Turbinenschaufelbefestigung für eine Strömungsmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelbefestigung, umfassend einen im Tannenbaumfußdesign ausgebildeten Schaufelfuß (1), der Verankerungszähne (5) aufweist, die zur Schaufelspitze (12) hin derart ausgebildet sind, dass die Höhe (H) der Verankerungszähne (5) zur Schaufelspitze (12) hin zunimmt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelbefestigung, umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt und eine Schaufelnut, wobei der Schaufelfuß in die Schaufelnut angeordnet ist, wobei der Schaufelfuß zumindest zwei Verankerungszähne umfasst, die zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet sind.

[0002] In Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, wird die Energie eines Strömungsmediums in Rotationsenergie eines Rotors umgewandelt. Der Rotor umfasst hierzu mehrere Turbinenschaufeln, die derart geformt sind, dass die thermische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird. Bei Dampfturbinen ist das Strömungsmedium Wasserdampf.

[0003] Die Strömungsmaschinen umfassen des Weiteren neben den auf dem Rotor angeordneten Turbinenschaufeln auch am Gehäuse angeordnete Turbinenschaufeln. Die auf dem Rotor angeordneten Turbinenschaufeln werden Turbinenlaufschaufeln und die am Gehäuse angeordneten Turbinenschaufeln Turbinenleitschaufeln genannt. Die Turbinenlaufschaufeln weisen Schaufelfüße auf, über die die Turbinenlaufschaufeln an den Rotor befestigt werden. Dazu werden die Schaufelfüße derart ausgebildet, dass sie in entsprechende Ausnehmungen innerhalb des Rotors eingreifen. Die Innenkontur der Ausnehmung entspricht hierbei der Außenkontur der Schaufelfüße. Im Prinzip sind zwei Schaufelfußdesigns bekannt, nämlich das Tannenbaumdesign und das Schwalbenschwanzdesign.

[0004] Die Querschnittskontur des Schaufelfußes beim Tannenbaumdesign weist einen in Drehrichtung der Turbinenlaufschaufel vorne liegenden Bereich sowie einen in Drehrichtung dahinterliegenden Bereich auf, der durch eine wellenförmige Kontur gekennzeichnet ist. Die Erhebungen solch einer wellenförmigen Kontur bilden in den beiden Bereichen mehrere Verankerungszähne. Die Turbinenlaufschaufeln werden mit den Schaufelfüßen in entsprechende Ausnehmungen innerhalb des Rotors eingesteckt. Dazu weist der Rotor eine dem Schaufelfuß korrespondierende, wellenförmige Kontur auf.

[0005] Der Rotor mit den Turbinenlaufschaufeln rotiert im Betrieb mit einer vergleichsweise hohen Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Es ist auch bekannt, dass Dampfturbinen für entsprechende Anwendungen mit höheren Drehzahlen betrieben werden. Bei den im Betrieb auftauchenden hohen Temperaturen und Drehzahlen treten enorme thermische und mechanische Belastungen auf. Insbesondere werden die Schaufelfüße der Turbinenlaufschaufeln mechanisch stark belastet. Es ist möglich, dass die im Betrieb auftretenden Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln, die auf die Schaufelfüße übertragen werden zu Rissen in den Turbinenschaufelfüßen oder in den entsprechenden Ausnehmungen in dem Rotor führen. Sofern ein solcher Riss auftaucht, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass durch Risswachstum der Riss weiter anwächst und schlimmstenfalls zu einem Schaden in der gesamten Strömungsmaschine führen kann, falls solch eine Turbinenschaufel sich während des Betriebes vom Rotor löst und Beschädigungen beispielsweise im Gehäuse verursachen könnte.

[0006] Wünschenswert wäre es, ein Schaufelfußdesign zu haben, bei dem auch bei einem Auftauchen eines Risses das Risswachstum minimiert ist.

[0007] An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Schaufelfußbefestigung anzugeben, bei dem das Risswachstum eines Risses verzögert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Turbinenschaufelbefestigung, umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt und eine Schaufelnut, wobei der Schaufelfuß in die Schaufelnut (18) angeordnet ist, wobei der Schaufelfuß zumindest zwei Verankerungszähne umfasst, die zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet sind, wobei die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin zunimmt.

