EP2376746B1 - Deckbandsegment einer schaufel - Google Patents

Deckbandsegment einer schaufel Download PDF

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EP2376746B1
EP2376746B1 EP10740504.5A EP10740504A EP2376746B1 EP 2376746 B1 EP2376746 B1 EP 2376746B1 EP 10740504 A EP10740504 A EP 10740504A EP 2376746 B1 EP2376746 B1 EP 2376746B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shroud segment
stiffening structure
shroud
rib
blade
Prior art date
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Active
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EP10740504.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2376746A2 (de
Inventor
Markus Schlemmer
Bartlomiej Pikul
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
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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
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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 of a blade, in particular a gas turbine blade, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a turbomachine, in particular a thermal gas turbine, the type specified in the preamble of claim 11.
  • shroud segment is 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 around the blade tip and thereby increases the efficiency of an associated turbomachine.
  • the 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 "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. As a result, the total weight of the shroud segment and a blade provided with this considerably increases. This also leads during operation of the blade in an associated turbomachine to high moving masses.
  • a vane or vane segment for a gas turbine with an airfoil and a shroud is known.
  • Object of the present invention is to provide a shroud segment, which allows weight reduction with good voltage reduction. It is another object of the present invention to provide a turbomachine with a rotor.
  • the stiffening structure is designed to be cross-shaped at least in some areas.
  • the cross-shaped design can significantly reduce the stress concentration in the shroud segment and improve the stiffness of the shroud segment while optimizing weight.
  • the stiffening structure of the shroud segment according to the invention comprises at least two ribs arranged in a cross shape, the main axes of which are at a predetermined angle to each other. This allows a simple and targeted adjustment of the voltage level within the shroud segment, whereby different shroud segment types can be considered individually. It can be provided, for example, that the respective angle is determined as a function of the respective shroud segment geometry, of the shroud segment material and of the subsequent conditions of use in an associated turbomachine.
  • stiffening structure comprising at least one rib which is arranged along and / or perpendicular to a stress line of the shroud segment.
  • the stiffening structure comprises at least one rib which has a constant and / or location-dependent height over its length extension in the profile.
  • one or more ribs of the stiffening structure have over their respective longitudinal extent a uniform and / or over their respective longitudinal extent varying height profile, whereby a particularly precise adaptability of the stiffening structure to the respective configuration of the shroud segment and the individual course of the voltage lines is given within the shroud segment.
  • 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 in regions of potentially high stresses may have a thickened cross-sectional profile exhibit.
  • 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.
  • the stiffening structure comprises rounded surface transitions to the shroud segment surface, as this reliably prevents the occurrence of force peaks at the edges of the stiffening structure, for example under tensile or bending loads of the shroud segment.
  • a particularly high stiffness of the shroud segment with optimized weight is given by the fact that the stiffening structure of the shroud segment according to the invention 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 other shroud segments.
  • 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.
  • a blade in particular a gas turbine blade, for a turbomachine having a shroud segment disposed at a radial end portion of the blade has a stiffening structure raised from a shroud segment surface.
  • a reduction in weight of the blade while at the same time a good reduction in stress is made possible in that 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 segment while optimizing weight.
  • a particularly high mechanical stability and load capacity of the blade is achieved in a further embodiment, characterized in that the shroud segment is formed integrally with the blade.
  • the shroud segment and the blade can basically also be formed in two or more parts and joined 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 rotor blade with a shroud segment arranged on a radial end region of the rotor blade, wherein the shroud segment has a stiffening structure raised from a shroud segment surface.
  • a reduction in weight of the at least one moving blade with simultaneously good stress reduction is made possible by the fact that the shroud segment and / or the moving blade is designed according to one of the preceding 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 shroud segments and / or blades of the rotor according to one of the preceding embodiments are designed to achieve maximum weight and stress reduction.
  • the moving mass is thereby reduced accordingly during operation of the turbomachine, resulting in further advantages, in particular with regard to fuel savings.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a known from the prior art shroud segment 10 for placement on a blade 12 (s. Fig. 3
  • 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 plan view, is substantially bone-shaped and is therefore referred to as "dogbone”.
  • Fig. 2 shows a schematic plan view of a known from the prior art shroud segment 10 for placement on a blade 12 (s. Fig. 3 ) and a side sectional view of the shroud segment 10 along the section line II.
  • the shroud segment 10 has in comparison to in Fig. 1 Shroud segment 10 shown an alternative stiffening structure 16, which flattened to one side and is therefore referred to as "Half-Dogbone".
  • the shroud segments 10 shown 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 as well as a blade 12 connected to such a shroud segment 10.
  • Fig. 3 shows a schematic perspective view of a designed as a gas turbine blade for a turbomachine blade 12 with a shroud segment 20 according to the invention, which has a stiffening structure 22 according to a first embodiment.
  • the stiffening structure 22 is also raised in relation to a shroud segment surface 24 of the shroud segment 20, but in contrast to the in Fig. 1 and 2 shown embodiments partially formed cross-shaped.
