DE3102575C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Spitzenkappen für Rotorschaufeln, und zwar insbesondere eine neue und verbesserte Spitzenkappe, die dahingehend wirkt, daß sie sowohl die Ummantelung reinigt, welche die Rotoranordnung umgibt, als auch eine Abdichtung mit engem Spiel zwischen der Rotorschaufel und der Ummantelung bewirkt.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Rotorschaufeln einer Rotoranordnung in einem Gasturbinentriebwerk sind normalerweise umfangsmäßig von einer Ummantelung umgeben. Der Zweck der Ummantelung besteht darin zu verhindern, daß Gas, welches durch den Teil des Triebwerks strömt, der die Rotoranordnung enthält, im Nebenschluß zu den Rotorschaufeln strömt. Ohne die Ummantelung könnte das Gas vom radial äußeren Ende oder der Spitze der Rotorschaufel nach auswärts strömen. Die Energie dieses Gases, das daran gehindert wird, im Nebenschluß zu den Rotorschaufeln zu strömen, wird dazu ausgenutzt, die Rotation der Rotoranordnung zu verstärken. Daher nimmt der Wirkungsgrad zu, wenn die Menge an Gas vermindert wird, welche an den Rotorschaufeln vorbeiströmt.

Um die Menge an Gas zu vermindern, die zwischen der Spitze einer Rotorschaufel und der Ummantelung entweicht, sollte der Spalt zwischen der Spitze der Rotorschaufel und der Ummantelung so wirksam, wie es praktisch möglich ist, minimalisiert werden. Ein Verfahren, das zur Minimalisierung des Spaltes angewandt wird, besteht darin, die Rotorschaufel in einer solchen radialen Länge herzustellen, daß das radial äußere Ende oder die Spitze der Schaufel dicht genug an der inneren Oberfläche der Ummantelung angeordnet ist, so daß sie von allein eine Abdichtung bildet. Wenn dieses Verfahren angewandt wird, können sich jedoch Schwierigkeiten ergeben, und zwar primär aufgrund der Wirkungen von Reiben. Reiben ist ein Kontakt zwischen der Schaufelspitze und der Ummantelung. Reiben kann, abgesehen von anderen möglichen Ursachen, durch Wärmeausdehnung und -zusammenziehung der Rotorschaufeln und der Ummantelung verursacht werden, sowie dadurch, daß die Ummantelung nicht perfekt rund ist, daß die Rotorschaufeln unterschiedliche Längen haben, oder daß Ablagerungen von Metall oder anderen Materialien auf der Ummantelung oder der Schaufelspitze vorhanden sind.

Reiben, das auch als Scheuern bezeichnet werden kann, ist insofern nachteilig, als es den Wirkungsgrad vermindert, indem dadurch Rotationsenergie der Rotoranordnung in Wärme umgewandelt wird, die aus der Reibung des Scheuerns bzw. Reibens resultiert. Reiben ist außerdem insofern nachteilig, als die Spitze der Rotorschaufel durch Reiben abgetragen wird. Das Spitzenmaterial, das abgetragen wird, wird oft auf der inneren Oberfläche der Ummantelung abgelagert und kann im Ergebnis eventuell dazu führen, daß die anderen Schaufelspitzen reiben bzw. scheuern. Ein noch anderer Nachteil des Reibens besteht darin, daß die Schaufelspitze, welche reibt, einer strukturellen Ermüdung ausgesetzt wird, wie beispielsweise einer Rißbildung, und zwar wegen thermischer Beanspruchung aufgrund von Reibung und Scherkräften infolge des Kontakts zwischen der Schaufelspitze und der Ummantelung. Infolgedessen wird, wenn die Spitze einer Rotorschaufel einem Reiben ausgesetzt wird, die Gebrauchslebensdauer der Schaufelspitze und infolgedessen die Gebrauchslebensdauer der Rotorschaufel des Triebwerks verkürzt. Ein Reiben verursacht daher, daß die Rotorschaufel eher ausgetauscht werden muß, als es beim Nichtvorhandensein eines Reibens der Fall wäre. Ein Schaufelaustausch infolge Abnutzung aufgrund von Reiben bedeutet einen großen Kostenaufwand für den Benutzer.

