Laufschaufel und Strömungsmaschine mit Laufschaufel Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Steckfuß mit mehreren Lappen, die radial außenliegende erste Abschnitte und radial innenliegende zweite Abschnitte aufweisen, deren axiale Erstreckung geringer als diejenige der außenliegenden Abschnitte sind, sowie eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbi- ne, mit solchen Laufschaufeln.
Neben fest mit dem Rotor der Strömungsmaschine verbundenen, beispielsweise verschweißten Laufschaufeln sind heute insbesondere bei Dampfturbinen Laufschaufeln mit Tannenbaumfüßen und Steckfüßen gebräuchlich. So zeigt Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, in seiner 20. Auflage auf Seite R 67 eine Laufschaufel für eine Dampfturbine mit einem dreilappigen Steckfuß, wobei die einzelnen Lappen auf ihren beiden Axialseiten einen Absatz derart aufweisen, dass die Lappen einen radial außenliegenden ersten Abschnitt und einen radial innenliegenden zweiten Abschnitt aufweisen, dessen axiale Streckung geringer ist als diejenige des außen liegenden ersten Abschnittes. Solche Steckfüße müssen im Betrieb hohe Beanspruchungen ertragen. Zum einen treten, insbesondere bei höheren Rotordrehzahlen, große Fliehkräfte auf, die in radialer Richtung wirken. Zusätzlich übt das die Laufschaufeln umströmende und durch diese umgelenkte Medium, beispielsweise der Arbeit leistende Dampf, der in einer Dampfturbine entspannt wird, Kräfte in axialer und Umfangsrichtung auf die Laufschaufeln aus, die in den Steckfüßen abgestützt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Befestigung von Laufschaufeln von Strömungsmaschinen mittels Steckfuß zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Laufschaufel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 10 stellt eine Strömungsmaschine mit einer oder mehreren solchen Laufschaufeln un-
ter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
Der Steckfuß einer erfindungsgemäßen Laufschaufel weist einen ersten Lappen und zwei in axialer Richtung beidseits dieses ersten Lappens angeordnete zweite Lappen auf. Der Steckfuß kann insbesondere dreilappig ausgebildet sein, wobei der erste Lappen dann einen Zentrallappen und die beiden zweiten Lappen Randlappen bilden. Es können jedoch auch auf einer oder beiden axialen Seiten eines ersten oder zweiten Lappens weitere Lappen vorgesehen sein, die dann bevorzugt in ihren wesentlichen geometrischen Abmessungen wie der erste oder ein zweiter Lappen ausgebildet sind.
Die einander zugewandten Axialseiten des ersten und der zweiten Lappen weisen erfindungsgemäß einen Absatz auf, der sich in axialer Richtung derart erstreckt, dass die Lappen einen radial äußeren ersten Abschnitt und einen mit diesem über den Absatz verbundenen radial inneren zweiten Abschnitt aufweisen, dessen Erstreckung in axialer Richtung geringer ist als diejenige des ersten, äußeren Abschnittes. Die voneinander abgewandten Axialseiten der zweiten Lappen weisen vorzugsweise keinen Absatz auf, sondern bilden durchgehende, bevorzugt ebene axiale Stirnflächen. Bei einem dreilappigen Steckfuß weißt somit der Zentrallappen auf seinen beiden Axialseiten einen Absatz auf, die beiden Randlappen nur auf ihren inneren, dem Zentrallappen zugewandten Axialseiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch geeignete Wahl der radialen Höhen des ersten und zweiten Abschnittes in Relation zu einer axialen Gesamtbreite des Steckfußes die Kräfte, die ein solcher Steckfuß aufnehmen kann, deutlich erhöht werden können. Als axiale Gesamtbreite wird vorliegend der Abstand der axial außenliegenden Stirnflächen der beiden zweiten Lappen bezeichnet. Sind diese beiden axialen Stirnflächen nicht parallel, so kann als axiale Gesamtbreite insbesondere ein minimaler, maximaler oder mittlerer Abstand in axialer Richtung zugrunde gelegt werden. Die Richtungsangaben „axial", „radial" bzw. „in Umfangsrichtung" bezie- hen sich vorliegend auf die Richtungsangaben für Rotoren