LAUFSCHAUFEL UND ZUGEHÖRIGER ROTOR

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Gasturbine, welche eine mit Laufschaufeln besetzte Rotorscheibe aufweist. Zwi schen einzelnen Schaufelplattformen der Laufschaufeln sind jeweils Spalte vorhanden, welche mittels Dichtungen ab schnittsweise abgedichtet sind.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Dichtungsanord nungen zur Abdichtung der sich zwischen den Laufschaufeln bildenden Spalte vorhanden. Hierbei weist zunächst einmal der Rotor zumindest eine Rotorscheibe auf, an der im Umfang ver teilt eine Mehrzahl Laufschaufeln angeordnet sind. Entspre chend der Unterteilung der einzelnen Laufschaufeln bildet sich zwischen den Schaufelplattformen eine jeweils ungefähr in axialer Richtung verlaufender Spalt. Üblicherweise werden in den Schaufelplattformen der Laufschaufeln entlang des Spaltes Dichtungen verwendet, welche in Form eines Stabpro fils in zumindest einer Laufschaufel eingesetzt sind und den Spalt abdecken.

In axialer Richtung benachbart zur Rotorscheibe wird übli cherweise eine ringförmige Abdeckung angeordnet, welche die Schaufelhaltenuten sowie die Füße der Laufschaufeln abdecken. Dabei erstreckt sich die ringförmige Abdeckung bis zu der Un terseite der Schaufelplattformen. Hierzu wird in aller Regel an der ringförmigen Abdeckung ein Dichtring in Art eines Kol benringes oder zusammengesetzt aus einer Mehrzahl Segmente eingesetzt. Hierbei ist vorgesehen, dass sich der Dichtring bei Rotation des Rotors aufweitet und an die Unterseite der Schaufelplattformen anlegt und eine Abdichtung bewirkt.

Um die sichere Lage der in den Schaufelplattformen eingesetz ten Dichtung zu gewährleisten, ist es bei den regulären Aus führungen nicht möglich, die Dichtung bis an die Unterseite heranzuführen. Vielmehr verbleibt ein Abstand zwischen der Dichtung und der ringförmigen Abdeckung, so dass ein Rest spalt zwischen den Schaufelplattformen verbleibt und eine Le ckage von Kühlluft unvermeidbar ist.

Weiteres Problem ist es in aller Regel, dass die axiale Posi tion der ringförmigen Abdeckung, je nach Ausführungsform des Rotors relativ zur Rotorscheibe bzw. zu den Laufschaufeln, nicht festgelegt ist. Vielmehr sind aus dem Stand der Technik ebenso Ausführungen bekannt, bei denen die ringförmige Abde ckung an einem benachbarten Rotorbauteil angeordnet ist und bei unterschiedlichen thermischen Dehnungen der verschiedenen Rotorbauteile eine axiale Verstellung der ringförmigen Abde ckung relativ zu Dichtung erfolgt. Dieses führt im Regelfall zu einer weiteren Vergrößerung des Restspaltes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Restspalt zu verkleinern .

Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Aus führungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gattungsgemäße Laufschaufel wird bestimmungsgemäß bei einem Rotor eingesetzt, wobei es sich bevorzugt um den Rotor einer Gasturbine handelt. Unabhängig hiervon ist die entsprechende Laufschaufel ebenso einsetzbar bei einem Rotor anderer Strö mungsmaschinen, beispielsweise bei einer Dampfturbine. Ent sprechend üblicher Bauweise umfasst die Laufschaufel einen Schaufelfuß, eine sich daran anschließende Schaufelplattform sowie ein sich radial von der Schaufelplattform ausgehend er streckendes Schaufelblatt. Die Laufschaufei wird bestimmungs gemäß mittels des Schaufelfußes an der Rotorscheibe befes tigt. Hierbei erstreckt sich der Schaufelfuß ungefähr in axi aler Richtung und kann dabei in entsprechend komplementäre Schaufelhaltenuten der Rotorscheibe eingeschoben werden. Die konkrete Ausführungsform des Schaufelfußes ist für die erfin dungsgemäße Ausführungsform ohne Belang. Weiterhin hat die Gestalt des Schaufelblattes, welches entsprechend der Anord- nung an der entsprechenden Strömungsmaschine zu gestalten ist, ebenso keinen Einfluss auf die erfindungsgemäße Ausfüh rungsform.

