Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaufelfußaufnahme zum Aufnehmen eines Schaufelfußes
einer Laufschaufel einer Strömungsmaschine.
Stand der Technik
[0002] Eine Strömungsmaschine gliedert sich funktional in Verdichter, Brennkammer und Turbine,
wobei im Falle eines Flugtriebwerks angesaugte Luft im Verdichter komprimiert und
in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt wird. Das
entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte
Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine und der Verdichter sind in der Regel
jeweils mehrstufig aufgebaut, wobei eine jeweilige Stufe einen Leit- und einen Laufschaufelkranz
umfasst. Jeder Schaufelkranz ist aus einer Mehrzahl umlaufend aufeinanderfolgender
Schaufeln aufgebaut, die je nach Anwendung von dem Verdichter- bzw. dem Heißgas umströmt
werden.
[0003] Dabei kann ein Laufschaufelkranz bspw. eine Laufscheibe aufweisen, an der die Laufschaufeln
umlaufend aufeinanderfolgend jeweils formschlüssig montiert sind. Dazu kann die Laufscheibe
auf unterschiedlichen Umlaufpositionen jeweils mit einer Schaufelfußaufnahme versehen
sein, nämlich einer sich axial erstreckenden Profilnut. In jede Profilnut kann ein
Schaufelfuß eingesetzt werden, dessen Außenwandfläche dann einen Formschluss mit den
die Profilnut begrenzenden Flanken der Schaufelfußaufnahme bildet. Aufgrund dieser
Profilierung ist die Laufschaufel radial formschlüssig gehalten, insbesondere gegen
die Fliehkräfte im Betrieb.
Darstellung der Erfindung
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders
vorteilhafte Schaufelfußaufnahme anzugeben.
[0005] Dies wird erfindungsgemäß mit der Schaufelfußaufnahme gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei
dieser ist mindestens eine Tragflanke, an welche der Schaufelfuß im Betrieb angedrückt
wird, mit einer Auswölbung versehen, die
- in einem achssenkrechten Schnitt betrachtet eine zumindest abschnittsweise konvexe
Form hat, und auch
- in einem achsparallelen Schnitt betrachtet eine zumindest abschnittsweise konvexe
Form hat.
[0006] Die Auswölbung bzw. konvexe Form ist also nicht nur bezogen auf die umlaufende bzw.
radiale Erstreckung der Tragflanke (achssenkrechter Schnitt), sondern zudem auch hinsichtlich
deren Längserstreckung, also in Axialrichtung ausgeprägt (achsparalleler Schnitt).
Diese insofern in zwei Richtungen ausgebildete Konvexität bzw. Balligkeit kann z.
B. strukturmechanisch von Vorteil sein, etwa im Ergebnis eine gleichmäßigere Lastübertragung
zwischen Schaufelfuß und Tragflanke ermöglichen. Im Vergleich zu einer planen Tragflanke,
bei welcher sich z. B. fertigungsbedingt unterschiedliche Anlagebereiche ergeben können,
kann mit der konvexen Ausbildung z. B. eine reproduzierbare Anlagefläche geschaffen
werden.
[0007] In manchen Ausgestaltungen können kleinere Toleranzen nur lokal im Bereich der Auswölbungen
vorgesehen sein und/oder der Einfluss von Abweichungen außerhalb der Auswölbungen
reduziert sein.
[0008] Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen
und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im
Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden
wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien
zu lesen. Ferner richtet sie sich stets auf sowohl die Schaufelfußaufnahme an sich
als auch auf eine Schaufelanordnung mit einer entsprechenden Schaufelfußaufnahme und
einer Laufschaufel, sowie auch auf eine Laufscheibe mit mehreren Schaufelfußaufnahmen.
[0009] Die Angaben "axial", "radial" und "umlaufend", sowie die zugehörigen Richtungen (Axialrichtung
etc.), beziehen sich auf die Drehachse, um welche im Betrieb die Schaufelfußaufnahme
mit der Laufschaufel, insbesondere also auch die Scheibe bzw. der Laufschaufelkranz
rotieren. Diese fällt typischerweise mit einer Längsachse der Strömungsmaschine, also
bspw. des Flugtriebwerks zusammen. Der achssenkrechte Schnitt liegt senkrecht zur
Drehachse; die achsparallele Schnittebene liegt parallel dazu, dabei kann sie insbesondere
senkrecht auf der Tragflanke stehen.
[0010] Die Tragflanke ist "zumindest anteilig nach radial innen gewandt", eine Flächennormale
auf der Tragflanke hat also zumindest eine nach innen gerichtete Radialkomponente.
