DE102010042584A1

DE102010042584A1 - Turbine blade for turbo machine, has base body, which forms profile with profile front edge and profile rear edge, and profile center line connects profile front edge with profile rear edge

Info

Publication number: DE102010042584A1
Application number: DE102010042584A
Authority: DE
Inventors: Andreas Keberer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-04-19

Abstract

The turbine blade (100) has a base body, which forms a profile with a profile front edge (101) and a profile rear edge (102). A profile center line (103) connects the profile front edge with the profile rear edge. The base body has a free end (104), which is formed at an end in the longitudinal direction of the base. Independent claims are also included for the following: (1) a method for manufacturing a turbine blade; and (2) a method for operating a turbo machine.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für eine Turbine und ein Turbinenschaufelsystem für eine Turbine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine mit einer Turbinenschaufel oder mit einem Turbinenschaufelsystem.The present invention relates to a turbine blade for a turbine and a turbine blade system for a turbine. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a turbine blade and a method for operating a turbomachine with a turbine blade or with a turbine blade system.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

In Strömungsmaschinen, wie beispielsweise in Dampf-Turbinen, in Gas-Turbinen oder in Verdichtern, werden Turbinenschaufeln oder Verdichterschaufeln eingesetzt, welche ein aerodynamisches Profil aufweisen, mit welchem durch Luftanströmung eine Umfangskraft erzeugt wird. Damit kann z. B. in der Turbinenstufe die Strömungsenergie des Arbeitsfluides der Strömungsmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden.In turbomachines, such as in steam turbines, in gas turbines or in compressors, turbine blades or compressor blades are used, which have an aerodynamic profile with which a peripheral force is generated by air flow. This can z. B. in the turbine stage, the flow energy of the working fluid of the turbomachine are converted into mechanical energy.

Das Profil bezeichnet die Form des Querschnitts der Schaufeln in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids. Durch die spezifische Form und durch die Umströmung mit dem Arbeitsfluid entsteht die Umfangskraft. Speziell geformte Profile ähneln einer Tropfenform mit einer längeren Oberseite und einer kürzeren Unterseite, so dass die Profile sich besonders für die Erzeugung von dynamischen Umfangskräften bei geringem Strömungswiderstand eignen.The profile designates the shape of the cross-section of the blades in the flow direction of the working fluid. Due to the specific shape and the flow around the working fluid creates the circumferential force. Specially shaped profiles resemble a teardrop shape with a longer top and a shorter bottom, so that the profiles are particularly suitable for generating dynamic circumferential forces with low flow resistance.

Die Turbinenschaufeln werden innerhalb eines Gehäuses der Strömungsmaschine um eine Welle angeordnet. Zwischen dem Turbinengehäuse und den Turbinenschaufeln entsteht ein Spalt. An dem Ende der Turbinenschaufeln strömt das Arbeitsfluid schlagartig von einer Druckseite zu einer Saugseite der Turbinenschaufel, so dass aerodynamisch nachteilige Wirbel in dem Spalt entstehen. Die Verwirbelungen induzieren einen Widerstand und erzeugen somit Verluste.The turbine blades are arranged within a housing of the turbomachine about a shaft. There is a gap between the turbine housing and the turbine blades. At the end of the turbine blades, the working fluid flows abruptly from a pressure side to a suction side of the turbine blade, so that aerodynamically adverse vortices arise in the gap. The turbulences induce resistance and thus generate losses.

Ferner werden die Turbinenschaufeln insbesondere bei einem sich drehenden Turbinenrotor oder Verdichterrotor an ihrem freien Ende mit einem Dämpfungsdraht oder mit einem Deckband verbunden. Damit sollen die Schwingungen der einzelnen Turbinenschaufeln reduziert werden, indem die freistehenden Turbinenschaufeln durch das Deckband verspannt werden. Der Dämpfungsdraht und das Deckband weisen allerdings eine aerodynamisch ungünstige Form auf, so dass diese weitere Strömungsverluste erzeugen.Furthermore, the turbine blades are connected in particular in a rotating turbine rotor or compressor rotor at its free end with a damping wire or with a shroud. Thus, the vibrations of the individual turbine blades are to be reduced by the freestanding turbine blades are braced by the shroud. However, the damping wire and the shroud have an aerodynamically unfavorable shape, so that they generate further flow losses.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Turbinenschaufel bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide a more efficient turbine blade.

Die Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, durch ein Turbinenschaufelsystem für eine Strömungsmaschine sowie mit einem Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel und einem Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.The object is achieved by a turbine blade for a turbomachine, by a turbine blade system for a turbomachine, and by a method for producing a turbine blade and a method for operating a turbomachine according to the independent claims.

