EP2501902B1 - Turbinenschaufelbefestigung für eine strömungsmaschine - Google Patents

Turbinenschaufelbefestigung für eine strömungsmaschine Download PDF

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EP2501902B1
EP2501902B1 EP10782579.6A EP10782579A EP2501902B1 EP 2501902 B1 EP2501902 B1 EP 2501902B1 EP 10782579 A EP10782579 A EP 10782579A EP 2501902 B1 EP2501902 B1 EP 2501902B1
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EP
European Patent Office
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anchoring
tooth
blade
blade root
apex
Prior art date
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Not-in-force
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EP10782579.6A
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English (en)
French (fr)
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EP2501902A1 (de
Inventor
Christoph Hermann Richter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to PL10782579T priority patent/PL2501902T3/pl
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Application granted granted Critical
Publication of EP2501902B1 publication Critical patent/EP2501902B1/de
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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
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • 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
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade attachment, comprising a blade root and an airfoil and a blade groove, wherein the blade root is arranged in the blade groove, wherein the blade root comprises at least two anchoring teeth, which are designed for installation in corresponding recesses in a rotor.
  • turbomachines in particular steam turbines, the energy of a flow medium is converted into rotational energy of a rotor.
  • the rotor for this purpose comprises a plurality of turbine blades, which are shaped such that the thermal energy of the flow medium is converted into rotational energy of the rotor.
  • the flow medium is water vapor.
  • the turbomachines further include, besides the turbine blades arranged on the rotor, also turbine blades arranged on the housing.
  • the turbine blades disposed on the rotor are called turbine blades and the turbine blades disposed on the housing are turbine vanes.
  • the turbine blades have blade roots that attach the turbine blades to the rotor.
  • the blade roots are designed such that they engage in corresponding recesses within the rotor.
  • the inner contour of the recess corresponds to the outer contour of the blade roots.
  • two blade root designs are known, namely the fir tree design and the dovetail design.
  • the cross-sectional contour of the blade root in Tannenbaumdesign has a front in the direction of rotation of the turbine blade and an area lying behind in the direction of rotation, which by a wavy contour is marked.
  • the elevations of such a wavy contour form multiple anchoring teeth in the two areas.
  • the turbine blades are inserted with the blade roots in corresponding recesses within the rotor.
  • the rotor has a wavy contour corresponding to the blade root.
  • the rotor with the turbine blades rotates in operation at a comparatively high frequency of, for example 50 Hz or 60 Hz. It is also known that steam turbines are operated for corresponding applications at higher speeds. The high temperatures and speeds that occur during operation result in enormous thermal and mechanical loads.
  • the blade roots of the turbine blades are mechanically heavily loaded. It is possible that the oscillations in the turbine blades that occur during operation that are transmitted to the blade roots may result in cracks in the turbine blade roots or in the corresponding recesses in the rotor. If such a crack occurs, there is a high likelihood that the crack will continue to grow as a result of crack growth and, in the worst case scenario, cause damage in the entire turbomachine if such a turbine blade is released from the rotor during operation and causes damage in the housing, for example. It would be desirable to have a blade root design that minimizes crack growth even when a crack occurs. At this point, the invention begins, whose object is to provide a Schaufelfußbefest Trent in which the crack growth of a crack is delayed. This object is achieved by a turbine blade mounting with the features of claim 1.
  • the anchoring teeth are formed so that the height of the anchoring teeth decreases towards the blade root tip.
  • the height of the anchoring teeth here is to be understood as the spatial extent in the circumferential direction.
  • the anchoring teeth are formed in a wave-like contour. The height of the anchoring teeth varies in such a way that from anchor tooth to anchor tooth, the height to the blade root tip decreases, so that the last anchoring tooth at the blade root tip has the smallest height and the first anchoring tooth, which is arranged in the vicinity of the surface of the rotor, the largest Height.
  • the anchoring teeth have an anchoring tooth tip, wherein the anchoring tooth tips are arranged substantially along a peak straight line.
  • the new design is characterized by a wavy contour, whereby the anchoring teeth represent a wave crest and between the anchoring teeth troughs are formed.
  • the anchoring teeth have an anchoring tooth tip at their tip with the anchoring tooth tips of the individual anchoring teeth arranged along the peak line.
