[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung für eine Turbomaschine,
insbesondere eine Gasturbine, eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit
der Schaufelanordnung sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen der Schaufelanordnung.
[0002] Schaufeln von Turbomaschinen können im Betrieb verschiedene Schwingungsmoden aufweisen.
Insbesondere können einerseits sogenannte Flap-Moden ("F-Mode") der Schaufeln ein
Verkippen der Schaufeln bzw. Plattformen um die Haupt- bzw. Rotationsachse der Turbomaschine
bewirken, andererseits sogenannte Couple-Disk-Moden ("CD-Mode") ein Nicken der Schaufeln
bzw. Plattformen in Richtung einer Trennlinie zwischen den Plattformen.
[0003] Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, Schwingungen von
Schaufelanordnungen zu reduzieren.
[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Schaufelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Anspruch 10 stellt eine
Turbomaschine mit einer oder mehreren hier beschriebenen Schaufelanordnungen unter
Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0005] Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist (wenigstens) eine Schaufelanordnung
für eine bzw. einer Turbomaschine, in einer Ausführung eine(r) Gasturbine, insbesondere
eines Flugtriebwerks, eine Schaufel mit einem Schaufelblatt und wenigstens einer Plattform
sowie eine dieser in Umfangsrichtung benachbart( angeordnet)e weitere Schaufel mit
einem Schaufelblatt und wenigstens einer Plattform auf, wobei diese beiden Schaufeln
vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erste und zweite Schaufel bezeichnet
werden, ihr Schaufelblatt und ihre Plattform entsprechend als erstes Schaufelblatt
bzw. erste Plattform (der ersten Schaufel) bzw. zweites Schaufelblatt bzw. zweite
Plattform (der zweiten Schaufel).
[0006] In einer Ausführung sind die Schaufeln Laufschaufeln und/oder Schaufeln einer Verdichter-
oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, und/oder weisen
Schaufelfüße auf, die, insbesondere lösbar und/oder form- und/oder reibschlüssig,
in einem Träger, insbesondere Rotor der Turbomaschine, befestigt bzw. hierzu vorgesehen,
insbesondere eingerichtet, sind bzw. verwendet werden.
[0007] Aufgrund der Einsatzbedingungen kann die vorliegende Erfindung hier mit besonderem
Vorteil verwendet werden.
[0008] Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung begrenzen eine Wandung der ersten
Schaufel ("erste Wandung") und eine Wandung der zweiten Schaufel ("zweite Wandung")
eine Schaufelkavität, in der ein ein- oder mehrteiliger Dämpfer angeordnet ist bzw.
wird, welcher eine wandungsseitige Kontaktoberfläche aufweist, die im Betrieb die
erste und zweite Wandung wenigstens temporär kontaktiert bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere
eingerichtet, ist bzw. verwendet wird.
[0009] Diese Kontaktoberfläche weist nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung einen
Oberflächenabschnitt auf, der vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erster
Oberflächenabschnitt bezeichnet wird und in einer ersten Richtung (gesehen) konvex
gekrümmt ist, die in wenigstens einer Kontaktposition, in der dieser erste Oberflächenabschnitt
die erste Wandung kontaktiert, parallel zu wenigstens einem Abschnitt einer Kante,
insbesondere einer schaufelblatt- bzw. strömungskanalseitigen bzw. Oberkante, der
ersten Plattform ist, welche der zweiten Plattform zugewandt ist. Mit anderen Worten
weist die Kontaktoberfläche einen ersten Oberflächenabschnitt auf, der in Richtung
wenigstens eines Abschnitts einer der zweiten Plattform zugewandten (schaufelblatt-
bzw. strömungskanalseitigen bzw. Ober)Kante der ersten Plattform bzw. einer Trennlinie
zwischen der ersten und zweiten Plattform konvex gekrümmt ist, wenn der Dämpfer bzw.
sein erster Oberflächenabschnitt sich in der Kontaktposition befindet.
[0010] Dieser Abschnitt der Kante beträgt in einer Ausführung wenigstens 10%, insbesondere
wenigstens 25%, in einer Ausführung wenigstens 50% einer (Gesamt)Länge der Kante bzw.
