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Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine mit Leitschaufeln, mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen, versteifenden Verstärkung am inneren Deckband, wobei die Verstärkung ein geschlossenes Hohlprofil aufweist.
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Ein gattungsgemäßer Schaufelkranz ist beispielsweise in der
DE 198 01 247 C2 gezeigt. Die gezeigten Verstärkungen mit dem geschlossenen Hohlprofil sind jedoch produktionstechnisch, beispielsweise als Gussteil, nur sehr aufwändig realisierbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaufelkranz mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen Verstärkung mit geschlossenem Hohlprofil vorzustellen, der auf einfache Weise und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Schaufelkranz für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, zeichnet sich aus durch eine in Umfangsrichtung geschlossene, versteifende Verstärkung, wobei die Verstärkung ein geschlossenes Hohlprofil aufweist und die Verstärkung mehrteilig, mehrere Verstärkungsteile aufweisend, ausgeführt ist. Auf diese Weise können die verschiedenen Verstärkungsteile unabhängig voneinander hergestellt werden, wodurch die Produktion des Schaufelkranzes flexibilisiert und die Komplexität der einzelnen Teile reduziert werden kann. Damit können die Produktionskosten reduziert werden.
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Das innere Deckband und mindestens eines, vorzugsweise alle, der Verstärkungsteile können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Dies ermöglicht eine optimale Wahl des Materials für das jeweilige Bauteil beispielsweise in Bezug auf Gewicht, Festigkeit und/oder Hitzebeständigkeit.
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Darüber hinaus können das innere Deckband und mindestens eines, vorzugweise alle, der Verstärkungsteile mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren gefertigt sein, wie z. B. Guss- bzw. Schmiedeverfahren. Durch die Wahl von verschiedenen Fertigungsverfahren für verschiedene Bauteile ist eine Kosten- und Gewichtsoptimierung und eine Verbesserung der technischen Eigenschaften der jeweiligen Bauteile möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das geschlossene Hohlprofil der Verstärkung durch zwei miteinander verbundene halbschalenförmige Verstärkungsteile gebildet. Dies ermöglicht eine einfache Geometrie der Verstärkungsteile.
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Vorzugsweise besteht der Schaufelkranz aus mehreren Schaufelsegmenten, die zumindest im Bereich eines äußeren Deckbandes durch Trennfugen getrennt sind. Dies ermöglicht eine radiale Beweglichkeit der Schaufelsegmente im Bereich des äußeren Deckbandes, wodurch der Schaufelkranz im Gehäuse der Strömungsmaschine bspw. speichenzentriert befestigt werden kann.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Verstärkungsteil als integrales, in Umfangsrichtung geschlossenes Teil gefertigt. Auf diese Weise kann insbesondere ein segmentierter Schaufelkranz im Bereich des inneren Deckbands zusätzlich verstärkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet das innere Deckband einen radial außen liegenden Teil der Verstärkung und ist mit einem zweiten, radial innen liegenden Verstärkungsteil verbunden. Dies ermöglicht beispielsweise die Anbringung mehrerer einzelner Schaufeln oder Schaufelsegmente an einem radial innen liegenden Verstärkungsteil.
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Die Verstärkung kann durch ein axial vorderes Verstärkungsteil und ein axial hinteres Verstärkungsteil gebildet sein, wobei die Verstärkungsteile jeweils mit dem inneren Deckband verbunden sind. Auf diese Weise können Thermospannungen im Bereich des inneren Deckbands reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die Verstärkungsteile miteinander und/oder mit dem inneren Deckband stoffschlüssig verbunden. Dies ermöglicht insbesondere die Herstellung eines integralen Schaufelkranzes.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen Schaufelkranz mit segmentiertem Aussendeckband;
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2 einen Schnitt durch das innere Deckband eines Schaufelkranzes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
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3 einen Schnitt durch das innere Deckband eines Schaufelkranzes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Schaufelkranz 10 für eine Strömungsmaschine mit einem Aussendeckband 14, das durch Trennfugen in mehrere Segmente 12 unterteilt ist. Die Segmente 12 des Aussendeckbands 14 sind somit radial beweglich, wie durch die Doppelpfeile in 1 angedeutet ist. Im Bereich eines geschlossenen inneren Deckbands 16 sind die Schaufelsegmente 12 miteinander verbunden. Es ist natürlich auch möglich, dass der Schaufelkranz 10 im Bereich des äußeren Deckbands 14 in Umfangsrichtung geschlossen ist und die Segmente 12 des Aussendeckbands 14 miteinander verbunden sind.
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2 zeigt eine Detailansicht des Bereichs des inneren Deckbands 16 mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen, den Schaufelkranz 10 versteifenden Verstärkung 18. Die Verstärkung 18 besteht aus einem ersten, radial außen liegenden Verstärkungsteil 20 und einem zweiten, radial innen liegenden Verstärkungsteil 22. Die beiden Verstärkungsteile 20, 22 sind jeweils halbschalenförmig und bilden gemeinsam ein geschlossenes Hohlprofil der Verstärkung 18. Die Verstärkung 18 reduziert insbesondere eine Torsion des inneren Deckbands 16 durch auf den Schaufelkranz 10 wirkende Kräfte.