in Strömungsmaschinen, wenn die erfindungsgemäße Laufschaufel an einem solchen Rotor befestigt ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Verhältnis der radialen Höhe des ersten, radial äußeren Abschnittes im Bereich zwischen 0,39 und 0,45, bevorzugt zwischen 0,40 und 0,44 liegt, während das Verhältnis der radialen Höhe des zweiten, radial inneren Abschnittes zur axialen Gesamtbreite zwischen 0,40 und 0,46, bevorzugt zwischen 0,41 und 0,45 liegt. Als radiale Höhe eines ersten, radial äußeren Abschnittes wird dabei insbesondere die radiale Erstreckung zwischen dem Absatz und einem Steg bezeichnet, welcher einen ersten und einen zweiten Lappen in axialer Richtung miteinander verbindet. Dementsprechend wird als radiale Höhe eines zweiten, radial inneren Abschnittes insbesondere die radiale Erstre- ckung zwischen dem Absatz und einer radial inneren Stirnseite des Lappens bezeichnet. Variiert dabei eine radiale Erstreckung in axialer Richtung, da beispielsweise eine radiale Stirnseite, der Absatz und/oder ein zwei benachbarte Lappen verbindender Steg sich in axialer Richtung nicht parallel zur axialen Richtung erstreckt, kann als radiale Höhe insbesondere eine minimale, maximale oder mittlere radiale Erstreckung zugrunde gelegt werden.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis einer radialen Gesamthöhe der Lappen zur axialen Gesamtbreite im Bereich zwischen 0,88 und 0,94, vorzugsweise zwischen 0,89 und 0,93. Als radiale Gesamthöhe wird insbesondere die Summe der vorstehend definierten radialen Höhen des ersten und zweiten Abschnittes zuzüglich einer ra- dialen Höhe des Absatzes bezeichnet. Dieser Absatz kann ein rein radialer Absatz sein, so dass sich die axiale Erstreckung eines Lappens zwischen erstem und zweitem Bereich sprunghaft oder in einem sehr kurzen radialen Abschnitt ändert, i. e. der Absatz eine radiale Höhe aufweist, die im Wesentlichen gleich Null ist. In diesem Fall kann die radiale Gesamthöhe der Summe der radialen Höhen des ers- ten und zweiten Abschnittes entsprechen. Der Absatz kann jedoch auch eine Schräge aufweisen, so dass sich die axiale Breite des Lappens zwischen erstem und zweitem Abschnitt linear verjüngt. Auch andere, insbesondere konvex oder konkav gekrümmte Absätze sind möglich.
Entsprechend der vorstehend genannten bevorzugten Bereiche der radialen Hö- hen des ersten und zweiten Abschnittes und der radialen Gesamthöhe bezogen auf die axiale Gesamtbreite ergibt sich für einen Absatz ein bevorzugtes Verhältnis
von radialer Höhe zu axialer Gesamtbreite im Bereich zwischen 0,00 und 0,14, bevorzugt zwischen 0,00 und 0,12.
Der erste, radial äußere bzw. zweite radial innere Abschnitt eines ersten Lappens weist, bezogen auf die axiale Gesamtbreite, vorzugsweise ein Verhältnis im Be- reich zwischen 0,21 bis 0,27, vorzugsweise zwischen 0,22 und 0,26 bzw. zwischen 0,11 und 0,17, vorzugsweise zwischen 0,12 und 0,16 auf. Die axialen Erstreckungen des ersten bzw. zweiten Abschnitts eines zweiten Lappens stehen zur axialen Gesamtbreite bevorzugt in einem Verhältnis von 0,16 bis 0,22, vorzugsweise zwischen 0,17 und 0,21 bzw. in einem Verhältnis zwischen 0,11 und 0,17, vorzugsweise zwischen 0,12 und 0,16.
Bevorzugt sind die beiden Axialseiten eines Lappens parallel zueinander ausgebildet. Ist dies nicht der Fall, so kann als axiale Erstreckung insbesondere ein minimaler, maximaler oder mittlerer Abstand zwischen den beiden Axialseiten zugrunde gelegt werden. Zur Befestigung des Steckfußes in einer hierzu vorgesehenen Nutanordnung des Rotors der Strömungsmaschine weisen der erste und die zweiten Lappen bevorzugt eine, vorzugsweise zwei oder mehr radial beabstandete Bohrungen auf, die miteinander fluchten, so dass jeweils ein, vorzugsweise konischer, Bolzen in diese eingeschlagen werden kann. Zur Vermeidung von Herstellungs- und Montagetole- ranzen können diese Bohrungen auch nach dem Einstecken der Steckfüße in die Nutanordnungen gebohrt und/oder gerieben werden.
