahren hergestellt. Beim Gießen werden gleichzeitig Schaufelfuß, Plattform und Schaufelblatt aus dem Gießmaterial geformt, so dass derartige Turbinenschaufeln einstückig sind. Anschließend werden die dem Heißgas der Turbine ausgesetzten Flächen noch mit einer Korrosionsschutzschicht und einer Wärmeschutzschicht versehen, um die Lebensdauer der Turbinenschaufel zu erhöhen. Die gegossenen Turbinenschaufeln sind zumeist auch hohl ausgebildet, damit im Inneren ein Mittel zur Kühlung des Schaufelmaterials strömen kann. Turbinenschaufeln von Dampfmaschinen werden zumeist aus dem Vollen gefräst oder sind geschmiedet.
  • Die in stationären Turbomaschinen eingesetzten Turbinenschaufeln unterliegen beim Betrieb der Turbomaschine einer Vielzahl von Belastungen, die die Turbinenschaufeln sowohl in vorhersehbarer als auch in nicht vorhersehbarer Art und Weise altern und abnutzen lassen.
  • Im Detail treten sowohl niederzyklische als auch höher zyklische Ermüdungsbelastungen sowie auch thermo-mechanische Belastungen auf. Auch sind Turbinenschaufeln vor Oxidation und vor Kriechen zu schützen. Die vorgenannten Belastungen betreffen insbesondere die dem Heißgas oder Heißdampf unmittelbar ausgesetzten Oberflächen und Bestandteile der Turbinenschaufeln. Befestigungsseitig sind Turbinenschaufeln zudem noch sogenannten "Auflagerbelastungen" und "Reibbelastungen" ausgesetzt. Im Lichte dieser unterschiedlichen Belastungen und Anforderungen muss das Material von einstückigen Turbinenschaufeln so gewählt sein, dass nach Möglichkeit eine Vielzahl, wenn nicht sogar alle Belastungen vom Material aufgenommen werden, ohne dass eine vorzeitige Alterung oder ein vorzeitiges Lebensdauerende der Turbinenschaufel erreicht wird. Hinsichtlich der thermischen Belastung und hinsichtlich der Korrosionsbelastung ist es beispielsweise bekannt, Turbinenschaufeln von Gasturbinen mit einem Schichtsystem auszustatten, welches deren Material sowohl vor Korrosion als auch vor einem überhöhten Wärmeeintrag schützt.
  • Dennoch können in verschiedenen Bereichen der Turbinenschaufel Verschleißerscheinungen wie Risse auftreten, die den Betrieb der Turbomaschine gefährden. Aus diesem Grund ist es bekannt, Turbinenschaufeln nach einer vorbestimmten Einsatzzeit auf derartige Defekte hin zu überprüfen und bei Vorliegen eines derartigen Befundes die betroffenen Turbinenschaufeln auszutauschen oder wieder aufzubereiten.
  • Auch bekannt ist es, Turbinenschaufeln modular auszugestalten und die entsprechenden Module aus denjenigen Materialen herzustellen, die auf ihre lokalen Anforderungen abgestimmt sind. Hier mangelt es häufig jedoch an einer dauerhaften und zuverlässigen Verbindung.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbinenschaufel mit einem Befestigungsabschnitt, einer Plattform und einem Schaufelblatt, welche entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel aufeinander folgen, welche Turbinenschaufel mit besonders geringem Aufwand wiederaufarbeitbar ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Turbinenschaufeln.
  • Die auf die Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit einer solchen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf das Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel gerichtete Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Dabei sind die Merkmale der jeweiligen Unteransprüche mit den Merkmalen anderer Unteransprüche ohne Weiteres kombinierbar.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere bei betriebsbeanspruchten Turbinenschaufeln auch am äußeren Rand der Plattform durch Oxidation verursachte Fehlstellen auftreten können. Diese Oxidationsprobleme treten insbesondere dann auf, wenn die häufig auch dort vorgesehene Wärmedämmschicht lokal abplatzt. Derartige Befunde können bei der Turbinenschaufel zu einem erhöhten Betriebsrisiko führen, weswegen derartige Turbinenschaufeln ausgetauscht oder aufbereitet werden. Die Wiederaufbereitung der Turbinenschaufel ist bisher vergleichsweise aufwendig. Gleichzeitig kann die Aufarbeitungsquote, d.h. der Anteil an wiederaufbereiteten Schaufeln, die sich nach der Wiederaufbereitung tatsächlich weiterhin für den Einsatz in der Turbomaschine qualifizieren, eher gering sein. Um diesen Effekten entgegenzuwirken wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Plattform - in radialem Bezug auf eine zentrale Längsachse - ein inneres Plattformteil und ein äußeres Plattformteil umfasst, wobei das äußere Plattformteil als ein den äußeren Rand des inneren Plattformteils umgreifender endloser Plattformrahmen ausgebildet ist.
