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Die
Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Turbomaschine, insbesondere
für eine
Gasturbine wie ein Flugtriebwerk, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Leitschaufelgitter, insbesondere
ein Leitschaufelsegment, für
eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine wie ein Flugtriebwerk,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11 sowie eine entsprechende Turbomaschine.
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Turbomaschinen,
wie zum Beispiel als Flugtriebwerke ausgebildete Gasturbinen, verfügen unter anderem über mindestens
einen Verdichter sowie mindestens eine Turbine. Der oder jeder Verdichter sowie
die oder jede Turbine umfassen dabei vorzugsweise mehrere in Durchströmungsrichtung
axial hintereinander angeordnete Stufen, wobei jede Stufe von einem
Rotor zugeordneten, einen Laufschaufelkranz bildenden Laufschaufeln
und einem Leitschaufelkranz gebildet wird. Die Laufschaufeln eines
Laufschaufelkranzes sind dem Rotor zugeordnet und rotieren zusammen
mit dem Rotor gegenüber
den feststehenden Leitschaufeln des Leitschaufelkranzes und einem
ebenfalls feststehenden Gehäuse
der Turbomaschine. Die Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes bilden
ein sogenanntes Leitschaufelgitter, wobei ein Leitschaufelkranz
entweder aus einzelnen Leitschaufeln oder aus zu Leitschaufelsegmenten zusammengefassten
Leitschaufeln gebildet ist. Die Leitschaufeln verfügen über ein
Schaufelblatt, wobei sich an ein radial außenliegendes Ende des Schaufelblatts
ein Außendeckband
anschließt. Über dem Außendeckband
zugeordnete, hakenförmige
Elemente sind die Leitschaufeln bzw. Leitschaufelsegmente an einer
Gehäusestruktur
befestigbar bzw. in die Gehäusestruktur
einhängbar.
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Eine
derartige Leitschaufel eines Leitschaufelkranzes mit einem sich
an ein radial außenliegendes
Ende des Schaufelblatts anschließenden Außendeckband und mit dem Außendeckband
zugeordneten, hakenförmigen
Elementen ist aus der
DE
198 13 958 C1 bekannt. So zeigt die
DE 198 13 958 C1 ein sogenanntes
symmetrisches Design des Außendeckbands
sowie der dem Außendeckband
zugeordneten, hakenförmigen
Elemente, was bedeutet, dass das Außendeckband sowie die hakenförmigen Elemente
sowohl im Bereich einer Strömungseintrittskante
bzw. einer Vorderkante der Leitschaufel als auch im Bereich einer
Strömungsaustrittskante
bzw. einer Hinterkante der Leitschaufel identisch ausgebildet ist.
Dies führt
zu einem relativ steifen Übergang zwischen
der Hinterkante bzw. Strömungsaustrittskante
des Schaufelblatts und dem Außendeckband der
Leitschaufel. Bei einer Schwingungsbelastung einer derartigen Leitschaufel
im Bereich der Resonanzfrequenz derselben wird insbesondere die
Hinterkante bzw. Strömungsaustrittskante
des Schaufelblatts der Leitschaufel sehr stark belastet, was zu Rissen
in der relativ dünnen
Hinterkante bzw. Strömungsaustrittskante
des Schaufelblatts führen
kann.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartige Leitschaufel für
eine Turbomaschine sowie ein neuartiges Leitschaufelgitter und eine
neuartige Turbomaschine zu schaffen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass die eingangs genannte Leitschaufel durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist in das
Außendeckband
zumindest eine Ausnehmung eingebracht, die benachbart zu der Strömungsaustrittskante
bzw. Hinterkante des Schaufelblatts positioniert ist. Die Ausnehmung
reduziert die Materialdicke bzw. Materialstärke des Außendeckbands im Bereich der
Strömungsaustrittskante
bzw. Hinterkante zur Bereitstellung eines schwingungsoptimierten Übergangs
zwischen der Hinterkante des Schaufelblatts und dem Außendeckband.
