EP2376746A2 - Deckbandsegment zur anordnung an einer schaufel - Google Patents

Deckbandsegment zur anordnung an einer schaufel

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EP2376746A2
EP2376746A2 EP10740504A EP10740504A EP2376746A2 EP 2376746 A2 EP2376746 A2 EP 2376746A2 EP 10740504 A EP10740504 A EP 10740504A EP 10740504 A EP10740504 A EP 10740504A EP 2376746 A2 EP2376746 A2 EP 2376746A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shroud segment
blade
stiffening structure
shroud
segment
Prior art date
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Granted
Application number
EP10740504A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2376746B1 (de
Inventor
Markus Schlemmer
Bartlomiej Pikul
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
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Publication of EP2376746A2 publication Critical patent/EP2376746A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2376746B1 publication Critical patent/EP2376746B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • 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
    • 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
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • 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
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a shroud segment according to the preamble of patent claim 1 for placement on a blade, in particular a gas turbine blade.
  • the invention further relates to a blade, in particular a gas turbine blade, the type specified in the preamble of claim 13 for a turbomachine.
  • a shroud segment and a blade with such a shroud segment are already known from the prior art.
  • the shroud segment which is arranged at a radial end region of the blade, basically serves for damping blade vibrations and is used in particular for gas turbine blades for rear turbine stages. Furthermore, the shroud segment reduces the flow 5 of the blade tip and thereby increases the efficiency of an associated turbomachine.
  • shroud segments of adjacent blades of a rotor thereby form a continuous shroud.
  • known shroud segments have a stiffening structure which is raised in relation to a shroud segment surface and which is usually designed as a so-called “dogbone” or o "half dogbone”.
  • a disadvantage of the known shroud segments is the fact that they have to be made relatively bulky in order to enable a sufficient reduction of stress concentrations. This considerably increases the total weight of the shroud segment as well as a blade provided therewith. This also leads during operation of the blade in an associated turbomachine to high moving masses.
  • the object of the present invention is to provide a shroud segment as well as a shovel provided with such a shroud segment, which enable a reduction in weight while at the same time providing good stress reduction.
  • the object is achieved by a shroud segment with the features of claim 1 and by a blade having the features of claim 13.
  • Advantageous embodiments with expedient developments of the invention 5 are specified in the respective subclaims, wherein advantageous embodiments of the shroud segment are to be regarded as advantageous embodiments of the blade and vice versa.
  • the stiffening structure is formed at least in regions in a cross-shaped manner.
  • the cross-shaped design can significantly reduce the stress concentration in the shroud segment and improve the stiffness of the shroud with simultaneous weight optimization.
  • the stiffening structure comprises at least two ribs arranged in the shape of a cross whose main axes are at a predetermined angle to one another. This allows a simple and targeted adjustment of the voltage level within the shroud segment, whereby different shroud segment types can be considered individually.
  • the particular angle is determined as a function of the particular shroud segment geometry, the shroud segment material and the subsequent operating conditions in an associated turbomachine.
  • stiffening structure encompassing at least one rib, which extends along and / or perpendicular to a tension line of the shroud segment is arranged.
  • stiffness achieved in the shroud segment a particularly low stress level is achieved within the shroud segment.
  • the stiffening structure comprises at least one rib, which has a constant and / or location-dependent height over its longitudinal extent in the profile.
  • one or more ribs of the stiffening structure have over their respective longitudinal extent a uniform and / or an over their respective longitudinal extent varying height profile, whereby a particularly precise adaptability of the stiffening structure to the j egard embodiment of the shroud segment and the individual course of the Stress lines is given within the shroud segment.
  • Optimal adaptability of the shroud segment in terms of minimum weight with maximum reduction in stress is made possible in a further advantageous embodiment 5 of the invention in that the at least one rib has a height between 0.1 cm and 10 cm.
