Schaufelbefestigung für einen Verdichter oder eine Turbine

Abstract

 Bei einer Schaufelbefestigung (10) einer Schaufel für einen Verdichter oder eine Turbine, bei der die Schaufel im Betrieb des Verdichters oder der Turbine radial gerichtet um eine Drehachse umläuft, mit einem Schaufelfuß (12), der an einem Schaufelhalter (14) entgegen der an der Schaufel wirkenden Kräfte zurückgehalten ist, ist ein Kontaktbereich (18) zwischen dem Schaufelfuß (12) und dem Schaufelhalter (14) gestaltet, der bei Stillstand der Schaufel spielbehaftet ist und durch ein geringfügiges Verschieben des Schaufelfußes (12) relativ zum Schaufelhalter (14) während des Betriebs des Verdichters oder der Turbine aufgrund der an der Schaufel wirkenden Kräfte in einen spielfreien oder spielreduzierten Zustand übergeführt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufelbefestigung einer Schaufel für einen Verdichter oder eine Turbine, bei der die Schaufel im Betrieb des Verdichters oder der Turbine radial gerichtet um eine Drehachse umläuft, mit einem Schaufelfuß, der an einem Schaufelhalter entgegen der an der Schaufel wirkenden Kräfte zurückgehalten ist.

[0002] Bei Verdichtern oder Turbinen sind Schaufelräder mit Schaufeln vorgesehen, die mit hoher Drehzahl umlaufen und dabei hohen Fliehkräften ausgesetzt sind. Diese sogenannten Laufschaufeln müssen mit Hilfe von Schaufelbefestigungen sicher an einem Rotor des zugehörigen Verdichters bzw. der zugehörigen Turbine gehalten sein.

[0003] Als Schaufelbefestigungen sind aus US 5,169,289 A ein sogenannter Tannenfuß oder aus DE 100 14 189 A1 ein sogenannter Hammerfuß bekannt. Als weitere bekannte Lösungen von Schaufelfüßen werden sogenannte Reiterfüße oder Hakenfüße verwendet. Die Formgebung bekannter Schaufelfüße und zugehöriger Schaufelhalter führt jedoch zu Spannungskonzentrationen in den beteiligten Bauteilen, die ihrerseits eine Materialermüdung nach sich ziehen. Diese stellt eine absolute Beschränkung hinsichtlich der Größe der verwendbaren Schaufeln dar.

[0004] Als Teilproblem der Formgebung und Gestaltung von Schaufelbefestigungen an Laufschaufeln ist der Krafttransfer über Kontaktflächen zwischen Rotor und Schaufel zu lösen. Ein weiteres Teilproblem ist die Kraftflussleitung, d.h. das Umleiten der an der Schaufel wirkenden Kräfte hinein in den zugehörigen Schaufelhalter am Rotor, mit möglichst niedrigen Spannungskonzentrationen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine eingangs genannte Schaufelbefestigung bereitzustellen, bei der die Schaufeln an einem Schaufelhalter mit niedrigen Flächenpressungen und besonders geringen Spannungskonzentrationen gehalten sind.

[0006] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Schaufelbefestigung gelöst, bei der mindestens ein Kontaktbereich zwischen dem Schaufelfuß und dem Schaufelhalter gestaltet ist, der bei Stillstand der Schaufel mindestens teilweise spielbehaftet ist und durch ein geringfügiges Verschieben des Schaufelfußes relativ zum Schaufelhalter während des Betrieb des Verdichters oder der Turbine aufgrund der an der Schaufel wirkenden Kräfte in einen spielfreien oder spielreduzierten Zustand übergeführt ist.