Ein Mittel zum Vermindern der nachteiligen Wirkungen des Reibens ist die Verwendung von Spitzenkappen auf Rotorschaufeln. Eine Spitzenkappe ist eine relativ kleine Verlängerung, die eine Querschnittsform hat, welche derjenigen der Rotorschaufel entspricht bzw. mit der Querschnittsform der Rotorschaufel übereinstimmt und die entweder integral bzw. einstückig mit dem radial äußeren Ende der Rotorschaufel ist oder die auf dem radial äußeren Ende der Rotorschaufel befestigt ist. Eine Spitzenkappe, die reibt bzw. scheuert, ist der Erscheinung ausgesetzt, daß sie abgetragen wird, und sie ist den gleichen Wärme- und Scherbeanspruchungen wie eine Schaufelspitze, welche reibt bzw. scheuert, ausgesetzt. Wenn jedoch die Spitzenkappe austauschbar ausgebildet werden kann, dann ist es nur erforderlich, die Spitzenkappe selbst auszutauschen, anstatt die gesamte Rotorschaufel auszutauschen, was zu einer großen Verminderung des Kostenaufwands für den Benutzer führt.

Die meisten Spitzenkappen sind aus Metall hergestellt. Solche Spitzenkappen erzeugen metallische Abnutzungsablagerungen auf der inneren Oberfläche der Ummantelung, wenn sie reiben. Wie bereits weiter oben erwähnt, bewirken solche Ablagerungen, daß ein weiteres Reiben auftritt. Außerdem werden die Spitzenkappen aufgrund einer Metall-zu-Metall-Reibung zwischen der Spitzenkappe und der Ummantelung, die auch aus Metall besteht, erhitzt. Die sich ergebenden Wärmebeanspruchungen verkürzen die Gebrauchslebensdauer der Spitzenkappe, indem sie Ermüdung und Rißbildung in der Spitzenkappe verursachen. Viele derzeit verwendete Spitzenkappen weisen darin befindliche Kühlanordnungen zur Verminderung der Wärmebeanspruchungen auf. Jedoch erfordern Rotorschaufeln mit solchen Spitzenkappen immer noch einen relativ häufigen Austausch oder eine Neuherrichtung wegen der Unzulänglichkeit der Spitzenkappenkühlanordnungen und der anderen vorerwähnten nachteiligen Wirkungen des Reibens.

Die Anwendung einer Beschichtung aus Schleifmaterial auf den radial äußeren Rändern einer Spitzenkappe ist als Teillösung der oben genannten Schwierigkeiten vorgeschlagen worden. Zum Beispiel ist eine solche Spitzenkappe in dem US-Patent 41 69 020 der Anmelderin beschrieben. Obwohl das Schleifmaterial auf einer solchen Spitzenkappe die innere Oberfläche der Ummantelung von Ablagerungen reinigt und dadurch Reiben und dessen nachteilige Wirkungen vermindert, geht die Spitzenkappe, wenn die schmiergelartige Beschichtung abgetragen ist, effektiv in eine konventionelle, nichtschleifende Spitzenkappe über, die die zugehörigen Schwierigkeiten beinhaltet.

Aus der DE-OS 28 53 959 ist eine Spitzenkappe für eine Rotorschaufel bekannt, die eine der äußeren Kontur der Rotorschaufel folgende umlaufende Rippe aufweist, an der eine Schleifmaterialschicht befestigt ist. Bei dieser bekannten Spitzenkappe bildet demnach die umlaufende Rippe zugleich ein Basisteil, wobei hier nicht die Möglichkeit besteht, mehrere Rippen anzuordnen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Spitzenkappe für eine Rotorschaufel zur Verfügung gestellt. Die Spitzenkappe weist einen Basisteil auf, sowie wenigstens eine Rippe, die sich radial auswärts erstreckt, wobei ein Schleifmaterial an bzw. auf dem radial äußeren Rand der Rippe befestigt ist. Das Schleifmaterial reibt und reinigt dadurch die innere Oberfläche einer Ummantelung, welche die Rotoranordnung umgibt, an der die Rotorschaufel angebracht ist, während die Spitzenkappe selbst eine wirksame Abdichtung mit engem Spiel zwischen dem radial äußeren Ende der Rotorschaufel und der Ummantelung herstellt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Spitzenkappe gesondert vom Basisteil bzw. von der Rotorschaufel und weist eine Mehrzahl von Rippen auf, die radial nach Größen geordnet bzw. gestaffelt sind, so daß das Schleifmittel in unterschiedlichen radialen Abständen von dem Basisteil angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht es, daß Schleifmaterial auf wenigstens einer der Rippen zum Reinigen der Ummantelung verfügbar ist, selbst wenn das Schleifmaterial auf einer radial höheren Rippe abgetragen worden ist.

