Laufschaufel, Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel, sowie Verdichter mit einer solchen Laufschaufel

Abstract

 Eine Laufschaufel zur Befestigung am Rotor einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer Gasturbine, umfasst ein Schaufelblatt und einen am unteren Ende des Schaufelblatts anschliessenden, sich entlang einer Schaufelachse erstreckenden Schaufelfuss (15), mit welchem die Laufschaufel in einer auf dem Aussenumfang des Rotors angeordneten umlaufenden Nut zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Zwischenstücken (12, 18) gehalten wird, die ihrerseits in der Nut gehalten werden, wobei der Schaufelfuss (15) im Querschnitt T-förmig ausgebildet ist und mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorsprüngen (16, 16') unter die angrenzenden Zwischenstücke (12, 18) greift, und die Zwischenstücke (12, 18) in Richtung der Schaufelachse mit Halteflächen (20) in Hinterschneidungen (24) in der Nut eingreifen.
Ein verringerter Herstellungsaufwand bei vergleichbarer Lebensdauer wird dadurch erreicht, dass der T-förmige Schaufelfuss (15) gefräst ist, und dass zur Verringerung der mechanischen Spannungen an den Übergängen des Schaufelfusses (15) zu den Vorsprüngen (16, 16') jeweils ein in Richtung der Schaufelachse verlaufender Freistich (21) vorgesehen ist.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen. Sie betrifft eine Laufschaufel zur Befestigung am Rotor einer Turbomaschine, ein Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel, sowie einen Verdichter mit einer solchen Laufschaufel.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die Laufschaufeln eines Verdichters sind Teil eines axialen Verdichtersystems, das grosse Mengen von Luft bewegt und komprimiert, die zum ordnungsgemässen und sicheren Betrieb eines Gasturbinensystems benötigt werden. Die Laufschaufeln sind auf dem Aussenumfang des Rotors des Verdichters montiert und sind einer Vielzahl von mechanischen Belastungen ausgesetzt, die sich insbesondere auch nach der Art der Schaufelbefestigung richten.

[0003] Um die für das System katastrophale Ablösung einer Laufschaufel vom Rotor sicher zu vermeiden, sind in der Vergangenheit unterschiedliche Systeme zur Befestigung der Laufschaufeln am Rotor entwickelt und vorgeschlagen worden. Eines dieser Systeme, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist das Befestigungssystem mit einem T-förmigen Schaufelfuss und Zwischenstücken, wie es in den Fig. 1 und 2 bzw. in Fig. 6 im Ausschnitt vereinfacht wiedergegeben ist, und dass seit langem beispielsweise aus der Druckschrift DE-PS-318 662 bekannt ist.

[0004] Bei diesem System sind in einer um die Rotorachse (A2 in Fig. 5) des Rotors 10 umlaufenden Nut 11 in Umfangsrichtung hintereinander Zwischenstücke 12, 18 eingesetzt und mittels an Hinterschneidungen 24 anliegenden Halteflächen 20 in der Nut 11 gehalten. Zwischen zwei benachbarten Zwischenstücken 12, 18 ist jeweils eine Laufschaufel 13 bzw. 27 angeordnet, die ein Schaufelblatt 14 umfasst und mit einem nach unten an das Schaufelblatt 14 anschliessenden T-förmigen Schaufelfuss 15 bzw. 25 (siehe Fig. 6) an die Seitenflächen der angrenzenden Zwischenstücke 12, 18 anstösst und mit in Umfangsrichtung herausstehenden Vorsprüngen 16, 16' bzw. 26, 26' unter die benachbarten Zwischenstücke 12, 18 greift. Die Zwischenstücke 12, 18 und die Laufschaufeln 13 bzw. 27 sind dabei schräg zur Rotorachse A2 stehend angeordnet, so dass die Schaufelachse (A1 in Fig. 5) mit der Rotorachse A2 einen Winkel von beispielsweise 25° einschliesst (siehe Fig. 5).