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Der Querschnitt des geschlossenen Hohlprofils ist in der gezeigten Ausführungsform kreisförmig, er kann aber auch oval oder polygonal, insbesondere mit 4, 6 oder mehr Ecken, ausgeführt sein. Das Hohlprofil umschließt einen Hohlraum 52.
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Das radial außen liegende Verstärkungsteil 20 ist durch einen ersten Arm 50 und einen zweiten Arm 51, die einstückig am inneren Deckband 16 ausgebildet sind und sich voneinander beabstandet nach unten, d. h. in der inneren Umfangsrichtung erstrecken, gebildet. Die beiden Arme 50, 51 bilden das im Querschnitt im Wesentlichen U-förmige Verstärkungsteil 20.
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Das im Vergleich zum Verstärkungsteil 20 radial innen liegende Verstärkungsteil 22 bildet eine Unterschale 22. An der Unterschale 22 ist ein Bürstenhalter 57 für eine Bürstendichtung 58 angeformt. Die Bürstendichtung 58 weist in radialer Richtung nach innen und liegt dichtend an einem Wellenelement 59 der Strömungsmaschine an.
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Das Ende 53 des zweiten Arms 51 der Oberschale 20 weist einen in den Hohlraum 52 ragenden Anschlag 54 auf. Der Anschlag 54 erstreckt sich in Umfangsrichtung über den gesamten Schaufelkranz 10. Es ist auch möglich, dass sich der Anschlag 54 nur über einen Teil des Umfangs erstreckt oder dass mehrere Anschläge 54 über den Umfang verteilt vorgesehen sind.
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An der Unterschale 22 ist ein weiterer Anschlag 55 vorgesehen, der in den Hohlraum 52 ragt. Die Oberschale 20 und die Unterschale 22 liegen jeweils an den Anschlägen 55, 54 des anderen Bauteils an.
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Die beiden Anschläge 54, 55 liegen einander in dem Hohlprofil der Verstärkung 18 diametral gegenüber, wobei der Innenradius des Anschlags 54 der Oberschale 20 an den Außenradius des Anschlags 55 der Unterschale 22 angepasst ist, um eine Montage der Verstärkung 18 in axialer Richtung zu ermöglichen.
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In der Unterschale 22 ist eine Entlastungsbohrung 56 vorgesehen, die in Richtung der Achse des Schaufelkranzes 10 angeordnet sein kann. Die Entlastungsbohrung 56 ist im in Axialrichtung hinteren Bereich der Verstärkung 18 angeordnet, hinter der Bürstendichtung 58 und kann kurz vor dem Anschlag 54 reichen ohne dabei die Stabilität zu beeinträchtigen. Die Entlastungsbohrung 56 kann alternativ im in Axialrichtung vorderen Bereich der Verstärkung 18, vor der Bürstendichtung 58, angeordnet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Anschläge 54, 55 beide entweder an der Oberschale 20 oder an der Unterschale 22 angeformt sein. Es ist auch möglich, dass nur ein Anschlag 54 an der Oberschale 20 oder der Unterschale 22 angeformt ist.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die Verstärkung 18 wird durch ein axial vorderes Verstärkungsteil 24 und ein axial hinteres Verstärkungsteil 26 gebildet, die jeweils halbschalenförmig ausgebildet sind und als integrale, in Umfangsrichtung geschlossene Teile gefertigt sind.
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Das axial vordere Verstärkungsteil 24 ist auf der axialen Vorderseite des inneren Deckbands 16 über eine Verbindungsstelle 28 und das axial hintere Verstärkungsteil 26 ist auf der axialen Hinterseite des inneren Deckbands 16 über eine Verbindungsstelle 28 mit dem inneren Deckband 16 verbunden.
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Durch die Trennung der Bauteile des inneren Deckbands 16 und der Verstärkungsteile 24, 26 werden insbesondere Thermospannungen im Schaufelkranz 19 reduziert.
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Das innere Deckband 16 weist zwei Arme 50, 51 auf, die sich nach unten und in der inneren Umfangsrichtung erstrecken und einstückig mit dem inneren Deckband 16 ausgeführt sind. Der erste und zweite Arm 50, 51 weisen an ihren Endbereichen Verdickungen 63, 64 auf, die eine größere Materialstärke gegenüber den Armen 50, 51 aufweisen. Die Verdickungen 63, 64 können so ausgebildet sein, dass sie das innere Deckband 16 verstärken.
