Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (10) für eine axial durchströmbare Turbomaschine, vorzugsweise Turbine, bei der zur Verringerung der mechanischen Belastung im Schaufelfuß (16) und der diesen haltenden Wände (30, 32) eines Rotors die zwei einander gegenüberliegenden Seitenwände (20, 22) des Schaufelfußes (16) entlang ihrer Erstreckung zwischen Plattform (14) und Schaufelfußunterseite (18) stetig gewölbt sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine, umfassend aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schaufelfuß mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergieren.

[0002] Laufschaufeln für Turbomaschinen, wie Turbinen und Verdichter, sind aus dem Stand der Technik in umfangreicher Art bekannt. Beispielsweise ist bekannt, dass Laufschaufeln einen im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig anmutenden Fußbereich aufweisen, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Seitenwände des Schaufelfußes von der Plattform aus in Richtung zu einer Schaufelfußunterseite sich geradlinig aufweiten. Zur Befestigung weist ein diese Laufschaufeln tragender Rotor zumeist einen Wellenbund oder eine entsprechend geformte Rotorscheibe auf, an deren Mantelfläche Haltenuten mit zum Schaufelfuß korrespondierender Kontur in Axialrichtung verlaufen. Die Laufschaufeln sind mit ihrem schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß in die entsprechenden Haltenuten einschiebbar und aufgrund der so hergestellten Schwalbenschwanzverbindung bei Rotation des Rotors in Radialrichtung sicher gegen Lösen gehalten.

[0003] Daneben ist aus dem Stand der Technik bekannt, Laufschaufeln mittels einer sogenannten Tannenbaum-Verzahnung an Rotorscheiben zu befestigen. Hierzu weisen sowohl Schaufelfuß einer Laufschaufel als auch die dazu korrespondierend ausgebildete Haltenut Konturen auf, deren Anmutung einem Tannenbaum entspricht. Die dabei vorhandenen und ineinander greifenden Hinterschneidungen und Vorsprünge können bei hoher Fliehkraftbelastung aufgrund des mit hoher Drehzahl sich drehenden Rotors Spannungen im Material von Rotorscheibe oder Laufschaufelfuß hervorrufen, die zu Ermüdungserscheinungen führen können.

[0004] Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der Bereitstellung einer alternativen, zuverlässigen Befestigung von Laufschaufeln am Rotor einer Turbomaschine.

[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst mit einer Laufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Laufschaufel umfasst aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schaufelfuß mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergieren, wobei beide Seitenwände entlang seiner Erstreckung zwischen Plattform und Schaufelfußunterseite größtenteils in gleicher Richtung gewölbt sind.

[0006] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, durch einen sich von der Plattform zur Schaufelfußunterseite stetig wölbenden Schaufelfuß eine höher belastbare Verbindung von Laufschaufel und Rotor herbeigeführt werden kann. Gleichfalls können Herstellungskosten reduziert werden, da insbesondere, wenn die Laufschaufel in einer Turbine eingesetzt wird, die ansonsten üblichen Tannenbaumverbindungen auch durch eine erfindungsgemäße gekrümmte Schwalbenschwanzverbindung erreicht werden kann. Die Kosteneinsparung wird insbesondere durch die geringere Anzahl an Vorsprüngen und Hinterschneidungen sowohl für den Schaufelfuß als auch für die dazu korrespondierend geformte axiale Haltenut am Rotor erreicht. Zudem kann eine verbesserte Frequenzdämpfung erreicht werden. Auch durch den sich von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergierenden Schaufelfuß kann der Schwerpunkt einer derartigen Schaufel näher zur Rotationsachse des Rotors verlagert werden, wodurch die Belastung, insbesondere die Fliehkraftbelastung des Rotors hervorgerufen durch das Schaufelgewicht, verringert wird.

[0007] Dabei sind beide Seitenwände größtenteils in identischer Richtung gewölbt, d. h. eine der beiden Seitenwände ist größtenteils konkav gewölbt, während die gegenüberliegende andere Seitenwand zumindest größtenteils konvex gewölbt ist. Zugleich divergieren die beiden Seitenwände von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Zweckmäßigerweise weist der Schaufelfuß im Wesentlichen eine Schwalbenschwanzkontur auf.

[0010] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wölbung derjenigen Seitenwand des Schaufelfußes, welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Laufschaufel ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand voreilend ist, größtenteils konvex. Dies führt dazu, dass die auf das Schaufelblatt einwirkenden Strömungskräfte in der Schaufelfußverbindung derart in Umfangsrichtung wirken, dass die Laufschaufel eher zum Nutgrund der Haltenut hin bewegt wird. Hierdurch erfahren die zwischen den Haltenuten des Rotors geformten Klauen eine geringe mechanische Zug-Beanspruchung als bei einer Wölbung in umgedrehter Richtung. Vorzugsweise ist die nacheilende Seitenwand des Schaufelfußes größtenteils konkav gewölbt.

[0011] Durch die geringere mechanische Belastung kann die Lebensdauer von Rotorscheibe als auch von der Laufschaufel verlängert werden.

[0012] Zweckmäßigerweise kann dabei der Schaufelfuß auch in Axialrichtung gewölbt sein.

[0013] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung nachfolgend weiter erläutert.

[0014] Es zeigen:

FIG 1

eine erfindungsgemäße Laufschaufel in einer perspektivischen schematischen Darstellung,

FIG 2

in einer Seitenansicht eine Rotorscheibe mit Halte- nuten, geeignet zur Aufnahme einer erfindungsgemä- ßen Laufschaufel gemäß FIG 1,

FIG 3

in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt von der Rotorscheibe gemäß FIG 2 und

FIG 4

eine Rotorscheibe in einer zu FIG 3 alternativen Ausgestaltung mit in Axialrichtung gewölbten Halte- nuten.

[0015] Eine die Erfindung betreffende Laufschaufel 10 zeigt in perspektivischer Darstellung FIG 1. Die Laufschaufel 10 umfasst aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt 12, eine Plattform 14 sowie einen Schaufelfuß 16. Der Schaufelfuß 16 erstreckt sich von der Plattform 14 zu einer Schaufelfußunterseite 18. Zudem umfasst der Schaufelfuß 16 zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 20, 22, deren Abstand mit zunehmender Entfernung von der Plattform 14 größer wird. Die beiden Seitenwände 20, 22 divergieren somit von der Plattform 14 zur Schaufelfußunterseite 18, wobei der abgerundete Übergang der Seitenwände 20, 22 zur Schaufelfußunterseite 18 hier insgesamt außer Acht gelassen ist.

[0016] Eine zwischen den beiden Seitenwänden 20, 22 verlaufende Mittellinie 24 ist in gestrichelter Linienart dargestellt. Sowohl die Seitenwand 20 als auch die Seitenwand 22 sind entlang ihrer gesamten Erstreckung von Plattform 14 bis Schaufelfußunterseite 18 stets gewölbt. Hierdurch weist die Seitenwand 20 eine größtenteils konvexe Form und die Seitenwand 22 eine größtenteils konkave Form auf. Dadurch ergibt sich, dass die Mittellinie 24 ebenfalls gewölbt ist.

[0017] Durch die Verwendung des Begriffs "größtenteils" werden diejenige, wesentlich kleineren Abschnitte 23 der Seitenwände 20, 22 ausgeschlossen, welche als abgerundeten Übergänge die Seitenwände 20, 22 mit der Schaufelfußunterseite 18 verbinden.

[0018] FIG 2 zeigt die Seitenansicht eines Ausschnitts einer Rotorscheibe 25, welche Teil eines Rotors einer Turbomaschine ist. Die Rotorscheibe 25 weist an ihrem Außenumfang 26 über ihren Umfang gleichmäßig verteilte Haltenuten 28 auf, von denen in FIG 2 lediglich zwei dargestellt sind.

[0019] Die Kontur der Seitenwände 30, 32 der Haltenuten 28 entspricht dabei im Wesentlichen der von den beiden Seitenwänden 20, 22 des Schaufelfußes 16 vorgegebenen Kontur. Hierdurch ist die Laufschaufel formschlüssig mit ihrem Schaufelfuß 16 in die Haltenut 28 einsetzbar.

[0020] Die Seitenwände 30, 32 der Haltenuten 28 sind dementsprechend gewölbt wie die Seitenwände 20, 22 des Schaufelfußes 16. Die Richtung der Wölbung in Umfangsrichtung ist dabei so gewählt, dass eine im Wesentlichen konvex gewölbte Seitenwand 30 der Haltenut 28 in Rotationsrichtung R des Rotors bzw. der Rotorscheibe 25 gegenüber der ihr gegenüberliegenden Seitenwand 32 der entsprechenden Haltenut 28 nacheilend ist.

[0021] Eine in der Rotorscheibe 25 eingesetzte Laufschaufel 10 liegt bei Rotation des Rotors im Wesentlichen in den mit A, A' und B, B' gekennzeichneten Flächenbereichen an und ist so gegen radiale Bewegungen gesichert. Aufgrund der aufeinander abgestimmten Anordnung der Krümmung des Schaufelfußes 16 und der Rotationsrichtung R des Rotors kann in den Bereichen A, A', B, B' eine Steigerung der Spannungsbelastung vermieden werden.

[0022] FIG 3 zeigt eine zu FIG 2 analoge Rotorscheibe 25, bei der die Haltenuten 28 gegenüber der Axialrichtung schräg verlaufen.

[0023] In FIG 4 weisen die Haltenuten 28 eine entlang der Axialrichtung gewölbte Kontur auf. Dementsprechend ist dann der Schaufelfuß einer dazu korrespondierenden Laufschaufel zusätzlich in Axialrichtung gewölbt.

[0024] Jede der hier beschriebenen Laufschaufeln kann beispielsweise als Turbinenlaufschaufel oder auch als Verdichterlaufschaufel ausgebildet sein.

[0025] Insgesamt wird mit der Erfindung eine Laufschaufel 10 für eine axial durchströmbare Turbomaschine, vorzugsweise Turbine angegeben, bei der zur Verringerung der mechanischen Belastung im Schaufelfuß 16 und der diesen haltenden Wände 30, 32 eines Rotors die zwei einander gegenüberliegenden Seitenwände 20, 22 des Schaufelfußes 16 entlang ihrer Erstreckung zwischen Plattform 14 und Schaufelfußunterseite 18 stetig gewölbt sind.

Ansprüche

1. Laufschaufel (10) für eine axial durchströmbare Turbomaschine,
umfassend aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt (12), eine Plattform (14) und einen Schaufelfuß (16) mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden (20, 22), die von der Plattform (14) zu einer Schaufelfußunterseite (18) divergieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
beide Seitenwände (20, 22) entlang ihrer Erstreckung zwischen Plattform (14) und Schaufelfußunterseite (18) größtenteils in gleicher Richtung gewölbt sind.

2. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der der Schaufelfuß (16) im Wesentlichen eine Schwalbenschwanzkontur aufweist.

3. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der die Wölbung derjenigen Seitenwand (20) des Schaufelfußes (16), welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Laufschaufel (10) ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand (22) voreilend ist, zumindest größtenteils konvex ist und bei der die Wölbung derjenigen Seitenwand (22), welche entsprechend nacheilend ist, größtenteils konkav ist.

4. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Schaufelfuß (16) in Axialrichtung gewölbt ist.

5. Laufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als Turbinenlaufschaufel oder als Verdichterlaufschaufel einer axial durchströmbaren Turbomaschine.

Zeichnung