EP2090751A1

EP2090751A1 - Laufschaufel für eine Turbomaschine

Info

Publication number: EP2090751A1
Application number: EP08002849A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-19
Also published as: WO2009100795A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer einer Laufschaufel (10). Die Maßnahme sieht für eine Laufschaufel (10) mit einem geradlinigen, im Querschnitt hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Laufschaufelfuß (14) vor, dass die die Hammerform bzw. die Tannenbaumform bildenden Zähne (28, 30) des Schaufelfußes (14), welche an dessen ebenfalls in Längserstreckung geradlinigen Seitenwänden (22) vorgesehen sind, zwischen den Stirnseiten (20, 21) des Schaufelfußes (14) sich gewölbt erstrecken, um bei im Rotor eingebauten Zustand diejenige Kontaktfläche (56) zwischen Laufschaufelfuß (14) und Rotor zu vergrößern, an der die Laufschaufel (14) unter Fliehkraft anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Turbomaschine, mit einem Laufschaufelfuß, an dessen Oberseite sich ein von einem Arbeitsmedium umströmbares aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt anschließt, wobei der Laufschaufelfuß sich entlang einer Längserstreckung zwischen zwei Stirnseiten geradlinig erstreckt und dessen die beiden Stirnseiten seitlich verbindenden Seitenwänden jeweils mindestens ein sich entlang der Längserstreckung erstreckender und quer davon abstehender Zahn zur formschlüssigen Befestigung an einen Rotor umfassen.
Aus dem Stand der Technik sind längst Laufschaufeln für Turbomaschinen mit einem im Querschnitt gesehen hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Schaufelfuß bekannt. Jeder dieser Laufschaufelfüße umfasst zwei die beiden Stirnseiten seitlich verbindende Seitenwände, an denen - je nach Querschnittsform - jeweils ein oder mehrere, sich entlang der Längserstreckung und quer dazu abstehender Zahn resp. Zähne angeordnet ist bzw. sind. Bei Laufschaufeln mit einem im Querschnitt hammerförmigen Schaufelfuß umfasst jede Seitenwand lediglich einen vorstehenden Zahn. Bei Laufschaufeln mit einem im Querschnitt gesehen tannenbaumförmigen Fuß umfasst jede Seitenwand zwei oder mehr einander benachbarte Zähne. Bezogen auf die Einbaulage der Laufschaufel in einem Rotor der Turbomaschine mit einer Maschinenachse, erstreckt sich der geradlinige Schaufelfuß entlang dieser. Die Zähne ragen - in Bezug auf eine gedachte Seitenwandebene des Schaufelfußes, welche von der Radialrichtung der Maschinenachse und einer sich in Axialrichtung erstreckenden Hilfsachse aufgespannt wird - quer von dieser ab und sind, bei vorhanden Sein mehrer Zähne an einer Seitenwand des Schaufelfußes - bezogen auf die Maschinenachse - in Radialrichtung zueinander beabstandet.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Laufschaufeln von Dampfturbinen bekannt, deren Schaufelfüße entlang ihrer zwischen den beiden Stirnseiten vorhandenen Längserstreckung - also entlang der Maschinenachse - gleichmäßig gekrümmt verlaufen.
Jede der bekannten Schaufelfußgeometrien begrenzt prinzipiell die Lebensdauer der Laufschaufel, welche dann nach Ablauf der maximal zulässigen Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Es ist daher ein stetiges Bestreben und Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die maximale Lebensdauer von Laufschaufeln einer Turbomaschine zu verlängern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zähne des Schaufelfußes entlang der geradlinigen Längserstreckung des Schaufelfußes gewölbt sind. Vorzugsweise sind die Zähne zur Oberseite hin gewölbt und weisen entlang ihrer Längserstreckung eine im Wesentlichen konstante Zahnhöhe auf. Die Zahnhöhe bestimmt sich durch den senkrechten Abstand von einer gedachten Seitenwandebene bis zur Zahnspitze.