[0005] Bisher sind die T-förmigen Schaufelfüsse 25 der Verdichter-Laufschaufeln 27 durch Stauchschmieden geformt (geschmiedet) worden und haben so eine die Festigkeit bestimmende Kornstruktur erhalten, wie sie in Fig. 6 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Neuerdings wird - bedingt durch neue Anforderungen hinsichtlich Kosten, Werkzeug und Logistik - zunehmend dazu übergegangen, die Schaufelfüsse nicht mehr zu schmieden, sondern durch Fräsen herzustellen (Kornstruktur in Fig. 4). Um bei den gefrästen Schaufelfüssen an den kritischen Übergängen zu den Vorsprüngen 16, 16' bzw. 26, 26' dieselbe oder eine bessere Festigkeit zu erreichen, wie bei den geschmiedeten Schaufelfüssen, muss an den Übergängen ein grösserer Radius vorgesehen werden. Bei den geschmiedeten Schaufelfüssen 25 liegt der Schmiederadius 29 etwa im Bereich zwischen 0,5 und 1,0 mm (Fig. 6). Aufgrund des Kerbfaktors benötigen gefräste Schaufelfüsse an den Übergängen einen Radius, der etwa 1,5-bis 2-mal grösser ist, als der Schmiederadius 29.

[0006] Das bisherige Schmiedeverfahren für die Schaufelfüsse 25 hatte weitere Konsequenzen: Durch das Stauchschmieden kommt es zu Ausbauchungen 31 am Schaft oberhalb der Vorsprünge 26, 26' (in Fig. 6 ist dies durch die punktierten Linien angedeutet), die im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegen. Damit bei den montierten Laufschaufeln die geschmiedeten Schaufelfüsse 25 trotz der seitlichen Ausbauchungen 31 dennoch sicher und unverrückbar an den benachbarten Zwischenstücken 12, 18 anliegen, sind diese an den Seitenflächen im unteren Teil mit einer langen Abschrägung 17, 19 versehen, die Platz für die Ausbauchungen 31 schafft (siehe auch Fig. 3).

[0007] Obgleich bereits ein von der Schaufelgrösse abhängender, 0,3 bis 0,5 mm breiter Spalt zwischen den angrenzenden Zwischenstücken 12, 18 und dem T-förmigen Schaufelfuss 25 besteht, würde eine Vergrösserung des Radius in den Ecken der Vorsprünge 26, 26' um den Faktor 1,5 bis 2 - wie sie für gefräste Schaufelfüsse notwendig ist - eine unerwünschte und gefährliche Kollision genau an der Stelle hervorrufen, wo eigentlich der Abbau mechanischer Spannungen das Ziel sein sollte.

[0008] Es ist andererseits möglich, mechanische Spannungen in Bereichen von Maschinenteilen, in denen einerseits das Risiko von Rissen gross ist, andererseits der Raum für das Anbringen grösserer Radien jedoch beschränkt ist, dadurch abzubauen, dass dort geeignet dimensionierte und platzierte Freistiche nach ISO-Standard vorgesehen werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0009] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laufschaufel mit T-förmigem Schaufelfuss der eingangs genannten Art in der Form so auszubilden, dass sie günstiger herstellbar ist und gleichwohl die für geschmiedete Schaufelfüsse übliche Lebensdauer erreicht, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.

[0010] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der T-förmige Schaufelfuss gefräst ist, und dass zur Verringerung der mechanischen Spannungen an den Übergängen des Schaufelfusses zu den Vorsprüngen jeweils ein in axialer Richtung verlaufender Freistich vorgesehen ist. Der erfindungsgemäss Verdichter weist einen Rotor auf, welcher mit Laufschaufeln gemäss der Erfindung bestückt ist.

[0011] Grundsätzlich kann der Freistich ein Standard-Freistich nach ISO-Norm sein. Insbesondere ist der Freistich dann ein Freistich vom Typ E oder F gemäss DIN-Norm 506.

[0012] Besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Reduzierung der mechanischen Spannungen ist es, wenn die Zwischenstücke an ihren an den Schaufelfuss angrenzenden Seitenflächen jeweils eine Abschrägung aufweisen, und der Freistich ein von einem Standard-Freistich nach ISO-Norm abweichende, vergrösserte Höhe aufweist, welche die Abschrägung ausnutzt. Insbesondere kann dabei die Höhe des Freistichs in etwa der Höhe der Abschrägung entsprechen.

[0013] Vorzugsweise weist der Freistich einen Radius auf, der dem 1,5-2-fachen des Radius eines vergleichbaren durch Stauchschmieden geformten Schaufelfusses entspricht. Insbesondere ist der Radius 1,5 mm bei einem Stauchradius von 0,8, bzw. 1,75 mm bei einem Stauchradius von 1,0.

[0014] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Freistich in Richtung der Schaufelachse einem elliptischen Kurvenverlauf folgt.

[0015] Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Freistiche in Richtung der Schaufelachse entlang eines elliptischen Bearbeitungspfades gefräst werden.