Die Spitzenkappe kann Kühlkanäle aufweisen, welche zur Aufprallkühlung der Rippen winklig in dem Basisteil angeordnet sind, und die Spitzenkappe kann außerdem eine Wärmebarriere aufweisen, die zur größeren Verminderung der Wärmebeanspruchung an einer Rippe befestigt ist.

Es wird weiterhin ein Verfahren zum Austauschen einer Spitzenkappe gegen eine andere zur Verfügung gestellt, und dieses Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte des Entfernens einer Spitzenkappe von der Rotorschaufel, des Flachbearbeitens des Endes der Rotorschaufel, des Ausrichtens der Ersatzspitzenkappe und des Befestigens der Ersatzspitzenkappe an der Rotorschaufe.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Teiles der oberen Hälfte eines Turbinenabschnitts eines Gasturbinentriebwerks, das die Spitzenkappe nach der vorliegenden Erfindung aufweist.

Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht des radial äußeren Endes einer Rotorschaufel, welche die Spitzenkappe nach der vorliegenden Erfindung aufweist.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der am äußeren Ende der Rotorschaufel angebrachten Spitzenkappe.

Fig. 4 ist eine Aufsicht auf die Spitzenkappe der Fig. 3 von oben und zeigt die Rippen und die Kühlkanäle.

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der Spitzenkappe, die integral bzw. einstückig mit der Rotorschaufel ist.

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Teil eines Turbinentriebwerks gezeigt ist, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Fig. 1 zeigt einen Teil der oberen Hälfte des Turbinenabschnitts einer typischen Gasturbine. Eine Rotoranordnung 1 rotiert innerhalb des Turbinenabschnitts um die Längsachse, die als strichpunktierte Linie 2 dargestellt ist. Die Rotoranordnung 1 umfaßt eine Mehrzahl von Rotorschaufeln 3, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet und an einer allgemein kreisförmigen Rotorscheibe 4 angebracht sind. Jede Rotorschaufel 3 erstreckt sich radial nach auswärts und umfaßt vorzugsweise einen Schaufelflügel 5, eine Schaufelplattform 6, einen Schaufelschaft 7 und eine Spitze oder ein radial äußeres Ende 8.

Eine Statoranordnung 10 innerhalb des Turbinenabschnitts bleibt relativ zu der Drehung der Rotoranordnung stationär. Die Statoranordnung 10 umfaßt vorzugsweise eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 11, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander vorgesehen und axial stromaufwärts von den Rotorschaufeln 3 angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 12, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander vorgesehen sind, kann außerdem axial stromabwärts von Rotorschaufel 3 angeordnet sein. Eine ringförmige Ummantelung 13 ist radial im Abstand auswärts von der Rotorordnung 1 angeordnet. Die radial innere Oberfläche der Ummantelung 13 ist vorzugsweise eng benachbart dem radial äußeren Ende 8 jeder Schaufel 3 angeordnet, und zwar aus Gründen, die nachstehend erläutert werden.

Gase, welche durch den Turbinenabschnitt strömen, gehen zwischen den Statorleitschaufeln 11 hindurch und werden mittels der Statorleitschaufeln über den Schaufelflügel 5 jeder Rotorschaufel 3 gerichtet, so daß sie bewirken, daß sich die Rotorschaufel 3 und infolgedessen die Rotoranordnung 1 drehen. Die Ummantelung 13 verhindert im wesentlichen, daß die Gase radial im Nebenschluß an der Rotorschaufel 3 vorbeigehen.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein radial äußerer Teil einer Rotorschaufel 3 gezeigt ist, der vorzugsweise der Schaufelflügel 5 der Rotorschaufel ist. Die Rotorschaufel 3 weist eine allgemein stromaufwärtige Kante 14, eine allgemein stromabwärtige Kante 15, welche allgemein axial im Abstand von der stromaufwärtigen Kante vorgesehen ist, und in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnete Seitenwände 16 und 17 auf. Wegen der Form und der Drehrichtung der Rotorschaufel 3 ist die Seitenwand 16 die Druckseite, und die Seitenwand 17 ist die Saugseite der Schaufel. Das Innere der Schaufel 3 ist teilweise hohl, damit Luft im Inneren der Schaufel zirkulieren kann, so daß dadurch die Kühlung gefördert wird. Durch eine teilweise hohle Schaufel werden außerdem das Gewicht und die Kosten der Schaufeln vermindert. Die erwähnte Kühlluft kann in jeder gewünschten Weise in das teilweise hohle Innere der Schaufel 3 eintreten, so zum Beispiel durch Öffnungen (nicht gezeigt) in dem Schaufelschaft 7.

