EP0899426B1 - Leitschaufel für eine Gasturbine - Google Patents

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EP0899426B1
EP0899426B1 EP98114445A EP98114445A EP0899426B1 EP 0899426 B1 EP0899426 B1 EP 0899426B1 EP 98114445 A EP98114445 A EP 98114445A EP 98114445 A EP98114445 A EP 98114445A EP 0899426 B1 EP0899426 B1 EP 0899426B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
guide vane
guide
platform
face
projection
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98114445A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0899426A2 (de
EP0899426A3 (de
Inventor
Rudolf Stanka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP0899426A2 publication Critical patent/EP0899426A2/de
Publication of EP0899426A3 publication Critical patent/EP0899426A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0899426B1 publication Critical patent/EP0899426B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators

Definitions

  • the invention relates to a guide vane for a gas turbine, in particular a low-pressure turbine, with an airfoil that sits between an inner platform and an outer platform, the outer platform securing means for attachment to a housing, a vane segment from at least three guide vanes and a guide ring assembly.
  • Guide vanes of low pressure turbines are made of metal and are in the development phase generally initially to segments of three or six guide vanes soldered together.
  • the profile of the airfoils is like a real gas turbine engine put together several guide vane segments to form a closed guide ring assembly, the individual guide vane segments to compensate for thermal expansion are not rigidly interconnected.
  • the guide vanes are attached to their outer platforms in a (engine) housing and releasably together on their inner platforms by metal clips or the like braced. By bracing the inner platforms, this is supposed to Vibration behavior of the airfoils can be improved.
  • the use of the Tension clamps as additional components have the disadvantage of being more complex Assembly and higher costs.
  • guide vanes are made of mostly carbon fiber reinforced plastics used and examined in so-called aerodynamic "cold" test benches. Such Guide vanes are much faster and cheaper to manufacture than corresponding ones Guide vanes made of metal and are therefore used in the upstream investigations preferably used.
  • the guide vanes are made of plastic in the test bench at significantly lower temperatures (approx. 130 ° C) than in real operation, however loaded with gas forces of the same order of magnitude as in the real engine.
  • the problem here is the geometry of the outer and inner platform of the guide vanes made of metal for those made of plastic, as these are the loads cannot withstand the high, real gas forces. Gluing three or six guide vanes each to form individual guide vane segments the wreath of guiding rings has not solved this problem, like bracing the guide vanes by means of bolts that are in the lateral end faces the outer and inner platforms are provided. The vibration amplitudes were too large and caused the guide vanes to break.
  • EP-A-0 654 586 is concerned with guide vane segments made of fiber composite material, each segment having at least two blades and an inner and an outer Platform segment (cover band segment) includes.
  • the inner platform segment is designed as a continuously open hollow section with a roughly rectangular cross section, whose curvature is coaxial to the engine axis. At one end the hollow profile is tapered in steps, so that it is largely free of play and positive fits into the open end of an adjacent hollow profile. In this way can adjacent vane segments over their inner platform segments be form-fitted together. Because the continuously open hollow profiles (see also column 3, lines 44 to 46) are still relatively easily deformable (cross-sectional deformation), is the overall dimensional stability resulting in the guide vane ring and stiffness not optimal. The simple, compliant execution of the outer platforms also have a negative impact.
  • the invention has for its object a guide vane of the one described Generate genus that has an improved dynamic vibration behavior has, the vibration amplitude of adjacent guide vanes limited and manufacturing technology is easy and inexpensive to manufacture.
  • the solution to the problem is characterized in that the outer Platform and the inner platform as torsion and rigid hollow structures are executed, the outer platform being a platform, a stiffening wall, two spaced-apart cross struts and a closed end face and wherein the inner platform is a platform, a reinforcement wall and has a closed end surface that the projections are integral Elements of the closed end faces are narrow, their peripheral contour have forming side faces, and that the open end faces of the platforms with their inner surfaces the receptacles for the projections of a neighboring one Form the guide vane.
  • the advantage is: in that e.g. adjacent vanes of adjacent Guide vane segments (e.g. from three interconnected guide vanes) are optimally coupled to one another in the axial direction and by the friction on the contact surfaces creates a damping effect. Also effect the protrusions seal off gaps occurring between the platforms.