Zur Befestigung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel weist der der Aufgabe zugrunde liegende Rotor einen Wellenbund auf, in dem sich in Axialrichtung erstreckende Haltenuten zur Aufnahme von Laufschaufeln vorgesehen sind, welche - im Querschnitt gesehen - hammerförmig oder tannenbaumförmig ausgebildet sind, wobei die Haltenuten korrespondierend zu den Schaufelfüßen von erfindungsgemäßen Laufschaufeln ausgebildet sind. Die Haltenuten umfassen neben einem Nutgrund zwei seitliche Nutflanken, in denen zu den Zähnen der Schaufelfüße korrespondierende Taschen vorgesehen sind, in welche die Zähne in der Regel formschlüssig eingreifen, wenn die Laufschaufel in der Haltenut eingesetzt ist. Durch die Wölbung der Zähne und der zwangsweise korrespondieren Taschen kann die Kontaktfläche, an der die Laufschaufel unter Fliehkrafteinwirkung in der Haltenut anliegt, in Bezug auf nicht gewölbte Zähne vergrößert werden. Die Kontaktfläche zwischen der Laufschaufel und dem Rotor wird durch die vorgeschlagene Krümmung vergrößert. Die beim Betrieb der Turbomaschine auf die Laufschaufel wirkende Fliehkraft kann somit von einer größeren Kontaktfläche aufgenommen werden, was zu geringeren Auflagerspannungen im den Schaufelfuß umgebenden Rotormaterial führt. Die Belastung senkrecht zur Kontaktfläche hat somit sowohl eine - bezogen auf die Maschinen des Rotors - axiale als auch radiale Komponente, was zu einer geringeren CF-Belastung (Cycle Fatigue) führt.
Auch führt die Krümmung der Zähne zu einer Verschiebung des Schwerpunktes der Laufschaufel zur Maschinenachse. Die Wölbungen der Zähne und der Unterseite folgen dabei jeweils einem Kreisbogen, wobei die jeweiligen Mittelpunkte der unterschiedlichen Kreisbögen in einem Punkt zusammenfallen. Für den Fall, dass es sich bei der Laufschaufel um die Laufschaufel der letzten Turbinenstufe einer Gasturbine oder Dampfturbine handelt, kann diese auch dann dem Rotor entnommen werden, wenn das Gehäuse der entsprechenden Turbine verschlossen ist. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass der sich üblicherweise an die letzte Turbinenstufe einer Turbine anschließende Abgasdiffusor für einen Monteur zugänglich ist und die Laufschaufel nicht entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums entnehmbar ist, sondern in Strömungsrichtung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Zähne entlang ihrer Längserstreckung zur Oberseite hin gewölbt. Zweckmäßigerweise ist eine die beiden Stirnseiten verbindende Unterseite des Laufschaufelfußes über zumindest 80% ihrer Längserstreckung in identischem Maße gewölbt wie die Zähne.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Schaufelfuß an einer der beiden Stirnseiten eine sich von einer die beiden Stirnseiten verbindenden Unterseite zur Oberseite erstreckende erste Fußhöhe auf, welche erste Fußhöhe von der entsprechend bestimmten zweiten Fußhöhe der anderen der beiden Stirnseiten unterschiedlich ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Schaufelfuß eine an beiden Stirnseiten identische sich jeweils von einer die beiden Stirnseiten verbindenden Unterseite zur Oberseite erstreckende Fußhöhe auf. Zweckmäßigerweise kann der Wellenbund von einer Rotorscheibe oder von einem Wellenabschnitt gebildet werden.
Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Breite der Zähne und/oder die Höhe der Zähne entlang ihrer Längserstreckung divergiert, kann durch die Verwendung von gekrümmten Zähnen an einem geradlinigen Schaufelfuß eine axiale Sicherung der Laufschaufel gegen Verschieben entlang der Haltenut erreicht werden, wodurch weiterer konstruktiver Aufwand vermieden werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele, welche in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Weitere Merkmale der Erfindung und weitere Vorzüge sind zudem in der Figurenbeschreibung aufgeführt.