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Mit
der hier vorliegenden, erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Leitschaufel
wird ein flexibler Übergang
zwischen der Hinterkante bzw. Strömungsaustrittskante des Schaufelblatts
der Leitschaufel und dem Außendeckband
bereitgestellt. Hierdurch kann die Schwingungsbelastung der Leitschaufel
insbesondere im Resonanzfall deutlich reduziert werden. Daher wird
auch die Gefahr der Rissbildung in der relativ dünnen Hinterkante bzw. Strömungsaustrittskante
des Schaufelblatts der Leitschaufel verringert.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das sich im
Bereich der Hinterkante erstreckende, hakenförmige Element verkürzt ausgebildet.
Das hakenförmige
Element ist derart verkürzt ausgebildet,
dass dasselbe in axialer Richtung nicht gegenüber dem Außendeckband vorsteht bzw. dessen
Abmessung in axialer Richtung der entsprechenden Abmessung des Außendeckbands
entspricht. Hierdurch kann eine geringere axiale Baulänge des Außendeckbands
realisiert werden, da das im Bereich der Hinterkante angeordnete,
hakenförmige Element
weiter stromaufwärts
positioniert ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung begrenzt
die Ausnehmung einen Außendeckbandbereich
mit reduzierter Materialdicke bzw. Materialstärke, wobei eine von der Ausnehmung
definierte Begrenzungsfläche
dieses Außendeckbandbereichs
abgeschrägt
ist. Durch eine solche Abschrägung
kann das Schwingungsverhalten nochmals optimiert bzw. verbessert
werden.
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Das
erfindungsgemäße Leitschaufelgitter
ist im Patentanspruch 11, die erfindungsgemäße Turbomaschine ist in den
Patentansprüchen
10 und 13 definiert.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
Leitschaufel mit einem Außendeckband
nach dem Stand der Technik in stark schematisierter Seitenansicht;
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2 eine
Leitschaufel mit einem Außendeckband
nach einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung in stark schematisierter Seitenansicht; und
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3 eine
Leitschaufel mit einem Außendeckband
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung in stark schematisierter Seitenansicht.
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Bevor
nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 und 3 Ausführungsbeispiele
der hier vorliegenden Erfindung in größerem Detail beschrieben werden,
soll vorab unter Bezugnahme auf 1 eine aus
dem Stand der Technik bekannte Leitschaufel mit einem Außendeckband
beschrieben werden.
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So
zeigt 1 eine Leitschaufel 10 nach dem Stand
der Technik mit einem Schaufelblatt 11 und einem sich an
ein radial außenliegendes
Ende 12 des Schaufelblatts 11 anschließenden Außendeckband 13.
Das Schaufelblatt 11 der Leitschaufel 10 gemäß 1 wird
im Wesentlichen von einer Strömungseintrittskante
bzw. einer Vorderkante 14, einer Strömungsaustrittskante bzw. einer
Hinterkante 15 und einer sich zwischen der Vorderkante 14 und der
Hinterkante 15 erstreckenden, eine Saugseite sowie eine
Druckseite bildenden Schaufelblattoberfläche 16 begrenzt.
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Wie 1 entnommen
werden kann, sind dem Außendeckband 13 zwei
hakenförmige
Elemente 17 und 18 zugeordnet. Über die
hakenförmigen Elemente 17 und 18 ist
die Leitschaufel 10 in eine nicht-dargestellte Gehäusestruktur einhängbar bzw. an
dieser Gehäusestruktur
befestigbar. Die in 1 dargestellte Leitschaufel 10 nach
dem Stand der Technik verfügt über ein
symmetrisches Design für das
Außendeckband 13.
