Laufschaufel für eine Turbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse (12) der Laufschaufel (10) von unten nach oben einem Schaufelfuß (14) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem Rotor der Turbine ein Übergangsbereich (16) sowie ein sich daran anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt folgt, wobei der Schaufelfuß (14) zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen (26, 28) und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinander verbindende konturierte Seitenflächen (30, 32) aufweist, in welchen Seitenflächen (30,32) unter Bildung einer schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmigen Stirnflächenkontur jeweils zumindest eine Tragflanke (34) ausgebildet ist, und bei der die Tragflanken (34) über konkave Verrundungen (36) in den Übergangsbereich oder zu Freiflanken übergehen. Um eine Laufschaufel bereitzustellen, deren Verwendung in einem Schaufelträger die Lebensdauer des Laufschaufelträgers verlängert, wird vorgeschlagen, dass in zumindest einer konkaven Verrundung (36) eine an eine der beiden Stirnseiten (26, 28) angrenzende Auskehlung (38) angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenfläche (30 bzw. 32) geringer ist als die der Tragflanke (34).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Turbine, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse der Laufschaufel von unten nach oben einem Schaufelfuß zur Befestigung der Laufschaufel an einem Rotor der Turbine ein Übergangsbereich sowie ein sich daran anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt folgt, wobei der Schaufelfuß zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinander verbindende konturierte Seitenflächen aufweist, in welchen Seitenflächen unter Bildung einer schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmigen Stirnflächenkontur jeweils zumindest eine Tragflanke ausgebildet ist und bei der die Tragflanken über konkave Verrundungen in den Übergangsbereich oder zu Freiflanken übergehen.

[0002] Die voran beschriebene Laufschaufel ist aus dem Stand der Technik bestens bekannt und wird insbesondere in Gasturbinen verwendet. Zur Befestigung der Laufschaufel am Rotor weist letzeres entweder einen umlaufenden Wellenbund oder eine Rotorscheibe auf, an dessen Außenumfang sich weitestgehend in Axialrichtung erstreckende Haltenuten vorgesehen sind. Die Haltenuten sind längs des Umfangs des Wellenbundes bzw. der Rotorscheibe verteilt, so dass für jede Laufschaufel eine dezidierte Haltenut vorgesehen ist. Die Haltenuten sind dabei zur Stirnseitenkontur des Schaufelfußes der Laufschaufel entsprechend geformt, so dass insgesamt eine formschlüssige Verbindung zwischen Laufschaufel und Rotor vorhanden ist, die bei bestimmungsgemäßem Betrieb einer die Laufschaufel aufweisenden Turbine die Laufschaufel sicher am Rotor hält, unabhängig von den auf die Laufschaufel einwirkenden Fliehkräfte.

[0003] Dennoch können insbesondere beim Betrieb von stationären Gasturbinen aufgrund des Eigengewichtes der Laufschaufel derartig hohe Fliehkräfte auftreten, dass der Schaufelträger lokal unzulässig hoch belastet wird. Diese lokal unzulässig hohe Belastung führt zu einer reduzierten Lebensdauer des Schaufelträgers bzw. der Rotorscheibe, was ungewünscht ist.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Laufschaufel, deren Verwendung in einem Schaufelträger die Lebensdauer des Laufschaufelträgers verlängert.

[0005] Die auf die Erfindung gerichtete Aufgabe wird durch eine Laufschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0006] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, die in angegebener Weise miteinander kombiniert werden können.

[0007] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in zumindest in einer konkaven Verrundung eine an einer der beiden Stirnseiten angrenzende Auskehlung angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenflächen geringer ist als die der Tragflanke und die die tragende Fläche der Tragflanke reduziert, verglichen mit der betreffenden Tragflanke ohne daran angrenzende Auskehlung.

[0008] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die von der Laufschaufel hervorgerufene Fliehkraftbelastung im Schaufelträger längs der Haltenuterstreckung unterschiedlich groß ist. Es hat sich herausgestellt, dass an den - in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Turbine oder Verdichters - stromauf und stromab liegenden Endbereichen des Schaufelträgers Spannungskonzentrationen auftreten, die die vorbestimmbare Lebensdauer des Schaufelträgers beeinflussen. Aus diesem Grunde ist es zur Verlängerung der Lebensdauer des Schaufelträgers, bspw. einer Rotorscheibe, hilfreich, die dort auftretenden Spannungen zu reduzieren.

