DE102011117755A1

DE102011117755A1 - Schaufelanordnung, insbesondere Leitschaufelanordnung, in einer rotierenden Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102011117755A1
Application number: DE201110117755
Authority: DE
Inventors: Marco Lamminger; Igor Tsypkaikin
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-05
Publication date: 2012-05-31
Also published as: CH704140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufelanordnung für eine rotierende Strömungsmaschine, insbesondere eine Leitschaufelanordnung für eine Turbine, mit einem Schaufelfuss, der eine anströmseitige Schaufelfußvorderkante und eine abströmungsseitige Schaufelfußhinterkante aufweist, an denen jeweils ein Befestigungshaken vorgesehen ist, der jeweils in eine gegenkonturierte, in Umfangsrichtung zur Strömungsmaschine verlaufende Aufnahmenut einer Komponente der Strömungsmaschine einfügbar ist, und der zwei jeweils die Schaufelfußvorder- und -hinterkante miteinander seitlich verbindende Schaufelfußseiten aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs der einen Schaufelfußseite eine die Schaufelfußseite seitlich in Umfangsrichtung überkragende Struktur vorgesehen ist, und dass längs der anderen Schaufelfußseite zumindest eine Abstützfläche vorgesehen ist, längs der die überkragende Struktur eines benachbart in die Aufnahme eingebrachten Schaufelfußes unter Ausbildung eines Formschlusses zur Anlage gelangt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelanordnung für eine rotierende Strömungsmaschine, insbesondere eine Leitschaufelanordnung, mit einem Schaufelfuss, der eine anströmseitige Schaufelfussvorderkante und eine abströmungsseitige Schaufelfusshinterkante aufweist, an denen jeweils ein Befestigungshaken vorgesehen ist, der jeweils in eine gegenkonturierte, in Umfangsrichtung zur Strömungsmaschine verlaufende Aufnahmenut einer Komponente der Strömungsmaschine einfügbar ist, und der zwei jeweils die Schaufelfußvorder- und -hinterkante miteinander seitlich verbindende Schaufelfußseiten aufweist.
Stand der Technik
Schaufeln für den Einsatz in rotierenden Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Gas- oder Dampfturbinen, weisen zur sicheren Befestigung und schnellen Montage Schaufelfüße auf, die ihrerseits über Befestigungskonturen verfügen, die in komplementär ausgebildete Aufnahmenuten von rotierenden oder statischen Maschinenkomponenten eingehängt werden. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich vornehmlich auf die Ausbildung und Anordnung von Turbinenleitschaufeln, gleichwohl können die folgenden Ausführungen in äquivalenter Weise auch auf die Anordnung und Ausbildung anderer als Turbinenleitschaufeln übertragen werden.
In 2 ist der Schaufelfußbereich einer an sich bekannten Leitschaufelanordnung perspektivisch dargestellt. Es sei angenommen, dass zwei Leitschaufelblätter 1, 2, die sich in radialer Richtung R, siehe Pfeildarstellung R, erstrecken und jeweils nur verkürzt dargestellt sind, radialseitig nach außen mit einem gemeinsamen Deckband 3 verbunden sind, an dem sich radialseitig nach außen, das heißt in der Zeichenebene nach oben, die Struktur des Turbinenschaufelfußes 4 anschließt. Der Zeichenebene zugewandt verläuft die anströmseitige Schaufelfußvorderkante 5. Dieser in axialer Durchströmungsrichtung A, siehe Pfeildarstellung, der Strömungsmaschine gegenüberliegend angeordnet, verläuft die abströmseitige Schaufelfußhinterkante 6. Sowohl die Schaufelfußvorderkante 5 als auch die Schaufelfußhinterkante 6 sehen zu Zwecken der Befestigung der Turbinenleitschaufel jeweils einen kragenartig ausgebildeten Befestigungshaken 5' bzw. 6' vor. Die Befestigungshaken 5' und 6' werden in entsprechend gegenkonturiert ausgebildete Ausnehmungen innerhalb eines nicht dargestellten Leitschaufelträgers der Strömungsrotationsmaschine formschlüssig eingeführt, so dass die Turbinenschaufelanordnung eine belastbare Formschlussverbindung mit dem Leitschaufelfußträger eingeht.
