Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von axial durchströmten Turbomaschinen. Sie betrifft einen Rotor für eine axial durchströmte Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Laufschaufel für einen solchen Rotor.

Stationäre Gasturbinen hoher Leistung sind seit längerer Zeit ein wesentlicher Bestandteil von Kraftwerken, speziell Kombikraftwerken. Fig. 1 zeigt in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht ein Beispiel für eine solche Gasturbine, die von der Anmelderin angeboten wird und unter der Typenbezeichnung GT26^® bekannt ist.

Die Gasturbine 10 der Fig. 1 ist mit einer sogenannten sequentiellen Verbrennung ausgestattet. Sie umfasst einen mehrstufigen Verdichter 12, der Luft über einen Lufteinlass 15 ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer nachfolgenden ersten ringförmigen Brennkammer 14a teilweise zur Verbrennung eines eingedüsten Brennstoffs benutzt. Das entstehende Heissgas durchströmt eine erste Turbine 13a und tritt dann in eine zweite Brennkammer 14b ein, wo die restliche Luft zur Verbrennung eines wiederum eingedüsten Brennstoffs eingesetzt wird. Der aus der zweiten Brennkammer 14b kommende Heissgasstrom wird in einer zweiten Turbine 13b unter Arbeitsleistung entspannt und tritt aus der Gasturbine 10 durch einen Abgasauslass 16 aus, um nach aussen abgegeben oder - in einem Kombikraftwerk - zur Erzeugung von Dampf eingesetzt zu werden.

Der Verdichter 12 und die beiden Turbinen 13a, 13b weisen Sätze von um die Achse 30 rotierenden Laufschaufeln auf, die zusammen mit am umgebenden Stator befestigten Leitschaufeln die Beschaufelung der Maschine bilden. Alle Laufschaufeln sind auf einem gemeinsamen, um die Achse drehbaren Rotor 11 angeordnet und an der Rotorwelle mittels dafür vorgesehener Rotornuten lösbar befestigt. Spezielle Aufmerksamkeit kommt dabei den letzten Stufen 12a des Verdichters 12 zu, in denen die verdichtete Luft Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreicht.

Aus dem Stand der Technik (siehe z.B. die WO-A1-2005/054682 oder JP-A-2005/220825) ist es bekannt, gemäss Fig. 2 die Laufschaufeln 17 einer Turbomaschine mit einem als Hammerfuss ausgebildeten Schaufelfuss 18 zu versehen und mit dem Schaufelfuss 18 in eine um die Achse umlaufende Rotornut 19 einzuschieben und dort zu halten. Der Schaufelfuss 18 stützt sich an in radialer Richtung weiter aussen liegenden radialen Anschlagflächen 25 der Rotornut 19 gegen auf die Laufschaufel 17 wirkende Fliehkräfte ab. Desgleichen stützt er sich an in radialer Richtung weiter innen liegenden axialen Anschlagflächen 20 gegen auf die Laufschaufel 17 wirkende axiale Kräfte ab. Zwischen den radialen Anschlagflächen 25 und den axialen Anschlagflächen 20 ist dabei jeweils ein Freistich vorgesehen. Am Boden der Rotornut 19 ist eine Feder 22 vorgesehen, welche die Laufschaufel 17 während der Montage in radialer Richtung fixiert.

In der älteren Publikation GB 614678 sind verschiedene Ausführungsarten zur Fixierung von Laufschaufeln in einem Rotor einer Turbomaschine offenbart, darunter auch Schaufeln mit einem als Hammerfuss ausgebildeten Fuss, welcher in eine komplementär ausgebildete Rotornut eingreift. Zu Recht wird darauf hingewiesen, dass insbesondere während transienter Turbinenzustände, wie beispielsweise dem Startvorgang, Schaufelfuss und Rotor deutlich voneinander abweichende Temperaturen aufweisen können. Die damit einhergehende unterschiedliche thermische Expansion von Schaufetfuss und Rotornut kann zu dauerhaften Deformationen innerhalb der beteiligten Komponenten führen mit der Folge, dass während des normalen Betriebes die Schaufeln locker sitzen. Zur Gewährleistung eines festeren Sitzes der Schaufeln in dem Rotor werden die korrespondierenden Oberflächen von Rotornut und Schaufelfuss mit wenigstens einem Vorsprung ausgestattet, der in eine komplementäre Ausnehmung der angrenzenden Oberfläche eingreift und auf diese Weise die Schaufel zusätzlich fixieren soll. Kaum kalkulierbare Spannungszustände und eine erhöhte Anfälligkeit des Rotors gegen Spannungsrisskorrosion grenzen die Einsatzmöglichkeiten dieser Lösung ein.