Wie man am besten aus Fig. 3 ersieht, können die Seitenwände 16 und 17 eine Mehrzahl von Kühlkanälen 20 bzw. 21 aufweisen, die durch diese Seitenwände hindurchgehen und längs der Seitenwände von der stromaufwärtigen Kante 14 zur stromabwärtigen Kante 15 der Schaufel 3 unter Zwischenräumen im Abstand voneinander angeordnet sind. Die in Fig. 3 gezeigten Kühlkanäle 20 und 21 sind unter einem Winkel zur Seitenwand 16 und 17 angeordnet derart, daß sie einen Kühlluftfilm längs den äußeren Teilen der Seitenwände radial auswärts von den äußeren Enden der Kühlkanäle erzeugen. Die Kühlkanäle 20 und 21 können jedoch in jeder anderen gewünschten Weise angeordnet sein.

Wie außerdem aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist die Schaufel 3 vorzugsweise eine Endwand 22 zwischen den radial äußeren Rändern der Seitenwände 16 und 17 auf. Die Endwand 22 kann an den Seitenwänden 16 und 17 beispielsweise durch Verbinden bzw. -kleben oder Verschweißen befestigt sein, oder sie kann einstückig mit den Seitenwänden sein, wie es der Fall ist, wenn die Seitenwände und die Endwand als eine einzige Einheit gegossen werden. Die Endwand 22 weist eine Mehrzahl von Kühlkanälen 23 und 24 auf, die unter Zwischenräumen zwischen der stromaufwärtigen Kante 14 und der stromabwärtigen Kante 15 der Rotorschaufel 3 in der Endwand angeordnet sind. Die Kühlkanäle 23 und 24 steuern die Menge an Kühlluft, die vom Inneren der Rotorschaufel an deren radial äußerem Ende austritt. Die Kühlkanäle als solche sind vorzugsweise so bemessen, daß dann, wenn die Spitzenkappe vom Ende der Rotorschaufel entfernt ist, die meiste Kühlluft innerhalb der Schaufel zu deren Kühlung zurückgehalten wird. Wenn andererseits die Kühlkanäle 23 und 24 zu groß wären oder die Rotorschaufel 3 ein offenes Ende hätte, würde beim Entfernen der Spitzenkappe die meiste Kühlluft aus der Schaufel austreten, was zu einer Überhitzung der Schaufel und einer möglichen Beschädigung, welche eine Reparatur oder einen Austausch der Schaufel erfordern würde, führen würde.

An der Spitze oder dem radial äußeren Ende 8 jeder Rotorschaufel 3 ist eine Spitzenkappe 30 befestigt. Die Spitzenkappe 30 ist vorzugsweise eine einzelne Spitzenkappe, d. h. sie ist ein gesondertes Bauelement, das an der Rotorschaufel 3 anbringbar ist. Die Spitzenkappe 30 bewirkt eine wirksame Abdichtung zwischen dem radial äußeren Ende 8 der Rotorschaufel 3 und der inneren Oberfläche der Ummantelung 13. Die Spitzenkappe 30 umfaßt einen Basisteil 31, der eine flache, radial innere Oberfläche hat, die als Befestigungsoberfläche dient, und wenigstens eine Rippe sowie vorzugsweise eine Mehrzahl von Rippen, die allgemein mit 32 bezeichnet sind. Die Spitzenkappe wird vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, so zum Beispiel aus einer konventionell gegossenen, richtungsverfestigten oder einzelkörnigen Kobaltbasis- oder Nickelbasis-Superlegierung. Jedoch kann die Kappe 30 auch aus jedem anderen geeigneten Material, wie gewünscht, hergestellt sein.

