DE602005001029T2 - Turbinenblatt mit Mantel - Google Patents

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    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D11/005Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • F01D11/008Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere Turbinenlaufschaufeln in diesen.
  • In einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer mit Kraftstoff vermischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Turbinenstufen extrahieren Energie aus den Verbrennungsgasen, um den Verdichter anzutreiben und nützliche Arbeit zu verrichten.
  • Unmittelbar nach der Brennkammer folgt eine Hochdruckturbine (HDT), die eine oder mehrere Reihen von Turbinenlaufschaufeln aufweist, die den Gasen Energie zum Antreiben des Verdichters entziehen.
  • Nach der HDT folgt eine mehrstufige Niederdruckturbine (NDT), die weitere Laufschaufeln enthält, die ebenfalls Energie aus den Verbrennungsgasen extrahieren, um gewöhnlich einen stromaufwärts befindlichen Bläser in einer Mantelstrom-Flugzeugtriebwerksanwendung anzutreiben.
  • In einer noch weiteren Konfiguration ist zwischen der HDT und der NDT eine Zwischendruckturbine (ZDT) angeordnet, die weitere Turbinenstufen enthält, die ebenfalls Energie den Verbrennungsgasen entziehen, um weitere Arbeit zu verrichten. In dieser Konfiguration kann die ZDT mit einem Niederdruck- oder Boosterverdichter verbunden sein, der stromaufwärts von dem Hochdruckverdichter angeordnet ist, um diesem Antriebsleistung zuzuführen. Ferner treibt die NDT eine externe Antriebswelle an, die verwendet werden kann, um einen elektrischen Generator in einer typischen industriellen Gasturbinentriebwerksanwendung anzutreiben.
  • Da die Rotorlaufschaufeln der HDT den heißesten Temperaturen der Verbrennungsgase ausgesetzt sind und mit einer sehr hohen Drehzahl umlaufen, unterliegen sie beträchtlichen thermischen und zentrifugalen Spannungen während des Betriebs. Um ihre Standzeit und Dauerhaftigkeit zu verbessern, sind die HDT-Turbinenlaufschaufeln gewöhnlich aus Superlegierungen, wie beispielsweise Nickel basiertem Metall, ausgebildet, damit sie bei einer erhöhten Temperatur eine höhere Festigkeit aufweisen.
  • Die Turbinenlaufschaufeln enthalten gewöhnlich hohle Schaufelblätter, in denen Kühlkreisläufe vorgesehen sind, durch die Kühlluft umgewälzt wird, die von dem Verdichter während des Betriebs abgezapft wird. Die Laufschaufeln enthalten ferner eine integrale Plattform, die die innere Begrenzung für die heißen Verbrennungsgase definiert, wobei darunter ein integraler tragender Schwalbenschwanz angeordnet ist.
  • Der Schwalbenschwanz der Laufschaufel enthält eine oder mehrere Paare von Schwalbenschwanzzinken oder -ausbuchtungen, die in zugehörigen Schwalbenschwanzschlitzen in dem Umfang der tragenden Turbinenlaufradscheibe montiert sind. Es sind Schwalbenschwänze mit axialer Einführunq üblich, die sich durch axiale Schwalbenschwanzschlitze erstrecken, die rund um den Umfang der Laufradscheibe angeordnet sind.
  • Zentrifugallasten, die während des Betriebs der umlaufenden Laufschaufeln hervorgerufen werden, werden radial nach innen durch die Schwalbenschwanzausbuchtungen in die zugehörigen Scheibensäulen hinein übertragen, die die Schwalbenschwanzschlitze rund um den Umfang der Laufradscheibe definieren. Da das Laufschaufelblatt, die Plattform und der Schwalbenschwanz für unterschiedliche Zwecke speziell konfiguriert sind, erfahren sie unterschiedliche thermische und zentrifugale Belastungen während des Betriebs, die zur Sicherstellung einer langen Nutzdauer der Turbinenstufe geeignet begrenzt sein müssen.
  • Demgemäß müssen die tragenden Laufräder ebenfalls geeignet konfiguriert sein, um die Zentrifugallasten von der Laufschaufelreihe mit begrenzter Beanspruchung zu übertragen, um ebenfalls die lange Nutzdauer von diesen sicherzustellen.