  • an anchoring tooth tip is formed between the anchoring teeth, wherein the anchoring tooth tips are arranged substantially along a valley straight line. That is, the anchoring tooth tips, each disposed between the anchoring teeth, are arranged along an imaginary line lying on the valley straight line.
  • This design results in redundant voltage paths as soon as a crack occurs in the blade root.
  • the apex straight line with respect to the valley straight at an angle between 2 ° and 10 °, in particular between 1 ° and 12 °. In this angular range, the stress distribution during operation is optimal.
  • the length of the anchoring teeth increases towards the blade tip.
  • the length of the anchoring teeth is varied so that the length increases to the blade root tip.
  • the length of the anchoring teeth usually decreases towards the blade root tip.
  • the thus obtained Schaufelfußdesign thus has a plurality of anchoring teeth whose size increases from the rotor surface towards the Schaufelfußspitze.
  • the anchoring tooth between the anchoring tooth tip and the anchoring tooth tip on a flank, wherein between the anchoring tooth tip and the flank an inner notch radius and between the flank and the anchoring tooth tip an outer notch radius is formed, wherein the outer notch radius is greater than the inner notch radius.
  • the forces should act as much as possible in the blade root so that crack growth is inhibited in the event of a crack.
  • mechanical stresses are high, so that according to the invention the outer notch radius is smaller than the inner notch radius.
  • a bearing flank play is formed between the flank and a bearing flank corresponding in the blade groove, wherein the flank play on the anchoring tooth which is closest to the blade tip is minimal, that is to say that initially during installation at this point the anchoring tooth on the blade groove abuts and increase the airfoil clearance towards the blade.
  • FIG. 1 shows a section of a turbine blade, comprising a blade root 1 and an unspecified airfoil.
  • the blade root 1 according to FIG. 1 is executed in the so-called Christmas tree design and forms the state of the art.
  • Such a blade root 1 has an area 3 lying in the direction of rotation (arrow 2) and an area 4 lying in the direction of rotation.
  • the blade root 1 according to FIG. 1 has three anchoring teeth 5 both in the front region 3 and in the rear region 4.
  • the anchoring teeth 5 engage in a correspondingly contoured recess within a rotor, which is not shown in detail, whereby the turbine blade is attached via the blade root 1 on the rotor.
  • the in FIG. 1 illustrated blade root 1 is formed substantially symmetrically, that is, that in the front region 3 and in the rear region 4, the contour of the anchoring teeth 5 are formed substantially identical.
  • the anchoring teeth 5 are designed for installation in corresponding recesses in a rotor.
  • Each anchoring tooth 5 has a height H.
  • the anchoring tooth 5 has a rising flank 6, an anchoring tooth tip 7 and a descending flank 8.
  • the contour of the blade root 1 can thus be described as wave-like, wherein an anchoring tooth tip 9 is arranged between each anchoring tooth tip 7.
  • the anchoring tooth tips 7 of the individual anchoring teeth 5 are in the in FIG. 1
  • the anchoring tooth tips 9 of the respective valleys between the anchoring teeth 5 lie in a line along a valley straight line 11.
  • the height H of an anchoring tooth 5 can be determined in a first approximation as follows: The shortest distance between the anchoring tooth tip 7 and the valley straight line 11. According to the prior art, the height H of the anchoring teeth 5 to the blade root tip 12 decreases.
  • FIG. 2 1 shows a blade foot 1 designed according to the invention.
  • the rear region 4 could be designed correspondingly symmetrical.
  • illustrated blade root 1 according to the prior art is that the height H of the anchoring teeth 5 to the blade tip 12 increases towards.
  • the anchoring teeth 5 is designed substantially trapezoidal, that is, that the rising edge 6 and the descending edge 8 is designed as a straight line.
  • the anchoring tooth tip 7 and the anchoring tooth tip 9 lie, as in FIG. 2 to see on a straight line.
  • the anchoring teeth may be corrugated as shown in FIG FIG. 1 is shown.
  • the height H is in accordance with the selected embodiment FIG. 2 approximately to the middle of the line on which the anchoring tooth tip 7 is arranged, determined to the valley straight line 11.
  • the height H could just as well be determined in a front transition area 13 or from the rear transition area 14 to the valley straight line 11.
  • the blade root 1 according to FIG. 2 is as a fir tree foot that in the FIG. 2 is not shown in detail, executed.
