EP3232004A1

EP3232004A1 - Laufschaufel für eine thermische strömungsmaschine

Info

Publication number: EP3232004A1
Application number: EP16165216.9A
Authority: EP
Inventors: Bernd Hornung; Frank Schulz; Anne Maria Starke; Eric Thomas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend aufeinander folgend einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem rotierbaren Schaufelträger und ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt (14), welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante (16) zu einer Hinterkante (18) und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende (20) bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende (20) gegenüberliegenden Schaufelspitze (22) erstreckt, wobei die Schaufelspitze (22) - im Einbauzustand der Laufschaufel in einer thermischen Strömungsmaschine - eine nach außen weisende Spitzenfläche (24) aufweist, an der zumindest eine von der Spitzenfläche (24) hervorstehende Anstreifkante (26) vorgesehen ist. Um eine besonders langlebige Laufschaufel bereitzustellen wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei Anstreifkanten (26) vorgesehen sind, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich (28) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine thermische Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Laufschaufel ist beispielsweise aus der US 8,708,645 B1 bekannt. Die bekannte Laufschaufel weist an ihrer Schaufelspitze eine nahezu geschlossen umlaufende Anstreifkante in Form einer Verlängerung der Schaufelblattwände des Schaufelblatts auf. Zwischen der saugseitigen und der druckseitigen Anstreifkante sind an der Schaufelspitze weitere Anstreifkanten vorgesehen, so dass sich zwischen den einzelnen, im Wesentlichen parallelen Anstreifkanten Wirbelkanäle ausbilden. Nachteilig ist jedoch, dass im Betrieb einer derartigen Turbinenschaufel Verschleißerscheinungen an den Anstreifkanten auftreten können, die die Lebensdauer der Laufschaufel und ebenso den Wirkungsgrad einer damit ausgestatteten Gasturbine negativ beeinflussen können.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Laufschaufel, deren Schaufelspitze gegen Verschleiß weniger anfällig ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer Laufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist die gattungsgemäße Laufschaufel zumindest zwei Anstreifkanten auf, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich miteinander verbunden sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch zwei unmittelbar benachbarte Anstreifkanten, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich miteinander verbunden sind, der Verschleiß, insbesondere bei Anstreifen oder durch Oxidation der Anstreifkanten, reduziert werden kann. Dies ist darin begründet, dass aufgrund des gemeinsamen Wurzelbereichs dieser - bei Betrachtung der Anstreifkante im Querschnitt - breiter und damit massiver ausgestaltet ist, verglichen mit gänzlich separaten Anstreifkanten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung münden zwischen den beiden betreffenden Anstreifkanten, die vorzugsweise eine V-Form bilden, Kühlluftkanäle, die aus einem im Schaufelblatt angeordneten Hohlraum mit Kühlluft gespeist werden können. Die somit zwischen den beiden Anstreifkanten vorhandenen, vergleichsweise engen Nuten ermöglichen eine direktere und unmittelbare Anströmung der Anstreifkante mit Kühlluft. Zusätzlich ergibt sich je Saugseite und je Druckseite die doppelte Anzahl an Dichtflächen durch das Vorhandensein der insgesamt umlaufenden zwei Anstreifkanten mit gemeinsamem Wurzelbereich. Insgesamt kann mit der vorgeschlagenen Laufschaufel eine längere Laufzeit bei gleichbleibendem Wirkungsgrad erzielt werden, was einen höheren Nutzen für den Betreiber der Gasturbinenanlage darstellt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: die perspektivische Ansicht der Schaufelspitze einer erfindungsgemäßen Laufschaufel,
Figur 2: den Längsschnitt durch die Laufschaufelspitze der in Figur 1 gezeigten Laufschaufel und
Figur 3: eine Laufschaufel in einer perspektivischen Darstellung.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Laufschaufel 10 für eine thermische Strömungsmaschine, insbesondere für eine stationäre Gasturbine, die bekanntermaßen aufeinanderfolgend umfasst: einen Schaufelfuß 12 zur Befestigung der Laufschaufel 10 an einem rotierbaren Schaufelträger. Der Schaufelträger kann beispielsweise als ein geschweißter Rotor oder auch als ein Rotor in Scheibenbauweise ausgestaltet sein. Beide Rotorvarianten sind hier nicht weiter dargestellt. Weiter umfasst die Laufschaufel 10 ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt 14, welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante 16 zu einer Hinterkante 18 und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende 20 bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende 20 gegenüberliegenden Schaufelspitze 22 erstreckt. Im Einbauzustand ist die Schaufelspitze 22 spaltbildend einer dem Strömungspfad der thermischen Strömungsmaschine begrenzenden Außenwand gegenüberliegend angeordnet. Mithin weist die Laufschaufel 10 eine nach außen - folglich vom Schaufelfuß weg - weisende Spitzenfläche 24 auf, an der zumindest eine davon hervorstehende Anstreifkante vorgesehen ist. Nicht in der Figur 3, sondern in den Figuren 1 und 2 sind diese im Detail darstellt.
Figur 1 zeigt die Schaufelspitze 22 in perspektivischer Darstellung. Sowohl an der Druckseite 19 als auch an der Saugseite 17 des Schaufelblatts 14 sind an der Schaufelspitze 22 jeweils zwei Anstreifkanten 26 vorgesehen, die vorderkantenseitig als auch hinterkantenseitig dabei ineinander übergehen. Insofern kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel von einer äußeren, geschlossen umlaufenden ersten Anstreifkante 26a und von einer inneren, ebenso geschlossen umlaufenden Anstreifkante 26b die Rede sein. Von beiden umlaufenden Anstreifkanten 26 ist ein Halbraum 31 umschlossen, der radial nach außen geöffnet und radial nach innen von einem Kronenboden 33 (Fig. 2) begrenzt ist.
Weder die äußere Anstreifkante 26a noch die innere Anstreifkante 26b müssen zwingend geschlossen umlaufend sein, sie können auch nur teilweise umlaufend ausgestaltet sein. Zwischen der äußeren Anstreifkante 26a und der inneren Anstreifkante 26b ist eine im Querschnitt - siehe Figur 2 - V-förmige Nut 27 vorhanden, so dass die gedanklich zu einem Paar zusammenfassbaren äußeren und inneren Anstreifkanten 26a, 26b im Wesentlichen ebenso V-förmig ausgebildet sind. Die Anstreifkanten 26 gehen in einen gemeinsamen Wurzelbereich 28 über, dessen inneres Ende an der Spitzenfläche 24 (schaufelspitzenseitig) endet. Dadurch weisen die Anstreifkanten 26 an ihrem äußeren (freien) Ende 29 eine Breite B auf, die geringer ist als die Breite W des Wurzelbereichs.
Am Grund der Nut 27 können Kühlkanäle 30 münden, so dass aus dem Inneren der Schaufel 10 Kühlluft ausströmen kann. Das Ausströmen der Kühlluft dient einerseits zur Kühlung der unmittelbar benachbarten Anstreifkanten 26 und insbesondere auch zu der Kühlung des Wurzelbereichs 28. Die Kühlluftöffnungen 30 können dabei in einem gleichmäßigen oder auch ungleichmäßigen Abstand längs des Umlaufes bzw. der Längserstreckung der Anstreifkanten 26 vorgesehen sein. Von den Kühlkanälen 30 sind in Figur 2 nur einige exemplarisch dargestellt.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung kann eine besonders langlebige sowie den thermischen Belastungen besonders lange widerstehende Laufschaufel 10 bereitgestellt werden.

