DE102019135335A1

DE102019135335A1 - Hybrid-laufschaufeln für turbinentriebwerke

Info

Publication number: DE102019135335A1
Application number: DE102019135335.1A
Authority: DE
Inventors: John McConnell Delvaux; Markus Feigl; Matthew Troy Hafner; Michael Anthony WONDRASEK; James Zhang; Peter de DIEGO
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US10822955B2; US20200208528A1

Abstract

Eine Gasturbine (10) schließt eine Laufschaufel (16) ein, die ein Schaufelblatt (25) einschließt. Das Schaufelblatt (25) kann nicht fest eingebaute Basisabschnitte und obere Abschnitte (101, 102) einschließen. Das Schaufelblatt kann ein Stiftverbindung (145) einschließen, die den oberen Abschnitt (102) mit dem Basisabschnitt (101) verbindet. Die Stiftverbindung (145) kann einschließen: einen Streifen (147), der sich von dem oberen Abschnitt (102) aus erstreckt; einen komplementären Schlitz (148), der in dem Basisabschnitt (101) zum Aufnehmen des Streifens (147) ausgebildet ist; einen länglichen Stifthohlraum (150), der durch einen Innenbereich des Schaufelblattes (25) ausgebildet ist, wobei der Stifthohlraum (150) den Schlitz (148) zum Trennen des Stifthohlraums (150) in erste und zweite Stifthohlraum-Segmente teilt; einen Streifendurchlass (151), der durch den Streifen (147) ausgebildet ist, wobei der Streifendurchlass (151) zum Ausrichten mit dem Stifthohlraum (150) ausgerichtet ist, sobald der Streifen (147) innerhalb des Schlitzes (148) aufgenommen worden ist; und einen Sicherungsstift (152), der sich kontinuierlich durch das erste Segment des Stifthohlraums (150), den Streifendurchlass (151) und das zweite Segment des Stifthohlraums erstreckt (150).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Laufschaufeln in Gasturbinentriebwerken. Insbesondere, aber nicht einschränkend, bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf die Konstruktion und Herstellung von Laufschaufeln mit Hybrid-Schaufelblättern zur Verwendung in Turbinentriebwerken.
Im Allgemeinen schließen Verbrennungs- oder Gasturbinentriebwerke (nachfolgend „Gasturbinen“) Verdichter- und Turbinenabschnitte ein, in denen Schaufelkränze in Stufen axial gestapelt sind. Jede Stufe schließt in der Regel einen Kranz von in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln, die fest montiert sind, und einen Kranz von Laufschaufeln, die sich um eine mittlere Turbinenachse oder -welle drehen ein. Im Betrieb werden im Allgemeinen die Verdichterlaufschaufeln um die Welle gedreht und verdichten zusammen mit den Leitschaufeln einen Luftstrom. Diese Druckluftzufuhr wird dann in einer Brennkammer verwendet, um eine Brennstoffzufuhr zu verbrennen. Der sich ergebende Strom von heiß expandierenden Verbrennungsgasen, der oft als Arbeitsfluid bezeichnet wird, wird dann durch den Turbinenabschnitt des Triebwerks expandiert. Innerhalb der Turbine wird das Arbeitsfluid durch die Leitschaufeln auf die Laufschaufeln umgelenkt, um eine Drehung zu bewirken. Die Laufschaufeln sind mit einer zentralen Welle verbunden, so dass die Drehung der Laufschaufeln die Welle dreht. Auf diese Art wird die in dem Brennstoff enthaltene Energie in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt, die beispielsweise zum Drehen der Laufschaufeln des Verdichters verwendet wird, um die für die Verbrennung benötigte Druckluftzufuhr herzustellen und beispielsweise die Spulen eines Generators zur Erzeugung elektrischer Leistung zu drehen. Während des Betriebs werden aufgrund der Temperaturen des Heißgaspfades, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Drehgeschwindigkeit des Motors die Laufschaufeln in der Turbine extremen mechanischen und thermischen Spannungen ausgesetzt.
Viele industrielle Anwendungen, wie jene mit Energieerzeugung und in der Luftfahrt, zählen noch immer stark auf Gasturbinen, und aus diesem Grund bleibt die Entwicklung von effizienteren Triebwerken eine wichtige Aufgabe. Selbst schrittweise Fortschritte in der Maschinenleistung, Effizienz oder Kosteneffektivität stellen einen signifikanten Vorteil in den zunehmend konkurrenzfähigen Märkten bereit, die von dieser Technologie betroffen sind. Während es mehrere bekannte Strategien zum Verbessern der Effizienz von Gasturbinen gibt, wie beispielsweise Vergrößern des Triebwerks, Erhöhen der Temperaturen durch den Heißgaspfad oder Erhöhen der Drehgeschwindigkeiten der Laufschaufeln, stellt jede von diesen im Allgemeinen eine zusätzliche Belastung für die Schaufeln und andere heißgasbeaufschlagte Komponenten dar, die bereits nahe der Grenzen herkömmlicher Konstruktionen liegen. Dementsprechend bleibt ein Bedarf für verbesserte Vorrichtungen, Verfahren und/oder Systeme, die in der Lage sind, diese betrieblichen Spannungen zu verringern oder alternativ die Haltbarkeit der Komponenten zu verbessern, um diesen besser standzuhalten. Dieser Bedarf ist besonders offensichtlich in Bezug auf Turbinenlaufschaufeln, wo die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt außerordentlich hoch ist und die vielen Konstruktionsüberlegungen miteinander zusammenhängen und vielschichtig sind. Im eigentlichen Sinn stellen neuartige Laufschaufelgestaltungen, wie jene hierin präsentierte, welche diese Überlegungen in einer Weise ausgleichen, dass ein oder mehrere Leistungskriterien optimiert oder verbessert werden, technologische Vorteile von beträchtlichem Wert dar-gleichzeitig werden die strukturelle Robustheit, die Lebensdauer der Teile, der kostengünstige Triebwerksbetrieb und/oder die effiziente Verwendung von Kühlmittel angemessen gefördert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit eine Gasturbine, die eine Laufschaufel umfasst, welche ein Schaufelblatt einschließt. Das Schaufelblatt kann nicht fest eingebaute Abschnitte einschließen, in denen: ein Basisabschnitt des Schaufelblattes aus einem ersten Material hergestellt ist; und ein oberer Abschnitt des Schaufelblattes aus einem zweiten Material hergestellt ist. Das Schaufelblatt kann eine Stiftverbindung einschließen, die den oberen Abschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet. Die Stiftverbindung kann einschließen: einen Streifen, der sich von einem des Basisabschnitts und des oberen Abschnitts aus erstreckt; einen zusätzlichen Schlitz zum Aufnehmen des Streifens, wobei der Schlitz in dem anderen von dem Basisabschnitt und dem oberen Abschnitt ausgebildet ist; einen länglichen Stifthohlraum, der durch einen inneren Bereich des Schaufelblattes, der sich neben dem Schlitz befindet, ausgebildet ist, wobei der Stifthohlraum den Schlitz so schneidet, dass der Stifthohlraum in erste und zweite Stifthohlraumsegmente unterteilt ist, die sich von dem Schlitz von den ersten und zweiten Öffnungen aus, die der ersten und zweiten Seitenwand des Schlitzes gegenüberliegen, weg erstrecken; einen durch den Streifen ausgebildeten Streifendurchlass, wobei der Streifendurchlass so positioniert ist, dass er mit dem Stifthohlraum ausgerichtet ist, nachdem der Streifen in dem Schlitz aufgenommen wurde; und einen Sicherungsstift, der sich kontinuierlich durch das erste Segment des Stifthohlraums, den Streifendurchlass und den zweiten Abschnitt des Stifthohlraums erstreckt.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden und geschätzt, für die gilt:

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbine, die Turbinenschaufeln gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung einschließen kann;
2 ist eine Schnittansicht des Verdichterabschnitts des Gasturbinentriebwerks von 1;
3 ist eine Schnittansicht des Turbinenabschnitts des Gasturbinentriebwerks von 1;
4 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel, die eine innere Kühlkonfiguration und eine strukturelle Anordnung gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung einschließt;
5 ist eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 5 - 5 von 4;
6 ist eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 6 - 6 von 4;
7 ist eine Schnittansicht entlang der Sichtlinie 7 - 7 von 4;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel mit einer Teile umspannenden Ummantelung, die eine Konfiguration gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung einschließt;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften ausgebauten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt und einem Schwalbenschwanzverbinder gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
10 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit einer Schwalbenschwanzverbinderausführungsform, die ein Montageverfahren zeigt;
11 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Schwalbenschwanzverbinder gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
12 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften ausgebauten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Klemmverbinder gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
13 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften ausgebauten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Klemmverbinder gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
14 ist eine Schnittansicht von vorne einer beispielhaften Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Klemmverbinder gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
15 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften ausgebauten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Stiftverbindung gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
16 ist eine Durchsicht einer beispielhaften montierten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Stiftverbindung gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
17 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften ausgebauten Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Stiftverbindung gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung; und
18 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Laufschaufel mit einem Hybrid-Schaufelblatt mit Stiftverbindung gemäß möglichen Gesichtspunkten und Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Anmeldung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung ersichtlich sein oder durch das Praktizieren der Offenbarung gelernt werden. Es wird nun im Detail auf die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet numerische Bezeichnungen zur Bezugnahme auf Merkmale in den Zeichnungen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung können verwendet werden, um auf gleiche oder ähnliche Teile von Ausführungsformen der Offenbarung Bezug zu nehmen. Es versteht sich, dass jedes Beispiel durch Erläuterung bereitgestellt ist und nicht auf die Offenbarung begrenzt ist. Tatsächlich wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass Änderungen und Abweichungen an der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von Umfang oder Sinn abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung diese Modifikationen und Variationen abdeckt, soweit sie innerhalb den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Es versteht sich, dass die hierin genannten Bereiche und Grenzen alle Teilbereiche einschließen, die sich innerhalb der vorgegebenen Grenzen befinden, einschließlich der Grenzen selbst, sofern nicht anders angegeben. Zusätzlich wurden bestimmte Begriffe ausgewählt, um die vorliegende Erfindung und ihre Komponentenuntersysteme und Teile zu beschreiben. Soweit möglich, wurden diese Begriffe auf der Grundlage der dem Technologiebereich gemeinsamen Terminologie gewählt. Dennoch ist zu beachten, dass solche Begriffe oft unterschiedlichen Interpretationen unterliegen. So kann beispielsweise das, was hierin als einzelne Komponente bezeichnet werden kann, an anderer Stelle als aus mehreren Komponenten bestehend bezeichnet werden, oder das, was hierin als mehrere Komponenten einschließend bezeichnet werden kann, kann an anderer Stelle als eine einzige Komponente bezeichnet werden. Daher sollte beim Verständnis des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung nicht nur auf die im Einzelnen verwendete Terminologie, sondern auch auf die beigefügte Beschreibung und den Kontext sowie die Struktur, Konfiguration, Funktion und/oder Verwendung der Komponenten geachtet werden, auf die Bezug genommen wird, einschließlich der Art und Weise, in der sich der Begriff auf die verschiedenen Figuren bezieht, sowie natürlich auf die Verwendung der Terminologie in den beigefügten Ansprüchen. Die folgenden Beispiele sind in Bezug auf bestimmte Typen von Turbinentriebwerken dargestellt. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Technologie der vorliegenden Anmeldung ohne Einschränkung auf andere Kategorien von Turbinentriebwerken anwendbar sein kann, was vom Durchschnittsfachmann des jeweiligen technischen Gebiets ohne Weiteres anerkannt wird. Dementsprechend ist, sofern nicht anders angegeben, die Verwendung des Begriffs „Turbinentriebwerk“ hierin weitläufig beabsichtigt, ohne die Verwendung der beanspruchten Offenbarung mit verschiedenen Arten von Turbinentriebwerken, einschließlich verschiedenen Arten von Verbrennungs- oder Gasturbinentriebwerken und Dampfturbinentriebwerken zu beschränken.
