Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufradschaufel einer axialen Strömungsmaschine, mit einem Schaufelfuß, einem Schaufelblatt und einer Schaufelplattform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Dämpfungselement gemäß Anspruch 6.
In Strömungsmaschinen, insbesondere in axialen Gasturbinen, werden unterschiedliche mechanische Dämpfungssysteme für Laufschaufeln eingesetzt. Für Laufschaufeln ohne innere Hohlräume werden oftmals Positionselemente in die Laufschaufeln integriert, um eine stabile Position der Dämpfungselemente zu erreichen. Diese Positionselemente können zu einer unerwünschten Gewichtszunahme der Laufschaufeln führen. Für Laufschaufeln mit inneren Hohlräumen, die beispielsweise für Kühlungskanäle Anwendung finden, werden oft Dämpfungselemente verwendet, die an gegebene Geometrieverhältnisse in den Laufschaufelzwischenräumen angepasst werden müssen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laufschaufel für axiale Strömungsmaschinen vorzuschlagen, die ein einfaches Positionieren von Dämpfungselementen ohne Positionselementen und damit ohne zusätzlichem Gewicht ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dämpfungselement zur Aufnahme in eine erfindungsgemäße Laufschaufel vorzuschlagen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Laufradschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit eine Laufradschaufel einer axialen Strömungsmaschine vorgeschlagen, die zumindest einen Schaufelfuß, ein Schaufelblatt und eine Schaufelplattform aufweist. Die Laufradschaufel wird mittels des Schaufelfußes auf einer Rotorscheibe der Strömungsmaschine befestigt. Auf der Rotorscheibe sind weitere Laufradschaufeln angeordnet, die in Umfangsrichtung positioniert sind. Ferner weist die Laufradschaufel einen taschenförmigen Körper auf, der unterhalb des Schaufelblatts und oberhalb des Schaufelfußes und im Bereich der Schaufelplattform angeordnet ist. Der taschenförmige Körper ist von axialen und radialen Stegen, vorzugsweise vollständig oder in Abschnitten hiervon, begrenzt. Ein Dämpfungselement ist innerhalb dieser axialen und radialen Stege angeordnet. Weiterhin ist der taschenförmige Körper in oder an einem Hohlraum der Schaufelplattform angeordnet. Der Hohlraum bildet mit einem weiteren Hohlraum einer auf der Rotorscheibe benachbarten Laufradschaufel einen erweiterten Hohlraum aus. Der taschenförmige Körper bildet gleichfalls mit einem weiteren taschenförmigen Körper mit einer auf der Rotorscheibe benachbarten Laufschaufel einen erweiterten taschenförmigen Körper zur Aufnahme des Dämpfungselements aus.
Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks "kann sein" bzw. "kann haben" usw. synonym zu "ist vorzugsweise" bzw. "hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutern.
Wann immer hierin Zahlenworte genannt werden, so versteht der Fachmann diese als Angabe einer zahlenmäßig unteren Grenze. Sofern dies zu keinem für den Fachmann erkennbaren Widerspruch führt, liest der Fachmann daher beispielsweise bei der Angabe "ein" oder "einem" stets "wenigstens ein" oder "wenigstens einem" mit. Dieses Verständnis ist ebenso von der vorliegenden Erfindung mit umfasst wie die Auslegung, dass ein Zahlenwort wie beispielsweise "ein" alternativ als "genau ein" gemeint sein kann, wo immer dies für den Fachmann erkennbar technisch möglich ist. Beides ist von der vorliegenden Erfindung umfasst und gilt für alle hierin verwendeten Zahlenworte.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
Im Folgenden werden als axiale Strömungsmaschinen rein beispielhaft insbesondere Gasturbinen beschrieben, ohne jedoch axiale Strömungsmaschinen auf Gasturbinen beschränken zu wollen.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der Schaufelfuß eine Form auf, mit der der Schaufelfuß mit der Rotorscheibe (in Achsrichtung der Gasturbine) verbunden wird, insbesondere wieder lösbar verbunden wird. Beispielsweise kann der Schaufelfuß in eine Nut in der Rotorscheibe hineingeschoben werden. Der Schaufelfuß kann eine sogenannte Schwalbenschwanzform aufweisen.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Schaufelplattform einen vorderen, einen mittleren und einen hinteren Schaufelplattformbereich auf, jeweils in Durchströmungsrichtung der Gasturbine betrachtet. Der vordere und der hintere Schaufelplattformbereich können als Steg oder als Kragen ausgebildet sein.