EP4466446A1 - Turbinenschaufel und rotor - Google Patents

Turbinenschaufel und rotor

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EP4466446A1
EP4466446A1 EP22843265.4A EP22843265A EP4466446A1 EP 4466446 A1 EP4466446 A1 EP 4466446A1 EP 22843265 A EP22843265 A EP 22843265A EP 4466446 A1 EP4466446 A1 EP 4466446A1
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EP
European Patent Office
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blade root
longitudinal axis
axial
blade
groove
Prior art date
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Pending
Application number
EP22843265.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Stanka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4466446A1 publication Critical patent/EP4466446A1/de
Pending 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
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3023—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses
    • F01D5/303—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses in a circumferential slot
    • F01D5/3038—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses in a circumferential slot the slot having inwardly directed abutment faces on both sides
    • 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
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/291—Three-dimensional machined; miscellaneous hollowed
    • 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
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/294—Three-dimensional machined; miscellaneous grooved

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade that is designed to be lighter and to a rotor with such turbine blades.
  • Turbine blades of turbines such as steam turbines or gas turbines, are held in corresponding grooves in turbine disks/rotor disks of a rotor.
  • the grooves are designed to be more or less complementary to the blade root.
  • the object is achieved by a turbine blade according to claim 1 and a rotor according to claim 3.
  • Figure 1 shows schematically a blade root of a turbine blade in a rotor disk
  • Figure 3 the rotor disc.
  • FIG. 2 This is here a blade root 1 (FIG. 2), in particular in the form of a double hammer head, as is often used in steam turbines, in particular for steam turbines in the medium-pressure sector.
  • the invention can also be applied to other blade roots, such as in particular a single hammer head, and thus also to other grooves with other shapes.
  • the blade root 1 of a turbine blade (not shown in any more detail) has a longitudinal axis 30 which extends in the radial direction and in particular represents an axis of symmetry at least for the blade root 1 .
  • the longitudinal axis 30 runs in the radial direction.
  • An axial direction 51 runs perpendicular to the longitudinal axis 30.
  • the exemplary design here as a double hammer head preferably requires that the outer axial side surfaces of the axial, upper 7', 7'' and axial, lower projections 8', 8'' of the blade root 1 have the same distance from the longitudinal axis 30 and in the planes of which the longitudinal axis 30 (or a parallel thereto) runs.
  • a longitudinal axis 30 (or a parallel thereto) runs perpendicularly to the plane of the radial, upper bearing surfaces 10',
  • the longitudinal axis 30 (or a parallel thereto) runs perpendicularly to the plane of the radial, lower bearing surfaces 11',
  • the radial, lower bearing surfaces 11', 11'' preferably run parallel to the radial, upper bearing surfaces 10', 10''.
  • the blade root 1 preferably has a foot projection 16 at its distal end.
  • This depression 13 or this passage 13 saves material and thus weight.
  • the depression 13 preferably represents a rectangle in cross-section, the corners of which are semicircular or arc-shaped or oval-shaped.
  • the shape of the recess 13 is elongated along the longitudinal axis 30 and has no angular edges or transitions, but round transitions.
  • the rotor disk 2 (FIG. 3) has a bottom 20 in the groove 3 .
  • the longitudinal axis 30 preferably represents a perpendicular to the floor 20.
  • FIG. 1 shows blade root 3 from FIG. 2 interacting with rotor disk 2 according to FIG.
  • the blade root 1 and the groove 3 of the rotor disk 2 have the same longitudinal axis 30 .
  • the blade root 1 rests with its axial contact surfaces 22', 22'' in the axial direction 51 on the groove contact surfaces 33', 33'' of the rotor disk 2.
  • the axial, upper projections 7', 7'' of the blade root 1 lie with the radial, upper bearing surfaces 10', 10'' in the upper bulges 40', 40'' of the groove 3 in the radial direction of the longitudinal axis 30 on the rotor disk 2.