  • the stiffening structure comprises at least one rib which has a cross-sectional profile over its longitudinal extent, which is selected as a function of a tension profile of the shroud segment without this rib.
  • the cross-sectional profile of the at least one rib is formed along its length in consideration of a stress profile that would have the shroud segment without this rib.
  • the at least one rib may have a thickened cross-sectional profile in areas of potentially high stresses. Conversely, in areas with potentially low voltage, a correspondingly reduced cross-sectional profile can be provided. As a result, a maximum reduction in stress can be generated with minimal additional weight of the shroud segment.
  • a particularly high stiffness of the shroud with optimized weight is given in a further embodiment in that the stiffening structure laterally delimits at least one discrete shroud segment surface area.
  • the shroud segment has a recess formed by the raised stiffening structure.
  • a particularly uniform force and stress distribution over the shroud segment is achieved in a further embodiment in that the stiffening structure laterally delimits four and / or six discrete shroud segment surface areas.
  • the shroud segment has two oppositely arranged and in longitudinal section substantially Z-shaped contact surfaces for attaching corresponding contact surfaces of two further shroud segments.
  • a particularly high rigidity is achieved in a further embodiment in that the
  • Stiffening structure comprises at least one rib which extends between the two contact surfaces. It can be provided in particular that the rib extends between mutually corresponding corner regions of the two Z-shaped contact surfaces, since at these corners usually particularly large stress concentrations can occur o.
  • a further aspect of the invention relates to a blade, in particular a gas turbine blade, for a turbomachine, with a shroud segment arranged on a radial end region of the blade, which has a stiffening structure which is raised in relation to a shroud segment surface.
  • the stiffening structure is at least partially cross-shaped.
  • the cross-shaped design can significantly reduce the stress concentration in the shroud segment and improve the stiffness of the shroud with simultaneous weight optimization.
  • a particularly high mechanical stability and load capacity of the blade is achieved in a further embodiment in that the shroud segment is formed integrally with the blade.
  • the shroud segment and the blade can in principle also be formed in two or more parts and joined together in a suitable manner, in the case of a one-piece design, the otherwise necessary assembly step can be dispensed with, which results in corresponding cost reductions.
  • a further aspect of the invention relates to a turbomachine, in particular a thermal gas turbine, having a rotor which comprises at least one blade with a shroud segment arranged on a radial end region of the blade, wherein the shroud segment has a stiffening structure which is raised in relation to a shroud segment surface.
  • a weight reduction of the at least one blade with simultaneously good stress reduction is made possible by the fact that the shroud segment and / or the blade is designed in accordance with one of the preceding exemplary embodiments.
  • the weight of the rotor or the entire turbomachine is optimized while simultaneously improving their load capacity, which can be extended maintenance cycles realize accordingly.
  • all Ie shroud segments and / or blades of the rotor designed to achieve a maximum weight and stress reduction.
  • the moving mass is reduced accordingly during operation of the turbomachine, resulting in further advantages, in particular with regard to 5 fuel savings.
  • Figure 1 is a schematic plan view and a side sectional view of a known from the prior art shroud segment with a stiffening structure.
  • Fig. 2 is a schematic plan view and a side sectional view of one of
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a blade with a shroud segment according to the invention, which has a stiffening structure according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of a blade with a shroud segment according to the invention, which has a stiffening structure according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 5 is a schematic, fragmentary and transparent perspective view of the blade shown in Fig. 4; and 6 shows a schematic and partial wire grid view of a rear side of a blade according to the invention with a shroud segment, which has a stiffening structure according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a shroud segment 10 known from the prior art for arrangement on a blade 12 (see FIG. 3) and a lateral sectional view of the shroud segment 10 along the section line I-I.
  • the shroud segment 10 has a stiffening structure 16 which is raised in relation to a shroud segment surface 14 and which, as can be seen from the top view, is substantially bone-shaped and is therefore referred to as a "dogbone".
