(19)
(11)EP 3 521 562 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
24.03.2021  Patentblatt  2021/12

(21)Anmeldenummer: 19152152.5

(22)Anmeldetag:  16.01.2019
(51)Int. Kl.: 
F01D 5/14  (2006.01)
F01D 5/22  (2006.01)
F01D 5/20  (2006.01)

(54)

SCHAUFEL EINER STRÖMUNGSMASCHINE

BLADE OF A TURBOMACHINE

AUBE D'UNE TURBOMACHINE


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 29.01.2018 DE 102018201265

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
07.08.2019  Patentblatt  2019/32

(73)Patentinhaber: MTU Aero Engines AG
80995 München (DE)

(72)Erfinder:
  • Pernleitner, Martin
    85221 Dachau (DE)
  • Wittig, Klaus
    85244 Röhrmoos (DE)
  • Friedrich, Lutz
    81375 München (DE)


(56)Entgegenhaltungen: : 
EP-A1- 2 402 559
US-A1- 2015 226 070
DE-A1-102009 030 566
US-B1- 6 491 498
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufel einer Strömungsmaschine gemäß Anspruch.

    [0002] Rotoren von Verdichterstufen und/oder von Turbinenstufen von Strömungsmaschinen können bei hohen Drehzahlen hohen Kräften, insbesondere Fliehkräften ausgesetzt sein. Diese Fliehkräfte können zu Verformungen bis hin zu Materialschäden der Rotoren führen. Um derartigen Verformungen und Materialschäden entgegenzuwirken, können Außendeckbänder von schnelllaufenden Turbinenschaufeln konstruktiv verstärkt werden. Eine mögliche Verstärkung ist eine verbesserte Steifigkeit des Außendeckbandes mittels konstruktiver Maßnahmen.

    [0003] Die EP 2 402 559 A1 betrifft eine Laufschaufel, deren Außendeckband zur Versteifung mit umfangsseitigen und mehreren inneren Rippen versehen ist.

    [0004] Die US 6,491,498 B1 betrifft eine Laufschaufel mit einem Außendeckband, dass durch zwei umfangsseitige und eine sich entlang der Skelettlinie erstreckende Rippen versteift ist.

    [0005] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaufel mit einem Deckbandsegment, das eine hohe Steifigkeit aufweist, vorzuschlagen.

    [0006] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

    [0007] Erfindungsgemäß wird eine Schaufel einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Deckbandsegment und einem Schaufelprofil, mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabenen Versteifungsstruktur beansprucht. Die Versteifungsstruktur weist wenigstens drei miteinander verbundene Rippen auf. Die Rippen können als Versteifungsrippen oder Stege bezeichnet werden. Ein erster Endbereich der jeweils wenigstens drei Rippen ist mit einer stromauf angeordneten Dichtspitze des Deckbandsegments verbunden, wobei sich der Endbereich auf die Längsausrichtung bzw. Hauptachse der Rippen bezieht. Ein zweiter Endbereich, der sich auf das zweite, längsseitig gegenüberliegende Ende der Rippen bezieht, ist mit einer stromab angeordneten Dichtspitze des Deckbandsegments verbunden. Die Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und den Längsausrichtungen der Rippen, jeweils in Durchströmungsrichtung der Strömungsmaschine betrachtet, betragen zwischen Null Grad und Achtzig Grad.

    [0008] Die erfindungsgemäße Schaufel umfasst ein Deckbandsegment zur Anordnung an einer Schaufel einer Strömungsmaschine mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabenen Versteifungsstruktur. Die Versteifungsstruktur weist wenigstens drei miteinander verbundene Rippen auf. Ein erster Endbereich der wenigstens drei Rippen ist mit einer stromauf angeordneten Dichtspitze des Deckbandsegments verbunden. Ein zweiter Endbereich, der sich auf das zweite, gegenüberliegende Ende der Rippen bezieht, ist mit einer stromab angeordneten Dichtspitze des Deckbandsegments verbunden. Die Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und den Längsausrichtungen der Rippen, jeweils in Durchströmungsrichtung der Strömungsmaschine betrachtet, betragen zwischen Null Grad und Achtzig Grad. Die erfindungsgemäße Schaufel ist in einigen Ausführungsformen einstückig, beispielsweise mittels eines Gussverfahrens oder mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gefertigt.

    [0009] Die erfindungsgemäße Schaufel kann eine Verdichterschaufel und/oder Turbinenschaufel einer Gasturbine sein.

    [0010] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.

    [0011] Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.

    [0012] Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks "kann sein" bzw. "kann haben" usw. synonym zu "ist vorzugsweise" bzw. "hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern. Wann immer hierin Alternativen mit "und/oder" eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene "oder" vorzugsweise als "entweder oder" und vorzugsweise nicht als "und".

    [0013] Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.