Bevorzugt ist die Lage der Bolzen derart gewählt, dass die Fliehkraftbelastung in einem oberen Rissquerschnitt der Bolzenebene nur geringe oder keine Biegebelastungen hervorruft. Vorzugsweise weist der Mittelpunkt einer radial äußeren Bohrung einen radialen Abstand von dem radial äußeren Ende des ersten Abschnittes, beispielsweise der radial inneren Stirnseite eines einen ersten und zweiten Lappen verbindenden Steges auf, der mit der axialen Gesamtbreite ein Verhältnis im Bereich von 0,24 und 0,30, vorzugsweise zwischen 0,25 und 0,29 aufweist, während der Mittelpunkt einer radial inneren Bohrung ein entsprechendes Verhältnis im Bereich zwischen 0,60 und 0,66, vorzugsweise zwischen 0,61 und 0,65 aufweist.
Wie vorstehend erläutert, sind der erste und die zweiten Lappen bevorzugt miteinander über einen radial außenliegenden Steg verbunden, in dem die ersten Abschnitte der Lappen radial enden. Erster Lappen, zweite Lappen und/oder Steg können dabei integral miteinander ausgebildet, insbesondere ur- und/oder spanlos oder spanabhebend umgeformt, oder mehrstückig ausgebildet und miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, sein. Der radial außenliegende Steg weist bevorzugt eine radiale Höhe auf, deren Verhältnis zur axialen Gesamtbreite im Bereich zwischen 0,12 und 0,18, vorzugsweise zwischen 0,13 und 0,17 liegt.
Bevorzugt ist eine bei montierter Laufschaufel in Drehrichtung des Rotors vordere axiale Stirnfläche eines zweiten Lappens parallel zur Radialebene der Bohrungen angeordnet, so dass die in Drehrichtung hintere axiale Stirnfläche des Steckfußes entsprechend um eine Schaufelteilung verdreht ist.
Der Steg, auf dem auf der dem Steckfuß gegenüberliegenden Seite das Laufschaufelprofil angeordnet ist, liegt bevorzugt in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu dieser Radialebene durch die Bohrungen steht. Hierzu kann eine radial innere und/oder äußere Stirnseite des Steges im Wesentlichen senkrecht zur Radialebene der Bohrungen, i. e. der sich in radialer Richtung durch die beiden Mittelpunkte der Bohrungen erstreckenden Ebene ausgebildet sein.
Eine Strömungsmaschine nach der vorliegenden Erfindung weist zur Befestigung jeder erfindungsgemäßen Laufschaufel eine entsprechende Nutanordnung mit einer ersten Nut zur Aufnahme des ersten Lappens und zwei zweiten Nuten zur Aufnahme des zweiten Lappens auf, die von der ersten Nut durch je einen Steg getrennt sind.
Bevorzugt sind die Nuten im Wesentlichen komplementär zu dem durch sie aufzu- nehmenden Lappen ausgebildet, so dass diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Insbesondere entspricht bevorzugt die axiale Qesamtbreite zwischen voneinander abgewandten Axialseiten der beiden zweiten Nuten im Wesentlichen der axialen Gesamtbreite zwischen voneinander abgewandten Axialseiten der beiden zweiten Lappen. Insbesondere zum Ausgleich von Herstellungs- und/oder Montagetoleranzen können dabei geringfügige Unterschiede vorteilhaft sein. Als radiale Höhen bzw. axiale Erstreckungen können, wie vorstehend zu den Lappen erläutert, entsprechend
maximale, minimale oder mittlere Abstände in radialer bzw. axialer Richtung zwischen parallelen oder nicht-parallelen Flächen zugrunde gelegt werden.