Trennlinie, er kann insbesondere auch 100% betragen. Die Trennlinie kann in einer
Ausführung spaltartig sein, insbesondere, um Toleranzen, thermische Ausdehnungen,
Bewegungen oder dergleichen zu kompensieren. Entsprechend berührt die (der zweiten
Plattform zugewandte Kante der) erste(n) Plattform die zweite Plattform in einer Ausführung
(im (Normal)Betrieb) nicht bzw. ist hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet.
In einer anderen Ausführung können sich die (der zweiten Plattform zugewandte Kante
der) erste(n) Plattform und die zweite Plattform wenigstens temporär berühren, so
dass die Trennlinie eine Kontaktlinie zwischen der ersten und zweiten Plattform bildet.
Somit ist die erste Richtung in einer Ausführung in der wenigstens einen Kontaktposition,
in der der erste Oberflächenabschnitt die erste Wandung kontaktiert, parallel zu wenigstens
einem Abschnitt einer Trennlinie zwischen der ersten und zweiten Plattform, insbesondere
einem Abschnitt einer (durch die der zweiten Plattform zugewandten Kante der ersten
Plattform definierten) temporären oder auch nur virtuellen bzw. theoretischen Kontaktlinie
zwischen der ersten und zweiten Plattform, wobei dieser Abschnitt in einer Ausführung
wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 25%, in einer Ausführung wenigstens 50% einer
(Gesamt)Länge der Trenn- bzw. (temporären bzw. (nur) virtuellen bzw. theoretischen)
Kontaktlinie beträgt, insbesondere auch 100% betragen kann.
[0011] Wie einleitend erläutert, können Couple-Disk-Moden ein Nicken der Schaufeln bzw.
Plattformen in Richtung der Trennlinie bewirken. Indem der Dämpfer bzw. seine Kontaktoberfläche
in dem ersten Oberflächenabschnitt parallel zu wenigstens einem Abschnitt der der
zweiten Plattform zugewandten Kante der ersten Plattform bzw. der hierdurch definierten
Trennlinie zwischen der ersten und zweiten Plattform konvex gekrümmt ist, können in
einer Ausführung infolge einer (hierdurch begünstigten) Relativbewegung der ersten
und zweiten Schaufel gegeneinander vorteilhaft durch eine (hierdurch begünstigte)
reibungsbehaftete Gleitbewegung des Dämpfers bzw. seiner Kontaktoberfläche Schwingungsenergie
dissipiert und so entsprechende Schwingungen der Schaufelanordnungen reduziert werden.
[0012] In einer Ausführung ist der erste Oberflächenabschnitt zusätzlich auch in Umfangsrichtung
(gesehen) konvex gekrümmt, wenn der Dämpfer sich in der Kontaktposition befindet.
[0013] Wie einleitend erläutert, können Flap-Moden ein Verkippen der Schaufeln bzw. Plattformen
um die Haupt- bzw. Rotationsachse bzw. in Umfangsrichtung bewirken. Indem der Dämpfer
bzw. seine Kontaktoberfläche in dem ersten Oberflächenabschnitt auch in Umfangsrichtung
konvex gekrümmt ist, können in einer Ausführung infolge einer (hierdurch begünstigten)
Relativbewegung der ersten und zweiten Schaufel gegeneinander vorteilhaft durch eine
(hierdurch begünstigte) reibungsbehaftete Gleitbewegung des Dämpfers bzw. seiner Kontaktoberfläche
Schwingungsenergie dissipiert und so entsprechende Schwingungen der Schaufelanordnungen
reduziert werden.
[0014] In einer alternativen Ausführung ist der erste Oberflächenabschnitt in Umfangsrichtung
(gesehen) gerade, wenn der Dämpfer sich in der Kontaktposition befindet.
[0015] Hierdurch kann in einer Ausführung eine Gleitbewegung zwischen dem ersten Oberflächenabschnitt
und der ersten Wandung erschwert bzw. eine Anlagefläche vergrößert werden und sich
der Dämpfer dadurch besser an der ersten Wandung abstützen.