  • the axial, lower projections 8′, 8′′ of the blade root 1 with the radial, lower bearing surfaces 11′, 11′′ are preferably in contact with the rotor disk 2 in the lower bulges 43′, 43′′ of the groove 3 in the radial direction of the longitudinal axis 30.
  • the blade root 1 can rest on the base 20 or be completely spaced from the base 20 or has the root projection 16 in particular at its end, which extends in particular symmetrically to the longitudinal axis 30 and thus the blade root 1 on the base 20 in the groove 3 of the rotor disk 2 only partially rests on the base 20 for the purpose of stabilization.
  • the foot projection 16 has at most 30% of the area of the floor 20 .
  • a gap 19 between the end of the blade root 1 and the bottom 20 of the groove 3 around the foot projection 16 is preferably present at least in places. This also contributes to weight reduction.
  • the base 20 transverse to the longitudinal axis 30 is preferably wider than the distance between the contact surfaces 22', 22'' of the blade root 1 or between the inner surfaces at the level of the lower cavity 28.
  • the blade root 1 is arranged and fastened in the groove 3 .
  • the radial contact surfaces 10, 11 hold the blade root 1 and thus the turbine blade firmly in the direction of the longitudinal axis 30, whereas below the height of the surface 21 of the Rotor disk 2 two axial contact surfaces 22 of the disk 2 are located on which the blade root 1 rests.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit Schaufelfuß (1), der längs einer Längsachse (30) jeweils zwei axiale Vorsprünge (7', 7"; 8', 8") aufweist mit radialen Auflageflächen (10', 10"; 11', 11") zur Anlage an Anlageflächen einer Nut (3) einer Turbinenscheibe (2), wobei der Schaufelfuß (1) eine Vertiefung (13) längs einer Längsachse (30) aufweist, die (13) sich insbesondere über mindestens die Hälfte des Schaufelfußes (1) in Richtung der Längsachse (30) erstreckt, und/oder an einem Ende des Schaufelfußes (1) einen Fußvorsprung (16) aufweist, der nur einen Boden (20) einer Nut (3) berühren kann, wobei der Fußvorsprung (16) insbesondere einen Querschnitt von höchstens 30 % der Fläche des Bodens (20) aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Rotor ausweisend zumindest eine Rotorscheibe (2) mit zumindest einer Nut (3) und zumindest einer solchen Turbinenschaufel.

Description

Beschreibung
Turbinenschaufel und Rotor
Die Erfindung betri f ft eine Turbinenschaufel , die leichter ausgebildet ist sowie einen Rotor mit solchen Turbinenschaufeln .
Turbinenschaufeln von Turbinen wie von Dampfturbinen oder von Gasturbinen werden in entsprechenden Nuten von Turbinenschei- ben/Rotorscheiben eines Rotors gehalten .
Dabei sind die Nuten mehr oder weniger komplementär zum Schaufel fuß ausgebildet .
Beispiele dafür sind in der DE 3736836 Al in Figur 1 oder in DE 2549112 in der Figur gezeigt .
Es ist ständige Aufgabe des Fachmanns das Gewicht von Turbinenschaufeln zu reduzieren, da die Turbinenschaufeln aufgrund der hohen Zentri fugalkräfte hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind .
Dies kann durch leichtere Materialien erfolgen, was aber auch zu höheren Kosten führen kann .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 und einen Rotor gemäß Anspruch 3 .
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen . Es zeigen
Figur 1 schematisch einen Schaufelfuß einer Turbinenschaufel in einer Rotorscheibe,
Figur 2 den Schaufelfuß und
Figur 3 die Rotorscheibe.
Die Figuren und die Beschreibung mit Alternativen stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Dies ist hier ein Schaufelfuß 1 (Fig. 2) insbesondere in der Ausbildung eines Doppelhammerkopfs, wie er bei Dampfturbinen oft verwendet wird, insbesondere für Dampfturbinen im Mitteldrucksektor .
