EP4306770A1

EP4306770A1 - Laufschaufel für eine laufschaufelanordnung einer strömungsmaschine und laufschaufelanordnung

Info

Publication number: EP4306770A1
Application number: EP23174689.2A
Authority: EP
Inventors: Jens Wittmer; Markus Uecker; Manfred Feldmann
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2024-01-17
Also published as: US20240018874A1; DE102022117268A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (20) für eine Laufschaufelanordnung (10) einer Strömungsmaschine (1), aufweisend eine Laufschaufelinnenplattform (40), welche sich axial in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse (2) von der Laufschaufel (20) erstreckt und zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen (41) und ein freies axiales Ende (42) aufweist, dessen Querschnitt radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt ist. Die Laufschaufelinnenplattform (40) weist einen Verbindungsquerschnitt (45) mit der Laufschaufel (20) auf, der radial innen durch eine innere Verbindungslinie (46) und radial außen durch eine äußere Verbindungslinie (47) begrenzt ist. Jede der Verbindungslinien (46, 47) weist einen Mittelabschnitt (61) mit einer konvexen Krümmung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Laufschaufelanordnung einer Strömungsmaschine, aufweisend eine Laufschaufelinnenplattform, welche sich axial in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse von einer Laufschaufel erstreckt und zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen und ein freies axiales Ende aufweist, dessen Querschnitt radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt ist, wobei die Laufschaufelinnenplattform einen Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel aufweist, der radial innen durch eine innere Verbindungslinie und radial außen durch eine äußere Verbindungslinie begrenzt ist.
Funktional gliedert sich eine Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Angesaugte Luft wird vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Brennstoff verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Die Turbine ist in der Regel aus mehreren Stufen mit jeweils einem Stator und einem Rotor aufgebaut, wobei die Rotoren bzw. dessen Laufschaufelanordnung von dem Heißgas angetrieben werden. In jeder Stufe wird dem Heißgas dabei anteilig innere Energie entzogen, die in eine Bewegung der jeweiligen Laufschaufelanordnung und damit einer Welle der Strömungsmaschine umgesetzt wird.
Laufschaufelinnenplattformen (Blade Wings) dienen in einer Strömungsmaschine zur Abdichtung zwischen der rotierbaren Laufschaufelanordnung und dem Stator bzw. dessen Strukturen, die jeweils stromaufwärts und stromabwärts der rotierbaren Laufschaufelanordnung angeordnet sind. Eine solche Laufschaufelinnenplattform erstreckt sich in Umfangsrichtung axial und von einem Laufschaufelkörper und wirkt mit geeigneten Strukturen des Stators zusammen. Die Laufschaufelinnenplattform ist im Bereich des Laufschaufelfußes angeordnet verringert oder verhindert einen Luftaustritt aus dem Primärluftstrom der Strömungsmaschine.
Im Betrieb unterliegt die Laufschaufelinnenplattform durch die Rotation der Laufschaufelanordnung als abstrahiert einseitig eingespannter Balken einer Fliehkraftbelastung und wird hauptsächlich auf Biegung beansprucht. Bekannte Ausführungen von Laufschaufelinnenplattformen werden als Gussrohteil ausgeführt, wobei lediglich die axiale Erstreckung über maschinelle Bearbeitung angepasst wird. Aufgrund der Fliehkraftbelastung müssen die Laufschaufelinnenplattformen lokal versteift werden, was gewöhnlich über eine Keilform und/oder im Gussteil integrierte "Klötzchen" (Pads) realisiert wird. Diese befinden sich auf der Unterseite der Laufschaufelinnenplattform und können sowohl an den umfangsseitigen Enden als auch in der Mitte der Umfangserstreckung von Laufschaufelinnenplattformen angeordnet sein. Die hieraus resultierende Erhöhung des Flächenträgheitsmoments der Laufschaufelinnenplattformwirkt der Biegebelastung entgegen und unterstützt so eine Stabilisierung der Laufschaufel. Die hieraus resultierende Erhöhung der Schaufelmasse hat aber auch einen negativen Einfluss auf die Schaufelfußbelastung und die Rotorbelastung.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Laufschaufel für eine Laufschaufelanordnung einer Strömungsmaschine vorzuschlagen, welche insbesondere robuster gegen Belastungen durch im Betrieb auftretende Fliehkräfte ist. Ferner soll eine verbesserte Laufschaufelanordnung zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung eine Laufschaufel für eine Laufschaufelanordnung einer Strömungsmaschine vorgeschlagen, aufweisend eine Laufschaufelinnenplattform, welche sich axial in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse von der Laufschaufel, insbesondere von einem Halsabschnitt der Laufschaufel, erstreckt und zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen, die insbesondere in Form und Lage zur Drehachse bzw. Strömungsmaschinenlängsachse identisch ausgebildet sind, und ein freies axiales Ende aufweist, dessen Querschnitt radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt ist. Dabei weist die Laufschaufelinnenplattform einen Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel auf, der radial innen durch eine innere Verbindungslinie und radial außen durch eine äußere Verbindungslinie begrenzt ist. Jede der Verbindungslinien weist einen Mittelabschnitt auf, welcher eine konvexe Krümmung in Richtung zum Schaufelfuß der Laufschaufel oder in Richtung zum Schaufelblatt, insbesondere eine konkave Krümmung in Richtung zum Schaufelblatt oder zum Schaufelfuß, aufweist, wobei der Mittelabschnitt insbesondere bis zur jeweiligen Umfangsendfläche reicht. Dabei verläuft der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel in einer Richtung zu dem freien axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform hin. Bei manchen Ausführungsformen können weitere Abschnitte, insbesondere beidseitig, an den Mittelabschnitt anschließen, sodass dieser nicht bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche reicht.