Auch die Schaufelanordnung gemäss GB 674543 weist am Grund der Rotornut radial gerichtete Ausnehmungen auf, die eine vergleichbare Funktion zu erfüllen.

Derartige nachteilige Wirkungen schwer zu kalkulierender Spannungszustände werden durch eine Ausführung der Rotornut gemäss EP-A2-707135 vermieden. Hier wird die Rotornut durch eine Anzahl aufeinanderfolgender Radien R₁, ..., R_n beschrieben, die deren Kontur in durch diese Radien definierte Kreisbögen unterteilen und ihr einen kontinuierlichen Verlauf ohne spitz zulaufende, eine Kerbwirkung entfaltende Kanten verleihen.

Im Zuge der fortlaufenden Energie- und Umweltdiskussionen besteht der anhaltende Wunsch, Leistung, Effizienz, Verbrennungstemperatur und/oder Massendurchfluss derartiger Maschinen zu erhöhen. Eine Erhöhung der abgegebenen Leistung kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass der Verdichter verbessert wird.

Eine Leistungssteigerung der Gasturbine ist mit einer Erhöhung des Massendurchflusses durch den Verdichter verbunden, die zu einer höheren Gastemperatur in den letzten Verdichterstufen 12a führt. Die zeitgemässe, fortschrittliche aerodynamische Auslegung der Schaufelblätter des Verdichters erfordert grössere axiale Sehnenlängen, was zu einem grösseren Abstand zwischen den Rotornuten 19 führt.

Beides zusammen verursacht deutlich erhöhte thermische Spannungen in den Kerben am Boden der Rotornuten in den hinteren Verdichterstufen während des Starts der Maschine, weil sich das Zentrum des Rotorkörpers noch auf einer niedrigen Temperatur (T1 in Fig. 2) befindet, während der Aussenbereich bereits der hohen Volllasttemperatur (T2 in Fig. 2) ausgesetzt ist und so hohe thermische Spannungen im Material entstehen.

In einem anderen Zusammenhang, nämlich bei Laufschaufeln von Gasturbinen mit einem schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuss, der an schräg stehenden Anschlagflächen in der Rotornut anliegt und aufgrund der Reibung Scherkräfte auf die Seitenwände der Nut ausübt, ist vorgeschlagen worden, zum Abbau der reibungsbedingten Spannungen unterhalb der Anschlagflächen Hohlkehlen in die Rotornut einzubringen (siehe die US-A-5141401). Thermische Spannungen spielen dabei allerdings keine Rolle.

Im Zusammenhang mit Massnahmen zur Verringerung der Spannungen im Bereich der Rotornut wiederholt EP-A1-1703080 den massgeblichen Einfluss der Querschnittskontur der Nut auf den Spannungsverlauf innerhalb des Rotors. In diesem Zusammenhang wird dort angeregt, dem Nutboden eine elliptische Querschnittskontur aufzuerlegen.

Eine dergestalt ausgebildete Rotornut weist an ihrem Boden zur Reduzierung thermischer Spannungen einen in axialer und radialer Richtung erweiterten Bodenbereich 23 mit einer stetig gekrümmten Querschnittskontur auf, der sich durch einen grossen Krümmungsradius im Bereich der Mittelebene 33 auszeichnet und spiegelsymmetrisch zur Mittelebene 33 ausgebildet ist.

Wenn bei einer derart veränderten Rotornutgeometrie der Schaufelfuss 18 der Laufschaufel 17 in seinem Design beibehalten werden sollte, müsste der Hammerkopf des Schaufelfusses 18 gemäss Fig. 3 um das schraffiert dargestellte Zusatzvolumen 24 vergrössert werden, was zu einer deutlichen Erhöhung der Masse der Laufschaufel 17 und damit zur Vergrösserung der an der Rotornut 21 angreifenden Zentrifugalkräfte führen würde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Rotor bzw. die am Rotor eingesetzten Laufschaufeln so auszubilden, dass die Vorteile einer Rotornutgeometrie mit erweitertem Bodenbereich und grossem Krümmungsradius ohne anderweitige Nachteile ausgeschöpft werden können.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Grundgedanke der Erfindung ist dabei, dass die Rotornut an ihrem Boden zur Reduzierung thermischer Spannungen in an sich bekannter Weise einen in axialer und radialer Richtung erweiterten Bodenbereich mit einer stetig gekrümmten Querschnittskontur aufweist, und der Schaufelfuss der Laufschaufeln in radialer Richtung an den erweiterten Bodenbereich angepasst ist.