Claims

Laufschaufel (10) für eine thermische Strömungsmaschine, umfassend aufeinander folgend
einen Schaufelfuß (12) zur Befestigung der Laufschaufel (10) an einem rotierbaren Schaufelträger und
ein aerodynamisch gekrümmtes, freistehendes Schaufelblatt (14), welches sich von einer von einem Arbeitsmedium anströmbaren Vorderkante (16) zu einer Hinterkante (18) und in einer Querrichtung dazu von einem schaufelfußseitigen Ende (20) bis zu einer dem schaufelfußseitigen Ende (20) gegenüberliegenden Schaufelspitze (22) erstreckt,
wobei die Schaufelspitze (22) - im Einbauzustand der Laufschaufel in einer thermischen Strömungsmaschine - eine nach außen weisende Spitzenfläche (24) aufweist, an der zumindest eine von der Spitzenfläche (24) hervorstehende Anstreifkante (26) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei Anstreifkanten (26) vorgesehen sind, die spitzenflächenseitig in einem gemeinsamen Wurzelbereich (28) miteinander verbunden sind.
Laufschaufel nach Anspruch 1,
bei der die beiden betreffenden Anstreifkanten (26) gemeinsam eine V-Form bilden.
Laufschaufeln nach Anspruch 2,
bei der zwischen den beiden betreffenden Anstreifkanten Kühlluftkanäle (30) münden.