    [0014] Eine erhabene Versteifungsstruktur ist insbesondere eine Struktur vom Materialansammlungen, wie beispielsweise Rippen, Stege oder ähnlichem, die sich in Radialrichtung, von der Deckbandsegmentoberfläche ausgehend, nach radial außen erstrecken. Die Versteifungsstruktur kann aus dem gleichen Material oder einem anderen Material als das übrige Deckband, oder Teile des übrigen Deckbands, hergestellt sein.

    [0015] In einigen Ausführungsformen bilden die drei miteinander verbundenen Rippen des erfindungsgemäßen Deckbandes eine Z-förmige Rippenstruktur aus.

    [0016] Eine Dichtspitze kann als Dichtfin bezeichnet werden. Ein Deckband oder ein Deckbandsegment kann an einer Schaufelspitze angeordnet sein. Eine, zwei oder mehr Dichtspitzen an diesen Deckbändern oder Deckbandsegmenten können bei einer Rotation des Deckbands oder Deckbandsegments in einen Anstreifbereich einer Einlaufdichtung in einem Gehäuseabschnitt der Strömungsmaschine anstreifen. Durch dieses Anstreifen kann sich zwischen dem Deckband und dem Gehäuse ein Dichtungsspalt ausbilden, der die Strömungsverluste durch eine Rückströmung bzw. einer Leckageströmung minimiert. Anders ausgedrückt kann das Deckbandsegment die Umströmung der radial äußeren Schaufelspitze vermindern und hierdurch den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöhen. Die Deckbandsegmente benachbarter bzw. angrenzender Schaufeln eines Rotors bilden dabei ein durchgehendes Deckband aus.

    [0017] Die stromauf angeordnete Dichtspitze wird im Folgenden als vordere Dichtspitze bezeichnet und die stromab angeordnete Dichtspitze als hintere Dichtspitze.

    [0018] In einigen Ausführungsformen ist ein erster Endabschnitt einer ersten Rippe mit einem ersten Endabschnitt einer zweiten Rippe verbunden. Die beiden miteinander verbundenen Endabschnitte sind an der vorderen Dichtspitze angeordnet, insbesondere sind sie materialschlüssig mit der Dichtspitze verbunden. Ein erster Endabschnitt einer dritten Rippe ist in Umfangsrichtung versetzt angeordnet, wobei sich die versetzte Anordnung auf die verbundenen Endabschnitten der ersten und zweiten Rippe bezieht. Dieser erste Endabschnitt der dritten Rippe ist an der ebenfalls vorderen Dichtspitze angeordnet, insbesondere materialschlüssig mit der Dichtspitze verbunden. Der Abstand der versetzten Anordnung des Endabschnitts der dritten Rippe gegenüber den verbundenen Endabschnitten der ersten und zweiten Rippe beträgt insbesondere mindestens der Breite (in Umfangsrichtung) der an der vorderen Dichtspitze angeordneten, miteinander verbundenen Endabschnitte der ersten und zweiten Rippe.

    [0019] Insbesondere kann der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der ersten Rippe zwischen 0° und 45° betragen, kann der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der dritten Rippe zwischen 0° und 45° betragen und/oder kann der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der zweiten Rippe zwischen 30° und 80° betragen.

    [0020] Erfindungsgemäß schneidet die Skelettlinie des Schaufelprofils - in radialer Blickrichtung - die drei Rippen (jeweils) in einem Winkel zwischen 30° und 90°. Bevorzugt schneidet sie die zweite Rippe, vorzugsweise alle drei Rippen, jeweils in einem Winkel zwischen 45° und 90°. Die Skelettlinie verläuft durch den Mittelpunkt jedes Kreises, der an einer bestimmten Axialposition als maximaler Kreis vollständig in das Schaufelprofil einbeschreiben ist.

    [0021] Die jeweiligen Anordnungen der Endabschnitte der Rippen an den Dichtspitzen können als Wurzeln bezeichnet werden.

    [0022] In einigen Ausführungsformen ist ein zweiter Endabschnitt der ersten Rippe an der hinteren Dichtspitze angeordnet, insbesondere mit der Dichtspitze materialschlüssig verbunden. Ein zweiter Endabschnitt der zweiten Rippe ist mit einem zweiten Endabschnitt der dritten Rippe verbunden. Diese verbundenen Endabschnitte sind, gegenüber dem zweiten Endabschnitt der ersten Rippe in Umfangsrichtung versetzt, an der hinteren Dichtspitze angeordnet.

    [0023] Mittels der beschriebenen, an der vorderen und hinteren Dichtspitze angeordneten Endabschnitte der jeweiligen Rippen kann vorteilhaft die Steifigkeit des Deckbandsegments erhöht werden.