Die Erfindung lässt sich aber auch auf andere Schaufelfüße wie insbesondere Einzelhammerkopf und damit auch auf andere Nuten mit anderen Formen übertragen.
Der Schaufelfuß 1 einer Turbinenschaufel (nicht weiter näher dargestellt) weist eine Längsachse 30 auf, die sich in radialer Richtung erstreckt und insbesondere zumindest für den Schaufelfuß 1 eine Symmetrieachse darstellt.
Die Längsachse 30 verläuft in radialer Richtung.
Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist ein anschließender optionaler Hals, eine Schaufelplattform und ein Schaufelblatt 4 der Turbinenschaufel nicht näher dargestellt.
Senkrecht zur Längsachse 30 dazu verläuft eine axiale Richtung 51.
Im Querschnitt weist der Schaufelfuß 1 auf beiden Seiten axiale, obere 7', 7' ' (=7) und axiale, untere Vorsprünge 8', 8' ' (=8) auf, die jeweils in eine Rotorscheibe 2 eingreifen (Fig. 1, 3) .
Die hier beispielhafte Ausgestaltung als Doppelhammerkopf bedingt vorzugsweise, dass die äußeren axialen Seitenflächen der axialen, oberen 7', 7' ' und axialen, unteren Vorsprünge 8', 8' ' des Schaufelfußes 1 denselben Abstand zur Längsachse 30 aufweisen und in deren Ebenen die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft.
Unterhalb der Schaufelplattform weist der Schaufelfuß 1 auf beiden Seiten äußere axiale Kontakt flächen 22', 22' ' (=22) auf, in deren Ebene die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft.
Danach schließen sich in Längsrichtung gesehen zum Ende hin auf beiden Seiten axiale, obere Einbuchtungen 32', 32' ' (=32) an, auf die dann die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7' ' des Schaufelfußes 1 folgen.
Die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7' ' weisen nach den axiale, oberen Einbuchtungen 32', 32' ' radiale, obere Auflageflächen 10', 10' ' (=10) zur Anlage an der Rotorscheibe 2 (Fig.
1, 3) auf.
Eine Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft senkrecht zur Ebene der radialen, oberen Auflageflächen 10',
10 " .
Nach den axialen, oberen Vorsprüngen 7', 7' ' schließen sich axiale, untere Einbuchtungen 34', 34' ' an, auf die dann die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8' ' des Schaufelfußes 1 folgen .
Die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8' ' weisen nach den axialen, unteren Einbuchtungen 34', 34' ' (=34) radiale, untere Auflageflächen 11', 11' ' (=11) zur Anlage an der Rotorscheibe 2 (Fig. 1, 3) auf.
Die Längsachse 30 (bzw. eine Parallele dazu) verläuft senkrecht zur Ebene der radialen, unteren Auflageflächen 11',
11 " . Die radialen, unteren Auflageflächen 11', 11' ' verlaufen vorzugsweise parallel zu den radialen, oberen Auflageflächen 10 ', 10 " .
Der Schaufelfuß 1 weist an seinem distalen Ende vorzugsweise einen Fuß vorsprung 16 auf.
Als eine Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung und zur Verringerung der mechanischen Belastung der Rotorscheibe 2 ist längs der Längsachse 30 im Schaufelfuß insbesondere mittig eine Vertiefung 13 oder ein Durchgang 13 vorhanden, der insbesondere über die gesamte Tiefe (senkrecht zur Zeichnungsebene) des Schaufelfußes 1 verläuft und dann ein Durchgangsloch darstellt.
Durch diese Vertiefung 13 oder diesen Durchgang 13 wird Material eingespart und damit Gewicht.
Die Vertiefung 13 stellt vorzugsweise im Querschnitt ein Rechteck dar, wobei deren Ecken halbkreisförmig oder bogenförmig bzw. ovalförmig ausgebildet sind.