  • the anchoring tooth tips 7 rest on an anchoring tooth flank 15, which is formed essentially parallel to the tip straight line 10.
  • the anchoring tooth flanks 15 lie on the peak straight line 10.
  • the valley straight line 11 and the pointed straight line 10 are arranged at an angle ⁇ which lies between 2 ° and 10 ° with respect to one another.
  • an auxiliary straight line 30 is shown, which is arranged parallel to the peak straight line 10.
  • the angle a may have angles between 1 ° and 12 ° in alternative embodiments.
  • the blade foot 1 has an end-side blade end 12 which is formed relative to a rotation axis of the rotor 19.
  • the blade root 1 has at least two anchoring teeth 5 arranged one behind the other along an extension facing the blade root tip 12.
  • the length L of the anchoring teeth 5 to the blade tip 12 is also varied.
  • the length L of the anchoring tooth 5 is determined according to FIG. 2 determined from the interface between the rising edge 6 and the valley line 11 and the interface of the descending edge 8 and the valley line 11. As in FIG. 2 can be seen, the length of the anchoring teeth 5 to the blade tip 12 towards.
  • the front transition region 13 and / or the rear transition region 14 may be rounded by radii.
  • the blade root 1 is fitted in a rotor 19 in a blade groove 18. This means that the edge 6 of the respective anchoring teeth 5 rests against a support flank 20.
  • an edge 6 is formed between the anchoring tooth tip 9 and the anchoring tooth tip 7, between the Anank ceremoniesszahntalspitze 9 and the edge 6, an inner notch radius 16 is formed. Furthermore, an outer notch radius 17 is formed between the flank 6 and the anchoring tooth tip 7, wherein the outer notch radius 17 is smaller than the inner notch radius 16. This leads to optimal distributions of voltage paths. In the transition region 14 thus an outer notch radius 17 and inner notch radius 16 is formed, which is different according to the invention. In a first variant, the outer notch radius 17 is smaller than the inner notch radius 16. In a second variant, the outer notch radius 17 may be greater than the inner notch radius 16.
  • the outer notch radius 17 is such that it increases towards the blade tip 12. This means that the outer notch radius 17 increases from the anchoring tooth 5 to the anchoring tooth 5 towards the blade root tip 12.
  • the inner notch radius 16 is formed such that it increases toward the blade root tip 12 of the anchoring tooth 5 to the anchoring tooth 5 out.
  • the inner notch radius 16 may be formed in alternative embodiments such that it decreases toward the blade root tip 12 from anchoring tooth 5 to anchoring tooth 5 back.
  • the outer notch radius 17 may be formed such that it decreases toward the blade root tip 12 from the anchoring tooth 5 to the anchoring tooth 5.
  • the blade root 1 is further designed such that the flank 6 rests against a support flank 20 corresponding in the blade groove 18. Between the flank 6 and the supporting flank 20, a supporting flank clearance 21, 22, 23 is thus formed.
  • the support flank play 21 is initially formed during installation of the blade root 1, such that the anchoring tooth 5, which is closest to the blade root tip 12, rests directly on the support flank 20. This means that a contact between the flank 6 and the supporting flank 20 is present.
  • the blade root 1 is formed such that the backlash 22 and 23, are larger. This means that from the blade root tip 12, the backlash plays 22 and 23 of the anchoring teeth 5 formed towards the airfoil increase.
  • the backlash 22 and 23 are formed the same.
  • the backlash 23 is formed such that substantially no backlash 23 is present. It means that during installation of the anchoring tooth 5, which corresponds to the backlash 23, rests. The flank play 22 and 21 increase toward the blade root 12 in this alternative embodiment.
  • the anchoring tooth 5 corresponding to the backlash 22 abuts, wherein the backlash plays 21 and 23 are different from zero.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelbefestigung, umfassend einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt und eine Schaufelnut, wobei der Schaufelfuß in die Schaufelnut angeordnet ist, wobei der Schaufelfuß zumindest zwei Verankerungszähne umfasst, die zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet sind.
  • In Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, wird die Energie eines Strömungsmediums in Rotationsenergie eines Rotors umgewandelt. Der Rotor umfasst hierzu mehrere Turbinenschaufeln, die derart geformt sind, dass die thermische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird. Bei Dampfturbinen ist das Strömungsmedium Wasserdampf.
