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Diese
Erfindung betrifft eine Rotorschaufel eines Verdichters oder einer
Gasturbine, sowie einen Verdichter oder eine industrielle Turbine
oder Turbine eines Turbotriebwerks mit einer Vielzahl dieser Schaufeln.
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Eine
Rotorschaufel eines Verdichters oder einer Gasturbine weist eine
Saugseite oder konvexe Außenseite
und eine Druckseite oder konkave Innenseite auf, die an ihren vorderen
Enden durch eine Vorderkante und an ihren hinteren Enden durch eine Gasaustrittskante
miteinander verbunden sind. Die Druckseite und die Saugseite sind
an einer Plattform angebracht, die mit einem schwalbenschwanzförmigen,
tannenförmigen
o. ä. Schaufelfuß versehen
ist, welcher dazu bestimmt ist, in einen entsprechenden Hohlraum
einer Rotorscheibe des Verdichters oder der Gasturbine eingesetzt
zu werden.
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Eine
seitliche Verstärkungsschale, „Aussteifung" genannt, ist unter
der Plattform zwischen deren Innenfläche und einer Seitenfläche des
Schaufelfußes
gebildet und erstreckt sich quer unter einem hinteren Teil der Plattform.
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Diese
Aussteifungen dienen auch als Stütze für einen
Dichtungsmantel, der zwischen zwei aneinandergrenzenden Schaufeln
angebracht ist, um den Durchgang von Luft vom inneren Teil der Turbine
in radialer Richtung zu den Druckseiten und Saugseiten der Schaufeln
zu verhindern und umgekehrt den Durchgang von Gasen oder Luft von
den Druckseiten und Saugseiten der Schaufeln zum inneren Teil der Gasturbine
zu verhindern. Die kalte Luft des inneren Teils kann auf diese Weise
in Lufteinlassöffnungen gelangen,
die am Ende der Schaufelfüße vorgesehen
sind und ein Netz von Lüftungsleitungen
im Inneren der Schaufeln zwecks deren Kühlung speisen.
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Eine
Rotorschaufel, deren Plattform mit dem Schaufelfuß durch
seitliche Verstärkungsrippen
verbunden ist, ist in der Schrift US-A-6 158 962 beschrieben. In
der Schrift EP-A-1 101 898 ist eine Rotorschaufel beschrieben, deren
Plattform Mittel zur Verringerung thermischer Belastungen umfasst,
die durch eine Verringerung der Dicke der Plattform im Bereich der
Austrittskante gebildet sind.
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Je
nach Verdichter oder Turbine haben die Saug- und Druckseiten der
Schaufeln, die den Zentrifugalkräften
ausgesetzt sind, die Tendenz, sich radial nach außen zu verschieben.
Die Zentrifugalkräfte
erzeugen also bedeutende Kräfte
im Anschlussbereich zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform
der Schaufel und bewirken hohe Belastungen in diesem Anschlussbereich
und insbesondere an der Verbindung zwischen der Austrittskante und
der Plattform der Schaufel.
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Diese
Belastungen können
die Schaufeln brüchiger
machen und ihre Lebensdauer verkürzen.
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Die
Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, eine einfache, wirtschaftliche
und wirksame Lösung für dieses
Problem zu schaffen.
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Erfindungsgegenstand
ist eine Rotorschaufel eines Verdichters oder einer Gasturbine,
in der die durch die Zentrifugalkräfte erzeugten Kräfte im Anschlussbereich
zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform der Schaufel beschränkt werden.
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Zu
diesem Zweck wird mit dieser Erfindung eine Rotorschaufel eines
Verdichters oder einer Gasturbine vorgeschlagen, die eine Saugseite
oder konvexe Außenseite
und eine Druckseite oder konkave Innenseite hat, die an ihren vorderen
Enden durch eine Vorderkante und an ihren hinteren Enden durch eine
Gasaustrittskante miteinander verbunden sind, wobei eine Plattform
die Saugseite und die Druckseite mit einem Schaufelfuß verbindet,
und wobei mindestens eine Aussteifung, die von einer ebenen Werkstoffschale
gebildet wird, den hinteren Teil der Plattform mit dem Schaufelfuß verbindet,
wobei diese Aussteifung sich im rechten Winkel zu der Plattform
und quer oder in Umfangsrichtung zur Achse des Rotors erstreckt,
wobei die Schaufel dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aussteifung,
um die Belastungen in dem Anschlussbereich zwischen der Austrittskante
und der Plattform zu verringern, mindestens einen Einschnitt oder
Ausschnitt aufweist, der im Wesentlichen in Höhe der Austrittskante gebildet
ist.
