Turbinenschaufel mit Deckband und Dichtrippe

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (1) einer Strömungsmaschine,. die entlang einer Längsrichtung (L) aufeinanderfolgend einen Laufschaufelfuß (2), eine Plattform (3), ein Flügelblatt (4) und ein Deckband (5) aufweisen, wobei am Außenumfang des Deckbandes (5) eine entlang einer Umfangsrichtung (U) verlaufende Dichtrippe (6) angeordnet ist. Die Aufgabe ist es eine Laufschaufel (1) anzugeben, deren am Deckband (5) angeordnete Dichtrippe (6) den mechanischen Belastungen während des Betriebes Stand hält. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, in dem die Dichtrippe (6) in Längsrichtung (L) eine lokale Querschnittsvergrößerung (7) aufweist.
Bezugszeichenliste

1

Laufschaufel

2

Laufschaufelfuß

3

Plattform

4

Flügelblatt

5

Deckband

6

Dichtrippe

7

lokale Querschnittsvergrößerung

8

Trennschlitz

9

Ausnehmung

10

Kontaktfläche

12a

erster Seitenrand

12b

zweiter Seitenrand

13

Fliegkraft

14

Druckspannung

15

auf den Kopf gestelltes T-Profil

16

I-förmiges Profil

L

Längsrichtung

U

Umfangsrichtung

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel einer Strömungsmaschine, die entlang einer Längsrichtung aufeinanderfolgend einen Laufschaufelfuß, eine Plattform, ein Flügelblatt und ein Deckband aufweist, wobei am Außenumfang des Deckbandes eine entlang einer Umfangsrichtung verlaufende Dichtrippe angeordnet ist.

[0002] Es sind Laufschaufeln für eine Turbine aus der DE 19,904,229 A1 bekannt. Die Laufschaufel zeigt ein Flügelblatt, an deren Spitze ein Deckband angeordnet ist. Das Deckband ist mittig an der Spitze befestigt und zu den beiden Seitenrändern des Deckbands hin frei auskragend. Eine Dichtrippe ist am Außenumfang des Deckbands angeordnet und verläuft von einem frei auskragenden Seitenrand zu dem anderen. Dabei ist sie von Kühlmittelkanälen durchzogen. Die Zentrifugalkräfte des rotierenden Rotors bedingen, dass die frei auskragenden Seitenränder des Deckbandes sich nach außen hin bewegen. Dies kann zu einem Kontakt zwischen Dichtrippe und dem gegenüberliegenden Führungsring führen, wobei die Dichtrippe dabei an ihren Enden deformiert wird. Gleichfalls führen die nach außen strebenden Seitenränder des Deckbandes in der Mitte der Dichtrippe zu Druckspannungen, die Dichtrippe gegebenenfalls verformen.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Laufschaufel anzugeben, bei der die vorstehenden Nachteile vermieden werden. Gleichfalls soll eine Dampfturbine und eine Gasturbine angegeben werden, bei denen die vorgenannten Nachteile nicht auftreten.

[0004] Die auf die Laufschaufel bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, in dem die Dichtrippe in Längsrichtung der Laufschaufel eine lokale Querschnittsvergrößerung aufweist.

[0005] Die lokale Querschnittsvergrößerung vergrößert die tragende Fläche, die Querschnittsfläche, in der Dichtrippe. Somit widersteht die Dichtrippe ihren inneren Druckspannungen während des Betriebes der Strömungsmaschine. Die durch die Zentrifugalkräfte hervorgehende Druckspannung ist, bezogen auf eine Dichtrippe ohne lokale Querschnittsvergrößerung, nahezu identisch, wobei diese sich jedoch vorteilhafterweise auf einer größere Fläche der Dichtrippe auswirkt, so dass ein Verformen der Dichtrippe vermieden wird.

[0006] Abstrahiert stellt die über die gesamte Ausdehnung der Dichtrippe verlaufende lokale Querschnittsvergrößerung und das dazu parallel verlaufende Deckband den oberen und unteren Querbalken eines "I" dar, und die Dichtrippe selbst den vertikal verlaufenden Steg des "I". Jede frei auskragende Seite des Deckbands ist bezogen auf dessen Befestigungspunkt an der Schaufel somit wie ein einseitig eingespannter I-förmiger Biegebalken zu betrachten. Entgegen der Erfindung bildet das bisher bereits bekannte Deckband mit der Dichtrippe einen Biegebalken mit einem umgedreht T-förmigen Querschnitt. Wegen des größeren Flächenträgheitsmomentes der I-Form gegenüber der T-Form ist die erfindungsgemäße Ausführung biegesteifer als die bereits bekannte. Folglich biegt sich das Deckband während des Betriebs weniger. Somit ist eine Reduzierung der auftretenden Druckspannungen in der Dichtrippe gegeben und gleichfalls wird das Anstreifen der Dichtrippe am gegenüberliegenden Führungsring verhindert.