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a shroud segment 10 known from the prior art for arrangement on a blade 12 (see FIG. 3) and a lateral sectional view of the shroud segment 10 along the section line I-I.
  • the shroud segment 10 has an alternative stiffening structure 16, which flattens off to one side and is therefore referred to as "half-dogbone".
  • the two shroud segments 10 shown in FIG. 1 and FIG. 2 have the disadvantage that their stiffening structures 16 have to be comparatively bulky in order to be able to ensure a sufficient reduction of the stress concentrations in the shroud segment 10. This increases the weight of the shroud segments 10 and a blade 12 connected to such a shroud segment 10.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a blade 12 designed as a gas turbine blade for a turbomachine with a shroud segment 20 according to the invention, which has a stiffening structure 22 according to a first exemplary embodiment.
  • the stiffening structure 22 is likewise raised in relation to a shroud segment surface 24 of the shroud segment 20, but in contrast to the embodiments shown in FIGS.
  • the stiffening structure 22 comprises two ribs 26 which are arranged in a cruciform manner and whose main axes H1, H2 are at a predetermined angle ⁇ relative to one another and which have a constant height over their lengthwise extension in the profile.
  • the two ribs 26 are arranged along or perpendicular to stress lines of the shroud segment 20.
  • a particularly efficient reduction of the voltage level of the shroud segment 20 is achieved.
  • the angle ⁇ and the profile profile of the ribs 26, in particular their height, must be determined individually for each type of shroud segment depending on the respective stress lines that would occur without the stiffening structure 22.
  • the shroud segment 20 furthermore has two contact surfaces 28 (Z-Shroud) which are arranged opposite one another and are substantially Z-shaped in longitudinal section for attaching corresponding contact surfaces of two further shroud segments (not shown).
  • Z-Shroud two contact surfaces 28
  • one of the ribs 26 extends between corners III of the two Z-shaped contact surfaces 28, as a result of which a particularly high reduction in stress is achieved in other areas of the shroud segment 20 that are subject to high stress.
  • the stiffening structure 22 is formed to laterally bound four discrete shroud segment surface areas 24.
  • the shroud segment surface areas 24 form the bottom surfaces of four indentations, while the stiffening structure 22 and its ribs 26 form the sidewalls of the indentations.
  • the stiffening structure 22 can basically be produced by separation processes from a shroud segment blank. Alternatively, the shroud segment 20 - if appropriate, in one piece with a blade 12 - by means of casting, in particular investment casting process, or generative process can be produced.
  • 4 shows a schematic perspective view of a blade 12 having a shroud segment 20 according to the invention, which has a stiffening structure 22 according to a second exemplary embodiment.
  • FIG. 4 will be explained below in conjunction with FIG. 5, which shows a schematic, partial and transparent perspective view of the blade 12 shown in FIG. 4. In contrast to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the stiffening structure 22 comprises three ribs 26a-c which are arranged in pairs in a cross shape and also extend along or perpendicular to stress lines of the shroud segment 20.
  • the angle ⁇ between the major axis H (not shown) of the rib 26c and the major axis H of the rib 26a and the angle ⁇ between the major axis H of the rib 26c and the major axis H of the rib 26b are set equal in the present case, so that the major axes H of the Ridges 26a, 26b parallel to each other. Due to the additional rib 26b, the stiffening structure 22 now limits six discrete shroud segment surface areas 24 laterally.
  • FIG. 6 shows a schematic and partially wire-frame view of a rear side of a blade 12 according to the invention, which is formed integrally with a shroud segment 20.
  • the shroud segment 20 in turn has a stiffening structure 22 according to a third embodiment.
  • the stiffening structure 22 comprises, as in the first exemplary embodiment, two cross-shaped ribs 26.
  • the ribs 26 are likewise arranged along or perpendicular to stress lines of the shroud segment 20, wherein only one of the ribs 26 can be seen.