  • Die Strömungsmaschinen umfassen des Weiteren neben den auf dem Rotor angeordneten Turbinenschaufeln auch am Gehäuse angeordnete Turbinenschaufeln. Die auf dem Rotor angeordneten Turbinenschaufeln werden Turbinenlaufschaufeln und die am Gehäuse angeordneten Turbinenschaufeln Turbinenleitschaufeln genannt. Die Turbinenlaufschaufeln weisen Schaufelfüße auf, über die die Turbinenlaufschaufeln an den Rotor befestigt werden. Dazu werden die Schaufelfüße derart ausgebildet, dass sie in entsprechende Ausnehmungen innerhalb des Rotors eingreifen. Die Innenkontur der Ausnehmung entspricht hierbei der Außenkontur der Schaufelfüße. Im Prinzip sind zwei Schaufelfußdesigns bekannt, nämlich das Tannenbaumdesign und das Schwalbenschwanzdesign.
  • Die Querschnittskontur des Schaufelfußes beim Tannenbaumdesign weist einen in Drehrichtung der Turbinenlaufschaufel vorne liegenden Bereich sowie einen in Drehrichtung dahinterliegenden Bereich auf, der durch eine wellenförmige Kontur gekennzeichnet ist. Die Erhebungen solch einer wellenförmigen Kontur bilden in den beiden Bereichen mehrere Verankerungszähne. Die Turbinenlaufschaufeln werden mit den Schaufelfüßen in entsprechende Ausnehmungen innerhalb des Rotors eingesteckt. Dazu weist der Rotor eine dem Schaufelfuß korrespondierende, wellenförmige Kontur auf.
    Der Rotor mit den Turbinenlaufschaufeln rotiert im Betrieb mit einer vergleichsweise hohen Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Es ist auch bekannt, dass Dampfturbinen für entsprechende Anwendungen mit höheren Drehzahlen betrieben werden. Bei den im Betrieb auftauchenden hohen Temperaturen und Drehzahlen treten enorme thermische und mechanische Belastungen auf. Insbesondere werden die Schaufelfüße der Turbinenlaufschaufeln mechanisch stark belastet. Es ist möglich, dass die im Betrieb auftretenden Schwingungen der Turbinenlaufschaufeln, die auf die Schaufelfüße übertragen werden, zu Rissen in den Turbinenschaufelfüßen oder in den entsprechenden Ausnehmungen in dem Rotor führen. Sofern ein solcher Riss auftaucht, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass durch Risswachstum der Riss weiter anwächst und schlimmstenfalls zu einem Schaden in der gesamten Strömungsmaschine führen kann, falls solch eine Turbinenschaufel sich während des Betriebes vom Rotor löst und Beschädigungen beispielsweise im Gehäuse verursacht.
    Wünschenswert wäre es, ein Schaufelfußdesign zu haben, bei dem auch bei einem Auftauchen eines Risses das Risswachstum minimiert ist.
    An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Schaufelfußbefestigung anzugeben, bei dem das Risswachstum eines Risses verzögert ist.
    Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Turbinenschaufelbefestigung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, sich vom bekannten Schaufelfußdesign für Tannenbaumfüße zu entfernen. Derzeit werden die Verankerungszähne derart ausgebildet, dass die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin abnimmt. Unter der Höhe der Verankerungszähne ist hierbei die räumliche Ausdehnung in Umfangsrichtung zu verstehen. Im Schaufelfußdesign gemäß dem Stand der Technik werden die Verankerungszähne in einer wellenartigen Kontur ausgebildet. Die Höhe der Verankerungszähne variiert hierbei derart, dass von Verankerungszahn zu Verankerungszahn die Höhe zur Schaufelfußspitze hin abnimmt, so dass der letzte Verankerungszahn an der Schaufelfußspitze die kleinste Höhe aufweist und der erste Verankerungszahn, der in der Nähe der Oberfläche des Rotors angeordnet ist, die größte Höhe aufweist. Aus der US 5,160,242 ist eine Turbinenschaufelbefestigung bekannt, wobei die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin abnimmt. Die Erfindung geht nun von einem völlig anderen Design aus, wonach nunmehr die Höhe nach wie vor ebenfalls von Verankerungszahn zu Verankerungszahn variiert, aber die Höhe der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze zunimmt. Dies führt dazu, dass der an der Schaufelspitze angeordnete Verankerungszahn die größte Höhe und der an der Rotoroberfläche am nächsten liegende Verankerungszahn die niedrigste Höhe aufweist.
