DE102022200592A1

DE102022200592A1 - Turbinenschaufel und Rotor

Info

Publication number: DE102022200592A1
Application number: DE102022200592.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Stanka
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138866A1; CN118556157A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit Schaufelfuß (1), der längs einer Längsachse (30) jeweils zwei axiale Vorsprünge (7', 7''; 8', 8'') aufweist mit radialen Auflageflächen (10', 10''; 11', 11'') zur Anlage an Anlageflächen einer Nut (3) einer Turbinenscheibe (2), wobei der Schaufelfuß (1) eine Vertiefung (13) längs einer Längsachse (30) aufweist, die (13) sich insbesondere über mindestens die Hälfte des Schaufelfußes (1) in Richtung der Längsachse (30) erstreckt, und/oder an einem Ende des Schaufelfußes (1) einen Fußvorsprung (16) aufweist, der nur einen Boden (20) einer Nut (3) berühren kann, wobei der Fußvorsprung (16) insbesondere einen Querschnitt von höchstens 30% der Fläche des Bodens (20) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, die leichter ausgebildet ist sowie einen Rotor mit solchen Turbinenschaufeln.
Turbinenschaufeln von Turbinen wie von Dampfturbinen oder von Gasturbinen werden in entsprechenden Nuten von Turbinenscheiben/Rotorscheiben eines Rotors gehalten. Dabei sind die Nuten mehr oder weniger komplementär zum Schaufelfuß ausgebildet.
Beispiele dafür sind in der DE 3736836 A1 in 1 oder in DE 2549112 in der Figur gezeigt.
Es ist ständige Aufgabe des Fachmanns das Gewicht von Turbinenschaufeln zu reduzieren, da die Turbinenschaufeln aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Dies kann durch leichtere Materialien erfolgen, was aber auch zu höheren Kosten führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 und einen Rotor gemäß Anspruch 3.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen

1 schematisch einen Schaufelfuß einer Turbinenschaufel in einer Rotorscheibe,
2 den Schaufelfuß und
3 die Rotorscheibe.