Je nach Ausgestaltung im Einzelnen kann sie zusätzlich eine Umlaufkomponente haben,
also schräg liegen. In dem achssenkrechten Schnitt betrachtet kann sich die Tragflanke
bspw. zwischen einem konkaven Krümmungsabschnitt, der radial innerhalb in eine radial
innere Freiflanke oder den Nutgrund führt, und einer konvexen Krümmung erstrecken,
die in eine radial äußere Freiflanke oder bspw. den Scheibenumfang führt. Insgesamt
kann die Schaufelfußaufnahme bspw. ein sogenanntes Tannenbaumprofil bilden, was aber
nur eine Möglichkeit darstellt.
[0011] Unabhängig von diesen Details wird der Schaufelfuß, insbesondere eine zu Schaufelfußaufnahme
im Wesentlichen komplementäre Ausbuchtung davon, im Betrieb gegen die Tragflanke gepresst.
Insgesamt kann die Schaufelfußaufnahme dabei auch mehr als eine Tragflanke aufweisen,
bspw. spiegelbildlich eine weitere Tragflanke in Umlaufrichtung versetzt und/oder
eine oder mehrere Tragflanken radial inner- oder außerhalb. Insgesamt können dann
auch mehr als die eine Tragflanke mit einer Auswölbung geformt sein, es ist eine entsprechende
Gestaltung sämtlicher Tragflanken der Schaufelfußaufnahme oder auch nur eine Untermenge
davon möglich. Generell sind "ein" und "eine" im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte
Artikel und damit immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen,
kann es also bspw. in der Tragflanke bzw. einer jeweiligen Tragflanke auch mehrere
Ausbildungen geben, siehe unten im Detail.
[0012] Im Allgemeinen kann sich die konvexe Krümmung axial auch über die gesamte Tragflanke
erstrecken. In bevorzugter Ausgestaltung geht sie in dem achsparallelen Schnitt betrachtet
jedoch in Richtung eines ersten axialen Endes der Tragflanke in ein konkaves Profil
über, ist also das Profil zwischen dem ersten Ende und der konvexen Krümmung zumindest
abschnittsweise konkav. Der Übergang von dem konvexen in das konkave Profil kann bspw.
um mindestens 5 % einer axialen Länge der Tragflanke von dem ersten axialen Ende beabstandet
sein, mit weiteren möglichen Untergrenzen bei bspw. mindestens 10 % bzw. 15 % (und
theoretischen Obergrenzen bei 70 %, 50 % bzw. 30 %). Ein gewisser Abstand der konvexen
Form vom (ersten) axialen Ende der Tragflanke kann bspw. strukturmechanisch von Vorteil
sein.
[0013] In bevorzugter Ausgestaltung läuft die Tragflanke, in Richtung des ersten axialen
Endes an das konkave Profil anschließend, in dem achsparallelen Schnitt betrachtet
geradlinig in das erste Ende. Der geradlinige Abschnitt kann insbesondere achsparallel
liegen. Generell kann das "erste Ende" bezogen auf die Anordnung in der Strömungsmaschine
axial vorne oder axial hinten liegen, also stromauf oder - abwärts.
[0014] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform geht die konvexe Form in dem achsparallelen
Schnitt betrachtet auch in Richtung eines zweiten axialen Endes, welches dem ersten
axial entgegengesetzt liegt, in ein konkaves Profil über, schließt also axial beidseits
ein konkaves Profil an die konvexe Form an. Je nach Position der Auswölbung kann dann
auch in Richtung des zweiten axialen Endes an das konkave Profil ein geradliniger
Verlauf anschließen, der in das zweite Ende der Tragflanke läuft, insbesondere achsparallel
(alternativ kann aber auch eine weitere Auswölbung folgen, siehe unten im Detail).
[0015] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft den Verlauf der Tragflanke in dem
achssenkrechten Schnitt, geht nämlich in diesem die konvexe Form in ein konkaves Profil
über, bevorzugt beidseits. Letzteres meint, dass bezogen auf eine Weitenrichtung der
Tragflanke, in welcher in dem achssenkrechten Schnitt ihre Weite genommen wird (und
die je nach Orientierung der Tragflanke einen Umfangs- und gegebenenfalls einen Radialanteil
hat), zu beiden Seiten hin ein konkaver Verlauf an die konvexe Form anschließt. An
den konkaven Verlauf kann in der Weitenausrichtung ein geradliniger Verlauf anschließen,
zu einer oder zu beiden Seiten hin.