  • the structural rigidity is also optimized.
  • each projection runs perpendicular to the first, generally radial end face the outer or inner platform.
  • the side surface of the projection therefore runs in the circumferential direction heavily loaded by the gas flow and enables there damping due to friction on the contact surfaces.
  • each projection is preferably at least 3 mm above the first End face of the outer or inner platform, so that a sufficiently large Friction or contact surface with the recording of an adjacent guide vane is present.
  • each projection has at least 30% of the (cross-sectional) area the first end face on the respective platform so that the neighboring ones Guide vanes are not only coupled point-to-point and are reliable Limitation of the vibration amplitude is made possible.
  • the projection with play in the exception of the neighboring one is seated or fitted so that, for example, one another adjacent guide vanes of adjacent guide vane segments as a result of Thermal expansion can move away from each other and towards each other without any problems.
  • An inner surface adjacent to the second end surface runs most preferably the recording in the assembled state parallel to the side surface of the projection, so that a secure frictional contact between the inner surface of the receptacle and the side surface the lead is guaranteed.
  • the guide vane is formed in one piece, so that it is inexpensive can be made by metal or injection molding.
  • the guide vane is made of carbon fiber reinforced plastic, so that it is can be examined in so-called aerodynamic "cold" test benches. This makes it clear faster and less expensive test data for the calibration of aerodynamic design processes determine than is the case when using metal guide vanes.
  • Experimental guide vanes made of plastic can also be glued to guide vane segments connect from three or six guide vanes.
  • the side surface of the tab offers adhesive surfaces that are in contrast to the first and second end surfaces the outer and inner platforms are not subjected to tension / compression, but to shear become. This is the much cheaper form of stress for adhesive bonds.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the guide vane according to the invention, designated by 1, which is made of carbon fiber reinforced plastic and manufactured by injection molding is.
  • a guide vane 1 is used in so-called aerodynamic "cold" test benches Fast and inexpensive test data from pressure, speed and flow field measurements for the calibration of aerodynamic design processes.
  • the guide vane 1 comprises an airfoil 2, an outer platform 3 from a platform 3 'and a spaced stiffening wall 4 and an inner platform 5 from one Platform 5 'and an associated and also extending at a distance from it Reinforcement wall 6. Both the outer and inner platforms 3 and 5 are on one first end face 7 is provided with a projection 8, each of which over the first end face 7 has about 3 mm protruding side surface 9.
  • the airfoil 2 with its between the outer and inner platform 3 or 5 extending longitudinal extent substantially in the radial direction the engine assembly arranged.
  • Fig. 2 shows the guide vane 1 of Fig. 1 in a side view, in which the substantially parallel to the (outer) platform 3 'stiffening wall 4 and with the (inner) platform 5 'connected reinforcement wall 6, which extends over several corners are.
  • On the outer platform 3 are two hook-like fastening means 11 for attachment the guide vane 1 is formed on an engine housing (not shown).
  • Each cavity forms a receptacle 12 with which the second end face 13 of the outer and inner platform 3 and 5 is provided.
  • a Projection 8 of an adjacent guide vane 1 is positively received in this receptacle 12, the dimensions of which are matched to those of the projection 8 so that the outer and inner platforms 3 and 5 adjacent guide vanes 1 in the assembled state aligned, as can be seen in FIGS. 4 and 5.
  • the receptacle 12 has one to the second End face 13 adjacent inner surface 14, which in the assembled state due to the coordinated Dimensioning of the projection 8 and the receptacle 12 a contact surface with the Side surface 9 of the projection 8 forms. This also creates a seal between neighboring vanes 1 achieved.
  • Fig. 2 it can be seen that the projection 8 and the Image 12 more than 50% of the cross-sectional area of the first or Make out the second end face 7 or 13.
  • FIG. 3 shows a single guide vane 1 vibrating in the axial direction, two different ones Vibration states are shown. 3 in particular on the inner platform 5 or the vibration amplitude of the reinforcement wall 6, which is clearly recognizable at the guide vane 1 according to the invention arranged in a guide ring assembly is thereby effective limits that each of the projection 8 in the receptacle 12 of an adjacent guide vane 1 is positively received. In addition, the vibration is damped by the occurring between the inner surfaces 14 of the receptacle 12 and the side surface 9 of the projection 8 Friction.