  • Da die Schwalbenschwänze der Laufschaufeln diskrete Komponenten bilden, die rund um den Umfang der Laufradscheibe im Abstand zueinander angeordnet und durch die dazwischen eingefügten Scheibenstützen bzw. -säulen voneinander getrennt sind, werden entsprechende Zwischenräume oder Lücken zwischen Laufschaufeln erzeugt, die während des Betriebs geeignet abgedichtet werden müssen. Heiße Verbrennungsgase strömen im Betrieb zwischen den Laufschaufeln an der Außenseite der Schaufelplattformen. Und Kühlluft, die von dem Verdichter abgezweigt wird, wird durch die Scheibenschlitze und durch Kühlkanäle hindurch geleitet, die sich in radialer Richtung durch die einzelnen Laufschaufeln erstrecken.
  • Demgemäß sind einzelne Dichtungskörper gewöhnlich dazu konfiguriert, die zwischen Laufschaufeln befindlichen Lücken zwischen einander benachbarten Schwalbenschwänzen und oberhalb der entsprechenden dazwischen befindlichen Schei bensäulen zu füllen. Die Dichtungskörper begrenzen den Leckstrom zwischen der vorderen und der hinteren Stirnfläche der Laufschaufeln, wenn diese an dem Umfang der Laufradscheibe montiert sind. Diese Dichtungen beeinflussen auch die Betriebstemperatur der Scheibensäulen zur Maximierung der Nutzlebensdauer der Laufradscheibe.
  • Der Wirkungsgrad einer Turbine ist durch viele miteinander in Beziehung stehende Parameter beeinflusst. Grundsätzlich kann der Turbinenwirkungsgrad erhöht werden, wenn die Verbrennungsgastemperatur steigt, wobei jedoch heißere Verbrennungsgase die Wärmebelastungen an den Turbinenkomponenten steigern, die geeignet gekühlt werden müssen. Zapfkühlluft von dem Verdichter reduziert wiederum den Wirkungsgrad des Triebwerks, da die Zapfluft in dem Verbrennungsprozess nicht verwendet wird.
  • Außerdem beeinträchtigen die aerodynamischen Profile der Turbinenlaufschaufeln selbst den Triebwerkswirkungsgrad, und die Schaufelblattkonfiguration beeinflusst ebenfalls die Wärmebelastungen und Zentrifugalbelastungen sowie Spannungen nicht nur in den Schaufelblättern selbst sondern auch in den tragenden Plattformen, Schwalbenschwänzen und Laufradscheibensäulen.
  • In einer neuen Entwicklung eines industriellen Gasturbinentriebwerks mit drei Wellen, das eine HDT, eine ZDT und eine NDT zum Antreiben eines elektrischen Generators aufweist, ist der Turbinenwirkungsgrad beispielsweise durch eine Verbesserung der aerodynamischen 3D-Gestaltung der Turbinenschaufelblätter in der zweiten Stufe der HDT erhöht. Moderne Analysewerkzeuge werden dazu verwendet, die 3D-Konfiguration des Schaufelblatts der zweiten Stufe zu verfeinern, um seine Effizienz zu steigern, wobei die Laufschaufeln eine größere Verdrehung oder Verwindung in Bezug auf die axialen Schwalbenschwänze erfahren, als sie herkömmlich zu finden ist. Derartige axiale Schwalbenschwänze haben sich in herkömmlichen Turbinen als dauerhaft erwiesen und ermöglichen eine entsprechende lange Nutzdauer der tragenden Laufradscheibe.
  • Die stärkere Verwindung oder Verdrehung des Schaufelblattfußes oder -nabenkörpers an der inneren Plattform verändert entsprechend die Lastpfade zu dem axialen Schwalbenschwanz, der nicht in ähnlicher Weise um die radiale Achse herum verwunden oder verdreht ist.
  • Die Verdrehung der Schaufelblattnabe erfordert geeignet geneigte oder unter einem Winkel ausgerichtete axiale Spalt- bzw. Teilungslinien zwischen den benachbarten Plattformen in der Reihe von Turbinenlaufschaufeln. Die Laufschaufelplattformen sind deshalb zu dem tragenden axialen Schwalbenschwanz relativ verdreht und beeinflussen den durch diese hindurch führenden Zentrifugallastpfad sowie deren Gesamtkonfiguration.
  • Da sowohl der axiale Schwalbenschwanz als auch der Dichtungskörper zwischen Laufschaufeln achsensymmetrisch sind, ist der Abstand zwischen Laufschaufeln durch das 3D-Schaufelblatt und die verdrehte Plattform beeinflusst, was zu einer unerwünschten Leckströmung zwischen den Laufschaufeln führen kann.
