Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelsegment sowie eine Strömungsmaschine.

Beispielsweise ist es aus der Druckschrift JP 2007154695 A bekannt, Turbinenschaufeln torsionsvorzuspannen. Dies wirkt sich im Betrieb der Turbinenschaufeln im Hinblick auf ein Dämpfungsverhalten derselben günstig aus. Die Torsionsvorspannung wird dadurch aufrechterhalten, dass die Turbinenschaufeln an ihren Schaufelspitzen jeweils Deckbänder aufweisen, welche über eine Z-Verklinkung miteinander verspannt sind. Diese Z-Verklinkung wird auch als "Z-shroud" bezeichnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen alternativen oder ergänzenden Ansatz bereitzustellen, welcher eine Kopplung zwischen wenigstens zwei Schaufeln eines Schaufelsegments vorsieht, um ein günstiges Dämpfungsverhalten zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schaufelsegment mit Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine mit dem Merkmal des Patentanspruchs 10.

Demgemäß wird ein Schaufelsegment für eine Strömungsmaschine, aufweisend: eine erste Schaufel; ein erstes, mit der Spitze der ersten Schaufel verbundenes Deckband, welches eine Anlagefläche aufweist; eine zweite Schaufel; und ein zweites, mit der Spitze der zweiten Schaufel verbundenes zweites Deckband, welches eine Gegenanlagefläche für ein Anliegen der Anlagefläche des ersten Deckbandes in radialer Richtung derart aufweist, dass ein Reibschluss zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche erzeugbar ist; bereitgestellt.

Weiterhin wird eine Strömungsmaschine, insbesondere Turbomaschine, mit dem erfindungsgemäßen Schaufelsegment bereitgestellt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, die Deckbänder der jeweiligen Schaufeln dachziegelartig anzuordnen, sodass die Deckbänder in der radialen Richtung derart gegeneinander anliegen, dass zumindest im Betrieb des Schaufelsegments (oder auch im Stillstand desselben) ein Reibschluss zwischen einander überlappenden Deckbändern gebildet wird. Der Reibschluss sorgt für ein Kopplung der Deckbänder bzw. der Schaufeln miteinander, was im Hinblick auf ein Dämpfungsverhalten günstig ist.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen.

Unter dem Anliegen der Anlagefläche gegen die Gegenanlagefläche in der radialen Richtung ist vorliegend zu verstehen, dass ein Vektor senkrecht auf die Ebene, in welcher die Anlagefläche und die Gegenanlagefläche gegeneinander anliegen, zumindest eine radiale Komponente auf weist.

"Umfangsrichtung" meint vorliegend eine Richtung entlang einer Kreislinie, welche die Drehachse des Schaufelsegments in der Strömungsmaschine als Mittelachse besitzt. "Radial" bezieht sich vorliegend auf eine Richtung senkrecht zu der Drehachse des Schaufelsegments in der Strömungsmaschine. "Axial" bezieht sich vorliegend auf eine Richtung entlang der Drehachse des Schaufelsegments in der Strömungsmaschine.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments ist der Schwerpunkt des ersten Deckbandes in Umfangsrichtung von einer Mittelachse der ersten Schaufel derart beabstandet angeordnet, dass sich die erste Schaufel unter Einwirkung der Fliehkräfte im Betrieb des Schaufelsegments für das Erzeugen des Reibschlusses zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche verbiegt. Im Betrieb des Schaufelsegments entsteht also unter Einwirkung der wirkenden Fliehkräfte ein Biegemoment, welches dazu tendiert, die Schaufel samt dem Deckband in Umfangsrichtung zu kippen. Dieses Kippen wird aber mittels der Anlagefläche des ersten Deckbands und der Gegenanlagefläche des zweiten Deckbands verhindert. Die Anlagefläche drückt dabei in der radialen Richtung derart gegen die Gegenanlagefläche, dass es zu einem Reibschluss zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche kommt.