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Die Verstärkung 18 mit dem geschlossenen Hohlprofil wird in der zweiten Ausführungsform durch das axial vordere und das axial hintere Verstärkungsteil 24, 26 gebildet, die eine erste Seitenschale 24 und eine zweite Seitenschale 26 bilden. Die beiden Seitenteile 24, 26 sind vorzugsweise in einer Ebene miteinander verbunden, die in 3 zur Zeichenebene vertikal und senkrecht verläuft.
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Die erste Seitenschale 24 weist eine Nase 61 an ihrer äußeren Oberfläche auf. Die zweite Seitenschale 26 weist eine zweite Nase 62 auf, die im Querschnitt durch die Verstärkung 18 zur ersten Nase 61 diametral angeordnet ist. Die beiden Nasen 61, 62 erstrecken sich jeweils von der äußeren Oberfläche der zugeordneten Seitenschale 24, 26 in axialer Richtung der Strömungsmaschine nach außen. Die Nasen 61, 62 können natürlich auch in einer anderen Geometrie an den Seitenschalen 24, 26 angeordnet sein.
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Die Nasen 61, 62 verlaufen in Umfangsrichtung über den gesamten Schaufelkranz 10. Es ist aber auch möglich, dass sich die Nasen 61, 62 nur über Teilbereiche des Umfangs erstrecken oder dass jeweils mehrere Nasen 61, 62 über den Umfang des Schaufelkranzes 10 verteilt angeordnet sind.
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An der ersten Seitenschale 24 ist analog zur ersten Ausführungsform in 2 ein Bürstenhalter 57 mit einer Bürstendichtung 58 angeformt.
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Analog zur ersten Ausführungsform ist eine Entlastungsbohrung 56 in einer der Seitenschalen 24, 26 vorgesehen.
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Das innere Deckband 16 und die Verstärkung 18 sind über die Verdickungen 63, 64 an den Endbereichen der Arme 50, 51 des inneren Deckbands 16 und die Nasen 61, 62 an der Verstärkung 18 formschlüssig verbunden. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Schaufeln und das innere Deckband 16 des Schaufelkranzes 10 und die Verstärkungsteile 24, 26, soweit nicht einstückig mit dem inneren Deckband 16 ausgeführt, aus verschiedenen Materialien hergestellt werden können. So kann vorzugsweise für die beiden Verstärkungsteile eine billigere Eisenlegierung verwendet werden.
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In den beiden in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist es auch möglich, dass die Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 in Umfangsrichtung aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sind. Die Übergänge zwischen diesen Segmenten sind vorzugsweise bei den verschiedenen Verstärkungsteilen 20, 22, 24, 26 gegeneinander versetzt, um die Stabilität der Verstärkung 18 zu erhöhen.
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Das innere Deckband 16 und die Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Das Material der jeweiligen Bauteile, das heißt des Deckbands 16 oder der Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26, ist aufgrund der Materialeigenschaften auf die jeweilige Funktion des Bauteils optimiert. Beispielsweise ist das innere Deckband 16 aus einer teuren Superlegierung hergestellt, und die Verstärkungsteile 22, 24, 26 sind aus einer vergleichsweisen billigeren Stahllegierung hergestellt.
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Das innere Deckband 16 und die Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 sind mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren gefertigt. In der gezeigten Ausführungsform sind die Schaufeln und das Deckband 16 des Schaufelkranzes 10 als Gussteil gefertigt, während die Verstärkungsteile 22, 24, 26 als Schmiedeteile gefertigt sind. Die Geometrie des inneren Deckbands 16 und der Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 ist so gewählt, dass die Herstellungsverfahren dieser einzelnen Bauteile vereinfacht werden können, wodurch die Bauteile kostengünstig produziert werden können. Die Fertigungsverfahren der einzelnen Bauteile können auch so gewählt werden, dass die Materialeigenschaften der jeweiligen Bauteile für ihre jeweilige Funktion optimiert werden.
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In den gezeigten Ausführungsformen sind die Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 und das innere Deckband 16 stoffschlüssig miteinander verbunden, wodurch der Schaufelkranz 10 ein integraler Schaufelkranz ist. Alternativ können die Verstärkungsteile 20, 22, 24, 26 und das innere Deckband 16 formschlüssig verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaufelkranz
- 12
- Schaufelsegment
- 14
- äußeres Deckband
- 16
- inneres Deckband
- 18
- Verstärkung
- 20
- radial außen liegendes Verstärkungsteil/Oberschale
- 22
- radial innen liegendes Verstärkungsteil/Unterschale
- 24
- axial vorderes Verstärkungsteil/Seitenschale
- 26
- axial hinteres Verstärkungsteil/Seitenschale
- 28
- Verbindungsstellen
- 50
- erster Arm
- 51
- zweiter Arm
- 52
- Hohlraum
- 54
- Anschlag
- 55
- Anschlag
- 56
- Entlastungsbohrung
- 57
- Bürstenhalter
- 58
- Bürstendichtung
- 59
- Wellenelement
- 61
- erste Nase
- 62
- zweite Nase
- 63
- Verdickung
- 64
- Verdickung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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