[0016] Insbesondere dann kann es, insbesondere in Hinblick auf die oben genannten Flap-Moden
bzw. das Verkippen der Schaufeln bzw. Plattformen um die Haupt- bzw. Rotationsachse
bzw. in Umfangsrichtung, vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Kontaktoberfläche einen
weiteren Oberflächenabschnitt aufweist, der vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit
als zweiter Oberflächenabschnitt bezeichnet wird, die zweite Wandung kontaktiert,
wenn der Dämpfer sich in der Kontaktposition befindet, bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere
eingerichtet, ist bzw. verwendet wird, und dann bzw. in der Kontaktposition in Umfangsrichtung
(gesehen) konvex gekrümmt ist.
[0017] Hierdurch können in einer Ausführung ein Verkippen der Schaufeln bzw. Plattformen
um die Haupt- bzw. Rotationsachse bzw. in Umfangsrichtung begünstigt und so vorteilhaft
durch eine (hierdurch begünstigte) reibungsbehaftete Gleitbewegung des Dämpfers bzw.
seiner Kontaktoberfläche Schwingungsenergie von Flap-Moden dissipiert und so entsprechende
Schwingungen der Schaufelanordnungen reduziert werden.
[0018] Durch den in der Kontaktposition in Umfangsrichtung (gesehen) geraden ersten Oberflächenabschnitt
kann sich dabei, wie erläutert, der Dämpfer vorteilhaft an der ersten Wandung abstützen,
wobei der in der Kontaktposition in Umfangsrichtung (gesehen) konvex gekrümmte zweite
Oberflächenabschnitt nicht hierauf beschränkt ist, sondern auch in Kombination mit
einem in der Kontaktposition in Umfangsrichtung (gesehen) konvex gekrümmten ersten
Oberflächenabschnitt vorteilhaft Schwingungen reduzieren kann.
[0019] Zusätzlich oder alternativ kann es, insbesondere bei in der Kontaktposition sowohl
in der ersten Richtung als auch in Umfangsrichtung (gesehen) konvex gekrümmtem ersten
Oberflächenabschnitt, vorteilhaft sein, einen bzw. den (zweiten) Oberflächenabschnitt
der Kontaktoberfläche vorzusehen, der in der Kontaktposition die zweite Wandung kontaktiert
und in der ersten Richtung und/oder in der Umfangsrichtung (gesehen) gerade ist. Dieser
zweite Oberflächenabschnitt kann dabei insbesondere eben bzw. planar ausgebildet sein.
[0020] Hierdurch kann in einer Ausführung eine Gleitbewegung zwischen diesem zweiten Oberflächenabschnitt
und der zweiten Wandung erschwert werden und sich der Dämpfer dadurch besser an der
zweiten Wandung abstützen.
[0021] In einer Ausführung weist der Dämpfer eine oder mehrere Dämpferkavitäten auf, in
der bzw. denen (jeweils) wenigstens, in einer bevorzugten Ausführung (jeweils) genau,
ein, in einer Ausführung kugelartiger, Stoßkörper angeordnet ist bzw. wird, der im
Betrieb Stoßkontakte mit der Dämpferkavitätswandung ausführt bzw. hierzu vorgesehen,
insbesondere eingerichtet ist bzw. verwendet wird.
[0022] Dem liegt ein, grundsätzlich aus der
WO 2012/095067 A1 bekanntes, Konzept zur Reduzierung von Schaufelschwingungen durch Stoßkontakte zugrunde,
durch das insbesondere Resonanzfrequenzen von Schaufel(anordnunge)n verstimmt werden
können. Ergänzend wird hierzu auf die genannte
WO 2012/095067 A1 Bezug genommen und deren Inhalt ausdrücklich vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung
einbezogen.
[0023] Wie sich überraschend herausgestellt hat, können in Kombination mit in der vorstehend
beschriebenen Kontaktoberfläche Impulse zwischen Stoßkörpern, Dämpfern und Schaufeln
besonders vorteilhaft übertragen und dadurch Schaufelschwingungen besonders vorteilhaft
reduziert werden. Es wird angenommen, dass dies durch die hierdurch begünstigten bzw.
erschwerten Gleitbewegungen in den entsprechenden Richtungen besonders begünstigt
wird, ohne an diese Annahme gebunden zu sein.