Die Schaufelplattform befindet sich im eingebauten Zustand der Laufschaufel radial außerhalb der Rotorscheibe und er streckt sich hierbei im Wesentlichen in Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung. Auf zumindest einer Seite in axialer Richtung betrachtet erstreckt sich die Schaufelplattform mit einem Überstand über eine Stirnseite des Schaufelhaltefußes hinaus. Dabei bildet der Überstand auf der zur Rotorachse weisenden Seite eine Anlagefläche, welche sich entsprechend in Umfangsrichtung sowie axial erstreckt, d. h. einen Ab schnitt einer Zylinderfläche bildet.

Weiterhin besitzt die Schaufelplattform in Umfangsrichtung betrachtet an den gegenüberliegenden Enden jeweils einen Sei tenrand. Hierbei weist zumindest ein Seitenrand zumindest ei ne Dichtungsnut auf, welche sich tangential in die Schaufel plattform hinein erstreckt. Mit der bestimmungsgemäß am Rotor angeordneten Laufschaufel öffnet sich die Dichtungsnut zur benachbarten Schaufelplattform. Gattungsgemäße verläuft die Dichtungsnut einerseits in axialer Richtung und andererseits in radialer Richtung auf die Anlagefläche zulaufend.

Die gattungsgemäße Laufschaufel umfasst hierbei zumindest ein Dichtelement, welches mit einem Dichtabschnitt in der Dich tungsnut befestigt ist. Dabei erstreckt sich das Dichtelement aus der Dichtungsnut über den Seitenrand hinaus.

Zur Reduzierung des Restspaltes setzt sich nunmehr im Gegen satz zum Stand der Technik die Dichtungsnut bis zur Anlage fläche fort, wobei hierzu entsprechend ebenso das Dichtele ment bis im Wesentlichen zur Anlagefläche verlängert wird.

Grundsätzlich ist das Dichtelement bis zur Anlagefläche zu führen. Eine Abweichung kann aufgrund von Toleranzen sowie unter der Berücksichtigung der Fliehkräfte bei bestimmungsge- mäßer Rotation des Rotors und den damit einhergehenden Ver formungen und Verschiebungen auftreten. Insofern kann es mög lich sein, dass im Ruhezustand das Dichtelement einen gering fügigen Abstand bis zur Anlagefläche aufweist oder geringfü gig über die Anlagefläche hinaussteht.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird das Dichtelement im Wesentlichen bis zur Anlagefläche verlängert und somit der Restspalt weitestgehend eliminiert. Aufgrund fertigungsbe dingter Toleranzen, insbesondere bei Rotation des Rotors, kann somit lediglich ein minimaler Spalt entstehen, der je doch deutlich geringer ist als der zuvor vorhandene Restspalt aufgrund des üblicherweise eingehaltenen Abstands zwischen dem Dichtelement und der Anlagefläche. Somit kann die Leckage an Kühlluft weiter reduziert werden, was eine Wirkungsgrads teigerung - wenn auch nur geringfügig - zur Folge hat.

Um eine geringfügige axiale Verschiebung des sich im verbau ten Zustands an die Anlagefläche anliegenden Dichtrings ohne eine entstehende bzw. vergrößernde Leckage zulassen zu kön nen, wird in weiterer besonders vorteilhafter Ausführungsform das zur Rotorachse weisende Ende des Dichtelements mit einer Endfläche versehen, welche im Wesentlichen bündig mit der An lagefläche ausgeführt wird. Entsprechend erstreckt sich die Endfläche vorzugsweise in Umfangsrichtung - wobei aufgrund der geringen Ausdehnung in Umfangsrichtung eine tangentiale Erstreckung der Endfläche ebenso zulässig ist. Weiterhin er streckt sich die Endfläche vorzugsweise in axialer Richtung, wenngleich auch nur über die Stärke des Dichtelements.