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen verbindet die Schaufelplattform, insbesondere die mittlere Schaufelplattform, den Schaufelfuß mit dem Schaufelblatt.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Schaufelblatt, die Schaufelplattform und der Schaufelform in einem Stück gefertigt. Eine derartiges Bauteil kann als "einstückig" bezeichnet werden.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Laufradschaufel und die weiteren Laufradschaufeln nebeneinander auf der Rotorscheibe angeordnet, insbesondere parallel nebeneinander.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der taschenförmige Körper schalenförmig oder wannenförmig ausgestaltet. Der taschenförmige Körper kann eine Tiefe, eine Länge und eine Breite aufweisen. Der taschenförmige Körper weist insbesondere einen offenen Querschnitt auf. Die Form des offenen Querschnitts kann rund, oval, viereckig, mehreckig oder eine andere Form sein.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der taschenförmige Körper eine rechteckige Schalenform mit abgerundeten Ecken auf. Insbesondere ist die radial äußere Wandung und die radial innere Wandung achsparallel zur Drehachse der Gasturbine ausgerichtet. Weiterhin sind insbesondere die axial vordere und die axial hintere Wandung (in Durchströmungsrichtung betrachtet) radial ausgerichtet. Bei einer Seitenansicht der erfindungsgemäßen Laufradschaufel können die achsparallelen Wandungen als horizontale Wandungen und die Wandungen in radialer Ausrichtung als vertikale Wandungen bezeichnet werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die Wandungen des taschenförmigen Körpers zumindest abschnittsweise als Stege bezeichnet.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der taschenförmige Körper von axialen (oder in Strömungsrichtung betrachtet achsparallelen) Stegen und radialen Stegen, zumindest abschnittsweise, begrenzt, wobei die Stege in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung eine geschlossene Form aufweisen.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weisen die axialen und radialen Stege eine offene Form in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des taschenförmigen Körpers auf, wobei insbesondere der radial innere Steg geöffnet ist. Anders ausgedrückt weist der radial innere Steg einen Durchbruch auf, so dass der taschenförmige Körper zum angrenzenden Hohlraum hin geöffnet ist.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Hohlraum schalenförmig oder wannenförmig ausgestaltet. Der Hohlraum kann eine Tiefe, eine Länge und eine Breite aufweisen. Der Hohlraum weist insbesondere einen offenen Querschnitt auf. Die Form des offenen Querschnitts kann rund, oval, viereckig, mehreckig oder eine andere Form sein. Der Hohlraum kann eine oder mehrere Hinterschneidungen aufweisen.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der Hohlraum insbesondere zum Schaufelfuß hin eine Wandung auf. Bei einem Aneinanderreihen mit einer weiteren Laufradschaufel mit einem Hohlraum, sodass die beiden Hohlräume einen geschlossenen Hohlraum bilden, können diese Wandungen den Hohlraum zum Schaufelfuß hin abdichten. Es kann jedoch ein Dichtspalt (z. B. zum Ausgleich thermischer Ausdehnungen im Betriebszustand) zwischen den Wandungen vorgesehen sein.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Hohlraum zum Schaufelfuß hin offen.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der erweiterte taschenförmige Körper symmetrisch zu den beiden taschenförmigen Körpern der Schaufelplattform, die den erweiterten taschenförmigen Körper bilden. Die Symmetrieebene ist insbesondere die Ebene des offenen Querschnitts beider taschenförmigen Körper, an dem die beiden Körper zusammengeführt sind.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist ein Dämpfungselement ein Element oder ein Körper, der mechanische Schwingungen eines dynamischen Systems dämpft. Ein Dämpfungselement kann aus Kunststoff hergestellt sein oder aus einem anderen Material. Ein Dämpfungselement kann spezifische Materialeigenschaften für mechanische Schwingungen eines dynamischen Systems aufweisen (z. B. spezifische visko-elastische Eigenschaften). Ein Dämpfungselement kann ein spezifisches Gewicht für ein dynamisches System aufweisen (z. B. um bestimmte Resonanzen oder bestimmte Schwingungsfrequenzen zu dämpfen). Rein exemplarisch kann das Gewicht des Dämpfungselements zwischen 1,5 g und 4 g betragen, insbesondere 2,5 g.