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Dieser
Ausschnitt oder Einschnitt, der im Bereich der Austrittskante gebildet
ist, verleiht der Aussteifung und damit der Plattform eine relative
Biegsamkeit in diesem Bereich, so dass diese sich leicht verformen
und der Verformung der Austrittskante folgen können, wenn die Schaufel den
Zentrifugalkräften
ausgesetzt ist. Dies äußert sich
in einer deutlichen Verringerung der Belastungen im Anschlussbereich
zwischen dem Schaufelblatt und der Plattform sowie in einer Verlängerung
der Lebensdauer.
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Zudem
wird ein größerer Teil
der Aussteifung erhalten, so dass diese ihre Funktion als Stütze für den Dichtungsmantel
noch immer erfüllt.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist der Ausschnitt an dem Ende der Aussteifung gebildet,
das sich im Wesentlichen an der Austrittskante befindet.
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Er
kann sich über
einen Teil oder im Wesentlichen über
die gesamte Höhe
der Aussteifung zwischen deren radial inneren Kante und der Plattform erstrecken
und/oder sich in Querrichtung oder Umfangsrichtung über einen
Teil der Länge
der Aussteifung erstrecken.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Einschnitt in der radial inneren Kante der Aussteifung
gebildet und erstreckt sich bis in die Nähe der Plattform. Dieser Einschnitt
kann beliebig geformt sein, beispielsweise mit geraden, schrägen oder
gebogenen Rändern.
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Im
Betrieb bildet das Ende der Aussteifung, das sich an der Austrittskante
befindet, eine Masse, die gleichzeitig mit der Druckseite und der
Saugseite der Schaufel verformt wird. Dadurch kann sich das hintere
Ende der Plattform leichter verformen und besser der Verformung
der Druckseite und der Saugseite folgen und damit die Belastungen
in deren Anschlussbereich zur Plattform besser beschränken.
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Der
Ausschnitt oder der Einschnitt der Aussteifung kann durch Bearbeitung
oder durch Gießen mit
der Schaufel hergestellt werden.
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Mit
der Erfindung wird ebenfalls eine industrielle Turbine oder Turbine
eines Turbotriebwerks vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie eine Vielzahl von Schaufeln enthält, deren Aussteifungen mindestens
einen oben genannten Ausschnitt oder Einschnitt aufweisen.
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Außerdem wird
mit ihr ein industrieller Verdichter oder Verdichter eines Turbotriebwerks
vorgeschlagen, der mit Schaufeln des oben genannten Typs ausgerüstet ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Turbomaschine wie z. B. ein Turbotriebwerk
oder einen Turboprop-Antrieb eines Flugzeugs, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass sie eine Vielzahl von Schaufeln des oben genannten Typs
enthält.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, die als nicht einschränkendes
Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
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1 in
einer schematischen Perspektivansicht von unten und vorn betrachtet
eine Rotorschaufel nach dem Stand der Technik zeigt,
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2 in
einer schematischen Perspektivansicht von unten und vorn betrachtet
eine erfindungsgemäße Rotorschaufel
zeigt,
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3 in
einer schematischen Perspektivansicht von unten und vorn betrachtet
eine Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Rotorschaufel zeigt,
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4 in
einer schematischen Perspektivansicht von unten und vorn betrachtet
eine weitere Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Rotorschaufel
zeigt.
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Es
wird zunächst
Bezug auf 1 genommen, in der eine Rotorschaufel 10 eines
Verdichters oder einer Gasturbine insbesondere eines Turbotriebwerks
nach dem Stand der Technik dargestellt ist.
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Diese
Schaufel 10 umfasst ein Schaufelblatt, das an einer Plattform
angebracht ist und eine Saugseite 12 oder konvexe Außenseite
und eine Druckseite 14 oder konkave Innenseite aufweist,
welche an ihren vorderen Enden durch eine Vorderkante 16 und an
ihren hinteren Enden durch eine Gasaustrittskante 18 miteinander
verbunden sind, wobei diese Gase in dem Verdichters oder der Gasturbine
strömen.