Angesichts der Art des Betriebs von Turbinentriebwerken können sich mehrere Begriffe als besonders nützlich erweisen, um bestimmte Gesichtspunkte ihrer Funktion zu beschreiben. Beispielsweise werden hier die Begriffe „stromabwärts“ und „stromaufwärts“ verwendet, um die Position innerhalb einer bestimmten Leitung oder eines bestimmten Strömungspfades in Bezug auf die Richtung der Strömung oder „Strömungsrichtung“ eines sich durch sie bewegenden Fluids anzuzeigen. So bezieht sich der Begriff „stromabwärts“ auf die Richtung, in der ein Fluid durch die angegebene Leitung strömt, während „stromaufwärts“ sich auf die entgegengesetzte Richtung bezieht. Diese Begriffe sind so auszulegen, dass sie sich auf die Strömungsrichtung durch die Leitung bei normalem oder erwartetem Betrieb beziehen. Aufgrund der Konfiguration von Turbinentriebwerken, insbesondere der Anordnung der Komponenten um eine gemeinsame oder mittlere Welle, werden Begriffe, welche die Position in Bezug auf eine Achse beschreiben, regelmäßig verwendet. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass sich der Begriff „radial“ auf eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse bezieht. Diesbezüglich kann es erforderlich sein, den relativen Abstand von der Mittelachse zu beschreiben. In solchen Fällen, wenn beispielsweise eine erste Komponente näher an der Mittelachse liegt als eine zweite Komponente, wird die erste Komponente entweder als „radial nach innen gerichtet“ oder „einwärts“ der zweiten Komponente beschrieben. Wenn andererseits die erste Komponente weiter von der Mittelachse entfernt ist als die zweite, wird die erste Komponente entweder als „radial nach außen gerichtet“ oder „auswärts“ der zweiten Komponente beschrieben. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „axial“ auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse, während sich der Begriff „umlaufend“ auf eine Bewegung oder Position um eine Achse bezieht. Sofern nicht anders angegeben oder durch den Zusammenhang klar ersichtlich, sollten diese Begriffe so ausgelegt werden, dass sie sich auf die Mittelachse der Turbine beziehen, wie sie durch die durchgehende Welle definiert ist, auch wenn diese Begriffe Attribute von nicht eingegliederten Komponenten-wie Lauf- oder Leitschaufeln-beschreiben oder beanspruchen, die darin fungieren. Schließlich bezieht sich der Begriff „Laufschaufel“ auf die Schaufeln, die sich während des Betriebs um die Mittelachse des Turbinentriebwerks drehen, während sich der Begriff „Leitschaufel“ auf die Schaufeln bezieht, die stationär bleiben.
Durch den Stand der Technik, insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren, veranschaulichen 1 bis 3 ein beispielhaftes Gasturbinentriebwerk (oder „Gasturbine“) gemäß der vorliegenden Erfindung oder innerhalb des Hintergrunds, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Wie in 1 veranschaulicht, schließt eine Gasturbine 10 einen vorgelagerten Verdichterabschnitt (oder „Verdichter“) 11 ein, der mechanisch durch eine gemeinsame Welle oder einen gemeinsamen Rotor mit einem nachgelagerten Turbinenabschnitt (oder „Turbine“) 12 gekoppelt ist. Eine Brennkammer 13 ist zwischen dem Verdichter 11 und der Turbine 12 positioniert. Die Gasturbine 10 ist um eine gemeinsame Mittelachse 19 ausgebildet.
2 stellt eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 11 dar, der im Gasturbinentriebwerk von 1 verwendet werden kann. Wie gezeigt, kann der Verdichter 11 eine Vielzahl von Stufen aufweisen, von denen jede einen Kranz Verdichterlaufschaufeln 14 und einen Kranz Verdichterleitschaufeln 15 einschließt. Somit kann eine erste Stufe einen Kranz Verdichterlaufschaufeln 14 einschließen, die sich um eine mittlere Welle drehen, gefolgt von einem Kranz Verdichterleitschaufeln 15, die während des Betriebs stationär bleiben.
3 veranschaulicht eine Teilansicht eines beispielhaften Turbinenabschnitts oder einer Turbine 12, der/die in dem Gasturbinentriebwerk von 1 verwendet werden kann. Die Turbine 12 kann auch eine Vielzahl von Stufen einschließen. Drei beispielhafte Stufen sind dargestellt, es können jedoch mehr oder weniger vorhanden sein. Jede Stufe kann eine Vielzahl von Turbinendüsen oder Leitschaufeln 17 einschließen, die während des Betriebs stationär bleiben, gefolgt von einer Vielzahl von Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln 16, die sich während des Betriebs um die Welle drehen. Die Turbinenleitschaufeln 17 sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse herum an einem Außengehäuse befestigt. Die Turbinenlaufschaufeln 16 können auf einem Turbinenrad oder einer Rotorscheibe (nicht gezeigt) zur Drehung um eine Mittelachse montiert sein. Es versteht sich, dass die Turbinenleitschaufeln 17 und die Turbinenlaufschaufeln 16 in dem Heißgaspfad oder Arbeitsfluidströmungspfad durch die Turbine 12 liegen. Die Strömungsrichtung der Verbrennungsgase oder des Arbeitsfluids in dem Arbeitsfluidströmungspfad ist durch den Pfeil angedeutet.
In einem Betriebsbeispiel für das Gasturbinentriebwerk 10 kann die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 innerhalb des Axialverdichters 11 einen Luftstrom verdichten. In der Brennkammer 13 kann Energie freigesetzt werden, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Der sich ergebende Strom heißer Gase oder das Arbeitsfluid aus der Brennkammer 13 wird dann über die Turbinenlaufschaufeln 16 geleitet, was die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 16 um die Welle induziert. Auf diese Weise wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in die mechanische Energie der rotierenden Schaufeln und, aufgrund der Verbindung zwischen den Laufschaufeln und der Welle, der rotierenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann dann dazu verwendet werden, die Drehung der Verdichterlaufschaufeln 14 anzutreiben, sodass die notwendige Zufuhr von Druckluft erzeugt wird, sowie beispielsweise ein Generator zur Erzeugung von Elektrizität.
4 bis 7 stellen Ansichten einer Turbinenlaufschaufel 16 bereit, die gemäß oder im Rahmen der Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung praktiziert werden können. Wie zu erkennen ist, werden diese Figuren zur Veranschaulichung gemeinsamer Konfigurationen von Laufschaufeln bereitgestellt und skizzieren räumliche Beziehungen zwischen Komponenten und Bereichen, in denen diese Schaufeln später verwendet werden, während auch die geometrischen Einschränkungen und andere Kriterien, welche die innere und äußere Ausgestaltung davon betreffen, beschrieben werden. Während die Schaufel in diesem Beispiel eine Laufschaufel ist, versteht es sich, dass, falls nicht anders angegeben, die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Schaufeln in der Gasturbine angewendet werden kann. Wie oben festgestellt, kann die Beschreibung derartiger Komponenten Terminologie einschließen, die Bedeutungen auf Grundlage der Ausrichtung und Funktion des Gasturbinentriebwerks und insbesondere der Ausrichtung und Funktion innerhalb des Strömungspfads das Arbeitsfluids ableitet. Somit kann beispielsweise eine Beschreibung, die sich auf die Laufschaufel bezieht, unter der Annahme verstanden werden, dass die Laufschaufel richtig installiert ist und innerhalb des Triebwerks unter den erwarteten oder normalen Betriebsbedingungen arbeitet, wo dies aufgrund des Zusammenhangs anwendbar ist.
Die Laufschaufel 16 kann, wie veranschaulicht, einen Fuß 21 einschließen, der zum Anbringen an einer Rotorscheibe ausgebildet ist. Der Fuß 21 kann zum Beispiel ein Verbindungsstück 22 einschließen, das zur Montage in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz in dem Umfang einer Rotorscheibe ausgebildet ist. Der Fuß 21 kann ferner einen Schaft 23 einschließen, der sich zwischen dem Verbindungsstück 22 und einer Plattform 24 erstreckt. Die Plattform 24 bildet, wie dargestellt, im Allgemeinen die Verbindung zwischen dem Fuß 21 und einem Schaufelblatt 25, wobei das Schaufelblatt 25 die aktive Komponente der Laufschaufel 16 ist, welche die Strömung des Arbeitsfluids durch die Turbine 12 unterbricht und die gewünschte Rotation herbeiführt. Die Plattform 24 kann somit das Ende einwärts des Schaufelblattes 25 definieren. Die Plattform kann auch einen Abschnitt der Begrenzung einwärts des Arbeitsfluidströmungspfades durch die Turbine 12 definieren.