Wie man aus den Fig. 3 und 4 ersieht, ist der Basisteil 31 der Spitzenkappe 30 vorzugsweise von einer im wesentlichen planaren Schaufelflügelform und weist eine allgemein stromaufwärtige Kante 33, eine allgemein stromabwärtige Kante 34, sowie in Umfangsrichtung voneinander im Abstand vorgesehene Seitenränder 36 und 37 auf. Vorzugsweise fluchten die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kanten 33 und 34 des Basisteils 31 mit der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Kante 14 bzw. 15 der Rotorschaufel 3, und die Seitenränder 36 und 37 des Basisteils 31 fluchten mit den Seitenwänden 16 und 17 der Rotorschaufel 3. In dieser Fluchtungsanordnung werden der Seitenrand 36 des Basisteils und die benachbarte Seite der Spitzenkappe als die Druckseite der Spitzenkappe angesehen. Entsprechend werden der Seitenrand 37 des Basisteils und die benachbarten Seiten der Spitzenkappe als die Saugseite der Spitzenkappe angesehen.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Spitzenkappe 30, welche drei Rippen, nämlich die Rippen 32a, 32b und 32c, umfaßt. Jedoch kann jede gewünschte Anzahl von Rippen angewandt werden. Jede Rippe 32a, 32b und 32c erstreckt sich radial nach auswärts von dem Basisteil 31 und hat in Umfangsrichtung im Abstand voneinander vorgesehene Seitenoberflächen, und vorzugsweise erstreckt sich jede Rippe allgemein axial von der stromaufwärtigen Kante 33 aus zur stromabwärtigen Kante 34 des Basisteils 31. Die Rippen 32a und 32c an den äußeren Rändern der Spitzenkappe können integral bzw. einstückig sein, wo sie sich an der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kante treffen, wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist.

Der radial äußeren Rand jeder Rippe 32a, 32b und 32c weist ein daran befestigtes Schleif- bzw. Abriebmaterial 35 auf. Das Schleif- bzw. Abriebmaterial kann jedes Material sein, welches für die Umgebung, in der es angewandt wird, geeignet ist. Ein Beispiel eines geeigneten Schleif- bzw. Abriebmaterials für die Verwendung in einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks ist eine schmirgelartige bzw. abreibende Aluminiumoxidbeschichtung. Das Schleif- bzw. Abriebmaterial 35 kann durch jedes geeignete Mittel bzw. Verfahren befestigt werden, wie zum Beispiel durch Beschichten oder Plattieren, und zwar von der Art, wie es zur Herstellung von metallgebundenen Schleifrändern bzw. -scheiben angewandt wird. Obwohl das Schleif- bzw. Abriebmaterial nachstehend als durch Beschichtung auf die Rippen 32 aufgebracht bezeichnet wird, sei darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung "Beschichtung" ebensogut andere Verfahren des Befestigens des Schleif- bzw. Abriebmaterials umfassen soll.

Wenn die Spitzenkappe 30 die innere Oberfläche der Ummantelung 13 berührt oder reibt, dann ist es das Schleifmaterial 35 anstatt des metallischen, nichtschleifenden Teiles der Spitzenkappe, das in Berührung mit der Ummantelung kommt. Ein wichtiger Vorteil dieser Tatsache besteht darin, daß das Schleifmaterial dadurch die innere Oberfläche der Ummantelung von allen Ablagerungen von Material auf dieser inneren Oberfläche reinigt. Auch ist, da die Teilchen des Schleifmaterials die Tendenz haben, leichter weggebrochen zu werden, als das bei einem massiven Stück Metall der Fall wäre, die auf die Spitzenkappe insgesamt übertragene Scherbeanspruchung geringer, als es der Fall wäre, wenn der nichtschleifende Teil der Spitzenkappe während eines Reibens in Berührung mit der Ummantelung kommen würde. Darüber hinaus ist wegen der Tendenz der Schleifteilchen, während eines Reibens weggebrochen zu werden, der Zuwachs an Wärme aufgrund von Reibung geringer, und infolgedessen ist die Wärmebeanspruchung der Spitzenkappe auch geringer. Auf diese Weise wird durch die Verwendung des Schleif- bzw. Abriebmaterials 35 auf den Rippen 32a, 32b und 32c die Gebrauchslebensdauer der Spitzenkappe verlängert.