[0024] In einer Ausführung ist/sind bzw. wird/werden der bzw. eine oder mehrere der Stoßkörper
luft- bzw. gasdicht in der (jeweiligen) Dämpferkavität angeordnet.
[0025] Hierdurch können Schaufelschwingungen stoßkontaktbedingt besonders vorteilhaft reduziert
werden.
[0026] In einer Ausführung ist/sind bzw. wird/werden die bzw. eine oder mehrere der Dämpferkavitäten
(jeweils, insbesondere gemeinsam) durch einen Deckel, in einer Ausführung luftdicht,
verschlossen, der auf einer der Kontaktoberfläche gegenüberliegenden Seite des Dämpfers
angeordnet ist.
[0027] Hierdurch kann in einer Ausführung die Impulsübertragung zwischen Stoßkörpern, Dämpfern
und Schaufeln (weiter) verbessert werden.
[0028] Die erste und zweite Plattform sind in einer Ausführung schaufelfußseitige Plattformen,
insbesondere also radial innenliegende und/oder Unterplattformen.
[0029] Zusätzlich oder alternativ ist die Schaufelkavität in einer Ausführung auf einer
schaufelblattabgewandten Seite der ersten und/oder zweiten Plattform, in einer Ausführung
ganz oder teilweise in der ersten und/oder zweiten Plattform, angeordnet.
[0030] Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hierdurch Schaufelschwingungen besonders
vorteilhaft reduziert werden.
[0031] Eine Axialrichtung ist in einer Ausführung parallel zu einer Dreh- bzw. (Haupt)Maschinenachse
der Turbomaschine, eine Umfangsrichtung entsprechend eine Rotationsrichtung um diese
Achse, eine Radialrichtung senkrecht zur Axial- und Umfangsrichtung.
[0032] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu
zeigt, teilweise schematisiert:
- Fig. 1
- eine Schaufelanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in radialer
Draufsicht;
- Fig. 2
- eine Schaufel der Schaufelanordnung in perspektivischer Ansicht;
- Fig. 3
- einen Dämpfer der Schaufelanordnung in vergrößerter perspektivischer Ansicht;
- Fig. 4
- einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1;
- Fig. 5
- den Dämpfer aus einer anderen Perspektive; und
- Fig. 6
- einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4.
[0033] Fig. 1 zeigt eine Schaufelanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
in radialer Draufsicht, Fig. 2 eine der beiden baugleichen Schaufeln der Schaufelanordnung
in perspektivischer Ansicht.
[0034] Beide Schaufeln weisen jeweils ein Schaufelblatt 10 bzw. 20 und eine schaufelfußseitige
Plattform 11 bzw. 21 auf.
[0035] In einer Schaufelkavität in den beiden Plattformen, die durch entsprechende Wandungen
12 bzw. 22 (vgl. Fig. 4) begrenzt ist, ist ein Dämpfer 30 angeordnet, auf dessen wandungsseitige
Kontaktoberfläche man in Fig. 3 blickt.
[0036] Diese Kontaktoberfläche weist einen ersten Oberflächenabschnitt 31 auf, der in einer
ersten Richtung K konvex gekrümmt ist, die in einer Kontaktposition, in der der erste
Oberflächenabschnitt die Wandung der einen Schaufel kontaktiert (vgl. Fig. 4), parallel
zur der zweiten Plattform 21 zugewandten Kante k der ersten Plattform 11 bzw. Trennlinie
zwischen der ersten und zweiten Plattform ist. Fig. 6 zeigt zur Verdeutlichung einen
Schnitt längs der in Fig. 4 strichpunktiert eingezeichneten Schnittlinie VI-VI.
[0037] Im Ausführungsbeispiel ist der erste Oberflächenabschnitt in der Kontaktposition
auch in Umfangsrichtung U konvex gekrümmt und die Kontaktoberfläche weist einen zweiten
Oberflächenabschnitt 32 auf, der in der Kontaktposition die Wandung der anderen Schaufel
kontaktiert und in der ersten Richtung K und in der Umfangsrichtung U gerade ist.