  • FIG. 4 shows a guide vane segment 15 consisting of three guide vanes 1.
  • Such guide vane segments, from which a ring-shaped vane assembly is formed serve for reinforcement of the individual guide vanes 1.
  • the guide vanes 1 made of plastic become not only by the form fit between the projection 8 and the receptacle 12 adjacent Guide vanes 1 and the friction present in the contact surface are connected to one another, but additionally at least on the side surface 9 of the projection 8 or the inner surface 14 of the receptacle 12 glued together.
  • the guide blades 1 can also their first and second end faces 7 and 13 may be glued together.
  • the adhesive connection between the side surface 9 of the projection 8 and the inner surface 14 of the receptacle 12 stressed under shear stresses during operation and is therefore clear more resilient than a bonded connection between the first and tensile / compression second end face 7 or 13.
  • a plurality of guide vane segments 15 are used to form an annular guide ring assembly assembled, which do not stick together to compensate for thermal expansion, but only by the positive connection between the projection 8 and the receptacle 12 are coupled to each other.
  • the interlocking causes by between the side surface 9 of the projection 8 and the inner surface 14 of the receptacle 12 friction occurring Damping effect and thus an improvement in the dynamic vibration behavior of the Guide vane 1.
  • the above-described limitation occurs due to the positive locking the vibration amplitude and a seal of the gaps between adjacent guide vane ice segments.
  • each guide vane 1 of a guide vane segment 15 is in the stiffening wall 4 outer platform 3, a bore 16 is provided, in which a (not shown) engages bolts on the housing and the guide vane against gas / flow forces is supported in the circumferential direction.
  • the stiffening wall 4 locally thickened around the bore 16 to reduce the surface pressure.
  • the hole 16 is designed as an elongated hole in the axial direction of the engine arrangement, so that the gas or Flow forces in the axial direction over the hook-like fastening means at the rear in the illustration 11 and not through the bolt into the engine housing.
  • FIG. 5 shows the guide vane segment 15 from FIG. 4 in a perspective view, in which the Profile of the blades 2 can be seen. It can also be seen that the Dimensioning of the projection 8 and the receptacle 12 are coordinated so that align the outer and inner platforms 3 and 5 when assembled.
  • the left part of the 5 shows the projections 8 on the outer and inner platforms 3, 5, that in a receptacle 12 of a guide vane 1 of an adjacent guide vane segment 15 positively received within a lead ring assembly, but is not glued.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Gasturbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, mit einem Schaufelblatt, das sich zwischen einer inneren Plattform und einer äußeren Plattform erstreckt, wobei die äußere Plattform Befestigungsmittel zur Anbringung an einem Gehäuse aufweist, ein Leitschaufelsegment aus wenigstens drei Leitschaufeln sowie einen Leitkranzverbund.
Leitschaufeln von Niederdruckturbinen bestehen aus Metall und werden in der Entwicklungsphase im allgemeinen zunächst zu Segmenten aus drei oder sechs Leitschaufeln zusammengelötet. Bei den Untersuchungen zur aerodynamischen Auslegung des Profils der Schaufelblätter werden wie bei einem realen Gasturbinentriebwerk mehrere Leitschaufelsegmente zu einem geschlossenen Leitkranzverbund zusammengesetzt, wobei die einzelnen Leitschaufelsegmente zum Ausgleich von Wärmedehnungen untereinander nicht starr miteinander verbunden sind. Die Leitschaufeln sind dabei an ihren äußeren Plattformen in einem (Triebwerks-)Gehäuse befestigt und an ihren inneren Plattformen durch Metallklammern oder dgl. lösbar miteinander verspannt. Durch das Verspannen an den inneren Plattformen soll das Schwingungsverhalten der Schaufelblätter verbessert werden. Die Verwendung der Verspannungsklammern als zusätzliche Bauteile hat den Nachteil einer aufwendigeren Montage und höherer Kosten.