Das Schaufelblatt 25 des Rotorblatts kann üblicherweise eine konkave Druckfläche 26 und eine in Umfangsrichtung oder lateral entgegengesetzte konvexe Saugfläche 27 einschließen. Die Druckfläche 26 und die Saugfläche 27 können sich axial jeweils zwischen den gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten 28, 29 und in der radialen Richtung zwischen einem einwärts liegenden Ende, das an der Verbindung mit der Plattform 24 definiert sein kann, und einer auswärts liegenden Spitze 31 erstrecken. Das Schaufelblatt 25 kann eine gekrümmte oder geschwungene Form aufweisen, die ausgebildet ist, um die gewünschte aerodynamische Leistung zu fördern. Wie in 4 und 5 veranschaulicht, kann sich die Form des Schaufelbllattes 25 allmählich verengen, da es sich zwischen der Plattform 24 und der auswärts liegenden Spitze 31 erstreckt. Die Verengung kann eine Achsverengung einschließen, die den Abstand zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 29 des Schaufelbllattes 25 verkleinert, wie in 4 veranschaulicht, sowie eine Verkleinerung des Umfangs, welche die Dicke des Schaufelbllattes 25 reduziert, wie zwischen der Saugseite 26 und der Druckseite 27 definiert, wie in 5 veranschaulicht. Wie in 6 und 7 gezeigt, kann die geschwungene Form des Schaufelbllattes 25 ferner eine Verdrehung um die Längsachse des Schaufelbllattes 25 einschließen, wenn es sich von der Plattform 24 aus erstreckt. Wie zu erkennen ist, kann die Verdrehung eingeschlossen sein, um einen Staffelungswinkel für das Schaufelblatt 25 graduell zwischen dem einwärts liegenden Ende und auswärts liegenden Spitze 31 zu variieren.
Für beschreibende Zwecke kann, wie in 4 gezeigt, das Schaufelblatt 25 der Laufschaufel 16 ferner so beschrieben werden, dass es einen ganzen oder halben Vorderkantenabschnitt oder einen ganzen oder halben Hinterkantenabschnitt einschließt, die auf jeder Seite einer axialen Mittellinie 32 definiert sind. Die axiale Mittellinie 32 kann gemäß ihrer Verwendung hierin gebildet werden, indem die Mittelpunkte 34 der Wölbungslinien 35 des Schaufelblattes 25 zwischen der Plattform 24 und auswärts liegenden Spitze 31 verbunden werden. Außerdem kann das Schaufelblatt 25 so beschrieben werden, dass es zwei radial übereinander liegende Abschnitte einschließt, die einwärts und auswärts einer radialen Mittellinie 33 des Schaufelbllattes 25 definiert sind. Somit erstreckt sich, wie hierin verwendet, ein ganzer oder halber Einwärtsabschnitt des Schaufelbllattes 25 zwischen der Plattform 24 und der radialen Mittellinie 33, während sich ein ganzer oder halber Auswärtsabschnitt zwischen der radialen Mittellinie 33 und auswärts liegenden Spitze 31 erstreckt. Schließlich kann das Schaufelblatt 25 so beschrieben werden, dass es einen ganzen oder halben Druckflächenabschnitt und einen ganzen oder halben Saugflächenabschnitt einschließt, die, wie zu erkennen ist, auf jeder Seite der Wölbungslinie 35 des Schaufelbllattes 25 und der entsprechenden Fläche 26, 27 des Schaufelbllattes 25 definiert sind.
Die Laufschaufel 16 kann ferner eine interne Kühlkonfiguration 36 mit einem oder mehreren Kühlkanälen 37 einschließen, durch die während des Betriebs ein Kühlmittel zirkuliert. Diese Kühlkanäle 37 können sich von einer Verbindung zu einer Versorgungsquelle radial nach außen erstrecken, die durch den Fuß 21 der Laufschaufel 16 gebildet wird. Die Kühlkanäle 37 können linear, gekrümmt oder eine Kombination davon sein und können einen oder mehrere Auslass- oder Oberflächenöffnungen einschließen, durch die Kühlmittel aus der Laufschaufel 16 in den Arbeitsfluidströmungspfad ausgestoßen wird.
8 stellt Ansichten einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel mit einer Ummantelung, welche die Mitte oder einen Teil überspannt, bereit, welche gemäß der vorliegenden Erfindung oder im Rahmen der Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung praktiziert werden können. Insbesondere wird eine perspektivische Ansicht einer Laufschaufel 16 bereitgestellt, wobei das Schaufelblatt 25 eine beispielhafte Teile umspannende Ummantelung 75 einschließt. Im Allgemeinen ist die Teile umspannende Ummantelung 75 ausgebildet, benachbarte Schaufelblätter innerhalb eines Kranzes eingebauter Laufschaufeln 16 zu überspannen. Teile umspannende Ummantelungen sind im Allgemeinen so positioniert, dass sie radial mit dem mittleren Bereich des Schaufelblattes 25 zusammenfallen. Dementsprechend können Teile umspannende Ummantelungen 75 nahe der radialen Mittellinie 33 des Schaufelbllattes 25 positioniert werden, wie in 4 gezeigt. Gemäß einer hierin verwendeten Definition können Teile umspannende Ummantelungen 75 grob als Umspannungen definiert werden, die einwärts einer auswärts liegenden Spitze 31 des Schaufelbllattes 25 und auswärts einer Plattform 24 positioniert sind. Gemäß einer anderen hierin verwendeten Definition kann eine Teile umspannende Ummantelung 75 auch als eine innerhalb eines radialen Bereichs des Schaufelbllattes 25 gelegene Ummantelung definiert werden. Somit kann gemäß bestimmten Ausführungsformen dieser radiale Bereich als Grenze einwärts von etwa 25 % der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 und einer Grenze auswärts von etwa 85 % der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 definiert werden. Gemäß anderen spezifischeren Ausführungsformen ist der Positionsbereich einer Teile umspannenden Ummantelung 75 als Bereich zwischen einer Grenze einwärts von etwa 33 % der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 und einer Grenze auswärts von etwa 66 % der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 definiert.
Die Teile umspannende Ummantelung 75 kann flügelartige Vorsprünge einschließen, die sich von den Seiten des Schaufelbllattes 25 aus erstrecken. Jeder dieser flügelartigen Vorsprünge kann gemäß der Fläche 26, 27 des Schaufelbllattes 25, von der aus er sich erstreckt, bezeichnet werden. Somit ist für die Zwecke der Beschreibung hierin die Teile umspannende Ummantelung 75 Bezug genommen, die einen Druckflügel 76, der aus der Druckseite 26 des Schaufelbllattes 25 ragt, und einen Saugflügel 77, der aus der Saugseite 27 des Schaufelbllattes 25 ragt, einschließt. Wie veranschaulicht, kann jeder der Flügel 76, 77 als axial und in Umfangsrichtung ragende Komponente ausgebildet sein, die in den radialen Ausmaßen vergleichsweise dünn im Vergleich zu der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 ist. Jeder der Flügel 76, 77 der Teile umspannenden Ummantelung 75 kann ausgebildet sein, um funktional mit dem gegenüberliegenden der Flügel 76, 77 einer benachbarten Laufschaufel, die neben ihm innerhalb des Schaufelkranzes positioniert ist, zusammenspielen. Insbesondere kann der Druckflügel 76, der sich von der Druckfläche 26 einer ersten Laufschaufel 16 erstreckt, ausgebildet sein, um mit dem Saugflügel 77, der sich von der Saugfläche 27 einer zweiten Laufschaufel 16 aus erstreckt, die sich auf einer Seite der ersten Laufschaufel 16 befindet, zusammenzuspielen. In ähnlicher Weise kann der Saugflügel 77, der sich von der Saugfläche 27 der ersten Laufschaufel 16 aus erstreckt, ausgebildet sein, um mit dem Druckflügel 76, der sich von der Druckfläche 26 einer dritten Laufschaufel 16 aus erstreckt, die sich auf der anderen Seite der ersten Laufschaufel 16 befindet, zusammenzuspielen. Auf diese Weise kann die Teile umspannenden Ummantelungen 75 verwendet werden, um während des Betriebs eine Kontaktstelle zwischen den Schaufelblättern 25 der benachbarten Laufschaufeln 16 zu bilden. Diese Kontaktstelle kann vorübergehend oder konstant sein und kann von einem Betriebsmodus der Gasturbine abhängen. Wie zu erkennen ist, kann die Verbindung der Schaufelblätter 25 der Laufschaufeln 16 auf diese Weise die Erhöhung der Eigenfrequenz der Anordnung und Dämpfung betriebsbedingter Vibrationen bewirken, was die gesamten mechanischen Spannungen auf die Laufschaufeln 16 reduzieren und zu einer Verlängerung der Lebensdauer führen kann. Wie hierin verwendet, ist ein distales Ende des Druckflügels als eine Druckflügelumfangsfläche 86 ausgebildet, und ein distales Ende des Saugflügels wird als eine Saugflügelumfangsfläche 87 bezeichnet.
Nunmehr mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen 9 bis 18 Turbinenlaufschaufeln dar, die eine hybride Schaufelblattkonstruktion aufweisen, wobei ein oberer Abschnitt des Schaufelbllattes aus einem anderen Material als der Basisabschnitt des Schaufelbllattes hergestellt ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist der obere Teil aus einem leichteren Werkstoff, wie einem Verbundwerkstoff, hergestellt, wobei der Basisabschnitt ein schwereres Material bleibt, wie ein Metall. Wie zu erkennen ist, sind die meisten herkömmlichen Laufschaufeln vollständig aus Metall hergestellt und erfordern aufgrund des resultierenden Gewichts eine erhebliche Menge Kühlluft und eine robuste Fußstruktur, um die Anforderungen an die Lebensdauer der Bauteile zu erfüllen. Durch das Ersetzen des oberen Teils des Schaufelblattes mit einem leichteren Werkstoff, wie auf diese Art hierin vorgeschlagen, kann die zentrifugale Zuglast auf die Laufschaufel deutlich reduziert werden. Diese Reduzierung kann verwendet werden, um die Lebensdauer der Laufschaufel zu verlängern, die Abhängigkeit von Kühlluft zu verringern und/oder höhere Brenntemperaturen zu ermöglichen, die alle eine höhere Leistung und Effizienz in Gasturbinen ermöglichen. Wie ersichtlich ist, ermöglichen die vorliegenden Hybrid-Schaufelblattkonfigurationen außerdem eine vereinfachte Geometrie für den oberen Abschnitt, was den gesamten Herstellungsprozess stark vereinfachen kann, insbesondere im Vergleich zur Herstellung der gesamten Laufschaufel aus Verbundwerkstoffen. Dementsprechend kann die kompliziertere geometrische Form des Basisabschnitts und des Fußes der Laufschaufel mittels konventioneller Verfahren aus Metall konstruiert werden, z. B. einteiliges Gussteil, während gemäß der vorliegenden Offenbarung die vereinfachte geometrische Form des oberen Abschnitts eine effiziente Konstruktion mit Verbundwerkstoffen und damit verbundenen herkömmlichen Herstellungsverfahren erlaubt.
