EP1747349A1 - STRÖMUNGSMASCHINENSCHAUFEL MIT EINEM DECKBAND UND GEWICHTSOéTIMIERTER DICHTLEISTE - Google Patents

STRÖMUNGSMASCHINENSCHAUFEL MIT EINEM DECKBAND UND GEWICHTSOéTIMIERTER DICHTLEISTE

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Publication number
EP1747349A1
EP1747349A1 EP05747436A EP05747436A EP1747349A1 EP 1747349 A1 EP1747349 A1 EP 1747349A1 EP 05747436 A EP05747436 A EP 05747436A EP 05747436 A EP05747436 A EP 05747436A EP 1747349 A1 EP1747349 A1 EP 1747349A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing strip
thickness
blade
circumferential direction
airfoil
Prior art date
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Granted
Application number
EP05747436A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1747349B1 (de
Inventor
Andreas Bögli
Alexander Mahler
James George Ritchie
Slawomir Slowik
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP1747349A1 publication Critical patent/EP1747349A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1747349B1 publication Critical patent/EP1747349B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/10—Manufacture by removing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine blade according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for producing a turbomachine blade according to the invention.
  • Blade shrouds are used on the one hand to mechanically couple the blade tip areas of adjacent blades with one another, which results in greater stiffness of the blade composite and thus a higher natural vibration frequency.
  • sealing tapes in turbomachine blades are also used to reduce leakage at the blade tips.
  • the cover tapes preferably also carry sealing strips which interact with a counter-running surface and form a non-contact seal, for example a labyrinth seal.
  • the counterface is often a so-called honeycomb structure (“honeycomb”) or another system that is tolerant of abrasion.
  • the circumferential blade shrouds usually consist of individual segments, which are each cast at the tip of a blade.
  • the arrangement of a shroud element results in an increased load on the blade root and the blade due to the centrifugal forces of the shroud element.
  • the shroud elements are generally not centrally located on the tip of the airfoil. This additionally results in a bending load for the airfoil and a “tilting”, that is to say lifting on one side, of the shroud element. It has furthermore been shown that, even in the case of balanced cover band elements, plastic deformations and thus "tilting" can occur due to the centrifugal force during operation.
  • a turbomachine blade of the type mentioned in the introduction is to be specified in such a way that the asymmetrical loads caused by the centrifugal force load on the shroud element, which can result in a shroud element being raised, are reduced and / or avoided.
  • the shroud element which is arranged with respect to the skeleton line of the airfoil, in particular circumferentially asymmetrically at the head end of the airfoil, in such a way that the thickness of the sealing strip varies in the circumferential direction.
  • the thickness of the sealing strip in the areas lying outside in the installation circumferential direction has a lower value than in the central area, which lies in the area of the airfoil.
  • the plastic deformation under centrifugal force is reduced or completely prevented.
  • the reduced mass of the shroud element reduces the total centrifugal load on the blade root; on the other hand, the reduced moment of inertia of the shroud element with respect to the airfoil skeleton line reduces the bending moment initiated under centrifugal force due to the asymmetry of the shroud element at the transition from the shroud element to the airfoil.
  • a one-sided lifting or "tilting" of the shroud element is thereby reduced.
  • the thickness of the sealing strip is varied such that the mass moment of inertia of the shroud element is balanced with respect to the blade skeleton line.
  • the absolute reduction in the moment of inertia which turns out to be particularly large when the mass reduction is carried out in one embodiment of the invention in the regions lying outside in the circumferential direction, furthermore results in an absolute reduction or a total avoidance of local plastic deformations at the transition to the airfoil.
  • the invention can be very easily applied to existing ones
  • Turbomachine blades can be realized by post-machining the sealing strip, for example by milling, grinding or eroding.
  • the invention can thus be implemented in existing turbomachines without having to redesign the tools for producing the turbomachine blades. Furthermore, it is also possible to rework blades already in use as part of maintenance work according to the invention.
  • an upstream sealing strip is arranged on the shroud element, which is adjacent to the leading edge of the airfoil, and a sealing strip on the downstream side, which is arranged adjacent to the trailing edge of the airfoil.