Aus der DE-A-485 833 ist es bekannt, Leit- bzw. Laufschaufeln nach dem Prinzip einer Nut- und Federverbindung in der Weise formschlüssig zu verbinden, dass axiale Relativbewegungen benachbarter Schaufeln weitestgehend verhindert werden. Hierfür sind die innere und äußere Plattform der Schaufeln mit "Nuten und Federn" bzw. mit gekrümmten, komplementären Flächen versehen. Der stabile Schaufelverbund ist hier die Voraussetzung dafür, dass die Dichtfins der Labyrinthdichtungen an den Schaufelplattformen am komplett montierten Schaufelkranz gefertigt bzw. endbearbeitet werden können. Somit geht es bei diesem Patent um fertigungstechnische Aspekte.
Zur Kalibrierung von aerodynamischen Auslegungsverfahren und zur schnellen Ermittlung von Versuchsdaten von Druck-, Geschwindigkeits- oder Strömungsfeldmessungen werden alternativ Leitschaufeln aus meist kohlefaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt und in sog. aerodynamischen "Kalt"-Prüfständen untersucht. Derartige Leitschaufeln sind erheblich schneller und kostengünstiger herzustellen als entsprechende Leitschaufeln aus Metall und werden daher in den vorgelagerten Untersuchungen bevorzugt eingesetzt. Im Prüfstand werden die Leitschaufeln aus Kunststoff unter erheblich geringeren Temperaturen (ca. 130° C) als im realen Betrieb, jedoch mit Gaskräften in der gleichen Größenordnung wie im realen Triebwerk belastet.
Problematisch ist dabei, die Geometrie der äußeren und inneren Plattform der Leitschaufeln aus Metall für jene aus Kunststoff zu übernehmen, da diese den Belastungen mit den hohen, realen Gaskräften nicht standhalten können. Das Verkleben von jeweils drei oder sechs Leitschaufeln zu einzelnen Leitschaufelsegmenten, aus denen der Leitkranzverbund gebildet wird, hat dieses Problem ebenso wenig gelöst, wie das Verspannen der Leitschaufeln mittels Bolzen, die in den seitlichen Stirnflächen der äußeren und inneren Plattformen vorgesehen sind. Die Schwingungsamplituden waren zu groß und führten zu Brüchen der Leitschaufeln.
Die EP-A-0 654 586 befasst sich mit Leitschaufelsegmenten aus Faserverbundmaterial, wobei jedes Segment mindestens zwei Schaufeln sowie ein inneres und ein äußeres Plattformsegment (Deckbandsegment) umfasst. Das innere Plattformsegment ist als durchgehend offenes, im Querschnitt etwa rechteckiges Hohlprofil ausgeführt, dessen Krümmung koaxial zur Triebwerksachse verläuft. An einem stirnseitigen Ende ist das Hohlprofil stufenartig verjüngt, so dass es weitgehend spielfrei und formschlüssig in das offene Ende eines benachbarten Hohlprofils passt. Auf diese Weise können benachbarte Leitschaufelsegmente über ihre inneren Plattformsegmente formschlüssig zusammengesteckt werden. Da die durchgehend offenen Hohlprofile (siehe u.a. Spalte 3, Zeilen 44 bis 46) noch relativ leicht verformbar sind (Querschnittsverformung), ist die sich insgesamt im Leitschaufelkranz ergebende Formstabilität und Steifigkeit nicht optimal. Die einfache, nachgiebige Ausführung der äußeren Plattformen wirkt sich zusätzlich negativ aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufel der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, die ein verbessertes dynamisches Schwingungsverhalten aufweist, die Schwingungsamplitude benachbarter Leitschaufeln begrenzt und fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Plattform und die innere Plattform als torsions- und biegesteife Hohlstrukturen ausgeführt sind, wobei die äußere Plattform eine Plattform, eine Versteifungswand, zwei mit Abstand zueinander verlaufende Querstreben und eine geschlossene Stirnfläche aufweist, und wobei die innere Plattform eine Plattform, eine Verstärkungswand und eine geschlossene Stirnfläche aufweist, dass die Vorsprünge integrale Elemente der geschlossenen Stirnflächen sind und schmale, ihre Umfangskontur bildende Seitenflächen aufweisen, und dass die offenen Stirnflächen der Plattformen mit ihren Innenflächen unmittelbar die Aufnahmen für die Vorsprünge einer benachbarten Leitschaufel bilden.