Gemäss der Erfindung ist der erweiterte Bodenbereich der Rotornut spiegelsymmetrisch zu einer durch die Rotornut gehenden, senkrecht zur Achse stehenden Mittelebene ausgebildet und der Krümmungsradius der Querschnittskontur des Bodenbereichs nimmt dabei von der Mittelebene ausgehend zum Rand hin ab,.wobei der erweiterte Bodenbereich in axialer Richtung eine vorgegebene maximale Breite aufweist, dass die radialen Anschlagflächen in axialer Richtung einen vorgegebenen minimalen Abstand aufweisen, und dass das Verhältnis von minimalem Abstand zu maximaler Breite zwischen 0,1 und 0,6 beträgt, d.h. 0,1 < d₅/d₁ < 0,6 und der erweiterte Bodenbereich relativ zu den radialen Anschlagflächen eine vorgegebene erste maximale Tiefe aufweist, der erweiterte Bodenbereich relativ zu den inneren Kanten der axialen Anschlagflächen eine vorgegebene zweite maximale Tiefe aufweist, und das Verhältnis von zweiter maximaler Tiefe zu erster maximaler Tiefe zwischen 0,4 und 0,9 beträgt, d.h. 0,4 < d₃/d₄ < 0,9 und wenn in axialer Richtung mehrere gleichartige Rotornuten um einen vorgegebenen Abstand versetzt vorgesehen sind, und das Verhältnis von maximaler Breite zu Abstand zwischen 0,5 und 0,8 beträgt, d.h. 0,5 < d₁/d₂ < 0,8.

Eine Laufschaufel für einen derart ausgebildeten Rotor besitzt einen als Hammerkopf ausgebildeten Schaufelfuss, der unterhalb des Hammerkopfs zur Überbrückung der radialen Erweiterung des erweiterten Bodenbereichs in radialer Richtung mittels eines sich in radialer Richtung erstreckenden Verlängerungsbolzens verlängert ist, wobei der Hammerkopf eine vorgegebene Höhe d₂ und eine vorgegebene radiale Länge d₁ hat, und dass das Verhältnis von Höhe zu Länge zwischen 0,2 und 0,8 liegt, d.h. 0,2 < d₂/d₁ < 0,8, und der Hammerkopf eine vorgegebene erste axiale Breite d₃ und eine vorgegebene zweite axiale Breite d₄ hat, und das Verhältnis von zweiter zu erster axialer Breite zwischen 0,2 und 0,6 liegt, d.h. 0,2 < d₄/d₃ < 0,6.

Der vergleichsweise schlanke Verlängerungsbolzen überbrückt den Abstand, ohne unnötig Masse zur Laufschaufel hinzuzufügen.

Es ist dabei herstellungstechnisch von Vorteil, wenn der Verlängerungsbolzen am Hammerkopf angeformt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn am Übergang zwischen dem Verlängerungsbolzen und dem Hammerkopf zur Sicherstellung eines stetigen Übergangs eine gekrümmte Übergangsfläche vorgesehen ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, den Verlängerungsbolzen als separates Teil auszubilden und dieses mit dem Hammerkopf zu verbinden.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Verlängerungsbolzen mittels Verschrauben oder Verschweissen an dem Hammerkopf zu befestigen.

Die Masse der Laufschaufel kann darüber hinaus weiter verringert werden, wenn im Schaufelfuss massereduzierende Ausnehmungen vorgesehen sind.

Vorzugsweise erstrecken sich die Ausnehmungen über den Hammerkopf und den Verlängerungsbolzen.

Obgleich vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufend, können sich diese Ausnehmungen auch in anderer, beispielsweise radialer Richtung erstrecken.

Eine Ausgestaltung des Rotors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unteren Ende des Verlängerungsbolzens und dem Boden des erweiterten Bodenbereichs ein Zwischenraum frei bleibt, und dass in dem freien Zwischenraum eine Feder angeordnet ist, welche die Laufschaufel mit dem Schaufelfuss in radialer Richtung gegen die radialen Anschlagflächen drückt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Ansicht eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, wie sie zur Realisierung der Erfindung geeignet ist;

Fig. 2

den Längsschnitt durch den Rotor einer bekannten Gasturbine im Bereich der letzten Stufen des Verdichters mit der zugehörigen Befestigung der Laufschaufeln;

Fig. 3

zwei benachbarte gleichartige Rotornuten mit erweitertem Bodenbereich und stetig gekrümmter Querschnittskontur in vergrösserter Darstellung mit den zugehörigen Abmessungen;

Fig. 4

eine mögliche Anpassung des Schaufelfusses an die veränderte Rotornutgeometrie;

Fig. 5

die Darstellung einer angepassten Laufschaufel für die geänderte Rotornutgeometrie aus Fig. 3 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6

die in die Rotornut aus Fig. 3 eingesetzte angepasste Laufschaufel aus Fig. 5; und

Fig. 7

Darstellung einer angepassten Laufschaufel für die geänderte Rotornutgeometrie aus Fig. 3 in einer zu Fig. 5 alternativen Ausführungsart.