  • the thickness of the upstream sealing strip preferably varies.
  • the sealing strip has a greater thickness in the area of the airfoil than in the positions lying on the outside in the circumferential direction of the installation.
  • the area of reduced thickness of the sealing strip is, for example, 20% to 70% of the extent of the sealing strip in the circumferential installation direction.
  • turbomachine blade this can be produced with a sealing strip with a thickness that varies in the circumferential direction on the one hand already during primary shaping, that is to say, for example, during casting. With the completely new construction of a turbomachine blade, this path is easily feasible.
  • Another possibility for producing a turbomachine blade according to the invention is to process an existing turbomachine blade and to reduce the thickness of the sealing strip in the regions lying on the outside in the circumferential direction. This reduction is achieved, for example, by machining, the mass of the sealing strip preferably being reduced by 10% to 50% of the original mass by the machining. The mass reduction also helps to reduce the centrifugal load on the blade root.
  • the post-processing of an existing blade makes it possible to implement the invention, particularly in the case of already existing designs. Furthermore, blades that are already in use can be modified as part of tumultuous maintenance work according to the invention.
  • FIG. 1 shows blades of a turbomachine
  • Figure 2 shows a single turbomachine blade according to the prior art
  • Figure 3 shows a single turbomachine blade according to the prior art in a plan view
  • FIG. 4 shows a turbomachine blade according to the invention
  • FIG. 5 shows a turbomachine blade according to the invention in a top view. Details not necessary for understanding the invention have been omitted.
  • the exemplary embodiments serve for a better understanding of the invention and should not be used to restrict the invention characterized in the claims.
  • FIG. 1 A section of the blading of a turbine according to the prior art is shown in FIG.
  • the head regions of two adjacent blades 1 are shown.
  • Each of the rotor blades 1 comprises a blade root, not shown, but which is readily familiar to the person skilled in the art, which comprises a fastening device with which the rotor blade is fastened in the rotor of a gas turbine group or steam turbine.
  • Each of the blades has an installation circumferential direction, which is represented by the rotational rotational speed U, and an installation radial direction, which points from the blade root to the blade head.
  • a moving blade comprises an airfoil 11 with an airfoil leading edge 12 and an airfoil trailing edge 13.
  • a flow of hot gas flows through the airfoil grille formed by the blades from the airfoil leading edge to the airfoil trailing edge.
  • the blade blading shown has a so-called blade shroud, which the blade row as Ring surrounds.
  • the arrangement of the cover band reduces leakage at the blade tips.
  • the cover band mechanically couples the blades to the blade tips, such that the vibration mode of the blades is the vibration mode of a packet vibration in which a plurality of blades vibrate in phase. This results in a greater rigidity of the blading and in a significantly higher natural vibration frequency compared to the vibrations of a single blade.
  • the shroud is formed by shroud elements 14 which are arranged on the head of each blade. Radial sealing strips running in the circumferential direction, specifically an inflow-side sealing strip 15 and an outflow-side sealing strip 16, are arranged on the shroud elements 14. In a manner known per se, the sealing strips form a contactless labyrinth seal with the housing parts opposite them in the installed state.
  • the shroud elements are, so to speak, stored on the blades 11. In the desired installation position, the circumferential end faces of the shroud elements of two adjacent blades lie against one another and form an essentially gas-tight unit such that no hot gas can flow outwards from the throughflow channels of the blade grille.
  • the blades shown move in the direction of the arrow labeled U.
  • the blades, and in particular the shroud elements are loaded by centrifugal forces acting radially outwards, ie in the direction of the blade head.
  • the centrifugal forces that act on the shroud elements must be absorbed in the blades. Due to the complex states of tension influenced by centrifugal forces and thermal deformations, local plastic deformations occur at the transition from the shroud element to the airfoil under unfavorable circumstances.
  • the shroud element is moved radially outward by the dimension ⁇ .
  • FIG. 2 shows a perspective view of the blade head area of the blade 1;
  • Figure 3 shows a top view of the blade.