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, wie z. B. für eine Dampf-Turbine, für eine Gas-Turbine oder für einen Verdichter, geschaffen. Die Turbinenschaufel weist einen Grundkörper und ein erstes bandförmiges Element auf. Der Grundkörper weist ein Profil mit einer Profilvorderkante und einer Profilhinterkante auf. Eine Profilmittellinie (Skelettlinie) verbindet die Profilvorderkante mit der Profilhinterkante. Das Profil ist derart ausgeformt, dass bei Umströmen der Turbinenschaufel mit einem Fluid ein erster Druckbereich mit einem ersten Fluiddruck und ein zweiter Druckbereich mit einem zweiten Fluiddruck entstehen. Der erste Fluiddruck unterscheidet sich von dem zweiten Fluiddruck. Der Grundkörper weist ein freies Ende auf, welches an einem Ende in Längsrichtung des Grundkörpers ausgebildet ist. Entlang eines ersten Abschnitts der Profilmittellinie ist ein erstes Ende des ersten bandförmigen Elements an dem freien Ende des Grundkörpers angebracht. Das erste bandförmige Element erstreckt sich bogenförmig von dem freien Ende in Richtung des ersten Druckbereichs. Entlang eines zweiten Abschnitts der Profilmittellinie ist ein erstes Ende eines zweiten bandförmigen Elements an dem freien Ende des Grundkörpers anbringbar. Das zweite bandförmige Element verläuft bogenförmig von dem freien Ende in Richtung des zweiten Druckbereichs.According to a first aspect of the present invention, a turbine blade for a turbomachine, such. As for a steam turbine, for a gas turbine or for a compressor created. The turbine blade has a base body and a first band-shaped element. The main body has a profile with a profile leading edge and a profile trailing edge. A profile center line (skeleton line) connects the profile leading edge with the profile trailing edge. The profile is formed in such a way that, when the turbine blade flows around with a fluid, a first pressure region with a first fluid pressure and a second pressure region with a second fluid pressure arise. The first fluid pressure is different from the second fluid pressure. The main body has a free end, which is formed at one end in the longitudinal direction of the main body. Along a first portion of the profile center line, a first end of the first band-shaped element is attached to the free end of the base body. The first band-shaped element extends arcuately from the free end in the direction of the first pressure region. Along a second section of the profile center line, a first end of a second band-shaped element can be attached to the free end of the base body. The second band-shaped element extends arcuately from the free end in the direction of the second pressure region.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Turbinenschaufelsystem für eine Strömungsmaschine beschrieben. Das Turbinenschaufelsystem weist eine oben beschriebene erste Turbinenschaufel und eine oben beschriebene zweite Turbinenschaufel auf. Das erste bandförmige Element der zweiten Turbinenschaufel stellt das zweite bandförmige Element der ersten Turbinenschaufel dar. Das zweite Ende des ersten bandförmigen Elements der zweiten Turbinenschaufel ist entlang des zweiten Abschnitts der Profilmittellinie an dem freien Ende der ersten Turbinenschaufel angebracht.In accordance with another exemplary embodiment, a turbine blade system for a turbomachine is described. The turbine blade system includes a first turbine bucket described above and a second turbine bucket described above. The first belt-shaped element of the second turbine blade constitutes the second belt-shaped element of the first turbine blade. The second end of the first belt-shaped element of the second turbine blade is mounted along the second portion of the profile centerline at the free end of the first turbine blade.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Turbinenschaufel beschrieben. Die Turbinenschaufel weist einen Grundkörper mit einem Profil auf, wobei das Profil eine Profilvorderkante und eine Profilhinterkante ausbildet. Die Profilmittellinie verbindet die Profilvorderkante mit der Profilhinterkante. Das Profil ist derart ausgebildet, dass bei Umströmen der Turbinenschaufel mit dem Fluid ein erster Druckbereich mit einem ersten Fluiddruck und ein zweiter Druckbereich mit einem zweiten Fluiddruck entstehen. Der erste Fluiddruck unterscheidet sich von dem zweiten Fluiddruck. Die Turbinenschaufel weist ferner ein freies Ende auf, welches an einem Ende in Längsrichtung der Turbinenschaufel ausgebildet ist. Gemäß dem Verfahren wird ein erstes Ende eines ersten bandförmigen Elements an dem freien Ende der Turbinenschaufel entlang eines ersten Abschnitts der Profilmittellinie angebracht. Das erste bandförmige Element erstreckt sich dabei bogenförmig von dem freien Ende in Richtung des ersten Druckbereichs. Ein erstes Ende eines zweiten bandförmigen Elements wird entlang des zweiten Abschnitts der Profilmittellinie an dem freien Ende der Turbinenschaufel angebracht, wobei sich das zweite bandförmige Element bogenförmig von dem freien Ende in Richtung des zweiten Druckbereichs erstreckt.In accordance with another exemplary embodiment, a method of manufacturing a turbine blade is described. The turbine blade has a base body with a profile, wherein the profile forms a profile leading edge and a profile trailing edge. The profile center line connects the profile leading edge with the profile trailing edge. The profile is designed in such a way that, when the turbine blade flows around the fluid, a first pressure region with a first fluid pressure and a second pressure region with a second fluid pressure arise. The first fluid pressure is different from the second fluid pressure. The turbine blade further has a free end formed at one end in the longitudinal direction of the turbine blade. According to the method, a first end of a first belt-shaped member is attached to the free end of the turbine blade along a first portion of the profile centerline. The first band-shaped element extends arcuately from the free end in the direction of the first pressure region. A first end of a second belt-shaped element is attached along the second portion of the profile center line to the free end of the turbine blade, the second belt-shaped element extending arcuately from the free end toward the second pressure region.

Ferner beschreibt die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, wobei die Strömungsmaschine eine oben beschriebene Turbinenschaufel oder ein oben beschriebenes Turbinenschaufelsystem aufweist.Furthermore, the invention in a further aspect describes a method for operating a turbomachine, wherein the turbomachine comprises a turbine blade described above or a turbine blade system described above.