Der Vorteil besteht u.a. darin, dass z.B. aneinander angrenzende Leitschaufeln benachbarter Leitschaufelsegmente (aus z.B. drei miteinander verbundenen Leitschaufeln) in Axialrichtung optimal formschlüssig miteinander gekoppelt sind und durch die Reibung an den Kontaktflächen ein Dämpfungseffekt entsteht. Zudem bewirken die Vorsprünge eine Abdichtung von zwischen den Plattformen auftretenden Spalten. Weiterhin ist die Struktursteifigkeit optimiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verläuft die Seitenfläche jedes Vorsprungs rechtwinklig zur ersten, im allgemeinen in Radialrichtung verlaufenden Stirnfläche der äußeren oder inneren Plattform. Die Seitenfläche des Vorsprungs verläuft mithin in der durch die Gasströmung stark belasteten Umfangsrichtung und ermöglicht dort eine Dämpfung infolge von Reibung an den Kontaktflächen.
Bevorzugt steht die Seitenfläche jedes Vorsprungs wenigstens 3mm über die erste Stirnfläche der äußeren oder inneren Plattform vor, so dass eine ausreichend große Reib- bzw. Kontaktfläche mit der Aufnahme einer benachbarten Leitschaufel vorliegt.
Es ist vorteilhaft, dass jeder Vorsprung wenigstens 30 % der (Querschnitts-)Fläche der ersten Stirnfläche an der jeweiligen Plattform ausmacht, damit die benachbarten Leitschaufeln nicht lediglich punktuell miteinander gekoppelt sind und eine zuverlässige Begrenzung der Schwingungsamplitude ermöglicht wird.
Weiterhin ist es bevorzug, dass der Vorsprung mit Spiel in der Ausnahme der benachbarten Leitschaufel sitzt bzw. eingepasst ist, so dass sich beispielsweise aneinander angrenzende Leitschaufeln benachbarter Leitschaufelsegmente infolge von Wärmedehnungen problemlos voneinander weg und aufeinander zu bewegen können.
Höchst bevorzugt verläuft eine an die zweite Stirnfläche angrenzende Innenfläche der Aufnahme im montierten Zustand parallel zur Seitenfläche des Vorsprungs, so dass ein sicherer Reibkontakt zwischen der Innenfläche der Aufnahme und er Seitenfläche des Vorsprungs gewährleistet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Leitschaufel einstückig ausgebildet, so daß sie kostengünstig durch Metall- oder Spritzgußverfahren hergestellt werden kann.
Höchst bevorzugt besteht die Leitschaufel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, so daß sie sich in sog. aerodynamischen "Kalt"-Prüfständen untersuchen läßt. Hiermit lassen sich deutlich schneller und kostengünstiger Versuchsdaten zur Kalibrierung von aerodynamischen Auslegungsverfahren ermitteln, als dieses beim Einsatz von Leitschaufeln aus Metall der Fall ist. Derartige Versuchsleitschaufeln aus Kunststoff lassen sich durch Verkleben ebenfalls zu Leitschaufelsegmenten aus drei oder sechs Leitschaufeln verbinden. Die Seitenfläche des Vorsprungs bietet dafür Klebflächen an, die im Gegensatz zu den ersten und zweiten Stirnflächen der äußeren bzw. inneren Plattformen nicht auf Zug/Druck, sondern auf Scherung beansprucht werden. Dieses ist die deutlich günstigere Belastungsform für Klebverbindungen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
einen Längsschnitt in perspektivischer Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitschaufel,
Fig. 2
eine Seitenansicht der Leitschaufel aus Fig. 1,
Fig. 3
eine Seitenansicht der schwingenden Leitschaufel aus Fig. 1 und 2,
Fig.
4 einen Längsschnitt in perspektivischer Darstellung eines Leitschaufelsegments aus drei Leitschaufeln gemäß Fig. 1 bis 3 und
Fig. 5
eine perspektivische Darstellung des Leitschaufelsegments aus Fig. 4.