  • the angle ⁇ between the main axes H of the ribs 26 and the height or the profile profile of the ribs 26 is again selected as a function of the stress level of the shroud segment without these ribs 26.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Deckbandsegment (20) zur Anordnung an einer Schaufel (12), insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabenen Versteifungsstruktur (22), wobei die Versteifungsstruktur (22) wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaufel (12), insbesondere eine Gasturbinenschaufel, für eine Strömungsmaschine, mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel (12) angeordneten Deckbandsegment (20), welches eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabene Versteifungsstruktur (22) aufweist, wobei die Versteifungsstruktur (22) wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet ist.

Description

Deckbandsegment zur Anordnung an einer Schaufel
Beschreibung
5 Die Erfindung betrifft ein Deckbandsegment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Anordnung an einer Schaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 13 angegebenen Art für eine Strömungsmaschine. 0 Ein derartiges Deckbandsegment sowie eine Schaufel mit einem derartigen Deckbandsegment sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Das Deckbandsegment, welches an einem radialen Endbereich der Schaufel angeordnet ist, dient grundsätzlich zur Dämpfung von Schaufelschwingungen und wird insbesondere bei Gasturbinenschaufeln für hintere Turbinenstufen verwendet. Weiterhin vermindert das Deckbandsegment die Umströmung5 der Schaufelspitze und erhöht hierdurch den Wirkungsgrad einer zugeordneten Strömungsmaschine. Die Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln eines Rotors bilden dabei ein durchgehendes Deckband aus. Zur Verringerung von Spannungskonzentrationen weisen bekannte Deckbandsegmente dabei eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabene Versteifungsstruktur auf, die üblicherweise als sogenannter „Dogbone" bzw. o „Halber Dogbone" ausgebildet ist.
Als nachteilig an den bekannten Deckbandsegmenten ist dabei der Umstand anzusehen, dass diese, um eine ausreichende Verringerung von Spannungskonzentrationen ermöglichen zu können, vergleichsweise voluminös ausgebildet werden müssen. Hierdurch erhöht 5 sich das Gesamtgewicht des Deckbandsegments sowie einer mit diesem versehenen Schaufel erheblich. Dies führt zudem während des Betriebs der Schaufel in einer zugeordneten Strömungsmaschine zu hohen bewegten Massen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Deckbandsegment sowie eine mit einem o derartigen Deckbandsegment versehene Schaufel zu schaffen, welche eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Deckbandsegment mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung 5 sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Deckbandsegments als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaufel und umgekehrt anzusehen sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment, welches eine Gewichtsreduzierung bei0 gleichzeitig guter Spannungsreduzierung ermöglicht, ist die Versteifungsstruktur wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet. Durch die kreuzförmige Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment signifikant verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegements unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung verbessert werden. 5 In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteifungsstruktur wenigstens zwei kreuzförmig angeordnete Rippen umfasst, deren Hauptachsen in einem vorbestimmten Winkel zueinander stehen. Dies ermöglicht eine einfache und gezielte Einstellung des Spannungsniveaus innerhalb des Deckbandsegments, wobei unterschiedliche Deckbandsegmenttypen individuell berücksichtigt werden können. Dabei kann bei- o spiels weise vorgesehen sein, dass der j e weilige Winkel in Abhängigkeit der j e weiligen Deckbandsegmentgeometrie, des Deckbandsegmentmaterials und den späteren Einsatzbedingungen in einer zugeordneten Strömungsmaschine bestimmt wird.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn die Hauptachsen 5 der Rippen in einem Winkel zwischen 20° und 90° zueinander stehen. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung innerhalb des Deckbandsegments bei gleichzeitig hoher Steifigkeit sichergestellt.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Versteifungsstruktur wenigstens eine Rippe um- o fasst, welche entlang und/oder senkrecht zu einer Spannungslinie des Deckbandsegments angeordnet ist. Durch die hiermit erzielte Steifigkeit im Deckbandsegment wird ein besonders niedriges Spannungsniveau innerhalb des Deckbandsegments erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteifungsstruktur we- 5 nigstens eine Rippe umfasst, welche über ihre Längenerstreckung im Profil eine konstante und/oder ortsabhängige Höhe aufweist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Rippen der Versteifungsstruktur über ihre jeweilige Längenerstreckung ein gleichmäßiges und/oder ein über ihre jeweilige Längenerstreckung variierendes Höhenprofil aufweisen, wodurch eine besonders präzise Anpassbarkeit der Versteifungsstruktur an0 die j eweilige Ausgestaltung des Deckbandsegments und den individuellen Verlauf der Spannungslinien innerhalb des Deckbandsegments gegeben ist.