[0007] Mit anderen Worten sind der Schaufelfuß und der Schaufelhalter der erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung mit Tragflächen versehen, die bei Stillstand der zugehörigen Strömungsmaschine Spiel aufweisen, aber im Betrieb der Strömungsmaschine, beispielsweise wenn diese mit Nenndrehzahl umläuft, spielreduziert bzw. spielfrei sind. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass die Kontaktbereiche von Schaufelfuß und Schaufelhalter gerade dann besonders gut die gestellte Tragaufgabe lösen, wenn bei ihrer Konstruktion bereits das Bewegungsverhalten der zugehörigen Schaufel aufgrund der an der Schaufel wirkenden Flieh- und Mediumskräfte mit in die Konstruktion einbezogen wird. Dieses Bewegungsverhalten wird erfindungsgemäß berücksichtigt, indem die Verschiebung des Schaufelfußes relativ zum Schaufelhalter während des Betriebs des Verdichters oder der Turbine aufgrund der an der Schaufel wirkenden Kräfte ermittelt wird. Schaufelfuß und Schaufelhalter werden dann gezielt auf diesen Zustand hin mit spielfreien Kontaktbereichen konstruiert. Bei Stillstand bzw. verringerter Drehzahl des zugehörigen Verdichters oder der zugehörigen Turbine ist erfindungsgemäß die Konstruktion hingegen derart gestaltet, dass der Kontaktbereich zwischen Schaufelfuß und Schaufelhalter spielbehaftet ist. Eine solche spielbehaftete Situation führt zwar grundsätzlich zu erhöhten Flächenpressungen und erhöhten Spannungskonzentrationen, weil aber zugleich an der zugehörigen Schaufel geringere Kräfte wirken, sind die Flächenpressungen und Spannungskonzentrationen im Vergleich zur maximalen Belastung der Schaufelbefestigung gering.

[0008] Insgesamt können mit der erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung größere Tragaufgaben bewältigt oder vorhandene Tragaufgaben wirtschaftlicher gehandhabt werden.

[0009] Damit an der erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung die Gefahr von Reibverschleiß bzw. Fretting während des An- und Abfahrens des zugehörigen Verdichters oder der zugehörigen Turbine unterbunden ist, kann an dem Schaufelfuß und/oder dem Schaufelhalter insbesondere im Bereich der Tragflächen eine Beschichtung aufgebracht sein. Diese Beschichtung kann als abnutzende Schicht ausgelegt sein, welche durch Umformung oder Abrieb der Beschichtung zu einer selbsttätigen Entlastung gefährdeter Bereiche führt. Ein solches Vorgehen ist insbesondere sinnvoll, wenn Schaufelfuß und Schaufelhalter mit einer Materialpaarung gestaltet sind, die empfindlich gegen Reibverschleiß bzw. Fretting ist.

[0010] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung ist der Kontaktbereich mit einer Kontaktfläche gestaltet, an der der Schaufelfuß während des Betriebs des Verdichters oder der Turbine am Schaufelhalter anliegt und die mindestens einen radial gekrümmten Flächenabschnitt, d.h. einen in einem Radialschnitt (also einem Schnitt, der einen Radius in seiner Schnittebene enthält) gekrümmten Flächenabschnitt, aufweist. Mit einer derart gekrümmten Tragfläche zwischen Schaufelfuß und Schaufelhalter ist insbesondere ein besonders spannungsgünstiger Kraftfluss innerhalb des Schaufelfußes implementierbar. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine zumindest abschnittsweise gekrümmte Kontaktfläche besonders dann sinnvoll ist, wenn beide oben genannten Teilprobleme der gestellten Tragaufgabe, nämlich sowohl der Krafttransfer als auch die Kraftflussleitung gleichermaßen optimal gelöst sein sollen. Bei bekannten Schaufelbefestigungen ist der sogenannte Krafttransferbereich, in dem die an der Schaufel wirkenden Kräfte vom Schaufelfuß an den Schaufelhalter übertragen werden, und der sogenannte Kraftflussleitungsbereich, in dem die an der Schaufel wirkenden Kräfte aus der Längsrichtung der Schaufel zum Schaufelhalter hin umgelenkt werden, mit zwei geometrisch getrennten Funktionalelementen adressiert. Bei einer erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung, welche auch ohne die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gestaltet sein kann, ist hingegen eine zumindest abschnittsweise gekrümmte Kontaktfläche vorgesehen, bei der der Krafttransferbereich und der Kraftflussleitungsbereich einander in einem Funktionsbereich des Schaufelfußes überlappend gestaltet sind. Der gekrümmte Flächenabschnitt überträgt dann Kräfte vom Schaufelfuß auf den Schaufelhalter und lenkt gleichzeitig bereits die aus der Schaufel einfließenden Kräfte in Richtung auf den Schaufelhalter um.