Entsprechend der vorliegenden Offenbarung ist der zusammengesetzte obere Abschnitt des Schaufelbllattes aus Verbundwerkstoffen-der, wie zu sehen ist, als ein festes Stück konstruiert oder ausgehöhlt sein kann, um das Gewicht sogar noch weiter zu verringernüber ein Verbindungsstück an dem Basisabschnitt der Schaufel aus Metall gesichert. Gemäß den unten dargestellten beispielhaften Ausführungsformen kann dieses Verbindungsstück mehrere verschiedene Formen annehmen, wobei jede befunden wurde, die unterschiedlichen Materialarten der oberen und der Basisabschnitte des Schaufelbllattes in einer Weise zu verbinden, dass eine robuste Struktur gefördert, Spannungsverteilungseigenschaften verbessert und die Lebensdauer des Bauteils verlängert wird, während es auch kostengünstig herzustellen ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform-unter Bezugnahme auf 9 bis 11-schließt das Verbindungsstück eine Schwalbenschwanzverbindung ein, die eine formschlüssige Passung zwischen dem Basis- und dem oberen Schaufelblattabschnitt erzeugt. Alternative Ausführungsformen im Rahmen dieses Beispiels schließen Schwalbenschwanzverbindungen ein, die axial oder in Umfangsrichtung einrasten. Gemäß einer anderen Ausführungsform-unter Bezugnahme auf 12 bis 14-schließt das Verbindungsstück einen, was hierin als „Klemmverbinder“ bezeichnet wird, ein, um das Oberteil an dem Basisabschnitt des Schaufelblattes zu sichern. Schließlichunter Bezugnahme auf 15 bis 18-schließt das Verbindungsstück eine Stiftverbindung ein, wobei ein oder mehrere Pins das Oberteil mit dem Basisabschnitt des Schaufelbllattes sichern. Wie unten besprochen, schließen Alternativen in dieser Art von Konfiguration einzelne oder doppelte Stiftanordnungen ein.
Ferner kann gemäß beispielhaften Ausführungsformen das Hybrid-Schaufelblatt eine Teile umspannende Ummantelung einschließen, die nahe oder neben der Trenn- oder Schnittlinie liegt, welche die beiden Schaufelblattabschnitte trennt. Es hat sich gezeigt, dass der Einbau einer Teile umspannenden Ummantelung in Hybrid-Schaufelblattgestaltungen mehrere Vorteile bereitstellt. Da zum Beispiel Teile umspannende Ummantelungen Kontaktstellen zwischen benachbarten Schaufelblättern bereitstellen, kann deren Verwendung mit Hybrid-Schaufelblättern genutzt werden, um eine zusätzliche Unterstützung an kritischen Stellen an oder sehr nahe der Schnittstelle der verschiedenen Materialien bereitzustellen, was bestimmte Spannungskonzentrationen lindern kann, die an der Verbindung auftreten, und die Lebensdauer verlängern kann. Neben dem Tragen des Schaufelbllattes können Teile umspannende Ummantelungen auch zum Reduzieren der Vibrationen verwendet werden, die andernfalls die Verbindungsstücke von Hybrid-Schaufelblättern frühzeitig abnutzen könnten. Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von Teile umspannenden Ummantelungen schließt den räumlichen Vorteil ein, den sie für Hybrid-Schaufelblattverbinder bereitstellen. Wie zu erkennen ist-insbesondere im Hinblick auf die Stiftverbindung-können bestimmte Merkmale der Verbindungsstücke in den zusätzlichen Raum, der durch die Teile umspannenden Ummantelungen bereitgestellt wird, integriert werden, ohne ihre Funktion oder Leistung zu verschlechtern.
Einige allgemeine Eigenschaften und Merkmale in Bezug auf die Hybrid-Schaufelblätter der vorliegenden Offenbarung werden nun beschrieben. Sofern nicht anders angegeben, soll jede von diesen auf jede der in 9 bis 18 veranschaulichten Ausführungsformen angewandt und nachstehend erläutert werden. Zum Verständnis der vorliegenden Offenbarung sollte zusätzlich beachtet werden, dass, wenn Laufschaufeln und Schaufelblattbauteilen in Bezug auf Richtungs- oder Ausrichtungsmerkmale beschrieben werden, diese sich auf das Turbinentriebwerk beziehen, in dem die Bauteile verwendet werden. Somit geht diese Art der Beschreibung davon aus, dass das Bauteil in dem Turbinentriebwerk, z. B. der Gasturbine, richtig installiert und funktionstüchtig ist, sofern nicht anders angegeben. Wie hierin verwendet, können diese Ausrichtungsmerkmale der Gasturbine entsprechende radiale, axiale, umlaufende Positionierungen in Bezug auf die Mittelachse der Gasturbine, die sich durch den Verdichter und die Turbine erstreckt, einschließen. Es sind auch eine Vorwärtsrichtung und eine Rückwärtsrichtung in Bezug auf den Verdichter definiert, der sich an dem vorderen Ende der Gasturbine befindet, wobei die Turbine an dem hinteren Ende der Gasturbine positioniert ist.
Erstens, unter allgemeiner Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen der 9 bis 18 kann das Schaufelblatt 25 ein Schaufelblatt oder eine Schaufel zur Verwendung in einem Turbinentriebwerk sein. Insbesondere kann das Schaufelblatt 25 ein Schaufelblatt einer Laufschaufel 16, beispielsweise einer Turbinenlaufschaufel, in einer Gasturbine sein. Wie bereits erläutert, kann sich das Schaufelblatt 25 im Allgemeinen zwischen einer Verbindung mit einem Fuß 21 der Laufschaufel und einer auswärts liegenden Spitze 31 des Schaufelbllattes 25 erstrecken.
Wie zu erkennen ist, kann das Schaufelblatt 25 ein Hybrid-Schaufelblatt sein, das durch Verbinden nicht fest eingebauter Abschnitte des Schaufelbllattes ausgebildet ist. Wie hierin verwendet, können die nicht fest eingebauten Abschnitte einen Basisabschnitt 101 und einen oberen Abschnitt 102 einschließen. Jeder des Basisabschnitts 101 und des oberen Abschnitts 102 kann als ein radialer Abschnitt des Schaufelbllattes 25 definiert sein. Entlang der Oberfläche des Schaufelbllattes 25 können der Basisabschnitt 101 und der obere Abschnitt 102 aneinander stoßen oder sich entlang einer Schnittlinie 106 verbinden (gezeigt in den 11 und 16). Der Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 kann eine Auswärtsfläche 107 einschließen, die, wie zu erkennen ist, die Fläche ist, die beim Zusammenbau auf den oberen Abschnitt 102 stößt. Der Basisabschnitt 101 kann somit als der radiale Abschnitt des Schaufelblattes 25 beschrieben werden, der sich zwischen der Verbindung erstreckt, die das Schaufelblatt 25 mit dem Fuß 21 und der Auswärtsfläche 107 bildet. Der obere Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 kann eine Einwärtsfläche 108 einschließen, die, wie zu erkennen ist, beim Zusammenbau auf den Basisabschnitt 101 stößt. Der obere Abschnitt 102 kann somit als der radiale Abschnitt des Schaufelbllattes 25 beschrieben werden, der sich zwischen der auswärts liegenden Spitze 31 und der Einwärtsfläche 108 erstreckt. Es versteht sich, dass der Umfang der Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 und der Umfang der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 aneinander stoßen, um die Schnittlinie 106 zu bilden.
Zweitens, unter fortgesetzter Bezugnahme im Allgemeinen auf 9 bis 18, können der Basisabschnitt 101 und der obere Abschnitt 102 so ausgebildet sein, dass die Schnittlinie 106 nahe oder innerhalb des mittleren Abschnitts des Schaufelbllattes 25 verläuft. Zum Beispiel beträgt gemäß beispielhaften Ausführungsformen die radiale Höhe des oberen Abschnitts 102 zwischen 25 % und 55 % der radialen Höhe des Schaufelbllattes 25 (d. h. die Höhe von sowohl dem Basisabschnitt 101 und dem obere Abschnitt 102). Ferner kann, wenn das Schaufelblatt 25 eine Teile umspannende Ummantelung 75 einschließt, das Schaufelblatt 25 so ausgebildet sein, dass die Schnittlinie 106 nahe oder neben der Teile umspannenden Ummantelung 75 verläuft. Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen sind zum Beispiel der Basisabschnitt 101 und der obere Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 derart ausgebildet, dass die Schnittlinie 106 auswärts der Teile umspannenden Ummantelung 75 und auch nahe oder neben ihr verläuft.
Drittens, unter fortgesetzter Bezugnahme im Allgemeinen auf 9 bis 18, kann der obere Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 einen Hohlraum oder eine Einbuchtung 109 einschließen. Beispielsweise kann sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Einbuchtung 109 von einer Öffnung 110, die durch die auswärts liegenden Spitze 31 des Schaufelbllattes 25 gebildet wird, in den oberen Abschnitt 102 erstrecken. Gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht ein Grund für die Einbuchtung 109 darin, Gewicht von dem oberen Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 zu reduzieren. Somit kann die Einbuchtung 109 so ausgebildet sein, dass sie ein signifikantes Volumen in Bezug auf das Volumen des oberen Abschnitts 102 aufweist. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann die Einbuchtung 109 zum Beispiel ein Volumen von mehr als 1/4 des Volumens des oberen Abschnitts 102 aufweisen.