Fig. 4 zeigt den zu Fig. 2 vergleichbaren Längsschnitt durch den Rotor 11 einer Gasturbine im Bereich der letzten Stufen des Verdichters gemäss der Erfindung. Ein Vergleich der Fig. 2 und 4 zeigt, dass der obere Abschnitt der Rotornut 21 gegenüber der bekannten Rotornutgeometrie aus Fig. 2 unverändert bleibt. Entsprechend bleiben die radialen und axialen Anschlagflächen 25 und 20 praktisch unverändert. Damit kann in diesem Bereich auf die bewährte Auslegung zurückgegriffen werden.

Neu ist hingegen der erweiterte Bodenbereich 23 der Rotornut 21. Der erweiterte Bodenbereich zeichnet sich dadurch aus, dass die Querschnittskontur des Bodenbereichs 23 stetig gekrümmt ist, und dass der Krümmungsradius der Querschnittskontur des Bodenbereichs 23 im Bereich der Mittelebene sehr gross ist und von der Mittelebene ausgehend zum Rand hin stark abnimmt. Die Querschnittskontur ist spiegelsymmetrisch zur Mittelebene.

Der erweiterte Bodenbereich 23 erweitert sich unmittelbar unterhalb der axialen Anschlagflächen 20 beidseitig in axialer Richtung nach Art eines Freistichs. Er weist, wie Fig. 3 zeigt, in axialer Richtung eine vorgegebene maximale Breite d₁ auf, während die radialen Anschlagflächen 25 in axialer Richtung einen vorgegebenen minimalen Abstand d₅ haben. Besonders günstig ist es, wenn das Verhältnis von minimalem Abstand d₅ zu maximaler Breite d₁ zwischen 0,1 und 0,6 beträgt, d.h. wenn die Ungleichung 0,1 < d₅/d₁ < 0,6 gilt.

Relativ zu den radialen Anschlagflächen 25 weist der erweiterte Bodenbereich 23 eine vorgegebene erste maximale Tiefe d₄ auf. Relativ zu den inneren Kanten der axialen Anschlagflächen 20 weist er eine vorgegebene zweite maximale Tiefe d₃ auf. Besonders günstig ist es, wenn das Verhältnis von zweiter maximaler Tiefe d₃ zu erster maximaler Tiefe d₄ zwischen 0,4 und 0,9 beträgt, d.h. wenn die Ungleichung 0,4 < d₃/d₄ < 0,9 gilt.

Eine weitere Ungleichung betrifft den Versatz der Rotornuten zueinander. Wenn in axialer Richtung mehrere gleichartige Rotornuten 21 um einen vorgegebenen Abstand d₂ versetzt zueinander vorgesehen sind, ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis von maximaler Breite d₁ zu Abstand d₂ zwischen 0,5 und 0,8 beträgt, d.h. die Ungleichung 0,5 < d₁/d₂ < 0,8 gilt.

Es liessen sich grundsätzlich die bisherigen Laufschaufeln mit ihren Schaufelfüssen 18 unverändert übernehmen und in die erweiterten Rotornuten 21 einsetzen. Allerdings müsste dann aufgrund des erweiterten Bodenbereichs 23 der Schaufelfuss 18 mit einem Zusatzvolumen 24 versehen werden, wie Fig. 4 zeigt, was aber zu unerwünschten Nebeneffekten führen würde.

Es wird daher eine Anpassung des Schaufelfusses an die veränderte Rotornutgeometrie bevorzugt, die beispielhaft in Fig. 5, 6 und 7 wiedergegeben ist. Die Laufschaufel 26 der Fig. 5 und 6 weist einen Schaufelfuss 27 auf, der im oberen Abschnitt, der bis zu den axialen Anschlagsflächen reicht, im Wesentlichen genauso ausgebildet ist, wie der Schaufelfuss 18 aus Fig. 2. Neu ist dagegen die am Hammerkopf 32 ansetzende radiale Verlängerung nach unten mittels eines an den Hammerkopf 32 angeformten Verlängerungsbolzens 29, der schmaler ist (Breite d₄) als der Hammerkopf 32 (Breite d₃). Die radiale Länge (d₁) des Verlängerungsbolzens 29 ist deutlich grösser als die Höhe (d₂) des Hammerkopfs 32.