Es sei ferner angenommen, dass die in 2 illustrierte Leitschaufelanordnung dem in Durchströmungsrichtung A orientierten Strömungsdruck einer Rotationsmaschine ausgesetzt ist, durch den die Leitschaufelanordnung und insbesondere der Leitschaufelfuß betriebsbedingten Lagerkräften L1, L2 und L3 ausgesetzt sind, die in 2 durch entsprechende Pfeilsymbole illustriert sind. Im Wesentlichen entsteht durch die auf die Leitschaufel einwirkenden Strömungsgase ein Kippmoment, welches durch die drei Auflagerkräfte L1, L2 und L3 in den Leitschaufelträger eingeleitet wird. Die von der Leitschaufel auf den Schaufelträger wirkenden Auflagerkräfte sind hierbei wie folgt gerichtet. Die Auflagerkraft L1 bildet sich an der Schaufelfußhinterkante 6 radial nach außen aus, wohingegen sich im Bereich der Schaufelfußvorderkante 5 in einem entsprechend ausgebildeten Auflagerbereich eine radial nach innen gerichtete Lagerkraft L3 ausbildet. Die im Bereich der Schaufelfußvorderkante 5 radial nach außen orientierte Lagerkraft L2 dient als dritte Abstützfläche, die für einen kippfreien in Umfangsrichtung U orientierten stabilen Sitz der Leitschaufelanordnung sorgt. Durch diese drei Lagerkräfte L1, L2, L3 ist die statische Bestimmtheit gegeben.
Die bis anhin bekannten Leitschaufelfußanordnungen verfügen über nicht miteinander interagierend ausgebildete Schaufelfußseiten 7, 8.
Die in Umfangsrichtung von rotierenden Strömungsmaschinen innerhalb von Leitschaufelreihen angeordneten Leitschaufelanordnungen sind unabhängig voneinander innerhalb der Aufnahmekontur längs einer Leitschaufelreihe über ihre jeweiligen Befestigungshaken fixiert. Auch werden die Schaufeln konstruktiv als mechanische Einzelsysteme ausgelegt und ausgebildet. So wirken sämtliche an den einzelnen Leitschaufeln betriebsbedingt angreifenden Strömungskräfte und die hierdurch entstehenden Kraftmomente von Seiten der Leitschaufelanordnungen über den jeweiligen Schaufelfußbereich unmittelbar in den Leitschaufelträger ein, wodurch dieser beträchtlichen lokalen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, denen der Leitschaufelträger neben den betriebsbedingten thermischen Belastungen standhaften muss. Um die Belastungsgrenzen insbesondere auch des Leitschaufelträgers einer rotierenden Strömungsmaschine, insbesondere Turbine, zu verbessern, werden umfangreiche Kühlmaßnahmen getroffen, um die thermischen und letztlich auch mechanischen Belastungsgrenzen derartiger Maschinenkomponenten zu steigern.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine rotierende Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine Turbine, eine Schaufelanordnung, insbesondere eine Leitschaufelanordnung, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass der mechanische Krafteintrag seitens des Schaufelfußes auf die die Schaufelanordnung fixierende Trägerstruktur, und damit verbunden die betriebsbedingten mechanischen Belastungen insbesondere der Trägerstruktur reduziert werden, so dass letztlich die Belastung der Schaufelanordung gesteigert werden kann, ohne die zu deren Fixierung dienende Trägerstruktur einer Mehrbelastung auszusetzen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche und sind der Beschreibung einschließlich des Ausführungsbeispiels zu entnehmen.