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Das
Schaufelblatt der Schaufel 10 ist durch die im Wesentlichen
rechtwinklige Plattform 20 mit einem Schaufelfuß 22 verbunden,
mittels dessen die Schaufel 10 an einer Scheibe (nicht
dargestellt) des Rotors des Verdichters oder der Gasturbine angebracht
wird, und zwar durch Einstecken dieses Schaufelfußes 22 in
einen Hohlraum von entsprechender Form an der Umfangslinie der Rotorscheibe.
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Durch
diese Einsteckverbindung, in dem dargestellten Beispiel der tannenförmige Typ,
wird die Schaufel 10 radial an der Rotorscheibe festgehalten. Weitere
Mittel sind vorgesehen, um den Fuß 22 der Schaufel 10 in
dem Hohlraum der Scheibe axial zu blockieren.
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Jede
Rotorscheibe enthält
eine Vielzahl von Schaufeln 10, die in regelmäßigen Abständen auf
der äußeren Umfangslinie
verteilt angeordnet sind und mit feststehenden Statorschaufelstufen
zusammenwirken, die zwischen zwei Rotorscheiben angeordnet sind.
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Die
Schaufel 10 wird innerlich mittels Luftzirkulationsleitungen
belüftet
und gekühlt,
welche sich parallel zur Längsachse 24 der
Schaufel 10 erstrecken und durch Öffnungen 26 gespeist
werden, die am Ende des Fußes 22 der
Schaufel 10 münden. Luftaustrittsschlitze 28,
die von diesem Netz gespeist werden, sind an einem Teil der Druckseite 14 nahe bei
der Austrittskante 18 gebildet.
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Die
Plattform 20 ist mit dem Schaufelfuß 22 auch durch ebene
Werkstoffschalen verbunden, die Aussteifungen 30 genannt
werden, und die sich unter der Plattform 20 an ihrem vorderen
und hinteren Ende im Wesentlichen im rechten Winkel zu der Plattform 20 und
quer oder in Umfangsrichtung zur Drehachse erstrecken, wenn die
Schaufel 10 an einer Rotorscheibe angebracht ist.
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Die
hintere Aussteifung 30 befindet sich unter dem Anschluss
zwischen der Austrittskante 18 und der Plattform 20 und
weist eine radial inneren Rand 32 auf, der im Wesentlichen
parallel zur Plattform 20 verläuft und mit dem Schaufelfuß 22 verbunden
ist, sowie einen Seitenrand 34, der im Wesentlichen im
rechten Winkel zur Plattform 20 verläuft und mit dem entsprechenden
Rand der Plattform 20 verbunden ist.
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Beiderseits
der Plattform 20 begrenzen die beiden Aussteifungen 30 zwischen
sich eine Aufnahme für
einen Dichtungsmantel (nicht dargestellt), der unter der Plattform 20 angebracht
ist und sich zwischen dieser Schaufel 10 und der angrenzenden Schaufel
der Rotorscheibe erstreckt.
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Diese
Dichtungsmäntel
verhindern den Durchgang von Luft zwischen den Plattformen 20 aneinandergrenzender
Schaufeln vom inneren Teil der Turbine oder des Verdichters radial
nach außen,
und sie verhindern umgekehrt den Durchgang von Gas oder Luft von
außen
zum inneren Teil des Verdichters oder der Gasturbine. So kann die
kalte Luft des inneren Teils in die Öffnungen 26 der Füße 22 der
Schaufeln 10 gelangen.
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Die
Aussteifungen 30 versteifen ferner die Plattform 20 und
verhindern, dass diese sich nach außen um eine Achse parallel
zur Drehachse umbiegt.
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Wenn
beim Betrieb die Schaufeln 10 bedeutenden Zentrifugalkräften ausgesetzt
werden, die große
Kräfte
insbesondere in den Anschlussbereichen zwischen den Schaufelblättern und
den Plattformen 20 erzeugen, halten die durch die Aussteifungen 30 verstärkten Plattformen 20 diesen
Kräften stand,
wodurch Belastungen in diesen Anschlussbereichen entstehen.
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Zur
Einschränkung
dieser Belastungen wird mit dieser Erfindung vorgeschlagen, mindestens
einen Ausschnitt oder Einschnitt in dem Teil der hinteren Aussteifung 30 zu
bilden, der sich unter dem Anschluss zwischen der Austrittskante 18 und
der Plattform 20 befindet.