Mit "Mittelachse" ist vorliegend die Achse der ersten Schaufel gemeint, die derart positioniert ist, dass, wenn der Schwerpunkt des ersten Deckbands, mit dieser koinzident angeordnet wäre, kein oder nur ein unwesentliches Biegemoment aus dem Deckband in die erste Schaufel eingeleitet werden würde. Entsprechendes gilt für die Mittelachse der zweiten Schaufel.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments ist die Anlagefläche des ersten Deckbandes und/oder die Gegenanlagefläche des zweiten Deckbandes mit einem Pressmaß in radialer Richtung für ein Verbiegen der ersten Schaufel um deren Fußpunkt in der Umfangsrichtung gebildet, um dadurch den Reibschlusses zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche zu erzeugen. Mit einem Pressmaß ist gemeint, dass die Anlagefläche und/oder Gegenanlagefläche in der radialen Richtung aufgedickt ist, um dadurch eine Flächenpressung und damit einen Reibschluss zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche zu erzeugen. Diese Ausgestaltung kann alternativ oder zusätzlich zu der vorhergehenden Ausgestaltung vorgesehen werden, bei welcher der Schwerpunkt des ersten Deckbandes in Umfangsrichtung von einer Mittelachse der ersten Schaufel derart beabstandet angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments ist der Reibschluss dazu ausgebildet, ein Torsionsreaktionsmoment in einer Richtung um die Mittelachse der ersten und der zweiten Schaufel zu erzeugen. Dies ist zur Kompensation der Entwindungsneigung von radial verdrehten Laufschaufelprofilen günstig.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments weisen die erste und/oder zweite Schaufel eine Grundneigung in axialer Richtung auf, welche durch eine Grundneigungsachse definiert ist, wobei die Anlagefläche und Gegenanlagefläche schräg, insbesondere unter einem Winkel zwischen 45 und 135 Grad, in Bezug auf die Grundneigungsachse in axialer Richtung der ersten und der zweiten Schaufel angeordnet sind. Die Grundneigung wird auch als "lean" bezeichnet. Die Grundneigung dient üblicherweise dazu, die während des Betriebs der Strömungsmaschine auftretenden Gaskräfte, welche entsprechende Biegemomente an den Schaufeln erzeugen, zumindest in bestimmten Betriebsbereichen der Strömungsmaschine weitgehend auszugleichen. Die Grundneigung beträgt dabei in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Strömungsmaschine üblicherweise zwischen 0 und 2 Grad. Die schräge Anordnung von Anlagefläche und Gegenanlagefläche führt dazu, dass ein Torsionsmoment um die Mittelachse einer jeweiligen Schaufel entsteht, welches einer Entwindung einer jeweiligen Schaufel entgegenwirken kann. Hier sind zwei spiegelbildliche Anordnungen möglich. Dieses Torsionsmoment nimmt zu, je stärker die Anlagefläche gegen die Gegenanlagefläche drückt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments weisen die Anlageflächen und Gegenanlageflächen ein Eingriffselement und ein Aufnahmeelement auf, welche in der Umfangsrichtung ineinander eingreifen. Dadurch werden das erste und zweite Deckband noch besser, also zusätzlich zu dem Reibschluss, aneinander abgestützt. Insbesondere verhindert diese Ausgestaltung eine Entwindung der Schaufeln dann, wenn kein Reibschluss erzeugt wird (beispielsweise im Stillstand des Schaufelsegments bei der Ausgestaltung mit dem in Umfangsrichtung versetzten Schwerpunkt des Deckbandes).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments ist die erste und/oder zweite Schaufel torsionsvorgespannt. Stehen die Schaufeln mittels der vorstehend beschriebenen Eingriffs- und Aufnahmeelemente miteinander in Eingriff, ist es beispielsweise möglich die Schaufeln auch torsionsvorzuspannen, sodass auch bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichende Kopplung zwischen den Schaufeln erreicht wird, welche ein günstiges Dämpfungsverhalten bewirkt. Der Reibschluss auf Grund des Versatzes des Schwerpunktes eines jeweiligen Deckbandes mag bei den niedrigen Drehzahlen noch nicht genügen, um eine derart ausreichende Kopplung zwischen den Deckbändern zu erzielen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments sind die erste und zweite Schaufel als Laufschaufeln ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelsegments sind die erste und zweite Schaufel aus einem stark kriechenden Material. Mit "stark kriechenden Materialien" sind solche Werkstoffe gemeint, die stärker kriechen als aktuelle Nickelwerkstoffe.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1

in axialer Richtung gesehen, schematisch ein Schaufelsegment gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 2

einen Schnitt A-A aus Figur 1,

Figur 3

einen Schnitt B-B aus Figur 1,

Figur 4

in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten das Schaufelsegment gemäß Figur 1; und

Figur 5

in axialer Richtung gesehen, schematisch ein Schaufelsegment gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Figur 1 zeigt in axialer Richtung gesehen, schematisch ein Schaufelsegment 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Das Schaufelsegment 1 ist Bestandteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbomaschine, welche allgemein mit 2 bezeichnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei der Turbomaschine um ein Flugtriebwerk.