Es zeigen:

FIG 1: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel für eine Turbomaschine in einer ersten Ausgestaltung,
FIG 2: eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel gemäß FIG 1,
FIG 3: eine erfindungsgemäße Laufschaufel gemäß einer zweiten Ausgestaltung in einer Seitenansicht,
FIG 4: die Laufschaufel gemäß FIG 3 in einer Vorderansicht,
FIG 5: einen Ausschnitt aus einer Rotorscheibe mit einer Haltenut zur Aufnahme einer Laufschaufel gemäß der ersten Ausgestaltung und
FIG 6: den Ausschnitt aus einer Rotorscheibe mit einer Haltenut zur Aufnahme einer Laufschaufel gemäß der zweiten Ausgestaltung.

Eine erfindungsgemäße Laufschaufel 10 für eine Turbomaschine ist in FIG 1 in einer Seitenansicht und in FIG 2 in einer Vorderansicht gemäß einer ersten Ausgestaltung gezeigt. Die Laufschaufel 10 ist dabei vorzugsweise als Turbinenschaufel einer Dampfturbine oder einer Gasturbine ausgebildet. Sie kann selbstverständlich auch die Laufschaufel eines Verdichters sein. Die in der Regel gegossene, einstückige Laufschaufel 10 umfasst ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 12, welches beim Betrieb in einer Turbomaschine von einem Arbeitsmedium umströmbar ist. An der Wurzel des Schaufelblatts 12 schließt sich als Teil eines Laufschaufelfußes 14 eine Plattform 16 an. Die Plattform 16 weist als Teil des Schaufelfußes 14 ferner dessen Oberseite 18 auf, an welcher sich das Schaufelblatt 12 anschließt. Der Schaufelfuß 14 umfasst ferner zwei ebene, einander gegenüberliegende Stirnseiten 20, 21, zwischen denen sich der Laufschaufelfuß 14 geradlinig erstreckt. Die beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten 20, 21 werden dabei von zwei ebenfalls einander gegenüberliegenden Seitenwänden seitlich 22 verbunden. Ferner werden die beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten 20, 21 von einer Unterseite 24 des Schaufelfußes 14 verbunden. Der Laufschaufelfuß 14 der gemäß FIG 1 resp. FIG 2 dargestellten Laufschaufel 10 ist, wie die Vorderansicht zeigt, tannenbaumförmig ausgebildet, so dass jede der beiden Seitenwänden 22 jeweils zwei zueinander beabstandete Zähne 28, 30 umfasst. Die Zähne 28, 30 erstrecken sich über die Längserstreckung des Schaufelfußes 14 von der ersten Stirnseite 20 zu der zweiten Stirnseite 21. Sowohl die Unterseite 24 als auch die Zähne 28, 30 wölben sich entlang ihrer Längserstreckung von der ersten Stirnseite 20 zur zweiten Stirnseite 21.
Mit dem Bezugszeichen 46 ist die Maschinenachse versehen, wobei die Darstellung der Laufschaufel 10 in FIG 1 derartig erfolgt, wie sie später in eingebautem Zustand zur Maschinenachse 46 gegenüber angeordnet ist. Die Maschinenachse 46 ist mit der Rotationsachse des Rotors identisch.
Anhand der Vorderansicht werden nachfolgend die Ausmaße der Zähne näher erläutert. Die die beiden Stirnseiten 20, 21 verbindenden Seitenwände 22 können auch als gedachte Seitenwandebenen 26, 29 verstanden werden, welche Seitenwandebenen 26, 29 beispielsweise von einem Radius der Maschinenachse 46 und einer sich in Axialrichtung erstreckenden Hilfsachse aufgespannt werden können. Anders liegende, dabei nicht wesentlich verschwenkte Bezugsebenen sind auch denkbar. Unter der Höhe H eines jeden Zahnes 28, 30 wird der senkrechte Abstand zwischen der zugeordneten Seitenwandebene 26 resp. 29 und der davon am weitesten entfernte Punkt der Außenkontur des entsprechenden Zahnes 28, 30 verstanden. Eine Breite B der Zähne 28, 30 bestimmt sich durch den Abstand der Kreuzungspunkte 33, 35, welche sich (bei einer querschnittsmäßigen oder vorderansichtmäßigen Betrachtung) ergeben durch den Schnitt der Seitenwandebene (oder einer parallelen Ebene dazu) mit den Konturen der Zähne 28, 30.