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In 2 ist
eine erste Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei der die Aussteifung 30 einen
Einschnitt 40 aufweist, der sich von ihrem radial inneren
Rand 32 bis in die Nähe
der Plattform 20 erstreckt. Dieser Einschnitt kann beliebig
geformt sein, mit geraden, schrägen
oder gebogenen Rändern.
In dem dargestellten Beispiel ist dieser Einschnitt 40 im Wesentlichen
umgekehrt V-förmig
und weist einen Rand 42 auf, der im Wesentlichen im rechten
Winkel zur Plattform 20 und parallel zur Seitenkante 34 der Aussteifung 30 verläuft, sowie
einen Rand 44, der schräg
zur Plattform 20 verläuft
und das nahe bei der Plattform 20 befindliche obere Ende
des Randes 42 mit dem radial inneren Rand 32 der
Aussteifung 30 verbindet.
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Die
Aussteifung 30 umfasst also zwei unterschiedliche Teile:
einen Teil 46, der die Plattform 20 mit dem Schaufelfuß 22 verbindet
und dazu bestimmt ist, die Plattform 20 zu versteifen,
und einen anderen Teil 48, der sich am Ende der Aussteifung 30 unter dem
Anschlussbereich zwischen der Austrittskante 18 und der
Plattform 20 befindet und sich verformen kann, wenn er
den Zentrifugalkräften
ausgesetzt wird, und als Stütze
für einen
Dichtungsmantel dient. Dieser Teil 48 der Aussteifung 30 kann
der Verformung der Verbindung zwischen der Austrittskante 18 und
der Plattform 20 folgen.
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In 3 wurde
eine zweite Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, bei der die Seitenkante 34 der Aussteifung 30,
die mit dem Rand der Plattform 20 verbunden ist, einen
Ausschnitt 49 enthält,
der sich über
einen Teil der Höhe
der Aussteifung 30 erstreckt, und zwar von ihrer radial
inneren Kante 32 aus, und sich in Querrichtung oder in
Umfangsrichtung über
einen Teil der Länge
der Aussteifung 30 erstreckt. Dieser Einschnitt kann beliebig
geformt sein, mit geraden, schrägen
oder gebogenen Rändern.
In diesem Beispiel ist die Aussteifung 30 im Wesentlichen
L-förmig
mit einem Rand 50, der parallel zur Plattform 20 verläuft und
mit dem übrigen
Teil der Seitenkante 34 der Aussteifung 30 verbunden
ist, und mit einem geraden oder schrägen Rand 52, der mit
dem übrigen
Teil des radial inneren Randes 32 der Aussteifung 30 verbunden
ist.
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Der
Ausschnitt 49 der Aussteifung 30 ermöglicht eine
Verformung des hinteren Teils der Plattform 20, der sich
unter der Austrittskante 18 befindet, während des Betriebs des Verdichters
oder der Gasturbine, und verringert die auf den Anschlussbereich
zu der Plattform 20 ausgeübten Kräfte.
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Bei
der Ausführungsvariante
von 4 erstreckt sich der Ausschnitt 49 im
Wesentlichen über die
gesamte Höhe
der Aussteifung 30, und zwar von deren radial inneren Kante 32 aus.
Die Aussteifung 30 ist in diesem Beispiel trapezförmig mit
einem schrägen
Rand 54 gegenüber
der Plattform 20 und verbindet diese mit dem übrigen Teil
der radial inneren Kante 32 der Aussteifung 30.
Dieser trapezförmige
Teil entspricht im Wesentlichen dem Teil 46 in dem Ausführungsbeispiel
von 2 und hat die Funktion, die Plattform zu versteifen.
Der unter der Austrittskante 18 befindliche Teil der Plattform 20 weist
weniger Masse auf als in dem Beispiel von 2 und ist etwas
weniger empfindlich gegen die Zentrifugalkräfte, wobei er zugleich eine
gewisse Biegsamkeit im Verhältnis
zu der lokal auftretenden Unterdrückung der Aussteifung 30 aufweist.
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Der
Einschnitt 40 oder der Ausschnitt 49 der Aussteifung
wird durch Bearbeitung oder durch Gießen hergestellt.
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Simulationsberechnungen
haben gezeigt, dass die Erfindung einen deutlichen Gewinn an Lebensdauer
der Gasturbinenschaufeln von Turbotriebwerken ermöglicht.