Die Figuren und die Beschreibung mit Alternativen stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Dies ist hier ein Schaufelfuß 1 (2) insbesondere in der Ausbildung eines Doppelhammerkopfs, wie er bei Dampfturbinen oft verwendet wird, insbesondere für Dampfturbinen im Mitteldrucksektor.
Die Erfindung lässt sich aber auch auf andere Schaufelfüße wie insbesondere Einzelhammerkopf und damit auch auf andere Nuten mit anderen Formen übertragen.
Der Schaufelfuß 1 einer Turbinenschaufel (nicht weiter näher dargestellt) weist eine Längsachse 30 auf, die sich in radialer Richtung erstreckt und insbesondere zumindest für den Schaufelfuß 1 eine Symmetrieachse darstellt. Die Längsachse 30 verläuft in radialer Richtung. Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist ein anschließender optionaler Hals, eine Schaufelplattform und ein Schaufelblatt 4 der Turbinenschaufel nicht näher dargestellt.
Senkrecht zur Längsachse 30 dazu verläuft eine axiale Richtung 51.
Im Querschnitt weist der Schaufelfuß 1 auf beiden Seiten axiale, obere 7', 7'' (=7) und axiale, untere Vorsprünge 8', 8'' (=8) auf, die jeweils in eine Rotorscheibe 2 eingreifen ( 1, 3).
Die hier beispielhafte Ausgestaltung als Doppelhammerkopf bedingt vorzugsweise, dass die äußeren axialen Seitenflächen der axialen, oberen 7', 7'' und axialen, unteren Vorsprünge 8', 8'' des Schaufelfußes 1 denselben Abstand zur Längsachse 30 aufweisen und in deren Ebenen die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft.
Unterhalb der Schaufelplattform weist der Schaufelfuß 1 auf beiden Seiten äußere axiale Kontaktflächen 22', 22'' (=22) auf, in deren Ebene die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft.
Danach schließen sich in Längsrichtung gesehen zum Ende hin auf beiden Seiten axiale, obere Einbuchtungen 32', 32'' (=32) an, auf die dann die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7'' des Schaufelfußes 1 folgen.
Die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7'' weisen nach den axiale, oberen Einbuchtungen 32', 32'' radiale, obere Auflageflächen 10', 10'' (=10) zur Anlage an der Rotorscheibe 2 ( 1, 3) auf. Eine Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft senkrecht zur Ebene der radialen, oberen Auflageflächen 10', 10" .
Nach den axialen, oberen Vorsprüngen 7', 7'' schließen sich axiale, untere Einbuchtungen 34', 34'' an, auf die dann die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8'' des Schaufelfußes 1 folgen.
Die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8'' weisen nach den axialen, unteren Einbuchtungen 34', 34'' (=34) radiale, untere Auflageflächen 11', 11'' (=11) zur Anlage an der Rotorscheibe 2 (1, 3) auf. Die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft senkrecht zur Ebene der radialen, unteren Auflageflächen 11', 11''.
Die radialen, unteren Auflageflächen 11', 11'' verlaufen vorzugsweise parallel zu den radialen, oberen Auflageflächen 10', 10''.
Der Schaufelfuß 1 weist an seinem distalen Ende vorzugsweise einen Fußvorsprung 16 auf.
Als eine Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung und zur Verringerung der mechanischen Belastung der Rotorscheibe 2 ist längs der Längsachse 30 im Schaufelfuß insbesondere mittig eine Vertiefung 13 oder ein Durchgang 13 vorhanden, der insbesondere über die gesamte Tiefe (senkrecht zur Zeichnungsebene) des Schaufelfußes 1 verläuft und dann ein Durchgangsloch darstellt. Durch diese Vertiefung 13 oder diesen Durchgang 13 wird Material eingespart und damit Gewicht.
Die Vertiefung 13 stellt vorzugsweise im Querschnitt ein Rechteck dar, wobei deren Ecken halbkreisförmig oder bogenförmig bzw. ovalförmig ausgebildet sind.
Die Form der Vertiefung 13 ist länglich entlang der Längsachse 30 ausgebildet und weist keine eckigen Kanten oder Übergänge auf, sondern runde Übergänge.
Die Rotorscheibe 2 (3) weist in der Nut 3 einen Boden 20 auf.
Ausgehend von der Oberfläche 21 der Rotorscheibe 2 erstreckt sich die Nut 3 zuerst entlang zur Längsachse 30 parallelen Nut-Kontaktflächen 33', 33'' (=33) in Richtung Boden 20.
Danach folgen auf beiden Seiten axiale, obere Nutvorsprünge 23', 23'' (=23), die in die Nut 3 hineinragen.
Danach folgen in der Rotorscheibe 2 obere Ausbuchtungen 40', 40'' (=40), die sich anfangs vorzugsweise senkrecht zur Längsachse 30 erstrecken und dann vorzugsweise gekrümmt, dann parallel zur Längsachse 30 Richtung Boden 20 weiterverlaufen und dann gekrümmt weiterverlaufen.
In Richtung Boden 20 gesehen sind dann axiale, untere Nutvorsprünge 25', 25'' (=25) auf beiden Seiten der Nut 3 vorhanden, die vorzugsweise genauso weit beabstandet voneinander sind wie die axialen, oberen Nutvorsprünge 23', 23''.
Danach folgen in der Rotorscheibe 2 als letztes untere Ausbuchtungen 43', 43'' (=43), die sich anfangs vorzugsweise senkrecht zur Längsachse 30 erstrecken und dann gekrümmt verlaufen, dann parallel zur Längsachse 30 Richtung Boden 20 weiterverlaufen und dann gerundet in den Boden 20 übergehen.
Die Längsachse 30 stellt vorzugsweise eine Senkrechte auf dem Boden 20 dar.
In der 1 ist der Schaufelfuß 3 aus 2 in Wechselwirkung mit Rotorscheibe 2 gemäß 3 dargestellt.
Der Schaufelfuß 1 sowie die Nut 3 der Rotorscheibe 2 weisen dieselbe Längsachse 30 auf.
Der Schaufelfuß 1 liegt mit seinen axialen Kontaktflächen 22', 22'' in axialer Richtung 51 an den Nut-Kontaktflächen 33', 33'' der Rotorscheibe 2 an. Diese stellen vorzugsweise die einzigen axialen Kontaktbereiche in axialer Richtung von Rotorscheibe 2 und Schaufelfuß 1 dar.
Die axialen Kontaktflächen 22', 22'' des Schaufelfußes 7 bedecken vorzugsweise nicht vollständig die Nut-Kontaktflächen 33', 33'', so dass sich dort obere Hohlräume 31', 31'' (=31) zwischen Schaufelfuß 1 und Rotorscheibe 2 bilden.
Die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7'' des Schaufelfußes 1 liegen mit den radialen, oberen Auflageflächen 10', 10'' in den oberen Ausbuchtungen 40', 40'' der Nut 3 in radialer Richtung der Längsachse 30 an der Rotorscheibe 2 an.
Vorzugsweise liegen die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8'' des Schaufelfußes 1 mit den radialen, unteren Auflageflächen 11', 11'' in den unteren Ausbuchtungen 43', 43'' der Nut 3 in radialer Richtung der Längsachse 30 an der Rotorscheibe 2 an.
Der Abstand der axialen, oberen oder unteren Vorsprünge 7', 7'' ; 8', 8'' ist kleiner als der maximale Abstand der oberen oder unteren Ausbuchtungen der Rotorscheibe 2, so dass sich dort mittlere Hohlräume 34', 34'' (=34) und untere Hohlräume 28', 28'' (=28) zwischen Schaufelfuß 1 und Rotorscheibe 2 in der Nut 3 bilden.
Der Schaufelfuß 1 kann auf dem Boden 20 anliegen oder komplett beabstandet von dem Boden 20 sein oder weist insbesondere an seinem Ende den Fußvorsprung 16 auf, der insbesondere symmetrisch sich zur Längsachse 30 erstreckt und somit der Schaufelfuß 1 auf dem Boden 20 in der Nut 3 der Rotorscheibe 2 nur partiell zwecks Stabilisierung an dem Boden 20 anliegt. Der Fußvorsprung 16 weist höchstens 30% der Fläche des Bodens 20 auf.
Somit ist vorzugsweise zumindest stellenweise ein Spalt 19 zwischen dem Ende des Schaufelfußes 1 und dem Boden 20 der Nut 3 um den Fußvorsprung 16 vorhanden. Auch das trägt zur Gewichtsreduzierung bei.
Der Boden 20 quer zur Längsachse 30 ist vorzugsweise breiter als der Abstand zwischen den Kontaktflächen 22', 22'' des Schaufelfußes 1 bzw. zwischen den Innenflächen auf Höhe des unteren Hohlraums 28.
In der Nut 3 ist der Schaufelfuß 1 angeordnet und befestigt.
Die radialen Anlageflächen 10, 11 halten den Schaufelfuß 1 und damit die Turbinenschaufel in Richtung der Längsachse 30 fest, wobei hingegen unterhalb der Höhe der Oberfläche 21 der Rotorscheibe 2 zwei axiale Kontaktflächen 22 der Scheibe 2 sich befinden, an dem der Schaufelfuß 1 anliegt. Auch hier wird bewusst nicht die gesamte Fläche längs der Längsachse 30 ausgenutzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3736836 A1 [0003]
DE 2549112 [0003]