Durch die Geometrie der Verbindungslinien wird der Verbindungsquerschnitt radial innen und radial außen festgelegt, wodurch in der Laufschaufelinnenplattform eine, insbesondere nach radial innen ausgebildete, Vertiefung oder eine, insbesondere nach radial außen ausgebildete, Auswölbung bzw. eine Sicke in Umfangsrichtung zwischen ihren Umfangsendflächen ausgebildet ist, deren Ausprägung insbesondere durch den Mittelabschnitt definiert ist. Dadurch, dass der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel in einer Richtung zu dem freien axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform verläuft, ist die Vertiefung oder die Auswölbung axial ausgerichtet und kann somit zur Stabilisierung der Laufschaufelinnenplattform beitragen. Die Angabe, dass "der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel in einer Richtung zu dem freien axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform verläuft" bedeutet dabei, dass der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform sich kontinuierlich ändernd von dem Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel in den Querschnitt des freien axialen Endes der Laufschaufelinnenplattform übergeht.
Die Ausprägung des Verbindungsquerschnitts und der dadurch festgelegten Sicke ermöglicht eine Versteifung der Laufschaufel im Bereich der Verbindung zwischen Laufschaufelinnenplattform und Laufschaufel. So kann auch die Robustheit gegenüber Biegebelastungen und somit die Lebensdauer der Laufschaufel erhöht werden. Die Umfangsendflächen sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Umfangsendflächen zweier benachbart angeordneter Laufschaufeln keine Stufe bzw. ein glatter Übergang ausgebildet wird, um eine störungs- bzw. verwirbelungsfreie Rotation zu begünstigen. Hierzu können die Umfangsendflächen in Form und Lage zur Strömungsmaschinenlängsachse bzw. Drehachse identisch und/oder zueinander korrespondierend ausgebildet sein.
Eine Strömungsmaschine weist ein axial durchströmbares Gehäuse auf, an dem wenigstens eine Leitschaufel, insbesondere eine Vielzahl von in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Leitschaufeln, radial zu einer Drehachse der Strömungsmaschine bzw. gegenüber dem Gehäuse angeordnet ist (Stator). Eine sich radial erstreckende Laufschaufel weist an ihrer der Drehachse der Strömungsmaschine zugewandten Seite einen Schaufelfuß auf, an welchem die Laufschaufel lösbar oder fest mit einem Rotor bzw. einer Rotorscheibe verbunden ausgebildet ist. Zudem ist am radial äußeren Ende einer Laufschaufel eine Schaufelspitze angeordnet, wobei zwischen dem Schaufelfuß und der Schaufelspitze ein Schaufelblatt der Laufschaufel ausgebildet ist.