  • the turbomachine blade has an installation radial direction R and an installation circumferential direction U.
  • the airfoil skeleton line is designated 17.
  • the airfoil skeleton line can be viewed as a virtual axis of the tilting movement shown above.
  • On the suction side of the blade and on the pressure side of the blade the moments of inertia of the shroud element are different with respect to this virtual axis.
  • the centrifugal force loading of the shroud element during operation of the turbomachine results in a first bending moment 4 and a second bending moment 6.
  • These bending moments are not balanced, in particular in the area of the leading edge 12 of the airfoil or the sealing strip 15 on the inflow side, in such a way that the described raising of the covering band element on the pressure side of the blade occurs comes.
  • the thickness of the inflow-side sealing strip in regions 21 and 22 lying in the circumferential direction U is reduced compared to a central region. This reduces the mass moment of inertia of the shroud element. This means that the bending moments caused by the centrifugal force during operation and thus the deformation are reduced. Ideally, the reduction is carried out in such a way that, at least in the area on the inflow side, the shroud element is balanced with respect to the blade skeleton line.
  • the areas 21 and 22 of reduced thickness of the sealing strip extended over 20% to 70% of the extent of the sealing strip in the circumferential direction, that is to say the sum L1 + L2 is between 20% and 70% of the total extent L. Because of the reduction in the mass of the shroud element the plastic deformation at the transition to the airfoil is at least reduced.
  • Such a geometry of the sealing strip 15 can, on the one hand, be produced directly during the primary shaping, for example when casting or sintering the turbomachine blade.
  • the turbomachine blade according to the invention is produced from a turbomachine blade with a constant thickness of the sealing strip, as shown in FIGS. 2 and 3, by cutting the sealing strip 15, that means, for example, by milling, grinding or eroding. So much material is removed in the areas labeled 21 and 22 that the mass of the sealing strip is reduced by 10% to 50% of the original mass. Care must be taken to ensure that the stiffness and strength of the sealing strip are retained.
  • This manufacturing process proves to be particularly efficient when the blades of existing machines are to be modified in accordance with the invention. It is then not necessary to produce new tools for the manufacture of the blade, but only an additional machining step is necessary.
  • This method is also particularly suitable for reworking blades that are already in use during overhaul and / or maintenance measures according to the invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Auxiliary Methods And Devices For Loading And Unloading (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)

Description

STROMUNGSMASCHINENSCHAUFEL MIT EINEM DECKBAND UND GEWICHTSOPTIMIERTER DICHTLEISTE
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Strömungsmaschinenschaufel.
Stand der Technik
[0002] Beschaufelungen von Strömungsmaschinen mit Schaufeldeckbändern sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Schaufeldeckbänder werden einerseits dazu verwendet, die Schaufelspitzenbereiche benachbarter Schaufeln mechanisch miteinander zu koppeln, woraus eine grössere Steifigkeit des Schaufelverbundes und damit eine höhere Eigenschwingungenfrequenz resultiert. Daneben dienen Dichtbänder in Strömungsmaschinen-Beschaufelungen auch dazu, Leckagen an den Schaufelspitzen zu vermindern. Dazu tragen die Deckbänder bevorzugt weiterhin Dichtungsstreifen, welche mit einer Gegenlauffläche zusammenwirken, und mit dieser eine berührungslose Dichtung, beispielsweise eine Labyrinthdichtung, bilden. Die Gegenlauffläche ist häufig eine sogenannte Honigwabenstruktur ("Honeycomb") oder ein anderes anstreiftolerantes System.