[0009] Die Reduzierung der dort auftretenden Spannungen wird dadurch erreicht, dass der Laufschaufelfuß längs der Tragflankenerstreckung (von der einen der beiden Stirnflächen des Schaufelfußes zu der anderen der beiden Stirnflächen) unterschiedlich steif ausgebildet ist. Die unterschiedlichen Steifigkeiten werden dadurch erreicht, dass im Bereich der konkaven Verrundung eine an zumindest einer der beiden Stirnseiten angrenzende Auskehlung angeordnet ist. Durch die Anordnung der Auskehlung im Bereich der konkaven Verrundung wird der an dieser Stelle vorhandene tragende Querschnitt des Schaufelfußes verringert. Insofern wird der Schaufelfuß an dieser Stelle weicher, verglichen mit der Steifigkeit des Schaufelfußes in der Mitte zwischen den beiden einander gegenüberliegenden ebenen Stirnflächen. Die erhöhte Elastizität im Bereich der stirnseitigen Flächen des Schaufelfußes führt dazu, dass unter Fliehkraft der Anpressdruck der Laufschaufel an den Tragflanken des Schaufelträgers dort lokal verringert ist und somit die dort bisher auftretende Spannungskonzentration im Schaufelträger verringert werden kann. Mithin erfolgt eine Vergleichmäßigung der mechanischen Belastung im Schaufelträger längs der Erstreckung der Haltenut von der stromwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite, was insgesamt die Lebensdauer des Schaufelträgers, und insbesondere, wenn der Schaufelträger als Rotorscheibe ausgebildet ist, verbessert.

[0010] Gleichzeitig wird die tragende Fläche der Tragflanke des Schaufelfußes aufgrund der Auskehlung verringert, so dass die wirksame Kontaktfläche zwischen der Tragflanke der Laufschaufel und der Tragflanke der Haltenut dort lokal verringert ist. Auch dies führt zu einer geringeren Spannungskonzentration im Schaufelträger und erzielt somit ebenso die voran beschriebenen Vorteile.

[0011] Besonders bevorzugt ist diejenige Weiterbildung, bei der jede Seitenfläche des Schaufelfußes zumindest zwei Tragflanken aufweist und somit der Schaufelfuß eine tannenbaumförmige Stirnflächenkontur bereitstellt, wobei die Auskehlung oberhalb derjenigen Tragflanke angeordnet ist, die aufgrund der Abstimmung der Abmaße von Laufschaufelfuß und der entsprechenden Haltenut des Schaufelträgers die größte mechanische Belastung unter Fliehkrafteinwirkung erfahren soll. Da dies häufig die zuunterst angeordnete Tragflanke ist, ist die Auskehlung zweckmäßigerweise oberhalb der zuunterst angeordneten Tragflanke angeordnet.

[0012] Selbstverständlich ist es möglich, dass oberhalb jeder Tragflanke zumindest eine Auskehlung angeordnet ist.

[0013] Besonders bevorzugt ist jedoch diejenige Laufschaufel, bei der das Schaufelblatt eine Saugseitenwand und eine Druckseitenwand umfasst, die sich für ein Arbeitsmedium von einer Anströmkante zu einer Abströmkante erstrecken und bei der zumindest zwei Auskehlungen vorgesehen sind, von denen die eine der beiden Ausnehmungen an der anströmseitigen Stirnfläche angrenzt und gleichzeitig an der saugseitigen Seitenfläche des Schaufelfußes vorgesehen ist und die andere der beiden Auskehlungen an der abströmseitigen Stirnfläche und gleichzeitig an der druckseitigen Seitenfläche des Schaufelfußes angeordnet ist. Mit anderen Worten: die Auskehlungen liegen einander diagonal gegenüber.

[0014] Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass auf das Schaufelblatt auch Strömungskräfte einwirken, durch welche die Laufschaufel ein Drehmoment erfährt, welches Drehmoment von dem Material des die Haltenuten umgebenden Schaufelträgers aufgenommen und kompensiert werden muss.

[0015] Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Stirnseiten in einem zu 100% normierten Abstand gegenüberliegen und die Länge der Erstreckung der Ausnehmung nicht mehr als 5% des besagten Abstands beträgt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bereits eine vergleichsweise kleine Ausnehmung zu einer signifikanten Vergleichmäßigung der Belastungen im Material des Schaufelträgers führen kann.