Die Angaben "axial", "radial" und "umlaufend", sowie die zugehörigen Richtungen (Axialrichtung etc.) beziehen sich auf die Drehachse bzw. Strömungsmaschinenachse, um welche die Schaufel bzw. Laufschaufel im Betrieb rotiert. Diese fällt typischerweise mit einer Längsachse der Strömungsmaschine zusammen. Die radiale Richtung ist an allen Punkten eine Richtung orthogonal zur Drehachse und geht durch diese hindurch, die Umfangsrichtung ist an jedem Punkt eine Richtung orthogonal dazu der radialen Richtung und zur Drehachse. Ein Querschnitt der Strömungsmaschine liegt in einer Ebene orthogonal zur Drehachse. Schließlich sind die "stromaufwärtigen" und "stromabwärtigen" Richtungen auf die allgemeine Strömungsrichtung der Luft bzw. der Gase bzw. eines Primärstroms in der Strömungsmaschine entlang der Strömungsmaschinenachse bezogen.
Eine Laufschaufelinnenplattform kann sich axial stromaufwärts von einer Laufschaufel erstrecken, und insbesondere an einem Übergang vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß bzw. an dem Schaufelfuß angeordnet sein, um mit einer an einer Statorstruktur angeordneten Dichtungseinrichtung zusammenzuwirken. Dabei kann eine Dichtwirkung gegenüber dem Primärstrom der Strömungsmaschine erzeugt werden, um Fehlluftströmungen, die eine Leistung der Strömungsmaschine negativ beeinflussen können, zu vermeiden. Hierbei weist die Laufschaufelinnenplattform einen Verbindungsquerschnitt auf, über den die Laufschaufelinnenplattform mit der Laufschaufel verbunden ist, sowie ein dem Verbindungsquerschnitt gegenüberliegend angeordnetes freies axiales Ende auf. Zudem weist die Laufschaufelinnenplattform zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen auf, die jeweils den Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel mit dem freien axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform verbinden. Die Umfangsendflächen können dabei von geraden bzw. ungekrümmten oder von gekrümmten Linien begrenzten Querschnitten gebildet sein. Zudem weist die Laufschaufelinnenplattform eine Dicke bzw. eine Erstreckung in radialer Richtung auf, die sich von dem Verbindungsquerschnitt bis zu dem freien axialen Ende ändern, insbesondere verringern kann. Die Krümmung kann dabei durch jede geeignete geometrische Form definiert sein, insbesondere auch einen gekrümmten Übergang von einer zu einer anderen Form aufweisen wie insbesondere einen elliptischen oder kreisrunden Kurvenabschnitt.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Überlegung, dass die typische Belastung, der eine Laufschaufelinnenplattform ausgesetzt ist, in einem zentralen Bereich am Übergang von der Laufschaufelinnenplattform zur Laufschaufel am größten ausfällt und in einer Umfangsrichtung entlang des Laufschaufelinnenplattformquerschnitts sowie in Richtung zum axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform hin abnimmt.
Die Erfindung beruht auf der Idee, eine Geometrie am Übergang und in einem schaufelblattnahen Bereich der Laufschaufelinnenplattform derart zu gestalten, dass ein Flächenträgheitsmoment zumindest in einem Bereich nahe des Verbindungsquerschnitts mit der Laufschaufel erhöht werden kann. Die konvexe Krümmung in Richtung zum Schaufelfuß der Laufschaufel kann insbesondere mit Bezug auf eine Mittelachse der Laufschaufelinnenplattform symmetrisch ausgebildet sein. Somit kann ein, insbesondere gegenüber einer radialen Mittelachse der Laufschaufelinnenplattform symmetrischer Verbindungsquerschnitt der Laufschaufelinnenplattform in einem Verbindungsbereich zu der Laufschaufel bereitgestellt werden, der über die Umfangsrichtung eine durch den Mittelabschnitt gebildete bzw. ausgeformte Sicke aufweist, welche einer Belastung der Laufschaufelinnenplattform entgegenwirken kann.
Die Erfindung weist ferner auch den Vorteil auf, dass sie gegenüber einer Anordnung mit einem Pad als Stabilisierungselement nicht zu einer wesentlichen Massenzunahme der Laufschaufelinnenplattform bzw. der Laufschaufel führt.
Bei einer Ausführungsform weist jede der Verbindungslinien zwei Geradenabschnitte auf, welche jeweils tangential in den Mittelabschnitt übergehen und diesen jeweils in Richtung zur jeweiligen Umfangsendfläche hin verlängern, wobei die Geradenabschnitte ungekrümmt verlaufen. Die Vertiefung oder Auswölbung im Verbindungsquerschnitt wird in Umfangsrichtung mittels der Geradenabschnitte fortgeführt und ermöglicht, insbesondere abhängig von einer Steigung der Geradenabschnitte, eine belastungsangepasste Geometrie. Durch die Geradenabschnitte, welche angrenzend an den Mittellabschnitt angeordnet sind, kann eine Stabilisierungswirkung gegenüber solchen Belastungen verbessert werden.