Eine optimale Anpassbarkeit des Deckbandsegments im Hinblick auf minimales Gewicht bei maximaler Spannungsverringerung wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung5 der Erfindung dadurch ermöglicht, dass die wenigstens eine Rippe eine Höhe zwischen 0,1 cm und 10 cm aufweist.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn die Versteifungsstruktur wenigstens eine Rippe umfasst, welche über ihre Längenerstreckung ein Querschnittsprofil auf- o weist, welches in Abhängigkeit eines Spannungsprofils des Deckbandsegments ohne diese Rippe gewählt ist. Mit anderen Worten ist das Querschnittsprofil der wenigstens einen Rippe über ihre Längenerstreckung unter Berücksichtigung eines Spannungsprofils ausgebildet, welches das Deckbandsegment ohne diese Rippe hätte. Beispielsweise kann die wenigstens eine Rippe in Bereichen potentiell hoher Spannungen ein verdicktes Querschnitts- 5 profil aufweisen. Umgekehrt kann in Bereichen mit potentiell geringer Spannung ein entsprechend reduziertes Querschnittsprofil vorgesehen sein. Hierdurch kann eine maximale Spannungsreduzierung bei minimalem Mehrgewicht des Deckbandsegments erzeugt werden.
o Eine Steigerung der Dauerfestigkeit des Deckbandsegments ist in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass die Versteifungsstruktur abgerundete Flächenübergänge zur Deckbandsegmentoberfläche umfasst, da hierdurch das Auftreten von Kraftspitzen an den Rändern der Versteifüngsstruktur beispielsweise bei Zug- oder Biegebelastungen des Deckbandsegments zuverlässig vermieden wird.
5 Eine besonders hohe Steifigkeit des Deckbandsegements bei optimiertem Gewicht ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass die Versteifungsstruktur wenigstens einen diskreten Deckbandsegmentoberflächenbereich seitlich begrenzt. Mit anderen Worten weist das Deckbandsegment eine Vertiefung auf, welche durch die erhabene Versteifungsstruktur gebildet wird. 0
Eine besonders gleichmäßige Kraft- und Spannungsverteilung über das Deckbandsegment wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die Versteifungsstruktur vier und/oder sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche seitlich begrenzt. 5 In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Deckbandsegment zwei einander gegenüberliegend angeordnete und im Längsschnitt im Wesentlichen Z-förmige Kontaktflächen zur Anlagerung korrespondierender Kontaktflächen zweier weiterer Deckbandsegmente aufweist. Hierdurch können sich benachbarte Schaufeln, die jeweils mit einem derartigen Deckbandsegment versehen sind, während des Be- o triebs einer zugeordneten Strömungsmaschine bzw. eines mit diesen Schaufehl versehenen Rotors paarweise aneinander abstützen, wodurch ein mechanisch besonders stabiles Deckband ermöglicht wird. Ein unerwünschtes Verbiegen oder Verdrehen der Schaufeln wird hierdurch ebenfalls minimiert.