Schließlich, unter fortgesetzter Bezugnahme im Allgemeinen auf 9 bis 18, sind gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Basisabschnitt 101 und der obere Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Das heißt, das Schaufelblatt 25 kann durch Verbinden von nicht fest eingebauten Abschnitten aufgebaut sein, wobei: der Basisabschnitt 101 aus einem ersten Material hergestellt ist; und der obere Abschnitt 102 aus einem zweiten Material hergestellt ist. Im Allgemeinen ist das gewählte Material für den Basisabschnitt 101 ein schwereres Material als jenes, das für den oberen Abschnitt 102 ausgewählt wurde. Wie bereits erörtert, besteht ein Grund für diese Konfiguration darin, Gewicht von dem äußeren radialen Abschnitt des Schaufelblattes 25 zu reduzieren und dadurch die Zugbelastungen während des Betriebs signifikant zu reduzieren. Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen ist das erste Material des Basisabschnitts 101 ein Metall, zum Beispiel eine Stahl- oder Nickellegierung. Gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist das zweite Material des oberen Abschnitts 102 ein Verbundwerkstoff, zum Beispiel ein keramischer Verbundwerkstoff. Andere Materialien sind ebenfalls möglich.
Unter besonderer Bezugnahme auf die 9 bis 11 wird nun ein Verbindungsstück 100 gezeigt, das eine formschlüssige Passung zwischen den nicht fest eingebauten Abschnitten des Schaufelbllattes 25 erzeugt, d. h. dem Basisabschnitt 101 und dem oberen Abschnitt 102. In diesem Fall ist das Verbindungsstück 100 eine Schwalbenschwanzverbindung 105, die den oberen Abschnitt 102 an dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 sichert.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die Schwalbenschwanzverbindung 105 so beschrieben, dass sie komplementäre Formschlussmerkmale aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten zwischen dem Basisabschnitt 101 und dem oberen Abschnitt 102 ausgebildet sind und diese nach der Montage verbinden. Ein erstes Merkmal der Schwalbenschwanzverbindung 105 wird hierin als „Schwalbenschwanz“ 111 bezeichnet. Diese Terminologie soll jedoch nicht einschränkend sein und soll, sofern nicht anders ausgewiesen, weitläufig auf die männliche Komponente eines formschlüssigen Verbinders oder einer Schwalbenschwanzverbindung Bezug nehmen. Der Schwalbenschwanz 111 kann somit allgemein als ein geformter Vorsprung definiert sein, der sich von einer Oberfläche erstreckt, die ein Querschnittsprofil aufweist, das sich ausweitet oder vergrößert, wenn es sich von dieser Oberfläche weg erstreckt (oder sich von einer anderen Perspektive zuspitzt oder verengt, wenn es sich dieser Fläche nähert). Ein zweites Merkmal der Schwalbenschwanzverbindung 105 wird hierin als „Schwalbenschwanznut“ 112 bezeichnet, die das komplementäre Merkmal ist, das ausgebildet ist, um den Schwalbenschwanz 111 aufzunehmen und dadurch die formschlüssige Verbindung zu bilden. Nochmals, diese Terminologie soll nicht einschränkend sein und soll, sofern nicht anders ausgewiesen, weitläufig auf die weibliche Komponente eines formschlüssigen Verbinders oder einer Schwalbenschwanzverbindung Bezug nehmen. Somit kann die Schwalbenschwanznut 111 als eine Nut innerhalb einer Oberfläche definiert werden, die sich erweitert, je weiter sie sich in diese Oberfläche erstreckt (oder, aus einer anderen Perspektive, sich in Richtung der Oberfläche verengt).
Dementsprechend ist, wie hierin verwendet, die Schwalbenschwanzverbindung 105 ein Verbindungsstück mit mindestens einem solchen Schwalbenschwanz 111, der in mindestens einer dieser komplementären Schwalbenschwanznut 112 aufgenommen und untergebracht ist. Wie zu erkennen ist, können der Schwalbenschwanz 111 und die Schwalbenschwanznut 112 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Basisabschnitts 101 und des oberen Abschnitts 102 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sein. Zum Beispiel kann der Schwalbenschwanz 111 auf dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sein oder, wie in den veranschaulichten Beispielen gezeigt, kann der Schwalbenschwanz 111 auf dem oberen Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sein. Die Schwalbenschwanznut 112 kann auf dem oberen Abschnitt 102 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sein, oder, wie veranschaulicht, kann die Schwalbenschwanznut 112 auf dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sein.
Zum Beispiel kann der Schwalbenschwanz 111 ein Querschnittsprofil haben, das sich vergrößert, wenn es sich von der Oberfläche, auf der es ausgebildet wird, entfernt, was entweder jeweils die Auswärtsfläche 107 oder die Einwärtsfläche 108 des Basisabschnitts 101 oder des oberen Abschnitt 102 einschließt. Die Schwalbenschwanznut 112 kann ein Querschnittsprofil, das dem Schwalbenschwanz 111 entspricht, aufweisen, was in der schmäler werdenden Schwalbenschwanznut 112 resultiert, wenn sie sich der Oberfläche, in die sie ausgebildet wird, nähert, was entweder jeweils die Auswärtsseite 107 oder die Einwärtsseite 108 des Basisabschnitts 101 oder des oberen Abschnitts 102 des Schaufelbllattes 25 einschließt. Wie hierin verwendet, kann die Oberflächenöffnung, durch die die Schwalbenschwanznut 112 ausgebildet wird, als „Mund“ 113 bezeichnet werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Schwalbenschwanzverbindung 105 so ausgebildet, dass das Einrasten des Schwalbenschwanzes 111 innerhalb der Schwalbenschwanznut 112 verhindert, dass der obere Abschnitt 102 sich radial von dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 trennt. Es hat sich gezeigt, dass neben mehreren Vorteilen die formschlüssige Schwalbenschwanzverbindung 105 einen effektiven Widerstand gegen die Zugspannungen bildet, die während des Betriebs auf das Schaufelblatt 25 ausgeübt werden.
Wie in den beispielhaften Ausführungsformen der 9 und 10 gezeigt, kann die Schwalbenschwanzverbindung 105 der vorliegenden Offenbarung eine axial eingerastete Schwalbenschwanzverbindung sein. Wie hierin verwendet, ist eine axial eingerastete Schwalbenschwanzverbindung eine Verbindung, die über eine entsprechende Bewegung um die Achse (bezogen auf die Achse der Gasturbine) zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 einrastet. Wie veranschaulicht, kann gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Schwalbenschwanz 111 auf der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 positioniert sein und die Schwalbenschwanznut 112 kann sich von einem Mund 113, der auf der Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 definiert ist, in den Basisabschnitt 101 erstrecken. Bei dieser Anordnung hat der Schwalbenschwanz 111 ein Querschnittsprofil, das in seiner Länge, die in der axialen Richtung definiert ist, im Wesentlichen konstant bleibt, während dieses Profil so geschwungen ist, dass es sich in Umfangsrichtung vergrößert, wenn sich der Schwalbenschwanz 111 von der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 erstreckt. Die Schwalbenschwanznut 112 weist ein Querschnittsprofil auf, das der Form des Schwalbenschwanzes 111 entspricht. Somit weist die Schwalbenschwanznut 112 ein Querschnittsprofil auf, das in seiner Länge, die in axialer Richtung definiert ist, im Wesentlichen konstant bleibt, während dieses Profil so geschwungen ist, dass es sich in Umfangsrichtung erweitert, wenn sich die Schwalbenschwanznut 112 weiter in die Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 erstreckt.
Der Schwalbenschwanz 111 erstreckt sich länglich zwischen dem ersten und zweiten Ende, welche aufgrund der axialen Ausrichtung des Schwalbenschwanzes 111 auch als vorderes und hinteres Ende bezeichnet werden können. Die Positionierung dieser Enden kann variieren. Wie in 9 gezeigt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das vordere Ende des Schwalbenschwanzes 111 an der Vorderkante 28 des Schaufelbllattes 25 positioniert. In diesen Fällen definiert das vordere Ende des Schwalbenschwanzes 111 einen radialen Abschnitt der Vorderkante 28 des Schaufelbllattes 25, sobald der Schwalbenschwanz 111 vollständig in der Schwalbenschwanznut 112 eingerastet ist. Die Länge des Schwalbenschwanzes 111 kann variieren. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform von 9 ist die Länge des Schwalbenschwanzes 111 derart, dass das hintere Ende des Schwalbenschwanzes 111 jenseits einer axialen Mittellinie 32 des Schaufelbllattes 25 positioniert ist.
Wie die veranschaulichte Ausführungsform von 10 zeigt, kann sich der Schwalbenschwanz 111 jeweils zwischen dem vorderen und hinteren Ende, die von der Vorderkante 28 und der Hinterkante 29 des Schaufelbllattes 25 versetzt sind, länglich erstrecken. Das heißt, das vordere Ende ist in einem Abstand von der Vorderkante 28 des Schaufelbllattes 25 versetzt und das hintere Ende ist in einem Abstand von der Hinterkante 29 des Schaufelbllattes 25 versetzt. In solchen Fällen kann ein Montagedurchlass 114 neben der Schwalbenschwanznut 112 zum Zweck des Verbindens der Schwalbenschwanzverbindung 105 ausgebildet werden. Wie zu erkennen ist, ist der Montagedurchlass 114 ausgebildet, um den Schwalbenschwanz 111 aufzunehmen, so dass während der Installation der Schwalbenschwanz 111 durch den Montagedurchlass 114 gebracht werden kann, um eine radiale Ausrichtung mit der Schwalbenschwanznut 112 zu erreichen. Sobald diese Ausrichtung erreicht ist, kann der Schwalbenschwanz 111 dann über eine Bewegung in einer axialen Richtung in die Schwalbenschwanznut 112 geschoben werden. Wie in 10 gezeigt, können mehrere Schwalbenschwänze 111 und Schwalbenschwanznuten 112 bereitgestellt werden. In diesen Fällen wird einer der Montagedurchlässe 114 für jedes Paar bereitgestellt.