Durch die Aufteilung der Verbindungslinien, welche jeweils radial äußere oder radial innere Endpunkte der Umfangsendflächen verbinden, in verschiedenartig ausgebildete Abschnitte, insbesondere den Mittelabschnitt und die Geradenabschnitte, kann eine bedarfsangepasste Auslegung der Belastungsbeständigkeit erfolgen. Dadurch, dass die beiden genannten Abschnitte der Verbindungslinien tangential bzw. mathematisch glatt, also ohne Knick, ineinander übergehen, können unerwünschte Verwirbelungen im Gasstrom vermieden bzw. reduziert werden.
Bei einer Ausführungsform verlaufen die Geradenabschnitte der Verbindungslinien bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche. Hierdurch kann eine einfache Sickengeometrie geschaffen werden, welche insbesondere einen Herstellungs- und/oder Auslegungsprozess für die Laufschaufelinnenplattform vereinfachen kann.
Bei einer Ausführungsform gehen die Geradenabschnitte der Verbindungslinien jeweils tangential in einen Krümmungsabschnitt über, welcher den Geradenabschnitt jeweils in Richtung zur Umfangsendfläche hin verlängert, wobei die Krümmungsabschnitte gekrümmt verlaufen. Der Krümmungsabschnitt kann dabei wenigstens abschnittsweise wenigstens einen Radius, keinen, einen oder mehrere Wendepunkte aufweisen und rechts und/oder linksgekrümmt ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Sickengeometrie angepasst an spezifische Belastungsanforderungen ausgelegt werden.
Bei einer Ausführungsform verlaufen die Krümmungsabschnitte bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche hin. Damit kann die Verbindungslinie bzw. die Verbindungslinien in Umfangsrichtung drei geometrisch unterschiedliche Ausprägungen aufweisen, um ein Verbindungsquerschnitt bzw. eine Geometrie der Laufschaufelinnenplattform angepasst an im Betrieb der Strömungsmaschine auftretende Trägheitsanforderungen gestalten zu können.
Bei einer Ausführungsform gehen die Geradenabschnitte oder die Krümmungsabschnitte jeweils tangential in einen Endabschnitt über, welcher den Geradenabschnitt oder den Krümmungsabschnitt jeweils in Richtung zur Umfangsendfläche hin verlängert, wobei der jeweilige Endabschnitt, insbesondere die Krümmung des Kreisbogens des freien axialen Endes oder eine Krümmung eines Kreises um die Strömungsmaschinenlängsachse, aufweist. Eine über die Axialerstreckung der Laufschaufelinnenplattform gleichbleibende umfangsseitige kreisbogenförmige Ausgestaltung ermöglicht eine strömungsgünstige Gestaltung einer rotierenden der Laufschaufel.
Bei einer Ausführungsform verlaufen die Endabschnitte bis zu den jeweiligen Umfangsendflächen. Diese Konfiguration der jeweiligen Endabschnitte ermöglicht eine aerodynamischer Kontinuität zweier benachbart angeordneter Laufschaufelinnenplattformen.
Bei einer Ausführungsform verläuft der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt bis zu dem freien axialen Ende der Laufschaufelinnenplattform. Wie bereits ausgeführt, definiert die Angabe, dass "der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von einem Bereich in den anderen Bereich verläuft, dass der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform sich kontinuierlich ändernd von dem einen Bereich in den Querschnitt des anderen Bereichs übergeht. Entsprechend erstreckt sich bei dieser Ausführungsform die durch den Verbindungsquerschnitt festgelegte Sickengeometrie kontinuierlich bis zum freien axialen Ende hin, wobei sich deren am Verbindungsquerschnitt definierte Ausprägung kontinuierlich zum freien Ende hin verringert und dort den definierten freien Querschnitt aufweist. Auf diese Weise wird eine strömungsgünstige Gestaltung geschaffen und ein trägheitsreduzierender Effekt der Sickengeometrie verbessert.