Als bandförmiges Element wird ein Strömungselement beschrieben, welches im Vergleich zu seiner Längen- und Breitenausdehnung mit einer geringen Dicke ausgebildet ist. Die Dicke kann beispielsweise ungefähr 2 mm (Millimeter) bis ungefähr 2 cm (Zentimeter) aufweisen. In Längsrichtung weist jedes bandförmige Element ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das erste Ende des ersten bandförmigen Elements ist insbesondere entlang des ersten Abschnitts der Profilmittellinie an dem freien Ende der Turbinenschaufel befestigt. Das erste bandförmige Element verläuft von dem freien Ende bogenförmig in Richtung des ersten Druckbereichs. Mit anderen Worten kann das erste bogenförmige Element ausgehend von dem freien Ende zunächst in Längsrichtung der Turbinenschaufel verlaufen und anschließend während des Verlaufs des ersten bandförmigen Elements eine Krümmung bzw. einen Bogen in Richtung des ersten Druckbereichs aufweisen.As a band-shaped element, a flow element is described, which is formed in comparison to its length and width extent with a small thickness. The thickness may be, for example, about 2 mm (millimeters) to about 2 cm (centimeters). In the longitudinal direction, each band-shaped element has a first end and a second end. The first end of the first belt-shaped element is fastened, in particular, along the first section of the profile center line to the free end of the turbine blade. The first band-shaped element extends from the free end arcuately in the direction of the first pressure range. In other words, the first arcuate element can initially extend in the longitudinal direction of the turbine blade, starting from the free end, and then have a curvature or an arc in the direction of the first pressure region during the course of the first belt-shaped element.

An einem zweiten Abschnitt der Profilmittellinie kann ein erstes Ende eines zweiten bandförmigen Elements angebracht werden, wobei das zweite bandförmige Element zunächst in Längsrichtung der Turbinenschaufel verlaufen kann und anschließend eine Krümmung bzw. einen bogenförmigen Verlauf in Richtung des zweiten Druckbereichs aufweisen kann.A first end of a second band-shaped element can be attached to a second section of the profile center line, wherein the second band-shaped element can first extend in the longitudinal direction of the turbine blade and can subsequently have a curvature or an arcuate course in the direction of the second pressure region.

Der erste Abschnitt der Profilmittellinie kann beispielsweise von der Vorderkante zu der Mitte der Profilmittellinie verlaufen und der zweite Abschnitt von der Mitte der Profilmittellinie bis zu der Hinterkante des Profils verlaufen.For example, the first section of the profile centerline may extend from the leading edge to the center of the profile centerline and the second section may extend from the center of the profile centerline to the trailing edge of the profile.

Das erste und/oder zweite bandförmige Element kann beispielsweise an seinem ersten Ende die Querschnittsform des Profils des Grundkörpers aufweisen und anschließend während seines Verlaufs dünner werden. Somit wird ein kantiger Übergang zwischen dem freien Ende und des bandförmigen Elements verhindert. Es entsteht dadurch ein homogener Übergang, ohne dass Strömungsturbulenzen erzeugt werden. Ferner kann das erste und/oder zweite bandförmige Element während seines Verlaufs in seiner Längsrichtung sich um seine Langsachse verdrehen bzw. verdrillen, um damit eine Spiroidform zu erreichen.The first and / or second band-shaped element may, for example, at its first end have the cross-sectional shape of the profile of the base body and then be thinner during its course. Thus, an edged transition between the free end and the band-shaped element is prevented. This creates a homogeneous transition, without generating flow turbulence. Furthermore, during its course in its longitudinal direction, the first and / or second band-shaped element can twist or twist around its longitudinal axis in order to thus achieve a spiroid shape.

Die Profilmittellinie (Skelettlinie) ist diejenige Linie, welche zwischen der Vorderkante und der Hinterkante verläuft und dabei den gleichen Abstand zu der Oberfläche der Druckseite und zu der Oberfläche der Saugseite des Profils aufweist.The profile center line (skeleton line) is the line which runs between the leading edge and the trailing edge and has the same distance to the surface of the pressure side and to the surface of the suction side of the profile.

Mit anderen Worten weist die Turbinenschaufel ein freies Ende auf, wobei an dem freien Ende eine Aufspreizung der Turbinenschaufel mittels dem ersten und dem zweiten bandförmigen Element erzeugt wird. Ein erster Teil spreizt sich als erstes bandförmiges Element in Richtung des ersten Druckbereichs und ein zweites bandförmiges Element spreizt sich in Richtung des zweiten Druckbereichs. Das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element können beispielsweise mit ihren zweiten Enden zusammengefügt werden, so dass eine Schlaufe an dem freien Ende der Turbinenschaufel entsteht. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element jeweils an ein freies Ende einer benachbarten Turbinenschaufel befestigt werden.In other words, the turbine blade has a free end, wherein at the free end a spreading of the turbine blade by means of the first and the second band-shaped element is generated. A first part spreads as a first band-shaped element in the direction of the first pressure region and a second band-shaped element spreads in the direction of the second pressure region. For example, the first belt-shaped element and the second belt-shaped element can be joined together with their second ends, so that a loop is formed at the free end of the turbine blade. In an alternative embodiment, the first belt-shaped element and the second belt-shaped element may each be attached to a free end of an adjacent turbine blade.

Die Ausführungsbeispiele erfüllen den vorteilhaften technischen Effekt, dass es an den Turbinenschaufelenden nicht zu einem schlagartigen Zusammenströmen des Fluids aus dem ersten Druckbereich (zum Beispiel Druckseite) mit dem Fluid aus dem zweiten Druckbereich (Saugseite) kommt. Ein schlagartiges Vermischen des Fluids von der Druckseite und des Fluids der Saugseite an einem Schaufelende erzeugt Wirbel und Turbulenzen, welche aerodynamisch ungünstige Eigenschaften aufweisen. Insbesondere wird dadurch der Strömungswiderstand erhöht und die Effektivität der Turbine reduziert. Aufgrund der Anbringung der bandförmigen Elemente an den freien Enden der Turbinenschaufel wird das Fluid aus dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich sanft zusammengeführt, indem das jeweilige Fluid entlang der bandförmigen Strömungselemente entlangströmt. Dadurch wird eine diskrete Aufspaltung der Randwirbel erzeugt.The exemplary embodiments fulfill the advantageous technical effect that there is no sudden flow of fluid from the first pressure region (for example pressure side) with the fluid from the second pressure region (suction side) at the turbine blade ends. An abrupt mixing of the fluid from the pressure side and the fluid of the suction side at a blade end produces turbulence and turbulence, which have aerodynamically unfavorable properties. In particular, this increases the flow resistance and reduces the effectiveness of the turbine. Due to the attachment of the band-shaped elements at the free ends of the turbine blade, the fluid from the first pressure region and the second pressure region is gently brought together by the respective fluid along the band-shaped Flow elements flows along. This produces a discrete splitting of the edge vortices.