  • Berechnungen zu Folge führt solch ein Schaufelfußdesign zu dem Effekt, dass bei der Entstehung eines Risses an einer Stelle im Schaufelfuß ein Ersatzspannungspfad entsteht, der die Spannungen um den vorhandenen Riss vermindert. Dies führt dazu, dass die Spannungen in der Umgebung des Risses vermindert werden, wobei die Spannungen in den Bereichen außerhalb des Risses erhöht werden. Die Belastung der nicht vom Riss betroffenen Verankerungszähne steigt daher. Da die Spannungen am Riss minimiert werden, ist somit ein weiteres Anwachsen des Risses nahezu verhindert bzw. minimiert.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Verankerungszähne eine Verankerungszahnspitze auf, wobei die Verankerungszahnspitzen im Wesentlichen entlang einer Spitzen-Geraden angeordnet sind.
  • Das neue Design zeichnet sich durch eine wellenförmige Kontur aus, wobei die Verankerungszähne quasi einen Wellenberg darstellen und zwischen den Verankerungszähnen Wellentäler ausgebildet sind. Die Verankerungszähne weisen an ihrer Spitze eine Verankerungszahnspitze auf, wobei die Verankerungszahnspitzen der einzelnen Verankerungszähne entlang der Spitzen-Geraden angeordnet sind.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den Verankerungszähnen jeweils eine Verankerungszahntalspitze ausgebildet, wobei die Verankerungszahntalspitzen im Wesentlichen entlang einer Tal-Geraden angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Verankerungszahntalspitzen, die jeweils zwischen den Verankerungszähnen angeordnet sind entlang einer gedachten Linie angeordnet sind, die auf der Tal-Geraden liegen.
  • Dieses Design führt dazu, dass redundante Spannungspfade entstehen, sobald ein Riss im Schaufelfuß entsteht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Spitzen-Gerade gegenüber der Tal-Gerade unter einem Winkel zwischen 2° und 10°, insbesondere zwischen 1° und 12° angeordnet. In diesem Winkelbereich ist die Spannungsverteilung während des Betriebes optimal.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung nimmt die Länge der Verankerungszähne zur Schaufelspitze hin zu. Auch hier wird im Gegensatz zum vorhandenen Design im Stand der Technik die Länge der Verankerungszähne derart variiert, dass die Länge zur Schaufelfußspitze zunimmt. Wie im Stand der Technik beschrieben, nimmt die Länge der Verankerungszähne zur Schaufelfußspitze hin in der Regel ab. Das so gewonnene Schaufelfußdesign weist somit mehrere Verankerungszähne auf, deren Größe von der Rotoroberfläche hin zur Schaufelfußspitze zunimmt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Verankerungszahn zwischen der Verankerungszahntalspitze und der Verankerungszahnspitze eine Flanke auf, wobei zwischen der Verankerungszahntalspitze und der Flanke ein innerer Kerbradius und zwischen der Flanke und der Verankerungszahnspitze ein äußerer Kerbradius ausgebildet ist, wobei der äußere Kerbradius größer ist als der innere Kerbradius.
  • Im neuen Schaufelfußdesign sollen die Kräfte möglichst derart im Schaufelfuß wirken, dass im Falle eines Risses ein Risswachstum gehemmt wird. Insbesondere in den Kerbradien, sind mechanische Spannungen erfahrungsgemäß hoch, so dass erfindungsgemäß der äußere Kerbradius kleiner ist als der innere Kerbradius.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen der Flanke und einer in der Schaufelnut korrespondierenden Tragflanke ein Tragflankenspiel ausgebildet, wobei das Tragflankenspiel am Verankerungszahn, der der Schaufelfußspitze am nächsten ist minimal, das bedeutet also, dass initial beim Einbau an dieser Stelle der Verankerungszahn an der Schaufelnut anliegt und die Tragflankenspiele zum Schaufelblatt hin zunehmen.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • Figur 1
    ein Schaufelfußdesign gemäß dem Stand der Technik;
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Schaufelfußbefestigung.
  • Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Turbinenschaufel, umfassend einen Schaufelfuß 1 und ein nicht näher dargestelltes Schaufelblatt. Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 1 ist im sogenannten Tannenbaumdesign ausgeführt und bildet den Stand der Technik. Solch ein Schaufelfuß 1 weist einen in Drehrichtung (Pfeil 2) vorn liegenden Bereich 3 und einen in Drehrichtung hinten liegenden Bereich 4 auf. Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 1 weist sowohl im vorderen Bereich 3 als auch im hinteren Bereich 4 drei Verankerungszähne 5 auf. Die Verankerungszähne 5 greifen in eine entsprechend konturierte Ausnehmung innerhalb eines Rotors ein, die nicht näher dargestellt ist, wodurch die Turbinenschaufel über den Schaufelfuß 1 am Rotor befestigt wird.
  • Der in Figur 1 dargestellte Schaufelfuß 1 ist im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet, d. h., dass im vorderen Bereich 3 und im hinteren Bereich 4 die Kontur der Verankerungszähne 5 im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Verankerungszähne 5 sind zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet. Jeder Verankerungszahn 5 weist eine Höhe H auf. Der Verankerungszahn 5 weist eine ansteigende Flanke 6, eine Verankerungszahnspitze 7 und eine absteigende Flanke 8 auf. Die Kontur des Schaufelfußes 1 kann somit als wellenartig beschrieben werden, wobei zwischen jeder Verankerungszahnspitze 7 eine Verankerungszahntalspitze 9 angeordnet ist. Die Verankerungszahnspitzen 7 der einzelnen Verankerungszähne 5 liegen in dem in Figur 1 gewählten Beispiel in einer Linie auf einer Spitzen-Geraden 10. Dem gegenüber liegen die Verankerungszahntalspitzen 9 der jeweiligen Täler zwischen den Verankerungszähnen 5 auf einer Linie entlang einer Tal-Geraden 11.
  • Die Höhe H eines Verankerungszahns 5 kann in erster Näherung folgendermaßen ermittelt werden: Der kürzeste Abstand zwischen der Verankerungszahnspitze 7 und der Tal-Geraden 11. Gemäß dem Stand der Technik nimmt die Höhe H der Verankerungszähne 5 zur Schaufelfußspitze 12 ab.
  • Die Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelfuß 1. Der Übersichtlichkeit wegen ist lediglich die Kontur des Schaufelfußes 1 im vorderen Bereich 3 dargestellt. Der hintere Bereich 4 könnte entsprechend symmetrisch ausgebildet sein. Der Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Schaufelfuß 1 gemäß dem Stand der Technik ist unter anderem, dass die Höhe H der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin zunimmt.
  • Die in Figur 2 dargestellte Form der Verankerungszähne 5 ist im Wesentlichen trapezförmig ausgeführt, d. h., dass die aufsteigende Flanke 6 und die absteigende Flanke 8 als Gerade ausgeführt ist. Die Verankerungszahnspitze 7 und die Verankerungszahntalspitze 9 liegen, wie in Figur 2 zu sehen, auf einer Geraden. In alternativen Ausführungsformen können die Verankerungszähne wellenförmig ausgebildet sein, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Die Höhe H wird im gewählten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ungefähr von der Mitte der Geraden, auf der die Verankerungszahnspitze 7 angeordnet ist, zur Tal-Geraden 11 ermittelt. Die Höhe H könnte ebenso gut in einem vorderen Übergangsbereich 13 oder vom hinteren Übergangsbereich 14 zur Tal-Geraden 11 ermittelt werden.
  • Der Schaufelfuß 1 gemäß Figur 2 ist als Tannenbaumfuß, das in der Figur 2 nicht näher dargestellt ist, ausgeführt. Die Verankerungszahnspitzen 7 liegen auf einer Verankerungszahnflanke 15, die im Wesentlichen parallel zur Spitzen-Geraden 10 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 liegen die Verankerungszahnflanken 15 auf der Spitzen-Geraden 10. Die Tal-Gerade 11 und die Spitzen-Gerade 10 sind unter einem Winkel α, der zwischen 2° und 10° gegeneinander liegt, angeordnet. Zur Verdeutlichung des Winkels α ist in der Figur 2 eine Hilfs-Gerade 30 dargestellt, die parallel zur Spitzen-Geraden 10 angeordnet ist. Der Winkel a kann in alternativen Ausführungsformen Winkel zwischen 1° und 12° aufweisen. Der Schaufelfuß 1 weist eine endseitige zu einer Rotationsachse des Rotors 19 ausgebildete Schaufelfußspitze 12 auf. Der Schaufelfuß 1 weist zumindest zwei entlang einer zur Schaufelfußspitze 12 hin zeigenden Erstreckung hintereinander angeordnete Verankerungszähne 5 auf.