Ist der Verlängerungsbolzen 29 unmittelbar an dem Hammerkopf 32 angeformt, so ist am Übergang zwischen dem Verlängerungsbolzen 29 und dem Hammerkopf 32 zur Sicherstellung eines stetigen Übergangs vorzugsweise eine gekrümmte Übergangsfläche 28 vorgesehen.

Als eine kostengünstige Alternative für die axiale Verlängerung des Schaufelfusses 18 bietet es sich an, den Verlängerungsbolzen 29 als ein separates Teil auszubilden und jenes mit dem Hammerkopf 32 zu verbinden. Als den Anforderungen des praktischen Betriebs genügende Verbindungsverfahren haben sich dabei ein Anschrauben oder Anschweissen erwiesen. So kann der Hammerkopf 32 am Boden 34 im Bereich der Mittelebene 33 mit einer Gewindebohrung 35 ausgestattet sein. Mit Hilfe eines angeformten Gewindebolzens 36 ist der Verlängerungsbolzen 29 in den Schaufelfuss 18 eingeschraubt, wie dies in Fig. 7 beispielhaft skizziert ist.

Des Weiteren sind im Schaufelfuss 18, 27 eine oder mehrere massereduzierende Ausnehmungen 31 vorgesehen, die als kreisrundes, ellipsenförmiges oder anderweitig geformtes Loch oder Schlitz in einfacher oder mehrfacher Ausführung ausgeführt sein können. Die Ausnehmung(en) 31 erstreckt bzw. erstrecken sich in radialer Richtung vorzugsweise über den Hammerkopf 32 und den Verlängerungsbolzen 29. Dabei verläuft oder verlaufen diese Ausnehmung(en) 31 vorzugsweise, aber nicht zwingend, in Umfangsrichtung, wie in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Andere geeignete Richtungsverläufe und Ausführungsformen massereduzierender Ausnehmungen 31 sind aber ebenfalls denkbar, so beispielsweise in Gestalt radial in den Schaufelfuss 27 eingebrachter Bohrungen.

Das Verhältnis von Höhe (d₂) des Hammerkopfs 32 zu Länge (d₁) des Verlängerungsbolzens 29 liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8, d.h. es gilt die Ungleichung 0,2 < d₂/d₁ < 0,8.

Das Verhältnis von axialer Breite (d₄) des Verlängerungsbolzens 29 zu axialer Breite (d₃) des Hammerkopfs 32 liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6, d.h. es gilt die Ungleichung 0,2 < d₄/d₃ < 0,6.

Insgesamt zeichnet sich die Erfindung durch folgende Merkmale und Vorteile aus:

• Der Schaufelfuss umfasst als radiale Verlängerung einen Verlängerungsbolzen mit den Abmessungen 0,2 < d₂/d₁ < 0,8 und 0,2 < d₄/d₃ < 0,6, um die Feder 22 für die Montage einsetzen zu können. Der Verlängerungsbolzen 29 kann an den Rändern gefast sein, um zusätzlich Gewicht einzusparen.
• Die Übergangsflächen zwischen Verlängerungsbolzen und Hammerkopf sind vorzugsweise gekrümmt, um mechanische Spannungen zu reduzieren.
• Im Bereich des Hammerkopfes und Verlängerungsbolzens sind Ausnehmungen, insbesondere Löcher oder Schlitze vorgesehen, um das Gewicht bzw. die Masse zu reduzieren.

10

Gasturbine

11

Rotor

12

Verdichter

12a

letzte Verdichterstufen

13a,13b

Turbine (HP, LP)

14a,14b

Brennkammer

15

Lufteinlass

16

Abgasauslass

17,26

Laufschaufel, Laufschaufelblatt

18,27

Schaufelfuss

19,21

Rotornut

20

Anschlagfläche (axial)

22

Feder

23

Bodenbereich (erweitert)

24

Zusatzvolumen

25

Anschlagfläche (radial)

28

Übergangsfläche (gekrümmt)

29

Verlängerungsbolzen

30

Rotorachse

31

Ausnehmung

32

Hammerkopf

33

Mittelebene

34

Schaufelfussboden

35

Gewindebohrung

36

Gewindebolzen

d₁,..,d₄

Abstand