Die beschriebenen Turbinenschaufeln können auch als Verdichterschaufeln Verwendung finden. Ferner können die beschriebenen Turbinenschaufeln in ein Laufrad oder ein Leitrad einer Strömungsmaschine eingesetzt werden. Unter Strömungsmaschine wird ein Verdichter wie auch eine Turbine verstanden.The described turbine blades can also be used as compressor blades. Furthermore, the described turbine blades can be used in an impeller or a stator of a turbomachine. By turbomachine is meant a compressor as well as a turbine.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Turbinenschaufel verlaufen die Profilvorderkante und die Profilhinterkante derart, dass diese in Längsrichtung der Turbinenschaufel einen Verlauf einer Helix nachbilden. Die Turbinenschaufel verläuft in der beispielhaften Ausführungsform von ihrem Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze mit einer Verdrillung entlang ihrer Längsachse. Mit anderen Worten wird die Turbinenschaufel von ihrem Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze insbesondere um eine Vierteldrehung verdreht. Die Profilmittellinie im Schaufelfuß ist beispielsweise um ungefähr 80° (Grad) bis ungefähr 90° gegenüber einer Profilmittellinie verdreht, welche sich an der Schaufelspitze der Turbinenschaufel befindet (bzw. freien Ende).According to a further exemplary embodiment of the turbine blade, the profile leading edge and the profile trailing edge extend in such a way that they simulate a profile of a helix in the longitudinal direction of the turbine blade. The turbine blade in the exemplary embodiment extends from its blade root to the blade tip with a twist along its longitudinal axis. In other words, the turbine blade is rotated from its blade root to the blade tip in particular by a quarter turn. For example, the profile centerline in the blade root is twisted by about 80 degrees (about) to about 90 degrees from a tread centerline located at the blade tip of the turbine blade (or free end).

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Turbinenschaufel das zweite bandförmige Element mit dem ersten Ende und einem in Längsrichtung des zweiten bandförmigen Elements gegenüberliegenden zweiten Ende auf. Das zweite bandförmige Element ist mit seinem ersten Ende an dem zweiten Abschnitt der Profilmittellinie angebracht. Das erste bandförmige Element weist ein zweites Ende auf, welches in Längsrichtung des ersten bandförmigen Elements gegenüberliegend von dem ersten Ende des ersten bandförmigen Elements ausgebildet ist. Das zweite Ende des ersten bandförmigen Elements ist mit dem zweiten Ende des zweiten bandförmigen Elements verbunden. Das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element sind derart ausgebildet, dass das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element eine Schleife bilden, so dass zwischen den freien Enden des Grundkörpers, dem ersten bandförmigen Element und dem zweiten bandförmigen Element ein Strömungskanal entsteht. Die schlaufenförmige bzw. schleifenförmige Struktur beider bandförmiger Elemente verbindet die Druckseite mit dem ersten Druckbereich und die Saugseite mit dem zweiten Druckbereich, ohne einen Formsprung bzw. eine Kante zu erzeugen. Dadurch kann eine Verwirbelung aufgrund von Kantenbildung vermieden werden.According to a further exemplary embodiment, the turbine blade has the second belt-shaped element with the first end and a second end opposite in the longitudinal direction of the second belt-shaped element. The second band-shaped element is attached with its first end to the second section of the profile center line. The first band-shaped member has a second end formed in the longitudinal direction of the first band-shaped member opposite to the first end of the first band-shaped member. The second end of the first band-shaped element is connected to the second end of the second band-shaped element. The first band-shaped element and the second band-shaped element are formed such that the first band-shaped element and the second band-shaped element form a loop, so that a flow channel is formed between the free ends of the base body, the first band-shaped element and the second band-shaped element. The loop-shaped structure of both band-shaped elements connects the pressure side with the first pressure region and the suction side with the second pressure region, without generating a shape jump or an edge. As a result, turbulence due to edge formation can be avoided.

Beide bandförmigen Elemente bilden sozusagen ein gemeinsames bandförmiges Element, welches beispielsweise in einer Art Spiroidform oder Möbiusschleife verläuft.Both band-shaped elements form, so to speak, a common band-shaped element which runs, for example, in a kind of spiral shape or Möbius loop.

Insbesondere bilden in einer beispielhaften Ausführungsform das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element zwischen den jeweiligen ersten Enden den Verlauf eines Spiroids nach. Ein Spiroid weist beispielsweise die Form eines aufgespaltenen Flügelendes auf, welches eine Schlaufenform bildet.In particular, in an exemplary embodiment, the first band-shaped element and the second band-shaped element between the respective first ends simulate the course of a spiroid. For example, a spiroid has the shape of a split wing end which forms a loop shape.