[0016] Insgesamt betrifft die Erfindung eine Laufschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse der Laufschaufel von unten nach oben - genau gesagt von einem befestigungsseitigen Schaufelende zum gegenüberliegenden schaufelspitzseitigem Schaufelende anderen - einem Schaufelfuß zur Befestigung der Laufschaufel an einem Rotor der Turbine ein Übergangsbereich sowie ein sich daran anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt folgt, wobei der Schaufelfuß zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinander verbindende konturierte Seitenflächen aufweist, in welchen Seitenflächen unter Bildung einer schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmigen Stirnflächenkontur jeweils zumindest eine Tragflanke und eine Freiflanke ausgebildet ist, und bei der die Tragflanken über konkave Verrundungen in den Übergangsbereich oder zu den Freiflanken übergehen. Um eine Laufschaufel bereitzustellen, deren Verwendung in einem Schaufelträger die Lebensdauer des Laufschaufelträgers verlängert, wird vorgeschlagen, dass in zumindest einer konkave Verrundung eine an eine der beiden Stirnseiten angrenzende Auskehlung angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenfläche geringer ist als die der Tragflanke.

[0017] Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, welche die Erfindung nicht näher einschränken, in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Dabei werden weitere Merkmale und weitere Vorteile angegeben. Es zeigen:

FIG 1

eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel,

FIG 2

die Seitenansicht auf den Ausschnitt eines Schaufelträgers mit einer Haltenut und einer darin sitzenden Laufschaufel und

FIG 3

die Seitenansicht auf die Seitenflächen des Schaufelfußes der Laufschaufel aus Figur 2.

[0018] In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0019] Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Laufschaufel 10. Bei der gezeigten Laufschaufel 10 handelt es sich um eine Turbinenlaufschaufel. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, da die Laufschaufel auch als eine Verdichterlaufschaufel ausgestaltet sein kann. Die Laufschaufel 10 umfasst entlang einer gedachten Längsachse 12 von unten nach oben einen Schaufelfuß 14, an den sich ein Übergangsbereich und daran ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 18 anschließt. Das Schaufelblatt 18 ist in bekannter Weise aerodynamisch gekrümmt und umfasst eine Anströmkante 20 sowie eine Abströmkante 22, die über eine Saugseitenwand 21 und eine Druckseitenwand 24 miteinander verbunden sind.

[0020] Der Schaufelfuß 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel schwalbenschwanzförmig ausgestaltet und umfasst somit zwei ebene Stirnflächen 26, 28, die einander gegenüberliegen, wovon die eine Stirnfläche 26 anströmseitig und die andere Stirnfläche 28 abströmseitig angeordnet ist. Die beiden Stirnflächen 26, 28 sind mittels zweier gegenüberliegender Seitenflächen 30, 32 miteinander verbunden, wobei in den besagten Seitenflächen 30, 32 jeweils eine Tragflanke 34 und eine Freiflanke 35 ausgebildet ist, so dass die Konturen der Stirnflächen 26, 28 eine Schwalbenschwanzform ergeben. Die Tragflanken 34 gehen über eine konkave Verrundung 36 in den Übergangsbereich 16 über, welcher einerseits einen Schaufelhals umfassen kann und andererseits eine Plattform, die den Strömungspfad der thermischen Strömungsmaschine rotorseitig begrenzen kann.

[0021] Die einander radial unmittelbar benachbarten Tragflanke 34 und Freiflanke 35 des Schaufelfußes 14 sind über eine konvexe Verrundung miteinander verbunden und bilden somit einen in der betreffenden Seitenfläche 30, 32 angeordneten Wulst, welcher sich von der anströmseitigen Stirnfläche 26 zu der abströmseitigen Stirnfläche 28 erstreckt.

[0022] In zumindest einer konkaven Verrundung ist eine an der Stirnseite 26 angrenzende Auskehlung 38 angeordnet, deren Erstreckung längs der Seitenflächen 30 geringer ist als die der Tragflanke 34 und die die tragende Fläche (siehe Figur 2) der Tragflanke 34 reduziert (verglichen mit der betreffenden Tragflanke 34 ohne die daran angrenzende Auskehlung). Mit Hilfe der Auskehlung 38 treten in einer Laufschaufelanordnung 40 - umfassend einen im bestimmungsgemäßen Einsatz drehbaren Laufschaufelträger 42, an dessen Außenumfang gleichmäßig längs des Umfangs verteilt eine Vielzahl von Haltenuten 48 vorgesehen sind, und in denen die Laufschaufel 10 angeordnet ist - geringere mechanische Belastungen auf, was die Lebensdauer des Laufschaufelträgers 42 verlängert.