  • Demgemäß ist es erwünscht, eine verbesserte Turbinenlaufschaufel, die eine mit einem axialen Schwalbenschwanz verbundene verdrehte oder verwundene Plattform aufweist, mit Merkmalen zur Reduktion der Zwischenschaufelleckage zu schaffen.
  • Gemäß der Erfindung enthält eine Turbinenlaufschaufel ein Schaufelblatt, eine Plattform, einen Schaft und einen Schwalbenschwanz. Der Schaft enthält eine vordere und eine gegenüberliegende hintere Stirnfläche, die einer Vorder- und einer Hinterkante des Schaufelblattes entsprechen, sowie eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite, die einer Druck- und einer Saugseite des Schaufelblattes entsprechen. Der Schaft enthält ferner Nasen oder Ansätze, die sich von den beiden Seiten aus nach außen erstrecken, wobei eine erste Nase eine umgedrehte Randleiste oder einen umgedrehten Kragen aufweist, die bzw. der sich zu der Plattform hin nach außen erstreckt, um mit der hinteren Stirnfläche des Schaftes verbunden zu sein. Der Kragen wirkt mit einem Dichtungskörper zusammen, wenn er in dem Triebwerk montiert ist, um einen Leckstrom zwischen Laufschaufeln zu reduzieren. GB 2 127 104 beschreibt eine nicht hohle Turbinenlaufschaufel mit einer integralen Einrichtung zur Abdichtung der Zwischenräume zwischen den Schäften der Laufschaufeln. Die Dichtungseinrichtung weist einen Dichtungskragen auf, der sich von der stromabwärts befindlichen Kante der Plattform aus entlang der stromabwärts befindlichen Stirnfläche des Schaftes nach unten erstreckt.
  • Die Erfindung wird nun in größeren Einzelheiten zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
  • 1 zeigt eine hintere Draufsicht auf einen Abschnitt eines Turbinenrotors einer zweiten Stufe, der Laufschaufeln enthält, die sich von einer tragenden Laufrad scheibe aus radial nach außen erstrecken, mit Blick nach vorne.
  • 2 zeigt eine vordere Draufsicht auf die in 1 veranschaulichten Turbinenlaufschaufeln mit Blick nach hinten.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht oder axiale Ansicht einer der Turbinenlaufschaufeln, wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht sind.
  • 4 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte flächenförmige Ansicht der beiden Laufschaufeln, wie sie in 1 veranschaulicht sind und geschnitten entlang der Linie 4-4.
  • 5 zeigt eine explodierte Hinteransicht der in 3 veranschaulichten Turbinenlaufschaufel mit Blick nach vorne.
  • 1 veranschaulicht einen repräsentativen Abschnitt eines Turbinenrotors einer zweiten Stufe einer Hochdruckturbine für ein ansonsten herkömmliches Gasturbinentriebwerk. Das Triebwerk kann als ein Mantelstromtriebwerk zum Antreiben eines Flugzeugs im Flug oder für Marineanwendungen oder industrielle Anwendungen mit einer Niederdruckturbine konfiguriert sein, die eine externe Antriebswelle antreibt.
  • Es ist eine Turbinenlaufradscheibe 10 zum Teil veranschaulicht, die eine Reihe von axialen Schwalbenschwanzschlitzen 12 enthält, die rund um den Umfang der Scheibe ausgebildet und durch komplementäre Scheibenstützen bzw. -säulen 14 definiert sind.
  • Rund um die Laufradscheibe ist in den entsprechenden Schwalbenschwanzschlitzen 12 eine Reihe von Laufschaufeln 16 der Turbine der zweiten Stufe montiert. Jede Laufschaufel enthält ein Schaufelblatt 18, eine Plattform 20, einen Schaft 22 und einen mehrere Ausbuchtungen aufweisenden Schwalbenschwanz 24, die in Form eines einzelnen oder einstöckigen Gussteils radial der Reihe nach integral miteinander verbunden sind.
  • Während des Betriebs werden in einer (nicht veranschaulichten) Brennkammer heiße Verbrennungsgase 26 erzeugt, die zwischen den Turbinenschaufelblättern 18 geeignet geleitet werden, die diesen Energie entziehen, um die Scheibe 10 zu drehen. Die Scheibe ist über eine Welle mit einem (nicht veranschaulichten) mehrstufigen Axialverdichter geeignet verbunden, der Luft 28 unter Druck setzt, die in der Brennkammer mit Kraftstoff vermischt wird, um die heißen Verbrennungsgase zu erzeugen.