Die Turbinenschaufel kann beispielsweise in einer Stufe einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise in ein Laufrad oder ein Leitrad eingebaut werden. Das somit gebildete Turbinenschaufelsystem weist somit erste und zweite bandförmige Elemente auf, welche jeweils einen ersten Abschnitt der Profilmittellinie einer ersten Turbinenschaufel mit einem zweiten Abschnitt der Profilmittellinie einer zweiten Turbinenschaufel verbinden. Die verbindenden bandförmigen Elemente verlaufen dabei jeweils zu Beginn in Längsrichtung der jeweiligen Turbinenschaufel, erstrecken sich anschließend jedoch bogenförmig in Richtung der benachbarten Turbinenschaufel (z. B. mit einer Verdrillung bzw. Spiroidform) und werden dort an dem freien Ende befestigt. Zwischen dem bandförmigen Element und der Turbinenschaufel wird keine Kante geschaffen, welche zu Verwirbelungen führt. Durch den bogenförmigen Verlauf der bandförmigen Elemente wird ein homogener und glatter Übergang von der Erstreckung in Längsrichtung der Turbinenschaufel in eine senkrechte Erstreckung zur Längsrichtung der Turbinenschaufel eingeschlagen bis an einem zweiten Ende des zweiten bandförmigen Elements wiederum eine Längsrichtung der zweiten benachbarten Turbinenschaufel eingeschlagen wird. Mittels der Verbindung zweier Turbinenschaufeln mit den bogenförmigen bandförmigen Elementen wird eine Versteifung der ersten Turbinenschaufel und der zweiten Turbinenschaufel geschaffen und zudem eine Verwirbelung des Fluids reduziert.The turbine blade can for example be installed in a stage of a turbomachine, such as in an impeller or a stator. The turbine blade system thus formed thus has first and second band-shaped elements which each connect a first section of the profile center line of a first turbine blade to a second section of the profile center line of a second turbine blade. The connecting band-shaped elements each extend initially in the longitudinal direction of the respective turbine blade, but then extend arcuately in the direction of the adjacent turbine blade (for example with a twist or spiral shape) and are fastened there at the free end. Between the band-shaped element and the turbine blade no edge is created, which leads to turbulence. Due to the arcuate course of the band-shaped elements, a homogeneous and smooth transition from the extension in the longitudinal direction of the turbine blade is taken in a vertical extension to the longitudinal direction of the turbine blade until at a second end of the second band-shaped element in turn a longitudinal direction of the second adjacent turbine blade is taken. By means of the connection of two turbine blades with the arcuate band-shaped elements, a stiffening of the first turbine blade and the second turbine blade is created and, moreover, a turbulence of the fluid is reduced.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform verlaufen das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element zwischen den jeweiligen ersten Enden in einem spiroidförmigen Verlauf.According to a further exemplary embodiment, the first band-shaped element and the second band-shaped element extend in a spiroidal shape between the respective first ends.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das erste bandförmige Element und das zweite bandförmige Element zwischen den jeweiligen ersten Enden in Längsrichtung ein gewölbtes Profil auf. Mit einem gewölbten Profil wird beispielsweise ein bandförmiges Element verstanden, welches entlang ihrer Breite einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und ein U-Profil (beispielsweise eine Halbmondform als Querschnitt oder die Form einer Dachrinne) einnehmen kann. Damit werden diskret Verwirbelungen des Fluids an den Schaufelenden verringert. According to a further exemplary embodiment, the first band-shaped element and the second band-shaped element have a curved profile in the longitudinal direction between the respective first ends. For example, a curved profile is understood to mean a band-shaped element which has a semicircular cross-section along its width and can assume a U-profile (for example a crescent shape as a cross-section or the shape of a gutter). This discreetly reduces turbulence of the fluid at the blade ends.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Turbinenschaufelsystem eine weitere, wie oben erläuterte Turbinenschaufel auf. Das erste bandförmige Element der weiteren Turbinenschaufel stellt dabei das zweite bandförmige Element der zweiten Turbinenschaufel dar. Das zweite Ende des ersten bandförmigen Elements der weiteren Turbinenschaufel ist entlang des zweiten Abschnitts der Profilmittellinie an dem freien Ende der zweiten Turbinenschaufel angebracht.According to a further exemplary embodiment, the turbine blade system has a further turbine blade as explained above. The first belt-shaped element of the further turbine blade thereby represents the second belt-shaped element of the second turbine blade. The second end of the first belt-shaped element of the further turbine blade is mounted along the second section of the profile center line at the free end of the second turbine blade.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.It should be noted that the embodiments described herein represent only a limited selection of possible embodiments of the invention. Thus, it is possible to suitably combine the features of individual embodiments with one another, so that for the person skilled in the art with the variants of embodiment that are explicit here, a multiplicity of different embodiments are to be regarded as obviously disclosed.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.In the following, for further explanation and for a better understanding of the present invention, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying figures.

1 zeigt ein Turbinenschaufelsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 shows a turbine blade system according to an exemplary embodiment of the present invention;

2 zeigt eine weitere alternative beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 2 shows another alternative exemplary embodiment of the present invention; and

3 zeigt schematisch eine Anordnung mehrerer Turbinenschaufeln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 schematically shows an arrangement of a plurality of turbine blades according to an exemplary embodiment of the present invention.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen AusführungsformenDetailed description of exemplary embodiments

Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.The same or similar components are provided in the figures with the same reference numerals. The illustrations in the figures are schematic and not to scale.