Die Dichtigkeit der Laufschaufel zu einer benachbarten Abde ckung des Schaufelfußes mit einem entsprechenden Dichtring wird auch bei einer möglichen Verschiebung des Dichtrings in axialer Richtung weiterhin verbessert, wenn das Dichtelement weiterhin eine Anlagelasche aufweist. Hierbei schließt sich die Anlagelasche an den eigentlichen Dichtabschnitt an und bildet mit der zur Rotorachse weisenden Unterseite die End fläche. Die zusätzliche Anlagelasche ermöglicht eine deutlich größere Erstreckung der Endfläche in axialer Richtung gegen über einer Ausführung, bei der die Endfläche lediglich vom Ende des Dichtabschnitts gebildet wird.

Als problematisch kann es sich erweisen, dass bei der Vormon tage das in einfachster Gestaltung geradlinige Dichtelement durch die erfindungsgemäße Verlängerung bis zur unterseitigen Anlagefläche je nach Einbaulage keine nennenswerte Sicherung gegen ein Herausgleiten aus der Dichtungsnut besitzt. Daher muss beim Einbau auf die Lage der Laufschaufel geachtet wer den, wobei insbesondere ein Einbau auf der unteren Seite des Rotors von Vorteil ist, da somit die Anlagefläche zur Rotor achse und somit nach oben weist.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Lage des Dich telements in der Dichtungsnut auch in dem Falle gesichert ist, bei der die Laufschaufel auf der Oberseite eingebaut wird. Hierbei weist die Anlagefläche und somit das offene En de der Dichtungsnut zur Rotorachse und somit nach unten.

Hierzu stehen im Wesentlichen drei verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen zur Verfügung.

In der ersten Ausführungsform wird die Dichtungsnut um eine Rasttasche erweitert. Demgegenüber wird das Dichtelement mit einem zur Rasttasche komplementären Rastabschnitt versehen. Durch den Eingriff des Rastabschnitts in die Rasttasche wird eine axial-radiale Verschiebung des Dichtelements auf die Ro torachse zuweisend durch die Anlagefläche verhindert.

Die Anordnung der Rasttasche an der Dichtungsnut kann an un terschiedlichen Stellen erfolgen, wobei in einer bevorzugten Ausführung die Rasttasche am Ende der Dichtungsnut gegenüber liegend von der Unterseite angeordnet ist. Entsprechend be findet sich komplementär der Rastabschnitt am Dichtelement am Ende des Dichtelements gegenüberliegend von der Endfläche.

Die Rasttasche als Vergrößerung der Dichtungsnut kann in un terschiedlichen Richtungen quer zum Verlauf der Dichtungsnut erfolgen. Hierbei kann in einer vorteilhaften Ausführung vor gesehen sein, dass die Rasttasche zylindrisch ausgeführt wird und sich somit der Rastabschnitt als zylindrische Verdickung am Dichtelement darstellt.

Analog kann vorgesehen sein, dass sich die Rasttasche ausge hend vom Nutgrund der Dichtungsnut in Umfangsrichtung bzw. tangential weiter in die Schaufelplattform hinein erstreckt. Hierbei ist eine Anordnung in der Mitte über den Verlauf der Dichtungsnut vorteilhaft, wobei der Abstand zu den beiden En den der Dichtungsnut mindestens der 0,1-fachen Länge der Dichtungsnut entsprechen sollte. Weiterhin sollte die Länge der Rasttasche längs der Dichtungsnut zumindest der 0,2- fachen und maximal der 0,5-fachen Länge der Dichtungsnut ent sprechen .

In der analogen zweiten Ausführungsform weist die Schaufel plattform einen in die Dichtungsnut hineinragenden Rastab schnitt auf, wobei demgegenüber das Dichtelement mit einer zum Rastabschnitt komplementären Rasttasche versehen wird.