5 Eine besonders hohe Steifigkeit wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die
Versteifungsstruktur wenigstens eine Rippe umfasst, welche sich zwischen den beiden Kontaktflächen erstreckt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich die Rippe zwischen einander entsprechenden Eckbereichen der beiden Z-förmigen Kontaktflächen erstreckt, da an diesen Ecken üblicherweise besonders große Spannungskonzentrationen auf- o treten können. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, für eine Strömungsmaschine, mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel angeordneten Deckbandsegment, welches eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabene Versteifungsstruktur aufweist. Eine Gewichtsreduzierung der Schaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung wird dabei erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Versteifungsstruktur wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet ist. Durch die kreuzförmige Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment signifikant verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegements unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung verbessert werden.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Deckbandsegment gemäß einem der vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
Eine besonderes hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit der Schaufel wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass das Deckbandsegment einteilig mit der Schaufel ausgebildet ist. Obwohl das Deckbandsegment und die Schaufel grundsätzlich auch zwei- oder mehrteilig ausgebildet und auf geeignete Weise gefügt sein können, kann bei einer einteiligen Ausführung zudem auf den ansonsten notwendigen Montageschritt verzichtet werden, wodurch entsprechende Kostensenkungen gegeben sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem Rotor, welcher wenigstens eine Schaufel mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel angeordneten Deckbandsegment umfasst, wobei das Deckbandsegment eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfiäche erhabene Versteifungsstruktur aufweist. Dabei wird eine Gewichtsreduzierung der wenigstens einen Schaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass das Deckbandsegment und/oder die Schaufel gemäß einem der vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiele ausgebildet ist. Hierdurch wird entsprechend das Gewicht des Rotors bzw. der gesamten Strömungsmaschine bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Belastbarkeit optimiert, wodurch sich verlängerte Wartungszyklen realisieren lassen. Vorzugsweise sind al- Ie Deckbandsegmente und/oder Schaufeln des Rotors gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet, um eine maximale Gewichts- und Spannungsreduzierung zu erzielen. Zudem ist hierdurch im Betrieb der Strömungsmaschine die bewegte Masse entsprechend reduziert, wodurch sich weitere Vorteile insbesondere im Hinblick auf 5 Treibstoffeinsparungen ergeben.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausfuhrungsbei- l o spielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Aufsicht und eine seitliche Schnittansicht eines aus dem 15 Stand der Technik bekannten Deckbandsegments mit einer Versteifungsstruktur;
Fig. 2 eine schematische Aufsicht und eine seitliche Schnittansicht eines aus dem
Stand der Technik bekannten Deckbandsegments mit einer alternativen Ver- 20 steifungsstruktur;
Fig. 3 eine schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aufweist;
25
Fig. 4 eine schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel mit einem erfindungsge- mäßen Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel aufweist;
3 o Fig. 5 eine schematische, ausschnittsweise und transparente Perspektivaufsicht der in Fig. 4 gezeigten Schaufel; und Fig. 6 eine schematische und ausschnittsweise Drahtgitteransicht einer Rückseite einer erfindungsgemäßen Schaufel mit einem Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem dritten Ausftihrungsbeispiel aufweist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Deckbandsegments 10 zur Anordnung an einer Schaufel 12 (s. Fig. 3) sowie eine seitliche Schnittansicht des Deckbandsegments 10 entlang der Schnittlinie I-I. Das Deckbandsegment 10 weist eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche 14 erhabene Verstei- fungsstruktur 16 auf, welche - wie aus der Aufsicht erkennbar ist -im Wesentlichen kno- chenförmig ausgebildet ist und daher als „Dogbone" bezeichnet wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Deckbandsegments 10 zur Anordnung an einer Schaufel 12 (s. Fig. 3) sowie eine seitliche Schnittansicht des Deckbandsegments 10 entlang der Schnittlinie I-I. Das Deckbandsegment 10 weist im Vergleich zum in Fig. 1 gezeigten Deckbandsegment 10 eine alternative Versteifungsstruktur 16 auf, welche zu einer Seite hin abflacht und daher als „Half- Dogbone" bezeichnet wird.