1 zeigt eine Turbinenschaufel 100 für eine Strömungsmaschine. Die Turbinenschaufel 100 weist einen Grundkörper und ein erstes bandförmiges Element 105 auf. Der Grundkörper weist ein Profil mit einer Profilvorderkante 101 und einer Profilhinterkante 102 auf. Eine Profilmittellinie 103 der Profilvorderkante 101 ist mit der Profilhinterkante 102 verbunden. Das Profil ist derart ausgeformt, dass bei Umströmen der Turbinenschaufel 100 mit einem Fluid F ein erster Druckbereich I mit einem ersten Fluiddruck und ein zweiter Druckbereich II mit einem zweiten Fluiddruck entstehen. Der erste Fluiddruck unterscheidet sich vom zweiten Fluiddruck. Der Grundkörper weist ein freies Ende 104 auf, welches an einem Ende in Längsrichtung des Grundkörpers ausgebildet ist. Entlang eines ersten Abschnitts der Profilmittellinie 103 ist ein erstes Ende des ersten bandförmigen Elements 105 an dem freien Ende 104 des Grundkörpers angebracht. Das erste bandförmige Element 105 erstreckt sich von dem freien Ende 104 in Richtung des ersten Druckbereichs I bogenförmig. Entlang eines zweiten Abschnitts der Profilmittellinie 103 ist ein ersten Ende eines zweiten bandförmigen Elements 106 anbringbar (siehe insbesondere 2 oder 3). Das zweite bandförmige Element 106 erstreckt sich bogenförmig von dem freien Ende 104 in Richtung des zweiten Druckbereichs II. 1 shows a turbine blade 100 for a turbomachine. The turbine blade 100 has a base body and a first band-shaped element 105 on. The main body has a profile with a profile leading edge 101 and a profile trailing edge 102 on. A profile centerline 103 the profile leading edge 101 is with the profile trailing edge 102 connected. The profile is shaped such that when the turbine blade flows around 100 With a fluid F, a first pressure range I with a first fluid pressure and a second pressure range II with a second fluid pressure arise. The first fluid pressure differs from the second fluid pressure. The main body has a free end 104 on, which is formed at one end in the longitudinal direction of the base body. Along a first section of the profile centerline 103 is a first end of the first band-shaped element 105 at the free end 104 attached to the body. The first band-shaped element 105 extends from the free end 104 in the direction of the first pressure region I arcuate. Along a second section of the profile centerline 103 is a first end of a second band-shaped element 106 attachable (see in particular 2 or 3 ). The second band-shaped element 106 extends arcuately from the free end 104 in the direction of the second pressure region II.

In 1 ist der erste Abschnitt der Profilmittellinie 103 derjenige Abschnitt, welcher von der Profilvorderkante 101 zu der Mitte der Profilmittellinie 103 verläuft. Der zweite Abschnitt der Profilmittellinie 103 ist der Abschnitt, welcher von der Mitte der Profilmittellinie 103 zu der Profilhinterkante 102 verläuft.In 1 is the first section of the profile center line 103 the portion which of the leading edge profile 101 to the middle of the profile centreline 103 runs. The second section of the profile centerline 103 is the section which is from the middle of the profile centreline 103 to the profile trailing edge 102 runs.

Zur besseren Übersichtlichkeit ist in 1 lediglich ein erstes bandförmiges Element 105 und ein zweites bandförmiges Element 106 dargestellt. Das erste bandförmige Element 105 ist mit seinem ersten Ende an einem Bereich des freien Endes 104 angeordnet, durch welchen Bereich der erste Abschnitt der Profilmittellinie 103 verläuft. Das erste Ende des zweiten bogenförmigen Elements 106 ist an dem freien Ende einer weiteren Turbinenschaufel 100 angeordnet. Das erste Ende des zweiten bogenförmigen Elements 106 ist an einem Bereich des freien Endes 104 der zweiten Turbinenschaufel 100 befestigt, durch welchen Bereich der zweite Abschnitt der Profilmittellinie 103 der zweiten Turbinenschaufel 100 verläuft. An der zweiten Turbinenschaufel kann beispielsweise in einem weiteren Bereich des freien Endes 104, durch welchen der erste Abschnitt der Profilmittellinie 103 verläuft, ein weiteres bandförmiges Element angebracht werden, welches in Richtung einer weiteren Turbinenschaufel 100 verläuft.For better clarity, see 1 only a first band-shaped element 105 and a second belt-shaped element 106 shown. The first band-shaped element 105 is with its first end at an area of the free end 104 arranged, through which area the first section of the profile centerline 103 runs. The first end of the second arcuate element 106 is at the free end of another turbine blade 100 arranged. The first end of the second arcuate element 106 is at an area of the free end 104 the second turbine blade 100 attached, through which area the second section of the profile centerline 103 the second turbine blade 100 runs. On the second turbine blade, for example, in a wider region of the free end 104 through which the first section of the profile centerline 103 runs, another band-shaped element are attached, which in the direction of another turbine blade 100 runs.

Wie in 1 dargestellt, verläuft das Fluid F von dem ersten Druckbereich I der ersten Turbinenschaufel 100 an ihrem freien Ende 104 entlang den bogenförmigen Elementen 105, 106 und fließt zu dem zweiten Druckbereich II der benachbarten Turbinenschaufel 100. Somit wird diskret ein Druckausgleich zwischen dem ersten Druckbereich I einer ersten Turbinenschaufel 100 mit einem zweiten Druckbereich II einer zweiten Turbinenschaufel 100 geschaffen.As in 1 illustrated, the fluid F extends from the first pressure region I of the first turbine blade 100 at her free end 104 along the arcuate elements 105 . 106 and flows to the second pressure region II of the adjacent turbine blade 100 , Thus, a discrete pressure equalization between the first pressure region I of a first turbine blade 100 with a second pressure region II of a second turbine blade 100 created.