Bei einer Ausführungsform verläuft der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt bis zu 80%, 85%, 90% oder 95% einer Längenerstreckung der Laufschaufelinnenplattform in Richtung zum freien axialen Ende hin und weist über die verbleibenden 20%, 15%, 10% oder 5% den Querschnitt des freien axialen Endes auf. Hierbei ist die Laufschaufelinnenplattform in jeder Querschnittsebene des verbleibenden Querschnitts radial innen und radial außen insbesondere durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt, deren gemeinsamer Mittelpunkt insbesondere mit der Drehachse der Strömungsmaschine zusammenfällt. Insbesondere kann sich der verbleibende gleichbleibende Querschnitt über 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm der axialen Längserstreckung der Laufschaufelinnenplattform erstrecken. Hierdurch können günstige aerodynamische Eigenschaften des kreisbogenförmigen Verlaufs im Betrieb der Strömungsmaschine genutzt bzw. Störströmungen vermieden werden.
Bei einer Ausführungsform weisen die innere und die äußere Verbindungslinie eine im Wesentlichen gleiche Abfolge an Abschnitten auf. Insbesondere weisen die Abschnitte der inneren und äußeren Verbindungslinien gleiche Längen, Krümmungen und/oder Steigungen auf, um einen gleichmäßigen und/oder symmetrischen Verbindungsabschnitt zu bilden.
Bei einer Ausführungsform verlaufen die innere und die äußere Verbindungslinie im Wesentlichen parallel versetzt zueinander. Hierdurch kann eine Dicke der Laufschaufelinnenplattform über die Umfangserstreckung gleichbleibend ausgestaltet sein, um auf ungleicher Massenverteilung basierende Belastungen während der Rotation zu vermeiden.
Bei einer Ausführungsform weist ein Extremum des Mittelabschnitts einen vorbestimmten Abstand zu einem radial äußeren Ende der Umfangsendflächen auf, der gleich, größer oder geringer ist als ein Abstand der Verbindungslinien zueinander. Damit kann eine robuste Ausgestaltung der Laufschaufelinnenplattform ermöglicht werden, da die Dicke der Laufschaufelinnenplattform homogen ausgestaltet werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Extremum in der Mitte einer Umfangserstreckung der Laufschaufelinnenplattform angeordnet, wodurch eine gleichmäßige Belastungsverteilung über die Umfangserstreckung der Laufschaufelinnenplattform erzielt werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Laufschaufelanordnung vorgeschlagen, die wenigstens eine hierin beschriebene Laufschaufel aufweist. Eine solche Laufschaufelanordnung weist mehrere, in einer Umfangsrichtung verteilte Laufschaufeln auf, die lösbar oder dauerhaft, insbesondere stoffschlüssig, mit einem Rotor bzw. einer Rotorscheibe verbunden, insbesondere integral mit diesem ausgebildet sein können. Eine derartig ausgebildete Laufschaufelanordnung kann betriebsmäßigen Belastungen besser standhalten und dadurch eine erhöhte Lebensdauer aufweisen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer beispielhaften Strömungsmaschine;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer beispielhaften Turbinenstufe mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Laufschaufel;
Fig. 3: eine perspektivische Detailansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Laufschaufel in einer schematischen Darstellung;
Fig. 4: eine Schnittdarstellung der beispielhaften erfindungsgemäßen Laufschaufel aus Fig. 3 in einer schematischen Darstellung; und
Fig. 5a bis 5d: schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Laufschaufelinnenplattformen erfindungsgemäßer Laufschaufeln in schematischen Querschnittsansichten.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1, hier beispielhaft ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut. Jede Stufe setzt sich aus einer Laufschaufelanordnung und einer in Strömungsrichtung darauffolgend angeordneten Leitschaufelanordnung zusammen. Eine solche Turbinenstufe, insbesondere eine Niederdruckturbinenstufe, insbesondere schnelldrehende Niederdruckturbinenstufe, kann eine erfindungsgemäße Laufschaufel und/oder eine erfindungsgemäße Laufschaufelanordnung aufweisen.
Die Laufschaufelanordnungen rotieren im Betrieb um die Längsachse bzw. Drehachse 2 der Strömungsmaschine 1. Im Verdichter 1a wird die angesaugte Luft komprimiert, und dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Brennstoff verbrannt. Die hierdurch entstehende Strömung (Primärströmung) durchströmt einen Heißgaskanal 3 und treibt dabei die dort angeordneten Laufschaufelanordnungen an, die um die Drehachse 2 rotieren.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Turbinenstufe 50 mit einer erfindungsgemäßen Laufschaufelanordnung 10, aufweisend eine Anzahl an erfindungsgemäßen in einer Umfangsrichtung verteilt angeordneter Laufschaufeln 20. Die dargestellte Laufschaufel 20 weist ein Schaufelblatt 22 und radial innen einen Schaufelfuß 21 und im Bereich des Schaufelfußes 21 eine Laufschaufelinnenplattform 40 auf, welche sich axial stromaufwärts in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse 2 von der Laufschaufel 20 erstreckt. Stromabwärts an die Laufschaufelanordnung 10 anschließend (rechts in Fig. 2) weist die Turbinenstufe eine Leitschaufelanordnung 30 mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Leitschaufeln 31 auf, die benachbart zu der Laufschaufelanordnung 10 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 in einem Bereich des Schaufelfußes 21 in einer schematischen Darstellung. Ausgehend von der Laufschaufel 20 erstreckt sich axial in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse 2 eine Laufschaufelinnenplattform 40. Dabei sind die Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40 über einen nicht dargestellten Verbindungsquerschnitt miteinander verbunden.