Die beiden in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Deckbandsegmente 10 besitzen den Nachteil, dass ihre Versteifungsstrukturen 16 vergleichsweise voluminös ausgebildet werden müssen, um eine ausreichende Verringerung der Spannungskonzentrationen im Deckbandsegment 10 gewährleisten zu können. Hierdurch erhöht sich das Gewicht der Deckbandsegmente 10 sowie einer mit einem derartigen Deckbandsegment 10 verbundenen Schaufel 12.
Fig. 3 zeigt eine schematische Perspektivaufsicht einer als Gasturbinenschaufel für eine Strömungsmaschine ausgebildeten Schaufel 12 mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20, welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aufweist. Die Versteifungsstruktur 22 ist ebenfalls erhaben gegenüber einer Deckbandseg- mentoberfläche 24 des Deckbandsegments 20 ausgebildet, jedoch im Unterschied zu den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen bereichsweise kreuzförmig ausgebildet. Durch die kreuzförmige Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment 20 signifikant verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegements 20 unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung erheblich verbessert werden. Die Versteifungsstruktur 22 umfasst vorliegend zwei kreuzförmig angeordnete Rippen 26, deren Hauptachsen Hl, H2 in einem 5 vorbestimmten Winkel α zueinander stehen und welche über ihre Längenerstreckung im Profil eine konstante Höhe aufweisen. Zusätzlich sind die beiden Rippen 26 entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien des Deckbandsegments 20 angeordnet. Hierdurch wird eine besonders effiziente Reuzierung des Spannungsniveaus des Deckbandsegments 20 erzielt. Durch die Höhe der Rippen 26 und des Winkels α zwischen den Hauptachsen Hl, H2 der o Rippen 26 kann somit das Spannungsniveau exakt eingestellt werden. Der Winkel α und der Profilverlauf der Rippen 26, insbesondere ihre Höhe, müssen dabei individuell für jeden Deckbandsegmenttyp in Abhängigkeit der jeweiligen Spannungslinien, die ohne die Versteifungsstruktur 22 auftreten würden, ermittelt werden. 5 Das Deckbandsegment 20 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegend angeordnete und im Längsschnitt im Wesentlichen Z-fδrmige Kontaktflächen 28 (Z-Shroud) zur Anlagerung korrespondierender Kontaktflächen zweier weiterer Deckbandsegmente (nicht gezeigt) auf. Eine der Rippen 26 erstreckt sich dabei zwischen Ecken III der beiden Z- fÖrmigen Kontaktflächen 28, wodurch eine besonders hohe Spannungsreduzierung in ande- o renfalls stark spannungsbelasteten Bereichen des Deckbandsegments 20 erzielt wird.
Zusätzlich zu den Rippen 26 ist die Versteifungsstruktur 22 derart ausgebildet, dass sie vier diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 seitlich begrenzt. Die Deckbandseg- mentoberflächenbereiche 24 bilden mit anderen Worten die Bodenflächen von vier Vertie- 5 fungen, während die Versteifungsstruktur 22 und ihre Rippen 26 die Seitenwände der Vertiefungen bilden.
Die Versteifungsstruktur 22 kann grundsätzlich durch Trennverfahren aus einem Deckbandsegmentrohling erzeugt werden. Alternativ kann das Deckbandsegment 20 - gegebe- o nenfalls einteilig mit einer Schaufel 12 - mit Hilfe von Gießverfahren, insbesondere Feingießverfahren, oder generativen Verfahren hergestellt werden. Fig. 4 zeigt eine schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel 12 mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20, welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel aufweist. Fig. 4 wird im Folgenden in Zusammenschau mit Fig. 5 erläutert werden, welche eine schematische, ausschnittsweise und transparente Perspektivaufsicht der in Fig. 4 gezeigten Schaufel 12 zeigt. Im Unterschied zum in Fig. 3 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel umfasst die Versteifungsstruktur 22 drei Rippen 26a-c, die jeweils paarweise kreuzförmig angeordnet sind und ebenfalls entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien des Deckbandsegments 20 verlaufen. Der Winkel α zwischen der Hauptachse H (nicht dargestellt) der Rippe 26c und der Hauptachse H der Rippe 26a sowie der Winkel α zwischen der Hauptachse H der Rippe 26c und der Hauptachse H der Rippe 26b sind vorliegend gleich gewählt, so dass die Hauptachsen H der Rippen 26a, 26b parallel zueinander verlaufen. Aufgrund der zusätzlichen Rippe 26b begrenzt die Versteifungsstruktur 22 nunmehr sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 seitlich.