[0011] Diese Doppelfunktion von Abschnitten der Kontaktfläche kann besonders sinnvoll eingesetzt werden, wenn die Kontaktfläche insgesamt radial geneigt ausgerichtet ist und der mindestens eine radial gekrümmte Flächenabschnitt an dem zur Drehachse gewandten Randbereich der Kontaktfläche oder an dem von der Drehachse weggewandten Randbereich der Kontaktfläche vorgesehen ist.

[0012] Die gekrümmten Flächenabschnitte können besonders vorteilhaft zu einer Lösung kombiniert werden, bei der an der Schaufelbefestigung in einem Radialschnitt betrachtet die Kontaktfläche insgesamt im Wesentlichen S-förmig gestaltet ist.

[0013] Die Kontaktfläche kann im Zentrum bzw. ihrem Mittelbereich in einem Radialschnitt betrachtet einen geraden Flächenabschnitt aufweisen oder aber mit einem konkav gekrümmten und unmittelbar anschließend einem konvex gekrümmten Flächenabschnitt versehen sein. Die unmittelbar aufeinanderfolgenden gekrümmten Abschnitte tragen beide sowohl zum Krafttransfer als auch zur Kraftumlenkung bei, sodass kein Flächenabschnitt mehr vorhanden ist, der nur Kraft überträgt, nicht aber umlenkt. Hinsichtlich der angestrebten Spannungsverteilung im Material ist eine solche Lösung besonders günstig. Damit die Kraftumlenkung innerhalb dieser Lösung besonders gleichmäßig erfolgt, können optimierte Flächen auf der Basis von Splines verwendet werden.

[0014] Eine besonders vorteilhafte Verteilung der Spannungen in dem beteiligten Materialien von Schaufelfuß und Schaufelhalter, mit der dennoch die geforderte Kraftumlenkung und der gewünschte Krafttransfer möglich sind, kann erzielt werden, indem in einem Radialschnitt betrachtet der Krümmungsradius der konkaven und/oder konvexen Krümmung zur Breite der Kontaktfläche ein Verhältnis von etwa 5,0 zu 4,0 bis etwa 5,0 zu 3,0, insbesondere von etwa 5,0 zu 3,8 einnimmt.

[0015] Hinsichtlich der angestrebten Doppelwirkung des erfindungsgemäßen Kontaktbereichs zum Krafttransfer und zur Kraftumlenkung sollte ferner in einem Radialschnitt betrachtet die Kontaktfläche zwischen einer bzw. der konkaven und einer bzw. der konvexen Krümmung einen Wendepunkt aufweisen, an dem eine Tangente an die Kontaktfläche zur Radialrichtung einen Winkel von zwischen etwa 35° und 55°, insbesondere von etwa 45° einnimmt. Eine solche radiale Neigung der Kontaktfläche hat sich hinsichtlich der gewünschten Doppelfunktion als besonders vorteilhaft gezeigt.

[0016] Schließlich sollte an der erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung am Schaufelfuß und/oder am Schaufelhalter an mindestens einem Rand der Kontaktfläche ein gewölbter Flächenbereich vorgesehen sein, der an die Kontaktfläche übergangslos anschließt. Mit dem Begriff "übergangslos" ist hier gemeint, dass zwischen der Kontaktfläche und dem gewölbten Flächenbereich keine Kanten oder Kerben vorgesehen sein sollten.

[0017] Ferner ist es vorteilhaft, wenn in einem Radialschnitt betrachtet die Krümmungsradien der anschließenden gewölbten Flächenbereiche von Schaufelfuß und Schaufelhalter ein Verhältnis zwischen etwa 1,0 und 1,2, insbesondere etwa 1,1 aufweisen. Die erfindungsgemäß bei Nenndrehzahl geschaffene spielfreie Situation im Kontaktbereich zwischen Schaufelfuß und Schaufelhalter lässt sich bei derartigen Verhältnissen besonders vorteilhaft herstellen.