Die Laufschaufelinnenplattform 40 weist zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen 41 und ein freies axiales Ende 42 auf. Der Querschnitt des freien axialen Endes 42 ist radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt, deren Mittelpunkte mit der Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1 zusammenfallen. Der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform 40 verläuft von dem Verbindungsquerschnitt mit der Laufschaufel 20 in einer Richtung zu dem freien axialen Ende 42 der Laufschaufelinnenplattform 40, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel bis zum freien axialen Ende 42 der Laufschaufelinnenplattform 40, kontinuierlich. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform 40 kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt bis zu 80%, 85%, 90% oder 95% der axialen Längenerstreckung der Laufschaufelinnenplattform 40 in Richtung des freien axialen Endes 42 verlaufen. Dabei weisen die verbleibenden 20%, 15%, 10% oder 5% der axialen Längenerstreckung der Laufschaufelinnenplattform 40 den Querschnitt des freien axialen Endes 42 auf, welcher somit, radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt ist.
Im Verbindungsbereich zwischen der Laufschaufel 20 und der Laufschaufelinnenplattform 40 kann eine Verrundung 44 ausgebildet sein, um einen günstigen Übergang zwischen der Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40 zu ermöglichen.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 aus Fig. 3 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Ebene eines Verbindungsquerschnitts zwischen der Laufschaufel 20 und der Laufschaufelinnenplattform 40.
Die Laufschaufelinnenplattform 40 weist einen Verbindungsquerschnitt 45 mit der Laufschaufel 20 auf, der radial innen durch eine innere Verbindungslinie 46 und radial außen durch eine äußere Verbindungslinie 47 begrenzt ist. In Umfangsrichtung ist der Verbindungsquerschnitt 45 durch die einander gegenüberliegenden Umfangsendflächen 41 begrenzt. Die Umfangsendflächen 41 sind hierbei in Form und Lage zur Drehachse identisch ausgebildet, sodass sich zwei benachbart angeordnete Umfangsendflächen 41 zweier benachbart angeordneter Laufschaufeln eine versatzlose Übergangskontur aufweisen können, sodass eine laufruhige Rotation der Laufschaufelanordnung begünstigt wird. Beide Verbindungslinien 46, 47 weisen jeweils einen Mittelabschnitt 61 auf, welcher eine konvexe Krümmung in Richtung zum Schaufelfuß 21 der Laufschaufel 20 aufweist. An beide Enden des Mittelabschnitts 61 grenzen Geradenabschnitte 62 an, welche jeweils tangential in den Mittelabschnitt 61 übergehen und diesen jeweils in Richtung der jeweiligen Umfangsendfläche 41 verlängern. Die Geradenabschnitte 62 verlaufen dabei ungekrümmt bzw. die Geradenabschnitte weisen keine Krümmung auf. Die durch den Verbindungsquerschnitt definierte Sicke kann ein Flächenträgheitsmoment der Laufschaufel 20 im Bereich der Laufschaufelinnenplattform 40 und somit eine Festigkeit der Laufschaufel 20 erhöhen, um eine Lebensdauer zu verlängern.
Die Verbindungslinien 46, 47 können neben Mittelabschnitt und Geradenabschnitten zusätzliche Abschnitte aufweisen, welche anhand verschiedener Ausführungsbeispiele in der nachstehenden Beschreibung zu den Figuren 5a bis 5d zur Verdeutlichung weiter ausgeführt sind. Dabei weisen die Verbindungslinien 46, 47 im Wesentlichen gleiche Abfolgen an Abschnitten auf, die wenigstens abschnittsweise parallel versetzt zueinander verlaufen.
Fig. 5a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Ebene eines Verbindungsquerschnitts 45 zwischen Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40.