Fig. 6 zeigt schließlich eine schematische und ausschnittsweise Drahtgitteransicht einer Rückseite einer erfindungsgemäßen Schaufel 12, welche einteilig mit einem Deckbandsegment 20 ausgebildet ist. Das Deckbandsegment 20 weist seinerseits eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel auf. Die Versteifungsstruktur 22 um- fasst wie im ersten Ausfuhrungsbeispiel zwei kreuzförmig angeordnete Rippen 26. Die Rippen 26 sind ebenfalls entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien des Deckbandsegments 20 angeordnet, wobei nur eine der Rippen 26 erkennbar ist. Die Winkel α zwischen den Hauptachsen H der Rippen 26 sowie Höhe bzw. der Profilverlauf der Rippen 26 ist wiederum in Abhängigkeit des Spannungsniveaus des Deckbandsegments ohne diese Rip- pen 26 gewählt.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Deckbandsegment (20) zur Anordnung an einer Schaufel (12), insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabenen Versteifungsstruktur (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet ist.
2. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstei- fungsstruktur (22) wenigstens zwei kreuzförmig angeordnete Rippen (26) umfasst, deren Hauptachsen (H) in einem vorbestimmten Winkel (α) zueinander stehen.
3. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachsen (H) der Rippen (26) in einem Winkel (α) zwischen 20° und 90° zueinander stehen.
4. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche entlang und/oder senkrecht zu einer Spannungslinie des Deckbandsegments (20) ange- ordnet ist.
5. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche über ihre Längenerstreckung im Profil eine konstante und/oder ortsabhängige Höhe auf- weist.
6. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (26) eine Höhe zwischen 0,1 cm und 10 cm aufweist.
7. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche über ihre Längenerstreckung ein Querschnittsprofil aufweist, welches in Abhängigkeit eines Spannungsprofils des Deckbandsegments (20) ohne diese Rippe (26) gewählt ist.
8. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) abgerundete Flächenübergänge zur Deckbandsegmentoberfläche (24) umfasst.
9. Deckbandsegment(20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens einen diskreten Deckbandsegmentober- flächenbereich (24) seitlich begrenzt.
10. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) vier und/oder sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenberei- che (24) seitlich begrenzt.
11. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwei einander gegenüberliegend angeordnete und im Längsschnitt im Wesentlichen Z-förmige Kontaktflächen (28) zur Anlagerung korrespondierender Kontaktflächen (28) zweier weiterer Deckbandsegmente (20) aufweist.
12. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstei- fungsstrukrur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche sich zwischen den beiden Kontaktflächen (28) erstreckt.
13. Schaufel(12), insbesondere Gasturbinenschaufel, für eine Strömungsmaschine, mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel (12) angeordneten Deckbandsegment (20), welches eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabene Versteifungsstruktur (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet ist.
14. Schaufel (12) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckbandsegment (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
15. Schaufel (12) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Deck- bandsegment (20) einteilig mit der Schaufel (12) ausgebildet ist.
16. Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem Rotor, welcher wenigstens eine Schaufel (12) mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel (12) angeordneten Deckbandsegment (20) umfasst, wobei das Deckbandsegment (20) eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabene Versteifungsstruktur (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckbandsegment (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder die Schaufel (12) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15 ausgebildet ist.
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