  • Neben der Höhe H der Verankerungszähne 5 wird zudem die Länge L der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin variiert. Die Länge L des Verankerungszahns 5 wird gemäß Figur 2 ab der Schnittstelle zwischen der aufsteigenden Flanke 6 und der Tal-Geraden 11 und der Schnittstelle der absteigenden Flanke 8 und der Tal-Geraden 11 ermittelt. Wie in Figur 2 zu sehen ist, nimmt die Länge der Verankerungszähne 5 zur Schaufelspitze 12 hin zu.
  • Der vordere Übergangsbereich 13 und/oder der hintere Übergangsbereich 14 können durch Radien abgerundet werden.
  • Der Schaufelfuß 1 ist in einem Rotor 19 in einer Schaufelnut 18 eingepasst. Das bedeutet, dass die Flanke 6 der jeweiligen Verankerungszähne 5 an einer Tragflanke 20 anliegt.
  • Zwischen der Verankerungszahntalspitze 9 und der Verankerungszahnspitze 7 ist eine Flanke 6 ausgebildet. Zwischen der Verankerungszahntalspitze 9 und der Flanke 6 ist ein innerer Kerbradius 16 ausgebildet. Des Weiteren ist zwischen der Flanke 6 und der Verankerungszahnspitze 7 ein äußerer Kerbradius 17 ausgebildet, wobei der äußere Kerbradius 17 kleiner ist als der innere Kerbradius 16. Dies führt zu optimalen Verteilungen von Spannungspfaden. Im Übergangsbereich 14 ist somit ein äußerer Kerbradius 17 bzw. innerer Kerbradius 16 ausgebildet, der erfindungsgemäß unterschiedlich ist. In einer ersten Variante ist der äußere Kerbradius 17 kleiner als der innere Kerbradius 16. In einer zweiten Variante kann der äußere Kerbradius 17 größer als der innere Kerbradius 16 sein.
  • Des Weiteren ist der äußere Kerbradius 17 derart, dass dieser zur Schaufelspitze 12 hin zunimmt. Das bedeutet, dass der äußere Kerbradius 17 von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 zur Schaufelfußspitze 12 hin zunimmt. Ebenso ist der innere Kerbradius 16 derart ausgebildet, dass dieser zur Schaufelfußspitze 12 von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 hin zunimmt.
  • Der innere Kerbradius 16 kann in alternativen Ausführungensformen derart ausgebildet sein, dass er zur Schaufelfußspitze 12 hin von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 hin abnimmt. Ebenso kann in einer alternativen Ausführungsform der äußere Kerbradius 17 derart ausgebildet sein, dass er zur Schaufelfußspitze 12 hin von Verankerungszahn 5 zu Verankerungszahn 5 abnimmt.
  • Der Schaufelfuß 1 ist des Weiteren derart ausgebildet, dass die Flanke 6 an einer in der Schaufelnut 18 korrespondierenden Tragflanke 20 anliegt. Zwischen der Flanke 6 und der Tragflanke 20 ist somit ein Tragflankenspiel 21, 22, 23 ausgebildet. Zur optimalen Verteilung der Spannungspfade wird beim Einbau des Schaufelfußes 1 initial das Tragflankenspiel 21, derart ausgebildet, dass der Verankerungszahn 5, der der Schaufelfußspitze 12 am nächsten ist, direkt an der Tragflanke 20 anliegt. Das bedeutet, dass ein Kontakt zwischen der Flanke 6 und der Tragflanke 20 vorhanden ist. In dieser Variante wird der Schaufelfuß 1 derart ausgebildet, dass die Tragflankenspiele 22 und 23, größer werden. Das bedeutet, dass von der Schaufelfußspitze 12 weg die Tragflankenspiele 22 und 23 der zum Schaufelblatt hin ausgebildeten Verankerungszähne 5 zunehmen.
  • In einer ersten alternativen Ausführungsform sind die Tragflankenspiele 22 und 23 gleich ausgebildet.