  • Ein Teil der unter Druck gesetzten Luft 28 wird geeignet zu der Laufradscheibe 10 geleitet und in die Scheibenschlitze 12 den einzelnen Turbinenlaufschaufeln zugeführt, um durch diese hindurch radial nach außen in Kühlkreisläufe 30 zu strömen, die während des Gießprozesses in geeigneter Weise darin ausgebildet werden.
  • Die einzelnen Schaufelblätter 18 sind folglich hohlförmig und enthalten geeignete Unterteilungen oder Rippen in sich, um die verschiedenen Strecken oder Zweige des Kühlkreislaufs 30 zur Kühlung des Schaufelblatts in einer herkömmlichen Weise zu bilden. Die Kühlkreisläufe enthalten Einlasskanäle, die sich durch die Laufschaufelplattform, den Schaft und den Schwalbenschwanz nach innen erstrecken, wobei Einlässe ebenfalls in einer herkömmlichen Weise in der Basis des Schwalbenschwanzes ausgebildet sind, um zunächst die unter Druck gesetzte Kühlluft in diese aufzunehmen.
  • Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, enthält jedes Schaufelblatt 18 eine im Wesentlichen konkave Druckseite 32 und eine in Umfangsrichtung oder Seitenrichtung gegenüberliegende, im Wesentlichen konvexe Saugseite 34. Die beider Seiten erstrecken sich axial in Sehnenrichtung zwischen einer Vorder- und einer gegenüberliegenden Hinterkante 36, 38 und in Längs- oder radialer Spannweitenrichtung zwischen einer Nabe oder einem Fuß 40, die bzw. der an der Plattform integral ausgebildet ist, und einer äußeren Spitze 42 an dem distalen Ende des Schaufelblattes.
  • Abgesehen von dem hier nachstehend Beschriebenen weist die grundlegende Turbinenlaufschaufel der zweiten Stufe, wie sie in den 1-3 veranschaulicht ist, einen herkömmlichen Aufbau und eine herkömmliche Funktionsweise auf und ist ähnlich in kommerziellen Turbinentriebwerken zu finden, die seit vielen Jahren sowohl in den Vereinigten Staaten als auch weltweit verkauft und eingesetzt werden. Wie vorstehend angegeben, können weitere Fortschritte hinsichtlich der Effizienz dieser Turbinenlaufschaufel der Stufe 2 erzielt werden, indem die aerodynamische 3D-Konfiguration des Schaufelblattes 18 verbessert wird.
  • Insbesondere kann moderne Rechenanalyse dazu verwendet werden, die 3D-Gestaltung des in den 1-3 veranschaulichten Schaufelblattes 18 derart zu verbessern, dass es beispielsweise rund um die radiale Mittellinie oder Stapelachse des Schaufelblattes eine zunehmende Verdrehung oder Verwindung enthält. 4 veranschaulicht insbesondere, dass das Schaufelbatt in Bezug auf die axiale Mittelachse der Laufradscheibe verdreht oder verwunden sein kann, wodurch wiederum die entsprechende Plattform 20 verdreht oder verwunden ist.
  • Jede Plattform weist zwei in Umfangsrichtung gegenüberliegende Teilungs- bzw. Spaltlinien oder Schlitzseiten 44 auf, die sich schräg zwischen ihrer vorderen und ihrer hinteren Stirnfläche in einer parallelogrammförmigen Ausgestaltung erstrecken. Jede Plattform 20 ist unter einem spitzen Neigungs- oder Verdrehwinkel A von beispielsweise etwa 20° gegenüber der axialen Mittelachse der Laufradscheibe oder des axialen Schwalbenschwanzes der Laufschaufel selbst verdreht. Die Verdrehdifferenz bei der Ausrichtung zwischen der Plattform 20 und dem darunter liegenden Schwalbenschwanz 24 beeinflusst sowohl den Zentrifugallastpfad durch die Laufschaufel als auch den Abstand zwischen Laufschaufeln unterhalb der Plattform.
  • Insbesondere ist der Schaft 22 in größeren Einzelheiten in den 3 und 5 veranschaulicht, wie er eine vordere und eine axial gegenüberliegende hintere Stirnfläche 46, 48 enthält, die der Vorder- und der Hinterkante 36, 38 des Schaufelblattes entsprechen und radial weiter innen in Bezug auf diese angeordnet sind. Jeder Schaft enthält ferner eine erste und eine zweite Seite 50, 52, die in Seiten- oder Umfangsrichtung gegenüberliegen, der Druck- und Saugseite 32, 34 des Schaufelblattes entsprechen und radial unterhalb dieser angeordnet sind. Der Schaft erstreckt sich radial in Spannweitenrichtung und ist mit dem oberen Ende des Schwalbenschwanzes 24 integral verbunden.