Wie bereits weiter oben erwähnt, wird durch jedes solches Reiben einiges Schleifmaterial abgetragen. Daher widersteht das Schleifmaterial, je größer die radiale Dicke der Beschichtung von Schleifmaterial ist, umso mehr Reibvorgänge, bevor es vollständig abgetragen ist. Jedoch gibt es eine maximale brauchbare Dickenbeschränkung für die Beschichtung aus Schleifmaterial 35 aufgrund des Fehlens von struktureller Fertigkeit der Beschichtung im Vergleich mit der relativ hohen strukturellen Fertigkeit des übrigen Teiles der Spitzenkappe 30. Das bedeutet, daß dann, wenn die Schleifmaterialbeschichtung radial relativ zu ihren Umfangsabmessungen zu dick ist, ein einziges Reiben bewirken kann, daß die gesamte Beschichtung an Schleifmaterial weggebrochen wird. Natürlich wird die maximal brauchbare radiale Dicke der Beschichtung aus Schleifmaterial 35 durch solche Faktoren festgelegt, wie es die Umfangsabmessungen der Beschichtung sind, sowie durch die Eigenschaften des speziellen Schleifmaterials, das verwendet wird.

Die Spitzenkappe 30 nach der vorliegenden Erfindung ist mit gestuften Beschichtungen aus Schleifmaterial versehen, damit eine größere wirksame radiale Dicke an Schleifmaterial erzielt wird, als sie durch eine einzige Beschichtung an Schleifmaterial erreicht werden kann. Es sei erneut auf Fig. 3 Bezug genommen, wonach jede Rippe 32a, 32b und 32c radial so dimensioniert ist, daß die Beschichtung an Schleifmaterial 35 auf dem äußeren Ende jeder Rippe in einem unterschiedlichen Radialabstand von dem Basisteil 31 liegt. Die Dimensionierung ist so, daß Schleifmaterial 35 auf wenigstens einer der Rippen in jeder Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu der allgemein durch die strichpunktierte Linie 38 angedeuteten Radialachse der Rotorschaufel ist und sich zwischen dem Basisteil 31 und dem radial äußeren Ende der radial höchstens Rippe 32a erstreckt. In dieser Konfiguration wird, wenn das Schleifmaterial 35 auf der radial höchsten Rippe 32 aufgrund des Reibens an der inneren Oberfläche der Ummantelung 13 abgetragen worden ist, Schleifmaterial auf der nächsthöchsten Rippe 32b für das Reiben an der Ummantelung verfügbar. Wenn das Schleifmaterial auf jeder Rippe bzw. auf jeweils einer Rippe abgetragen worden ist, dann wird das Schleifmaterial auf der nächstfolgenden kürzeren Rippe zum Reiben verfügbar. Gewünschtenfalls kann die radial kürzeste Rippe 32c aus Schleifmaterial 35 bestehen, das durch Beschichtung direkt auf die Oberfläche des Basisteils 31 aufgebracht worden ist. Natürlich kommt es, wenn das Schleifmaterial 35 auf irgendeiner speziellen Rippe 32 abgetragen worden ist, dazu, daß der übrige nichtschleifende Teil dieser Rippe weiterhin durch Reiben mit der gleichen Rate bzw. in dem gleichen Ausmaß abgetragen wird, wie das Schleifmaterial auf den nächstkürzeren Rippen die innere Oberfläche der Ummantelung 13 reibt. Jedoch wird irgendwelches Material, das auf der inneren Oberfläche der Ummantelung 13 durch solche Reibvorgänge des nichtschleifenden Teiles einer Rippe abgelagert worden ist, durch das Reiben von Schleifmaterial gereinigt, das sich auf einer Rippe der gleichen Spitzenkappe oder der Spitzenkappe einer anderen Rotorschaufel befindet.

Wie man aus Fig. 3 ersieht, befindet sich die radial höchste Rippe 32a benachbart dem Seitenrand 36, und die radial kürzeste Rippe 32c befindet sich benachbart dem Seitenrand 37 des Basisteils 31. Die Rippen 32 können jedoch in jeder anderen gewünschten Weise angeordnet sein.