[0016] In bevorzugter Ausgestaltung ist in der Tragflanke eine weitere Auswölbung ausgebildet,
finden sich in der Tragflanke also insgesamt mindestens zwei Auswölbungen. Auch die
weitere Auswölbung kann in sowohl einem achssenkrechten Schnitt als auch in einem
achsparallelen Schnitt betrachtet jeweils eine konvexe Form haben. In bevorzugter
Ausgestaltung sind die (erste) und die weitere Auswölbung in Axialrichtung zueinander
versetzt, alternativ oder zusätzlich können sie in Weitenrichtung der Tragflanke zueinander
versetzt sein. In letzterem Fall können sie also mit einer Umlaufkomponente und, je
nach Orientierung der Tragflanke (siehe oben), mit einer Radialkomponente versetzt
sein.
[0017] Im Allgemeinen können in der Tragflanke auch eine große Zahl Auswölbungen ausgebildet
sein, wobei mögliche Obergrenzen bspw. bei höchstens 30, 20 bzw. 10 Auswölbungen liegen
können, prinzipiell aber auch eine noch größere Zahl möglich ist. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform sind jedoch genau drei Auswölbungen in der Tragflanke vorgesehen,
die miteinander reproduzierbar eine Anlage für die zugeordnete Fläche bzw. Flanke
des Schaufelfußes bilden. Die drei Auswölbungen liegen also bevorzugt derart versetzt
in der Tragflanke, dass sie miteinander definiert eine Ebene aufspannen (also nicht
auf einer gemeinsamen Geraden liegen).
[0018] In manchen Ausgestaltungen liegt die Anzahl der Auswölbungen auf einer oder jeder
Tragflanke der Schaufelfußaufnahme im Bereich von 1 bis 10 pro Tragflanke, vorzugsweise
2 bis 7 pro Tragflanke, insbesondere 3 bis 4 pro Tragflanke.
[0019] In manchen Ausgestaltungen weist die, insbesondere jede der Auswölbungen (40) in
jedem Schnitt senkrecht zur Tragflanke durch die Auswölbung ein Profil mit einem stetig
differenzierbareren Verlauf aufweist. Mit anderen Worten ist der Verlauf in diesen
Ausgestaltungen weich und frei von Zacken, Sprüngen und/oder Kanten. Dies ermöglicht
eine definierte, in gewissem Maße flächige und spannungstechnisch besonders vorteilhafte
Anlage.
[0020] In manchen Ausgestaltungen liegt für die, insbesondere für jede der Auswölbungen
das Verhältnis H/D von der Höhe H der Auswölbung zur kleinsten Querabmessung D der
Auswölbung innerhalb der Tragflanke im Bereich von 1:2 bis 1:500, insbesondere 1:10
bis 1:200 oder 1:100 bis 1:500. Dies ermöglicht spannungstechnisch eine besonders
vorteilhafte Anlage.
[0021] Die Erfindung betrifft auch eine Schaufelanordnung mit einer vorliegend offenbarten
Schaufelfußaufnahme und einer Laufschaufel, deren Schaufelfuß in der Schaufelfußaufnahme
angeordnet ist. Der Schaufelfuß liegt an der Tragflanke an, im Betrieb wird er fliehkraftgetrieben
dagegen gepresst.
[0022] Ferner betrifft die Erfindung eine Laufscheibe für einen Laufschaufelkranz einer
Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks. Die Laufscheibe, die insgesamt
bspw. eine Ringform haben kann, weist umlaufend verteilt mehrere Schaufelfußaufnahmen
auf, die bevorzugt jeweils mit einer Tragflanke gemäß der vorliegenden Offenbarung
gestaltet sind.
[0023] Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend offenbarten
Schaufelfußaufnahme bzw. der Schaufelanordnung oder Laufscheibe, wobei die Tragflanke
materialabtragend aus einem Vollmaterial herausgearbeitet wird. Dies erfolgt bevorzugt
durch elektrochemisches Abtragen
(Elektro Chemical Machining, ECM), mit dem sich die gewünschte Oberflächenkontur besonders gut erreichen lässt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0024] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert,
wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer
Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen
zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
[0025] Im Einzelnen zeigt
- Figur 1
- eine Strömungsmaschine, nämlich ein Mantelstromtriebwerk in einem Axi-alschnitt;
- Figur 2
- eine Schaufelfußaufnahme in einer schematischen Axialansicht;
- Figur 3
- eine Tragflanke der Schaufelfußaufnahme gemäß Figur 2 in einem achssenrechten Schnitt;
- Figur 4
- die Tragflanke gemäß Figur 3 in einem achsparallelen Schnitt;
- Figur 5
- eine alternativ gestaltete Tragflanke in einer schematischen Aufsicht.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0026] Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt.
Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b
und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus
mehreren Stufen aufgebaut. Jede der Stufen setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz
zusammen. Der Übersichtlichkeit halber ist für die Turbine 1c nur für eine der Stufen
der Leitschaufelkranz 3 und der zugehörige Laufschaufelkranz 4 mit Bezugszeichen referenziert.
Im Verdichter 1a wird die angesaugte Luft komprimiert, sie wird dann in der nachgelagerten
Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das Heißgas durchströmt den
Heißgaskanal und treibt dabei die Laufschaufelkränze an, die um die Drehachse 2 rotieren.
Der Laufschaufelkranz 4 umfasst eine Laufscheibe 4.1, in die umlaufend verteilt mehrere
Laufschaufeln 4.2 eingesetzt sind.
[0027] Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Laufscheibe 4.1 in einer Axialansicht, also entlang der
Drehachse 2 darauf blickend. In der Laufscheibe 4.1 ist eine Schaufelfußaufnahme 20
vorgesehen, die in Form einer profilierten Nut eingebracht ist, welche die Laufscheibe
4.1 axial durchsetzt. In die Schaufelfußaufnahme 20 wird ein hier nur schematisch
angedeuteter Schaufelfuß 21 der jeweiligen Laufschaufel 4.2 eingesetzt, er ist darin
bezogen auf die Radialrichtung 22 formschlüssig gehalten. Im Betrieb wird er gegen
Tragflanken 25 der Schaufelfußaufnahme gedrückt, wovon vorliegend eine mit einem Bezugszeichen
referenziert ist und weiter im Detail diskutiert wird.
[0028] Die Tragflanke 25 erstreckt sich zwischen einem konvexen Krümmungsabschnitt 26 und
einem konkaven Krümmungsabschnitt 27, in der Darstellung gemäß Figur 2 ist ihre Weite
28 zu erkennen. Senkrecht dazu, also in Axialrichtung 32 hat die Tragflanke 25 ihre
Längserstreckung. Vorliegend ist sie derart orientiert, dass sie anteilig in der Radialrichtung
22 und auch in Umlaufrichtung 33 verläuft.
[0029] Figur 3 zeigt die Tragflanke 25 in einer Detailansicht, nämlich in einem zur Axialrichtung
32 senkrechten Schnitt. Dieser lässt eine Auswölbung 40 erkennen, die eine konvexe
Form 41 hat. Die konvexe Form 41 geht beidseits in ein konkaves Profil 42 über.
[0030] Figur 4 zeigt die Auswölbung 40 in einer dazu senkrechten Schnittebene, nämlich einem achsparallelen
Schnitt A-A (vergleiche Figur 2 zur Lage der Schnittebene). Die Auswölbung 40 hat
auch in diesem Schnitt eine konvexe Form 51, die im vorliegenden Beispiel sowohl in
Richtung eines ersten axialen Endes 61 als auch in Richtung eines zweiten axialen
Endes 62 jeweils zunächst in ein konkaves Profil 52 und dann in einen geradlinigen
Verlauf 53 übergeht. Bezogen auf eine axiale Länge 55 der Tragflanke 25 liegt ein
Übergang 56 zwischen konvexer/konkaver Erstreckung in diesem Beispiel rund 30% vom
ersten axialen Ende 61 entfernt (was spiegelbildlich für den anderen Übergang und
das zweite axiale Ende 62 gilt).
[0031] Figur 5 zeigt eine Tragflanke 25 in einer schematischen Aufsicht, in welcher zusätzlich zu
der (ersten) Auswölbung 40 eine weitere Auswölbung 70 vorgesehen ist, die zu der ersten
Auswölbung 40 axial und auch umlaufend bzw. radial versetzt ist. Insgesamt sind in
der Tragflanke 25 drei Auswölbungen 71 vorgesehen, die miteinander eine definierte
Anlagefläche bilden.
