Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Flug gasturbine, mit einem Schaufelabschnitt und mit einem Schaufelfuß, der mit dem Schaufel abschnitt verbunden ist, wobei der Schaufelfuß bezogen auf eine Querschnittsansicht eine linke und eine rechte Schaufelfußkontur aufweist, wobei die Schaufelfußkontur ausgehend von einem unteren Ende des Schaufelfußes wenigstens zwei konvexe Konturabschnitte und wenigstens zwei konkave Konturabschnitte aufweist, wobei ausgehend von dem unteren Ende entlang der Schaufelfußkontur zwischen einem konvexen Konturabschnitt und einem sich daran anschließenden konkaven Konturabschnitt ein Konturabschnitt als im Betrieb tragen der Flankenabschnitt vorgesehen ist, und wobei ausgehend von dem unteren Ende entlang der Schaufelfußkontur zwischen einem konkaven Konturabschnitt und einem sich daran anschließenden konvexen Konturabschnitt ein Konturabschnitt als im Betrieb nicht tragender Flankenabschnitt vorgesehen ist.

Derartige Laufschaufeln sind bekannt und deren Laufschaufelfuß bzw. die Schaufelfußkontur wird auch als Tannenbaum-Kontur bezeichnet. In einem eingebauten Zustand einer solchen Laufschaufel in einer Laufschaufelscheibe befindet sich das untere Ende des Schaufelfußes radial innen und die Konturabschnitte schließen sich von radial innen nach radial außen an einander an. Die Symmetrieachse entspricht dabei der Radialrichtung.

Richtungsangaben wie„Axial-“ bzw.„axial“,„Radial-“ bzw.„radial“ und„Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.

Im Betrieb treten im Schaufelfuß, insbesondere in den konkaven Konturabschnitten hohe Spannungen auf. Ebenso können auch in den konkaven Scheibenkonturabschnitten, die zu den konvexen Konturabschnitt der zugehörigen Laufschaufeln komplementär sind, hohe Spannungen auftreten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Laufschaufel und eine Laufschaufelscheibe anzugeben, bei der die auftretenden Spannungen im Betrieb reduziert werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Laufschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Laufschaufelscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine Gasturbine mit einer solchen Laufschaufelscheibe angegeben.

Vorgeschlagen wird also eine Laufschaufel für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbi ne, mit einem Schaufelabschnitt und mit einem Schaufelfuß, der mit dem Schaufelabschnitt verbunden ist, wobei der Schaufelfuß bezogen auf eine Querschnittsansicht eine linke und eine rechte Schaufelfußkontur aufweist, wobei die Schaufelfußkontur ausgehend von einem unteren Ende des Schaufelfußes wenigstens zwei konvexe Konturabschnitte und wenigstens zwei konkave Konturabschnitte aufweist, wobei ausgehend von dem unteren Ende entlang der Schaufelfußkontur zwischen einem konvexen Konturabschnitt und einem sich daran an schließenden konkaven Konturabschnitt ein Konturabschnitt als im Betrieb tragender Flan kenabschnitt vorgesehen ist, und wobei ausgehend von dem unteren Ende entlang der Schau- felfußkontur zwischen einem konkaven Konturabschnitt und einem sich daran anschließenden konvexen Konturabschnitt ein Konturabschnitt als im Betrieb nicht tragender Flankenab schnitt vorgesehen ist. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens einer der konkaven Konturab schnitte einen ersten Bogenabschnitt, einen zweiten Bogenabschnitt und einen zwischen den beiden Bogenabschnitten angeordneten Geradenabschnitt aufweist.

Das Vorsehen eines solchen zwischen zwei konvex gebogenen Bogenabschnitten liegenden Geradenabschnitts fuhrt zu einer messbaren Reduktion der im Betrieb auftretenden Spannungen. Es konnte insbesondere gefunden werden, dass die Spannung im sogenannten

Kerbgrund des konkaven Konturabschnitts um bis zu 10% verringert werden konnten vergli chen mit einem konkaven Konturabschnitt, der nur aus einem Bogenabschnitt oder aus meh reren unmittelbar aufeinander folgenden Bogenabschnitten mit unterschiedlichen Radien gebildet ist.

Der Übergang vom ersten Bogenabschnitt und/oder vom zweiten Bogenabschnitt zum Geradenabschnitt kann ein krümmungsstetiger oder ein tangentenstetiger Übergang sein. Dies ist spannungstechnisch besonders vorteilhaft, jedoch herstellungstechnisch mit dem üblichen Räumverfahren vergleichsweise aufwändig, weil die Anfertigung spezieller Räumwerkzeuge erforderlich ist. Solche Übergänge können jedoch vergleichsweise einfach mittels ECM (electrochemical machining) und/oder Drahterodieren (WEDM, wire electro discharge ma- chining) realisiert werden. Damit die Spannungen optimal verteilt werden können kann der erste Bogenabschnitt einen größeren ersten Radius aufweisen als der zweite Bogenabschnitt. Ausgehend von dem unte ren Ende des Schaufelfußes sind entlang der Schaufelfußkontur der erste Bogenabschnitt, der Geradenabschnitt und der zweite Bogenabschnitt nacheinander angeordnet.

Der Geradenabschnitt kann eine radiale Länge bis etwa 20 Millimeter, vorzugsweise 0,1 bis 1 Millimeter aufweisen.