[0003] Die am Umfang umlaufenden Schaufeldeckbänder bestehen üblicherweise aus einzelnen Segmenten, welche jeweils an der Spitze einer Schaufel mit angegossen sind. Bei Laufbeschaufelungen resultiert aus der Anordnung eines Deckbandelementes eine erhöhte Belastung des Schaufelfusses und des Schaufelblattes auf Grund der Fliehkräfte des Deckbandelementes. Des Weiteren sind die Deckbandelemente im Allgemeinen nicht mittig an der Schaufelblattspitze gelagert. Hieraus resultiert zusätzlich eine Biegebelastung für das Schaufelblatt und ein "Kippen", das heisst ein einseitiges Anheben, des Deckbandelementes. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass auch bei austarierten Deckbandelementen aufgrund der Fliehkraft im Betrieb bereichsweise plastische Deformationen und damit "Kippen" auftreten kann. Insbesondere auf Grund dieser Verformung können Spalte zwischen Deckbandelementen entstehen, über welche Heissgas in den Bereich oberhalb des Deckbandelementes einzudringen vermag. Die Fliehkraftbelastung insbesondere in Verbindung mit der zusätzlichen Temperaturbelastung kann in einer plastischen Kriechverformung resultieren. Die angesprochenen elastischen und plastischen unsymmetrischen Verformungen können in mangelnder Abdichtung des Dichtspaltes und/oder übermässigem Anstreifen der Dichtstreifen an der Gegenlauffläche resultieren.
Darstellung der Erfindung
[0004] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschinenschaufel der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsmaschinenschaufel der eingangs genannten Art so anzugeben, dass die unsymmetrischen Belastungen durch die Fliehkraftbelastung des Deckbandelementes, welche in einem Anheben eines Deckbandelementes resultieren können, vermindert und/oder vermieden werden.
[0005] Diese Aufgabe wird mit der Strömungsmaschinenschaufel gemäss dem Anspruch 1 gelöst.
[0006] Kern der Erfindung ist also, das Deckbandelement, welches bezüglich der Skelettlinie des Schaufelblattes insbesondere umfangs-unsymmetrisch am kopfseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist, derart auszuführen, dass die Dicke der Dichtleiste in Umfangsrichtung variiert. In einer Ausführungsform weist die Dicke der Dichtleiste in den in Einbau- Umfangsrichtung gesehen aussen liegenden Bereichen einen geringeren Wert auf als im Mittelbereich, welcher im Bereich des Schaufelblattes liegt. Hierdurch wird die Masse der Dichtleiste und damit des Deckbandelementes besonders an den Stellen vermindert, welche eine besonders grosse Biegebelastung am Übergang zum Schaufelblatt induzieren, ohne an den hinsichtlich der Festigkeit kritischen Stellen, nämlich beim Übergang zum Schaufelblatt, die Festigkeit zu vermindern. Die plastische Deformation unter Fliehkraftbelastung wird damit verringert oder ganz unterbunden. Die reduzierte Masse des Deckbandelementes vermindert zum einen die gesamte Fliehkraftbelastung am Schaufelfuss; zum anderen wird durch das verminderte Massenträgheitsmoment des Deckbandelementes bezüglich der Schaufelblatt-Skelettlinie das unter Fliehkraftbelastung aufgrund der Unsymmetrie des Deckbandelementes initiierte Biegemoment am Übergang vom Deckbandelement zum Schaufelblatt reduziert. Ein einseitiges Anheben oder "Kippen" des Deckbandelementes wird hierdurch vermindert. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Variation der Dicke der Dichtleiste derart ausgeführt, dass das Massenträgheitsmoment des Deckbandelementes bezüglich der Schaufelblatt-Skelettlinie ausgeglichen ist. Dadurch, dass dann in Einbau-Umfangsrichtung der Strömungsmaschinenschaufel auf jeder Seite der Schaufelblatt-Skelettlinie das Produkt von Masse und Trägheitsradius des Deckbandelementes bezüglich der Schaufelblatt- Skelettlinie gleich ist, wird eine unsymmetrische Fliehkraftbelastung vermieden. Das Schaufelblatt unterliegt dann keiner Biegebelastung mehr. Ein einseitiges Anheben oder "Kippen" des Deckbandelementes wird bei dieser Ausführungsform vollständig vermieden. Die absolute Reduktion des Massenträgheitsmomentes, welche besonders gross ausfällt, wenn die Massenreduktion in einer Ausführungsform der Erfindung an den in Umfangsrichtung aussen liegenden Bereichen vorgenommen wird, bewirkt weiterhin eine absolute Reduktion oder ein vollständiges Vermeiden lokaler plastischer Deformationen am Übergang zum Schaufelblatt. Die Erfindung kann sehr einfach an bestehenden
Strömungsmaschinenschaufeln realisiert werden, indem die Dichtleiste spanabhebend, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, oder Erodieren, nachbearbeitet wird. Damit kann die Erfindung bei bestehenden Strömungsmaschinen realisiert werden, ohne die Werkzeuge für die Herstellung der Strömungsmaschinenschaufeln neu konstruieren zu müssen. Weiterhin ist es auch möglich, im Rahmen von Wartungsarbeiten bereits im Einsatz befindliche Schaufeln gemäss der Erfindung nachzubearbeiten. [0008] In einer Ausführungsform der Erfindung ist auf dem Deckbandelement eine anströmungsseitige Dichtleiste angeordnet, welche benachbart zur Schaufelblatt-Vorderkante liegt, sowie eine abstromungsseitige Dichtleiste, welche benachbart zur Schaufelblatt-Hinterkante angeordnet ist. In dieser Ausführungsform variiert bevorzugt die Dicke der anströmungsseitigen Dichtleiste.
[0009] In einer Ausführungsform weist die Dichtleiste im Bereich des Schaufelblattes eine grössere Dicke auf, als in den in Einbau- Umfangsrichtung gesehen aussen liegenden Positionen. Der Bereich reduzierter Dicke der Dichtleiste beträgt beispielsweise 20% bis 70% der Erstreckung der Dichtleiste in Einbau-Umfangsrichtung.
[0010] Zur Herstellung einer erfindungsgemässen Strömungsmaschinenschaufel kann diese einerseits bereits beim Urformen, also beispielsweise beim Giessen, mit einer Dichtleiste mit in Umfangsrichtung variierender Dicke hergestellt werden. Bei der kompletten Neukonstruktion einer Strömungsmaschinenschaufel ist dieser Weg ohne weiteres gangbar. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer erfindungsgemässen Strömungsmaschinenschaufel besteht darin, eine existierende Strömungsmaschinenschaufel, zu bearbeiten und die Dicke der Dichtleiste in den in Umfangsrichtung aussen liegenden Bereichen zu reduzieren. Diese Reduktion wird beispielsweise durch spanende Bearbeitung erreicht, wobei durch die Bearbeitung die Masse der Dichtleiste bevorzugt um 10% bis 50% der ursprünglichen Masse vermindert wird. Die Massenreduktion trägt auch dazu bei, die Fliehkraftbelastung am Schaufelfuss zu reduzieren. Die Nachbearbeitung einer bestehenden Schaufel ermöglicht es, insbesondere bei bereits bestehenden Konstruktionen die Erfindung zu implementieren. Weiterhin können bereits im Einsatz befindliche Schaufeln im Rahmen von tumusmässigen Wartungsarbeiten gemäss der Erfindung abgeändert werden.