Jede der Verbindungslinien 46, 47 weist einen Mittelabschnitt 61 mit einer konvexen Krümmung in Richtung zum Schaufelfuß 21 der Laufschaufel 20 auf. Daran anschließend weisen die Verbindungslinien 46, 47 jeweils zwei Geradenabschnitte 62 auf, die den Mittelabschnitt 61 jeweils in Richtung zur jeweiligen Umfangsendfläche hin verlängern und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche 41 verlaufen. Ein Übergang zwischen Mittelabschnitt 61 und den Geradenabschnitten 62 ist dabei jeweils tangential bzw. mathematisch glatt bzw. stetig, weist also keinen Knick oder Bruch auf.
Ein Extremum E des Mittelabschnitts 61 der Verbindungslinie 47 kann dabei einen Abstand A zu einem radial äußeren Ende 441 der Umfangsendflächen 41 aufweisen, der gleich, größer oder geringer ist als ein Abstand D der Verbindungslinien 46, 47 zueinander.
Fig. 5b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Ebene eines Verbindungsquerschnitts 45 zwischen Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40.
Jede der Verbindungslinien 46, 47 weist einen Mittelabschnitt 61 und daran anschließende Geradenabschnitte 62 auf, die den Mittelabschnitt 61 jeweils in Richtung zur jeweiligen Umfangsendfläche hin verlängern. Die Geradenabschnitte 62 gehen jeweils tangential in einen Krümmungsabschnitt 63 über, welcher den jeweiligen Geradenabschnitt 62 in Richtung der jeweiligen Umfangsendfläche 41 verlängert. Die Krümmungsabschnitte 63 verlaufen rechtsgekrümmt bzw. weisen diese wenigstens eine konkave Krümmung in Richtung zu einem Schaufelfuß 21 der Laufschaufel 20 auf und verlaufen bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche 41. Hierbei kann die konkave Krümmung einen Kreisbogen um einen radial von der Verbindungslinie 46, 47 beabstandeten Mittelpunkt umfassen.
Fig. 5c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Ebene eines Verbindungsquerschnitts 45 zwischen Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40.
Jede der Verbindungslinien 46, 47 weist einen Mittelabschnitt 61 und daran anschließende Geradenabschnitte 62 auf, die den Mittelabschnitt 61 jeweils in Richtung der jeweiligen Umfangsendfläche verlängern. Die Geradenabschnitte 62 gehen jeweils tangential in einen Krümmungsabschnitt 63 über, welcher den jeweiligen Geradenabschnitt 62 in Richtung der jeweiligen Umfangsendfläche 41 verlängert. Die Krümmungsabschnitte 63 weisen ein konkave Krümmung auf, die beispielsweise einer elliptischen Kurve folgen kann.
Fig. 5d zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 20 in einer schematischen Schnittdarstellung in einer Ebene eines Verbindungsquerschnitts 45 zwischen Laufschaufel 20 und Laufschaufelinnenplattform 40.
Jede der Verbindungslinien 46, 47 weist einen Mittelabschnitt 61 und daran anschließende Geradenabschnitte 62 auf. Die Geradenabschnitte 62 gehen jeweils tangential in einen Krümmungsabschnitt 63 über. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die Krümmungsabschnitte 63 jeweils tangential in einen Endabschnitt 64 über, welcher den Krümmungsabschnitt 63 jeweils in Richtung zur der Umfangsendfläche 41 hin verlängert. Dabei weist der jeweilige Endabschnitt 64 bei der in Fig. 5d gezeigten beispielhaften Ausführung die Krümmung des Kreisbogens auf, der das freie axiale Ende 42 der radial innen und radial außen begrenzt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Strömungsmaschine
1a: Verdichter
1b: Brennkammer
1c: Turbine
2: Drehachse bzw. Strömungsmaschinenachse
3: Heißgaskanal
10: Laufschaufelanordnung
20: Laufschaufel
21: Schaufelfuß
22: Schaufelblatt
30: Leitschaufelanordnung
31: Leitschaufel
40: Laufschaufelinnenplattform
41: Umfangsendfläche
42: freies axiales Ende
44: Verrundung
45: Verbindungsquerschnitt
46, 47: Verbindungslinie
50: Turbinenstufe
61: Mittelabschnitt
62: Geradenabschnitt
63: Krümmungsabschnitt
64: Endabschnitt
441: radial äußeres Ende der Umfangsendfläche

A: Abstand Extremum zum radial äußeren Ende der Umfangsendflächen
E: Extremum
D: Abstand der Verbindungslinien bzw. Dicke der Laufschaufelinnenplattform

Claims