Wie in der beispielhaften Ausführungsform von 11 gezeigt, kann die Schwalbenschwanzverbindung 105 der vorliegenden Offenbarung eine in Umfangsrichtung eingerastete Schwalbenschwanzverbindung sein. Wie hierin verwendet, ist eine in Umfangsrichtung eingerastete Schwalbenschwanzverbindung eine Verbindung, die über eine entsprechende Umfangsbewegung (in Bezug auf die Achse der Gasturbine) zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 einrastet. In diesem Fall kann die Schwalbenschwanzverbindung 105 eine Vielzahl der Schwalbenschwänze 111, die sich von dem oberen Abschnitt 102 erstrecken, und eine Vielzahl der Schwalbenschwanznuten 112, die in dem Basisabschnitt 101 ausgebildet sind, einschließen. Jeder der Vielzahl der Schwalbenschwänze 111 kann in einer entsprechenden der jeweiligen Vielzahl von Schwalbenschwanznuten 112 gehalten werden. Die mehreren ineinander greifenden Schwalbenschwanz-/Schwalbenschwanznutpaarungen können verwendet werden, um eine effektive Widerstandsfähigkeit gegen Zugspannungen bereitzustellen, die auf das Schaufelblatt aufgebracht werden, sowie um Spannungsverteilungseigenschaften innerhalb der Verbindung zu verbessern. Sofern nicht speziell anders angegeben, versteht es sich, dass die Anzahl und Anordnung der ineinander greifenden Schwalbenschwanz-/Schwalbenschwanznutpaarungen sowie das spezielle Profil davon von der Ausgestaltung im Zusammenhang mit spezifischen Anwendungen abhängt.
Unter spezieller Bezugnahme auf die 12 bis 14 wird ein alternatives Verbindungsstück 100 zur Verwendung mit Hybrid-Schaufelblättern gezeigt. In diesem Fall wird ein „Klemmverbinder“ 115 verwendet, um den oberen Abschnitt 102 an einem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 zu sichern, der irgendeines der oben beschriebenen Schaufelblätter einschließen kann. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der Klemmverbinder 115 einschließen: einen Streifen 117, der sich von einem Basisabschnitt 101 und dem oberen Abschnitt 102 erstreckt; einen komplementären Schlitz 118 zum Aufnehmen des Streifens 117, der in dem anderen aus dem Basisabschnitt 101 und dem oberen Abschnitt 102 ausgebildet ist; eine erste Nut 121, die in einer Seite 123 des Streifens 117 ausgebildet ist; eine zweite Nut 122, die in einer Seite 124 des Schlitzes 118 ausgebildet ist; einen Rückhaltedurchlass 125 (siehe 14), welcher zusammen über eine Ausrichtung der ersten Nut 121 und der zweiten Nut 122 ausgebildet ist, sobald der Streifen 117 vollständig in dem Schlitz 118 aufgenommen wird; und einen Haltedraht 126, der in dem Rückhaltedurchlass 125 untergebracht ist (wie insbesondere in 14 gezeigt). Vorzugsweise ist der Haltedraht 126 so bemessen, dass er die erste Nut 121 und die zweite Nut 122 füllt, wenn er in dem Rückhaltedurchlass 125 installiert ist. Dementsprechend erzeugt der Haltedraht 126 eine mechanisch einschränkende Passung, die eine entsprechende radiale Bewegung zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 einschränkt. Obwohl andere Materialien möglich sind, kann der Haltedraht 126 aus dem gleichen Material wie demjenigen des Basisabschnitts 101 hergestellt sein.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann der Klemmverbinder 115 einen Montagedurchlass 128 einschließen. Der Montagedurchlass 128 kann sich durch das Schaufelblatt 25 von einer Öffnung 129 erstrecken, die auf der Oberfläche des Schaufelbllattes 25 zu einer Position ausgebildet ist, die sich mit einem der Enden des Rückhaltedurchlasses 125 ausrichtet. Wie zu erkennen ist, kann der Montagedurchlass 128 zum Einführen des Haltedrahts 126 in den Rückhaltedurchlass 125 verwendet werden, sobald der Streifen 117 vollständig in den Schlitz 118 eingefügt worden ist, um die erste und die zweite Nut 121, 122 auszurichten. Wie zu erkennen ist, kann eine Fortsetzung des Haltedrahts 126 in dem Montagedurchlass 128 verbleiben, sobald die Installation abgeschlossen ist.
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen kann der Streifen 117 auf der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 des Schaufelbllattes 25 positioniert werden. In diesen Fällen wird, wie zu erkennen ist, der Schlitz 118 auf dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet, und erstreckt sich von einem Mund oder einer Öffnung, der/die auf der Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 definiert ist, in den Basisabschnitt 101. Die entgegengesetzte Platzierung des Streifens 117 und des Schlitzes 118 ist ebenfalls möglich.
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen erstreckt sich der Streifen 117 länglich in einer etwa axialen Richtung zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende, welche auch aufgrund ihrer jeweiligen relativen Position als ein vorderes Ende und hinteres Ende bezeichnet werden. Vorzugsweise ist das vordere Ende des Streifens 117 an einer vorderen Seite einer axialen Mittellinie des Schaufelbllattes 25 positioniert, während das hintere Ende an einer hinteren Seite der axialen Mittellinie positioniert ist. Wie in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt, kann das vordere Ende des Streifens 117 um einen Abstand von der Vorderkante 28 des Schaufelbllattes 25 versetzt sein, und das hintere Ende des Streifens 117 kann um einen Abstand von der Hinterkante des Schaufelbllattes 25 versetzt sein.
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen können sich der Rückhaltedurchlass 125 und der darin untergebrachte Haltedraht 126 über die gesamte Länge des Streifens 117 oder, in einer alternativen Ausgestaltung, einen Teil der Länge des Streifens 117 erstrecken. Insbesondere können sich, wie in 13 gezeigt, der Rückhaltedurchlass 125 und der darin untergebrachte Haltedraht 126 über die gesamte Länge des Streifens 117 erstrecken. Optional, wie in der Alternative von 12 gezeigt, können sich der Rückhaltedurchlass 125 und der darin untergebrachte Haltedraht 126 nur über einen Teil der Länge des Streifens 117 erstrecken. Beispielsweise können sich der Rückhaltedurchlass 125 und der darin untergebrachte Haltedraht 126 von dem vorderen Ende des Streifens 117 zu einer Position erstrecken, die kurz vor dem hinteren Ende des Streifens 117 liegt. In diesen Fällen erstreckt sich der Rückhaltedurchlass 125 und der darin untergebrachte Haltedraht 126 vorzugsweise bis zu einer definierten Position in einem Bereich zwischen 40 % und 80 % der axialen Länge des Streifens 117 (gemessen von dem vorderen Ende des Streifens 117).
Wie in den 12 und 13 gemäß einer alternativen Ausführungsform gezeigt, kann ein zusätzliches Verbindungsstück 130 mit einem Klemmverbinder 115 eingeschlossen sein. Zum Beispiel kann das zusätzliche Verbindungsstück 130 einen radialen Streifen 131 und einen radialen Durchlass 133 einschließen, die zur Bildung einer zweiten Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sind. Wie veranschaulicht, kann sich der radiale Streifen 131 radial von der Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 erstrecken, während ein komplementärer radialer Durchlass 133 in der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 ausgebildet ist, um den radialen Streifen 131 aufzunehmen. Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen befindet sich das zusätzliche Verbindungsstück 130 hinter dem Streifen 117 und dem Schlitz 118 des Klemmverbinders 115. Dementsprechend kann das zusätzliche Verbindungsstück 130 verwendet werden, um den Torsionsbelastungen auf das Schaufelblatt 25 während des Betriebs standzuhalten.
Obwohl die 12 und 13 nur einen einzigen Klemmverbinder 115 zeigen, veranschaulicht 14 eine alternative Ausführungsform, in der eine Vielzahl von Klemmverbindern 115 verwendet werden. Wie in diesen Fällen veranschaulicht, ist ein zweiter Klemmverbinder 115 auf der entgegengesetzten Seite des Streifens 117 von dem ersten Klemmverbinder 115 aus ausgebildet. Andere Ausführungsformen können einen zweiten Klemmverbinder 115 einschließen, der auf der gleichen Seite des Streifens 117 wie der erste Klemmverbinder 115 ausgebildet ist.
Es hat sich herausgestellt, dass die Merkmale des Klemmverbinders 115 einen wirksamen Widerstand gegen auf das Schaufelblatt 25 ausgeübte Zugspannungen bereitstellen, während sie sowohl effizient konstruiert als auch repariert werden. Beispielsweise ist der Haltedraht 126 eine Komponente, die aufgrund ihrer einfachen Konfiguration leicht hergestellt oder auf andere Weise kostengünstig erhalten werden kann. Ferner erlaubt die Konfiguration des Klemmverbinders 115 Anordnungen, die sich aus dem Haltedraht 126 ergeben, der einen Großteil der Abnutzung, die sich innerhalb des Verbindungsstücks ergibt, aufnimmt. Da der Haltedraht 126 auf einfache Weise ersetzt werden kann, wenn diese Abnutzung zunimmt, kann die Lebensdauer der anderen, teureren Bauteile, die in Verbindung mit dem Klemmverbinder 115 stehen, kostengünstig verlängert werden, wobei dennoch die Robustheit der Verbindung zwischen den Schaufelblattabschnitten erhalten bleibt.
Unter besonderer Bezugnahme auf die 15 bis 18 werden nun Ausführungsformen offenbart, in denen eine Stiftverbindung 145 verwendet wird, um den oberen Abschnitt 102 an dem Basisabschnitt 101 eines Hybrid-Schaufelbllattes 25, welches jedes der bereits oben beschriebenen Schaufelblätter einschließen kann, zu sichern.
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen kann die Stiftverbindung 145 einschließen: einen Streifen 147, der sich von einem Basisabschnitt 101 und dem oberen Abschnitt 102 erstreckt; einen komplementären Schlitz 148 zur Aufnahme des Streifens 147 (wobei der Schlitz 148 in dem anderen des Basisabschnitts 101 und des oberen Abschnitts 102 ausgebildet ist); einen länglichen Stifthohlraum 150, der durch einen inneren Bereich des Schaufelbllattes 25 ausgebildet ist, der neben dem Schlitz 148 liegt (wobei der Stifthohlraum 150 auf den Schlitz 148 trifft, so dass der Stifthohlraum 150 in einen ersten und einen zweiten Stifthohlraumausschnitt geteilt ist, die sich von dem Schlitz 148 von der ersten und zweiten Öffnung aus weg auf jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Seitenwände des Schlitzes 148 erstrecken); einen Streifendurchlass 151, der durch den Streifen 147 ausgebildet wird (wobei der Streifendurchlass 151 so positioniert ist, dass er mit dem Stifthohlraum 150 ausgerichtet ist, nachdem der Streifen 147 innerhalb des Schlitzes 148 aufgenommen wurde); und einen Sicherungsstift 152, der sich kontinuierlich durch den ersten Ausschnitt des Stifthohlraums 150, den Streifendurchlass 151 und den zweiten Ausschnitt des Stifthohlraums 150 erstreckt. Wie bei dieser Anordnung zu erkennen ist, schränkt der Sicherungsstift 152 nach dem Einrasten eine entsprechende radiale Bewegung zwischen dem oberen Abschnitt 102 und dem Basisabschnitt 101 des Schaufelbllattes 25 durch Berührung mit der umgebenden Struktur (also der Struktur, welche den Stifthohlraum 150 und den Streifendurchlass 151 ausbildet) ein.