[0016] Besonders einfach wird die Bearbeitung, wenn zum Fräsen der Freistiche ein von der Kugelform abweichendes Fräswerkzeug verwendet wird.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0017] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

in Umfangsrichtung gesehen die der Erfindung zugrunde liegende Befestigungsart der Laufschaufeln mit T-förmigem Schaufelfuss zwischen zwei Zwischenstücken;

Fig. 2

die Befestigungsart der Fig. 1 in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3

die Ausgestaltung des Schaufelfusses gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4

die Bearbeitung des Freistichs am Schaufelfuss mit einem grösseren Fräswerkzeug gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4a

die Bearbeitung des Freistichs am Schaufelfuss mit einem kleineren Fräswerkzeug mit Kugelkopf;

Fig. 5

einen Schaufelfuss gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung mit einem eingezeichneten elliptischen Bearbeitungspfad; und

Fig. 6

den in herkömmlicher Weise durch Stauchschmieden hergestellten T-förmigen Schaufelfuss.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0018] Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass der für den gefrästen Schaufelfuss benötigte vergrösserte Radius durch einen Freistich erzeugt wird, der vorzugsweise unter Berücksichtigung der an den Zwischenstücken ausgebildeten seitlichen Abschrägungen verwirklicht wird. Als Freistiche kommen zunächst Freistiche nach ISO-Standard in Frage, die unter der DIN-Norm 509 als Freistiche der Form E und F aufgeführt sind. Der Freistich vom Typ E schneidet dabei nur in eine der beiden angrenzenden, zueinander senkrechten Flächen, während der Freistich vom Typ F in beide Flächen schneidet. Beide Freistich-Typen haben spezielle Auslaufbereiche (32, 33 in Fig. 3), die dem zusätzlichen Spannungsabbau im Radius dienen.

[0019] Mit derartigen Freistichen wird erreicht, dass bei unveränderter Gesamtanordnung und Befestigungsart der Laufschaufeln ohne Probleme die Laufschaufeln mit geschmiedetem Schaufelfuss durch die kostengünstigeren Laufschaufeln mit gefrästem Schaufelfuss ersetzt werden können, ohne dass Einbussen in der Lebensdauer hingenommen werden müssen. Insbesondere müssen die angrenzenden Zwischenstücke 12, 18 nicht geändert oder zusätzlich bearbeitet werden. Die Kontaktfläche zwischen dem Schaufelfuss (15 in Fig. 3) und den benachbarten Zwischenstücken 12 und 18 wird durch die Abschrägungen 17 und 19 an den Seitenflächen der Zwischenstücke 12, 18 begrenzt, aber auch bestimmt, so dass die Art des Freistichs 21 innerhalb des Bereichs der Abschrägungen 17, 19 keinen Einfluss auf die Kontaktfläche hat (Fig. 3). Entsprechend sind die Laufschaufeln immer in derselben Weise zwischen den Zwischenstücken 12, 18 gehalten, egal, ob der Schaufelfuss geschmiedet (Fig. 6) oder gefräst (Fig. 4) ist. Daraus folgt auch, dass sich die natürlichen Frequenzen (Resonanzen) der Schaufeln nicht ändern, so dass eine vollständige Austauschbarkeit zwischen den unterschiedlich hergestellten Schaufeln besteht.

[0020] Ein Standard-Freistich vom Typ F schneidet - wie bereits oben erwähnt - in beide angrenzenden senkrechten Flächen in den Ecken der Vorsprünge 16, 16' des Schaufelfusses 15 ein (Fig. 4a). Dies ist der einzige Weg, um den vergrösserten Radius für die gewünschte gleiche oder längere Lebensdauer gegenüber geschmiedeten Schaufelfüssen zu erzielen. Ein solcher Standard-F-Freistich kann jedoch nur mittels eines Fräsprozesses erzeugt werden, wenn der Freistich gleichzeitig in Richtung der Schaufelachse A1 entlang einem elliptischen Bearbeitungspfad (23 in Fig. 5) erfolgen soll. Der Freistich ist jedoch nur mit sehr viel Aufwand zu fräsen, da hierfür das in Fig. 4a dargestellte kleine Fräswerkzeug 28 mit einem kugelförmigen Fräskopf (Kopfdurchmesser (2 x Radius R2): 2-3 mm; Schaft-Durchmesser: 1,5-2 mm) benutzt werden muss.