Laufschaufel (20) für eine Laufschaufelanordnung (10) einer Strömungsmaschine (1), aufweisend eine Laufschaufelinnenplattform (40), welche sich axial in Bezug auf eine Strömungsmaschinenlängsachse (2) von der Laufschaufel (20) erstreckt und zwei einander gegenüberliegende Umfangsendflächen (41) und ein freies axiales Ende (42) aufweist, dessen Querschnitt radial innen und radial außen durch Kreisbögen zweier konzentrischer Kreise begrenzt ist,
wobei die Laufschaufelinnenplattform (40) einen Verbindungsquerschnitt (45) mit der Laufschaufel (20) aufweist, der radial innen durch eine innere Verbindungslinie (46) und radial außen durch eine äußere Verbindungslinie (47) begrenzt ist, wobei jede der Verbindungslinien (46, 47):
einen Mittelabschnitt (61) aufweist, welcher eine konvexe Krümmung in Richtung zum Schaufelfuß (21) der Laufschaufel (20) oder in Richtung zum Schaufelblatt (22) aufweist; und

wobei der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform (40) kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt (45) mit der Laufschaufel (20) in einer Richtung zu dem freien axialen Ende (42) der Laufschaufelinnenplattform (40) verläuft.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 1, wobei jede der Verbindungslinien (46, 47) zwei Geradenabschnitte (62) aufweist, welche jeweils tangential in den Mittelabschnitt (61) übergehen und diesen jeweils in Richtung zur jeweiligen Umfangsendfläche (41) hin verlängern, wobei die Geradenabschnitte (62) ungekrümmt verlaufen.
Laufschaufel (20) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Mittelabschnitt (61) oder die Geradenabschnitte (62) bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche (41) verlaufen.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 2, wobei die Geradenabschnitte (62) jeweils tangential in einen Krümmungsabschnitt (63) übergehen, welcher den Geradenabschnitt (62) jeweils in Richtung zur Umfangsendfläche (41) hin verlängert, wobei die Krümmungsabschnitte (63) gekrümmt verlaufen.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 4, wobei die Krümmungsabschnitte (63) bis zu der jeweiligen Umfangsendfläche (41) hin verlaufen.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 2 oder 4, wobei die Geradenabschnitte (62) oder die Krümmungsabschnitte (63) jeweils tangential in einen Endabschnitt (64) übergehen, welcher den Geradenabschnitt (62) oder den Krümmungsabschnitt (63) jeweils in Richtung zur Umfangsendfläche (41) hin verlängert, wobei der jeweilige Endabschnitt (64) insbesondere eine Krümmung eines Kreises um die Strömungsmaschinenlängsachse (2) aufweist.
Laufschaufel (20) nach Anspruch 6, wobei die Endabschnitte (64) bis zu den jeweiligen Umfangsendflächen (41) verlaufen.
Laufschaufel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform (40) kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt (45) bis zu dem freien axialen Ende (42) der Laufschaufelinnenplattform (40) verläuft.
Laufschaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Querschnitt der Laufschaufelinnenplattform (40) kontinuierlich von dem Verbindungsquerschnitt (45) bis zu 80%, 85%, 90% oder 95% einer axialen Längserstreckung der Laufschaufelinnenplattform (40) in Richtung des freien axialen Endes (42) verläuft und über die verbleibenden 20%, 15%, 10% oder 5% den Querschnitt des freien axialen Endes (42) aufweist.
Laufschaufel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere und äußere Verbindungsline (46, 47) eine im Wesentlichen gleiche Abfolge an Abschnitten (61, 62, 63, 64) aufweisen.
Laufschaufel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Abschnitte (61, 62, 63, 64) der inneren und äußeren Verbindungsline (46, 47) wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen parallel versetzt zueinander verlaufen.
Laufschaufel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Extremum (E) des Mittelabschnitts (61) einen vorbestimmten Abstand (A) zu einem radial äußeren Ende (441) der Umfangsendflächen (41) aufweist, der gleich oder geringer ist als ein Abstand (D) der Verbindungslinien (46, 47) zueinander.
Laufschaufel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Extremum (E) in der Mitte einer Umfangserstreckung der Laufschaufelinnenplattform (40) angeordnet ist.
Laufschaufelanordnung (10) aufweisend wenigstens eine Laufschaufel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.