Sowohl die erste Stirnseite 20 als auch die zweite Stirnseite 21 weisen eine Fußhöhe 23, 25 auf. Die Fußhöhe 23, 25 wird jeweils stirnseitig zwischen der Oberseite 18 und der Unterseite 24 erfasst. Die Fußhöhe 23 der ersten Stirnseite 20 ist kleiner ist als die Fußhöhe 25 der zweiten Stirnseite 21. Die Wölbung der Unterseite 24 ist kreisbogenförmig mit einem ersten Radius R1. Die Wölbung der ersten Zähne 28 weisen einen Radius R2 auf, die Wölbung der zweiten Zähne 30 weisen einen Radius R3 auf. Die Mittelpunkte der Radien R1, R2, R3 liegen dabei auf einem Punkt 27.
FIG 5 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einer Rotorscheibe 40, welche als Teil des Rotors einer Turbomaschine ausgebildet ist. Die Rotorscheibe 40 weist eine Haltenut 42 auf, welche zur Aufnahme der Laufschaufel 10 gemäß der ersten Ausgestaltung geeignet ist. Die Haltenut 42 ist in der Draufsicht in korrespondierender Weise zum Schaufelfuß 14 der Laufschaufel 10 tannenbaumförmig ausgebildet. Somit weist die Haltenut 42 an den einander gegenüberliegenden Nutflanken 44, deren Nutflankenebenen in analoger Weise zu den Seitenwandebenen definiert werden können, jeweils zwei sich entlang der und tangential zur Rotationsachse 46 erstreckende nutenförmige Taschen 48, 50 auf, in welche die korrespondierend ausgebildeten Zähne 28, 30 des Schaufelfußes 14 formschlüssig eingesetzt werden können. Mit anderen Worten: die Zähne 28, 30 hintergreifen durch die Taschen 48, 50 gebildete Klauen 49, 51, so dass unter Fliehkrafteinwirkung die Laufschaufel 10 radial von diesen sicher gehalten werden kann. Die Montage der Laufschaufel 10 gemäß erster Ausgestaltung in die Haltenut 42 der Rotorscheibe 40 erfolgt dabei derartig, dass die zweite Stirnseite 21 in die gemäß FIG 5 vordere stirnseitige Öffnung 52 der Haltenut 42 eingesetzt wird und durch eine anschließende Schwenkbewegung zur rückseitigen Öffnung 54 der Haltenut 52 verschoben wird, bis die erste Stirnseite 20 die vordere Öffnung 52 und die zweite Stirnseite 21 die hintere Öffnung 54 verschließt.
Die Höhe H der Zähne 28, 30 und dementsprechend auch die dazu korrespondierende Höhe der Taschen 48, 50 und/oder die Breite B der Zähne 28, 30 und die zur Breite B korrespondierende Breite der Taschen 48, 50 können zusätzlich divergierend in Axialrichtung des Rotors verlaufen, so dass in Einschwenkrichtung eine selbstklemmende Wirkung erzielt werden kann. Durch die Selbstklemmung kann eine zusätzliche Vorrichtung zur Sicherung der Laufschaufel 10 gegen eine weiterführende axiale Verschiebung entfallen, welche sonst bei in Axialrichtung gleichbleibender Breite B der Zähne 28, 30 und gleichbleibender Höhe H der Zähne 28, 30 erforderlich wäre.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 sind die Stirnseiten 20, 21 des Schaufelfußes 14 gemäß FIG 3 gleich hoch. Sie weisen folglich eine identische Fußhöhe 23, 25 zwischen Oberseite 18 und Unterseite 24 auf. Die entlang der Längserstreckung sich erstreckenden Zähne 28, 30 sind zur Oberseite 18 des Schaufelfußes 14 hin gewölbt. Hierdurch ergibt sich, dass die stirnseitigen Enden 32 der Zähne 28, 30 weiter von der Oberseite 18 des Schaufelfußes 14 entfernt sind als deren mittlerer Abschnitt 34. Die Unterseite 24 des Schaufelfußes ist zwangsweise in gleichem Maße gewölbt wie die an den Seitenwänden 22 angeordneten Zähne 28, 30, damit die Laufschaufel 10 montierbar ist.