So liegt beispielsweise das Verhältnis der radialen Höhe des ersten, radial äußeren Stegabschnittes bzw. eines ersten, radial äußeren Nutabschnittes zur axialen Gesamtbreite bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,40 und 0,46, vorzugsweise zwischen 0,41 und 0,45, während das entsprechende Verhältnis der radialen Höhe des zweiten, radial inneren Stegabschnittes bzw. eines entsprechenden radial inneren Nutabschnittes zur axialen Gesamtbreite bevorzugt zwischen 0,44 und 0,50, vorzugsweise zwischen 0,45 und 0,49 liegt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : eine Laufschaufel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Gesamtansicht;
Fig. 2: den Steckfuß der Laufschaufel nach Fig. 1 in Draufsicht in Umfangs- richtung;
Fig. 3: eine Nutanordnung zur Aufnahme des Steckfußes nach Fig. 2 in Fig.
2 entsprechender Ansicht;
Fig. 4: den in der Nutanordnung nach Fig. 3 aufgenommenen Steckfuß nach Fig. 2; und Fig. 5: den Steckfuß nach Fig. 4 in der Draufsicht in axialer Richtung.
Fig. 1 zeigt eine Laufschaufel 1 mit einem dreilappigen Steckfuß 2 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht. Wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen, die eine Draufsicht auf den Steckfuß 2 in Umfangsrichtung eines Rotors einer Dampfturbine (nicht dargestellt) zeigt, in den der Steckfuß 2 in radialer Richtung von außen einsteckbar ist, weist der dreilappige Steckfuß einen ersten Zentrallappen 3 und zwei in axialer Richtung a beidseits diese Zentrallappens 3 angeordnete zweite Randlappen 4 auf. Die einander zugewandten inneren Axialseiten 3.i des Zentrallappens 3 und 4.i der Randlappen 4 weisen jeweils einen schrägen Absatz 5 auf, während die axial außenliegenden Stirnflächen u. a. der beiden Randlappen eben und parallel zueinander ausgebildet sind. Zwischen einem Steg 7, mit dem Zentral- und Randlappen 3, 4 integral ausgebildet sind, und
dem schrägen Absatz 5 weist der Zentrallappen 3 einen ersten Abschnitt 3.1 mit einer axialen Erstreckung bF2 und die beiden Randlappen 4 je einen ersten Abschnitt 4.1 mit einer axialen Erstreckung bFi auf. Diese ersten Abschnitte weisen, gemessen von der radial inneren Stirnfläche (unten in Fig. 2) des Steges 7 bis zum Absatz 5, i. e. bis zu der Stelle, an der sich die axiale Erstreckung verringert, eine radiale Höhe hFi auf. Der Steg 7 weist zwischen dem radial äußeren Ende der Lappen 3, 4 und einer gegenüberliegenden radial äußeren Stirnseite eine radiale Höhe hp auf.
Zentral- und Randlappen 3, 4 weisen je einen, durch den Absatz 5 von dem ersten Abschnitt getrennten, zweiten Abschnitt 3.2 bzw. 4.2 auf, der eine axiale Erstreckung OF3 und eine radiale Höhe Iv2 zwischen einer radial inneren Stirnseite der Lappen und dem Ansatz 5, i. e. dem Bereich, in dem sich die axiale Erstreckung ändert, aufweist.
Die einander zugewandten, innenliegenden Axialseiten 3.i, 4.i der Lappen 3, 4 sind mit Ausnahme des schrägen Absatzes 5 parallel zu den ebenen, absatzlose- naxialen Stirnflächen 4.a der beiden Randlappen ausgebildet.
Der Steckfuß 2 weist zwischen den beiden axialen Stirnflächen 4 a der beiden Randlappen 4 in axialer Richtung a eine axiale Breite b auf. Bezogen auf diese a- xiale Gesamtbreite b beträgt eine radiale Gesamthöhe h des Steckfußes, die sich zwischen der radial inneren Stirnseite des Steges 7 und den radial inneren Stirnseiten der Lappen 3, 4 erstreckt, im Verhältnis: h/b = 0,91.
Die Verhältnisse der vorstehend definierten radialen Höhen des ersten und der zweiten Lappen betragen einheitlich: hF1/b = 0,42 bzw. hF2/b = 0,43.