  • the cross-shaped design, the stress concentration in the shroud segment 20 can be significantly reduced and the rigidity of the shroud segment 20 can be significantly improved with simultaneous weight optimization.
  • the stiffening structure 22 comprises two ribs 26 which are arranged in a cruciform manner and whose principal 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 each other and are substantially Z-shaped in longitudinal section for attaching corresponding contact surfaces of two further shroud segments (not shown).
  • One of the ribs 26 extends between corners III of the two Z-shaped contact surfaces 28, whereby a particularly high voltage reduction in otherwise heavily stress-loaded areas of the shroud segment 20 is achieved.
  • the stiffening structure 22 is formed to laterally bound four discrete shroud segment surface areas 24. In other words, the shroud segment surface areas 24 form the bottom surfaces of four depressions, while the stiffening structure 22 and its ribs 26 form the sidewalls of the depressions.
  • the stiffening structure 22 can basically be produced by separation processes from a shroud segment blank.
  • the shroud segment 20 - possibly in one piece with a blade 12 - by means of casting, in particular investment casting process, or generative process can be produced.
  • Fig. 4 shows a schematic perspective view of a blade 12 with a shroud segment 20 according to the invention, which has a stiffening structure 22 according to a second embodiment.
  • Fig. 4 is described below in synopsis with Fig. 5 which is a schematic, partial and transparent perspective of the supervision in Fig. 4 shown blade 12 shows.
  • the stiffening structure 22 comprises three ribs 26a-c, which are each arranged in pairs in a cross shape and likewise 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. 1 shows a schematic and partially sectioned wire grid view of a rear side of a rotor 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 embodiment, two cross-shaped ribs 26.
  • the ribs 26 are also along or perpendicular to stress lines of the shroud segment 20 arranged, wherein only one of the ribs 26 can be seen.
  • the angle ⁇ between the main axes H of the ribs 26 and height or the profile profile of the ribs 26 is in turn selected in dependence on the voltage 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)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Deckbandsegment einer Laufschaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, insbesondere eine thermische Gasturbine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 11 angegebenen Art.
  • Ein derartiges Deckbandsegment ist 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 Umströmung 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. "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 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.
  • Aus der GB 2 290 833 A ist eine Turbinenschaufel mit einem Deckband bekannt.
  • Aus der WO 2005/008032 ist eine Leitschaufel oder ein Leitschaufelsegment für eine Gasturbine mit einem Schaufelblatt und einem Deckband bekannt.
  • Aus der US 6 491 498 B1 ist eine Turbinenschaufel für Gasturbinen mit einem Deckband bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Deckbandsegment zu schaffen, welche eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine mit einem Rotor vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Deckbandsegment mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Deckbandsegments als vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine und umgekehrt anzusehen sind.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment, welches eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter Spannungsreduzterung ermöglicht, ist die Versteifungsstruktur wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet. Durch die kreuzförmige Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment signifikant verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegments unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung verbessert werden.
  • Die Versteifungsstruktur des erfindungsgemäßen Deckbandsegments umfasst wenigstens zwei kreuzförmig angeordnete Rippen, 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 beispielsweise vorgesehen sein, dass der jeweilige Winkel in Abhängigkeit der jeweiligen 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 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 umfasst, 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 wenigstens 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 gleichmäßige und/oder ein über ihre jeweilige Längenerstreckung variierendes Höhenprofil aufweisen, wodurch eine besonders präzise Anpassbarkeit der Versteifungsstruktur an die jeweilige 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 Ausgestaltung 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 aufweist, 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 Querschnittsprofil 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.
  • 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 Ränder der Versteifungsstruktur beispielsweise bei Zug- oder Biegebelastungen des Deckbandsegments zuverlässig vermieden wird.
  • Eine besonders hohe Steifigkeit des Deckbandsegments bei optimiertem Gewicht ist dadurch gegeben, dass die Versteifungsstruktur des erfindungsgemäßen Deckbandsegments wenigstens einen diskreten Deckbandsegmentoberflächenbereich seitlich begrenzt. Mit anderen Worten weist das Deckbandsegment eine Vertiefung auf, welche durch die erhabene Versteifungsstruktur gebildet wird.
  • 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.
  • 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 Laufschaufeln, die jeweils mit einem derartigen Deckbandsegment versehen sind, während des Betriebs einer zugeordneten Strömungsmaschine bzw. eines mit diesen Laufschaufeln versehenen Rotors paarweise aneinander abstützen, wodurch ein mechanisch besonders stabiles Deckband ermöglicht wird. Ein unerwünschtes Verbiegen oder Verdrehen der Laufschaufeln wird hierdurch ebenfalls minimiert.
  • 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 auftreten können.