[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, sich vom bekannten Schaufelfußdesign für Tannenbaumfüße zu entfernen. Derzeit werden die Verankerungszähne derart ausgebildet, dass die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin abnimmt. Unter der Höhe der Verankerungszähne ist hierbei die räumliche Ausdehnung in Umfangsrichtung zu verstehen. Im Schaufelfußdesign gemäß dem Stand der Technik werden die Verankerungszähne in einer wellenartigen Kontur ausgebildet. Die Höhe der Verankerungszähne variiert hierbei derart, dass von Verankerungszahn zu Verankerungszahn die Höhe zur Schaufelfußspitze hin abnimmt, so dass der letzte Verankerungszahn an der Schaufelfußspitze die kleinste Höhe aufweist und der erste Verankerungszahn, der in der Nähe der Oberfläche des Rotors angeordnet ist, die größte Höhe aufweist.

[0010] Die Erfindung geht nun von einem völlig anderen Design aus, wonach nunmehr die Höhe nach wie vor ebenfalls von Verankerungszahn zu Verankerungszahn variiert, aber die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze zunimmt. Dies führt dazu, dass der an der Schaufelspitze angeordnete Verankerungszahn die größte Höhe und der an der Rotoroberfläche am nächsten liegende Verankerungszahn die niedrigste Höhe aufweist.

[0011] Berechnungen zu Folge führt solch ein Schaufelfußdesign zu dem Effekt, dass bei der Entstehung eines Risses an einer Stelle im Schaufelfuß ein Ersatzspannungspfad entsteht, der die Spannungen um den vorhandenen Riss vermindert. Dies führt dazu, dass die Spannungen in der Umgebung des Risses vermindert werden, wobei die Spannungen in den Bereichen außerhalb des Risses erhöht werden. Die Belastung der nicht vom Riss betroffenen Verankerungszähne steigt daher. Da die Spannungen am Riss minimiert werden, ist somit ein weiteres Anwachsen des Risses nahezu verhindert bzw. minimiert.

[0012] In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Verankerungszähne eine Verankerungszahnspitze auf, wobei die Verankerungszahnspitzen im Wesentlichen entlang einer Spitzen-Geraden angeordnet sind.

[0013] Das neue Design zeichnet sich durch eine wellenförmige Kontur aus, wobei die Verankerungszähne quasi einen Wellenberg darstellen und zwischen den Verankerungszähnen Wellentäler ausgebildet sind. Die Verankerungszähne weisen an ihrer Spitze eine Verankerungszahnspitze auf, wobei die Verankerungszahnspitzen der einzelnen Verankerungszähne entlang der Spitzen-Geraden angeordnet sind.

[0014] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den Verankerungszähnen jeweils eine Verankerungszahntalspitze ausgebildet, wobei die Verankerungszahntalspitzen im Wesentlichen entlang einer Tal-Geraden angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Verankerungszahntalspitzen, die jeweils zwischen den Verankerungszähnen angeordnet sind entlang einer gedachten Linie angeordnet sind, die auf der Tal-Geraden liegen.

[0015] Dieses Design führt dazu, dass redundante Spannungspfade entstehen, sobald ein Riss im Schaufelfuß entsteht.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Spitzen-Gerade gegenüber der Tal-Gerade unter einem Winkel zwischen 2° und 10°, insbesondere zwischen 1° und 12° angeordnet. In diesem Winkelbereich ist die Spannungsverteilung während des Betriebes optimal.

[0017] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung nimmt die Länge der Verankerungszähne zur Schaufelspitze hin zu. Auch hier wird im Gegensatz zum vorhandenen Design im Stand der Technik die Länge der Verankerungszähne derart variiert, dass die Länge zur Schaufelfußspitze zunimmt. Wie im Stand der Technik beschrieben, nimmt die Länge der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin in der Regel ab. Das so gewonnene Schaufelfußdesign weist somit mehrere Verankerungszähne auf, deren Größe von der Rotoroberfläche hin zur Schaufelfußspitze zunimmt.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Verankerungszahn zwischen der Verankerungszahntalspitze und der Verankerungszahnspitze eine Flanke auf, wobei zwischen der Verankerungszahntalspitze und der Flanke ein innerer Kerbradius und zwischen der Flanke und der Verankerungszahnspitze ein äußerer Kerbradius ausgebildet ist, wobei der äußere Kerbradius größer ist als der innere Kerbradius.

[0019] Im neuen Schaufelfußdesign sollen die Kräfte möglichst derart im Schaufelfuß wirken, dass im Falle eines Risses ein Risswachstum gehemmt wird. Insbesondere in den Kerbradien, sind mechanische Spannungen erfahrungsgemäß hoch, so dass erfindungsgemäß der äußere Kerbradius kleiner ist als der innere Kerbradius.

[0020] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen der Flanke und einer in der Schaufelnut korrespondierenden Tragflanke ein Tragflankenspiel ausgebildet, wobei das Tragflankenspiel am Verankerungszahn, der der Schaufelfußspitze am nächsten ist minimal, das bedeutet also, dass initial beim Einbau an dieser Stelle der Verankerungszahn an der Schaufelnut anliegt und die Tragflankenspiele zum Schaufelblatt hin zunehmen.

[0021] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1

ein Schaufelfußdesign gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2

eine erfindungsgemäße Schaufelfußbefestigung.

[0022] Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Turbinenschaufel, umfassend einen Schaufelfuß 1 und ein nicht näher dargestelltes Schaufelblatt. Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 1 ist im sogenannten Tannenbaumdesign ausgeführt und bildet den Stand der Technik. Solch ein Schaufelfuß 1 weist einen in Drehrichtung (Pfeil 2) vorn liegenden Bereich 3 und einen in Drehrichtung hinten liegenden Bereich 4 auf. Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 1 weist sowohl im vorderen Bereich 3 als auch im hinteren Bereich 4 drei Verankerungszähne 5 auf. Die Verankerungszähne 5 greifen in eine entsprechend konturierte Ausnehmung innerhalb eines Rotors ein, die nicht näher dargestellt ist, wodurch die Turbinenschaufel über den Schaufelfuß 1 am Rotor befestigt wird.

[0023] Der in Figur 1 dargestellte Schaufelfuß 1 ist im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet, d. h., dass im vorderen Bereich 3 und im hinteren Bereich 4 die Kontur der Verankerungszähne 5 im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Verankerungszähne 5 sind zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet. Jeder Verankerungszahn 5 weist eine Höhe H auf. Der Verankerungszahn 5 weist eine ansteigende Flanke 6, eine Verankerungszahnspitze 7 und eine absteigende Flanke 8 auf. Die Kontur des Schaufelfußes 1 kann somit als wellenartig beschrieben werden, wobei zwischen jeder Verankerungszahnspitze 7 eine Verankerungszahntalspitze 9 angeordnet ist. Die Verankerungszahnspitzen 7 der einzelnen Verankerungszähne 5 liegen in dem in Figur 1 gewählten Beispiel in einer Linie auf einer Spitzen-Geraden 10. Dem gegenüber liegen die Verankerungszahntalspitzen 9 der jeweiligen Täler zwischen den Verankerungszähnen 5 auf einer Linie entlang einer Tal-Geraden 11.

[0024] Die Höhe H eines Verankerungszahns 5 kann in erster Näherung folgendermaßen ermittelt werden: Der kürzeste Abstand zwischen der Verankerungszahnspitze 7 und der Tal-Geraden 11. Gemäß dem Stand der Technik nimmt die Höhe H der Verankerungszähne 5 zur Schaufelfußspitze 12 ab.

[0025] Die Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelfuß 1. Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich die Kontur des Schaufelfußes 1 im vorderen Bereich 3 dargestellt. Der hintere Bereich 4 könnte entsprechend symmetrisch ausgebildet sein. Der Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Schaufelfuß 1 gemäß dem Stand der Technik ist unter anderem, dass die Höhe H der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin zunimmt.

[0026] Die in Figur 2 dargestellte Form der Verankerungszähne 5 ist im Wesentlichen trapezförmig ausgeführt, d. h., dass die aufsteigende Flanke 6 und die absteigende Flanke 8 als Gerade ausgeführt ist. Die Verankerungszahnspitze 7 und die Verankerungszahntalspitze 9 liegen, wie in Figur 2 zu sehen, auf einer Geraden. In alternativen Ausführungsformen können die Verankerungszähne wellenförmig ausgebildet sein, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Die Höhe H wird im gewählten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ungefähr von der Mitte der Geraden, auf der die Verankerungszahnspitze 7 angeordnet ist, zur Tal-Geraden 11 ermittelt. Die Höhe H könnte ebenso gut in einem vorderen Übergangsbereich 13 oder vom hinteren Übergangsbereich 14 zur Tal-Geraden 11 ermittelt werden.

[0027] Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 2 ist als Tannenbaumfuß, das in der Figur 2 nicht näher dargestellt ist, ausgeführt. Die Verankerungszahnspitzen 7 liegen auf einer Verankerungszahnflanke 15, die im Wesentlichen parallel zur Spitzen-Geraden 10 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 liegen die Verankerungszahnflanken 15 auf der Spitzen-Geraden 10. Die Tal-Gerade 11 und die Spitzen-Gerade 10 sind unter einem Winkel α, der zwischen 2° und 10° gegeneinander liegt, angeordnet. Zur Verdeutlichung des Winkels α ist in der Figur 2 eine Hilfs-Gerade 16 dargestellt, die parallel zur Spitzen-Geraden 10 angeordnet ist. Der Winkel α kann in alternativen Ausführungsformen Winkel zwischen 1° und 12° aufweisen. Neben der Höhe H der Verankerungszähne 5 wird zudem die Länge L der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin variiert. Die Länge L des Verankerungszahns 5 wird gemäß Figur 2 ab der Schnittstelle zwischen der aufsteigenden Flanke 6 und der Tal-Geraden 11 und der Schnittstelle der absteigenden Flanke 8 und der Tal-Geraden 11 ermittelt. Wie in Figur 2 zu sehen ist, nimmt die Länge der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin zu.

[0028] Der vordere Übergangsbereich 13 und/oder der hintere Übergangsbereich 14 können durch Radien abgerundet werden.

[0029] Der Schaufelfuß 1 ist in einem Rotor 19 in einer Schaufelnut 18 eingepasst. Das bedeutet, dass die Flanke 6 der jeweiligen Verankerungszähne 5 an einer Tragflanke 20 anliegt.

[0030] Zwischen der Verankerungszahntalspitze 9 und der Verankerungszahnspitze 7 ist eine Flanke 6 ausgebildet. Zwischen der Verankerungszahntalspitze 9 und der Flanke 6 ist ein innerer Kerbradius 16 ausgebildet. Des Weiteren ist zwischen der Flanke 6 und der Verankerungszahnspitze 7 ein äußerer Kerbradius 17 ausgebildet, wobei der äußere Kerbradius 17 kleiner ist als der innere Kerbradius 16. Dies führt zu optimalen Verteilungen von Spannungspfaden. Im Übergangsbereich 14 ist somit ein äußerer Kerbradius 17 bzw. innerer Kerbradius 16 ausgebildet, der erfindungsgemäß unterschiedlich ist. In einer ersten Variante ist der äußere Kerbradius 17 kleiner als der innere Kerbradius 16. In einer zweiten Variante kann der äußere Kerbradius 17 größer als der innere Kerbradius 16 sein.

[0031] Des Weiteren ist der äußere Kerbradius 17 derart, dass dieser zur Schaufelspitze 12 hin zunimmt. Das bedeutet, dass der äußere Kerbradius 17 von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 zur Schaufelfußspitze 12 hin zunimmt. Ebenso ist der innere Kerbradius 16 derart ausgebildet, dass dieser zur Schaufelfußspitze 12 von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 hin zunimmt.

[0032] Der innere Kerbradius 16 kann in alternativen Ausführungensformen derart ausgebildet sein, dass er zur Schaufelfußspitze 12 hin von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 hin abnimmt. Ebenso kann in einer alternativen Ausführungsform der äußere Kerbradius 17 derart ausgebildet sein, dass er zur Schaufelfußspitze 12 hin von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 abnimmt.

[0033] Der Schaufelfuß 1 ist des Weiteren derart ausgebildet, dass die Flanke 6 an einer in der Schaufelnut 18 korrespondierenden Tragflanke 20 anliegt. Zwischen der Flanke 6 und der Tragflanke 20 ist somit ein Tragflankenspiel 21, 22, 23 ausgebildet. Zur optimalen Verteilung der Spannungspfade wird beim Einbau des Schaufelfußes 1 initial das Tragflankenspiel 21, derart ausgebildet, dass der Verankerungszahn 5, der der Schaufelfußspitze 12 am nächsten ist, direkt an der Tragflanke 20 anliegt. Das bedeutet, dass ein Kontakt zwischen der Flanke 6 und der Tragflanke 20 vorhanden ist. In dieser Variante wird der Schaufelfuß 1 derart ausgebildet, dass die Tragflankenspiele 22 und 23, größer werden. Das bedeutet, dass von der Schaufelfußspitze 12 weg die Tragflankenspiele 22 und 23 der zum Schaufelblatt hin ausgebildeten Verankerungszähne 5 zunehmen.

[0034] In einer ersten alternativen Ausführungsform sind die Tragflankenspiele 22 und 23 gleich ausgebildet.

[0035] In weiteren alternativen Ausführungsformen ist das Tragflankenspiel 23 derart ausgebildet, dass im Wesentlichen kein Tragflankenspiel 23 vorhanden ist. Das bedeutet, dass beim Einbau der Verankerungszahn 5, der zum Tragflankenspiel 23 korrespondiert, anliegt. Die Tragflankenspiele 22 und 21 nehmen zur Schaufelfußspitze 12 hin in dieser alternativen Ausführungsform zu.

[0036] In einer weiteren alternativen Ausführungsform liegt der Verankerungszahn 5, der zum Tragflankenspiel 22 korrespondiert, an, wobei die Tragflankenspiele 21 und 23 von null verschieden sind.

Ansprüche

1. Turbinenschaufelbefestigung,
umfassend einen Schaufelfuß (1) und ein Schaufelblatt und eine Schaufelnut (18), wobei der Schaufelfuß (12) in der Schaufelnut (18) angeordnet ist,
wobei der Schaufelfuß (1) zumindest zwei Verankerungszähne (5) umfasst, die zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Höhe (H) der Verankerungszähne (5) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.

2. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1,
wobei der Schaufelfuß (1) als Tannbaumfuß ausgebildet ist.

3. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Verankerungszähne (5) eine Verankerungszahnspitze (7) aufweisen und die Verankerungszahnspitzen (7) im Wesentlichen entlang einer Spitzen-Geraden (10) angeordnet sind.

4. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei der Turbinenschaufelfuß (1) zwischen den Verankerungszähnen (5) eine Verankerungszahntalspitze (9) aufweisen und die Verankerungszahntalspitze (9) im Wesentlichen entlang einer Tal-Geraden (11) angeordnet sind.

5. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 3 oder 4,
wobei die Spitzen-Gerade (10) und die Tal-Gerade (11) unter einem Winkel α zwischen 2° und 10° gegeneinander angeordnet sind.

6. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Länge (L) der Verankerungszähne (5) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.

7. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Verankerungszahn (5) zwischen der Verankerungszahntalspitze (9) und der Verankerungszahnspitze (7) eine Flanke (6) aufweist,
wobei zwischen der Verankerungszahntalspitze (9) und der Flanke (6) und der Verankerungszahnspitze (7) ein äußerer Kerbradius (17) ausgebildet ist,
wobei der äußere Kerbradius (17) kleiner ist als der innere Kerbradius (16).

8. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 7,
bei der äußere Kerbradius (17) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.

9. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 7 oder 8,
wobei der innere Kerbradius (16) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.

10. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der Flanke (6) und einer in der Schaufelnut (18) korrespondierenden Tragflanke (20) ein Tagflankenspiel (21) ausgebildet ist,
wobei das Tragflankenspiel (21) am Verankerungszahn (5), der der Schaufelfußspitze (12) am nächsten ist nicht vorhanden ist und die Tragflankenspiele (21) zum Schaufelblatt hin zunehmen.

Zeichnung