Die Spitzenkappe 30 sollte gekühlt werden, damit die Wärmebeanspruchung innerhalb derselben vermindert und infolgedessen ihre Gebrauchslebensdauer verlängert wird. Ein Kühlen der Spitzenkappe kann in verschiedenen Weisen erreicht werden. Die Seitenränder 36 und 37 der Spitzenkappe erfahren eine Filmkühlung durch Luft, welche aus den Kühlkanälen 20 und 21 austritt und radial auswärts längs den Seiten der Spitzenkappe strömt. Der Basisteil 31 der Spitzenkappe 30 weist eine Mehrzahl von Kühlkanälen 40 und 41 auf, die unter Zwischenräumen längs des Basisteils 31 im Abstand voneinander angeordnet sind und mit den Kühlkanälen 23 bzw. 24 in der Endwand 22 der Rotorschaufel 3 fluchten. Luft, die aus den Kühlkanälen 40 und 41 austritt, kühlt die Seitenoberflächen der Rippen 32a und 32b dadurch, daß sie darauf auftrifft. Die Anzahl und Anordnung der Kühlkanäle 40 und 41 kann in gewünschter Weise ausgewählt sein. Für eine wirksame Kühlung der Rippen 32a und 32b ist es jedoch zu bevorzugen, daß die Kühlkanäle 40 und 41 winklig angeordnet sind, d. h. unter einem Winkel geneigt verlaufen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, so daß dadurch Luft, die aus den Kühlkanälen austritt, auf einen radial inneren Teil der Seitenoberflächen der Rippen auftrifft. Nach dem Auftreffen auf die Rippen wird diese Luft dann zu einem Kühlluftfilm, der längs den radial äußeren Teilen der Seitenoberflächen der Rippen verläuft. Die Kühlkanäle 40 und 41 sind vorzugsweise durch den Basisteil 31 gebohrt, und um sie unter einem Winkel zu bohren, so daß sie auf die radial inneren Teile der Rippen 32 gerichtet sind, läßt sich dieses Bohren am besten von der radial inneren Fläche oder der Unterseite des Basisteils 31 her ausführen. Daher ist es zu bevorzugen, die Spitzenkappe 30 gesondert von der Rotorschaufel 3 vorzufabrizieren und die Kühlkanäle 40 und 41 zu bohren, bevor die Spitzenkappe 30 am Ende der Rotorschaufel 3 befestigt wird.

Die Spitzenkappe 30 kann wenigstens eine Wärmebarriere aufweisen, die an einer Rippe 32 befestigt ist, wie beispielsweise die Wärmebarriere 42, die nach der Darstellung auf der Druckseitenoberfläche der Rippe 32a und auf dem Seitenrand 36 des Basisteils 31 gemäß Fig. 3 befestigt ist. Eine Wärmebarriere 42 trägt dazu bei, ein Überhitzen der Rippe, an der sie angebracht ist, zu verhindern, und auf diese Weise trägt sie zum Vermindern der Wärmebeanspruchung in der Spitzenkappe 30 bei. Eine Wärmebarriere ist besonders nützlich auf den radial höhren Rippen, bei denen die Filmkühlung oder die Aufprallkühlung der Rippen ungenügend sein kann. Ein Beispiel einer solchen Wärmebarriere ist eine Keramikbeschichtung, wie beispielsweise aus Zirkondioxid, die auf die Rippe aufgesprüht ist.

Wie bereits weiter oben angedeutet, ist es zu bevorzugen, die Spitzenkappe 30 gesondert von der Rotorschaufel 3 vorzufabrizieren, damit die Kühlkanäle in einem geeigneten Winkel durch die Spitzenkappe hindurch gebohrt werden können. Die Spitzenkappe 30, und zwar genauer gesagt, der Basisteil 31 der Spitzenkappe, wird dann an der Rotorschaufel 3 über dem radial äußeren Ende 8 befestigt oder angebracht, das nach Fig. 3 die äußere Oberfläche der Endwand 22 umfaßt, und zwar erfolgt die Befestigung oder Anbringung durch geeignete Mittel bzw. Verfahren, wie beispielsweise durch Diffusionsbindung bzw. -verbindung oder Hartlötung. Alternativ kann die Spitzenkappe 30 an einer Rotorschaufel angebracht werden, die ein offenes Radialende hat, d. h. an einer Rotorschaufel, die keine Endwand 22 aufweist, wobei das Anbringen dadurch erfolgt, daß die Spitzenkappe über den radial äußeren Rändern der Seitenwände 16 und 17 der Rotorschaufel 3 befestigt wird.