  • Sofern eine betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel im Bereich des Plattformrands aufzuarbeiten ist, sind die weiter oben angegebenen Fehlstellen in der Nähe des Plattformrands zu entfernen, indem der Rand der Plattform beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen zurückgesetzt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass beim Zurücksetzen des Plattformrands nicht nur die lokale Fehlstelle entfernt wird. Vielmehr wird der Plattformrand entlang des gesamten Umlaufs zurückgesetzt, um so eine monolithische Rumpfschaufel herzustellen, deren Plattform als inneres Plattformteil der herzustellenden Turbinenschaufel eine Anlagefläche für einen Plattformrahmen bereitstellt. Nach dem Anbringen eines endlosen Plattformrahmens an dem inneren Plattformteil weist die so hergestellte Turbinenschaufel dann eine Plattform auf, deren Abmaße der ursprünglichen Turbinenschaufel entsprechen.
  • Zwar wird bei diesem Verfahren auch nicht beeinträchtiges bzw. beschädigtes Schaufelmaterial entfernt. Dies hat jedoch den Vorteil, dass die Wiederaufbereitung nicht individuell - also in Abhängigkeit der defekten Stelle - durchgeführt werden muss, sondern automatisiert ablaufen kann. Dies reduziert den Aufwand zur Wiederaufarbeitung und die Ausschussrate.
  • Selbstverständlich lassen sich nach dem Verfahren auch neue Bauteile, also nicht durch Betrieb beanspruchte Turbinenschaufeln herstellen, indem zuerst eine sog. Rumpfschaufel umfassend ein Schaufelblatt, eine Plattform und ein Befestigungsabschnitt in monolithischer Ausführungsform bereitgestellt wird. Die monolithische Rumpfschaufel kann auf konventionellem Wege im Gießverfahren hergestellt und beispielsweise auch einkristallin oder gerichtet erstarrt sein. Nach dem Herstellen der Rumpfschaufel ist der Plattformrand der Rumpfschaufel ggf. noch entlang des gesamten Umlaufs durch geringfügiges Schleifen oder Fräsen auf das vorbestimmte, exakte Maß zu bringen, um das innere Plattformteil der Turbinenschaufel mit einer maßhaltigen Anlagefläche für den Plattformrahmen bereitzustellen. Vor, während oder danach ist der Plattformrahmen als zumeist rechteckiges Gebilde herzustellen. Nach dem Anbringen bzw. der Montage des Plattformrahmens an dem maßhaltigen Rand des inneren Plattformteils ist dann die Turbinenschaufel als Neubauteil hergestellt.
  • Der Plattformrahmen kann im Querschnitt unterschiedliche Formen aufweisen. Bevorzugt sind jedoch derartige Formen, die einen Formschluss mit dem Rand des inneren Plattformteils herbeiführen. Beispielweise kann die Querschnittform rautenförmig oder C-förmig ausgebildet sein. Der Rand des inneren Plattformteils ist dabei stets korrespondierend zur Querschnittsform ausgeführt.
  • Besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel und auch des Verfahrens ist, dass insbesondere auch zwei unterschiedliche Materialien für die Rumpfschaufel und für den Plattformrahmen verwendet werden können. So kann zusätzlich auf die unterschiedlichen lokalen Belastungen Rücksicht genommen werden, was ggf. zu einer verlängerten Lebensdauer der Turbinenschaufel führt.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist die höhere Präzision hinsichtlich der äußeren Abmaße der Plattform, da diese beim Herstellen des Plattformrahmens sich einfacher herbeiführen lassen als beim Gießen einer rein monolithischen Turbinenschaufel.