Das Schaufelsegment 1 weist zwei Schaufeln 3 und 3'auf Die Schaufeln 3, 3' sind bevorzugt als Laufschaufeln ausgebildet. Die Schaufeln 3, 3' sind mit ihren jeweiligen Füßen 4, 4' in einem Rotor 5, siehe Figur 4, beispielsweise mittels einer Tannenbaumverbindung, befestigt. Der Rotor 5 dreht um eine Achse 6, wobei die Schaufeln 3, 3' mit einem die Strömungsmaschine 2 durchströmenden Fluid in Wechselwirkung treten. Die Begriffe "in Umfangsrichtung", "in radialer Richtung" und "in axialer Richtung" beziehen sich nachfolgend auf die Achse 6. Es sei angemerkt, dass sich die Achse 6 in der Realität deutlich weiter von den Schaufeln 3, 3' entfernt befindet, als in Figur 1 dargestellt.

An ihren Spitzen, also radial außenseitig, sind die Schaufeln 3, 3' jeweils mit Deckbändern 7, 7' verbunden. Die Schaufeln 3, 3', samt ihrer Füße 4, 4' und Deckbänder 7, 7' sind in der Umfangsrichtung U nebeneinander angeordnet und bilden bevorzugt einen geschlossenen Ring aus, wobei in Figur 1 lediglich ein Ausschnitt mit zwei der Schaufeln 3, 3' dargestellt ist. Die Deckbänder 7, 7' sind in axialer Richtung dachziegelartig übereinander angeordnet.

Die Deckbänder 7, 7' weisen jeweils einen Schwerpunkt S, S' auf, welcher einen Abstand D, D' auf eine Mittelachse M, M' einer jeweiligen Schaufel 3, 3' aufweist. Die Mittelachsen M, M' verlaufen jeweils durch die Achse 6, was aufgrund der stark schematisierten Darstellung in Figur 1 nicht erkennbar ist. Die Mittelachse M verläuft dabei durch einen Schwerpunkt SB der Schaufel 3, siehe Figur 2. Der Schwerpunkt SB ist der Schwerpunkt des Profils der Schaufel 3. Entsprechendes gilt für die Mittelachse M' der Schaufel 3'.

Ein jeweiliges Deckband 7, 7' weist eine Anlagefläche 11, 11' und eine dieser gegenüberliegende Gegenanlagefläche 12, 12' auf. Die Anlageflächen 11, 11' und Gegenanlageflächen 12, 12' können jeweils an Enden der Deckbänder 7, 7' in Umfangsrichtung U ausgebildet sein.

Weist das Schaufelsegment 1 keine oder nur eine geringe Drehzahl auf, so wirken keine oder nahezu keine Fliehkräfte auf die Schaufeln 3, 3' samt ihrer Deckbänder 7, 7'. Die Schaufeln 3, 3' samt Deckbänder 7, 7' befinden sich dann in der in Figur 1 lediglich für die linke Schaufel 3 in gestrichelter Linie gezeichneten Stellung. Steigt die Drehzahl des Schaufelsegments 1, so nimmt ein Biegemoment des Deckbands 7 um einen Schaufelfußpunkt F zu. Dies, weil der Schwerpunkt S den Abstand D auf die Mittellinie M bzw. den Schwerpunkt SB der Schaufel 3 aufweist. Das resultierende Biegemoment ist in Figur 1 mit BM bezeichnet. Das Biegemoment BM bewirkt, dass die Schaufel 3 samt dem Deckband 7 aus ihrer gestrichelten Stellung in Figur 1 in ihre in durchgezogener Linie dargestellte Stellung kippt, d.h. sich verbiegt. Ab einer gewissen Drehzahl kommt die Anlagefläche 11 mit der Gegenanlagefläche 12' in der radialen Richtung R in Anlage, d.h., dass ein Vektor 9, siehe Fig. 3, senkrecht auf die Ebene 10, in welcher die Anlagefläche 11 und die Gegenanlagefläche 12' gegeneinander anliegen, zumindest eine Komponente in der radialen Richtung R aufweist. Dabei entsteht ein Reibschluss zwischen der Anlagefläche 11 und der Gegenanlagefläche 12'. Von diesem Zeitpunkt an ist die Schaufel 3 mit der Schaufel 3' reibschlüssig gekoppelt, was sich im Hinblick auf ein Vibrationsverhalten dieser vorteilhaft auswirkt.

In Figur 2 ist zu erkennen, dass der Reibschluss RF zwischen der Anlagefläche 11 und der Gegenanlagefläche 12' derart ausgebildet sein kann, dass dieser ein Torsionsreaktionsmoment TM um die Mittelachse M erzeugt, was die Schaufel 3 daran hindert, dass diese um die Mittelachse in ungewünschter Weise schwingt.

Wie Figur 3 zu entnehmen, können die Anlagefläche 11 und die Gegenanlagefläche 12' in Bezug auf eine Grundneigungsachse G' schräg unter einem Winkel W' von bspw. 93 Grad angeordnet sein. "Schräg" meint einen Winkel W' ungleich 90 Grad und bevorzugt zwischen 45 und 135 Grad. Die Grundneigungsachse G' der Schaufel 3' kann beispielsweise um 1 Grad in Richtung der Drehachse 6 geneigt sein.

Unter der Einwirkung der Fliehkräfte und einer entsprechenden Entwindung der Schaufel 3 ergibt sich eine Anpresskraft AK zwischen der Anlagefläche 11 und der Gegenanlagefläche 12'. Aufgrund der schrägen Anordnung der Anlagefläche 11 sowie der Gegenanlagefläche 12' resultiert die Anlagekraft AK in einer Reaktionskraft RK1 und eine Reaktionskraft RK2, welche auf die Schaufel 3 rückwirken. RK2 wirkt entlang der Grundneigungsachse G' und RK1 senkrecht zu dieser.

RK1 ist auch in Figur 2 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass RK1 ein zusätzliches Torsionsmoment TR um den Schwerpunkt SB bzw. die Mittelachse M der Schaufel 3 erzeugt, welches einer Entwindung E der Schaufel 3 entgegenwirkt.

Figur 4 zeigt das Schaufelsegment aus 1 aus Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten.

Wie in Figur 4 dargestellt, weisen die Deckbänder 7, 7' an ihren gegenüberliegenden Enden bevorzugt im Bereich der Anlageflächen 11, 11' und Gegenanlageflächen 12, 12' Eingriffselemente 13, 13' und Aufnahmeelemente 14, 14' auf. Das Eingriffselement 13' des Deckbands 7' greift in der Umfangsrichtung in das Aufnahmeelement 14 des Deckbands 7 ein. Dadurch ergibt sich ein Formschluss in der axialen Richtung, welcher eine Entwindung der Schaufeln 3, 3' im Stillstand des Schaufelsegments 1 oder bei niedrigen Drehzahlen, wo der Reibschluss RF noch zu gering ist, um die Schaufeln 3, 3' miteinander zu koppeln, verhindert.

Fig. 5 zeigt in axialer Richtung gesehen, schematisch ein Schaufelsegment 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Das Schaufelsegment 1 unterscheidet sich von dem gemäß den Fig. 1 bis 4 lediglich auf die Art und Weise, wie der Reibschluss RF erzeugt wird. Im Übrigen gelten daher die Ausführungen zu den Fig. 1 bis 4 entsprechend für das Schaufelsegment nach Fig. 5.

Bei dem Schaufelsegment 1 nach Fig. 5 ist die Anlagefläche 11 des Deckbandes 7 mit einem Pressmaß P in radialer Richtung R für ein Verbiegen der ersten Schaufel 3 um deren Fußpunkt F in der Umfangsrichtung U gebildet, um dadurch den Reibschlusses RF zwischen der Anlagefläche 11 und der Gegenanlagefläche 12' zu erzeugen. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die weiteren Schaufeln des Schaufelsegments.

Der Reibschluss RF bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist vorteilhaft nicht oder nur unwesentlich drehzahlabhängig.

Die Ausgestaltungen nach den Fig. 1 bis 4 und nach Fig. 5 können auch miteinander kombiniert werden.

Obwohl die Erfindung vorliegend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern vielfältige Weise modifizierbar.

1

Schaufelsegment

2

Strömungsmaschine

3

Schaufel

3'

Schaufel

4

Fuß

4'

Fuß

5

Rotor

6

Drehachse

7

Deckband

7'

Deckband

9

Vektor

10

Ebene

11

Anlagefläche

11'

Anlagefläche

12

Gegenanlagefläche

12'

Gegenanlagefläche

13

Eingriffselement

13'

Eingriffselement

14

Aufnahmeelement

14'

Aufnahmeelement

D

Abstand

F

Fußpunkt

G'

Grundneigungsachse

M

Mittelachse

M'

Mittelachse

R

radiale Richtung

S

Schwerpunkt

S'

Schwerpunkt

U

Umfangsrichtung

AK

Anlagekraft

BM

Biegemoment

RF

Reibkraft

RK1

Reaktionskraft

RK2

Reaktionskraft

SB

Schaufelschwerpunkt

TM

Torsionsreaktionsmoment

TR

Torsionsmoment

E

Entwindung