BEZUGSZEICHENLISTE
Strömungsmaschine |
1 |
|
Verdichter |
1a |
|
Brennkammer |
1b |
|
Turbine |
1c |
Drehachse/Längsachse |
2 |
Leitschaufelkranz |
3 |
Laufschaufelkranz |
4 |
|
Laufscheibe |
4.1 |
|
Mehrere Laufschaufeln |
4.2 |
Schaufelfußaufnahme |
20 |
Schaufelfuß |
21 |
Radialrichtung |
22 |
Tragflanken |
25 |
Konvexer Krümmungsabschnitt |
26 |
Konkaver Krümmungsabschnitt |
27 |
Weite |
28 |
Axialrichtung |
32 |
Umlaufrichtung |
33 |
Erste Auswölbung |
40 |
Konvexe Form |
41 |
Achsparalleler Schnitt |
A-A |
Konvexe Form |
51 |
Konkaves Profil |
52 |
Geradliniger Verlauf |
53 |
axiale Länge |
55 |
Übergang |
56 |
Erstes axiales Ende |
61 |
Zweites axiales Ende |
62 |
Weitere Auswölbung |
70 |
Drei Auswölbungen |
|
71 |
1. Schaufelfußaufnahme (20) zum Aufnehmen eines Schaufelfußes (21) einer Laufschaufel
(4.2) einer Strömungsmaschine (1),
welche Schaufelfußaufnahme (20) zur radial formschlüssigen Anlage an dem Schaufelfuß
(21) eine Tragflanke (25) aufweist, die bezogen auf eine Drehachse (2) zumindest anteilig
nach radial innen gewandt ist,
wobei die Tragflanke (25) mit einer Auswölbung (40) versehen ist, die
- in einem achssenkrechten Schnitt betrachtet eine zumindest abschnittsweise konvexe
Form (41) hat, und auch
- in einem achsparallelen Schnitt betrachtet eine zumindest abschnittsweise konvexe
Form (51) hat.
2. Schaufelfußaufnahme (20) nach Anspruch 1, bei welcher in dem achsparallelen Schnitt
betrachtet die konvexe Form (51) in Richtung eines ersten axialen Endes (61) der Tragflanke
(25) in ein konkaves Profil (52) übergeht.
3. Schaufelfußaufnahme (20) nach Anspruch 2, bei welcher in dem achsparallelen Schnitt
betrachtet ein Übergang (56) zwischen der konvexen Form (51) und dem konkaven Profil
(52) um mindestens 5 % einer axialen Länge (55) der Tragflanke (25) von dem ersten
axialen Ende (61) beabstandet ist.
4. Schaufelfußaufnahme (20) nach Anspruch 3, bei welchem in dem achsparallelen Schnitt
betrachtet die Tragflanke (25) geradlinig in das erste Ende (61) läuft.
5. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher in dem achsparallelen
Schnitt betrachtet die konvexe Form (51) auch in Richtung eines zweiten, dem ersten
(61) entgegengesetzten axialen Ende (62) der Tragflanke (25) in ein konkaves Profil
(52) übergeht.
6. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher in dem
achssenkrechten Schnitt betrachtet die konvexe Form (41) in ein konkaves Profil (42)
übergeht.
7. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher in der
Tragflanke (25) zusätzlich eine weitere Auswölbung (40) ausgebildet ist oder mehrere
weitere Auswölbungen (40) ausgebildet sind.
8. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die, insbesondere
jede der Auswölbungen (40) in jedem Schnitt senkrecht zur Tragflanke durch die Auswölbung
ein Profil mit einem stetig differenzierbareren Verlauf aufweist.
9. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher für die,
insbesondere für jede der Auswölbungen (40) das Verhältnis H/D von Höhe H zur kleinsten
Querabmessung D im Bereich von 1:2 bis 1:500, insbesondere 1:10 bis 1:200 oder 1:100
bis 1:500 liegt.
10. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welcher die Auswölbungen
(40,70) axial zueinander versetzt sind.
11. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welcher die Auswölbungen
(40,70) mit einer Radial- und/oder einer Umlaufkomponente zueinander versetzt sind.
12. Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei welcher in der Tragflanke
(25) insgesamt drei Auswölbungen (71) ausgebildet sind.
13. Schaufelanordnung mit einer Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche
und Laufschaufel (4.2), deren Schaufelfuß (21) in der Schaufelfußaufnahme (20) angeordnet
ist und an der Tragflanke (25) anliegt.
14. Laufscheibe (4.1) für einen Laufschaufelkranz (4) einer Strömungsmaschine (1), mit
mehreren Schaufelfußaufnahmen (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Verfahren zum Herstellen einer Schaufelfußaufnahme (20) nach einem der Ansprüche 1
bis 12, einer Schaufelanordnung nach Anspruch 13 oder einer Laufscheibe (4.1) nach
Anspruch 14, bei welchem jedenfalls die Tragflanke (25) der Schaufelfußaufnahme (20)
durch Elektrochemisches Abtragen aus einem Vollmaterial herausgearbeitet wird.