Fig. 1 zeigt ein im ganzen mit 1 bezeichnetes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leitschaufel, die aus kohlefaserverstärkten Kunststoff besteht und im Spritzgußverfahren hergestellt ist. Eine solche Leitschaufel 1 wird in sog. aerodynamischen "Kalt"-Prüfständen eingesetzt, um schnell und kostengünstig Versuchsdaten aus Druck- Geschwindigkeits- und Strömungsfeldmessungen zur Kalibrierung von aerodynamischen Auslegungsverfahren zu ermitteln.
Die Leitschaufel 1 umfaßt ein Schaufelblatt 2, eine äußere Plattform 3 aus einer Plattform 3' und einer mit Abstand dazu angeordneten Versteifungswand 4 sowie eine innere Plattform 5 aus einer Plattform 5' und einer damit verbundenen und sich ebenfalls mit Abstand dazu erstreckenden Verstärkungswand 6. Sowohl die äußere als auch die innere Plattform 3 bzw. 5 ist an einer ersten Stirnfläche 7 mit einem Vorsprung 8 versehen, der jeweils eine über die erste Stirnfläche 7 um etwa 3 mm vorstehende Seitenfläche 9 aufweist.
Wenn mehrere Leitschaufeln 1 zu einem ringförmigen Leitkranzverbund zusammengesetzt und in einem Triebwerksgehäuse befestigt sind, ist das Schaufelblatt 2 mit seiner zwischen der äußeren und inneren Plattform 3 bzw. 5 verlaufenden Längserstreckung im wesentlichen in Radialrichtung der Triebwerksanordnung angeordnet.
Fig. 2 zeigt die Leitschaufel 1 aus Fig. 1 in einer Seitenansicht, in der die im wesentlichen parallel zur (äußeren) Plattform 3' verlaufende Versteifungswand 4 sowie mit der (inneren) Plattform 5' verbundene, sich über mehrere Ecken erstreckende Verstärkungswand 6 dargestellt sind. An der äußeren Plattform 3 sind zwei hakenartige Befestigungsmittel 11 zur Anbringung der Leitschaufel 1 an einem (nicht gezeigten) Triebwerksgehäuse ausgebildet. Der zwischen der (äußeren) Plattform 3', der Versteifungswand 4 und sich dazwischen erstreckenden Querstreben 10 einerseits sowie der (inneren) Plattform 5' und der Verstärungswand 6 andererseits vorliegende Hohlraum bildet jeweils eine Aufnahme 12, mit der die zweite Stimfläche 13 der äußeren und inneren Plattform 3 bzw. 5 versehen ist.
Wenn mehrere Leitschaufeln 1 zu einem Leitkranzverbund zusammengesetzt werden, wird ein Vorsprung 8 einer benachbarten Leitschaufel 1 in dieser Aufnahme 12 formschlüssig aufgenommen, wobei deren Dimensionierung auf jene des Vorsprungs 8 so abgestimmt ist, daß die äußeren und innerne Plattformen 3 bzw. 5 benachbarter Leitschaufeln 1 im montierten Zustand fluchten, wie dieses in Fig. 4 und 5 zu erkennen ist. Die Aufnahme 12 besitzt eine an die zweite Stirnfläche 13 angrenzende Innenfläche 14, die im montierten Zustand aufgrund der abgestimmten Dimensionierung des Vorsprungs 8 und der Aufnahme 12 eine Kontaktfläche mit der Seitenfläche 9 des Vorsprungs 8 bildet. Auf diese Weise wird zudem eine Abdichtung zwischen benachbarten Leitschaufeln 1 erzielt. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Vorsprung 8 und die Aufnahme 12 mehr als 50 % der in der Bildebene liegenden Querschnittsfläche der ersten bzw. zweiten Stimfläche 7 bzw. 13 ausmachen.
Fig. 3 zeigt eine einzelne, in Axialrichtung schwingende Leitschaufel 1, wobei zwei unterschiedliche Schwingungszustände dargestellt sind. Die in Fig. 3 insbesondere an der inneren Plattform 5 bzw. deren der Verstärkungswand 6 deutlich zu erkennende Schwingungsamplitude wird bei der in einem Leitkranzverbund angeordneten, erfindungsgemäßen Leitschaufel 1 dadurch wirksam begrenzt, daß jeweils der Vorsprung 8 in der Aufnahme 12 einer benachbarten Leitschaufel 1 formschlüssig aufgenommen ist. Zudem erfolgt eine Dämpfung der Schwingung durch die zwischen den Innenflächen 14 der Aufnahme 12 und der Seitenfläche 9 des Vorsprungs 8 auftretende Reibung.