  • Der Schwalbenschwanz 24, wie er in 5 veranschaulicht ist, weist eine herkömmliche tannenbaumförmige Gestaltung mit drei Paaren von sich in Axialrichtung erstreckenden Zinken oder Ausbuchtungen 54 auf, die sich wiederum in der Axialrichtung unterhalb der jeweiligen vorderen und hinteren Stirnfläche 46, 48 des radialen Schaftes 22 erstrecken.
  • Demgemäß enthält der Schaft vier separate Haltenasen 56, die sich in Seitenrichtung nach außen von der ersten und der gegenüberliegenden zweiten Seite 50, 52 des Schaftes wegerstrecken. Die Nasen sind in zwei Paaren angeordnet, die sich in entgegengesetzte Richtungen von den entgegengesetzten Seiten des Schaftes an der jeweiligen vorderen und hinteren Stirnfläche 46, 48 von diesem erstrecken und oberhalb der Schwalbenschwanzausbuchtungen 54 im Abstand angeordnet sind.
  • Wie am besten in 5 veranschaulicht, enthält jede der vier Nasen 56 eine im Wesentlichen horizontale obere Fläche und eine geneigte untere Fläche, die in das äußerste Paar von Schwalbenschwanzausbuchtungen übergeht, um einen Dichtungspfropfen oder -körper 58 daran radial zu haltern.
  • Wie in den 2 und 5 veranschaulicht, ist der Dichtungskörper 58 entlang seiner Längsachse oder axialen Achse achsensymmetrisch und enthält einen im Wesentlichen rechteckigen Kopf 60, der oberhalb eines Paars von axialen Ausbuchtungen oder Zinken 62 angeordnet ist.
  • Der Dichtungskörper enthält ferner eine an seinem vorderen Ende angeordnete vergrößerte Dichtungsplatte 64, die, wie in 1 veranschaulicht, in Seiten- oder Umfangsrichtung die vorderen Stirnflächen 46 von benachbarten Schäften 22 überlappt, um eine effektive primäre Abdichtung entlang der vorderen Stirnflächen des Schaftes zu erzielen, wenn er an der Laufradscheibe montiert ist.
  • Entsprechend sind der Kopf 60 und die Zinken 62 des Dichtungskörpers 58 an seinem hinteren Ende, wie in 2 veranschaulicht, vorzugsweise bündig mit der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes angeordnet, um eine sekundäre Dichtung zwischen den hinteren Stirnflächen der an der Laufradscheibe montierten Schäfte zu schaffen. Der dazwischen liegende Abschnitt des Dichtungskörpers ist geeignet bemessen, um die Lücke oder den Zwischenraum zwischen einander benachbarten Laufschaufelschäften zu füllen, um seine Abdichtungseffektivität zu vervollständigen.
  • 1-3 veranschaulichen die Einbaulage des Dichtungskörpers 58, wie er zwischen benachbarten Laufschaufelschäften festgesetzt ist. Wie in 2 veranschaulicht, ist der Dichtungskopf 60 oberhalb der Schaftnasen 56 angeordnet, während die Dichtungszinken 62 unterhalb der Schaftnasen 56 angeordnet sind, um mit deren geneigten unteren Flächen in Eingriff zu stehen.
  • Im Betrieb werden Zentrifugalkräfte in dem Dichtungskörper 58 radial nach außen ausgeübt und durch die Dichtungszinken 62 in die jeweiligen Schaftnasen 56 hinein übertragen, wobei sie die Zentrifugallasten der gesamten Laufschaufel selbst vereinigen, die anschließend über die Schwalbenschwanzausbuchtungen 54 in die zugehörigen Aus buchtungen der in 1 veranschaulichten Säulen 14 der Laufradscheibe hinein übertragen werden.