Lösungsgemäß zeichnet sich eine Schaufelanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass längs der einen Schaufelfußseite eine die Schaufelfußseite seitlich in Umfangsrichtung überkragende Struktur vorgesehen ist, und dass längs der anderen Schaufelfußseite zumindest eine Abstützfläche vorgesehen ist, längs der die überkragende Struktur eines benachbart in die Aufnahme eingebrachten Schaufelfußes unter Ausbildung eines Formschlusses zur Anlage gelangt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass in Abkehr zur bisher üblichen Praxis einer getrennten Fixierung einzelner Schaufeln einer Schaufelreihe innerhalb einer Trägerstruktur, eine erheblich verbesserte Vergleichmäßigung des mechanischen Lasteintrages, der seitens der Schaufelanordnungen auf die Trägerkomponenten einwirkt, erzielt werden kann, sofern die Schaufelfüße einer Schaufelreihe in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind. Über den jeweiligen Formschluss der benachbart angeordneten Schaufelfüße einer Schaufelreihe kann die Gesamtheit sämtlicher Schaufeln als ein einheitliches mechanisches System angesehen werden, das als solches unter Maßgabe eines reduzierten mechanischen Lasteintrages in die Trägerkomponente der Schaufelreihe entsprechend optimiert ausgestaltet werden kann.
Im erfindungsgemäßen Sinne stellen die einzelnen Schaufeln somit keine mechanisch singuläre Einheit mit den damit verbundenen Krafteinleitungen dar, vielmehr handelt es sich aufgrund des gegenseitigen Form- und Kraftschlusses um ein einheitlich zusammengeschlossenes System aus einer Vielzahl von Einzelschaufeln. Hierdurch kann die mechanische Belastung auf den Schaufelträger erheblich reduziert werden, wodurch letztlich Betriebsgrenzen gesteigert werden können oder bestehende Kühlungsmaßnahmen bei gleich bleibenden Betriebseigenschaften vermindert oder unterlassen werden können.
Für einen erfindungsgemäßen mechanischen Formschluss zwischen zwei innerhalb einer Schaufelreihe benachbart angeordneten Schaufeln sieht eine Ausführungsform eines Schaufelfußes längs einer Schaufelfußseite eine kragenartig ausgebildete Hakenstruktur vor, die eine radial nach innen gewandte Abstützfläche aufweist. Die gegenüberliegende Schaufelfußseite weist hingegen eine in Radialrichtung nach außen orientierte Abstützfläche auf, die mindestens in Form und Größe an die Abstützfläche der kragenartig die Schaufelfußseiten überkragenden Struktur angepasst ist. Werden zwei derartig ausgebildete Schaufelfüße längs einer trägerseitigen Aufnahmenut in Umfangsrichtung zusammengefügt, so kommen die beiden vorstehend bezeichneten Abstützflächen in radiale Überdeckung und ermöglichen auf diese Weise zumindest einen bidirektionalen Kraft- und Formschluss in Radialrichtung. Durch einen derartigen zwischen jeweils sämtlichen benachbarten Schaufelfüßen längs einer Trägerreihe vorhandenen Kraftzusammenschluss werden die Haltekräfte, die jeweils zwischen den einzelnen Schaufelfüßen und der Trägerstruktur wirken, entlang des gesamten sich dabei ergebenden ringförmigen Zusammenschlusses bestehend aus einer Vielzahl von vorhandenen Schaufelfüßen einer Schaufelreihe axial zwischen der Schaufelfußvorderkante 5 und der Schaufelfußhinterkante 6 sowie radial zwischen benachbarten Schaufelfußseiten verteilt, vorzugsweise gleich verteilt.
Selbstverständlich ist die Ausbildung einer derartigen Formschlussverbindung zwischen zwei benachbart angeordneten Schaufelfüßen vielfältig auszuführen, beispielsweise unter Zugrundelegung des Fügeprinzips einer Feder-Nut-Verbindung, gleichwohl gilt die Einschränkung, dass die Formschlussverbindung zwischen zwei benachbarten Schaufelfüßen durch Zusammenfügen bzw. Ineinanderfügen zweier Schaufelfüße durch ausschließliches Bewegen bzw. Verschieben längs einer entsprechenden Aufnahmenut in Umfangsrichtung zur Strömungsmaschine erfolgt.