[0007] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtrippe durch einen quer zur Längsrichtung verlaufenden Trennschlitz mindestens teilweise unterbrochen. Die während des Betriebes der Strömungsmaschine auftretenden Zentrifugalkräfte bedingen eine Druckspannung in der Dichtrippe, die in der Mitte ihrer längsten Ausdehnung am größten ist. Ein dort angeordneter Trennschlitz vermindert das Aufbauen der Druckspannung. Eine unzulässige Deformation der Dichtrippe wird verhindert.

[0008] Vorzugsweise sind am Deckband zwei oder mehrere parallel verlaufende Dichtrippen angeordnet, die jeweils eine lokale Querschnittsvergrößerung aufweisen. Eine weitere Vergrößerung der Biegesteifigkeit des frei auskragenden Deckbandes wird somit erzielt.

[0009] Ebenso wird die auf die Laufschaufel bezogene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Massenreduzierung am Außenumfang des Deckbandes eine Ausnehmung angeordnet ist, die in Umfangsrichtung des Deckbandes von einem ersten frei auskragenden Seitenrand und von einem dem ersten Seitenrand gegenüberliegenden zweiten frei auskragenden Seitenrand begrenzt wird. Die Deckbänder unmittelbar benachbarter Laufschaufeln liegen gegenseitig an einer Kontaktfläche an, die an diesen Seitenrändern angrenzt. Diese Kontaktfläche kann somit weiterhin großzügig dimensioniert ausfallen, welches zur Festigkeit und Steifigkeit des von allen Deckbändern geformten Deckbandringes eines Laufschaufelrings beiträgt. Ein sich Aufschwingung des Laufschaufelrings wird somit verhindert. Die aus in Umfangsrichtung betrachtet mittig aus dem Deckband herausgenommene Masse beeinträchtig nicht Festigkeit des Deckbandes selber, da diese keine tragende Funktion aufweist.

[0010] In einer weiteren Ausgestaltung ist eine einfache Herstellbarkeit der Ausnehmung des Deckbandes gegeben, wenn diese über ihre Erstreckung in Umfangsrichtung eine identische Tiefe aufweist.

[0011] Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist gegeben, wenn die maximale Tiefe der Ausnehmung mittig zwischen dem die Ausnehmung in Umfangsrichtung begrenzenden ersten und zweiten Seitenrand angeordnet ist und dass die Tiefe der Ausnehmung sich zu beiden Seitenrändern hin verringert. Die sich verändernde Tiefe der Ausnehmung ist dabei eine das Deckband versteifende Form.

[0012] Vorzugsweise werden die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und 6 gemeinsam angewendet. Das Zusammenfügen der Merkmale kombiniert Vorteile und Wirkung. Die in den Dichtrippen herrschende Druckspannung kann während des Betriebes der Gasturbine wesentlich verringert und gleichfalls das Anstreifen der Dichtrippe am Führungsring verhindert werden.

[0013] Zweckmäßigerweise wird bei Vorhandensein zweier Dichtrippen die Ausnehmung dazwischen angeordnet.

[0014] Zweckmäßigerweise kann die Laufschaufel als Verdichterlaufschaufel ausgebildet sein, als auch als Turbinenlaufschaufel, bei der die so hergestellte Heißfestigkeit des Deckbandes und der Dichtrippe von besonderem Nutzen ist.

[0015] Die auf die Gasturbine bezogene Aufgabe wird gelöst, indem die Gasturbine mit einer Laufschaufel gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 betrieben wird.

[0016] Die auf die Dampfturbine bezogene Aufgabe wird gelöst, indem die Dampfturbine mit einer Laufschaufel gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 betrieben wird.

[0017] Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die schematisch in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei zeigt:

Fig. 1

Laufschaufel mit einem Deckband,

Fig. 2

Deckband mit bereits bekannter Dichtrippe,

Fig. 3

Deckband mit erfindungsgemäßer Dichtrippe.

[0018] Die in Fig. 1 dargestellte Laufschaufel 1 weist entlang einer Längsrichtung L aufeinanderfolgend einen Laufschaufelfuß 2, eine Plattform 3, einen Flügel 4 und ein Deckband 5 auf. Am Außenumfang des Deckbandes 5 angeordnet befinden sich zwei Dichtrippen 6. In Längsrichtung L weisen dabei die Dichtrippen eine lokale Querschnittsvergrößerung 7 auf, die in Umfangsrichtung U über ihre komplette Länge verläuft. Die in Umfangsrichtung U verlaufende Dichtrippe 6 weist in ihrer längsten Ausdehnung mittig einen Trennschlitz 8 auf. Die zwischen den beiden Dichtrippen 6 angeordnete Ausnehmung 9 ist in Umfangsrichtung U von den Seitenrändern 12a und 12b begrenzt.

[0019] Die Existenz der Seitenränder 12a, 12b ermöglicht zur Stabilisierung des Deckbandrings eine großzügige Dimensionierung der Kontaktflächen 10 zu den benachbarten Laufschaufeln 1. Während des Betriebes der Strömungsmaschine liegen die Kontaktflächen 10 der Deckbänder 5 benachbarter Laufschaufeln 1 formschlüssig aneinander.