  • Zum dauerhaften Verbinden des Plattformrahmens mit der Rumpfschaufel sind unterschiedliche Verfahren einsetzbar. Da der Plattformrahmen als endloser Rahmen ausgestaltet ist, bietet sich vorzugsweise das Aufschrumpfen des Plattformrahmens auf den umlaufenden Rand des inneren Plattformteils an. Vor dem Aufschrumpfen kann der Plattformrahmen erhitzt und/oder die Rumpfschaufel abgekühlt werden. Nach dem Zusammensetzen von Plattformrahmen und Rumpfschaufel und einer sich anschließenden Temperaturangleichung sitzt der Plattformrahmen dann fest an dem umlaufenden Rand des inneren Plattformteils. Auch Löten und Schweißen - punktuell als auch entlang der Verbindungslinie vom Rand des inneren Plattformteils und Plattformrahmen - sind möglich.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung liegt der Plattformrahmen flächig an dem inneren Plattformteil an, wobei die Kontaktfläche zumindest teilweise mit der Längsachse einen Winkel einschließt, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist. Eine derartige Anordnung verhindert zumindest in einer Richtung eine Parallelverschiebung des Plattformrahmens entlang der Längsachse, was insbesondere bei der Verwendung der Erfindung an Turbinenlaufschaufeln von Vorteil ist. In diesem Fall wird die während des Betriebs der Turbomaschine auf den Plattformrahmen einwirkende Fliehkraft auch durch Formschluss aufgrund der in Bezug auf die Längsachse geneigten Kontaktfläche in das Plattformteil übertragen. Dies verhindert zuverlässig den Verlust des Plattformrahmens aufgrund der Fliehkraft.
  • Vorzugsweise beträgt der Winkel eine Größe zwischen 15° und 35°, beispielsweise liegt der Winkel bei 20°.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung weist der Plattformrahmen an zumindest einer seitlich nach außen weisenden Fläche einen Schlitz zur Aufnahme eines Dichtelements auf. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass bei Verschleiß von im Plattformrand vorhandenen Schlitzen aufgrund der darin sitzenden blechförmigen Dichtelemente mit der nunmehr bereitgestellten Erfindung eine einfache und zuverlässige Möglichkeit besteht, auch derartige betriebsbeanspruchte Turbinenschaufeln wieder aufzuarbeiten. Zudem lassen sich derartige Schlitze kostengünstiger herstellen als bei rein monolithischen Turbinenschaufeln.
  • Zweckmäßigerweise kann die Turbinenschaufel sowohl als Leitschaufel oder als Laufschaufel ausgebildet sein.
  • Damit die Turbinenschaufel mit dem inneren Plattformteil und dem äußeren Plattformteil in Form des das innere Plattformteil umgreifenden endlosen Plattformrahmens auch bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden kann, ist es von Vorteil, wenn der innere Plattformteil und der Plattformrahmen in einem Beschichtungsvorgang beschichtet werden. Somit kann eine nahtlose Schutzschicht auf beide Plattformteile aufgebracht werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der Figurenbeschreibung angegeben. Es zeigen:
    • Figur 1
    in perspektivischer Darstellung die Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel,
    Figur 2
    in perspektivischer Darstellung die Draufsicht auf einen Plattformrahmen,
    Figur 3
    den Querschnitt durch eine Turbinenschaufel gemäß Figur 1 und
    Figur 4
    einen Ausschnitt von der Ecke einer Plattform der Turbinenschaufel nach Figur 1 beim Zusammensetzen von Rumpfschaufel und Plattformrahmen.
  • In allen Figuren sind identische Merkmale mit den identischen Bezugsziffern versehen.
  • Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 ist als Laufschaufel ausgebildet. Sie könnte jedoch auch als Leitschaufel ausgebildet sein. Die Turbinenschaufel 10 umfasst entlang ihrer Längsachse 12 unmittelbar aufeinanderfolgend einen Befestigungsabschnitt 14, eine Plattform 16 sowie ein Schaufelblatt 18. Der Befestigungsabschnitt 14 ist in einer für eine Laufschaufel typischen Manier nach Art eines Tannenbaumprofils konturiert. Leitschaufeln für Turbinen weisen anstelle des tannenbaumförmigen Befestigungsabschnitts 14 zumeist mehrere Haken auf, welche in einen nicht weiter dargestellten Leitschaufelträger der Turbomaschine eingeschoben sind.