Fig. 4 zeigt ein aus drei Leitschaufeln 1 bestehendes Leitschaufelsegment 15. Derartige Leitschaufelsegmente, aus denen ein ringförmiger Leitkranzverbund gebildet wird, dienen zur Verstärkung der einzelnen Leitschaufeln 1. Die aus Kunststoff bestehenden Leitschaufeln 1 werden nicht nur durch den Formschluß zwischen dem Vorsprung 8 und der Aufnahme 12 benachbarter Leitschaufeln 1 sowie die in der Kontaktfläche vorliegende Reibung miteinander verbunden, sondern zusätzlich wenigstens an der Seitenfläche 9 des Vorsprungs 8 bzw. der Innenfläche 14 der Aufnahme 12 miteinander verklebt. Zusätzlich können die Leitschaufeln 1 auch an ihren ersten und zweiten Stirnflächen 7 bzw. 13 miteinander verklebt sein. Die Klebverbindung zwischen der Seitenfläche 9 des Vorsprungs 8 und der Innenfläche 14 der Aufnahme 12 wird unter den im Betrieb auftretenden Belastungen auf Scherung beansprucht und ist somit deutlich höher belastbar als eine auf Zug/Druck beanspruchte Klebverbindung zwischen der ersten und zweiten Stimfläche 7 bzw. 13.
Zur Bildung eines ringförmigen Leitkranzverbunds werden mehrere Leitschaufelsegmente 15 zusammengesetzt, wobei diese zum Ausgleich von Wärmedehnungen nicht miteinander verklebt, sondern lediglich durch den Fomschluß zwischen dem Vorsprung 8 und der Aufnahme 12 aneinander gekoppelt sind. Der Formschluß bewirkt jedoch durch die zwischen der Seitenfläche 9 des Vorsprungs 8 und der Innenfläche 14 der Aufnahme 12 auftretende Reibung einen Dämpfungseffekt und somit eine Verbesserung des dynamischen Schwingungsverhaltens der Leitschaufel 1. Darüber hinaus erfolgt durch den Formschluß die oben beschriebene Begrenzung der Schwingungsamplitude und eine Abdichtung der Spalten zwischen benachbarten Leitschaufeisegmenten.
In jeweils einer Leitschaufel 1 eines Leitschaufelsegments 15 ist in der Versteifungswand 4 der äußeren Plattform 3 eine Bohrung 16 vorgesehen, in die ein (nicht dargestellter) gehäuseseitiger Bolzen eingreift und die Leitschaufel gegen Gas/Strömungskräfte in Umfangsrichtung abstützt. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die Versteifungswand 4 um die Bohrung 16 herum zur Reduzierung der Flächenpressung örtlich verdickt. Die Bohrung 16 ist in Axialrichtung der Triebwerksanordnung als Langloch ausgebildet, so daß die Gas- bzw. Strömungskräfte in Axialrichtung über den in der Darstellung hinteren, hakenartigen Befestigungsmittel 11 und nicht über den Bolzen in das Triebwerksgehäuse geleitet werden.
Fig. 5 zeigt das Leitschaufelsegment 15 aus Fig. 4 in perspektivischer Darstellung, in der das Profil der Schaufelblätter 2 andeutungsweise zu erkennen ist. Es ist ferner zu erkennen, daß die Dimensionierung des Vorsprungs 8 und der Aufnahme 12 so aufeinander abgestimmt sind, daß die äußere und innere Plattform 3 bzw. 5 im montierten Zustand fluchten. Im linken Teil der Zeichnung gemäß Fig. 5 sind die Vorsprünge 8 an der äußeren und inneren Plattform 3,5 dargestellt, die in einer Aufnahme 12 einer Leitschaufel 1 eines benachbarten Leitschaufelsegments 15 innerhalb eines Leitkranzverbundes formschlüssig aufgenommen, jedoch nicht verklebt wird.