Die bogenförmigen Elemente 105, 106 verlaufen bogenförmig zwischen den Turbinenschaufeln 100. Insbesondere verlaufen die jeweiligen ersten Enden der bandförmigen Elemente 105, 106 in Längsrichtung der jeweiligen Turbinenschaufel 100 und verlaufen im Anschluss in einer Bogenform in Richtung der benachbarten Turbinenschaufel.The arched elements 105 . 106 extend arcuately between the turbine blades 100 , In particular, the respective first ends of the band-shaped elements extend 105 . 106 in the longitudinal direction of the respective turbine blade 100 and subsequently extend in an arcuate shape toward the adjacent turbine blade.

Die bandförmigen Elemente 105, 106 können die Form eines Spiroids bzw. eines Möbiusbands aufweisen.The band-shaped elements 105 . 106 may have the shape of a spiroid or Möbiusbands.

2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist an einer Turbinenschaufel 100 ein erstes bandförmiges Element 105 und ein zweites bandförmiges Element 106 angebracht, wobei beide bandförmigen Elemente 105, 106 einen derartigen bogenförmigen Verlauf aufweisen, dass die jeweiligen zweiten Enden der bandförmigen Elemente 105, 106 miteinander verbunden sind. Somit wird eine Schlaufe gebildet, in dessen Mitte ein Strömungskanal entsteht. Entlang der bandförmigen Elemente 105, 106 kann das Fluid von dem ersten Druckbereich I in den zweiten Druckbereich II verlaufen, so dass eine höhere Strömungseffizienz aufgrund reduzierter Wirbelentstehung geschaffen wird. 2 shows another exemplary embodiment of the present invention. This is on a turbine blade 100 a first band-shaped element 105 and a second belt-shaped element 106 attached, both band-shaped elements 105 . 106 have such a curved course that the respective second ends of the band-shaped elements 105 . 106 connected to each other. Thus, a loop is formed, in the middle of which a flow channel is formed. Along the band-shaped elements 105 . 106 For example, the fluid can flow from the first pressure region I into the second pressure region II, so that a higher flow efficiency is created due to reduced vortex formation.

Das erste bandförmige Element 105 und das zweite bandförmige Element 106 formen eine Spiroidform aus. Ferner können die bandförmigen Elemente 105, 106 einen Möbiusband-artigen Verlauf aufweisen.The first band-shaped element 105 and the second band-shaped element 106 Form a spiroid shape. Furthermore, the band-shaped elements 105 . 106 have a Möbius band-like course.

3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher, ähnlich wie in 1, die bandförmigen Elemente 105, 106 zwischen zwei Turbinenschaufeln 100 angeordnet sind. In 3 verlaufen die Vorderkanten 101 und die Hinterkanten 102 der Turbinenschaufeln 100 in einer Helixform, so dass die Turbinenschaufeln 100 in Längsrichtung um beispielsweise eine Vierteldrehung verdreht sind. An den jeweiligen freien Enden 104 der Turbinenschaufeln 100 spreizen sich die Turbinenschaufeln auf. Mit anderen Worten wird ein erstes Ende eines ersten bandförmigen Elements 105 angeordnet, welches sich in Richtung ersten Druckbereich I bogenförmig erstreckt und mit einem weiteren bandförmigen Element 106 verbindet, welches an einem freien Ende 104 einer benachbarten Turbinenschaufel 100 angeordnet ist und sich von dieser in Richtung zweiten Druckbereich von dem freien Ende 104 erstreckt. Die bandförmigen Elemente 105, 106 bilden somit jeweilige Strömungsbrücken zwischen dem ersten Druckbereich I einer ersten Turbinenschaufel 100 und einem zweiten Druckbereich II einer zweiten Turbinenschaufel 100. Die bandförmigen Elemente 105, 106 verlaufen bogenförmig und weisen beispielsweise eine Spiroidform auf. Die bandförmigen Elemente 105, 106 verlaufen dabei ausschließlich zwischen einer ersten Turbinenschaufel 100 und einer zweiten Turbinenschaufel 100. Ferner werden an jeder Turbinenschaufel 100 zwei bandförmige Elemente 105, 106 an den freien Enden 104 angeordnet, welche unterschiedliche bogenförmige Erstreckungsrichtungen aufweisen. Ein bandförmiges Element 105, 106 erstreckt sich von der Turbinenschaufel 100 in Richtung ersten Druckbereich I bzw. beispielsweise zur Druckseite der Turbinenschaufel 100 und ein zweites bandförmiges Element 105, 106 erstreckt sich von dem freien Ende 104 in entgegengesetzter Richtung in Richtung des zweiten Druckbereichs II, bzw. dem Saugbereich der Turbinenschaufel 100. 3 FIG. 12 shows another exemplary embodiment of the present invention, in which, similar to FIG 1 , the band-shaped elements 105 . 106 between two turbine blades 100 are arranged. In 3 the leading edges run 101 and the trailing edges 102 the turbine blades 100 in a helical shape, leaving the turbine blades 100 are twisted in the longitudinal direction by, for example, a quarter turn. At the respective free ends 104 the turbine blades 100 The turbine blades spread. In other words, a first end of a first band-shaped element 105 arranged, which extends arcuately in the direction of the first pressure region I and with a further band-shaped element 106 which connects at a free end 104 an adjacent turbine blade 100 is arranged and extending from this towards the second pressure area of the free end 104 extends. The band-shaped elements 105 . 106 thus form respective flow bridges between the first pressure region I of a first turbine blade 100 and a second pressure region II of a second turbine blade 100 , The band-shaped elements 105 . 106 arcuate and have, for example, a spiroid shape. The band-shaped elements 105 . 106 thereby run exclusively between a first turbine blade 100 and a second turbine blade 100 , Further, on each turbine blade 100 two band-shaped elements 105 . 106 at the free ends 104 arranged, which have different arcuate extent directions. A band-shaped element 105 . 106 extends from the turbine blade 100 in the direction of the first pressure region I or, for example, to the pressure side of the turbine blade 100 and a second belt-shaped element 105 . 106 extends from the free end 104 in the opposite direction in the direction of the second pressure region II, or the suction region of the turbine blade 100 ,

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass ”umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und ”eine” oder ”ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "encompassing" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a multitude. It should also be appreciated that features or steps described with reference to one of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.