  • Wie in 1 veranschaulicht, deckt die vergrößerte Dichtungsplatte 64 in effektiver Weise den Zwischenraum zwischen den Laufschaufeln über die gesamte vordere Stirnfläche des Laufschaufelschaftes hinweg zwischen der Plattform 20 und dem Schwalbenschwanz 24 ab. Auf diese Weise wird eine einen hohen Druck aufweisende Kühlluft oder Zapfluft in dem vorderen Hohlraum der Turbine an der vorderen Stirnfläche der Scheibe gegen einen Durchtritt zwischen den montierten Laufschaufeln abgedichtet. Jedoch enthält jede Dichtungsplatte 64 eine kleine Einlassöffnung zur dosierten Zuführung einer kleinen Menge an Zapfluft zwischen den Laufscheibenschäften während des Betriebs, um die Scheibensäulentemperatur zu steuern.
  • 2 veranschaulicht das kleinere hintere Ende des Dichtungskörpers 58, das keine zweite vergrößerte Dichtungsplatte 64 wie an dem vorderen Ende aufweist. Angesichts der großen Nabenverwindung, wie sie durch den in 4 veranschaulichten Verdrehwinkel A dargestellt ist, wird zwischen der verdrehten Plattform und dem axialen Schwalbenschwanz ein deutlicher Versatz in Umfangsrichtung erzeugt, wie er auch in 2 veranschaulicht ist und der einen nicht symmetrischen Freiraum rund um den symmetrischen Kopf 60 des Dichtungskörpers hervorruft.
  • Demgemäß ist die eine Nase 56 der vier Nasen, die durch Verdrehung der Laufschaufelplattform 20 an der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes freigelegt ist, speziell derart gestaltet, dass sie einen integralen umgedrehten Mantel oder Kragen 66 enthält, wie er in größeren Einzel heiten in den 2 und 5 veranschaulicht ist. Der umgedrehte Kragen 66 erstreckt sich radial nach außen oder nach oben zu der inneren Fläche der Plattform 20 hin, so dass er entlang der zweiten Seite oder Saugseite 52 des Schaftes integral mit der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes verbunden ist.
  • Lediglich diese erste der vier Nasen 56 ist derart konfiguriert, dass sie den umgedrehten Kragen enthält, während die drei verbleibenden Nasen ohne entsprechende Kragen ausgebildet und deshalb frei von einem Kragen sind.
  • Wie am besten in 2 veranschaulicht, ist die saugseitige erste Nase 56 an der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes von oben freigelegt, was auf den Versatz zwischen der verdrehten Nabe und Plattform der Laufschaufel zurückzuführen ist. Der umgedrehte Kragen 66 erstreckt sich integral von der ersten Nase 56 zu der zweiten Seite 52 des Schaftes derart, dass er dazwischen eine Dichtungsbrücke bildet. Auf diese Weise ist der ungleichmäßige Zwischenraum rund um den symmetrischen Dichtungskörperkopf 60, wie er in 2 veranschaulicht ist, durch die Einführung des umgedrehten Kragens 66 wesentlich kleiner gestaltet. Der Kragen verbessert folglich die sekundäre Abdichtung an dem hinteren Ende des Dichtungskörpers 58 zur zusätzlichen Steuerung der Temperatur der Scheibensäulen, um eine lange Nutzdauer der Scheibe zu erhalten.
  • Die einzigartige Plattformverdrehung, wie sie in 4 veranschaulicht ist, ruft den deutlichen Versatz gegenüber der Saugseite des Schwalbenschwanzes und des Schaftes hervor, um die Plattform, die erste Nase 56 und den integralen Kragen 66 von oben freizulegen. Die verdrehte Platt form stellt sicher, dass die Vorderkante 36 des Schaufelblattes im Wesentlichen über der zweiten Seite 52 des Schaftes angeordnet ist, während die Hinterkante 38 des Schaufelblattes im Wesentlichen über der ersten Seite 50 des Schaftes angeordnet und zu dieser ausgerichtet ist.
  • Der entsprechende radiale Lastpfad von dem Schaufelblatt, der Plattform und dem Schaft, der in den Schwalbenschwanz hinein führt, begrenzt die darin auftretenden betriebsbedingten Spannungen, während er eine Obergrenze für die Spannungen in den tragenden Scheibensäulen sicherstellt. Der umgedrehte Kragen 66 kann dann zur Minimierung des Zwischenraums oder der Lücke, der bzw. die das hintere Ende des Dichtungskörpers umgibt, in geeigneter Weise eingeführt werden.