  • In weiteren alternativen Ausführungsformen ist das Tragflankenspiel 23 derart ausgebildet, dass im Wesentlichen kein Tragflankenspiel 23 vorhanden ist. Das bedeutet, dass beim Einbau der Verankerungszahn 5, der zum Tragflankenspiel 23 korrespondiert, anliegt. Die Tragflankenspiele 22 und 21 nehmen zur Schaufelfußspitze 12 hin in dieser alternativen Ausführungsform zu.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform liegt der Verankerungszahn 5, der zum Tragflankenspiel 22 korrespondiert, an, wobei die Tragflankenspiele 21 und 23 von null verschieden sind.

Claims (10)

  1. Turbinenschaufelbefestigung,
    umfassend einen Schaufelfuß (1) und ein Schaufelblatt und einen Rotor mit zumindest einer Schaufelnut (18), wobei der Schaufelfuß (1) in der Schaufelnut (18) angeordnet ist, wobei der Schaufelfuß (1) zumindest drei Verankerungszähne (5) umfasst, die zum Einbau in entsprechende Ausnehmungen in einem Rotor ausgebildet sind,
    wobei der Schaufelfuß (1) eine endseitige zu einer Rotationsachse des Rotors ausgebildete Schaufelfußspitze (12) aufweist,
    wobei der Schaufelfuß (1) zumindest zwei entlang einer zur Schaufelfußspitze (12) hin zeigenden Erstreckung hintereinander angeordnete Verankerungszähne (5) aufweist, wobei jeder Verankerungszahn (5) eine Verankerungszahnspitze (7) aufweist und zwischen jeder Verankerungszahnspitze (7) eine Verankerungszahntalspitze (9) angeordnet ist,
    wobei die Verankerungszahnspitze (7) in einer Linie auf einer Spitzen-Geraden (10) und die Verankerungszahntalspitzen (9) in einer Linie auf einer Tal-Geraden (11) liegen,
    wobei eine Höhe (H) eines Verankerungszahns (5) der kürzeste Abstand zwischen der Verankerungszahnspitze (7) und der Tal-Geraden (11) ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Höhe (H) der Verankerungszähne (5) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.
  2. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1,
    wobei der Schaufelfuß (1) als Tannbaumfuß ausgebildet ist.
  3. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Verankerungszähne (5) jeweils eine Verankerungszahnspitze (7) aufweisen und die Verankerungszahnspitzen (7) im Wesentlichen entlang einer Spitzen-Geraden (10) angeordnet sind.
  4. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    wobei der Turbinenschaufelfuß (1) zwischen den Verankerungszähnen (5) eine Verankerungszahntalspitze (9) aufweisen und die Verankerungszahntalspitze (9) im Wesentlichen entlang einer Tal-Geraden (11) angeordnet sind.
  5. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 3 oder 4,
    wobei die Spitzen-Gerade (10) und die Tal-Gerade (11) unter einem Winkel α zwischen 2° und 10° gegeneinander angeordnet sind.
  6. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Länge (L) der Verankerungszähne (5) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.
  7. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Verankerungszahn (5) zwischen der Verankerungszahntalspitze (9) und der Verankerungszahnspitze (7) eine Flanke (6) aufweist, wobei zwischen der Flanke (6) und der Verankerungszahnspitze (7) ein äußerer Kerbradius (17) ausgebildet ist,
    wobei zwischen der Verankerungszahntalspitze (9) und der Verankerungszahnspitze (7) ein innerer Kerbradius (16) ausgebildet ist,
    wobei der äußere Kerbradius (17) kleiner ist als der innere Kerbradius (16).
  8. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 7,
    bei der äußere Kerbradius (17) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.
  9. Turbinenschaufelbefestigung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der innere Kerbradius (16) zur Schaufelfußspitze (12) hin zunimmt.
  10. Turbinenschaufelbefestigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei zwischen der Flanke (6) und einer in der Schaufelnut (18) korrespondierenden Tragflanke (20) ein Tagflankenspiel (21) ausgebildet ist,
    wobei das Tragflankenspiel (21) am Verankerungszahn (5), der der Schaufelfußspitze (12) am nächsten ist im Wesentlichen nicht vorhanden ist und die Tragflankenspiele (21) zwischen den weiteren Flanken (6) und korrespondierenden Tragflanken (20) zum Schaufelblatt hin zunehmen.
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