Claims (18)

  1. Leitschaufel (1) für eine Gasturbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, mit einem Schaufelblatt (2), das sich zwischen einer inneren Plattform (5) und einer äußeren Plattform (3) erstreckt, wobei die äußere Plattform (3) Befestigungsmittel (11) zur Anbringung an einem Gehäuse aufweist, mit in eine Umfangsrichtung weisenden Stirnflächen (7) und mit in die entgegengesetzte Umfangsrichtung weisenden Stirnflächen (13) an beiden Plattformen (3,5), mit Vorsprüngen (8) an den einen Stirnflächen (7) und mit Aufnahmen (12) an den anderen Stirnflächen (13) für eine zumindest axial formschlüssige Verbindung mit benachbarten Leitschaufeln über entsprechende Vorsprünge und Aufnahmen; dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Plattform (3) und die innere Plattform (5) als torsionsund biegesteife Hohlstrukturen ausgeführt sind, wobei die äußere Plattform (3) eine Plattform (3'), eine Versteifungswand (4), zwei mit Abstand zueinander verlaufende Querstreben (10) und eine geschlossene Stirnfläche (7) aufweist, und wobei die innere Plattform (5) eine Plattform (5'), eine Verstärkungswand (6) und eine geschlossene Stirnfläche (7) aufweist, dass die Vorsprünge (8) integrale Elemente der geschlossenen Stirnflächen (7) sind und schmale, ihre Umfangskontur bildende Seitenflächen (9) aufweisen, und dass die offenen Stirnflächen (13) der Plattformen (3,5) mit ihren Innenflächen (14) unmittelbar die Aufnahmen (12) für die Vorsprünge einer benachbarten Leitschaufel bilden.
  2. Leitschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (9) jedes Vorsprungs (8) rechtwinklig zur ersten Stirnfläche (7) verläuft.
  3. Leitschaufeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (9) jedes Vorsprungs (8) wenigstens 3 mm über die erste Stirnfläche (7) vorsteht.
  4. Leitschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (9) jedes Vorsprungs (8) wenigstens 5mm über die erste Stirnfläche (7) vorsteht.
  5. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vorsprung (8) bzw. jede Aufnahme (12) wenigstens 30% der (Querschnitts-)Fläche der ersten bzw. zweiten Stirnfläche (7 bzw. 13) an der jeweiligen Plattform (3,5) ausmacht.
  6. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vorsprung (8) wenigstens 50% der (Querschnitts-)Fläche der ersten Stirnfläche (7) an der jeweiligen Plattform (3,5) ausmacht.
  7. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vorsprung (8) mit Spiel in der Aufnahme (12) sitzt.
  8. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die zweite Stirnfläche (13) angrenzende Innenfläche (14) jeder Aufnahme (12) im montierten Zustand parallel zu der Seitenfläche (9) des Vorsprungs (8) verläuft.
  9. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungswand (4) im wesentlichen parallel zur Plattform (3') verläuft.
  10. Leitschaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querstreben (10) über die gesamte Breite (B) der Plattform (3') erstrecken.
  11. Leitschaufel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärken der Plattformen (3',5'), Verstärkungs- und Versteifungswand (4,6) und Querstreben (10) jeweils konstant sind.
  12. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärken der Plattformen (3',5'), Verstärkungs- und Versteifungswand (4,6) und Querstreben (10) jeweils annähernd gleich sind.
  13. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine einstückige Ausbildung.
  14. Leitschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (1) aus faserverstärktem Kunststoff besteht.
  15. Leitschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (1) aus Metall besteht.
  16. Leitschaufelsegment aus wenigstens drei Leitschaufeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Vorsprünge (8) in zwei Aufnahmen (12) einer benachbarten Leitschaufel (1) formschlüssig aufgenommen sind, und benachbarte Leitschaufeln (1) wenigstens an der Seitenfläche (9) jedes Vorsprungs (8) miteinander verklebt sind.
  17. Leitschaufelsegment nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitschaufel (1) in der Versteifungswand (4) eine Bohrung (16) in Radialrichtung aufweist, in die ein gehäuseseitiger Bolzen eingreift.
  18. Leitkranzverbund aus Leitschaufelsegmenten nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Vorsprünge (8) in zwei Aufnahmen (12) einer Leitschaufel (1) eines benachbarten Leitschaufelsegments (15) formschlüssig aufgenommen sind.
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