  • Der umgedrehte Kragen 66, wie er in den 2 und 5 veranschaulicht ist, enthält vorzugsweise einen abschließenden Rand, der von dem distalen Ende der ersten Nase 56 aus zu der zweiten Seite 52 des Schaftes an der hinteren Stirnfläche 48 geneigt verläuft, um eine im Wesentlichen dreieckige Dichtungsbrücke dazwischen zu bilden. Da das Gewicht und folglich die Zentrifugallast des Kragens selbst auch durch den Laufschaufelschwalbenschwanz und die Scheibensäulen aufgenommen werden muss, sind die Größe und das Gewicht des Kragens vorzugsweise in der dreieckigen Form auf ein Minimum reduziert, während der Zwischenraum oder die Lücke, der bzw. die den symmetrischen Dichtungskörper 58 umschließt, weiterhin in effektiver Weise reduziert wird.
  • Wie in 2 veranschaulicht, ist der Dichtungskörper 58 vorzugsweise symmetrisch, um die von diesem herrührenden Zentrifugallasten symmetrisch auf die benachbarten Laufschaufelschwalbenschwänze zu verteilen. Der symmetrische und im Wesentlichen rechteckige Kopf 60 ist über der ersten Nase 56 in enger Nähe zu dem umgedrehten Kragen 66 angeordnet, so dass der Kragen die Lücke in Bezug auf die erste Nase ohne Einfügung des umgedrehten Kragens reduziert.
  • Wie in den 1 und 2 veranschaulicht, enthalten die vordere und die gegenüberliegende hintere Seite der Laufschaufelplattform 20 sich in Radialrichtung erstreckende integrale Kragenabschnitte, von denen sich herkömmliche Engelflügeldichtungen in Axialrichtung erstrecken. Der umgedrehte Kragen 66 kann in geeigneter Weise als ein integraler Teil des vorderen Plattformkragens in Form eines radial inneren Fortsatzes von diesem ausgebildet sein, der mit der ersten Schaftnase 56 integral verbunden ist, die auf der Saugseite 52 des Schaftes an der Verbindung zu der hinteren Stirnfläche 48 des Schaftes angeordnet ist.
  • Demgemäß ermöglicht die Einführung des umgedrehten Laufschaufelkragens 66 unter Aufrechterhaltung der symmetrischen Konfiguration des Dichtungskörpers 58 eine Aufrechterhaltung eines sinnvollen Kühlmitteldurchtrittsbereiches in dem Schaft und dem Scheibensäulenbereich jeder Laufschaufel, in dem ein großer Unterschied zwischen den Winkeln der Schlitzseite der Plattform und des Schwalbenschwanzes vorhanden ist. An dem Fuß des 3D-Schaufelblattes kann an der Verbindungsstelle mit der verdrehten Plattform eine beträchtliche Nabenverdrehung eingebracht werden, um den aerodynamischen Wirkungsgrad der Turbinenlaufschaufel zu steigern, während eine unerwünschte Strömungsleckage zwischen den Laufschaufelschäften, die auf unsymmetrische Zwischenräume rund um den symmetrischen Kopf des Dichtungskörpers zurückzuführen ist, begrenzt wird.
  • Der in 5 veranschaulichte Dichtungskörper 58 ist hinsichtlich der Konfiguration und der Funktionsweise im Wesentlichen herkömmlich, wobei er jedoch geeignet modifiziert ist, um an den erhöhten Verdrehungswinkel A der Plattform in Bezug auf den axialen Schwalbenschwanz angepasst zu sein.
  • Da die Hinterkante 38 jedes in 4 veranschaulichten Schaufelblattes aufgrund der Schaufelblattverwindung an seinem Fuß und der entsprechenden Verdrehung der Plattform 20 näher an der Saugseite der nächsten Laufschaufel positioniert ist, ist die Druckseite 50 des in 3 veranschaulichten Schaftes entsprechend verlagert, was den für das hintere Ende des Dichtungskörpers verfügbaren Raum zwischen benachbarten Laufschaufelschäften reduziert. Der hintere Buckel in dem Dichtungskörper 58, wie er in 3 veranschaulicht ist, kann folglich ausreichend radial nach innen und axial nach vorne versetzt werden, um sich an die große Verdrehung der Laufschaufelplattform und den entsprechenden Übergang des axialen Schwalbenschwanzes, der durch den überbrückenden Schaft geschaffen ist, anzupassen.
  • Demgemäß kann bei minimaler Modifikation des ansonsten herkömmlichen Dichtungskörpers 58 und durch Einführung des umgedrehten Kragens 66 an einer einzelnen der vier Nasen 56 an jeder Laufschaufel der Freiraum rund um das hintere Ende des symmetrischen Dichtungskörpers 58 wesentlich reduziert werden, während die Einführung der verbesserten 3D-Konfiguration des Laufschaufelblattes zusammen mit der entspre chenden Verdrehung der Schaufelblattnabe und der Halteplattform ermöglicht ist.