  • Der Befestigungsabschnitt 14 geht in die Plattform 16 über. Gemäß der in Figur 1 gewählten Darstellung weist die Plattform 16 eine nach oben weisende Plattformoberfläche 20 auf, an der sich das Schaufelblatt 18 ansiedelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform 16 - in radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil 22 und ein äußeres Plattformteil 24, wobei das äußere Plattformteil 24 als ein den äußeren Rand 26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen 28 ausgebildet ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl Befestigungsabschnitt 14, das innere Plattformteil 22 und das Schaufelblatt 18 monolithisch - also einstückig - ausgebildet. Diese monolithische Einheit wird auch als Rumpfschaufel 19 bezeichnet. Die gemäß dieser Darstellung zum Schaufelblatt 18 weisenden Flächen 20 des inneren Plattformteils 22 und des äußeren Plattformteils 24 sind zueinander versatzfrei, so dass sie - bei der Verwendung der Turbinenschaufel 10 in einer Turbomaschine - für das in der Turbomaschine strömende Arbeitsmedium eine kanten- und stufenfreie Begrenzungswand bereitstellen.
  • Die Turbinenschaufel 10 kann in beliebiger Weise mit Hilfe eines Kühlmediums innengekühlt ausgebildet sein. Auch Filmkühlöffnungen und Hinterkantenöffnungen für Kühlmittel können vorgesehen sein. Selbstverständlich kann die Turbinenschaufel auch ungekühlt sein.
  • Figur 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Plattformrahmen 28. Der Plattformrahmen 28 umfasst zwei zueinander parallele Längsstreben 30 sowie zwei zueinander parallele Querstreben 32. Der Plattformrahmen 28 kann aus einem anderen Material hergestellt sein als die in Figur 1 dargestellte Rumpfschaufel 19. Der Plattformrahmen 28 kann aber auch aus dem gleichen Material hergestellt sein. Der Plattformrahmen kann auch durch Verschweißen von den Längsstreben 30 mit den Querstreben 32 hergestellt sein. Er kann auch gegossen oder aus dem Vollen gefräst sein.
  • Figur 3 zeigt einen Schnitt durch die Turbinenschaufel 10 entlang der Längsachse 12. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Turbinenschaufel ist der Befestigungsabschnitt gemäß Figur 3 nicht tannenbaumförmig ausgebildet, sondern schwalbenschwanzförmig. Zudem zeigt Figur 3 den Plattformrahmen 28 während der Montage an der Rumpfschaufel 19, kurz bevor der Plattformrahmen 28 seine endgültige Montageposition erreicht. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Plattformrahmen 28 im Querschnitt eine Rautenform auf. Auch andere Formen sind möglich.
  • Jede Strebe 30, 32 des Plattformrahmens 28 weist eine nach innen gerichtete erste Anlagefläche 34 und eine zweite Anlagefläche 36 auf. Ebenso weist der äußere Rand 26 des inneren Plattformteils 22 eine seitlich nach außen weisende erste Anlagefläche 38 sowie eine zweite Anlagefläche 40 auf. Nach der Montage des Plattformrahmens 28 liegen dessen erste Anlagefläche 34 an der ersten Anlagefläche 38 des inneren Plattformteils 22 und dessen zweite Anlagefläche 36 an der zweiten Anlagefläche des inneren Plattformteils 22 flächig an. Die sich so ausbildenden ersten Kontaktflächen und zweiten Kontaktflächen sind gegenüber der Längsachse 12 unterschiedlich geneigt. Die erste Kontaktfläche ist im Querschnitt parallel zur Längsachse 12 ausgerichtet. Die zweite Kontaktfläche ist im Querschnitt jedoch unter einem spitzen Winkel α gegenüber der Längsachse 12 geneigt. Diese Ausführungsform verhindert auch durch Formschluss das Lösen des Plattformrahmens 28 von der Rumpfschaufel 19 bei auf die Turbinenschaufel 10 einwirkenden Fliehkräften.
  • Figur 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ecke des inneren Plattformteils 22 und des Plattformrahmens 28 während der Montage. Neben den bereits beschriebenen Merkmalen ist zudem in Figur 4 an einer seitlich nach außen weisenden Fläche 42 des Plattformrahmens 28 ein Schlitz 44 zur Aufnahme eines blechförmigen Dichtelements dargestellt.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Turbinenschaufel 10 mit einem Befestigungsabschnitt 14, einer Plattform 16 und einem Schaufelblatt 18, welche entlang einer Längsachse 12 der Turbinenschaufel unmittelbar aufeinander folgen. Um eine besonders langlebige Turbinenschaufel 10 bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Plattform 16 - in radialem Bezug auf die Längsachse 12 - ein inneres Plattformteil 22 und ein äußeres Plattformteil 24 umfasst, wobei das äußere Plattformteil 24 als ein den äußeren Rand 26 des inneren Plattformteils 22 umgreifender endloser Plattformrahmen 28 ausgebildet ist. Hinsichtlich des Verfahrens wird vorgeschlagen, eine monolithisch hergestellte Rumpfschaufel 19 zu verwenden oder eine bereits betriebsbeanspruchte Turbinenschaufel 10 entlang des gesamten Umlaufs des Plattformrands anzupassen bzw. zurückzusetzen und einen endlosen Plattformrahmen 28 herzustellen, welcher anschließend an dem Plattformrand 26 montiert werden kann, um so die ursprünglichen oder planmäßig vorgesehenen Abmessungen der Turbinenschaufel 10 herzustellen.

Claims (12)

  1. Turbinenschaufel (10) mit einem Befestigungsabschnitt (14), einer Plattform (16) und einem Schaufelblatt (18), welche entlang einer Längsachse (12) der Turbinenschaufel (10) aufeinander folgen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Plattform (16) - in radialem Bezug auf die Längsachse (12) - ein inneres Plattformteil (22) und ein äußeres Plattformteil (24) umfasst, wobei das äußere Plattformteil (24) als ein den äußeren Rand (26) des inneren Plattformteils (22) umgreifender endloser Plattformrahmen (28) ausgebildet ist.
  2. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1,
    bei der der Plattformrahmen (28) flächig an dem inneren Plattformteil (22) anliegt und die Kontaktfläche zumindest teilweise mit der Längsachse (12) einen Winkel einschließt, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist.
  3. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 2,
    bei der der Winkel eine Größe zwischen 10° und 35° aufweist.
  4. Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei der
    das innere Plattformteil (22) und der Befestigungsabschnitt (14) und/oder
    das innere Plattformteil (22) und das Schaufelblatt (18) monolithisch sind.
  5. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der der Plattformrahmen (28) an zumindest einer seitlich nach außen weisenden Fläche (42) einen Schlitz (44) zur Aufnahme eines Dichtelements aufweist.
  6. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei der der Plattformrahmen (28) auf dem inneren Plattformteil (22) aufgeschrumpft ist und/oder mit dieser verlötet und/oder verschweißt ist.
  7. Turbinenschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    ausgebildet aus Leitschaufel oder als Laufschaufel.
  8. Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel (10) umfassend die Schritte:
    - Herstellen einer monolithischen Rumpfschaufel (19) umfassend ein Schaufelblatt (18), eine Plattform (16) und einen Befestigungsabschnitt (14),
    - Herstellen eines endlosen Plattformrahmens (28) und
    - Montage des endlosen Plattformrahmens (28) am Plattformrand (26).
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    bei dem zum Herstellen der Rumpfschaufel (19) der Plattformrand einer betriebbeanspruchten Turbinenschaufel entlang ihres gesamten Umlaufs zum Herstellen einer Anlagefläche (36, 38) für einen endlosen Plattformrahmen (28) zurückgesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8,
    bei dem die Rumpfschaufel (19) umfassend einen Befestigungsabschnitt (14), eine Plattform (16) und ein Schaufelblatt (18) in einem Gießverfahren hergestellt wird und der Plattformrand (26) als Anlagefläche (36, 38) für einen endlosen Plattformrahmen (28) ausgestaltet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10,
    mit dem Schritt, dass
    der Plattformrahmen (28) auf dem inneren Plattformteil (22) aufgeschrumpft ist und/oder mit der Rumpfschaufel (19) verlötet und/oder verschweißt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11,
    mit dem Schritt, dass der innere Plattformteil (22) und der Plattformrahmen (28) in einem Beschichtungsvorgang beschichtet werden.
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