In jeder der obigen Anordnungen ist die Spitzenkappe 30 vorzugsweise so hergestellt, daß sie gesondert von der Rotorschaufel ausgebildet ist und infolgedessen ausgetauscht werden kann, ohne daß die Rotorschaufel 3 ausgetauscht werden muß. Jedoch kann die Spitzenkappe 30 gewünschtenfalls, wie man aus Fig. 5 ersieht, auch integral bzw. einstückig mit der Rotorschaufel 3 hergestellt werden, indem sie beispielsweise als mit der Rotorschaufel einstückiges Teil beschichtet wird. In dieser Anordnung erstreckt sich der Basisteil 31 quer über die Seitenwände 16 und 17 der Rotorschaufel, und die Rippen 32 erstrecken sich radial auswärts von dem Basisteil. Die Kühlkanäle 40 und 41 sind direkt mit dem Inneren der Rotorschaufel 3 verbunden.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Austauschen einer ersten Spitzenkappe durch eine zweite Spitzenkappe ist folgendes:

Zunächst wird die erste Spitzenkappe durch ein geeignetes Mittel bzw. Verfahren entfernt, indem man sie beispielsweise wegschneidet, -fräst oder -schleift; das radial äußere Ende 8, das die Enden der Seitenwände 16 und 17 sowie die äußere Fläche der Endwand 22, wenn eine solche vorhanden ist, der Rotorschaufel 3 umfaßt, wird zu einer flachen Oberfläche bearbeitet; die zweite Spitzenkappe wird bezüglich bzw. auf der Rotorschaufel 3 ausgerichtet, wobei sichergestellt wird, daß die Kühlkanäle 23 und 24 mit den Kühlkanälen 40 und 41 fluchten; und es wird die radial innere Oberfläche oder die Befestigungsoberfläche der zweiten Spitzenkappe an dem radial äußeren Ende der Rotorschaufel durch ein geeignetes Mittel bzw. Verfahren befestigt, wie beispielsweise durch Diffusionsbehandlung oder Hartlöten. Dieses Verfahren des Austauschens einer Spitzenkappe ist weniger kosten- und zeitaufwendig als es die bisherigen Verfahren der erneuten Herstellung von Spitzenkappen auf den Enden der Rotorschaufeln sind.

Claims (7)

1. Spitzenkappe für eine sich radial erstreckende Rotorschaufel, die eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kante, die allgemein axial im Abstand voneinander angeordnet sind, sowie in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Seitenwände und ein radiales äußeres Ende aufweist, wobei die gesondert Spitzenkappe für die Rotorschaufel einen Basisteil, der eine im wesentlichen planare Stromlinienkörper- bzw. Tragflügelprofilform hat und an der Rotorschaufel über bzw. auf dem radial äußeren Ende befestigt ist sowie eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kante hat, die mit der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Kante der Rotorschaufel fluchten, und mehrere Rippe umfaßt, die sich allgemein axial von der stromaufwärtigen Kante zu der stromabwärtigen Kante des Basisteils erstrecken, wobei sich Rippen radial auswärts von dem Basisteil erstrecken und ein Schleifmaterial aufweisen, das an einem radial äußeren Rand derselben befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (32a-32c) radial nach Größen geordnet bzw., gestaffelt sind, so daß das Schleifmaterial (35) in radial variierenden Abständen von dem Basisteil (31) angeordnet ist.

2. Spitzenkappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schleifmaterial (35) auf den Rippen (32a-32c) in jeder zur Radialachse (38) der Rotorschaufel (3) senkrechten Ebene zwischen dem Basisteil (31) der Spitzenkappe (30) und dem radial äußeren Rand der radial höchsten Rippe (32) angeordnet ist.

3. Spitzenkappe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein wärmeisolierendes Material (42), das auf einer Seite von wenigstens einer der Rippen (32a-32c) befestigt ist.

4. Spitzenkappe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende Material (42) an dem Seitenrand (36) der radial höchsten Rippe (32a) befestigt ist.

5. Spitzenkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenkappe (30) drei Rippen (32a-32c) umfaßt.

6. Spitzenkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil (31) mehrere Kühlkanäle (40, 41) aufweist, deren Kühlluft gegen eine Seitenfläche der radial höchsten Rippe (32a) prallt, während ein wärmeisolierendes Material (42) an der anderen Seitenfläche der Rippe (32a) befestigt ist.

7. Spitzenkappe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial höchste Rippe (32a) an der Druckseite angeordnet ist.