[0038] In einer nicht dargestellten Abwandlung ist umgekehrt der erste Oberflächenabschnitt
31 in der Kontaktposition in Umfangsrichtung U gerade und der zweite Oberflächenabschnitt
32 in Umfangsrichtung konvex gekrümmt.
[0039] Wie in der Rückansicht (von radial unten) der Fig. 5 erkennbar, weist der Dämpfer
30 mehrere Dämpferkavitäten 33 auf, in denen jeweils ein (in Fig. 5 ausgeblendeter)
Stoßkörper zum Stoßkontakt mit der jeweiligen Dämpferkavitätswandung angeordnet ist.
[0040] Die Dämpferkavitäten werden bzw. sind durch einen (in Fig. 5 ausgeblendeten) Deckel
luftdicht.
[0041] Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden,
sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem
sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich
um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner
Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung
ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben,
wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung
der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich
zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen
ergibt.
Bezugszeichenliste
[0042]
- 10
- erstes Schaufelblatt
- 11
- erste Plattform
- 12
- erste Wandung
- 20
- zweites Schaufelblatt
- 21
- zweite Plattform
- 22
- zweite Wandung
- 30
- Dämpfer
- 31
- erster Oberflächenabschnitt
- 32
- zweiter Oberflächenabschnitt
- 33
- Dämpferkavität
- k
- Kante
- K
- erste Richtung
- U
- Umfangsrichtung
1. Schaufelanordnung für eine Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer ersten
Schaufel (10-12), die ein erstes Schaufelblatt (10) und eine erste Plattform (11)
aufweist, und einer in Umfangsrichtung (U) benachbarten zweiten Schaufel (20-22),
die ein zweites Schaufelblatt (20) und eine zweite Plattform (21) aufweist, wobei
eine erste Wandung (12) der ersten Schaufel und eine zweite Wandung (22) der zweiten
Schaufel eine Schaufelkavität begrenzen, in der ein Dämpfer (30) mit einer wandungsseitigen
Kontaktoberfläche (31, 32) angeordnet ist, wobei diese Kontaktoberfläche wenigstens
einen ersten Oberflächenabschnitt (31) aufweist, der in einer ersten Richtung (K)
konvex gekrümmt ist, die in wenigstens einer Kontaktposition, in der der erste Oberflächenabschnitt
die erste Wandung kontaktiert, parallel zu wenigstens einem Abschnitt einer der zweiten
Plattform zugewandten Kante (k) der ersten Plattform ist.
2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oberflächenabschnitt in der Kontaktposition auch in Umfangsrichtung konvex
gekrümmt ist.
3. Schaufelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche wenigstens einen zweiten Oberflächenabschnitt (32) aufweist,
der in der Kontaktposition die zweite Wandung kontaktiert und planar und/oder in der
ersten und/oder Umfangsrichtung gerade ist.
4. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oberflächenabschnitt (31) in der Kontaktposition in Umfangsrichtung gerade
ist.
5. Schaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche wenigstens einen zweiten Oberflächenabschnitt (32) aufweist,
der in der Kontaktposition die zweite Wandung kontaktiert und in Umfangsrichtung konvex
gekrümmt ist.
6. Schaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer wenigstens eine Dämpferkavität (33) aufweist, in der wenigstens, insbesondere
genau, ein Stoßkörper zum Stoßkontakt mit der Dämpferkavitätswandung, insbesondere
luftdicht, angeordnet ist.
7. Schaufelanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferkavität durch einen Deckel, insbesondere luftdicht, verschlossen ist,
der auf einer der Kontaktoberfläche gegenüberliegenden Seite des Dämpfers angeordnet
ist.
8. Schaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Plattform schaufelfußseitige Plattformen sind.
9. Schaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelkavität auf einer schaufelblattabgewandten Seite, insbesondere wenigstens
teilweise in, der ersten und/oder zweiten Plattform angeordnet ist.
10. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einer Schaufelanordnung nach
einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen einer Schaufelanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer derart in der Schaufelkavität angeordnet wird, dass er die Kontaktposition
einnehmen kann.