[0011] Weitere Ausführungsformen der Erfindung erschliessen sich dem Fachmann durch die Unteransprüche und die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0012] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen [0013] Figur 1 Schaufeln einer Strömungsmaschine; [0014] Figur 2 eine einzelne Strömungsmaschinenschaufel gemäss dem Stand der Technik; [0015] Figur 3 eine einzelne Strömungsmaschinenschaufel gemäss dem Stand der Technik in einer Draufsicht; [0016] Figur 4 eine erfindungsgemässe Strömungsmaschinenschaufel; und [0017] Figur 5 eine erfindungsgemässe Strömungsmaschinenschaufel in einer Draufsicht. [0018] Für das Verständnis der Erfindung nicht notwendige Details sind weggelassen worden. Die Ausführungsbeispiele dienen dem besseren Verständnis der Erfindung, und sollen nicht zur Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0019] In der Figur 1 ist ein Ausschnitt der Laufbeschaufelung einer Turbine nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei sind die Kopfbereiche zweier benachbart angeordneter Laufschaufeln 1 dargestellt. Jede der Laufschaufeln 1 umfasst einen nicht dargestellten, dem Fachmann aber ohne Weiteres geläufigen Schaufelfuss, welcher eine Befestigungsvorrichtung umfasst, mit der die Laufschaufel im Rotor einer Gasturbogruppe oder Dampfturbine befestigt ist. Jede der Laufschaufeln weist eine Einbau-Umfangsrichtung auf, welche durch die Rotations- Umlaufgeschwindigkeit U dargestellt ist, sowie eine Einbau-Radialrichtung, welche vom Schaufelfuss zum Schaufelkopf weist. Weiterhin umfasst eine Laufschaufel ein Schaufelblatt 11 mit einer Schaufelblattvorderkante 12 und einer Schaufelblatthinterkante 13. Im Betrieb der Strömungsmaschine wird das von den Schaufeln gebildete Schaufelgitter von der Schaufelblattvorderkante zur Schaufelblatthinterkante von einer Heissgasströmung durchströmt. Die dargestellte Laufbeschaufelung weist ein sogenanntes Schaufeldeckband auf, welches die Laufschaufelreihe als Ring umgibt. Durch die Anordnung des Deckbandes werden Leckagen an den Schaufelspitzen vermindert. Weiterhin bewirkt das Deckband eine mechanische Koppelung der Schaufeln an den Schaufelspitzen, derart, dass die Schwingungsmode der Beschaufelung die Schwingungsmode einer Paketschwingung ist, bei der eine Mehrzahl von Schaufeln in Phase schwingt. Dies resultiert in einer grösseren Steifigkeit der Beschaufelung und in einer gegenüber den Schwingungen einer einzelnen Schaufel deutlich erhöhten Schwingungs-Eigenfrequenz. Das Deckband wird von Deckbandelementen 14 gebildet, welche am Kopf jeder Schaufel angeordnet sind. Auf den Deckbandelementen 14 sind in Umfangsrichtung verlaufende radiale Dichtleisten, und zwar eine anströmungsseitige Dichtleiste 15 und eine abstromungsseitige Dichtleiste 16, angeordnet. Die Dichtleisten bilden auf an sich bekannte Weise mit den ihnen im eingebauten Zustand gegenüberliegenden Gehäuseteilen eine berührungslose Labyrinthdichtung aus. Die Deckbandelemente sind sozusagen auf den Schaufelblättern 11 gelagert. In der Einbau-Solllage liegen die umfangsseitigen Stirnflächen der Deckbandelemente zweier benachbarter Schaufeln aneinander an, und bilden eine im Wesentlichen gasdichte Einheit, dergestalt, dass aus den Durchströmungskanälen des Schaufelgitters kein Heissgas nach aussen strömen kann. Im Betrieb der Strömungsmaschine bewegen sich die dargestellten Schaufeln in Richtung des mit U bezeichneten Pfeils. Dabei werden die Schaufeln, und insbesondere die Deckbandelemente, durch radial nach aussen, also in Richtung des Schaufelkopfes wirkende, Fliehkräfte belastet. Die Fliehkräfte, welche an den Deckbandelementen angreifen, müssen in den Schaufelblättern aufgefangen werden. Aufgrund der komplexen, von Fliehkräften und thermischen Deformationen beeinflussten, Spannungszustände kommt es unter ungünstigen Umständen zu lokalen plastischen Deformationen am Übergang vom Deckbandelement zum Schaufelblatt. Druckseitig wird das Deckbandelement dabei um das Mass Δ radial nach aussen bewegt. Aufgrund dieser Verformung der Schaufel und der daraus resultierenden Bewegung des Deckbandelementes resultiert potenziell ein Spalt zwischen zwei benachbarten Deckbandelementen. Durch diesen Spalt kann eine Heissgasleckage 5 in einen Bereich oberhalb der Deckbandelemente gelangen. Dieser Einbruch von Heissgas führt potenziell zu einer übermässigen thermischen Belastung der Struktur und zu Kriechen, also zu einer weiteren Verformung. Aufgrund dieser Verformung kommt es beispielsweise zum Anstreifen der Dichtleisten 15, 16 an den gegenüberliegenden Gehäusebauteilen, und die Lebensdauer der Strömungsmaschinenschaufel wird spürbar verkürzt.
