EP1124038A1 - Turbinenschaufelanordnung - Google Patents
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- EP1124038A1 EP1124038A1 EP00102717A EP00102717A EP1124038A1 EP 1124038 A1 EP1124038 A1 EP 1124038A1 EP 00102717 A EP00102717 A EP 00102717A EP 00102717 A EP00102717 A EP 00102717A EP 1124038 A1 EP1124038 A1 EP 1124038A1
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- EP
- European Patent Office
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- turbine
- holding
- platform part
- rail
- partner
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- 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
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
- F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
- F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
-
- 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
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
- F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
Definitions
- the invention relates to a turbine blade arrangement with in predetermined distances over an outer circumference of a turbine disk arranged shovel, each one Have blade root, the radially positive in each a groove of the outer circumference of the turbine disk can be used, and each have a blade profile that is on a disc-side End area has a platform on the side.
- the object of the present invention is therefore a turbine blade arrangement to create an extension of the Blade profiles allows, without or with only one slight increase in local loads from the grooves Turbine disc or blade feet.
- the object is achieved in that at least part of the Platform by means of a holder that is independent of the blade root is connected to the turbine disc.
- the platform with the turbine disc is at least part of the centrifugal load caused by the turbine disc rotating blades from the bracket to the Turbine disk to areas lying between the foot areas forwarded.
- At least part of the centrifugal load thus does not have to be from the blade root or the groove in the foot is inserted, picked up and attached to the turbine disc be passed on. Due to the load redistribution the load is thus introduced more evenly into the turbine disk and the feet of the blades and the grooves into which the feet are pushed in by tension peaks relieves that affect the strength of the areas.
- bracket Platform part formed separately from the blade the bracket takes over the entire centrifugal load through the platform part. The groove is no longer loaded.
- Bracket and foot only need to be smaller Forward part of the total centrifugal load. In that area, in which the platform part is separated from the shovel edge, is a less massive formation of the Bucket and the platform part possible than with a one-piece, not additionally connected to the turbine disc Shovel, since not the weight of the platform must be carried. In this way it becomes Total weight of the bucket once by separating the Platform and also due to the less massive training the edges reduced.
- the foot and the groove must therefore still carry less weight.
- the blades come with the Bucket profiles and the separately attached platform parts not so easily in critical for blade attachment Vibrations or the vibrations can be dampen more easily than in the case of one-piece training the shovel.
- the bucket and the platform part to manufacture separately with much less effort. Manufacturing is particularly important when casting the blade the mold and the exact casting execution simplified because the turbine blade almost without the molded platform no longer has a cantilevered component.
- the isolated Platform part has a simple geometric shape, in generally plate-shaped and is thus of a low Effort can be made.
- for the shovel and the platform part uses different materials become. As a result, when using a lighter alloy, Weight and, if applicable, material and processing costs be saved.
- the largest possible area of the platform part achieved that the platform part between the end areas two adjacent blade profiles is used in such a way that it almost completely replaces the platforms. Nearly the entire platform mass is thus through the bracket worn and do not strain the feet or the grooves into which the feet are pushed in. It is therefore an optimal mass distribution reached on foot and bracket.
- the separation areas, in which the platform part and the bucket are adjacent a lot of material and thus saving weight since it is no longer necessary to intercept lever forces arising from the large platform part.
- a large material saving is also possible by that the edges of the blade profiles adjacent Platform part adapted to the curvature of the blade profiles are shaped.
- the production is simplified since now a slim shape of the blade also in the transition area between Foot and profile is present, which is much easier to do is pouring.
- the bracket consists of at least one pairing of one another engaging holding partners, at least a connecting element having a holding partner separately formed by the platform part and by the turbine disk is.
- the platform part can by the separate training of Holding partner with different methods and easily interchangeable be attached to the turbine disc.
- there are different material combinations possible between the parts In particular, the material a separately designed platform part and the separately trained holding partner, as well as the turbine disc and the shovel be different and taking into account of the respective requests and charges cost-optimized to be selected.
- Form-locking means with the turbine disc can be connected to the platform part easily for example for repair purposes and can be reused afterwards without functional restrictions.
- the bracket can be easily switched on and also in the event of a possible Remove corrosion attack with little effort, if the holding partner with the platform part and with the Turbine disc is associated with a game. At the same time the bracket with a force attack from different Directions or an alternating force better suitable to react flexibly and get into the appropriate Force direction easier to adjust, causing damage the bracket and the associated positive locking means and the platform part and the turbine disk avoided become.
- a simple attachment is given by the fact that a holding partner runs straight across a coupling length and one has rail-like cross section and the other holding partner the pairing to the first holding partner in a straight line parallel runs and a the rail-like cross section of the first holding partner with positive cross-section having. Due to the rail-like design of the holding partners There are large support and over the entire coupling length Given contact areas and thus a good power distribution over the entire area of the coupling. Local voltage spikes due to the attacking centrifugal forces are thus reduced. Especially with a curved design of the Platform part sits the platform part through the rail-like Holding partner very reliably on the turbine disc.