Sollte die Dichtungsnut durch einen spanenden Bearbeitungs schritt hergestellt werden, so kann sich jedoch der in die Dichtungsnut hineinragende Rastabschnitt in der Herstellung als besonders problematisch darstellen. Bei einer additiven Fertigung stellt sich diese Ausführung dahingehend als vor teilhaft dar, als dass die Herstellung der Dichtung mit einer Rasttasche einfacher zu fertigen ist.

In einer vorteilhaften dritten Ausführungsform werden die Dichtungsnut und das Dichtelement mit einer von einer gerad linigen Erstreckung abweichenden Formgebung ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass am von der Anla gefläche gegenüberliegenden Ende der Dichtungsnut eine Aus lenkung vorhanden ist, welche den von der Anlagefläche kom menden geradlinigen Verlauf verlässt, und komplementär das Dichtelement am von der Anlagefläche gegenüberliegenden Ende einen Halteabschnitt aufweist, welcher in die Auslenkung ein- greift. Somit ist gleichfalls sichergestellt, dass das Dich telement auch bei einer Lage der Laufschaufel auf oberer Sei te relativ zur Rotorachse ein Herausgleiten aus der Dich tungsnut auf der Seite der Anlagefläche nicht möglich ist.

Mithilfe der neuartigen Laufschaufel mit verbesserter Abdich tung zwischen benachbarten Lauf Schaufelplattformen wird die Bildung eines neuen erfindungsgemäßen Rotors möglich, welcher zumindest eine Rotorscheibe aufweist. Dabei sind in die Ro torscheibe axial durchdringenden Schaufelhaltenuten Lauf schaufeln mit den jeweiligen Schaufelfuß befestigt. Hierbei werden die Laufschaufein entsprechend vorheriger Beschreibung ausgeführt .

Hierbei ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Laufschau feln besonders vorteilhaft, wenn die Schaufelhaltenuten bzw. die Schaufelfüße der Laufschaufein stirnseitig zumindest ab schnittsweise mittels eines Abdeckringes abgedeckt sind.

Hierbei ist es unerheblich, ob der Abdeckring einstückig aus geführt ist oder aus einer Mehrzahl Segmente besteht. Zumin dest weist der Abdeckring in der vorteilhaften Ausführung ei ne im Wesentlichen umlaufende, sich radial auswärts öffnende Aufnahmenut auf. Hierzu umfasst die vorteilhafte Ausführung des Rotors einen Dichtring, welcher in der Aufnahmenut gela gert ist und zumindest bei Rotation des Rotors an der Anlage fläche zur Anlage kommt.

In den nachfolgenden Figuren werden verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel skiz ziert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Laufschaufel mit einem Dichtelement mit zylindrischem Rastabschnitt;

Fig. 2 die Laufschaufel zu Fig. 1 ohne Dichtelement;

Fig . 3 u . 4 das Dichtelement zur Fig. 1; Fig. 5 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laufschaufel mit einem Dichtelement mit Anlageab schnitt;

Fig. 6 die Laufschaufel zu Fig. 5 ohne Dichtelement;

Fig. 7 das Dichtelement zur Fig. 5;

Fig. 8 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer

Laufschaufel mit Dichtelement, mit am Dichtelement angeordneten Rasttasche;

Fig. 9 die Laufschaufel zu Fig. 8 ohne Dichtelement;

Fig. 10 das Dichtelement zu Fig. 8;

Fig. 11 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer

Laufschaufel mit Dichtelement, mit am Dichtelement angeordneten Rasttasche;

Fig. 12 die Laufschaufel zu Fig. 11 ohne Dichtelement;

Fig. 13 das Dichtelement zu Fig. 11;