  • In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist eine Laufschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, für eine Strömungsmaschine, mit einem an einem radialen Endbereich der Laufschaufel angeordneten Deckbandsegment, eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabene Versteifungsstruktur auf. Eine Gewichtsreduzierung der Laufschaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung wird dabei 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 Deckbandsegments unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung verbessert werden.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Deckbandsegment gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
  • Eine besonderes hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit der Laufschaufel wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass das Deckbandsegments einteilig mit der Laufschaufel ausgebildet ist. Obwohl das Deckbandsegment und die Laufschaufel 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 Laufschaufel mit einem an einem radialen Endbereich der Laufschaufel angeordneten Deckbandsegment umfasst, wobei das Deckbandsegment eine gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche erhabene Versteifungsstruktur aufweist. Dabei wird eine Gewichtsreduzierung der wenigstens einen Laufschaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass das Deckbandsegment und/oder die Laufschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele 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 alle Deckbandsegmente und/oder Laufschaufeln 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 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 Ausführungsbeispielen 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 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 Versteifungsstruktur;
    Fig. 3
    eine schematische Perspektivaufsicht einer Laufschaufel mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aufweist;
    Fig. 4
    eine schematische Perspektivaufsicht einer Laufschaufel mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel aufweist;
    Fig. 5
    eine schematische, ausschnittsweise und transparente Perspektivaufsicht der in Fig. 4 gezeigten Laufschaufel; und
    Fig. 6
    eine schematische und ausschnittsweise Drahtgitteransicht einer Rückseite einer erfindungsgemäßen Laufschaufel mit einem Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Deckbandsegments 10 zur Anordnung an einer Laufschaufel 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 Versteifungsstruktur 16 auf, welche - wie aus der Aufsicht erkennbar ist -im Wesentlichen knochenförmig 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 Laufschaufel 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 Laufschaufel 12.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Perspektivaufsicht einer als Gasturbinenschaufel für eine Strömungsmaschine ausgebildeten Laufschaufel 12 mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20, welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aufweist. Die Versteifungsstruktur 22 ist ebenfalls erhaben gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche 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 Deckbandsegments 20 unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung erheblich verbessert werden. Die Versteifungsstruktur 22 umfasst vorliegend zwei kreuzförmig angeordnete Rippen 26, deren Hauptachsen H1, H2 in einem 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 Reduzierung des Spannungsniveaus des Deckbandsegments 20 erzielt. Durch die Höhe der Rippen 26 und des Winkels α zwischen den Hauptachsen H1, H2 der 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.
  • Das Deckbandsegment 20 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegend angeordnete und im Längsschnitt im Wesentlichen Z-förmige 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 anderenfalls 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 Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 bilden mit anderen Worten die Bodenflächen von vier Vertiefungen, 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 - gegebenenfalls einteilig mit einer Laufschaufel 12 - mit Hilfe von Gießverfahren, insbesondere Feingießverfahren, oder generativen Verfahren hergestellt werden.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Perspektivaufsicht einer Laufschaufel 12 mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20, welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel 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 Laufschaufel 12 zeigt. Im Unterschied zum in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel 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 Laufschaufel 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 umfasst wie im ersten Ausführungsbeispiel 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 Rippen 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 Messfehlem, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.

Claims (11)

  1. Deckbandsegment (20) einer Laufschaufel (12), insbesondere einer Gasturbinenschaufel, mit einer gegenüber einer Deckbandsegmentoberfläche (24) erhabenen Versteifungsstruktur (22), wobei die Versteifungsstruktur (22) wenigstens bereichesweise kreuzförmig ausgebildet ist, und die Versteifungsstruktur (22) wenigstens zwei kreuzförmig angeordnete Rippen (26) umfasst, deren Hauptachsen (H) zum Einstellen eines Spannungsniveaus innerhalb des Deckbandsegments (20) in einem vorbestimmten Winkel (α) zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens einen diskreten Deckbandsegmentoberflächenbereich (24) seitlich begrenzt, wobei durch die seitliche Begrenzung der Versteifungsstruktur (22) eine Vertiefung ausgebildet wird.
  2. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachsen (H) der Rippen (26) in einem Winkel (α) zwischen 20° und 90° zueinander stehen.
  3. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche entlang und/oder senkrecht zu einer Spannungslinie des Deckbandsegments (20) angeordnet ist.
  4. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche über ihre Längenerstreckung im Profil eine konstante und/oder ortsabhängige Höhe aufweist.
  5. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (26) eine Höhe zwischen 0,1 cm und 10 cm aufweist.
  6. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) abgerundete Flächenübergänge zur Deckbandsegmentoberfläche (24) umfasst.
  8. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) vier und/oder sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche (24) seitlich begrenzt.
  9. Deckbandsegment (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
  10. Deckbandsegment (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (22) wenigstens eine Rippe (26) umfasst, welche sich zwischen den beiden Kontaktflächen (28) erstreckt.
  11. Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem Rotor, welcher wenigstens eine Laufschaufel (12) mit einem an einem radialen Endbereich der Laufschaufel (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 10 ausgebildet ist.
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