- a secure hold is given when a rail-like holding partner with the platform part and a rail-like holding partner is connected to the turbine disc and both Holding partner through a connecting element with two holding partners are connected, the connecting element forming a rail-shaped cross-sections form-fitting H-shaped Has cross section.
- the holding partners are on one large area positively connected.
- the Connection is simple to make and easily detachable. Due to the rail-like training of the holding partners can the connecting element with the H-shaped cross section easily inserted between the platform part and the turbine disc and be pulled out. Since no holding partner is a complex Has shape, they are easy and inexpensive producible.
- a very stable bracket is given if it is constructed in this way is that the turbine disc is a rail-like holding partner and the platform part has a rail-encompassing Holding partner and the two by a connecting element are connected, the one rail-encompassing Holding partner and a rail-like holding partner.
- FIG. 1 shows a perspective view of a turbine blade arrangement.
- Working fluid especially hot gas in a gas turbine
- the blades 4 are like a fir tree trained feet 8 in grooves 9 with a distance 1 in the outer circumference 2 of the turbine disc 3 by pushing it in from the side used.
- By rotating the turbine disk 3 the blades 4 are directed towards the outside Centrifugal force.
- This centrifugal force take the 8 foot Blade 4 and the claws 25 of the turbine disk 3 by different teeth 17, 18, 19, 21, 22, 23 on the base 8 are shaped like a fir tree and their corresponding formations find in the claw 25 on.
- the platform part 10 is separate between two blades 4 used.
- the bracket 11 is in this Case from two rail-like holding partners 31 and a connecting element 32.
- the rail-like holding partners 31 are preferably on the outer circumference 2 of the turbine disk 3 almost in the middle between two grooves 9 for the blade feet 8 at a half distance 1 and on the platform part 10 the underside 28 facing the turbine disk 3 is attached.
- Both rail-like holding partners 31 are parallel to each other and in the radial direction one above the other. They are connected by an H-shaped cross section having connecting element 32 with holding partners 30, the consist of rounded recesses 13 into which the holding partner 31 can be inserted.
- the elements mentioned can be matched from different ones Materials, especially from another material be made as the turbine disc 3, for example to save costs.
- the holding partners 30 are preferably 31 and the connecting element 32 are made in one piece, so that the strong attacking forces are no starting point for Find damage.
- the turbine disc is there for reasons durability and strength from special hardened alloys, which are only ground to a limited extent and can be machined. In particular is however also a one-piece manufacture of the straight line extending, rail-like holding partner 31 with the turbine disc 3, possible. This improves the hold of the holding partner 31 on the turbine disc 3. Attack points for Damages due to the centrifugal force are thereby decreased.
- the platform part 10 has at its two longer edges 20 a curvature 15.
- the curvatures of the bilateral anten However, 20 do not necessarily have to match.
- a corresponding curvature 15 can be found on the radius section longitudinal edges 29 a cross section of the blade profiles 5 in the end region 6 shovel the barrel 4. This way, too the curved course of the edges 29 with respect to the cross-sectional area of the blade profile 5 in the end region 6 optimized Area share of the platform part 10 reached. This relieves the groove area considerably.
- the damping wires 16 follow the curvature 15 of the platform part 10 and the moving blade 4. For easier insertion of the damping wires 16, these are pre-bent.
- the edges 20, 29 preferably have one corresponding, constant curvature 15 so that the previously provided with a bending radius corresponding to the curvature 15 Damping wires 16 can be easily inserted.
- the connecting element 32 shows a connecting element 32 with an H-shaped cross section.
- the holding partners 30 forming the two courtyards of the H Fig.1, preferably run straight and in the form of simple way rounded recesses 13 in the coupling area 14, which simplifies the manufacture of the elements.
- the Connecting element 32 has over its entire cross section same shape and dimensions. That way it can can be used from both sides of the turbine disc.
- the Platform part 10 a holding partner encompassing the rail shape 30 on, while the turbine disc 3 as in the first example has a rail-like holding partner 31.
- the connecting element 32 now each has a rail-like Stop partner 31 and a rail-spanning stop partner 30. The connecting element 32 can easily be between the platform part 10 and turbine disk 3 are inserted.
- Fig. 4 shows a distribution of forces due to the centrifugal load within a turbine disc 3 and the one used Blades 4 are formed, in which the invention Bracket technology is used.
- the maximum notch stresses show up particularly in the claw area below the claw teeth 21 in the region of the recesses 17 ', see Fig. 1.
- a significant part of the centrifugal force is passed on via the bracket 11 directly into the turbine disk 3 and does not load the claw recesses 17 '.