Fig. 14 eine Laufschaufel aus dem Stand der Technik,

In der Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Laufschaufei 01 schematisch skizziert. Zu erkennen ist die Laufschaufel 01 mit abschnittsweise dem Schaufelfuß 02, welcher 02, in der Rotorscheibe 61 befestigt ist. An den Schaufelfuß 02 schließt sich die Schaufelplatt form 03 an, wobei in dieser Darstellung ein Seitenrand 06 in Umfangsrichtung zu sehen ist. Radial außerhalb der Schaufel plattform 03 erstreckt sich das Schaufelblatt 04. Die Schau felplattform 03 erstreckt sich hierbei über eine Stirnseite des Schaufelfußes 02 hinaus, wobei eine zur Rotorachse wei sende Unterseite im Überstand eine Anlagefläche 05 bildet. In der Schaufelplattform 03 der Laufschaufel 01 befindet sich am Seitenrand 06 das Dichtelement 31. Wesentlich ist hierbei, das sich das Dichtelement 31 näherungsweise bis zur Anlage fläche 05 erstreckt.

Vor der Stirnseite des Schaufelfußes 02 bzw. vor einer Stirn seite der Rotorscheibe 61 befindet sich der Abdeckring 62, welcher 62 am Außenumfang eine Aufnahmenut 63 aufweist, in der 63 ein Dichtring 64 angeordnet ist. Hierbei ist vorgese hen, dass zumindest bei Rotation des Rotors der Dichtring 64 an der Anlagefläche 05 zur Anlage kommt.

In der Fig. 2 wird hierzu nochmals die Laufschaufel 01, je doch ohne Dichtelement skizziert. Zu erkennen ist wiederum abschnittsweise der Schaufelfuß 02, die sich daran anschlie ßende Schaufelplattform 03 und abschnittsweise sich radial erstreckende Schaufelblatt 04. In der Schaufelplattform 03 am Seitenrand 06 befindet sich die Dichtungsnut 07, welche 07 sich in die Schaufelplattform hinein erstreckt. Hierbei ist die Dichtungsnut 07 in diesem Ausführungsbeispiel geradlinig ausgeführt, wobei mit der geneigten Anordnung im axialen Ver lauf über die Dichtungsnut 07 eine Annäherung an die Unter seite 05 der Schaufelplattform 03 erfolgt. Wesentlich für die erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es, dass die Dichtungs nut 07 sich nunmehr durchgehend bis zur Anlagefläche 05 er streckt .

Zur Fixierung des Dichtelements weist die Schaufelplattform 03 eine Rasttasche 08 auf, welche 08 in diesem Ausführungs beispiel zylinderförmige ausgeführt ist und am Ende der Dich tungsnut 07 gegenüberliegende von der Anlagefläche 05 ange ordnet ist.

In den Figuren 3 und 4 wird das zugehörige Dichtelement 31 skizziert, wobei zu erkennen ist, wie sich dieses 31 zusam mensetzt aus dem Dichtabschnitt 32 sowie dem Rastabschnitt 33. Weiterhin zu erkennen ist, dass das dem Rastabschnitt 33 gegenüberliegende Ende des Dichtelements 31 eine Endfläche 34 aufweist, die 34 im eingebauten Zustand des Dichtelements 31 an der Laufschaufel 01 näherungsweise bündig mit der Anlage fläche 05 ausgeführt ist.

In der Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Laufschaufei 11 skizziert. Zu erkennen ist wiederum die Laufschaufel 11 mit abschnittsweise dem Schau felfuß 02, die sich daran 02 anschließende Schaufelplattform 13 und abschnittsweise das sich radial erstreckende Schaufel blatt 04. Wiederum ist am Seitenrand 16 in der Schaufelplatt form 13 ein Dichtelement 41 angeordnet, welche sich bis zur Unterseite 05 der Schaufelplattform 13 erstreckt.

Hierzu zeigt die Fig. 6 nochmals die Laufschaufel 11 ohne das Dichtelement. Zu erkennen ist die geänderte Ausführungsform der Dichtungsnut 17, welche sich gleichfalls bis zu Untersei te 05 erstreckt. Die Rasttasche 18 ist demgegenüber als Ver tiefung am Nutgrund der Dichtungsnut 17 ausgeführt.