Die axialen Erstreckungen betragen für den Zentrallappen 3: bF2/b = 0,24 und bF3/b = 0,14
und für die Randlappen 4: bFi/b = 0,19 und wie beim Zentrallappen bF3/b = 0,14. Zur Aufnahme dieses Steckfußes 2 ist in dem Rotor der Dampfturbine die in Fig. 3 gezeigte Nutanordnung mit einer Zentralnut 30 zur Aufnahme des Zentrallappens 3 und zwei Randnuten 40 zur Aufnahme der Randlappen 4 ausgebildet.
Wie insbesondere aus der Zusammenbau-Darstellung nach Fig. 4 erkennbar, sind die Lappen 3, 4 und die Nuten 30, 40 im Wesentlichen komplementär zueinander ausgebildet. Hierzu weist die Nutanordnung zwei identische Stege 80 auf, die, ausgehend von einem radial innen liegenden Nutgrund, jeweils einen zweiten Abschnitt 82 mit einer axialen Erstreckung b
N2 aufweisen, der in einem schrägen Absatz 50 in einen ersten Abschnitt mit einer axialen Erstreckung b
N1 übergeht. Bezogen auf die axiale Gesamtbreite b zwischen den ebenen, parallelen äußeren A- xialseiten der beiden Randnuten 40, die der axialen Gesamtbreite b zwischen den beiden axialen Stirnseiten 4.a der Randlappen 4 entspricht, betragen die radialen Höhen t
N1, t
N2 bzw. die axialen Erstreckungen b
Ni, b
N2 dieses ersten und zweiten Abschnittes: b
N,/b = 0,19, b
N2/b = 0,29,
t
N2/b = 0,47.
Die radiale Gesamthöhe t, die sich als Summe der radialen Höhen foi; tN2 des ersten und zweiten Abschnittes sowie der radialen Höhe des Absatzes 50 ergibt, be- trägt im Verhältnis zur axialen Gesamtbreite b: t/b = 0,95.
Wie insbesondere aus den Fig. 3, 4 ersichtlich, weisen die Nuten 30, 40 in ihrem radial innenliegenden Nutgrund gerundete Fasen auf, während die Stege 40 an ihren radial außen liegenden Stirnseiten schräge Fasen aufweisen.
Sobald der Steckfuß 2 in die Nutanordnung eingesteckt ist, wird er durch zwei in axiale Richtung eingeschlagene konische Bolzen (nicht dargestellt) befestigt. Hierzu sind zwei, in Fig. 1, 5 erkennbare Bohrungen 6.1 , 6.2 vorgesehen, die die Lappen 3, 4 durchgreifen. Wie insbesondere aus Fig. 4, in der die Mittellinien der beiden Bolzen strichpunktiert eingezeichnet sind, ersichtlich, weist der Mittelpunkt der radial oberen Bohrung von der radial äußeren Stirnseite der Stege 80 bzw. der radial inneren Stirnseite des Steges 7 einen Abstand h
Bi auf, die in Fig. 4 ebenfalls strichpunktiert eingezeichnete Mittellinie der radial inneren Bohrung 6.2 einen radialen Abstand hs2. Deren Verhältnis zur axialen Gesamtbreite b beträgt:
h
B2/b = 0,63.
Wie weiterhin in Fig. 5 erkennbar, ist die in Drehrichtung (im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 5) vordere Stirnseite der Lappen 3, 4 parallel zu der Radialebene durch die Mittelpunkte der Bohrungen 6.1 , 6.2 ausgerichtet, während die in Drehrichtung hintere Stirnseite in Umfangsrichtung entsprechend um eine Schaufelteilung verdreht ist.
Bezugszeichenliste
1 Laufschaufel
2 Steckfuß
3 erster bzw. Zentrallappen 3.1, 4.1 erster Abschnitt
3.2, 4.2 zweiter Abschnitt 3.i Axialseite
4 zweiter bzw. Randlappen 4.i innere Axialseite 4.a axiale Stirnfläche
5 Absatz 6.1 , 6.2 Bohrung 7 Steg
30 erste bzw. Zentralnut 40 zweite bzw. Randnut
40a axiale Nutstirnfläche
50 Absatz
80 Steg
80. i innere Ansichtsseite 81 erster Abschnitt
82 zweiter Abschnitt