- the bracket 11 show medium voltages and the stress peaks in the narrowest cross sections or radii
- the teeth in the claw area have tension values that are far below move previously achievable values.
- Through the load-optimized Division of functional areas of the turbine blade arrangement the force distribution is thus smoothed. This allows an overall higher centrifugal force load, for example by extending the blade profiles to improve efficiency. This extension can both go out together with an enlargement an outer turbine outlet cross section, as well as inwards towards the hub area of the Turbine disc.
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Abstract
Um eine Turbinenschaufelanordnung, mit Lauf schaufeln (4), die jeweils einen Schaufelfuß (8) aufweisen, der radial formschlüssig in jeweils eine Nut (9) des Außenumfang (2) der Turbinenscheibe (3) einsetzbar ist, und die jeweils ein Schaufelprofil (5) haben, das an einem scheibenseitigen Endbereich (6) seitlich eine Plattform hat, so auszubilden, daß sie eine Verlängerung der Laufschaufelprofile ermöglicht, ist zumindest ein Teil (10) der Plattform mittels einer von dem Schaufelfuß (8) unabhängigen Halterung (11) mit der Turbinenscheibe (3) verbunden. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelanordnung mit in
vorbestimmten Abständen über einen Außenumfang einer Turbinenscheibe
angeordneten Lauf schaufeln, die jeweils einen
Schaufelfuß aufweisen, der radial formschlüssig in jeweils
eine Nut des Außenumfangs der Turbinenscheibe einsetzbar ist,
und die jeweils ein Schaufelprofil haben, das an einem scheibenseitigen
Endbereich seitlich eine Plattform hat.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads beziehungsweise der Turbinenleistung
und damit des Wirkungsquerschnitts von Turbinen werden
üblicherweise die Schaufelprofile der Turbinenlaufschaufeln
verlängert, um hierdurch eine bessere Ausnutzung des
vorbeiströmenden heißen Arbeitsfluids beziehungsweise mehr
Leistung zu erreichen. Diese Verlängerung des Schaufelprofils
ist jedoch durch mehrere Parameter begrenzt.
Durch die verlängerten Schaufelprofile und die hierdurch vergrößerte
bewegte Masse wird insbesondere ein Nabenbereich der
Turbinenscheibe durch die angreifende Fliehkraft stark belastet.
Dem wird durch Erhöhung der tragenden Fläche im Nabenbereich
mittels axialer Verlängerung der Scheibe zu begegnen
versucht. Diese Verlängerungsmöglichkeit ist jedoch begrenzt.
Durch vergrößerte Schaufelprofile wird nicht nur die
Nabe stärker belastet, sondern auch der Bereich, in dem die
Turbinenschaufeln mit ihren Füßen in Nuten des Außenumfangs
der Turbinenscheibe eingesetzt sind. Eine Verlängerung der
Schaufelprofile könnte auch in Richtung der Scheibennabe erfolgen.
Hierdurch würde jedoch der Abstand der Nuten des Außenumfangs
geringer und somit würde der Scheibenbereich zwischen
ihnen und insbesondere die nabennächsten Nutenbereiche,
als Fußschnitt bezeichnet, noch stärker belastet. Diese
Belastung ist jedoch zur Zeit nahezu ausgereizt und fast
nicht mehr erhöhbar, ohne eine Schädigung der Turbinenscheibe
zu riskieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Turbinenschaufelanordnung
zu schaffen, die eine Verlängerung der
Laufschaufelprofile ermöglicht, ohne oder mit einer lediglich
geringfügigen Erhöhung der lokalen Belastungen von Nuten der
Turbinenscheibe beziehungsweise von Laufschaufelfüßen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der
Plattform mittels einer von dem Schaufelfuß unabhängigen Halterung
mit der Turbinenscheibe verbunden ist. Durch die Verbindung
der Plattform mit der Turbinenscheibe wird zumindest
ein Teil der Fliehkraftbelastung durch die sich mit der Turbinenscheibe
drehenden Laufschaufeln von der Halterung an die
Turbinenscheibe an zwischen den Fußbereichen liegende Bereiche
weitergeleitet. Zumindest ein Teil der Fliehkraftbelastung
muß somit nicht von dem Schaufelfuß bzw. der Nut, in
die der Fuß eingesetzt ist, aufgenommen und an die Turbinenscheibe
weitergegeben werden. Durch die Lastumverteilung wird
die Belastung somit gleichmäßiger in die Turbinenscheibe eingeleitet
und die Füße der Laufschaufeln und die Nuten, in die
die Füße eingeschoben sind, werden von Spannungsüberhöhungen
entlastet, die die Festigkeit der Bereiche beeinträchtigen.