Hierzu wird in der Fig. 7 das Dichtelement 41 skizziert, wel ches gebildet wird zunächst einmal aus wiederum den Dichtab schnitt 42 und komplementär zur Rasttasche 18 dem Rastab schnitt 43. Zur Verbesserung der Abdichtung zu einem benach barten Dichtring wird in diesem Ausführungsbeispiel das Dich telement 41 um einen Anlageabschnitt 45 erweitert, welcher 45 sich parallel zur Anlagefläche 05 erstreckt. Entsprechend bildet der Anlageabschnitt 45 mit der zur Rotorachse weisen den Unterseite die Endfläche 44.

In der Fig. 8 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Laufschaufel 21 skizziert, die 21 analog wiederum einen Schaufelfuß 02 eine Schaufelplattform 23 unter Schaufelblatt 04 umfasst. Gleichfalls ist in der Schaufelplattform 23 am Seitenrand 26 das Dichtelement 51 an geordnet . Hierzu skizziert die Fig. 9 die Laufschaufel 21 ohne Dich telement. Gleichfalls erstreckt sich die in der Schaufel plattform 23 am Seitenrand 26 vorhandene Dichtungsnut 27 bis zur Anlagefläche 05. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungs formen weist die Dichtungsnut 27 jedoch keine Rasttasche auf. Im Gegensatz dazu ist vorgesehen, dass eine Rastabschnitt 28 in die Dichtungsnut 27 hineinragt.

In der Fig. 10 wird hierzu das Dichtelement 51 skizziert, welches gleichfalls zunächst einmal vom Dichtabschnitt 52 ge bildet wird. Ebenso analog 1. Ausführungsbeispiel bildet das Ende des Dichtelements 51 die Endfläche 54, welche im Wesent lichen bündig mit der Anlagefläche 05 ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu vorherigen Ausführungsbeispielen weist jedoch nunmehr das Dichtelement 51 die Rasttasche 53 komplementär zum Randabschnitt 28 auf. Somit des gleichfalls sicherge stellt, dass sich das Dichtelement 51 nicht aus der Dich tungsnut 27 heraus bewegen kann.

Die Fig. 11 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel einer Lauf schaufel 71 entsprechend der dritten Ausführungsform. Zu er kennen ist wiederum die Laufschaufel 71 mit dem ansatzweise dargestellten Schaufelfuß 02 und dem Schaufelblatt 04 sowie der dazwischen angeordneten Schaufelplattform 73. Diese 73 weist an einem Seitenrand 06 in Umfangsrichtung gleichfalls ein Dichtelement 81 auf.

In der Fig. 12 wird die Laufschaufel 71 ohne die Dichtung 81 skizziert. Zu erkennen ist die Gestalt der Dichtungsnut 77, welche sich 77 gleichfalls bis zur Anlagefläche 05 erstreckt. Wesentlich ist hier in der dritten Ausführungsvariante die Auslenkung 78, welche den Verlauf der Dichtungsnut 77 aus ei ner geradlinigen Erstreckung ändert.

Hierzu zeigt die Fig. 13 das komplementäre Dichtelement 81 in perspektivischer Ansicht. Zu erkennen ist der geradlinige Dichtabschnitt 82 sowie der sich abgewinkelt anschließende Halteabschnitt 83. Abschließend wird in der Fig. 14 nochmals der bekannte Stand der Technik skizziert, wobei wiederum die Laufschaufel 101 mit dem Schaufelfuß 02, der sich daran anschließenden Schau- felplattform 103 sowie dem Schaufelblatt 04 skizziert wird. Gleichfalls ist in der Schaufelplattform 03 am Seitenrand 06 ein Dichtelement 8111 angeordnet. Dabei ist es im Stand der Technik üblich, dass das Dichtelement 111 sich nicht bis zu Unterseite des Überstandes, d. h. bis zur Anlagefläche 05 er- streckt, sondern vielmehr ein Abstand zwischen dem Dichtele ment 111 und der Anlagefläche 05 verbleibt.