[0018] Nachfolgend wir ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

einen Radialschnitt einer erfindungsgemäßen Schaufelbefestigung eines Verdichters bei dessen Stillstand und

Fig. 2

den Radialschnitt gemäß Fig. 1 bei Nenndrehzahl des Verdichters.

[0019] In Fig. 1 ist eine Schaufelbefestigung 10 zum Befestigen eines Schaufelfußes 12 einer weiter nicht veranschaulichten Schaufel an einem Schaufelhalter 14 dargestellt, welcher an einem Rotor eines Verdichters angeordnet und bei dessen Betrieb mit hoher Drehzahl umläuft.

[0020] Bei der Rotation des Rotors mit seinem Schaufelhalter 14 läuft auch die genannte Schaufel, welche sich in einer Radialrichtung 16 erstreckt mit um und unterliegt dabei hohen Fliehkräften und Kräften aus dem Arbeitsmedium, welche die Schaufel mit ihrem Schaufelfuß 12 radial nach außen, d.h. bezogen auf Figur 1 nach oben ziehen, und tangential und axial biegen. Bei Stillstand des Verdichters unterliegt die Schaufel und deren Schaufelfuß 12 hingegen nicht diesen Fliehkräften.

[0021] Der Schaufelfuß 12 und der Schaufelhalter 14 sind durch eine Nut-Zahn-Verbindung bzw. Nut-Feder-Verbindung miteinander in einem Kontaktbereich 18 gekoppelt. Von dieser Nut-Zahn-Verbindung ist in den Fig. 1 und 2 nur jeweils ein kurzer Abschnitt mit jeweils einer Nut und einem Zahn veranschaulicht. An der Schaufelbefestigung 10 sind zwischen zwei und sechs solcher Nut-Zahn-Verbindungen vorgesehen.

[0022] In Fig. 1, welche die Situation bei Stillstand des Verdichters zeigt, ist zu erkennen, dass die Formen des Schaufelfußes 12 und des Schaufelhalters 14 im Kontaktbereich 18 derart gestaltet sind, dass zwischen ihnen in dieser Stillstandssituation Spiel besteht. Dieses Spiel ist zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Lösung verhältnismäßig groß dargestellt.

[0023] Zugleich ist der Kontaktbereich 18 ferner derart ausgeformt, dass sich dann ein spielfreier Zustand einstellt, wenn der Rotor des Verdichters im Betrieb ist und mit einer Geschwindigkeit nahe seiner Nenndrehzahl umläuft. In einer solchen Situation wird die Schaufel aufgrund der an ihr wirkenden Fliehkräfte wie erwähnt radial nach außen gezogen und dadurch auch der Schaufelfuß 12 relativ zum Schaufelhalter 14 geringfügig verschoben.

[0024] Nach der Verschiebung liegt der Schaufelfuß 12 an dem Schaufelhalter 14 an einer in Fig. 2 dargestellten Kontaktfläche 20 an, die insgesamt aus gekrümmten Flächenabschnitten aufgebaut ist. Im in Fig. 2 dargestellten Radialschnitt zeigen sich diese gekrümmten Flächenabschnitte am Schaufelfuß 12 und am Schaufelhalter 14 jeweils als ein konvexer Flächenabschnitt 22 und ein unmittelbar daneben angeordneter konkaver Flächenabschnitt 24. Die gekrümmten Flächenabschnitte 22 und 24 lenken einerseits die an der Schaufel wirkenden Kräfte in Richtung auf den Schaufelhalter 14 hin um (Kraftflussleitung) und übertragen ferner diese Kräfte auf den Schaufelhalter 14 (Krafttransfer) .

[0025] Die konvexen und konkaven Flächenabschnitte 22 und 24 weisen jeweils im Radialschnitt betrachtet konstante und gleiche Krümmungsradien 26 auf. Zwischen den Flächenabschnitten 22 und 24 befindet sich ein Wendepunkt 28, an dem eine Tangente 30 an die Kontaktfläche 20 einen Winkel von ca. 45° zur Radialrichtung 16 hin einnimmt.

