TURBOMASCHINEN-SCHAUFELANORDNUNG

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine 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.

Beschreibung

[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

Ansprüche

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.

Zeichnung