Claims (10)

  1. Turbinenlaufschaufel (16), die aufweist: ein Schaufelblatt (18), eine Plattform (20), einen Schaft (22) und einen Schwalbenschwanz (24), die der Reihe nach integral miteinander verbunden sind; wobei das Schaufelblatt (18) hohl ist und eine Druck- und eine gegenüberliegende Saugseite (32, 34) enthält, die sich in Sehnenrichtung zwischen einer Vorder- und einer Hinterkante (36, 38) und in Spannweitenrichtung zwischen einem Fuß (40) an der Plattform und einer äußeren Spitze (42) erstrecken; wobei der Schaft (22) eine vordere und eine gegenüberliegende hintere Stirnfläche (46, 48), die der Vorder- und der Hinterkante (36, 38) des Schaufelblattes entsprechen, sowie eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite (50, 52) enthält, die der Druck- und der Saugseite (32, 34) des Schaufelblattes entsprechen; wobei der Schwalbenschwanz mehrere Ausbuchtungen (54) enthält, die sich in axialer Richtung unterhalb der vorderen und der hinteren Stirnfläche (46, 48) des Schaftes (22) erstrecken; und wobei der Schaft (22) ferner vier Nasen (56) enthält, die sich von der ersten und der zweiten Seite (50, 52) des Schaftes einander gegenüberliegend an der vorderen und der hinteren Stirnfläche (46, 48) des Schaftes erstrecken und oberhalb der Schwalbenschwanzausbuchtungen im Abstand zu diesen angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Nasen einen umgedrehten Kragen (66) aufweist, der sich nach außen in Richtung auf die Plattform derart erstreckt, dass er mit der hinteren Stirnfläche (48) des Schaftes verbunden ist.
  2. Laufschaufel nach Anspruch 1, wobei sich der Kragen (66) integral von der ersten Nase (56) bis zu der zweiten Schaftseite (52) erstreckt, um dazwischen eine Brücke zu bilden.
  3. Laufschaufel nach Anspruch 2, wobei die Plattform (20) unter einem spitzen Verdrehungswinkel gegenüber dem Schwalbenschwanz (24) verdreht ist, um die Plattform, die erste Nase (56) und den integralen Kragen (66) von oben freizulegen.
  4. Laufschaufel nach Anspruch 3, wobei die Vorderkante (36) des Schaufelblattes über der zweiten Schaftseite (52) angeordnet ist und die Hinterkante (38) des Schaufelblattes über der ersten Schaftseite (50) angeordnet ist.
  5. Laufschaufel nach Anspruch 4, wobei der Kragen (66) von einem distalen Ende der ersten Nase (56) aus geneigt zu der zweiten Schaftseite (52) an der hinteren Stirnfläche (48) verläuft, um dazwischen eine dreieckige Brücke zu bilden.
  6. Laufschaufel nach Anspruch 5, wobei jede der Nasen (56) eine schräge untere Fläche zur Abstützung eines Dichtungskörpers (58) an dieser enthält.
  7. Laufschaufel nach Anspruch 6, die ferner den Dichtungskörper (58) aufweist, der zwischen dem Schwalbenschwanz (24) und den Nasen (56) montiert ist, die sich von der zweiten Schaftseite (52) aus erstrecken, wobei der Dichtungskörper einen Kopf (60) enthält, der oberhalb der ersten Nase (56) benachbart zu dem umgedrehten Kragen (66) angeordnet ist.
  8. Laufschaufel nach Anspruch 7, wobei der Dichtungskörper (58) achsensymmetrisch mit dem oberhalb der Schaftnasen (56) angeordneten Kopf (60) ausgebildet ist und ferner ein Paar Stützzinken enthält, die unterhalb der Schaftnasen (58) angeordnet sind, um mit deren unteren Flächen in Eingriff zu kommen.
  9. Laufschaufel nach Anspruch 8, wobei der Dichtungskörper (58) ferner eine an seinem vorderen Ende angeordnete vergrößerte Dichtungsplatte (64) enthält, die in Seitenrichtung die vordere Stirnfläche (46) des Schaftes (22) überlappt.
  10. Laufschaufel nach Anspruch 9, wobei der Kopf (60) und die Zinken (62) des Dichtungskörpers (58) mit der hinteren Stirnfläche (48) des Schaftes bündig angeordnet sind.
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