Die Stiftverbindung 145 kann durch einen einzelnen Sicherungsstift 152 ausgebildet sein, wie in dem Beispiel von 17 gezeigt, oder die Stiftverbindung 145 kann zwei Sicherungsstifte 152 einschließen, wie in den Beispielen der 15 und 16 gezeigt. In dem letzteren Fall, wie veranschaulicht, kann die Stiftverbindung 145 zwei Stifthohlräume 150 und zwei zugehörige Sicherungsstifte 152 einschließen, während sie einen einzigen Streifen 147 aufweist, durch den zwei der Streifendurchlässe 151 ausgebildet werden. Ein zweiter Stifthohlraum 150 kann axial versetzt von einem ersten Stifthohlraum 150 liegen, und ein zweiter Streifendurchlass 151 kann axial versetzt von einem ersten Streifendurchlass 151 liegen. Wie zu erkennen ist, wird beim Einführen des Streifens 147 in den Schlitz 148 der erste Streifendurchlass 151 so auf dem Streifen 147 positioniert, dass er sich mit dem ersten Stifthohlraum 150 ausrichtet, während der zweite Streifendurchlass 151 auf dem Streifen 147 sich mit dem zweiten Stifthohlraum 150 ausrichtet. Der erste und zweite Sicherungsstift 152 können dann in dem ersten und zweiten Stifthohlraum 150 beziehungsweise in dem ersten und zweiten Streifendurchlass 151 einrasten. Obwohl andere Materialien möglich sind, können der eine oder die mehreren Sicherungsstifte 152 aus dem gleichen Material hergestellt sein wie das des Basisabschnitts 101 des Schaufelbllattes 25.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie in den 15 bis 17 gezeigt, können bevorzugte Ausführungsformen der Stiftverbindung 145 den Streifen 147, der auf der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 liegt, einschließen. In diesen Fällen ist der Stifthohlraum 150 durch einen Innenbereich des Basisabschnitts 101 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet, und der Schlitz 148 ist in dem Basisabschnitt 101 (also mit dem Schlitz 148, der sich aus einem Mund auf der Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 in den Basisabschnitt 101 erstreckt) ausgebildet. Wie gezeigt, können beispielhafte Ausführungsformen den Streifen 147 einschließen, so dass er sich länglich in einer etwa axialen Richtung streckt. Somit kann der Streifen 147 ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, wobei das erste Ende in Bezug auf das zweite Ende eine vordere Position aufweist.
Das Schaufelblatt 25 schließt eine Teile umspannende Ummantelung 75 ein, die unmittelbar einwärts der Schnittlinie 106 positioniert ist. Wie zu sehen sein wird, können gemäß der vorliegenden Offenbarung beispielhafte Ausführungsformen das vorteilhafte Einbauen des Sicherungsstifts 152 und des Stifthohlraums 150 unter Gesichtspunkten der Teile umspannenden Ummantelung 75 einschließen. Wie oben beschrieben, kann die Teile umspannende Ummantelung 75 einen Druckflügel 76 einschließen, der sich von der Druckfläche des Schaufelbllattes 25 erstreckt, und einen Saugflügel 77, der sich von der Saugfläche des Schaufelbllattes 25 erstreckt. Ferner kann ein distales Ende des Druckflügels 76 eine Druckflügelumfangsfläche 86 einschließen und ein distales Ende des Saugflügels 77 kann eine Saugflügelumfangsfläche 87 einschließen. Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen ist mindestens ein Abschnitt des Stifthohlraums 150 innerhalb eines des Druckflügels 76 und des Saugflügels 77 der Teile umspannenden Ummantelung 75 definiert. Genauer gesagt kann sich der erste Abschnitt des Stifthohlraums 150 zwischen einer ersten Oberfläche der Öffnung 155 und der ersten Öffnung auf der ersten Seitenwand des Schlitzes 148 erstrecken. In bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Öffnung 155 entweder auf der Druckflügelumfangsfläche 86 oder der Saugflügelumfangsfläche 87 der Teile umspannenden Ummantelung 75 ausgebildet.
Alternative Ausführungsformen können den Sicherungsstift 152 und den Stifthohlraum 150 einschließen, die sich durch beide Flügel 76, 77 der Teile umspannenden Ummantelung 75 erstrecken. Das heißt, das erste Segment des Stifthohlraums 150 kann sich zwischen einer ersten Oberflächenöffnung 155 und der auf der ersten Seitenwand des Schlitzes 148 definierten ersten Öffnung erstrecken und das zweite Segment des Stifthohlraums 150 kann sich zwischen einer zweiten Oberflächenöffnung 155 und der auf der zweiten Seitenwand des Schlitzes 148 definierten zweiten Öffnung erstrecken. In diesen Fällen können die erste Oberflächenöffnung 155 und die zweite Oberflächenöffnung 155 auf der Druckflügelumfangsfläche 86 beziehungsweise der Saugflügelumfangsfläche 87 der Teile umspannenden Ummantelung 75 ausgebildet sein. Wie zu erkennen ist, führt dies zu der Eingliederung des Sicherungsstifts 152 und des Stifthohlraums 150 in beide Flügel 76, 77 der Teile umspannenden Ummantelung 75. In diesen Fällen können die Enden des Sicherungsstifts 152 an oder nahe der Oberflächenöffnungen 155 des Stifthohlraums 150 positioniert sein. Insbesondere kann der Sicherungsstift 152 als Verlängerung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende beschrieben werden, wobei sich das erste Ende nahe der ersten Oberflächenöffnung 155 befindet und das zweite Ende nahe der gegenüberliegenden zweiten Oberflächenöffnung 155 liegt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können beispielhafte Ausführungsformen den Sicherungsstift 152 mit einem variablen Querschnittsprofil einschließen, das sich zum ersten und zweiten Ende von einem dickeren mittleren Abschnitt verengt. Diese Form kann effektiv in die Teile umspannende Ummantelung 75 integriert werden, wie in den Beispielen der 17 und 18 gezeigt, da in der Regel der Druckflügel 76 und der Saugflügel 77 zusammen eine ähnliche Form bilden, da sich jeder von einem dickeren Bereich aus verengt, wenn er sich von dem Schaufelblatt 25 weg erstreckt. Somit kann der Sicherungsstift 152 so geformt sein, dass er dem variablen Querschnittsprofil der Druck- und Saugflügel 76, 77 der Teile umspannenden Ummantelung 75 entspricht, was den Sicherungsstift 152 im mittleren Abschnitt dicker und-vorteilhaft für die Stiftverbindung- stärker macht. Der Stifthohlraum 150 kann so ausgebildet sein, dass er ein variables Querschnittsprofil aufweist, das mindestens teilweise dem variablen Querschnittsprofil des Sicherungsstifts 152 entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform verengt sich das variable Querschnittsprofil des Stifthohlraums 150 an einem Ende ausreichend, um einen mechanischen Anschlag zu schaffen, der bei der Montage des Sicherungsstifts 152 hilft, d. h. der mechanische Anschlag verhindert ein weiteres Einführen des Sicherungsstifts 152, sobald der Sicherungsstift 152 seine endgültige Position innerhalb des Stifthohlraums 150 erreicht hat.
Wie in 18 gezeigt, können beispielhafte Ausführungsformen das Verbindungsstück einschließen, das zwei separate Stiftverbindungen 145 aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Stiftverbindungen 145 axial übereinander angeordnet. Ferner können beispielhafte Ausführungsformen Streifen 147 einschließen, die sowohl auf dem Basisabschnitt als auch auf dem oberen Abschnitt 101, 102 des Schaufelbllattes 25 ausgebildet sind. Somit kann eine erste Stiftverbindung 145a einen Streifen 147 auf der Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 und einen gegenüberliegenden Schlitz 148, der durch die Auswärtsfläche 107 des Basisabschnitts 101 ausgebildet ist, einschließen, während die zweite Stiftverbindung 145b einen Streifen 147 auf der Auswärtsseite 107 des Basisabschnitts 101 und einen gegenüberliegenden Schlitz 148, der durch die Einwärtsfläche 108 des oberen Abschnitts 102 ausgebildet ist, einschließt.
Wie bei den anderen oben besprochenen Verbindungsstücken wurde festgestellt, dass die Merkmale der Stiftverbindung 145 auf ähnliche Weise einen effektiven Widerstand gegen Zugspannungen, die auf das Schaufelblatt 25 aufgebracht werden, bereitstellen, während sie auch effizient konstruiert und repariert werden. Ferner ist in der gleichen Weise, wie in Bezug auf den Haltedraht 126 beschrieben, der Sicherungsstift 152 der Stiftverbindung 145 eine Komponente, die auf einfache Weise ausgetauscht werden kann, wenn die Abnutzung zunimmt, um die Lebensdauer des Verbindungsstücks zu verlängern.
Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurden, weiter selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Aus Gründen der Kürze und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Durchschnittsfachmanns wird jede der möglichen Iterationen nicht im Detail bereitgestellt oder erläutert, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die von den folgenden mehreren Ansprüchen eingeschlossen werden, als ein Teil der vorliegenden Anmeldung beabsichtigt sind. Darüber hinaus werden die Fachleute aus der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen wahrnehmen. Solche Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Fachgebiets sollen ebenfalls durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sein. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorhergehende nur die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung betrifft und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Anmeldung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.