Das Dämpfungselement ist in einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen massiv. Das Dämpfungselement kann jedoch gleichfalls innen hohl sein.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der erweiterte Hohlraum und/oder der erweiterte taschenförmige Körper einen Dichtspalt auf, insbesondere einen thermischen Dichtspalt. Ein thermischer Dichtspalt kann Materialausdehnungen während einer Materialerwärmung ausgleichen, und damit mögliche Spannungsspitzen im Material oder Materialverzug oder Materialbruch vermeiden.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der taschenförmige Körper eine Öffnung zum Hohlraum auf. Eine Öffnung kann ein offener Wandabschnitt, eine offene Begrenzung oder ein Loch in einer Wand zwischen dem taschenförmigem Körper und dem Hohlraum sein.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Öffnung zwischen dem taschenförmigen Körper und dem Hohlraum parallel zur Drehachse der Gasturbine angeordnet.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Dämpfungselement eine Länge LD in Achsrichtung x und ein Breite WD in Umfangsrichtung u senkrecht zur Achsrichtung x auf, wobei die Achsrichtung x die Drehachse der Gasturbine ist. Das Verhältnis der Länge LD zur Breite WD ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als 1.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Dämpfungselement in seiner Längsrichtung in dem erweiterten taschenförmigen Körper parallel zur Drehachse der Strömungsmaschine angeordnet.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Dämpfungselement in einem Querschnitt senkrecht zur Längsausrichtung symmetrisch zur vertikalen Mittelachse das Dämpfungselement ausgestaltet.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Dämpfungselement in einem Querschnitt senkrecht zur Längsausrichtung trapezförmig oder rechteckig ausgestaltet.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Länge LD des Dämpfungselements wenigstens 1 mm kleiner ist als die Länge LT des erweiterten taschenförmigen Körper der Laufradschaufel und/oder die Breite WL des Dämpfungselements wenigstens 1 mm kleiner ist als die Breite WT des Taschenbereichs der Laufradschaufel.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist Dämpfungselement symmetrisch in dem erweiterten taschenförmigen Körper zweier benachbarter Laufschaufeln angeordnet.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Laufradschaufel können Dämpfungselemente verwendet werden, deren Verwendung keine weiteren Positionierhilfen für die Dämpfungselemente in den Laufschaufeln notwendig machen und somit vorteilhaft keine Gewichtserhöhung verursachen.
Das erfindungsgemäße Dämpfungselement ist aufgrund seiner Geometrie vorteilhaft einfach zu handhaben und in taschenförmige Körper oder andere Bereiche in Laufradschaufeln einzubringen.
Mithilfe der erfindungsgemäßen taschenförmigen Körper und deren Geometrien innerhalb von Hohlräumen in Laufradschaufeln können Dämpfungselemente vorteilhaft gut, einfach und genau positioniert werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:
- Fig. 1
- zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufradschaufel mit einem Hohlraum und einem taschenförmiger Körper;
- Fig. 2
- zeigt eine Längsschnittdarstellung in Radialrichtung einer erfindungsgemäßen Laufradschaufel;
- Fig. 3
- zeigt eine Längsschnittdarstellung in Umfangsrichtung von zwei aneinandergereihten erfindungsgemäßen Laufradschaufeln mit Dämpfungselement;
- Fig. 4
- zeigt eine Querschnittdarstellung in Radialrichtung von zwei aneinandergereihten erfindungsgemäßen Laufradschaufeln mit Dämpfungselement;
- Fig. 5
- zeigt eine Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Laufradschaufel mit einem geschlossenen taschenförmiger Körper; und
- Fig. 6
- zeigt eine Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Laufradschaufel mit einem offenen taschenförmiger Körper.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufradschaufel 100 mit einem Hohlraum 1 und einem taschenförmigen Körper 3.
Die Laufradschaufel 100 weist einen Schaufelfuß 5, ein Schaufelblatt 7 und eine Schaufelplattform 9 auf. Die Laufradschaufel 100 ist einstückig, zumindest bezüglich dem Schaufelfuß 5, dem Schaufelblatt 7 und der Schaufelplattform 9. Die Laufradschaufel 100 ist beispielsweise aus einer Gusslegierung hergestellt.
Die Schaufelplattform 9 weist einen vorderen 11, einen mittleren 13 und einen hinteren 15 Schaufelplattformbereich auf. Der vordere 11 und der hintere 15 Schaufelplattformbereich sind als Absatz oder als Kragen ausgebildet.
Der taschenförmige Körper 3 weist eine annähernd quadratische Schalenform mit abgerundeten Ecken und mit einer Abschrägung im Inneren im hinteren (in Achsrichtung a gesehenen, stromab gelegenen) Bereich auf. Der taschenförmige Körper 3 kann als geschlossene Box bezeichnet werden, mit einer Öffnung in der Axial-Radial-Ebene (in Richtung senkrecht aus der Zeichenebene heraus). Der taschenförmige Körper 3 weist zwei axiale Stege 29 und zwei radiale Stege 31 auf.
Die dargestellte geschlossene Schalenform des taschenförmigen Körpers 3 kann in einer weiteren Ausführungsform (siehe Fig. 6) eine Öffnung oder ein Durchbruch in einer der Stege oder der Wandungen aufweisen, insbesondere zum Hohlraum 1 hin.
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Laufradschaufel 100 mit dem Hohlraum 1, dem taschenförmiger Körper 3 und einem Dämpfungselement 17.