Die Form der Vertiefung 13 ist länglich entlang der Längsachse 30 ausgebildet und weist keine eckigen Kanten oder Übergänge auf, sondern runde Übergänge.
Die Rotorscheibe 2 (Fig. 3) weist in der Nut 3 einen Boden 20 auf .
Ausgehend von der Oberfläche 21 der Rotorscheibe 2 erstreckt sich die Nut 3 zuerst entlang zur Längsachse 30 parallelen Nut-Kontaktflächen 33', 33' ' (=33) in Richtung Boden 20.
Danach folgen auf beiden Seiten axiale, obere Nutvorsprünge 23', 23' ' (=23) , die in die Nut 3 hineinragen.
Danach folgen in der Rotorscheibe 2 obere Ausbuchtungen 40', 40' ' (=40) , die sich anfangs vorzugsweise senkrecht zur Längsachse 30 erstrecken und dann vorzugsweise gekrümmt, dann parallel zur Längsachse 30 Richtung Boden 20 weiterverlaufen und dann gekrümmt weiterverlaufen.
In Richtung Boden 20 gesehen sind dann axiale, untere Nutvorsprünge 25', 25' ' (=25) auf beiden Seiten der Nut 3 vorhanden, die vorzugsweise genauso weit beabstandet voneinander sind wie die axialen, oberen Nutvorsprünge 23', 23' '.
Danach folgen in der Rotorscheibe 2 als letztes untere Ausbuchtungen 43', 43' ' (=43) , die sich anfangs vorzugsweise senkrecht zur Längsachse 30 erstrecken und dann gekrümmt verlaufen, dann parallel zur Längsachse 30 Richtung Boden 20 weiterverlaufen und dann gerundet in den Boden 20 übergehen.
Die Längsachse 30 stellt vorzugsweise eine Senkrechte auf dem Boden 20 dar.
In der Figur 1 ist der Schaufelfuß 3 aus Figur 2 in Wechselwirkung mit Rotorscheibe 2 gemäß Figur 3 dargestellt.
Der Schaufelfuß 1 sowie die Nut 3 der Rotorscheibe 2 weisen dieselbe Längsachse 30 auf.
Der Schaufelfuß 1 liegt mit seinen axialen Kontakt flächen 22', 22' ' in axialer Richtung 51 an den Nut-Kontaktflächen 33', 33' ' der Rotorscheibe 2 an.
Diese stellen vorzugsweise die einzigen axialen Kontaktbereiche in axialer Richtung von Rotorscheibe 2 und Schaufelfuß 1 dar .
Die axialen Kontakt flächen 22', 22' ' des Schaufelfußes 7 bedecken vorzugsweise nicht vollständig die Nut-Kontaktflächen 33', 33' ', so dass sich dort obere Hohlräume 31', 31' ' (=31) zwischen Schaufelfuß 1 und Rotorscheibe 2 bilden.
Die axialen, oberen Vorsprünge 7', 7' ' des Schaufelfußes 1 liegen mit den radialen, oberen Auflageflächen 10', 10' ' in den oberen Ausbuchtungen 40', 40' ' der Nut 3 in radialer Richtung der Längsachse 30 an der Rotorscheibe 2 an.
Vorzugsweise liegen die axialen, unteren Vorsprünge 8', 8' ' des Schaufelfußes 1 mit den radialen, unteren Auflageflächen 11', 11' ' in den unteren Ausbuchtungen 43', 43' ' der Nut 3 in radialer Richtung der Längsachse 30 an der Rotorscheibe 2 an.
Der Abstand der axialen, oberen oder unteren Vorsprünge 7', 7' ' ; 8', 8' ' ist kleiner als der maximale Abstand der oberen oder unteren Ausbuchtungen der Rotorscheibe 2, so dass sich dort mittlere Hohlräume 34', 34' ' (=34) und untere Hohlräume 28', 28' ' (=28) zwischen Schaufelfuß 1 und Rotorscheibe 2 in der Nut 3 bilden.