Dies ist insbesondere im Bereich des als Kreis um die Nabe
gedachten, durch die untersten Nutenbereiche verlaufenden
Fußschnitts wichtig, da in den untersten Nutenbereichen die
größten Spannungsüberhöhungen auftreten. Zudem ist es möglich,
Übergangsbereiche zwischen Plattform und Schaufel wesentlich
weniger dick und massiv auszubilden, da die bei einer
üblichen Schaufel durch eine ausladende, an der Schaufel
befestigte Plattform in diesem Bereich auftretenden Hebelkräfte
durch den Einsatz der Halterung vollständig abgefangen
werden. Durch die schmale Ausbildung ergibt sich zusätzlich
eine weitere Gewichtseinsparung. Die Profile der Laufschaufeln
können somit ohne oder - je nach Stärke der Verlängung -
mit einer lediglich geringfügigen Erhöhung der lokalen Belastungen
von Scheibennuten beziehungsweise Laufschaufelfüßen
verlängert werden. Somit kann der Wirkungsgrad der Turbine,
ohne einen nachteiligen Einfluß auf die Festigkeit der Scheibe
und der Schaufeln erhöht werden.
Wenn das durch die Halterung mit der Turbinenscheibe verbundene
Plattformteil separat von der Laufschaufel ausgebildet
ist, übernimmt die Halterung die gesamte Fliehkraftbelastung
durch das Plattformteil. Die Nut wird damit nicht mehr belastet.
Durch die vollständige Trennung der Massen des Plattformteils
und der Laufschaufeln mit Schaufelprofil und Schaufelfuß
werden die angreifenden Fliehkräfte getrennt durch die
jeweilige Verbindung mit der Turbinenscheibe aufgenommen.
Halterung und Fuß müssen somit jeweils nur einen kleineren
Teil der Gesamtfliehkraftbelastung weiterleiten. In dem Bereich,
in dem das Plattformteil von der Schaufel abgetrennt
ist, also an Kanten, ist eine weniger massive Ausbildung der
Schaufel und des Plattformteils möglich, als bei einer einteiligen,
nicht zusätzlich mit der Turbinenscheibe verbundenen
Schaufel, da nicht zusätzlich noch das Gewicht der Plattform
mitgetragen werden muß. Auf diese Weise wird somit das
Gesamtgewicht der Schaufel einmal durch das Abtrennen der
Plattform und zudem durch die weniger massive Ausbildung an
den Kanten verringert. Der Fuß und die Nut müssen somit noch
weniger Gewicht tragen. Zudem geraten die Schaufeln mit den
Schaufelprofilen und die separat befestigten Plattformteile
nicht so leicht in für die Schaufelbefestigung kritische
Schwingungen beziehungsweise die Schwingungen lassen sich
leichter dämpfen, als im Fall einer einteiligen Ausbildung
der Schaufel. Zudem sind die Schaufel und das Plattformteil
getrennt mit einem wesentlich geringeren Aufwand herzustellen.
Insbesondere beim Gießen der Schaufel ist das Herstellen
der Gießform und die exakte Gießausführung vereinfacht, da
die Turbinenschaufel ohne die angeformte Plattform nahezu
keinen auskragenden Bestandteil mehr aufweist. Das isolierte
Plattformteil besitzt eine einfache geometrische Form, im
allgemeinen plattenförmig und ist somit mit einem geringen
Aufwand herstellbar. Darüber hinaus können für die Schaufel
und das Plattformteil unterschiedliche Materialien eingesetzt
werden. Hierdurch können, bei Verwendung einer leichteren Legierung,
Gewicht sowie gegebenenfalls Material- und Bearbeitungskosten
eingespart werden.
Eine gleichmäßige Verteilung der angreifenden Fliehkräfte über
den Umfang der Turbinenscheibe wird dadurch erreicht, daß
ein einstückiges Plattformteil als Plattformteil zweier benachbarter
Laufschaufeln eingesetzt ist und die Halterung annähernd
in der Mitte zwischen den zwei benachbarten Laufschaufeln
angeordnet ist. Die Spannungsspitzen, die insbesondere
unterhalb der untersten Verzahnung der Nut durch die hohe
Fliehkraftbelastung entstehen, werden hierdurch stark reduziert.
Dadurch, daß zwischen zwei Lauf schaufeln ein einstückiges
Plattformteil mit der Turbinenscheibe verbunden ist,
wird die Anzahl der benötigten Plattformteile und Halterungen
für die Plattformteile auf jeweils ein Plattformteil und eine
Halterung zwischen jeweils zwei benachbarten Laufschaufeln
gesenkt.
Ein größtmöglicher Flächenanteil des Plattformteils wird dadurch
erreicht, daß das Plattformteil zwischen den Endbereichen
zweier benachbarter Schaufelprofile so eingesetzt ist,
daß es die Plattformen praktisch vollständig ersetzt. Nahezu
die gesamten Plattformmassen werden somit durch die Halterung
getragen und belasten weder die Füße noch die Nuten, in die
die Füße eingeschoben sind. Es wird somit eine optimale Massenverteilung
auf Fuß und Halterung erreicht. In den Trennbereichen,
in denen Plattformteil und Schaufel benachbart sind,
wird gegenüber einer einteiligen Ausbildung viel Material und
somit Gewicht eingespart, da es nicht mehr notwendig ist, die
durch das großen Plattformteil auftretenden Hebelkräfte abzufangen.
Eine große Materialeinsparung ist auch dadurch möglich,
daß die den Schaufelprofilen benachbarten Kanten des
Plattformteils an die Krümmung der Schaufelprofile angepaßt
geformt sind. Zudem ist die Herstellung vereinfacht, da jetzt
eine schlanke Form der Schaufel auch im Übergangsbereich zwischen
Fuß und Profil vorliegt, die wesentlich einfacher zu
gießen ist.
Eine stabile und zugleich flexible Anpassung der Halterung an
das Plattformteil und die Turbinenscheibe ist dadurch gegeben,
daß die Halterung aus zumindest einer Paarung von ineinander
eingreifenden Haltepartnern besteht, wobei zumindest
ein einen Haltepartner aufweisendes Verbindungselement separat
vom Plattformteil und von der Turbinenscheibe ausgebildet
ist. Das Plattformteil kann durch die separate Ausbildung des
Haltepartners mit verschiedenen Methoden und leicht austauschbar
an die Turbinenscheibe angebracht werden. Darüber
hinaus sind auf diese Weise verschiedene Materialkombinationen
zwischen den Teilen möglich. Insbesondere kann das Material
eines separat ausgebildeten Plattformteils und des separat
ausgebildeten Haltepartners, wie auch der Turbinenscheibe
und der Schaufel unterschiedlich sein und unter Berücksichtigung
der jeweiligen Aufforderungen und Belastungen kostenoptimiert
ausgewählt werden.
Wenn der Haltepartner mittels Fliehkraftbelastungen widerstehender
Formschlußmittel mit der Turbinenscheibe und dem
Plattformteil verbunden ist, läßt sich eine derartige Halterung
beispielsweise für Reparaturzwecke leicht lösen und kann
nachher ohne Funktionseinschränkung wiederverwendet werden.
Die Halterung läßt sich leicht ein- und auch bei einem eventuellen
Korrosionsangriff mit geringem Aufwand wieder ausbauen,
wenn der Haltepartner mit dem Plattformteil und mit der
Turbinenscheibe mit einem Spiel verbunden ist. Zugleich ist
die Halterung bei einem Kräfteangriff aus unterschiedlichen
Richtungen beziehungsweise einer wechselstarken Kraft besser
dazu geeignet, flexibel zu reagieren und sich in die entsprechende
Kraftrichtung leichter einzustellen, wodurch Beschädigungen
der Halterung und der damit verbundenen Formschlußmittel
sowie des Plattformteils und der Turbinenscheibe vermieden
werden.
Eine einfache Anbringung ist dadurch gegeben, daß ein Haltepartner
über eine Kupplungslänge geradlinig verläuft und einen
schienenartigen Querschnitt aufweist und der andere Haltepartner
der Paarung zum ersten Haltepartner geradlinig parallel
verläuft und einen den schienenartigen Querschnitt des
ersten Haltepartners unter Formschluß umfassenden Querschnitt
aufweist. Durch die schienenartige Ausbildung der Haltepartner
über die gesamte Kupplungslänge sind große Auflage- und
Kontaktflächen gegeben und somit eine gute Kraftverteilung
über den gesamten Bereich der Kupplung. Lokale Spannungsspitzen
aufgrund der angreifenden Fliehkräfte werden somit vermindert.
Insbesondere bei einer gekrümmten Ausbildung des
Plattformteils sitzt das Plattformteil durch den schienenartigen
Haltepartner sehr zuverlässig auf der Turbinenscheibe.
Ein sicherer Halt ist gegeben, wenn ein schienenartiger Haltepartner
mit dem Plattformteil und ein schienenartiger Haltepartner
mit der Turbinenscheibe verbunden ist und beide
Haltepartner durch ein Verbindungselement mit zwei Haltepartnern
verbunden sind, wobei das Verbindungselement einen die
schienenförmigen Querschnitte formschlüssig umgreifenden H-förmigen
Querschnitt aufweist. Die Haltepartner sind auf einem
großen Bereich formschlüssig miteinander verbunden. Die
Verbindung ist einfach herzustellen und leicht wieder lösbar.
Aufgrund der schienenartigen Ausbildungen der Haltepartner
kann das Verbindungselement mit dem H-förmigen Querschnitt
leicht zwischen Plattformteil und Turbinenscheibe eingeschoben
und herausgezogen werden. Da kein Haltepartner eine komplexe
Form aufweist, sind sie mit geringem Aufwand und kostengünstig
herstellbar.
Eine sehr stabile Halterung ist gegeben, wenn sie so aufgebaut
ist, daß die Turbinenscheibe einen schienenartigen Haltepartner
aufweist und das Plattformteil einen schienenumfassenden
Haltepartner aufweist und die beiden durch ein Verbindungselement
verbunden sind, das einen schienenumfassenden
Haltepartner und einen schienenartigen Haltepartner hat.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben.
Es zeigen:
Fig.1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufelanordnung.
Mit einem die Turbine durchströmenden, heißen
Arbeitsfluid, insbesondere Heißgas bei einer Gasturbine, das
gegen ein Schaufelprofil 5 strömt, wird eine Turbinenscheibe
3 mit Lauf schaufeln 4 angetrieben, sich um eine Turbinenachse
24 zu drehen. Die Laufschaufeln 4 sind mit tannenbaumartig
ausgebildeten Füßen 8 in Nuten 9 mit einem Abstand 1 im Außenumfang
2 der Turbinenscheibe 3 durch seitliches Einschieben
eingesetzt. Durch Drehbewegungen der Turbinenscheibe 3
werden die Laufschaufeln 4 von einer nach außen gerichtete
Fliehkraft belastet. Diese Fliehkraft nehmen der Fuß 8 der
Laufschaufel 4 sowie die Klauen 25 der Turbinenscheibe 3
durch verschiedene Zähne 17, 18, 19, 21, 22, 23, die am Fuß 8
tannenbaumartig geformt sind und ihre korrespondierenden Anformungen
in der Klaue 25 finden, auf. Beispielhaft sind die
untersten Fußzähne 17 auf beiden Seiten des Fußes 8 dargestellt,
die durch die untersten Klauenzähne 21 der Klauen 25
gehalten werden, sowie mittlere Fußzähne 18 wiederum auf beiden
Seiten des Fußes 8, die korrespondierende mittlere Klauenzähne
22 hintergreifen, sowie oberste Fußzähne 19, die sich
am nächsten an der Oberfläche der Turbinenscheibe 3 befinden
und oberste Klauenzähne 23 hintergreifen. Der Fuß 8 wird ausgehend
vom unteren Fußzahn 17 bis zum obersten Fußzahn 19 in
seinem Durchmesser 26 immer stärker. Auf diese Weise können
die durch die Drehung der Scheibe 3 und der daran angebrachten
Lauf schaufeln 4 entstehenden Fliehkräfte abgefangen werden.
Bei sehr langen Laufschaufeln 4 stellen jedoch die untersten
Fußzähne 17 aufnehmende Ausnehmungen 17' in der Klaue 25 aufgrund
der starken dort angreifenden lokalen Kräfte insbesondere
im Bereich eines Fußschnitts 33 entlang der untersten
Enden der Nuten 9 eine Begrenzung für eine Vergrößerung der
Laufschaufeln 4 dar. Dem wird begegnet, indem ein Teil 10 der
Plattform durch eine Halterung 11 mit der Turbinenscheibe 3
einer Fliehkraftbeanspruchung widerstehend verbunden ist. Eine
Plattform, wie auch das hier vorliegende Plattformteil 10,
dient allgemein dazu, den Fußbereich gegen ein Aufheizen
durch vorbeiströmendes Arbeitsfluid, insbesondere Heißgas zu
schützen.
Das Plattformteil 10 ist separat zwischen jeweils zwei Laufschaufeln
4 eingesetzt. Die Halterung 11 besteht in diesem
Fall aus zwei schienenartigen Haltepartnern 31 und einem Verbindungselement
32. Die schienenartigen Haltepartner 31 sind
jeweils am Außenumfang 2 der Turbinenscheibe 3 vorzugsweise
in der Mitte zwischen zwei Nuten 9 für die Schaufelfüße 8 nahezu
auf halbem Abstand 1 sowie an dem Plattformteil 10 auf
der der Turbinenscheibe 3 zugewandten Unterseite 28 angebracht.
Beide schienenartigen Haltepartner 31 liegen parallel
zueinander und in radialer Richtung fluchtend übereinander.
Verbunden sind sie durch das einen H-förmigen Querschnitt
aufweisende Verbindungselement 32 mit Haltepartnern 30, die
aus abgerundeten Ausnehmungen 13 bestehen, in die die Haltepartner
31 eingeschoben werden.
Die genannten Elemente können aus unterschiedlichen, abgestimmen
Materialien, insbesondere aus einem anderen Material
als die Turbinenscheibe 3 hergestellt sein, beispielsweise
um Kosten zu sparen. Vorzugsweise sind die Haltepartner 30,
31 sowie das Verbindungselement 32 einstückig ausgebildet,
damit die starken angreifenden Kräfte keinen Ansatzpunkt für
Schädigungen finden. Die Turbinenscheibe besteht aus Gründen
der Haltbarkeit und Festigkeit aus speziellen, gehärteten Legierungen,
die lediglich in eingeschränktem Umfang geschliffen
und spanabhebend bearbeitet werden können. Insbesondere
ist jedoch auch eine einstückige Herstellung des geradlinig
verlaufenden, schienenartigen Haltepartners 31 mit der Turbinenscheibe
3, möglich. Dies verbessert den Halt des Haltepartners
31 an der Turbinenscheibe 3. Angriffsstellen für
Schädigungen aufgrund der Fliehkraftbelastungsind dadurch
verringert.
Das Plattformteil 10 weist an seinen beiden längeren Kanten
20 eine Krümmung 15 auf. Die Krümmungen der beidseitigen anten
20 müssen jedoch nicht notwendigerweise übereinstimmen.
Sie können je nach Form des Turbinenschaufelprofilquerschnitts
angepaßt ausgewählt werden. Eine entsprechende Krümmung
15 findet sich an den radiusbehafteten Längsabschnittskanten
29 eines Querschnitts der Schaufelprofile 5 im Endbereich
6 der Lauf schaufeln 4. Auf diese Weise wird auch bei
dem gekrümmten Verlauf der Kanten 29 ein bezüglich der Querschnittsfläche
des Schaufelprofils 5 im Endbereich 6 optimierter
Flächenanteil des Plattformteils 10 erreicht. Dies
entlastet den Nutenbereich wesentlich.
Zwischen dem Plattformteil 10 und dem Rest der Laufschaufel 4
befinden sich zwischen der gekrümmten Kante 29 und einer entsprechenden
Kante 20 des Plattformteil 10 ein Spalt. Die unteren,
scheibenseitigen Enden der Spalte sind an beiden Kanten
20, 29 leicht angeschrägt. Hierein werden an der Unterseite
28 des Plattformteils 10 Dämpfungsdrähte 16 gelegt. Im
Stillstand der Turbinenscheibe 3 werden die Dämpfungsdrähte
16 durch mehrere Befestigungsnoppen 50 in Position gehalten,
wie in Fig. 4 dargestellt. Bei Fliehkraftbelastung dichten
die Dämpfungsdrähte 16 einen Zwischenraum zwischen Plattform
und Turbinenscheibe gegen Eindringen von Heißgasen durch den
Spalt ab. Zugleich dämpfen die Dämpfungsdrähte 16 Schwingungen
im Bereich der Schaufel. Die Dämpfungsdrähte 16 folgen
der Krümmung 15 des Plattformteils 10 und der Laufschaufel 4.
Zum leichteren Einsetzen der Dämpfungsdrähte 16 werden diese
vorgebogen. Zudem weisen die Kanten 20, 29 vorzugsweise eine
entsprechende, konstante Krümmung 15 auf, so daß die vorher
mit einem der Krümmung 15 entsprechenden Biegeradius versehenen
Dämpfungsdrähte 16 leicht eingeschoben werden können.
Nach dem Einsetzen aller Elemente werden an Stirnseiten der
Turbinenscheibe 3 axiale Dichtplatten 27 gesetzt, die vorzugsweise
nahezu den größten Teil des stirnseitigen Scheibenbereichs
von Fußoberkante bis Unterkante der Plattform überdecken.
Dadurch wird ein seitliches Eindringen von Arbeitsfluid,
insbesondere Heißgas, unter die Plattformen bzw.
die Plattformteile 10 oder an die Füße verhindert, was dort
sonst zu starken Schäden führen würde.
Fig.2 zeigt ein Verbindungselement 32 mit H-förmigem Querschnitt.
Die die beiden Höfe des H bildenden Haltepartner 30,
Fig.1, verlaufen vorzugsweise geradlinig und in Form von auf
einfache Weise abgerundeten Ausnehmungen 13 im Kupplungsbereich
14, was die Herstellung der Elemente vereinfacht. Das
Verbindungselement 32 weist über seinen gesamten Querschnitt
dieselbe Form und Dimensionen auf. Auf diese Weise kann es
von beiden Turbinenscheibenseiten aus eingesetzt werden.
Fig.3 zeigt eine weitere Halterung, aufgebaut aus zwei Paarungen
von Haltepartnern 30, 31. In diesem Fall weist das
Plattformteil 10 einen schienenformumgreifenden Haltepartner
30 auf, während die Turbinenscheibe 3 wie auch im ersten Beispiel
einen schienenartigen Haltepartner 31 hat. Das Verbindungselement
32 besitzt nun jeweils einen schienenartigen
Haltepartner 31 und einen schienenumgreifenden Haltepartner
30. Das Verbindungselement 32 kann leicht zwischen Plattformteil
10 und Turbinenscheibe 3 eingeschoben werden.
Fig.4 zeigt eine Kräfteverteilung, die aufgrund der Fliehkraftbelastung
innerhalb einer Turbinenscheibe 3 und der eingesetzten
Laufschaufeln 4 entsteht, bei denen die erfindungsgemäße
Halterungstechnik eingesetzt ist. Die maximalen Kerbspannungen
zeigen sich im Klauenbereich insbesondere unterhalb
der Klauenzähne 21 im Bereich der Ausnehmungen 17', siehe
Fig.1. Ein wesentlicher Teil der Fliehkraftbelastung wird
über die Halterung 11 direkt in die Turbinenscheibe 3 weitergeleitet
und belastet die Klauenausnehmungen 17' nicht. Durch
den Einsatz der Halterung 11 zeigen mittlere Spannungen und
die Spannungsspitzen in den engsten Querschnitten bzw. Radien
der Zähne im Klauenbereich Spannungswerte, die sich weit unterhalb
bisher erreichbarer Werte bewegen. Durch die belastungsoptimierte
Aufteilung von Funktionsbereichen der Turbinenschaufelanordnung
wird die Kraftverteilung somit geglättet.
Dies erlaubt eine insgesamt höhere Fliehkraftbelastung,
die beispielsweise durch eine Verlängerung der Schaufelprofile
zur Verbesserung des Wirkungsgrads entsteht. Diese Verlängerung
kann sowohl nach außen zusammen mit einer Vergrößerung
eines äußeren Turbinenaustrittsquerschnitts vorgenommen werden,
wie auch nach innen in Richtung des Nabenbereichs der
Turbinenscheibe.
Claims (10)
- Turbinenschaufelanordnung mit in vorbestimmten Abständen (1) über einen Außenumfang (2) einer Turbinenscheibe (3) angeordneten Laufschaufeln (4), die jeweils einen Schaufelfuß (8) aufweisen, der radial formschlüssig in jeweils eine Nut (9) des Außenumfangs (2) der Turbinenscheibe (3) einsetzbar ist, und die jeweils ein Schaufelprofil (5) haben, das an einem scheibenseitigen Endbereich (6) seitlich eine Plattform hat, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil (10) der Plattform mittels einer von dem Schaufelfuß (8) unabhängigen Halterung (11) mit der Turbinenscheibe (3) verbunden ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Halterung (11) mit der Turbinenscheibe (3) verbundene Plattformteil (10) separat von der Laufschaufel (4) ausgebildet ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstückiges Plattformteil (10) als Plattformteil (10) zweier benachbarter Laufschaufeln (4) eingesetzt ist und die Halterung (11) annähernd in der Mitte zwischen den zwei benachbarten Lauf schaufeln (4) angeordnet ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattformteil (10) zwischen den Endbereichen (6) der Schaufelprofile (5) zweier benachbarter Laufschaufeln (4) so eingesetzt ist, daß es die Plattformen praktisch vollständig ersetzt.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (11) aus zumindest einer Paarung von ineinander eingreifenden Haltepartnern (30, 31) besteht, wobei zumindest ein einen Haltepartner (30, 31) aufweisendes Verbindungselement (32) separat vom Plattformteil (10) und von der Turbinenscheibe (3) ausgebildet ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltepartner (30) mittels Fliehkraftbelastungen widerstehender Formschlußmittel mit der Turbinenscheibe (3) und dem Plattformteil (10) verbunden ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltepartner (30) mit dem Plattformteil (10) und mit der Turbinenscheibe (3) mit einem Spiel verbunden ist.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haltepartner (31) über eine Kupplungslänge (14) geradlinig verläuft und einen schienenartigen Querschnitt aufweist und der andere Haltepartner (30) der Paarung zum ersten Haltepartner (31) geradlinig parallel verläuft und einen den schienenartigen Querschnitt des ersten Haltepartners (31) unter Formschluß umfassenden Querschnitt aufweist.
- Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein schienenartiger Haltepartner (31) mit dem Plattformteil (10) und ein schienenartiger Haltepartner (31) mit der Turbinenscheibe (3) verbunden ist und beide Haltepartner (31) durch ein Verbindungselement (32) mit zwei Haltepartnern (30) verbunden sind, wobei das Verbindungselement (32) einen die schienenförmigen Querschnitte formschlüssig umgreifenden H-förmigen Querschnitt aufweist.
- Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenscheibe (3) einen schienenartigen Haltepartner (31) aufweist und das Plattformteil (10) einen schienenumfassenden Haltepartner (30) aufweist und die beiden durch ein Verbindungselement (32) verbunden sind, das einen schienenumfassenden Haltepartner (30) und einen schienenartigen Haltepartner (31) hat.
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