Die beiden hakenförmigen Elemente 17 und 18,
wobei ein erstes hakenförmiges Element 17 im
Bereich der Vorderkante 14 und ein zweites hakenförmiges Element 18 im
Bereich der Hinterkante 15 positioniert ist, sind bei diesem
symmetrischen Design identisch ausgeführt. Hierdurch ergibt sich
insbesondere im Bereich der relativ dünnwandigen Strömungsaustrittskante
bzw. Hinterkante 15 des Schaufelblatts 11 ein
relativ steifer Übergangsbereich 19 zwischen
dem Schaufelblatt 11 und dem Außendeckband 13.
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2 zeigt
eine Leitschaufel 20 für
eine Turbomaschine, insbesondere für eine Gasturbine, nach einem
ersten Ausführungsbeispiel
der hier vorliegenden Erfindung. Die Leitschaufel 20 gemäß 2 verfügt über ein
Schaufelblatt 21 sowie ein sich an ein radial außenliegendes
Ende 22 des Schaufelblatts 21 anschließendes Außendeckband 23.
Das Schaufelblatt 21 wird im Wesentlichen wiederum von
einer Strömungseintrittskante
bzw. einer Vorderkante 24, einer Strömungsaustrittskante bzw. einer
Hinterkante 25 und einer sich zwischen der Vorderkante 24 und der
Hinterkante 25 erstreckenden, eine Saugseite und eine Druckseite
bildenden Schaufelblattoberfläche 26 begrenzt.
Dem Außendeckband 23 sind
wiederum hakenförmige
Elemente 27 und 28 zugeordnet. Ein erstes hakenförmiges Elemente 27 erstreckt sich
im Bereich der Vorderkante 24 bzw. der Strömungseintrittskante
des Schaufelblatts 21 der Leitschaufel 20. Ein
zweites hakenförmiges
Element 28 erstreckt sich hingegen im Bereich der Hinterkante 25 bzw.
Strömungsaustrittskante
derselben. Über
die hakenförmigen
Elemente 27 und 28 ist die Leitschaufel 20 der 2 wiederum
in eine nicht-dargestellte Gehäusestruktur
einhängbar.
Insofern stimmt die Leitschaufel 20 der 2 mit
der Leitschaufel 10 der 1 überein.
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Im
Unterschied zu der in 1 gezeigten Leitschaufel 10 im
Sinne des Standes der Technik verfügt die erfindungsgemäße Leitschaufel 20 gemäß 2 jedoch
nicht über
ein symmetrisches Design für
das Außendeckband 23,
sondern vielmehr über
ein asymmetrisches bzw. unsymmetrisches Außendeckbanddesign. Hierzu ist
in das Außendeckband 23 mindestens
eine Ausnehmung 29 eingebracht. Die Ausnehmung 29 ist
benachbart zur Strömungsaustrittskante
bzw. Hinterkante 25 des Schaufelblatts 21 positioniert.
Die Ausnehmung 29 ist dabei zwischen der Hinterkante 25 des
Schaufelblatts 21 und dem sich im Bereich der Hinterkante 25 erstreckenden,
hakenförmigen
Element 28 angeordnet. Die Ausnehmung 29 reduziert
hierbei die Materialdicke bzw. die Materialstärke des Außendeckbands 23 im
Bereich der Hinterkante 25. Die Ausnehmung 29 begrenzt
hierbei einen Außen deckbandbereich 30 mit
reduzierter Materialdicke bzw. Materialstärke. Hierdurch wird ein relativ
weicher und damit geringer belasteter Übergangsbereich 31 zwischen
dem Schaufelblatt 21 und dem Außendeckband 23 im
Bereich der Hinterkante 25 bereitgestellt. Hierdurch wird die
Gefahr von Schwingungs-Rissbildungen im Bereich der relativ dünnwandigen
Hinterkante 25 selbst bei Schwingungen im Bereich der Resonanzfrequenz minimiert.