Der Schaufelfuß 1 kann auf dem Boden 20 anliegen oder komplett beabstandet von dem Boden 20 sein oder weist insbesondere an seinem Ende den Fußvorsprung 16 auf, der insbesondere symmetrisch sich zur Längsachse 30 erstreckt und somit der Schaufelfuß 1 auf dem Boden 20 in der Nut 3 der Rotorscheibe 2 nur partiell zwecks Stabilisierung an dem Boden 20 anliegt. Der Fußvorsprung 16 weist höchstens 30% der Fläche des Bodens 20 auf.
Somit ist vorzugsweise zumindest stellenweise ein Spalt 19 zwischen dem Ende des Schaufelfußes 1 und dem Boden 20 der Nut 3 um den Fuß vorsprung 16 vorhanden. Auch das trägt zur Gewichtsreduzierung bei.
Der Boden 20 quer zur Längsachse 30 ist vorzugsweise breiter als der Abstand zwischen den Kontakt flächen 22', 22' ' des Schaufelfußes 1 bzw. zwischen den Innenflächen auf Höhe des unteren Hohlraums 28.
In der Nut 3 ist der Schaufelfuß 1 angeordnet und befestigt.
Die radialen Anlageflächen 10, 11 halten den Schaufelfuß 1 und damit die Turbinenschaufel in Richtung der Längsachse 30 fest, wobei hingegen unterhalb der Höhe der Oberfläche 21 der Rotorscheibe 2 zwei axiale Kontakt flächen 22 der Scheibe 2 sich befinden, an dem der Schaufel fuß 1 anliegt .
Auch hier wird bewusst nicht die gesamte Fläche längs der Längsachse 30 ausgenutzt .

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel mit Schaufelfuß (1) , der längs einer Längsachse (30) jeweils zwei axiale Vorsprünge (7', 7' '; 8', 8' ') aufweist mit radialen Auflageflächen (10', 10' '; 11', 11' ') zur Anlage an Anlageflächen einer Nut (3) einer Turbinenscheibe (2) , wobei der Schaufelfuß (1) eine Vertiefung (13) , insbesondere ein Durchgangsloch (13) , längs einer Längsachse (30) aufweist, die (13) sich insbesondere über mindestens die Hälfte des Schaufelfußes (1) in Richtung der Längsachse (30) erstreckt, und/ oder an einem Ende des Schaufelfußes (1) einen Fußvorsprung (16) aufweist, der nur einen Boden (20) einer Nut (3) berühren kann, wobei der Fußvorsprung (16) insbesondere einen Querschnitt von höchstens 30% der Fläche des Bodens (20) aufweist.
2. Turbinenschaufeln nach Anspruch 1, bei dem sich die Vertiefung (13) längs einer Längsachse
(30) zumindest in der Länge über die axialen, oberen Vorsprünge (7) und/oder über die axialen, unteren Vorsprünge (11) erstreckt.
3. Rotor, aufweisend zumindest eine Rotorscheibe (2) mit zumindest einer Nut (3) und zumindest einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelfuß (1) nach Anspruch 1 oder 2 in der Nut (3) .
4. Rotor nach Anspruch 3, bei dem die axialen Vorsprünge (7, 8) den Schaufelfuß (1) in radialer Richtung halten, und zwei, insbesondere nur zwei, Nutkontakt flächen (33) der Rotorscheibe (2) an den axialen Kontakt flächen (22) des Schaufelfußes (1) in Umfangsrichtung anliegen.
EP22843265.4A 2022-01-20 2022-12-21 Turbinenschaufel und rotor Pending EP4466446A1 (de)

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DE102022200592.9A DE102022200592A1 (de) 2022-01-20 2022-01-20 Turbinenschaufel und Rotor
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