Eine Ausführungsform sieht beispielsweise eine stift- oder rippenartige, die jeweilige Schaufelfußseite überkragende Struktur vor, die in eine sacklochartige zur steg- oder rippenartig ausgebildeten Kontur komplementär ausgebildete Aufnahme längs der jeweils anderen Schaufelfußseite einmündet. So können auch mehrere derartiger Formschlussmechanismen längs einer Schaufelfußseite vorgesehen sein. Auch sind Kombinationen aus unterschiedlichen Formschlussmechanismen längs der Schaufelfußseiten denkbar.
In besonders vorteilhafter Weise sind die entsprechende Abstützfläche auf der einen Seite sowie die seitlich in Umfangsrichtung überkragende Struktur auf der anderen Seite einstückig mit der gesamten Schaufelanordnung verbunden. Selbstverständlich ist es möglich, zumindest die die jeweilige Schaufelfußseitenkante seitlich in Umfangsrichtung überkragende Struktur mittels nachträglicher Fügetechniken, beispielsweise Schweißtechniken, zu fixieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Leitschaufelanordnung,
2 einen Schaufelfuß einer Leitschaufelanordnung gemäß dem Stand der Technik,
3a, b perspektivische Darstellungen der Schaufelfußseitenkantenbereiche einer lösungsgemäß ausgebildeten Leitschaufelanordnung,
4a, b eine Illustration eines Verbundes dreier in Umfangsrichtung formschlüssig gefügter Leitschaufelanordnungen.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit
1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinenleitschaufel mit einem radial innen liegenden Deckband 3' sowie einem radial äußeren Deckband 3, zwischen denen zwei Leitschaufelblätter 1, 2 angeordnet sind. Die in 1 illustrierte Leitschaufelanordnung entspricht weitgehend jener Leitschaufelanordnung gemäß 2. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten an sich bekannten Leitschaufelfuß weist der in 1 illustrierte Schaufelfuß zwei Schaufelfußseiten 7, 8 auf, die erfindungsgemäß jeweils durch Merkmale 9 und 9' sowie 10 und 11 ergänzt sind. So weist die rechte Schaufelfußseite 7 eine die Seitenkante 7 in Umfangsrichtung U seitlich überkragende Struktur 9 auf, die in Radialrichtung R nach innen gewandt, eine Abstützfläche 9' vorsieht. Demgegenüber sieht die in der Darstellung linke Schaufelfußseite 8 eine entsprechende Ausnehmung bzw. Aufnahme 10 vor, in der eine in Radialrichtung nach außen orientierte Abstützfläche 11 eingearbeitet ist. Beide Abstützflächen 11, 9' sind in Form und Größe einander angepasst und bilden als solche die Voraussetzung für eine Formschlussverbindung zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U einer Schaufelreihe angeordneten Schaufelfüßen.
3a zeigt eine perspektivische Ansicht der linken Schaufelfußseite 8, längs der eine entsprechende Aufnahme 10 eingearbeitet ist, in der die im Wesentlichen radial nach außen orientierte Abstützfläche 11 eingearbeitet ist. Die Aufnahme 10 ist von Seitenwänden 10' umgeben, die jeweils als Begrenzungsflächen für die die jeweils gegenüberliegende Schaufelfußseite 7 kragenartig überragende Struktur 9 dienen.
In 3b ist die die Seitenkante 7 in Umfangsrichtung kragenartig überragende Struktur 9 zu entnehmen, die in ihrer räumlichen Ausbildung an die entsprechende Ausnehmung 10 angepasst und komplementär zu dieser ausgebildet ist.
4a zeigt eine perspektivische Draufsicht dreier in Umfangsrichtung U angeordneter und aneinandergefügter Turbinenleitschaufelanordnungen TL1, TL2, TL3. Die jeweils paarweise unmittelbar in Umfangsrichtung U formschlüssig gefügten Turbinenleitschaufelanordnungen TL1, TL2, TL3 gehen einen mechanischen Ringverbund ein. Hierbei überragen jeweils die kragenartig ausgebildeten Strukturen 9 die Ausnehmungen 10 der jeweils benachbarten Turbinenleitschaufelanordnung, wie dies insbesondere aus der Querschnittsdarstellung gemäß 4b zu entnehmen ist.