[0020] Der Vorgang wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 näher erläutert. Figur 2 zeigt dabei eine perspektivische Darstellung des Schaufelkopfbereiches der Schaufel 1 ; Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Schaufel. Die Strömungsmaschinenschaufel weist eine Einbau- Radialrichtung R und eine Einbau-Umfangsrichtung U auf. Die Schaufelblatt-Skelettlinie ist mit 17 bezeichnet. Die Schaufelblatt- Skelettlinie kann als virtuelle Achse der vorangehend dargestellten Kippbewegung betrachtet werden. Auf der Saugseite der Schaufel und auf der Druckseite der Schaufel sind die Massenträgheitsmomente des Deckbandelementes bezüglich dieser virtuellen Achse unterschiedlich. Durch die Fliehkraftbelastung des Deckbandelementes im Betrieb der Strömungsmaschine resultiert ein erstes Biegemoment 4 und ein zweites Biegemoment 6. Diese Biegemomente sind insbesondere im Bereich der Schaufelblattvorderkante 12 beziehungsweise der anströmungsseitigen Dichtleiste 15 nicht ausgeglichen, derart, dass es zu dem beschriebenen Anheben des Deckbandelementes auf der Schaufeldruckseite kommt.
[0021] Bei der in den Figuren 4 und 5 dargestellten erfindungsgemässen Strömungsmaschinenschaufel ist die Dicke der anströmungsseitigen Dichtleiste in in Umfangsrichtung U aussen liegenden Bereichen 21 und 22 gegenüber einem mittleren Bereich vermindert. Dadurch wird das Massenträgheitsmoment des Deckbandelementes vermindert. Das heisst, die von der Fliehkraft im Betrieb verursachten Biegemomente und damit die Verformung werden reduziert. Im Idealfall wird die Reduktion derart vorgenommen, dass zumindest im anströmungsseitigen Bereich das Deckbandelement bezüglich der Schaufelblatt-Skelettlinie austariert ist, derart, dass die aus den Fliehkräften resultierenden Biegemomente ausgeglichen sind, das heisst, dass sich das saugseitig resultierende Biegemoment 6 und das druckseitig resultierende Biegemoment 4 gegenseitig aufheben. Die Bereiche 21 und 22 reduzierter Dicke der Dichtleiste erstreckten sich über 20% bis 70% der Erstreckung der Dichtleiste in Umfangsrichtung, das heisst, die Summe L1+L2 liegt zwischen 20% und 70% der Gesamterstreckung L. Aufgrund der Reduktion der Masse des Deckbandelementes wird die plastische Verformung am Übergang zum Schaufelblatt wenigstens vermindert. Eine solche Geometrie der Dichtleiste 15 kann einerseits unmittelbar beim Urformen, beispielsweise beim Giessen oder Sintern der Strömungsmaschinenschaufel hergestellt werden. Sie kann weiterhin durch einen Umformprozess wie beispielsweise Schmieden hergestellt werden. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird die erfindungsgemässe Strömungsmaschinenschaufel, wie sie in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, aus einer Strömungsmaschinenschaufel mit konstanter Dicke der Dichtleiste, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, hergestellt, indem die Dichtleiste 15 spanabhebend, das heisst beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, oder Erodieren, bearbeitet wird. Dabei wird in den mit 21 und 22 bezeichneten Bereichen so viel Material abgetragen, dass die Masse der Dichtleiste um 10% bis 50% der ursprünglichen Masse vermindert wird. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, dass die Steifigkeit und Festigkeit Dichtleiste erhalten bleibt. Dieses Herstellungsverfahren erweist sich als besonders effizient, wenn die Schaufeln bestehender Maschinen gemäss der Erfindung abgeändert werden sollen. Es ist dann nicht notwendig, neue Werkzeuge für die Herstellung der Schaufel anzufertigen, sondern es ist lediglich ein zusätzlicher spanabhebender Bearbeitungsschritt notwendig. Dieses Verfahren ist ebenfalls besonders geeignet, um bereits im Einsatz befindliche Schaufeln während Überholungs- und/oder Wartungsmaßnahmen gemäss der Erfindung nachzubearbeiten.