[0023] Figur 2 zeigt einen Ausschnitt auf die Laufschaufelanordnung 40, bei der ein Laufschaufelträger 42 als Rotorscheibe ausgebildet ist, die um eine Maschinenachse 44 gedreht werden kann. Am Außenumfang 46 der Rotorscheibe 42 ist lediglich eine der längs des Umfangs U gleichmäßig verteilten Haltenuten 48 für Laufschaufeln gezeigt, in der eine Laufschaufel 10 eingesetzt ist. Aufgrund der in beiden Seitenflächen 30, 32 des Schaufelfußes 14 angeordneten Tragflanken 34 und Freiflanken 35 ergibt sich für die Stirnfläche 26 des Schaufelfußes 14 eine Kontur in Form eines Tannenbaums.

[0024] Die Tragflanken 34 sind zur gedachten Längsachse 12 der Laufschaufel 10 symmetrisch ausgestaltet. Die Auskehlung 38 ist so angeordnet, dass der zwischen den gegenüberliegenden konkaven Verrundungen 36 und der Auskehlung 38 liegende Abstand F verringert ist verglichen mit dem Abstand ohne Auskehlung. Gleichzeitig ist die Auskehlung 38 so ausgestaltet, dass die Kontaktfläche der Tragflanke 34 des Schaufelfußes 40 und der ihr gegenüberliegenden Tragflanke der Haltenut 48 im Bereich der Auskehlung 38 verringert ist, im Vergleich zu demjenigen Kontaktbereich, bei dem keine Auskehlung vorgesehen ist.

[0025] Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Seitenfläche 30 des Schaufelfußes 14 der Laufschaufel 10. Die beiden ebenen Stirnseiten 26, 28 liegen in einem zu 100% normierten Abstand A gegenüber, wobei die Längserstreckung der Auskehlung 38 eine Länge L, gemessen von der Stirnseite 26 aus, an der die Auskehlung 38 aus angrenzt, einen Betrag von 5% des Abstands A nicht überschreitet. Hier beträgt er 3%.

Ansprüche

1. Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse (12) der Laufschaufel (10) von unten nach oben einem Schaufelfuß (14) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem Rotor der Turbine ein Übergangsbereich (16) sowie ein sich daran anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt folgt,
wobei der Schaufelfuß (14) zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen (26, 28) und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinander verbindende konturierte Seitenflächen (30, 32) aufweist, in welchen Seitenflächen (30,32) jeweils zumindest eine Tragflanke (34) ausgebildet ist, und bei der die Tragflanken (34) über konkave Verrundungen (36) in den Übergangsbereich oder zu Freiflanken übergehen,
dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einer konkave Verrundung (36) eine an eine der beiden Stirnseiten (26, 28) angrenzende Auskehlung (38) angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenfläche geringer ist als die der Tragflanke.

2. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der jede Seitenfläche (30, 32) zumindest zwei Tragflanken (34) aufweisen und die Auskehlung (38) oberhalb der zuunterst angeordneten Tragflanke (34) angeordnet ist.

3. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der oberhalb jeder Tragflanke (34) zumindest eine Auskehlung (38) angeordnet ist.

4. Laufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der das Schaufelblatt eine Saugseitenwand (21) und eine Druckseitenwand (24) umfasst, die sich für ein Arbeitsmedium von einer Anströmkante (20) zu einer Abströmkante (22) erstrecken, und bei der zumindest zwei Auskehlungen (38) vorgesehen sind, von denen die eine der beiden Auskehlungen (38) an der anströmseitigen Stirnfläche (26) angrenzt und an der saugseitigen Seitenfläche (32) vorgesehen ist und die andere der beiden Auskehlung an der abströmseitigen Stirnfläche (28) und an der druckseitigen Seitenfläche (30) angeordnet ist.

5. Laufschaufel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die beiden Stirnseiten (26, 28) in einem zu 100% normierten Abstand (A) gegenüber liegen und die Länge der Erstreckung der Ausnehmung nicht mehr als 5% des besagten Abstands (A) beträgt.

6. Laufschaufelanordnung (40)
umfassend einen im bestimmungsgemäßen Einsatz drehbaren Laufschaufelträger (42), an dessen Außenumfang gleichmäßig längs des Umfangs verteilt eine Vielzahl von Haltenuten (48) vorgesehen sind, in denen Laufschaufeln (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet sind.

Zeichnung