Die Zähne 28, 30 gemäß der zweiten Ausgestaltung können in eine in FIG 6 dargestellte Haltenut 42 einer Rotorscheibe 40 eingesetzt werden. Die Haltenut 42 ist dazu entlang ihrer Längserstreckung in Richtung der Maschinenachse 46 in zu den Zähne 28, 30 korrespondierender Weise gewölbt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zähne 28, 30 und der die Zähne 28, 30 aufnehmenden Taschen 48, 50 der Haltenut 42 in der Rotorscheibe 40 kann diejenige, in FIG 5 und FIG 6 fett dargestellte Kontaktfläche 56, zwischen der Rotorscheibe 40 und dem Laufschaufelfuß 14, an welcher die Laufschaufel 10 unter Fliehkraft anliegt, signifikant vergrößert werden. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche 56 kann eine Verringerung der Auflagerbelastung herbeigeführt werden. Die Wölbung vergrößert den Belastungsgradientgrad (stresses gradient level), was insgesamt die Bewertung der LCF-Belastung (low cycle fatigue) verbessert.
Insgesamt wird mit der Erfindung eine Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer einer Laufschaufel 10 vorgeschlagen. Die Maßnahme sieht für eine Laufschaufel 10 mit einem geradlinigen, im Querschnitt hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Laufschaufelfuß 14 vor, dass die die Hammerform bzw. die Tannenbaumform bildenden Zähne 28, 30 des Schaufelfußes 14, welche an dessen ebenfalls in Längserstreckung geradlinigen Seitenwänden 22 vorgesehen sind, zwischen den Stirnseiten 20, 21 des Schaufelfußes 14 sich gewölbt erstrecken, um bei im Rotor eingebauten Zustand diejenige Kontaktfläche 56 zwischen Laufschaufelfuß 14 und Rotor zu vergrößern, an der die Laufschaufel 14 unter Fliehkraft anliegt.

Claims

Laufschaufel (10) für eine Turbomaschine,
mit einem Laufschaufelfuß (14), an dessen Oberseite (18) sich ein von einem Arbeitsmedium umströmbares aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt (12) anschließt,
wobei der Laufschaufelfuß (14) sich entlang seiner Längserstreckung zwischen zwei Stirnseiten (20, 21) geradlinig erstreckt und dessen die beiden Stirnseiten (20, 21) seitlich verbindenden Seitenwänden (22) jeweils mindestens ein sich entlang der Längserstreckung erstreckender und quer davon abstehender Zahn (28, 30) zur formschlüssigen Befestigung an einem Rotor umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zähne (28, 30) entlang der Längserstreckung gewölbt sind.
Laufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der die Zähne (28, 30) zur Oberseite (18) hin gewölbt sind.
Laufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der eine die beiden Stirnseiten (20, 21) verbindende Unterseite (24) des Laufschaufelfußes (14) über zumindest 80% ihrer Erstreckung in identischem Maße wie die Zähne (28, 30) gewölbt ist.
Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Schaufelfuß (14) an einer der beiden Stirnseiten (20, 21) eine sich von einer die beiden Stirnseiten (20) verbindende Unterseite (24) zu der Oberseite (18) erstreckende erste Fußhöhe (23) aufweist, welche erste Fußhöhe (23) von der entsprechend bestimmten zweiten Fußhöhe (25) der anderen der beiden Stirnseiten (21) unterschiedlich ist.
Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Schaufelfuß (14) eine an beiden Stirnseiten (20, 21) identische, sich jeweils von einer die beiden Stirnseiten (20, 21) verbindende Unterseite (24) zu der Oberseite (18) erstreckende Fußhöhe (23, 25) aufweist.
Rotor für eine Turbomaschine,
mit einem Wellenbund, in dem sich in Axialrichtung erstreckende Haltenuten (42) zur Aufnahme von Laufschaufeln (10) vorgesehen sind, welche im Querschnitt gesehen hammerförmig oder tannenbaumförmig ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Haltenuten (42) korrespondierend zu den Schaufelfüßen (14) von Laufschaufeln (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet sind.
Rotor nach Anspruch 6,
welcher Wellenbund an einer Rotorscheibe (40) oder an einem Wellenabschnitt angeordnet ist.
Turbomaschine mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, in welchem Laufschaufeln (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingesetzt sind.