Durch den Formschluss zwischen jeweils zwei benachbarten Turbinenschaufelanordnungen vermögen sich insbesondere die radial nach außen und radial nach innen gerichteten Kräfte FA und FI gegenseitig weitgehend zu kompensieren. Durch einen derartigen Kräfteausgleich im Bereich der Formschlussverbindungen reduziert sich zugleich der Kraft- bzw. Lasteintrag auf die die Turbinenschaufelanordnung fixierende Trägerstruktur. Dies trägt dazu bei, dass die mechanischen Belastungen der Trägerkomponenten deutlich reduziert werden. Dies wiederum steigert die Lebensdauer derartiger Trägerkomponenten und/oder verringert bzw. vermeidet den bisher zu betreibenden Kühlungsaufwand derartiger Komponenten.
In vorteilhafter Weise trägt die erfindungsgemäße Maßnahme eines in Umfangsrichtung gegenseitigen Formschlusses jeweils zweier benachbarter Turbinenschaufelanordnungen dazu bei, die Gesamtperformance einer dementsprechend ausgerüsteten Turbine zu verbessern.
Bezugszeichenliste

1, 2: Schaufelblatt
3: radial äußeres Deckband
3': radial inneres Deckband
4: Schaufelfuß
5: Schaufelfußvorderkante
5': Befestigungshaken
8: Schaufelfußhinterkante
8': Befestigungshaken
7, 8: Schaufelfußseiten
9: überkragende Struktur
9': Abstützfläche
10: Ausnehmung
11: Abstützfläche
R: Radialrichtung
U: Umfangsrichtung
A: Axialrichtung
TL1, TL2, TL3: Turbinenleitschaufelanordnungen
FI: radial nach innen gerichtete Kraft
FA: radial nach außen gerichtete Kraft

Claims

Schaufelanordnung für eine rotierende Strömungsmaschine, mit einem Schaufelfuss, der eine anströmseitige Schaufelfußvorderkante und eine abströmungsseitige Schaufelfußhinterkante aufweist, an denen jeweils ein Befestigungshaken vorgesehen ist, der jeweils in eine gegenkonturierte, in Umfangsrichtung zur Strömungsmaschine verlaufende Aufnahmenut einer Komponente der Strömungsmaschine einfügbar ist, und der zwei jeweils die Schaufelfußvorder- und -hinterkante miteinander seitlich verbindende Schaufelfußseiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass längs der einen Schaufelfußseite eine die Schaufelfußseite seitlich in Umfangsrichtung überkragende Struktur vorgesehen ist, und dass längs der anderen Schaufelfußseite zumindest eine Abstützfläche vorgesehen ist, längs der die überkragende Struktur eines benachbart in die Aufnahme eingebrachten Schaufelfußes unter Ausbildung eines Formschlusses zur Anlage gelangt.
Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche längs der jeweils anderen Schaufelfußseite in Radialrichtung nach aussen orientiert ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche längs der jeweils anderen Schaufelfußseite Teil einer Aufnahme längs der Schaufelfußseite ist, und dass die Aufnahme zumindest abschnittsweise gegenkonturiert zur der überkragenden Struktur ausgebildet ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme sowie die überkragende Struktur in Art einer Feder-Nut-Kontur ausgebildet sind.
Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Abstützfläche sowie die überkragende Struktur jeweils zur Aufnahme von in Radialrichtung wirkenden Kräften ausgebildet sind.
Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die überkragende Struktur jeweils die eine Schaufelfußseite kragenartig überragt und eine radial nach innen gewandte Abstützfläche vorsieht, die in Form und Größe komplementär zu der radial nach aussen gewandten Abstützfläche ausgebildet ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die überkragende Struktur einstückig oder mehrstückig mit dem Schaufelfuss verbunden ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine Leitschaufel ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Strömungsmaschine eine Turbine ist.
Schaufelanordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel eine Leitschaufel für eine stationäre Gasturbine ist.