[0026] An die Kontaktfläche 20 schließen jeweils übergangslos (d.h. C¹-stetig) Flächenbereiche an, deren Krümmungsradien 32 in den konvexen anschließenden Flächenbereichen dem Krümmungsradius 26 entsprechen und deren Krümmungsradien 34 in den konkaven anschließenden Flächenbereichen geringfügig größer sind, sodass sich an diesen anschließenden Flächenbereichen bei Nenndrehzahl des Verdichters zwischen dem Schaufelfuß 12 und dem Schaufelhalter 14 ein geringfügiges Spiel ergibt.

Ansprüche

1. Schaufelbefestigung (10) einer Schaufel für einen Verdichter oder eine Turbine, bei der die Schaufel im Betrieb des Verdichters oder der Turbine radial gerichtet um eine Drehachse umläuft, mit einem Schaufelfuß (12), der an einem Schaufelhalter (14) entgegen der an der Schaufel wirkenden Kräfte zurückgehalten ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Kontaktbereich (18) zwischen dem Schaufelfuß (12) und dem Schaufelhalter (14) gestaltet ist, der bei Stillstand der Schaufel spielbehaftet ist und durch ein geringfügiges Verschieben des Schaufelfußes (12) relativ zum Schaufelhalter (14) während des Betriebs des Verdichters oder der Turbine aufgrund der an der Schaufel wirkenden Kräfte in einen spielfreien oder spielreduzierten Zustand übergeführt ist.

2. Schaufelbefestigung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktbereich (18) mit einer Kontaktfläche (20) gestaltet ist, an der der Schaufelfuß (12) während des Betriebs des Verdichters oder der Turbine am Schaufelhalter (14) anliegt und die mindestens einen radial gekrümmten Flächenabschnitt (22, 24) aufweist.

3. Schaufelbefestigung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktfläche (20) radial geneigt und der radial gekrümmte Flächenabschnitt (22, 24) an dem zur Drehachse gewandten Randbereich der Kontaktfläche (20) gestaltet ist.

4. Schaufelbefestigung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktfläche (20) radial geneigt und der radial gekrümmte Flächenabschnitt (22, 24) an dem von der Drehachse weggewandten Randbereich der Kontaktfläche (20) gestaltet ist.

5. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Radialschnitt betrachtet die Kontaktfläche (20) insgesamt im Wesentlichen S-förmig gestaltet ist.

6. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Radialschnitt betrachtet die Kontaktfläche (20) konkav und unmittelbar anschließend konvex gekrümmt, insbesondere auf der Basis von Splines, gekrümmt gestaltet ist.

7. Schaufelbefestigung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Radialschnitt betrachtet der Krümmungsradius (26) der konkaven und/oder konvexen Krümmung zur Breite der Kontaktfläche (20) ein Verhältnis von etwa 5,0 zu 4,0 bis etwa 5,0 zu 3,0, insbesondere von etwa 5,0 zu 3,8 einnimmt.

8. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Radialschnitt betrachtet die Kontaktfläche (20) zwischen einer bzw. der konkaven und einer bzw. der konvexen Krümmung einen Wendepunkt (28) aufweist, an dem eine Tangente (30) an die Kontaktfläche (20) zur Radialrichtung (16) einen Winkel von zwischen etwa 35° und 55°, insbesondere von etwa 45° einnimmt.

9. Schaufelbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Schaufelfuß (12) und/oder am Schaufelhalter (14) an mindestens einem Rand der Kontaktfläche (20) übergangslos ein gewölbter Flächenbereich anschließt.

10. Schaufelbefestigung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Radialschnitt betrachtet die Krümmungsradien (32, 34) der anschließenden gewölbten Flächenbereiche von Schaufelfuß (12) und Schaufelhalter (14) ein Verhältnis zwischen etwa 1,0 und 1,2, insbesondere etwa 1,1 aufweisen.

Zeichnung