Claims

Turbine blade ( 100 ) for a turbomachine, the turbine blade ( 100 ) comprising a main body which has a profile with a profile leading edge ( 101 ) and a profile trailing edge ( 102 ), wherein a profile center line ( 103 ) the profile leading edge ( 101 ) with the profile trailing edge ( 102 ), whereby the profile is shaped in such a way that when the turbine blade flows around ( 100 ) with a fluid a first pressure range (I) with a first fluid pressure and a second pressure range (II) with a second fluid pressure arise, wherein the first fluid pressure is different from the second fluid pressure, and wherein the main body a free end ( 104 ), which is formed at one end in the longitudinal direction of the base body, a first band-shaped element ( 105 ), wherein along a first section of the profile center line ( 103 ) a first end of the first band-shaped element ( 105 ) at the free end ( 104 ) of the main body is attached, wherein the first band-shaped element ( 105 ) arcuately from the free end ( 104 ) extends in the direction of the first pressure region (I), and wherein along a second portion of the profile center line ( 103 ) a first end of a second band-shaped element ( 106 ) at the free end ( 104 ) of the main body is attachable, wherein the second band-shaped element ( 106 ) arcuately from the free end ( 104 ) extends in the direction of the second pressure region (II).

Turbine blade ( 100 ) according to claim 1, wherein the profile leading edge ( 101 ) and the profile trailing edge ( 102 ) are formed such that these in Longitudinal direction of the turbine blade ( 100 ) simulate a course of a helix.

Turbine blade ( 100 ) according to claim 1 or 2, further comprising the second band-shaped element ( 106 ) with the first end and in the longitudinal direction of the second band-shaped element ( 106 ) opposite second end, wherein the second band-shaped element ( 106 ) with its first end on the second section of the profile center line ( 103 ), wherein the first band-shaped element ( 105 ) has a second end, which in the longitudinal direction of the first band-shaped element ( 105 ) is formed opposite to the first end of the first band-shaped element, wherein the second end of the first band-shaped element (FIG. 105 ) with the second end of the second band-shaped element ( 106 ), and wherein the first band-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) are formed such that the first band-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) form a loop so that between the free end ( 104 ) of the main body, the first band-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) creates a flow channel.

Turbine blade ( 100 ) according to claim 3, wherein the first band-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) emulate the course of a spiroid between the respective first ends.

Turbine blade system for a turbomachine, the turbine blade system having a first turbine blade ( 100 ) according to claim 1 or 2, a second turbine blade ( 100 ) according to claim 1 or 2, wherein the first band-shaped element ( 105 ) of the second turbine blade ( 100 ) the second band-shaped element ( 106 ) of the first turbine blade ( 100 ), wherein the second end of the first band-shaped element ( 105 ) of the second turbine blade ( 100 ) along the second section of the profile center line ( 103 ) at the free end ( 104 ) of the first turbine blade ( 100 ) is attached.

Turbine blade system according to claim 5, wherein the first belt-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) emulate the course of a spiroid between the respective first ends.

Turbine blade system according to claim 5 or 6, wherein the first band-shaped element ( 105 ) and the second band-shaped element ( 106 ) between the respective first ends in the longitudinal direction have a curved profile.

Turbine blade system according to one of claims 5 to 7, further comprising a further turbine blade ( 100 ) according to claim 1 or 2, and wherein the first belt-shaped element ( 105 ) of the further turbine blade ( 100 ) the second band-shaped element ( 106 ) of the second turbine blade ( 100 ), wherein the second end of the first band-shaped element ( 105 ) of the further turbine blade ( 100 ) along the second section of the profile center line ( 103 ) at the free end ( 104 ) of the second turbine blade ( 100 ) is attached.

Method for producing a turbine blade ( 100 ), wherein the turbine blade ( 100 ) a profile with a profile leading edge ( 101 ) and a profile trailing edge ( 102 ), wherein a profile center line ( 103 ) the profile leading edge ( 101 ) with the profile trailing edge ( 102 ), the profile being designed such that when the turbine blade ( 100 ) with a fluid a first pressure range (I) with a first fluid pressure and a second pressure range (II) with a second fluid pressure arise, wherein the first fluid pressure is different from the second fluid pressure, and wherein the turbine blade ( 100 ) a free end ( 104 ) formed at one end in the longitudinal direction of the turbine blade ( 100 ), the method comprising attaching a first end of a first band-shaped element ( 105 ) at the free end ( 104 ) of the turbine blade ( 100 ) along a first section of the profile center line ( 103 ), wherein the first band-shaped element ( 105 ) arcuately from the free end ( 104 ) extends in the direction of the first printing area (I), and attaching a first end of a second band-shaped element (FIG. 106 ) along a second section of the profile center line ( 103 ) at the free end ( 104 ) of the turbine blade ( 100 ), wherein the second band-shaped element ( 106 ) arcuately from the free end ( 104 ) extends in the direction of the second pressure region (II).

Method for operating a turbomachine comprising a turbine blade ( 100 ) according to one of claims 1 to 4 or a turbine blade system according to one of claims 5 to 8.