[0021] Es wird daher beim Schaufelfuss 15 vorzugsweise der in Fig. 3, 4 und 5 gezeigte modifizierte Freistich 21 eingesetzt, der sich durch eine vergrösserte Höhe h in Richtung der Längsachse der Schaufel auszeichnet. Insbesondere kann die Höhe h des Freistichs 21 der gesamten Länge der Abschrägung 17, 19 an den Seitenflächen der Zwischenstücke 12, 18 entsprechen. Die Vergrösserung der Höhe h gegenüber dem Standard-Freistich 30 ermöglicht es, gemäss Fig. 4 ein grösseres Fräswerkzeug 22 mit einem Radius R1 > R2 einzusetzen (R1 ist z.B. 1,75 mm), wodurch die Kosten und die Bearbeitungszeiten deutlich reduziert werden (die gestrichelte Schraffur in Fig. 4 deutet an, dass der Schaufelfuss 15 gefräst und nicht geschmiedet ist).

[0022] Die beschriebene Vergrösserung der Höhe h des Freistichs ist nicht nur erlaubt (weil durch die lange Abschrägung 17, 19 ohnehin kein Kontakt zwischen Schaufelfuss 15 und den Zwischenstücken 12, 18 besteht), sondern auch erwünscht, weil die Spannungen in der Kerbe dadurch automatisch verringert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0023] 

10

Rotor

11

Nut

12,18

Zwischenstück

13,27

Laufschaufel

14

Schaufelblatt

15,25

Schaufelfuss

16,16'

Vorsprung

17,19

Abschrägung

20

Haltefläche

21,30

Freistich

22,28

Fräswerkzeug

23

elliptischer Bearbeitungspfad

24

Hinterschneidung

26,26'

Vorsprung

29

Schmiederadius

31

Ausbauchung

32,33

Auslaufbereich

A1

Schaufelachse

A2

Rotorachse

h

Höhe (Freistich)

R1,R2

Radius (Freistich)

Ansprüche

1. Laufschaufel (13) zur Befestigung am Rotor (10) einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer Gasturbine, welche Laufschaufel (13) ein Schaufelblatt (14) und einen am unteren Ende des Schaufelblatts (14) anschliessenden, sich entlang einer Schaufelachse (A1) erstreckenden Schaufelfuss (15) umfasst, mit welchem die Laufschaufel (13) in einer auf dem Aussenumfang des Rotors (10) angeordneten umlaufenden Nut (11) zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Zwischenstücken (12, 18) gehalten wird, die ihrerseits in der Nut (11) gehalten werden, wobei der Schaufelfuss (15) im Querschnitt T-förmig ausgebildet ist und mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorsprüngen (16, 16') unter die angrenzenden Zwischenstücke (12, 18) greift, und die Zwischenstücke (12, 18) in Richtung der Schaufelachse (A1) mit Halteflächen (20) in Hinterschneidungen (24) in der Nut (11) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass der T-förmige Schaufelfuss (15) gefräst ist, und dass zur Verringerung der mechanischen Spannungen an den Übergängen des Schaufelfusses (15) zu den Vorsprüngen (16, 16') jeweils ein in Richtung der Schaufelachse (A1) verlaufender Freistich (21, 30) vorgesehen ist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freistich (30) ein Standard-Freistich nach ISO-Norm ist.

3. Laufschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Freistich (30) ein Freistich vom Typ E oder F gemäss DIN-Norm 506 ist.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstücke (12, 18) an ihren an den Schaufelfuss (15) angrenzenden Seitenflächen jeweils eine Abschrägung (17, 19) aufweisen, und dass der Freistich (21) ein von einem Standard-Freistich nach ISO-Norm abweichende, vergrösserte Höhe (h) aufweist.

5. Laufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Freistichs (21) in etwa der Höhe der Abschrägung (17, 19) entspricht.

6. Laufschaufel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freistich (21) einen Radius (R1) aufweist, der dem 1,5-2-fachen des Radius eines vergleichbaren durch Stauchschmieden geformten Schaufelfusses entspricht.

7. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Freistich (21, 30) in Richtung der Schaufelachse (A1) einem elliptischen Kurvenverlauf (23) folgt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die T-Form des Schaufelfusses (15) durch einen Fräsprozess erzeugt wird, und dass in einem zweiten Schritt die Freistiche (21, 30) in den Schaufelfuss (15) gefräst werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Freistiche (21, 30) in Richtung der Schaufelachse (A1) entlang eines elliptischen Bearbeitungspfades (23) gefräst werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fräsen der Freistiche (21) ein von der Kugelform abweichendes Fräswerkzeug (22) verwendet wird.

11. Verdichter, insbesondere für eine Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Rotor (10) aufweist, welcher mit Laufschaufeln (13) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7 bestückt ist.

Zeichnung