Bezugszeichenliste [0022] 1 Strömungsmaschinenschaufel
[0023] 4 Kippbelastung, Biegebelastung
[0024] 5 Heissgasleckage
[0025] 6 Kippbelastung, Biegebelastung
[0026] 11 Schaufelblatt
[0027] 12 Schaufelblattvorderkante
[0028] 13 Schaufelblatthinterkante
[0029] 14 Deckbandelement
[0030] 15 anströmungsseitige Dichtleiste
[0031] 16 abstromungsseitige Dichtleiste
[0032] 17 Schaufelblatt-Skelettlinie
[0033] 21 Bereich reduzierter Dicke der Dichtleiste
[0034] 22 Bereich reduzierter Dicke der Dichtleiste
[0035] L Umfangserstreckung des Deckbandelementes
[0036] L1 Umfangserstreckung eines Bereiches reduzierter Dicke des Deckbandelementes
[0037] L2 Umfangserstreckung eines Bereiches reduzierter Dicke des Deckbandelementes
[0038] R Einbau-Radialrichtung
[0039] U Einbau-Umfangsrichtung, Drehrichtung
[0040] Δ Anhebemass

Claims

Ansprüche
1. Strömungsmaschinenschaufel, mit einer Einbau-Umfangsrichtung (U) und einer Einbau-Radialrichtung (R), umfassend einen Schaufelfuss, ein Schaufelblatt (11), und ein Deckbandelement (14), wobei auf dem Deckbandelement eine in der Umfangsrichtung verlaufende radiale Dichtleiste (15, 16) angeordnet ist, und welches Deckbandelement am kopfseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dichtleiste in der Umfangsrichtung variiert,
2. Strömungsmaschinenschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleiste an der Position des Schaufelblattes eine erste Dicke aufweist, und, dass die Dicke der Dichtleiste in den in Einbau-Umfangsrichtung gesehen aussen liegenden Bereichen (22, 21) eine geringere Dicke aufweist als die erste Dicke.
3. Strömungsmaschinenschaufel gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenträgheitsmoment des Deckbandelementes bezüglich der Schaufelblatt-Skelettlinie im Wesentlichen ausgeglichen ist, derart, dass das Deckbandelement bezüglich der Schaufelblatt-Skelettlinie wenigstens annähernd austariert ist.
4. Strömungsmaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, welche eine anströmungsseitige Dichtleiste (15) und eine abstromungsseitige Dichtleiste (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der anströmungsseitigen Dichtleiste (15) variiert.
5. Strömungsmaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich eine erste Dicke aufweist, ein zweiter Bereich eine reduzierte Dicke aufweist, und, dass der Bereich reduzierter Dicke (L1, L2) der Dichtleiste 20 % bis 70 % der Erstreckung (L) der Dichtleiste in Umfangsrichtung beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung einer Strömungsmaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend, die Dicke der Dichtleiste wenigstens Abschnittsweise zu reduzieren.
7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion der Dicke durch eine spanabhebende Bearbeitung erreicht wird.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 oder 7, umfassend, die Dicke der Dichtleiste an den in Umfangsrichtung aussen liegenden Bereichen (21, 22) zu reduzieren.
9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 20% und 70% der Umfangserstreckung der Dichtleiste bearbeitet werden.
10. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der Dichtleiste um 10% bis 50% der ursprünglichen Masse vermindert wird.
11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Dichtleiste der Schaufel vor Ausführung des Verfahrens in Einbau-Umfangsrichtung konstant ist.
12. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei die Schaufel vor Ausführung des Verfahrens im Betrieb aufgrund der Fliehkraft und der thermischen Belastungen wenigstens Bereichsweise eine plastische Verformung erfährt.
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