[0020] Die während des Betriebes der Strömungsmaschine auftretenden Zentrifugalkräfte 13 bewirken in den Dichtrippen 6 Druckspannungen 14, die ihr Maximum in der Mitte der längsten Ausdehnung der Dichtrippen 6 haben. Der Trennschlitz 8 verhindert das deformierende Auftreten der Druckspannung 14 und bietet so einen Spalt, der sich unter Fliegkrafteinwirkung verkleinern kann.

[0021] In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Spitze einer bereits bekannten Laufschaufel 1 mit Deckband 5 und Dichtrippe 6 dargestellt. Während des Betriebes der Strömungsmaschine wirken aufgrund der Zentrifugalkräfte 13 in der Dichtrippe 6 die Druckspannungen 14. Die Betrachtung der Dichtrippe 6 unter mechanischen Aspekten wird durch das auf den Kopf gedrehte T-förmige Profil 15 symbolisiert. Die Dichtrippe 6 und das Deckband 5 sind am Flügelblatt 4 befestigt und kragen in Richtung der zwei Seitenrändern 12a, 12b frei aus. Die beiden frei auskragenden Bereiche in Verbindung mit den wirkenden Zentrifugalkräften 13 verhalten sich dabei jeweils wie ein einseitig eingespannter Biegebalken unter einer Linienlast. Einseitig bezieht sich auf den Befestigungspunkt des Deckbandes 5 am Flügelblatt 4. Die von den beiden freien Enden der eingespannten Biegebalken auftretenden Druckspannungen 14 treffen sich in der Mitte der längsten Ausdehnung der Dichtrippe 6 und können dort deformierend auf diese wirken.

[0022] Fig. 3 zeigt die Spitze einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 1. Die Dichtrippe 6 weist eine in Längsrichtung L lokale Querschnittsvergrößerung 7 auf. Durch die lokale Querschnittsvergrößerung 7 der Dichtrippe 6 in Verbindung mit dem Deckband 5 kann das mechanische wirksame Profil durch ein I 16 symbolisch dargestellt werden.

[0023] Die Druckspannungen 14, verursacht von den Zentrifugalkräften 13, sind aufgrund des biegesteiferen I-förmigen Profils 16, welches ein größeres Flächenträgheitsmoment aufweist als das T-förmigen Profil, geringer. Durch die Anordnung der lokalen Querschnittsvergrößerung 7 der Dichtrippe 6 erhält das Deckband 5 und die Dichtrippe 6 eine erhöhte Steifigkeit.

Ansprüche

1. Laufschaufel (1) einer Strömungsmaschine,
die entlang einer Längsrichtung (L) aufeinanderfolgend einen Laufschaufelfuß (2) (2), eine Plattform (3), ein Flügelblatt (4) und ein Deckband (5) aufweist, wobei am Außenumfang des Deckbands (5) eine entlang einer Umfangsrichtung (U) verlaufende Dichtrippe (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtrippe (6) in Längsrichtung (L) der Laufschaufel (1) eine lokale Querschnittsvergrößerung (7) aufweist.

2. Laufschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtrippe in Verbindung mit dem Deckband im Querschnitt I-förmig ist.

3. Laufschaufel (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die lokale Querschnittsvergrößerung (7) über die längste Ausdehnung der Dichtrippe (6) angeordnet ist.

4. Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtrippe (6) durch einen quer der Längsrichtung (L) verlaufenden Trennschlitz (8) mindestens teilweise unterbrochen ist.

5. Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufschaufel (1) am äußeren Umfang des Deckbandes (5) zwei oder mehr parallel verlaufende Dichtrippen (6) aufweist.

6. Laufschaufel (1) einer Strömungsmaschine,
die entlang einer Längsrichtung (L) aufeinanderfolgend einen Laufschaufelfuß (2), eine Plattform (3), ein Flügelblatt (4) und ein entlang einer Umfangsrichtung (U) verlaufendes Deckband (5) aufweist, an der zur Massenreduzierung am Außenumfang des Deckbandes (5) eine Ausnehmung (9) angeordnet ist, die in Umfangsrichtung (U) des Deckbandes (5) von einem ersten frei auskragenden Seitenrand (12a) und von einem dem ersten Seitenrand (12a) gegenüberliegenden zweiten frei auskragenden Seitenrand (12b) begrenzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die maximale Tiefe der Ausnehmung (9) mittig zwischen dem die Ausnehmung (9) in Umfangsrichtung (U) begrenzenden ersten und zweiten Seitenrand (12a, 12b) angeordnet ist und dass die Tiefe der Ausnehmung (9) sich zu beiden Seitenrändern (12a, 12b) hin verringert.

7. Laufschaufel (1) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (9) des Deckbandes (5) über ihre Erstreckung in Umfangsrichtung (U) eine identische Tiefe aufweist.

8. Laufschaufel (1) nach Anspruch 1 und 6.

9. Lauf schauf el (1) nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (9) zwischen zwei Dichtrippen (6) angeordnet ist.

10. Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufschaufel (1) als Verdichterlaufschaufel ausgebildet ist.

11. Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufschaufel (1) als Turbinenlaufschaufel ausgebildet ist.

12. Gasturbine mit einer Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Dampfturbine mit einer Laufschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

Zeichnung