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In
der schematisierten Darstellung gemäß 2 verfügt die Ausnehmung 29 über ein
rechteckiges Querschnittsprofil. Es sei darauf hingewiesen, dass
die Querschnittskontur der Ausnehmung 29 festigkeitsoptimiert
ausgeführt
ist. Hierzu sind die Ecken der Ausnehmung 29 vorzugsweise
abgerundet. Die Ausnehmung 29 kann auch eine parabolische
oder elliptische Form aufweisen oder an eine sonstige mathematische
Kurve angepasst sein, die festigkeitsoptimierte Eigenschaften im
Bereich der Ausnehmung 29 bereitstellt.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Leitschaufel 32 im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung, wobei die Leitschaufel 32 der 3 im
Wesentlichen der Leitschaufel 20 der 1 entspricht. Daher
werden zur Vermeidung unnötiger
Wiederholungen für
gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Die Leitschaufel 32 der 3 unterscheidet
sich von der Leitschaufel 20 der 2 im Wesentlichen
lediglich durch die Form der Ausnehmung 29 bzw. die Form
des Außendeckbandbereichs 30. So
verfügt
beim Ausführungsbeispiel
der 3 der Außendeckbandbereich 30 über eine
von der Ausnehmung 29 definierte, abgeschrägte Begrenzungsfläche 33.
Die Begrenzungsfläche 33 ist
dabei derart abgeschrägt,
dass sich der Außendeckbandbereich 30 der
Leitschaufel 32 der 3 nach außen hin
verjüngt.
Hierdurch kann die Schwingungsspannungsverteilung nochmals positiv
beeinflusst werden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der hier vorliegenden Erfindung sind die sich
im Bereich der Hinterkante 25 bzw. der Strömungsaustrittskante
erstreckenden, hakenförmigen
Elemente 28 verkürzt.
Dies kann einem Vergleich der 2 und 3 mit 1 entnommen
werden. Die hakenförmigen
Elemente 28 sind dabei derart verkürzt, dass dieselben in axialer
Richtung nicht gegenüber
dem Außendeckband 23 bzw.
dem Außendeckbandbereich 30 vorstehen, vielmehr
sind die Abmessungen der hakenförmigen Elemente 28 in
axialer Richtung an die entsprechenden Abmessungen des Außendeckbands 23 angepasst.
Bei der Leitschaufel 10 nach dem Stand der Technik steht
hingegen gemäß 1 das
sich im Bereich der Hinterkante 15 erstreckende, hakenförmige Element 18 in
axialer Richtung am stromabwärts
liegenden Ende über
das Außendeckband 13 vor.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung kann demnach eine geringere
axiale Baulänge
des Außendeckbands 23 und
damit der Leitschaufel 20 bzw. 32 realisiert werden,
da der sich im Bereich der Hinterkante 25 erstreckende
Haken 28 weiter stromaufwärts positioniert werden kann.
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Obwohl
im Zusammenhang mit 2 und 3 die hier
vorliegende Erfindung am Beispiel einer einzelnen Leitschaufel beschrieben
wurde, ist es selbstverständlich,
dass das obige Prinzip auch bei einem Leitschaufelsegment Verwendung
finden kann. Die erfindungsgemäße Leitschaufel
bzw. ein erfindungsgemäßes Leitschaufelgitter
findet bevorzugt Verwendung bei Gasturbinen, insbesondere bei Flugtriebwerken.
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- 10
- Leitschaufel
- 11
- Schaufelblatt
- 12
- Ende
- 13
- Außendeckband
- 14
- Vorderkante
- 15
- Hinterkante
- 16
- Schaufelblattoberfläche
- 17
- hakenförmiges Element
- 18
- hakenförmiges Element
- 19
- Übergangsbereich
- 20
- Leitschaufel
- 21
- Schaufelblatt
- 22
- Ende
- 23
- Außendeckband
- 24
- Vorderkante
- 25
- Hinterkante
- 26
- Schaufelblattoberfläche
- 27
- hakenförmiges Element
- 28
- hakenförmiges Element
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Außendeckbandbereich
- 31
- Übergangsbereich
- 32
- Leitschaufel
- 33
- Begrenzungsfläche