Claims

Turbinenschaufel mit Schaufelfuß (1), der längs einer Längsachse (30) jeweils zwei axiale Vorsprünge (7', 7''; 8', 8'') aufweist mit radialen Auflageflächen (10', 10''; 11', 11'') zur Anlage an Anlageflächen einer Nut (3) einer Turbinenscheibe (2), wobei der Schaufelfuß (1) eine Vertiefung (13), insbesondere ein Durchgangsloch (13), längs einer Längsachse (30) aufweist, die (13) sich insbesondere über mindestens die Hälfte des Schaufelfußes (1) in Richtung der Längsachse (30) erstreckt, und/oder an einem Ende des Schaufelfußes (1) einen Fußvorsprung (16) aufweist, der nur einen Boden (20) einer Nut (3) berühren kann, wobei der Fußvorsprung (16) insbesondere einen Querschnitt von höchstens 30% der Fläche des Bodens (20) aufweist.
Turbinenschaufeln nach Anspruch 1, bei dem sich die Vertiefung (13) längs einer Längsachse (30) zumindest in der Länge über die axialen, oberen Vorsprünge (7) und/oder über die axialen, unteren Vorsprünge (11) erstreckt.
Rotor, aufweisend zumindest eine Rotorscheibe (2) mit zumindest einer Nut (3) und zumindest einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß (1) nach Anspruch 1 oder 2 in der Nut (3).
Rotor nach Anspruch 3, bei dem die axialen Vorsprünge (7, 8) den Schaufelfuß (1) in radialer Richtung halten, und zwei, insbesondere nur zwei, Nutkontaktflächen (33) der Rotorscheibe (2) an den axialen Kontaktflächen (22) des Schaufelfußes (1) in Umfangsrichtung anliegen.