Eine Stegbreite 19 am, in Achsrichtung gesehenen, hinteren Ende des mittleren Schaufelplattformbereichs kann rein exemplarisch einen Wert von ca. 1,25 mm aufweisen.
Das Dämpfungselement 17 weist in dieser Schnittdarstellung eine quadratische Querschnittsform auf. Das Dämpfungselement 17 füllt einen Teil des Volumens des taschenförmigen Körpers 3 aus.
Fig. 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung A-A (siehe in Fig. 1 und in Fig. 2 die Schnittebenen A-A) in Umfangsrichtung von zwei aneinandergereihten erfindungsgemäßen Laufradschaufeln 100 mit dem Dämpfungselement 17.
Das Dämpfungselement 17 weist eine Breite WD und eine Länge LD auf. Das Dämpfungselement 17 ist mittig in dem taschenförmiger Körper 3 angeordnet, umgeben von jeweils einem Spalt.
Infolge des Aneinanderreihens zweier Laufradschaufeln 100 vergrößern sich die beiden Hohlräume 1 zu einem erweiterten Hohlraum 21. Ebenso vergrößern sich die beiden taschenförmigen Körper 3 zu einem erweiterten taschenförmigen Körper 23.
Zwischen den beiden Laufradschaufeln 100 bleibt nach dem Aneinanderreihen ein Dichtspalt 25 bestehen, der beispielsweise thermische Ausdehnungen der einzelnen Bauteile im Betriebszustand ausgleichen oder kompensieren kann.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittdarstellung B-B (siehe in Fig. 1 und in Fig. 2 die Schnittebenen B-B) in Radialrichtung r von zwei aneinandergereihten erfindungsgemäßen Laufradschaufeln 100 mit dem Dämpfungselement 17.
Das Dämpfungselement 17 weist einen trapezförmigen Querschnitt und eine Höhe HD sowie eine Breite WD auf. Das Dämpfungselement 17 ist mittig in dem taschenförmigen Körper 3 angeordnet, liegt jedoch im radial äußeren Bereich an den Wandungen und den axialen Stegen 29 der beiden taschenförmigen Körper 3 an (im Betriebszustand wird das Dämpfungselement 17 infolge der Radialkräfte an die radial äußeren Wandungen angedrückt). Unterhalb des Dämpfungselements 17 ist ein Spalt 27 dargestellt.
Zwischen den beiden Laufradschaufeln 100 bleibt nach dem Aneinanderreihen ein Dichtspalt 25 bestehen.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Laufradschaufel 100 mit einem, in Bezug auf die dargestellte Ebene in Achsrichtung a und in Radialrichtung r, geschlossenen taschenförmiger Körper 3. Der taschenförmiger Körper 3 wird als geschlossen bezeichnet, weil die axialen Stege 29 und die radialen Stege 31 eine geschlossene umlaufende Kontur aufweisen. Insbesondere ist diese Kontur geschlossen in Bezug auf den Hohlraum 1.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Laufradschaufel 100 mit einem, in Bezug auf die dargestellte Ebene in Achsrichtung a und in Radialrichtung r, offenen taschenförmiger Körper. Der taschenförmiger Körper 3 wird als offen bezeichnet, weil der radial innere (in Fig. 6 der untere Steg) axiale Steg 29 nur etwa die Hälfte der Gesamtlänge in Achsrichtung a des taschenförmiger Körper 3 aufweist. Insbesondere ist der taschenförmige Körper 3 in Bezug auf den Hohlraum 1 offen. Anders ausgedrückt weist der taschenförmige Körper 3 eine Durchbruch zum Hohlraum 1 hin auf.
Bezugszeichenliste
- 100
- Laufradschaufel
- a
- axial; Axialrichtung
- r
- radial; Radialrichtung
- u
- Umfangsrichtung, senkrecht zur Achsrichtung der Gasturbine
- WD
- Breite des Dämpfungselements
- LD
- Länge des Dämpfungselements
- HD
- Höhe des Dämpfungselements
- 1
- Hohlraum
- 3
- taschenförmiger Körper
- 5
- Schaufelfuß
- 7
- Schaufelblatt
- 9
- Schaufelplattform
- 11
- vorderer Schaufelplattformbereich
- 13
- mittlerer Schaufelplattformbereich
- 15
- hinterer Schaufelplattformbereich
- 17
- Dämpfungselement
- 19
- Stegbreite
- 21
- erweiterter Hohlraum
- 23
- erweiterter taschenförmiger Körper
- 25
- Dichtspalt
- 27
- unterer Dichtspalt
- 29
- axialer Steg des taschenförmigen Körpers
- 31
- radialer Steg des taschenförmigen Körpers