Claims

Laufschaufel (16) zur Verwendung in einer Turbine (12) eines Turbinentriebwerks (10), wobei die Laufschaufel (16) umfasst: ein Schaufelblatt (25) mit einer Druckfläche (26) und einer seitlich gegenüberliegenden Saugfläche (27), wobei die Druckfläche (26) und die Saugfläche (27) sich axial zwischen den gegenüberliegenden Vorder- und Hinterkanten (28, 29) erstrecken und sich radial von einer Verbindung mit einem Fuß (21) zu einer auswärts liegenden Spitze (31) erstrecken, und das Schaufelblatt (25) nicht fest eingebaute, radial definierte Abschnitte umfasst, in denen: ein Basisabschnitt (101) ein erstes Material umfasst, wobei sich der Basisabschnitt (101) zwischen einer Verbindung mit dem Fuß (21) zu einer Auswärtsfläche (107) des Basisabschnitts (101) erstreckt; und ein oberer Abschnitt (102) ein zweites Material umfasst, wobei das zweite Material ein geringeres Gewicht als das erste Material aufweist und der obere Abschnitt (102) sich zwischen einer Einwärtsfläche (108) des oberen Abschnitts (102) und der auswärts liegenden Spitze (31) des Schaufelblattes (25) erstreckt; wobei ein Umfang der Auswärtsfläche (107) des Basisabschnitts (101) und ein Umfang der Einwärtsfläche (108) des oberen Abschnitts (102) aneinander stoßen, um eine Schnittlinie (106) zu bilden; ein Verbindungsstück (100), das den Basisabschnitt (101) mit dem oberen Abschnitt (102) des Schaufelblattes (25) an der Schnittlinie (106) sichert, wobei das Verbindungsstück (100) eine erste Stiftverbindung (145) umfasst: einen Streifen (147), der sich von einem des Basisabschnitts (101) und des oberen Abschnitts (102) erstreckt; einen komplementären Schlitz (148) zum Aufnehmen des Streifens (147), wobei der Schlitz (148) in dem anderen des Basisabschnitts (101) und des oberen Abschnitts (102) ausgebildet ist; einen länglichen Stifthohlraum (150), der durch einen inneren Bereich des Schaufelbllattes (25) ausgebildet ist, der neben dem Schlitz (148) liegt wobei der Stifthohlraum 150 auf den Schlitz (148) trifft, so dass der Stifthohlraum (150) in einen ersten und einen zweiten Stifthohlraumausschnitt geteilt ist, die sich von dem Schlitz (148) von der ersten und zweiten Öffnung aus weg auf jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Seitenwände des Schlitzes (148) erstrecken; einen Streifendurchlass (151), der durch den Streifen (147) ausgebildet wird, wobei der Streifendurchlass (151) so positioniert ist, dass er mit dem Stifthohlraum (150) ausgerichtet ist, nachdem der Streifen (147) innerhalb des Schlitzes (148) aufgenommen wurde; und einen Sicherungsstift (152), der sich kontinuierlich durch das erste Segment des Stifthohlraums (150), den Streifendurchlass (151) und das zweite Segment des Stifthohlraums (150) erstreckt, wobei der Sicherungsstift (152) ausgebildet ist, eine entsprechende radiale Bewegung zwischen dem oberen Abschnitt (102) und dem Basisabschnitt (101) des Schaufelblattes (25) zu beschränken.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 1, wobei eine radiale Höhe des oberen Abschnitts (102) zwischen 25 % und 55 % einer radialen Höhe des Schaufelblattes (25) ist.
Laufschaufel (16) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Material des Basisabschnitts (101) eine Nickellegierung umfasst; und wobei das zweite Material des oberen Abschnitts (102) einen keramischen Verbundwerkstoff umfasst.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 1, wobei der obere Abschnitt (102) eine Einbuchtung (109) umfasst, die sich von einer Öffnung (110), die durch die auswärts liegenden Spitze (31) des Schaufelblattes (25) gebildet wird, in den oberen Abschnitt (102) erstreckt; wobei die Einbuchtung (109) ein Volumen aufweist, das größer als 1/4 eines Volumens des oberen Abschnitts (102) des Schaufelblattes (25) ist.
Laufschaufel gemäß Anspruch 1, wobei der Streifen (147) auf der Einwärtsfläche (108) des oberen Abschnitts (102) positioniert ist; wobei der Stifthohlraum (150) durch einen Innenbereich des Basisabschnitts (101) des Schaufelblattes (25) ausgebildet ist; wobei sich der Schlitz (148) von einem Mund (113), der auf der Auswärtsfläche (107) des Basisabschnitts (101) definiert ist, in den Basisabschnitt (101) erstreckt; und wobei der Streifen (147) sich länglich in einer etwa axialen Richtung zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei das erste Ende in Bezug auf das zweiten Ende eine vordere Position aufweist.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 5, wobei der Streifendurchlass (151), der Stifthohlraum (150) und der Sicherungsstift (152) der ersten Stiftverbindung (145) einen ersten Streifendurchlass, einen ersten Stifthohlraum und einen ersten Sicherungsstift umfassen; und wobei das Verbindungsstück (100) ferner umfasst: einen zweiten Stifthohlraum (150), der axial von dem ersten Stifthohlraum (150) versetzt ist, einen zweiten Streifendurchlass (151), der in dem Streifen (147) ausgebildet ist, so dass der zweite Streifendurchlass (151) mit dem zweiten Stifthohlraum (150) ausgerichtet ist; und einen zweiten Sicherungsstift (152), der in dem zweiten Stifthohlraum (150) und in dem zweiten Streifendurchlass (151) einrastet.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (25) eine Teile umspannende Ummantelung (75), die knapp einwärts von der Schnittlinie (106) positioniert ist, umfasst, wobei die Teile umspannenden Ummantelung (75) umfasst: einen Druckflügel (76), der sich von der Druckfläche des Schaufelblattes (25) erstreckt; und einen Saugflügel (77), der sich von der Saugfläche des Schaufelblattes (25) erstreckt; wobei ein Abschnitt des Stifthohlraums (150) innerhalb eines der folgenden Bereiche definiert ist: des Druckflügels (76) der Teile umspannenden Ummantelung (75); und des Saugflügels (77) der Teile umspannenden Ummantelung (75).
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 7, wobei ein distales Ende des Druckflügels (76) eine Druckflügelumfangsfläche (86) umfasst und ein distales Ende des Saugflügels (77) eine Saugflügelumfangsfläche (87) umfasst; wobei: sich das erste Segment des Stifthohlraums (150) zwischen einer ersten Oberflächenöffnung (155) und der an der ersten Seitenwand des Schlitzes (148) definierten ersten Öffnung erstreckt; und die erste Oberflächenöffnung (155) auf einer der folgenden Bereiche ausgebildet ist: Druckflügelumfangsfläche (86) der Teile umspannenden Ummantelung (75); und der Saugflügelumfangsfläche (87) der Teile umspannenden Ummantelung (75).
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 7, wobei ein distales Ende des Druckflügels (76) eine Druckflügelumfangsfläche (86) umfasst und ein distales Ende des Saugflügels (77) eine Saugflügelumfangsfläche (87) umfasst; wobei: sich das erste Segment des Stifthohlraums (150) zwischen einer ersten Oberflächenöffnung (155) und der an der ersten Seitenwand des Schlitzes (148) definierten ersten Öffnung erstreckt; und sich das zweite Segment des Stifthohlraums (150) zwischen einer zweiten Oberflächenöffnung (155) und der an der zweiten Seitenwand des Schlitzes (148) definierten zweiten Öffnung erstreckt; wobei: die erste Oberflächenöffnung (155) auf der Druckflügelumfangsfläche (86) der Teile umspannenden Ummantelung (75) ausgebildet ist; und die zweite Oberflächenöffnung (155) auf der Saugflächenumfangsfläche (87) der Teile umspannenden Ummantelung (75) ausgebildet ist.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 9, wobei sich der Sicherungsstift (152) zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt; wobei: das erste Ende nahe der ersten Oberflächenöffnung (155) liegt; und das zweite Ende nahe der zweiten Oberflächenöffnung (155) liegt.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 1, wobei der Sicherungsstift ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst und der Sicherungsstift ferner ein variables Querschnittsprofil umfasst, das sich in Richtung des ersten und zweiten Endes von einem dickeren mittleren Abschnitt aus verengt.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 7, wobei der Druckflügel (76) und der Saugflügel (77) der Teile umspannenden Ummantelung (75) jeweils ein variables Querschnittsprofil aufweisen, das sich verengt, wenn sich jeder Flügel vom Schaufelblatt (25) weg erstreckt; wobei der Sicherungsstift (152) ein variables Querschnittsprofil aufweist, das dem variablen Querschnittsprofil des Druck- und Saugflügels (76, 77) der Teile umspannenden Ummantelung (75) entspricht; und wobei der Stifthohlraum (150) eine variables Querschnittsprofil aufweist, das dem variablen Querschnittsprofil des Sicherungsstifts (152) entspricht, wobei sich der Stifthohlraum (150) zum Erzeugen eines mechanischen Anschlags ausreichend verengt, sobald der Sicherungsstift (152) eine feste Position innerhalb des Stifthohlraums (150) erreicht hat.
Laufschaufel (16) gemäß Anspruch 5, wobei der Streifendurchlass (151), der Stifthohlraum (150) und der Sicherungsstift (152) der ersten Stiftverbindung (145, 145a) einen ersten Streifendurchlass (151), einen ersten Stifthohlraum (150) und einen ersten Sicherungsstift (152) umfassen; wobei das Verbindungsstück (100) ferner eine zweite Stiftverbindung (145b) umfasst, die umfasst: einen zweiten Streifen (147), der auf der Auswärtsfläche (107) des Basisabschnitts (101) positioniert ist; einen zweiten Schlitz (148), der sich von einem Mund (113), der auf der Einwärtsfläche (108) des oberen Abschnitts (102) definiert ist, in den oberen Abschnitt (102) erstreckt; einen zweiten Streifendurchlass (151), der durch den zweiten Streifen (147) ausgebildet ist; einen zweiten Stifthohlraum (150), der durch einen Innenbereich des oberen Abschnitts (102) des Schaufelblattes (25) ausgebildet ist; und einen zweiten Sicherungsstift (152), der in den zweiten Stifthohlraum und in den zweiten Streifendurchlass einrastet; und wobei die ersten und zweiten Stiftverbindungen (145, 145a, 145b) axial zwischen der Vorder- und Hinterkante (28, 29) des Schaufelblattes (25) übereinander liegen.
Gasturbine, umfassend die Laufschaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche.