EP1136654A1 - Turbinenlaufschaufel - Google Patents
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- EP1136654A1 EP1136654A1 EP00106142A EP00106142A EP1136654A1 EP 1136654 A1 EP1136654 A1 EP 1136654A1 EP 00106142 A EP00106142 A EP 00106142A EP 00106142 A EP00106142 A EP 00106142A EP 1136654 A1 EP1136654 A1 EP 1136654A1
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- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- blade
- turbine
- recess
- foot
- turbine rotor
- Prior art date
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- Withdrawn
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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
- 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 several offset in the circumferential direction of a turbine disk arranged turbine blades, each with one blade root, which has two long sides and front sides, has longitudinal teeth on its long sides and that in one Turbine disk groove can be inserted lengthways and there by longitudinal teeth, who positively engage his longitudinal teeth, is held radially pull-out.
- Turbine blade assemblies with grooves in a turbine disc inserted feet are through in their groove areas on the turbine blade when the turbine disc rotates attacking centrifugal forces heavily loaded.
- To a large contact area to have are the holding devices of the foot in the groove is designed as beveled longitudinal teeth.
- the centrifugal forces which point radially outwards are caused by the longitudinal teeth of the foot introduced into the longitudinal teeth of the groove. Since the Longitudinal teeth are chamfered by this introduction a force redirection of part of the centrifugal force.
- the forces introduced are in the front area of the foot very stressful for the groove area, since they rise abruptly there. This results in particular in the lower groove area a heavy load that can lead to cracks.
- the object of the present invention is therefore a turbine blade arrangement specify that allows turbine blades to be used for helix angles that are larger than have been achieved so far, without the strength of the groove areas to endanger.
- the object is achieved in that the blade root on its Has a local weakening of material.
- the invention has the advantage that centrifugal force-induced voltage peaks be intercepted and therefore not in the front End area introduced into the surrounding longitudinal teeth but inside, in the middle of the blade root.
- This advantage is achieved in that The face is locally weakened. A weakening of materials exists when the surrounding areas are larger Have rigidity, for example in that the Material at the weakening is thinner. So the whole resulting stiffness of this area is reduced. Because when a load is applied, the soft, weakened one is the first Area deformed. The material is no longer like this rigid. This way only a diminished one can be in this area Power transmission to the surrounding groove take place.
- the normally very rigid end faces of the blade root are due to the proposed arrangement against voltages made more compliant.
- a material calculation that is easy to calculate and reproducible is given when the blade root on its Front has a recess.
- the recess softens the Forehead area of the foot against the attacking centrifugal force in that they compress elastically under the application of force leaves. There will be a lesser amount of force in initiated the end region of the groove, and thus a large proportion in the area of the center of the foot.
- By changing the Shape or dimensions of the recess can be elastic Characteristics of the recess area essential to be influenced.
- the recess on the front of the The blade root is inserted during the casting Casting core from the outside or subsequently through mechanical processing applicable.
- the recess has a wedge-shaped notch on the front side of the blade root in the area between that of the axis of the Turbine disk next, opposite longitudinal teeth is, and the recess on a disc axis
- the end of the blade root is open, can be elastic Bend together the side flanks of the wedge-shaped notch Forces are softly intercepted in this area. It becomes a smaller proportion of the force in the surrounding groove area transfer. The load capacity is thus in one area redirected towards the center of the blade root. This feathery
- the folding of the wedge-shaped notch is restricted that there are no permanent plastic deformations allowed to. This can be achieved, for example, by that dimensions and shapes of the recess, in particular a certain width and depth are observed, for example of the bucket weight, but also the contact area in depend on the groove and the manufacturing tolerances observed.
- the recess is in the disc side End area on the front and softest from there towards the center of the blade root with decreasing Width increasingly harder.
- the maximum notch depth can be moreover in this way easily to a possible Helix angle of the blade root can be adjusted by the Depth increases with increasing helix angle.
- the recess has a rounded contour, it is ensured that the contact forces are derived more gently can. This prevents the recess for example in the event of changes in force and changes in direction of force Crack tips form, which damage the material to lead.
- each of the two end faces of the blade root has one local weakening of material, are on both ends, the similar and with a symmetrical design of the blade root would have the same voltage increases, to obtain similar or the same advantageous effects.
- Coolant can be passed through the blade root and at the same time an efficiency improvement due to a Tilting take place when the blade root has a cavity has, which at the disc axis end of the blade root has access and local material weakening has such a distance from the entrance that under the Operating load of the turbine blade the required stability is guaranteed.
- Through the access can coolant through the blade root and through it into the blade profile be directed.
- due to the local weakening of materials the attacking centrifugal force towards the center of the blade root distributed.
- the strength of the Blade root also given in the forehead area in that a sufficient wall thickness on the front of the blade root is guaranteed despite the local material weakening. It All advantages of the invention can thus be used and at the same time an internal cooling of the blade profile or a weight reduction due to the hollowing out of the Blade base are made.
- the cavity is offset several at the end of the disc axis has accesses arranged on a longitudinal axis of the foot and the local weakening of material on the front side as well is at least partially on the longitudinal axis of the foot, a Stress distribution in the middle along the longitudinal axis of the foot.
- the voltage is introduced symmetrically the two flanks of the groove.
- the forces are evenly on both sides of the groove are distributed, which means that there is also one in the center area possible excessive voltage is avoided.
- Multiple entrances ensure stabilization in the walls between the accesses, making the force distribution even becomes. In particular, it is sufficient to maintain stability Distance of local material weakening to access, which is closest to the recess.
- the blade root is star-shaped from the.
- the groove ends, that encompass the forehead areas of the feet are marked by the forces transferred to them are heavily asymmetrically loaded.
- This asymmetrical load in the end area poses the resulting bending stresses and the associated stresses Crack nucleation is a limit for the improvement of the cross section due to the inclination of the blade feet
- the local material weakening according to the invention acts against this especially the recess by itself in this weakened forehead area the material of the foot softer behaves.
- the turbine blade 2 consists of a Blade profile 10, which is tapered to a parallelogram Bucket platform 11, which borders the completion of the underlying Blade base 3 forms.
- the blade root 3 has also a parallelogram cross section parallel to the blade platform 11.
- the platform 11 points relatively to the vertical 14 on an end face 8 of the blade root 3 a helix angle 24.
- the blade root 3 has parallel to its end face 8 a fir tree-shaped Cross section, the protruding, on the two parallel Long sides 4 of the blade root 3 are parallel to one another longitudinally has longitudinal foot teeth 5 and to a disc axis End 17 of the foot 3 tapers narrower.
- the longitudinal feet 5 are related to a longitudinal axis of the blade 23 undercuts forming radial bevels.
- the blade root 3 is formed in a corresponding negative Turbine disk groove 6 with longitudinal foot teeth 5 receiving, lengthways extending cutouts 15 along its long sides 4 inserted and related to the axis of the turbine disk 1 radially secure against extraction by corresponding to the longitudinal teeth of the foot 5 chamfered longitudinal teeth 7 held.
- the between two blades 2 lying, in cross section parallel to the surface also parallelogram-shaped area 26 of the turbine disc 1 is thus from the two adjacent turbine blades 2 claimed in the opposite direction.
- the Forces, represented by force vector arrows 30, in the circumferential direction of the turbine disk 1 rise in the central region 28 each other approximately as indicated in Fig.5.
- the blade root 3 on the face 8 a local weakening of material in Has a shape of a recess 9.
- the blade root 3 on the face 8 a local weakening of material in Has a shape of a recess 9.
- the recess 9 In an area 13 am End 17 of the foot 3 on the disc axis side, at which the foot 3 is tapered, is located between the disks closest to the disk Longitudinal teeth 5 have the recess 9 approximately in the center.
- the recess 9 has a wedge-like shape, which in the direction Platform 11 and tapers towards the other end face 8, rounded flanks 12.
- the recess 9 is open towards the disc axis end 17 of the foot 3.
- the recess 9 has its greatest height 27 directly on the end face 8 and falls to the center of the blade root 3 rounded down.
- FIG. 3a, b, c show parallel to the blade platform 11 Cross sections through the foot area with the recess 9 along the section lines III a, b, c from Fig. 2.
- the cross sections have a distance from the end 17 on the disc axis side and decreasing maximum as the blade platform 11 approaches Depth 18 on. Likewise increases with distance to the disc axis side End 17 the maximum width 16 of the recess 9 to.
- the slope of the flanks 12 of the recesses 9 is on adjusted this decrease, but essentially constant.
- Fig.4 shows a top view II-II on the disc axis side End 17 of the foot 3 from Fig.1.
- the foot 3 indicates next to the two end faces 8 arranged recesses 9 approximately four similarly elliptically shaped approaches in cross section 19 to an internal cavity, which is not shown is.
- the entrances 19 are separated from one another by central walls 22. Both the accesses 19 and the recesses 9 lie with their longitudinal dimensions along a longitudinal axis of the foot 21, parallel to the longitudinal sides 4 of the foot 3 in the middle runs between them.
- the recesses 9 are spaced apart 20 to the neighboring entrances 19. Between the Recess 9 and the adjacent entrance 19 are thus located a wall 31 through which the deflected from the end face 8 Force is introduced into the surrounding groove area. Through the recesses 9, the end faces 8 are in the disc axis side End area 17 softer.
- the blade profile 10 of the turbine blade can 2 are supplied with coolant.
- the middle walls 22 reinforce the foot area and ensure sufficient resistance to the load by the attacking centrifugal forces.
- FIG. 5 shows a plan view of a circumference of a turbine disk 1 with turbine blades inserted in grooves 6 2, a distance 25 between corresponding to each other Have long sides 4.
- the platforms 11 and with them the Feet have an angle 24 to a perpendicular 14 on the turbine disk end face on.
- the recess 9 makes the forehead area 8 softer, i.e. so strong forces can no longer given in this area to the surrounding groove areas become. As a result, the maxima of the force distributions reinforced in the direction of the central region 28 of the region 26 moved where large forces without damage even with large ones Angles 24 of over 15 ° can be included.
- Front area 8 has an elongated recess 9.
- the Recess 9 is at the disc-side end region 17 of the foot 3 open and extends from the disc-side end region 17 to between the uppermost longitudinal teeth 5. This also means the areas between the middle and the top, opposite each other Longitudinal teeth 5 resilient. Voltage peaks in the forehead area 8 can be even more effectively balanced become.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Um eine Turbinenlaufschaufelanordnung mit mehreren in Umfangsrichtung einer Turbinenscheibe (1) versetzt angeordneten Turbinenlaufschaufeln (2) mit jeweils einem Schaufelfuß (3), der in eine Turbinenscheibennut (6) längs einschiebbar und dort durch Nutlängszähne (7), die seine Fußlängszähne (5) formschlüssig hintergreifen, radial auszugsfest gehalten ist, so auszubilden, daß Turbinenlaufschaufeln (2) bei Schrägungswinkeln einsetzbar sind, die größer als die bisher erreichten sind, wird vorgeschlagen, daß der Schaufelfuß (3) an seiner Stirnseite (8) eine lokale Materialschwächung aufweist. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufelanordnung mit
mehreren in Umfangsrichtung einer Turbinenscheibe versetzt
angeordneten Turbinenlaufschaufeln mit jeweils einem Schaufelfuß,
der jeweils zwei Längsseiten und Stirnseiten aufweist,
an seinen Längsseiten Fußlängszähne hat und der in eine
Turbinenscheibennut längs einschiebbar und dort durch Nutlängszähne,
die seine Fußlängszähne formschlüssig hintergreifen,
radial auszugsfest gehalten ist.
Turbinenlaufschaufelanordnungen mit in Nuten einer Turbinenscheibe
eingeschobenen Füßen sind in ihren Nutbereichen durch
die an der Turbinenschaufel bei Drehung der Turbinenscheibe
angreifenden Fliehkräfte stark belastet. Um eine große Auflagefläche
zu haben, sind die Haltevorrichtungen des Fußes in
der Nut als angeschrägte Längszähne ausgebildet. Die Fliehkräfte,
die radial nach außen weisen, werden durch die Fußlängszähne
in Nutlängszähne der Nut eingeleitet. Da die
Längszähne angeschrägt sind, erfolgt durch diese Einleitung
eine Kraftumlenkung eines Teils der Fliehkraft. Insbesondere
im Stirnseitenbereich des Fußes sind die eingeleiteten Kräfte
sehr belastend für den Nutbereich, da sie dort sprunghaft ansteigen.
Hierdurch entsteht insbesondere in dem unteren Nutbereich
eine starke Belastung, die zu Rissen führen kann.
Zudem wird versucht, bei modernen Turbinenlaufschaufeln eine
Effektivitätsverbesserung dadurch zu erreichen, daß die Turbinenschaufeln
in steilen Abströmungswinkeln relativ zur Arbeitsfluidanströmung
eingerichtet werden. Hierbei sind die
Laufschaufelfüße schräg zur Turbinenscheibenachse in die Turbinenscheiben
eingesetzt, wodurch die Nuten und die Schaufelfüße
stark inhomogenen Spannungen unter Betriebslast ausgesetzt
sind. Dies bringt eine erhöhte Materialbeanspruchung
mit sich, so daß die Schrägstellung bisher auf Winkel bis ca.
15° beschränkt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Turbinenlaufschaufelanordnung
anzugeben, die es erlaubt, Turbinenlaufschaufeln
bei Schrägungswinkeln einzusetzen, die größer
als die bisher erreichten sind, ohne die Festigkeit der Nutbereiche
zu gefährden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schaufelfuß an seiner
Stirnseite eine lokale Materialschwächung aufweist.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß fliehkraftinduzierte Spannungsspitzen
abgefangen werden und somit nicht in dem stirnseitigen
Endbereich in die umgebenden Nutlängszähne eingeleitet
werden, sondern weiter innen, in der Mitte des Schaufelfußes.
Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß an der
Stirnseite das Material lokal geschwächt ist. Eine Materialschwächung
liegt vor, wenn die umgebenden Bereiche eine größere
Steifigkeit aufweisen, beispielsweise dadurch, daß das
Material an der Schwächung dünner ist. Somit wird die gesamte,
resultierende Steifigkeit dieses Bereichs reduziert. Denn
bei einer anliegenden Last wird zuerst der weiche, geschwächte
Bereich verformt. Das Material ist somit nicht mehr so
starr. Auf diese Weise kann in diesem Bereich nur eine verminderte
Kraftübertragung auf die umgebende Nut stattfinden.
Die normalerweise sehr starren Stirnseiten des Schaufelfußes
werden durch die vorgeschlagene Anordnung gegenüber Spannungen
nachgiebiger gemacht. Es findet somit eine Lastumverteilung
in Richtung Schaufelfußmitte statt, die lokale Spannungsüberhöhungen
im Nutendbereich vermindert. Die Materialschwächung
ist lokal angebracht, weil der Fuß immer noch eine
ausreichende Festigkeit aufweisen soll und trotz der Schwächung
immer noch ein gewisser, die Schaufel tragender Fliehkraftanteil
übertragen werden soll. Durch die vorgeschlagene
Anordnung wird verhindert, daß an den Stirnseiten der Nutlängszähne
so hohe Spannungen angreifen, daß Schädigungen
entstehen. Hierdurch können beispielsweise Spannungsspitzen
aufgrund von Passungsfehlern, wie sie selbst bei sehr sorgfältiger
Gußnachbearbeitung der Turbinenschaufelfüße vorkommen,
ausgeglichen werden. Durch die vorgeschlagene Anordnung
wird die Lebensdauer der Turbinenschaufelanordnung erhöht und
es treten während des Betriebs weniger Störungen auf.
Eine gut zu berechnende und reproduzierbar herzustellende Materialschwächung
ist gegeben, wenn der Schaufelfuß an seiner
Stirnseite eine Ausnehmung hat. Die Ausnehmung erweicht den
Stirnbereich des Fußes gegenüber der angreifenden Fliehkraft
dadurch, daß sie sich unter dem Kraftangriff elastisch zusammendrücken
läßt. Es wird ein geringerer Anteil der Kraft in
den Endbereich der Nut eingeleitet, und somit ein großer Anteil
in den Bereich der Fußmitte. Durch eine Änderung der
Form oder der Abmessungen der Ausnehmung können die elastischen
Eigenschaften des Ausnehmungsbereichs wesentlich
beeinflußt werden. Die Ausnehmung an der Stirnseite des
Schaufelfußes ist während des Gießens durch Einsetzen eines
Gießkerns von außen oder nachträglich durch mechanische Bearbeitung
einbringbar.
Wenn die Ausnehmung eine keilförmige Einkerbung an der Stirnseite
des Schaufelfußes im Bereich zwischen den der Achse der
Turbinenscheibe nächsten, sich gegenüberliegenden Fußlängszähnen
ist, und die Ausnehmung an einem scheibenachsenseitigen
Ende des Schaufelfußes offen ist, können durch elastisches
Zusammenbiegen der Seitenflanken der keilförmigen Einkerbung
Kräfte weich in diesem Bereich abgefangen werden. Es
wird ein geringerer Anteil der Kraft in den umgebenden Nutbereich
übertragen. Die Tragkraft wird somit in einen Bereich
in Richtung Schaufelfußmitte umgeleitet. Dieses federartige
Zusammenfalten der keilförmigen Einkerbung ist dadurch beschränkt,
daß keine bleibenden plastischen Verformungen entstehen
dürfen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
daß Maße und Formen der Ausnehmung, insbesondere eine
gewisse Breite und Tiefe eingehalten werden, die beispielsweise
von dem Schaufelgewicht, aber auch der Auflagefläche in
der Nut und den eingehaltenen Fertigungstoleranzen abhängen.
Eine sehr gute Ableitung der Verspannungen in die Schaufelfußmittenbereiche
ist gegeben, wenn sich die Ausnehmung in
Richtung einer Schaufelplattform querschnittsmäßig verjüngt.
Je größer der Querschnitt und insbesondere die Breite und damit
je größer der Abstand der Flanken der Ausnehmung desto
weicher ist die Ausnehmung und desto weniger Widerstand setzt
sie einer elastischen Verformung entgegen. Somit werden in
den untersten Bereich der Enden der Nuten, die am stärksten
rißgefährdet sind, die geringsten Spannungen eingeleitet, wohingegen
in Nutbereichen, die in einem Abstand zur Scheibenachse
in Richtung Schaufelplattform liegen, höhere Spannungen
eingebracht werden. Diese Nutbereiche sind stabiler ausgebildet
und können Biegebeanspruchungen einen größeren Widerstand
entgegensetzen.
Wenn die Ausnehmung eine in Richtung Schaufelplattform abnehmende
maximale Tiefe aufweist, ist die Ausnehmung im scheibenseitigen
Endbereich an der Stirnseite am weichsten und
wird von dort in Richtung Schaufelfußmitte mit abnehmender
Breite zunehmend härter. Die maximale Einkerbungstiefe kann
darüberhinaus auf diese Weise leicht an einen eventuellen
Schrägungswinkel des Schaufelfußes angepaßt werden, indem die
Tiefe mit wachsendem Schrägungswinkel vergrößert wird.
Wenn die Ausnehmung eine abgerundete Kontur aufweist, ist gewährleistet,
daß die Anpreßkräfte weicher abgeleitet werden
können. Es ist hierdurch verhindert, daß sich an der Ausnehmung
beispielsweise bei Kraftwechseln und Kraftrichtungsänderungen
Rißspitzen bilden, die zu Schädigungen des Materials
führen.
Wenn jede der beiden Stirnseiten des Schaufelfußes je eine
lokale Materialschwächung aufweist, sind an beiden Stirnseiten,
die ähnliche und bei symmetrischer Ausführung des Schaufelfußes
dieselben Spannungsüberhöhungen aufweisen würden,
ähnliche bzw. dieselben vorteilhaften Auswirkungen zu erhalten.
Durch den Schaufelfuß kann Kühlmittel durchgeleitet werden
und zugleich eine Wirkungsgradverbesserung aufgrund einer
Schrägstellung stattfinden, wenn der Schaufelfuß einen Hohlraum
aufweist, der am scheibenachsenseitigen Ende des Schaufelfußes
einen Zugang hat und die lokale Materialschwächung
einen derartigen Abstand zu dem Zugang besitzt, daß unter der
Betriebslast der Turbinenlaufschaufel die erforderliche Stabilität
gewährleistet ist. Durch den Zugang kann Kühlmittel
durch den Schaufelfuß und durch ihn hindurch in das Schaufelprofil
geleitet werden. Zugleich wird durch die lokale Materialschwächung
die angreifende Fliehkraft in Richtung Schaufelfußmitte
verteilt. Darüberhinaus ist die Festigkeit des
Schaufelfußes auch im Stirnbereich dadurch gegeben, daß eine
ausreichende Wanddicke an der Stirnseite des Schaufelfußes
trotz der lokalen Materialschwächung gewährleistet ist. Es
können somit alle Vorteile der Erfindung genutzt werden und
zugleich eine Innenkühlung des Schaufelprofiles beziehungsweise
eine Gewichtsreduzierung aufgrund der Aushöhlung des
Schaufelfußes vorgenommen werden.
Wenn der Hohlraum am scheibenachsenseitigen Ende mehrere versetzt
auf einer Fußlängsachse angeordnete Zugänge aufweist
und die lokale Materialschwächung an der Stirnseite ebenfalls
zumindest teilweise auf der Fußlängsachse liegt, wird eine
Spannungsverteilung mittig entlang der Fußlängsachse erreicht.
Die Spannungseinleitung erfolgt also symmetrisch zu
den beiden Flanken der Nut. Die Kräfte werden gleichmäßig auf
beide Nutseiten verteilt, wodurch auch im Mittenbereich eine
eventuelle Spannungsüberhöhung vermieden wird. Mehrere Zugänge
gewährleisten eine Stabilisierung in den Wänden zwischen
den Zugängen, wodurch die Kraftverteilung vergleichmäßigt
wird. Insbesondere ist auf einen ausreichenden stabilitätswahrenden
Abstand der lokale Materialschwächung zum Zugang,
der der Ausnehmung am nächsten liegt, zu achten.
Wenn der Schaufelfuß um sternfömig von der. Scheibenachse ausgehende,
durch die Schaufelfüße verlaufende Radialachsen um
einen Winkel gedreht in die Turbinenscheibe eingesetzt ist,
ist eine stark asymmetrische Krafteinleitung und eine damit
verbundene Spannungsüberhöhung im Bereich der Enden der untersten
Nutlängszähne zu beobachten. Insbesondere die Nutenden,
die die Stirnbereiche der Füße umfassen, werden durch
die auf sie übertragenen Kräfte stark asymmetrisch belastet.
Diese asymmetrische Belastung im Endbereich stellt aufgrund
der dabei entstehenden Biegespannungen und hiermit verbundenen
Rißkeimbildung eine Grenze für die Verbesserung des Wirkungsquerschnitts
durch die Schrägstellung der Laufschaufelfüße
dar. Hiergegen wirkt die erfindungsgemäße lokale Materialschwächung
insbesondere die Ausnehmung, indem sich in diesem
geschwächten Stirnbereich das Material des Fußes weicher
verhält. Auf diese Weise findet die Hauptlastaufnahme der in
Umfangsrichtung der Turbinenscheibe liegenden Komponente der
unter Fliehkraftbelastung entstehenden Anpreßkraft an den
weiter innenliegenden Bereichen der Nut statt. Ein Aufbiegen
der asymmetrisch belasteten Nut ist somit auch bei steilen
Winkeln der Schaufelfüße verhindert. Auf diese Weise kann eine
sehr große Wirkungsgradverbesserung durch Einsetzen von
unter großen Abströmwinkeln schräggestellten Schaufeln stattfinden,
ohne daß es zu Festigkeitsverlusten beispielsweise
durch Rißkeimbildung aufgrund von Biegespannungen in den Endbereichen
der Nuten kommt.
Eine individuelle Anpassung der Weichheit der Stirnseite des
Fußes auf die Bedürfnisse, die durch die Schrägstellung der
Schaufelfüße entstehen, ist gegeben, wenn die Breite, die
Tiefe und die Form der Ausnehmung auf den Winkel und die Abstände
der Turbinenschaufelfüße abgestimmt sind.
Eine Erweichung der gesamten Stirnseite des Schaufelfußes ist
dadurch gegeben, daß die Ausnehmung vom scheibenseitigen Ende
des Schaufelfußes bis zwischen die zwei plattformnächsten,
sich gegenüberliegenden Fußlängszähne verläuft. Auf diese
Weise lassen sich auch Kraftverteilungen mit großen Maxima
ausgleichen.
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben.
Es zeigen:
- Fig.1
- eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel mit Ausnehmung,
- Fig.2
- einen Längsschnitt durch die Ausnehmung,
- Fig.3a, b, c
- Querschnitte parallel zu einem Plattformbereich durch den Fußbereich mit Ausnehmung,
- Fig.4
- eine schematische Ansicht auf den Turbinenschaufelfuß in der Ansicht II-II,
- Fig.5
- eine schematische Aufsicht auf einen Umfangsbereich einer Turbinenscheibe mit schräg eingesetzten Turbinenschaufeln und
- Fig.6
- eine Seitenansicht des Fußes mit Ausnehmung.
Fig.1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel
2. Die Turbinenlaufschaufel 2 besteht aus einem
Schaufelprofil 10, das an eine parallelogrammförmig geschrägte
Schaufelplattform 11 grenzt, die den Abschluß des darunterliegenden
Schaufelfußes 3 bildet. Der Schaufelfuß 3 besitzt
ebenfalls einen parallelogrammförmigen Querschnitt parallel
zur Schaufelplattform 11. Die Plattform 11 weist relativ
zur Senkrechten 14 auf eine Stirnseite 8 des Schaufelfußes
3 einen Schrägungswinkel 24 auf. Der Schaufelfuß 3 besitzt
parallel zu seinen Stirnseite 8 einen tannenbaumförmigen
Querschnitt, der vorspringende, an den beiden parallelen
Längsseiten 4 des Schaufelfußes 3 längs untereinander parallel
verlaufende Fußlängszähne 5 aufweist und zu einem scheibenachsenseitigen
Ende 17 des Fußes 3 hin schmaler zuläuft.
Die Fußlängszähne 5 sind bezogen auf eine Schaufellängsachse
23 Hinterschneidungen bildend radial angeschrägt. Der Schaufelfuß
3 wird in einer entsprechend negativ dazu geformten
Turbinenscheibennut 6 mit Fußlängszähne 5 aufnehmenden, längs
verlaufenden Aussparungen 15 entlang seiner Längsseiten 4
eingeschoben und bezogen auf die Achse der Turbinenscheibe 1
radial auszugssicher durch korrespondierend zu den Fußlängszähnen
5 angeschrägte Nutlängszähne 7 gehalten. Der zwischen
zwei Schaufeln 2 liegende, im Querschnitt parallel zur Oberfläche
ebenfalls parallelogrammförmige Bereich 26 der Turbinenscheibe
1 wird somit von den beiden benachbarten Turbinenschaufeln
2 in entgegengesetzter Richtung beansprucht. Die
Kräfte, dargestellt durch Kraftvektorpfeile 30, in Umfangsrichtung
der Turbinenscheibe 1 heben sich im Mittenbereich 28
gegenseitig annähernd auf, wie in Fig.5 angedeutet. Dies ist
jedoch anders in den Endbereichen 29 der Nuten 6. Hier ergeben
sich aufgrund der Parallelogrammform des Bereichs 26 im
Endbereich 29 fehlenden Gegenkräfte und somit asymmetrischer
Kräfteverteilung und somit eine Biegebeanspruchung. Die Biegebeanspruchung
ist umso stärker, je größer der Schrägungswinkel
24 ist.
Dem wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, daß der Schaufelfuß
3 an der Stirnseite 8 eine lokale Materialschwächung in
Form einer Ausnehmung 9 aufweist. In einem Bereich 13 am
scheibenachsenseitigen Ende 17 des Fußes 3, an dem der Fuß 3
schmal zuläuft, befindet sich zwischen den scheibenachsennächsten
Fußlängszähnen 5 annähernd mittig die Ausnehmung 9.
Die Ausnehmung 9 hat eine keilartige Form, die in Richtung
Plattform 11 und zur anderen Stirnseite 8 hin verjüngt zuläuft,
abgerundet zulaufenden Flanken 12. Die Ausnehmung 9
ist zum scheibenachsenseitigen Ende 17 des Fußes 3 hin offen.
Bei einer Belastung des Schaufelfußes 3 mit in Richtung der
Schaufellängsachse 23 gerichteten Fliehkräften werden die
Fußlängszähne 5 gegen untere Zahnflanken der Nutlängszähne 7
gepreßt. Somit werden die Kräfte in diesem Stirnseitenbereich
nicht so stark in die umgebenden Nutbereiche eingeleitet,
sondern die Kraftübertragung weiter in den Mittenbereich 28
des Bereichs 26 verlegt.
Fig.2 zeigt einen Längsschnitt durch den Schaufelfußbereich
mit Ausnehmung 9. Die Ausnehmung 9 besitzt ihre größte Höhe
27 direkt an der Stirnseite 8 und fällt zur Mitte des Schaufelfußes
3 abgerundet ab.
Fig.3a, b, c zeigen zu der Schaufelplattform 11 parallele
Querschnitte durch den Fußbereich mit der Ausnehmung 9 entlang
der Schnittlinien III a, b, c aus Fig.2. Die Querschnitte
weisen eine mit Abstand zum scheibenachsenseitigen Ende 17
und mit Annäherung an die Schaufelplattform 11 abnehmende maximale
Tiefe 18 auf. Ebenso nimmt mit Abstand zum scheibenachsenseitigen
Ende 17 die maximale Breite 16 der Ausnehmung
9 zu. Die Steigung der Flanken 12 der Ausnehmungen 9 ist an
diese Abnahme angepaßt, jedoch im wesentlichen konstant.
Fig.4 zeigt eine Aufsicht II-II auf des scheibenachsenseitige
Ende 17 des Fußes 3 aus Fig.1. Der Fuß 3 weist neben den an
beiden Stirnseiten 8 angeordneten Ausnehmungen 9 vier annähernd
gleichartig im Querschnitt elliptisch geformte Zugänge
19 zu einem innenliegenden Hohlraum auf, der nicht gezeigt
ist. Die Zugänge 19 sind durch Mittelwände 22 voneinander getrennt.
Sowohl die Zugänge 19 wie auch die Ausnehmungen 9
liegen mit ihren Längsausdehnungen entlang einer Fußlängsachse
21, die parallel zu den Längsseiten 4 des Fußes 3 mittig
zwischen diesen verläuft. Die Ausnehmungen 9 weisen einen Abstand
20 zu den benachbarten Zugängen 19 auf. Zwischen der
Ausnehmung 9 und dem benachbarten Zugang 19 befindet sich somit
eine Wand 31, durch die die von der Stirnseite 8 abgelenkte
Krafteinleitung in den umgebenden Nutbereich erfolgt.
Durch die Ausnehmungen 9 sind die Stirnseiten 8 in dem scheibenachsenseitigen
Endbereich 17 weicher.
Durch die Zugänge 19 kann das Schaufelprofil 10 der Turbinenlaufschaufel
2 mit Kühlmittel versorgt werden. Die Mittelwände
22 verstärken den scheibenachsenseitigen Fußbereich und
gewährleisten einen ausreichenden Widerstand gegen die Belastung
durch die angreifenden Fliehkräfte.
Fig.5 zeigt eine Aufsicht auf einen Umfang einer Turbinenscheibe
1 mit in Nuten 6 eingesetzten Turbinenlaufschaufeln
2, die zueinander einen Abstand 25 zwischen entsprechenden
Längsseiten 4 aufweisen. Die Plattformen 11 und mit ihnen die
Füße weisen einen Winkel 24 zu einer Senkrechten 14 auf Turbinenscheibenstirnseite
auf. Beim Rotieren der Turbinenscheibe
1 belastend die Turbinenschaufeln 2 die zwischen den Nuten
6 liegenden Bereiche 26 der Turbinenscheibe. Insbesondere an
den Endbereichen der Nuten 6 stehen sich nicht mehr ausreichend
ausgleichende Kräfte von zwei benachbarten Schaufeln
gegenüber, so daß es in diesen Endbereichen, die in der Fig.5
gestrichelt sind, zu einer asymmetrischen Beanspruchung
kommt. Dem wird durch die Ausnehmung 9 im Stirnbereich 8 des
Schaufelfußes 3 abgeholfen. Die Ausnehmung 9 macht den Stirnbereich
8 weicher, d.h. es können nicht mehr so starke Kräfte
in diesem Bereich auf die umgebenden Nutbereiche abgegeben
werden. Hierdurch werden die Maxima der Kraftverteilungen
verstärkt in Richtung des Mittenbereichs 28 des Bereichs 26
verschoben, wo auch große Kräfte ohne Schaden auch bei großen
Winkeln 24 von über 15° aufgenommen werden können.
Fig.6 zeigt eine Ansicht des Stirnbereichs 8 des Fußes 3. Der
Stirnbereich 8 weist eine längliche Ausnehmung 9 auf. Die
Ausnehmung 9 ist am scheibenseitigen Endbereich 17 des Fußes
3 offen und reicht vom scheibenseitigen Endbereich 17 bis
zwischen die obersten Fußlängszähne 5. Hierdurch sind auch
die Bereiche zwischen den mittleren und den oberen, sich gegenüberliegenden
Fußlängszähnen 5 elastisch belastbar. Spannungsspitzen
im Stirnbereich 8 können noch effektiver ausgeglichen
werden.
Claims (13)
- Turbinenlaufschaufelanordnung mit mehreren in Umfangsrichtung einer Turbinenscheibe (1) versetzt angeordneten Turbinenlaufschaufeln (2) mit jeweils einem Schaufelfuß (3), der jeweils zwei Längsseiten (4) und Stirnseiten (8) aufweist, an seinen Längsseiten (4) Fußlängszähne (5) hat und der in eine Turbinenscheibennut (6) längs einschiebbar und dort durch Nutlängszähne (7), die seine Fußlängszähne (5) formschlüssig hintergreifen, radial auszugsfest gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) an seiner Stirnseite (8) eine lokale Materialschwächung aufweist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) an seiner Stirnseite (8) eine Ausnehmung (9) hat.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (9) eine keilförmige Einkerbung an der Stirnseite (8) des Schaufelfußes (3) im Bereich (13) zwischen den der Achse der Turbinenscheibe nächsten, sich gegenüberliegenden Fußlängszähnen (5) ist, und die Ausnehmung (9) an einem scheibenachsenseitigen Ende (17) des Schaufelfußes (3) offen ist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (9) in Richtung einer Schaufelplattform (11) querschnittsmäßig verjüngt.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (9) eine in Richtung Schaufelplattform (11) abnehmende maximale Tiefe (18) aufweist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (9) eine abgerundete Kontur aufweist.
- Turbinenschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Stirnseiten (8) des Schaufelfußes (3) je eine lokale Materialschwächung aufweist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) einen Hohlraum aufweist, der am scheibenachsenseitigen Ende (17) des Schaufelfußes (3) einen Zugang (19) hat und die lokale Materialschwächung einen derartigen Abstand (20) zu dem Zugang (19) besitzt, daß unter der Betriebslast der Turbinenlaufschaufel (2) die erforderliche Stabilität gewährleistet ist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum am scheibenachsenseitigen Ende (17) mehrere versetzt auf einer Fußlängsachse (21) angeordnete Zugänge (19) aufweist und die lokale Materialschwächung an der Stirnseite (8) ebenfalls zumindest teilweise auf der Fußlängsachse (21) liegt.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelfüße (3) um sternfömig von der Scheibenachse ausgehende, durch die Schaufelfüße (3) verlaufende Radialachsen um einen Winkel (24) gedreht in die Turbinenscheibe (1) eingesetzt ist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (24) größer als annähernd 15° ist.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (10), die Tiefe (11) und die Form der Ausnehmung (9) auf den Winkel (24) und die Abstände (25) der Turbinenschaufeln (2) abgestimmt sind.
- Turbinenlaufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (9) vom scheibenseitigen Ende (17) des Schaufelfußes (3) bis zwischen die zwei plattformnächsten, sich gegenüberliegenden Fußlängszähne (5) verläuft.
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