    [0024] In einigen Ausführungsformen ist zwischen den Seitenflächen der ersten und zweiten Rippe, der hinteren Dichtspitze und der Deckbandsegmentoberfläche als Bodenfläche eine erste polygonförmige Tasche ausgebildet. Weiterhin ist zwischen der zweiten und dritten Rippe, der vorderen Dichtspitze und der Deckbandsegmentoberfläche eine zweite polygonförmige Tasche ausgebildet. Eine Tasche kann als Vertiefung, Wanne, Schale oder ähnlichem bezeichnet werden. Eine polygonförmige Tasche ist eine Tasche mit mehreren Seiten. Die Taschen weisen mehr als drei Seitenflächen auf. Die Seitenflächen der ersten polygonförmigen Tasche werden im Wesentlichen durch die erste Rippe, die zweite Rippe und die hintere Dichtspitze gebildet. Die Seitenflächen der zweiten polygonförmigen Tasche werden im Wesentlichen durch die zweite Rippe, die dritte Rippe und die vordere Dichtspitze gebildet. Beide Taschen können jeweils mehrere Seitenflächen aufweisen. Beispielsweise können an den jeweiligen Wurzeln und/oder an den Übergangsbereichen zwischen Rippen und Deckbandsegmentoberfläche weitere Seitenflächen ausgebildet sein. Mittels der polygonförmigen Taschen, insbesondere mit mehr als drei Seitenflächen pro Tasche, kann vorteilhaft die Steifigkeit des Deckbandsegments erhöht werden.

    [0025] Erfindungsgemäß sind die drei Rippen in ihrer Längsausrichtung bzw. in ihren Hauptachsen im Wesentlichen gerade.

    [0026] In einigen Ausführungsformen ist der an der vorderen Dichtspitze gelegene Endbereich der dritten Rippe an der Verbindungsfläche des Deckbandsegments zum nächstliegenden Deckbandsegment angeordnet. Mehrere Deckbandsegmente können ein Deckband bilden.

    [0027] In einigen Ausführungsformen ist der an der hinteren Dichtspitze gelegene Endbereich der ersten Rippe im mittleren Drittel, bezogen auf die Länge des Deckbandsegments in Umfangsrichtung, angeordnet.

    [0028] In einigen Ausführungsformen beträgt der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel, also der Achsrichtung a, und den Längsrichtungen der ersten und der dritten Rippe, jeweils in Durchströmungsrichtung der Strömungsmaschine betrachtet, zwischen zwanzig Grad und siebzig Grad, insbesondere zwischen dreißig Grad und fünfzig Grad, weiter insbesondere ca. fünfundvierzig Grad. In anderen Ausführungsformen beträgt der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und den Längsrichtungen der ersten und der dritten Rippe Null Grad oder annähernd Null Grad.

    [0029] In einigen Ausführungsformen weisen die Rippen eine im Wesentlichen in Radialrichtung konstante Höhe über dem Umfang auf.

    [0030] In einigen Ausführungsformen ist das Deckbandsegment einstückig mittels eines Gussverfahrens, mittels eines materialabtragenden Verfahrens, insbesondere mittels Fräsen, oder mittels eines generativen Herstellungsverfahren hergestellt.

    [0031] Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.

    [0032] Das erfindungsgemäße Deckbandsegment ermöglicht vorteilhaft eine hohe Steifigkeit des Deckbandes bzw. des Außenbandes, insbesondere bei schnelllaufenden Turbinenschaufeln. Eine Kenngröße ist in diesem Zusammenhang das Produkt AN2, wobei A der von den Schaufeln, insbesondere Turbinenschaufeln, und weiter insbesondere von der stromab letzten Stufe gebildete Ringbereich ist. N entspricht der Drehzahl der Schaufel im Anwendungsfall. Insbesondere bei geringen Schaufelzahlen bzw. bei sehr hohen AN2 können große Deckbandüberhänge entstehen. Die Flächenverjüngung kann dabei in Radialrichtung von innen nach außen sehr groß sein. Damit sich diese Deckbandüberhänge durch mögliche hohe Fliehkräfte nicht zu sehr aufbiegen, können erfindungsgemäß Rippen in das Deckband eingebracht werden. Weiterhin ist es auch vorteilhaft, das der Massenzuwachs durch die als Rippen ausgeführten Versteifungsstrukturen möglichst gering sein sollten.

    [0033] Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:

    Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Deckbandsegment mit einer Versteifungsstruktur und ein mit dem Deckbandsegment verbundenem Schaufelblatt in einer perspektivischen Ansicht; und

    Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Deckbandsegment aus Fig. 1 in einer Aufsicht von radial außen.



    [0034] Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Deckbandsegment 100 mit einer Versteifungsstruktur und ein mit dem Deckbandsegment 100 verbundenes Schaufelblatt 1 in einer perspektivischen Ansicht.

    [0035] Die Versteifungsstruktur weist drei miteinander verbundene Rippen 3, 5, 7 auf. Die Rippen 3, 5, 7 erstrecken sich in ihrer Längsausrichtung bzw. entlang ihrer Hauptachsen jeweils von einer, in Bezug auf eine Hauptdurchströmungsrichtung 9 der Strömungsmaschine betrachtet, stromauf angeordneten Dichtspitze 11 bis zu einer stromab angeordneten Dichtspitze 13. Vereinfachend wird im Folgenden die stromauf angeordnete Dichtspitze 11 als vordere Dichtspitze 11 und die stromab angeordnete Dichtspitze 13 als hintere Dichtspitze 13 bezeichnet. Die vordere Dichtspitze 11 kann weiterhin als Dichtspitze Vorderkante und die hintere Dichtspitze 13 als Dichtspitze Hinterkante bezeichnet werden. Die Dichtspitzen 11, 13 können als Dichtfins bezeichnet werden. Die Rippen 3, 5, 7 sind mit einer Deckbandsegmentoberfläche 15 verbunden.

    [0036] Bei einer rein exemplarischen Anwendung des Deckbandsegments 100 in einer Gasturbine, beispielsweise in einer Anwendung in einer Verdichterstufe und/oder in einer Turbinenstufe, können die Dichtspitzen 11, 13 bei einer Rotation des Deckbandsegments 100 mit dem Schaufelblatt 1 bzw. bei einer Rotation eines gesamten Deckbandes mit Schaufeln in einen Anstreifbereich einer Einlaufdichtung in einem Gehäuseabschnitt der Gasturbine anstreifen. Durch dieses Anstreifen kann sich zwischen dem Deckband und dem Gehäuse ein Dichtungsspalt ausbilden, der die Strömungsverluste durch eine Rückströmung bzw. einer Leckageströmung minimiert. Anders ausgedrückt kann das Deckbandsegment 100 die Umströmung der radial äußeren Schaufelspitze vermindern und hierdurch den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöhen. Die Deckbandsegmente 100 benachbarter bzw. angrenzender Schaufeln eines Rotors bilden dabei ein durchgehendes Deckband aus.

    [0037] Das am radialen Endbereich des Schaufelblatts 1 angeordnete Deckbandsegment 100 kann grundsätzlich zur Dämpfung von Schaufelschwingungen eingesetzt werden, insbesondere bei Gasturbinenschaufeln für hintere, also stromab angeordnete Turbinenstufen. Zur Verbesserung bzw. Erhöhung der Steifigkeit, insbesondere von schnelllaufenden Turbinenschaufeln, können die Deckbänder die erfindungsgemäßen Deckbandsegmente 100 vorteilhaft aufweisen. Die erhabenen Versteifungsstrukturen der erfindungsgemäßen Deckbandsegmente 100 können weiterhin zur Verringerung von Spannungskonzentrationen des Deckbandes beitragen.

    [0038] Die drei miteinander verbundenen Rippen 3, 5, 7 werden im Folgenden zur vereinfachten Beschreibung als erste Rippe 3, als zweite Rippe 5 und als dritte Rippe 7 bezeichnet. Die Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel, die als Axialrichtung a bezeichnet wird und die die Hautdurchströmungsrichtung 9 abbildet, und den Längsausrichtungen der drei Rippen 3, 5, 7, in Axialrichtung a betrachtet, beträgt exemplarisch in diesem Ausführungsbeispiel ca. zwischen dreißig Grad und achtzig Grad. Dies wird in Fig. 2 näher beschrieben.

    [0039] Zwischen der ersten Rippe 3, der zweiten Rippe 5 und der hinteren Dichtspitze 13 ist eine erste polygonförmige Tasche 17 ausgebildet, die als wannenförmige Vertiefung bezeichnet werden kann. Die erste polygonförmige Tasche 17 ist zwischen den Verbindungsbereichen der ersten Rippe 3 und der zweiten Rippe 5, der ersten Rippe 3 und der hinteren Dichtspitze 13 und zwischen der zweiten Rippe 5 und der hinteren Dichtspitze 13 angeordnet. Analog ist zwischen der zweiten Rippe 5, der dritten Rippe 7 und der vorderen Dichtspitze 11 eine zweite polygonförmige Tasche 19 ausgebildet. Die zweite polygonförmige Tasche 19 ist zwischen den Verbindungsbereichen der zweiten Rippe 5 und der dritten Rippe 7, der zweiten Rippe 5 und der vorderen Dichtspitze 11 und zwischen der dritten Rippe 7 und der vorderen Dichtspitze 11 angeordnet.

    [0040] Die Dichtspitzen 11, 13 erstrecken sich in ihrer gesamten Ausdehnung von unterhalb der Deckbandsegmentoberfläche 15, also im Bereich der radial äußeren Schaufelkante des Schaufelblatts 1, bis nach oberhalb der Deckbandsegmentoberfläche 15. Im radial äußeren Bereich der Dichtspitzen 11, 13 ist der Eingriffsbereich in eine optionale Einlaufdichtung im Gehäusebereich der Strömungsmaschine angeordnet.

    [0041] Die erfindungsgemäße Schaufel umfasst wenigstens ein Deckbandsegment 100, ein Schaufelblatt 1 und einen Schaufelfuß (in Fig. 1 nicht dargestellt). Die Schaufel kann als einstückiges Gussbauteil, mittels eines materialabtragenden Verfahrens, insbesondere mittels Fräsen, oder mittels eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt sein.

    [0042] Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Deckbandsegment 100 aus Fig. 1 in einer Aufsicht von radial außen. Die erste Rippe 3, die zweite Rippe 5 und die dritte Rippe 7 erstrecken sich in ihren Längsausrichtungen, also in der ersten Hauptachse 17 der ersten Rippe 3, in der zweiten Hauptachse 19 der zweiten Rippe 5 und in der dritten Hauptachse 21 der dritten Rippe 7, von der vorderen Dichtspitze 11 bis zur hinteren Dichtspitze 13. Die drei Rippen 3, 5, 7 sind im Wesentlichen gerade längs ihrer Hauptachsen 21, 23, 25 ausgerichtet.

    [0043] Die Rippen 3, 5, 7 sind mit den Dichtspitzen 11, 13 und in dieser exemplarischen Ausführungsform mit der Deckbandsegmentoberfläche 15 verbunden. Insbesondere ist die als Rippen 3, 5, 7 ausgestaltete erhabene Versteifungsstruktur mit der Deckbandsegmentoberfläche 15 und den Dichtspitzen 11, 13 einstückig hergestellt, beispielsweise mittels eines Gussverfahrens oder mittels eines generativen Herstellungsverfahrens. Der in Fig. 2 dargestellte Abstand zwischen einerseits den stromauf angeordneten Endbereichen der ersten Rippe 3, der zweiten Rippe 5 (die mit der ersten Rippe 3 in diesem Endbereich verbunden ist) und der dritten Rippe 9 und andererseits der vorderen Dichtspitze 11 kann eine Verbindung der Rippen 3, 5, 7 im Bereich der Deckbandsegmentoberfläche 15 andeuten. Demgegenüber sind die stromab angeordneten Endbereiche der Rippen 3, 5, 7 in dieser Ansicht direkt mit der hinteren Dichtspitze 11 verbunden, was auf eine Verbindung im radial äußeren Bereich der Dichtspitze 13 hindeutet. Dies ist auch unmittelbar in Fig. 1 erkennbar.

    [0044] Weiterhin ist in dieser exemplarischen Ausführungsform der Endbereich der stromabseitigen Verbindung der zweiten Rippe 5 mit der dritten Rippe 7 unmittelbar an der Verbindungsfläche 27 des Deckbandsegments 100 zum, in Umfangsrichtung u gesehen, nächstliegenden Deckbandsegment (in Fig. 2 nicht dargestellt) angeordnet. Die Verbindungsfläche 27 kann als Kontaktfläche bezeichnet werden.

    [0045] Die Verbindungsfläche 27 ist in dieser exemplarischen Ausführungsform eine im Wesentlichen Z-förmige Verbindungsfläche 27. Ein Deckband mit derartigen Z-förmigen Verbindungsflächen 27 kann als sogenanntes Z-Shroud bezeichnet werden.

    [0046] Die bereits zur Fig. 1 beschriebenen polygonförmigen Taschen 17, 19 weisen mehrere angrenzende Flächen auf. Die Flächen sind insbesondere Seitenflächen. Je nach Ausgestaltung können die Taschen 17, 19 vier, fünf, sechs oder mehr Seitenflächen aufweisen. Die Seitenflächen können beispielsweise an der Verbindungsstelle der ersten Rippe 3 und der zweiten Rippe 5, an der Verbindungsstelle der zweiten Rippe 5 und der dritten Rippe 7 als auch an den Verbindungsstellen der Rippen 3, 5, 7 mit den Dichtspitzen 11, 13 angeordnet sein. Mehr als drei Seitenflächen können die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Deckbandsegments 100 vorteilhaft erhöhen.

    [0047] Die drei Winkel W1, W2, W3 zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel, also der Axialrichtung a, und den Längsausrichtungen bzw. Hauptachsen 21, 23, 25 der Rippen 3, 5, 7, betragen, jeweils in Durchströmungsrichtung 9 betrachtet, zwischen Null und Achtzig Grad. In diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel W1 zwischen der Axialrichtung a und der Hauptachse 21 ca. dreißig Grad (30°), der Winkel W2 zwischen der Axialrichtung a und der Hauptachse 23 ca. sechzig Grad (60°) und der Winkel W3 zwischen der Axialrichtung a und der Hauptachse 25 ca. dreißig Grad (30°).

    [0048] Der an der hinteren Dichtspitze 13 gelegene Endbereich der ersten Rippe 3 ist, bezogen auf die Länge L des Deckbandsegments 100 in Umfangsrichtung u, im mittleren Drittel L1 angeordnet.

    Bezugszeichenliste



    [0049] 
    100
    Deckbandsegment
    W1, W2, W3
    Winkel zwischen Axialachse a und Hauptachsen der Rippen
    L
    Länge des Deckbandsegments in Umfangsrichtung
    1
    Schaufelblatt
    a
    Achsrichtung; Drehachse der Schaufel
    u
    Umfangsrichtung
    r
    Radialrichtung
    3
    erste Rippe
    5
    zweite Rippe
    7
    dritte Rippe
    9
    Hauptdurchströmungsrichtung der Strömungsmaschine
    11
    vordere Dichtspitze; stromauf angeordneten Dichtspitze
    13
    hintere Dichtspitze; stromab angeordneten Dichtspitze
    15
    Deckbandsegmentoberfläche
    17
    erste polygonförmige Tasche
    19
    zweite polygonförmige Tasche
    21
    erste Hauptachse
    23
    zweite Hauptachse
    25
    dritte Hauptachse
    27
    Verbindungsfläche; Kontaktfläche



    Ansprüche

    1. Schaufel einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit einem Deckbandsegment (100) und einem Schaufelprofil (1), mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (15) erhabenen Versteifungsstruktur, wobei die Versteifungsstruktur wenigstens drei miteinander verbundene Rippen (3, 5, 7) aufweist, und ein erster Endbereich der Rippen (3, 5, 7) mit einer stromauf angeordneten Dichtspitze (11) des Deckbandsegments (100) und ein zweiter Endbereich dieser Rippen (3, 5, 7) mit einer stromab angeordneten Dichtspitze (13) des Deckbandsegments (100) verbunden sind,
    wobei die Winkel (W1, W2, W3) zwischen der Richtung der Drehachse (a) der Schaufel und den Längsausrichtungen (21, 23, 25) der Rippen (3, 5, 7), jeweils in Durchströmungsrichtung (9) der Strömungsmaschine betrachtet, zwischen Null Grad und Achtzig Grad betragen,
    wobei die drei Rippen (3, 5, 7) in ihrer Längsausrichtung (21, 23, 25) im Wesentlichen gerade sind,
    wobei die Skelettlinie des Schaufelprofils - in radialer Blickrichtung - alle drei Rippen (3, 5, 7) in Winkeln zwischen 30° und 90° schneidet.
     
    2. Schaufel nach Anspruch 1, wobei die drei miteinander verbundenen Rippen (3, 5, 7) eine Z-förmige Rippenstruktur bilden.
     
    3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Endabschnitt einer ersten Rippe (3) mit einem ersten Endabschnitt einer zweiten Rippe (5) verbunden ist und diese beiden miteinander verbundenen Endabschnitte an der stromauf angeordneten Dichtspitze (11) angeordnet sind und ein erster Endabschnitt einer dritten Rippe (7) in Umfangsrichtung (u) versetzt, gegenüber den verbundenen Endabschnitten der ersten Rippe (3) und der zweiten Rippe (5), an der stromauf angeordneten Dichtspitze (11) angeordnet ist.
     
    4. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der ersten Rippe (3) zwischen 0° und 45° beträgt, der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der dritten Rippe (7) zwischen 0° und 45° beträgt und/oder der Winkel zwischen der Richtung der Drehachse der Schaufel und der Längsausrichtung der zweiten Rippe (5) zwischen 30° und 80° beträgt.
     
    5. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Skelettlinie des Schaufelprofils - in radialer Blickrichtung - die zweite Rippe (5), vorzugsweise alle drei Rippen (3, 5, 7), in einem Winkel bzw. in Winkeln zwischen 45° und 90°, schneidet.
     
    6. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein zweiter Endabschnitt der ersten Rippe (3) an der stromab angeordneten Dichtspitze (13) angeordnet ist und ein zweiter Endabschnitt der zweiten Rippe (5) mit einem zweiten Endabschnitt der dritten Rippe (7) verbunden ist, und die verbundenen Endabschnitte der zweiten Rippe (5) und der dritten Rippe (7) in Umfangsrichtung (u) versetzt, gegenüber dem zweiten Endabschnitt der ersten Rippe (3), an der stromab angeordneten Dichtspitze (13) angeordnet sind.
     
    7. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen der ersten Rippe (3), der zweiten Rippe (5) und der stromab angeordneten Dichtspitze (13) eine erste polygonförmige Tasche (17) ausgebildet ist, und wobei zwischen der zweiten Rippe (5), der dritten Rippe (7) und der stromauf angeordneten Dichtspitze (11) eine zweite polygonförmige Tasche (19) ausgebildet ist.
     
    8. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der an der stromab angeordneten Dichtspitze (13) gelegene Endbereich der dritten Rippe (7) an der Verbindungsfläche (29) des Deckbandsegments (100) zum nächstliegenden Deckbandsegment angeordnet ist.
     
    9. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der an der stromab angeordneten Dichtspitze (13) gelegene Endbereich der ersten Rippe (3) im mittleren Drittel L1, bezogen auf die Länge L des Deckbandsegments (100) in Umfangsrichtung (u), angeordnet ist.
     
    10. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Winkel W1, W3 zwischen der Richtung der Drehachse (a) der Schaufel und den Längsausrichtungen (21, 25) der ersten Rippe (3) und der dritten Rippe (5), jeweils in Durchströmungsrichtung (9) der Strömungsmaschine betrachtet, Null Grad oder zwischen zwanzig Grad und siebzig Grad, insbesondere zwischen dreißig Grad und fünfzig Grad, weiter insbesondere ca. fünfundvierzig Grad beträgt.
     
    11. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Rippen (3, 5, 7) eine im Wesentlichen in Radialrichtung (r) konstante Höhe über dem Umfang (u) aufweisen.
     
    12. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Deckbandsegment (100) einstückig mittels eines Gussverfahrens, mittels eines materialabtragenden Verfahrens, insbesondere mittels Fräsen, oder mittels eines generativen Herstellungsverfahren hergestellt ist.
     
    13. Schaufel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, eine Turbinenschaufel einer Gasturbine ist.
     


    Claims

    1. Blade of a turbomachine, in particular a gas turbine, comprising a shroud segment (100) and a blade profile (1), having a stiffening structure that is raised with respect to a shroud segment surface (15), wherein the stiffening structure has at least three interconnected ribs (3, 5, 7), and a first end region of the ribs (3, 5, 7) is connected to an upstream sealing tip (11) of the shroud segment (100) and a second end region of these ribs (3, 5, 7) is connected to a downstream sealing tip (13) of the shroud segment (100),
    wherein the angles (W1, W2, W3) between the direction of the axis of rotation (a) of the blade and the longitudinal orientations (21, 23, 25) of the ribs (3, 5, 7), in each case viewed in the direction of flow (9) of the turbomachine, are between zero degrees and eighty degrees,
    wherein the three ribs (3, 5, 7) are substantially straight in their longitudinal orientation (21, 23, 25),
    wherein the skeleton line of the blade profile, in the radial viewing direction, intersects all three ribs (3, 5, 7) at angles between 30° and 90°.
     
    2. Blade according to claim 1, wherein the three interconnected ribs (3, 5, 7) form a Z-shaped rib structure.
     
    3. Blade according to either claim 1 or claim 2, wherein a first end portion of a first rib (3) is connected to a first end portion of a second rib (5) and these two interconnected end portions are arranged on the upstream sealing tip (11), and a first end portion of a third rib (7) is arranged on the upstream sealing tip (11) so as to be offset in the circumferential direction (u) with respect to the connected end portions of the first rib (3) and the second rib (5).
     
    4. Blade according to any of the preceding claims, wherein the angle between the direction of the axis of rotation of the blade and the longitudinal orientation of the first rib (3) is between 0° and 45°, the angle between the direction of the axis of rotation of the blade and the longitudinal orientation of the third rib (7) is between 0° and 45° and/or the angle between the direction of the axis of rotation of the blade and the longitudinal orientation of the second rib (5) is between 30° and 80°.
     
    5. Blade according to any of the preceding claims, wherein the skeleton line of the blade profile, in the radial viewing direction, intersects the second rib (5), preferably all three ribs (3, 5, 7), at an angle or at angles between 45° and 90°.
     
    6. Blade according to any of the preceding claims, wherein a second end portion of the first rib (3) is arranged on the downstream sealing tip (13) and a second end portion of the second rib (5) is connected to a second end portion of the third rib (7), and the connected end portions of the second rib (5) and the third rib (7) are arranged on the downstream sealing tip (13) so as to be offset in the circumferential direction (u) with respect to the second end portion of the first rib (3).
     
    7. Blade according to any of the preceding claims, wherein a first polygonal pocket(17) is formed between the first rib (3), the second rib (5) and the downstream sealing tip (13), and wherein a second polygonal pocket (19) is formed between the second rib (5), the third rib (7) and the upstream sealing tip (11).
     
    8. Blade according to any of the preceding claims, wherein the end region of the third rib (7) located on the downstream sealing tip (13) is arranged on the connecting surface (29) of the shroud segment (100) with respect to the closest shroud segment.
     
    9. Blade according to any of the preceding claims, wherein the end region of the first rib (3) located on the downstream sealing tip (13) is arranged in the middle third L1, based on the length L of the shroud segment (100) in the circumferential direction (u).
     
    10. Blade according to any of the preceding claims, wherein the angles W1, W3 between the direction of the axis of rotation (a) of the blade and the longitudinal orientations (21, 25) of the first rib (3) and the third rib (5), in each case viewed in the direction of flow (9) of the turbomachine, are zero degrees or between twenty degrees and seventy degrees, in particular between thirty degrees and fifty degrees, further in particular approximately forty-five degrees.
     
    11. Blade according to any of the preceding claims, wherein the ribs (3, 5, 7) have a height over the circumference (u)that is substantially constant in the radial direction (r).
     
    12. Blade according to any of the preceding claims, wherein the shroud segment (100) is produced in one piece by means of a casting process, by means of a material-removing process, in particular by means of milling, or by means of a rapid manufacturing process.
     
    13. Blade according to any of the preceding claims, wherein the blade is a turbine blade of a gas turbine.
     


    Revendications

    1. Aube d'une turbomachine, en particulier d'une turbine à gaz, comportant un segment de carénage (100) et un profil d'aube (1), comportant une structure de raidissement qui est élevée par rapport à une surface de segment de carénage (15), la structure de raidissement présentant au moins trois nervures reliées entre elles (3, 5, 7), et une première zone d'extrémité des nervures (3, 5, 7) étant reliée à une pointe d'étanchéité (11) du segment de carénage (100) disposée en amont et une seconde zone d'extrémité de ces nervures (3, 5, 7) étant reliée à une pointe d'étanchéité (13) du segment de carénage (100) disposée en aval,
    les angles (W1, W2, W3) entre le sens de l'axe de rotation (a) de l'aube et les orientations longitudinales (21, 23, 25) des nervures (3,5, 7), vus respectivement dans le sens d'écoulement (9) de la turbomachine, étant compris entre zéro degré et quatre-vingts degrés,
    les trois nervures (3, 5, 7) étant sensiblement rectilignes dans leur orientation longitudinale (21, 23, 25),
    la ligne de squelette du profil d'aube, vue dans le sens radial, coupant les trois nervures (3, 5, 7) à des angles compris entre 30° et 90°.
     
    2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle les trois nervures reliées entre elles (3, 5, 7) forment une structure de nervure en forme de Z.
     
    3. Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle une première section d'extrémité d'une première nervure (3) est reliée à une première section d'extrémité d'une deuxième nervure (5) et ces deux sections d'extrémité reliées entre elles sont disposées sur la pointe d'étanchéité (11) disposée en amont, et une première section d'extrémité d'une troisième nervure (7) est disposée sur la pointe d'étanchéité (11) disposée en amont, de façon décalée dans le sens circonférentiel (u), à l'opposé des sections d'extrémité reliées de la première nervure (3) et de la deuxième nervure (5).
     
    4. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'angle entre le sens de l'axe de rotation de l'aube et l'orientation longitudinale de la première nervure (3) est compris entre 0° et 45°, l'angle entre le sens de l'axe de rotation de l'aube et l'orientation longitudinale de la troisième nervure (7) est compris entre 0° et 45° et/ou l'angle entre le sens de l'axe de rotation de l'aube et l'orientation longitudinale de la deuxième nervure (5) est compris entre 30° et 80°.
     
    5. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la ligne de squelette du profil de l'aube, vue dans le sens radial, coupe la deuxième nervure (5), de préférence les trois nervures (3, 5, 7), à un angle ou à des angles compris entre 45° et 90°.
     
    6. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une seconde section d'extrémité de la première nervure (3) est disposée sur la pointe d'étanchéité (1 3) disposée en aval et une seconde section d'extrémité de la deuxième nervure (5) est reliée à une seconde section d'extrémité de la troisième nervure (7), et les sections d'extrémité reliées de la deuxième nervure (5) et de la troisième nervure (7) sont disposées sur la pointe d'étanchéité (13) disposée en aval, de façon décalée dans le sens circonférentiel (u), à l'opposé de la seconde section d'extrémité de la première nervure (3).
     
    7. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une première poche polygonale (17) est conçue entre la première nervure (3), la deuxième nervure (5) et la pointe d'étanchéité (13) disposée en aval, et dans laquelle une seconde poche polygonale (19) est conçue entre la deuxième nervure (5), la troisième nervure (7) et la pointe d'étanchéité (11) disposée en amont.
     
    8. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la zone d'extrémité de la troisième nervure (7) située sur la pointe d'étanchéité (13) disposée en aval est disposée sur la surface de liaison (29) du segment de carénage (100) au niveau du segment de carénage le plus proche.
     
    9. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la zone d'extrémité de la première nervure (3) située sur la pointe d'étanchéité (13) disposée en aval est disposée dans le troisième tiers L1, dans le sens circonférentiel (u) par rapport à la longueur L du segment de carénage (100).
     
    10. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les angles W1 et W3 entre le sens de l'axe de rotation (a) de l'aube et les orientations longitudinales (21, 25) de la première nervure (3) et de la troisième nervure (5), respectivement vus dans le sens d'écoulement (9) de la turbomachine, sont de zéro degré ou compris entre vingt degrés et soixante-dixdegrés, en particulier entre trente degrés et cinquante degrés, ou encore en particulier d'environ quarante-cinq degrés.
     
    11. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les nervures (3, 5, 7) présentent une hauteursur la circonférence (u) sensiblement constante dans le sens radial (r).
     
    12. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le segment de carénage (100) est réalisé d'une seule pièce au moyen d'un procédé de coulée, au moyen d'un procédé d'enlèvement de matière, en particulier par fraisage, ou au moyen d'un procédé de fabrication additive.
     
    13. Aube selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'aube est une aube d'une turbine à gaz.
     




    Zeichnung









    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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