Der auf den Geradenabschnitt des betreffenden konkaven Konturabschnitts folgende, nicht tragende Flankenabschnitt kann geneigt sein, insbesondere in einem Winkel von bis zu 30° bezogen auf eine zur Radialrichtung und Axialrichtung orthogonalen Tangente zur Umfangs richtung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Neigung des nicht tragenden Flankenab schnitts bei ansonsten gleich bleibenden Radien des ersten und zweiten Bogenabschnitts ab hängig von der Länge des Geradenabschnitts ist.

Der Geradenabschnitt kann ausgehend von dem unteren Ende des Schaufelfußes in dem ersten konkaven Konturabschnitt vorgesehen sein. Entsprechend werden die im Betrieb wirkenden Spannungen insbesondere in dem radial inneren Teil des Schaufelfußes reduziert, der in Umfangsrichtung die geringste Ausdehnung aufweist, aufgrund der beiden sich symmetrisch gegenüberliegenden konkaven Konturabschnitte.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird weiter eine Laufschaufelscheibe, insbesondere mit mehreren Schaufelfußaufnahmen vorgeschlagen, in denen eine jeweilige oben beschriebene Laufschaufel mit ihrem Schaufelfuß aufgenommen sein kann.

Gemäß einer Ausführung umfasst die Laufschaufelscheibe konkave Scheibenkonturabschnitte, die jeweils zu einem konvexen Konturabschnitt einer Schaufelfußkontur der zugehörigen Laufschaufel, die eine erfindungsgemäße oder eine andere Laufschaufel sein kann, komple mentär sind, wobei wenigstens einer der konkaven Scheibenkonturabschnitte einen ersten Scheibenbogenabschnitt, einen zweiten Scheibenbogenabschnitt und einen zwischen den beiden Scheibenbogenabschnitten angeordneten Scheibengeradenabschnitt aufweist. Der Übergang vom ersten Scheibenbogenabschnitt und/oder vom zweiten Scheibenbogenab schnitt zum Scheibengeradenabschnitt kann ein krümmungsstetiger oder ein tangentenstetiger Übergang sein.

Der erste Scheibenbogenabschnitt kann einen größeren ersten Radius weisen als der zweite Scheibenbogenabschnitt. Zusätzlich oder alternativ kann der Scheibengeradenabschnitt eine radiale Länge bis etwa 20 Millimeter, vorzugsweise 0,1 bis 1 Millimeter aufweisen.

Dabei können ein im Betrieb freier Flankenabschnitt der Schaufelfußaufnahme und der in Radialrichtung oberhalb von diesem freien Flankenabschnitt angeordnete nicht tragende Flankenabschnitt des Schaufelfußes einen Winkel von bis zu 20° einschließen. Auch dieser Winkel ist durch die Wahl der Länge des Geradenabschnitts beeinflussbar bzw. von dieser Wahl abhängig.

Schließlich wird zur Lösung der gestellten Aufgabe auch eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine vorgeschlagen mit einer derartigen Laufschaufelscheibe bzw. mit mehreren derartigen Laufschaufeln.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Perspektivdarstellung eine Laufschaufel mit ihrem Laufschaufelfuß.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Schnittdarstellung den Schaufelfuß mit seiner Schaufelfußkontur aufgenommen in eine Schaufelfußaufnahme einer Laufschaufelscheibe.

Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung des in Fig. 2 gestrichelt umrandeten Bereichs III.

Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Perspektivdarstellung eine Laufschaufel 10 für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine oder für ein Flugzeugtrieb werk. Die Laufschaufel 10 umfasst einen Schaufelabschnitt 12. Als Schaufelabschnitt 12 wird derjenige Teil der Laufschaufel bezeichnet, der im Betrieb von Fluid, insbesondere Heißgas, umströmt wird. Die Laufschaufel 10 weist unterhalb bzw. radial innen einen Schaufelfuß 14 auf. Der Schaufelfuß 14 weist bezogen auf eine radiale Symmetrieachse symmetrisch ausgebildete Schau fel fußkonturen 16 auf, die in Umfangsrichtung auf beiden Seiten des Schaufelfußes 14 ausgebildet sind. Zwischen dem Schaufelfuß 14 und dem Schaufelabschnitt 12 ist in üblicher Weise ein radial inneres Deckband 18 angeordnet. Ferner umfasst die Laufschaufel 10 auch ein radial äußeres Deckband 20.

Fig. 2 zeigt den Schaufelfuß 14 mit seiner Schaufelfußkontur 16 in einer vereinfachten Schnittdarstellung. Der Schaufelfuß 14 ist in dieser Darstellung in einer Schaufelfußaufnahme 22 einer lediglich angedeuteten Laufschaufelscheibe 24 aufgenommen. In Fig. 2 ist die Radialrichtung RR verlaufende Symmetrieachse SA des Schaufelfußes 14 dargestellt. Der Schaufelfuß 16 weist auf jeder Seite der Symmetrieachse SA eine jeweilige linke bzw. rechte Schaufelfußkontur 16 auf. Die Schaufelfußkontur 16 verläuft ausgehend von einem unteren bzw. radial inneren Ende 26 des Schaufelfußes 14 nach radial außen. Auch wenn der Schaufelfuß 14 in diesem Beispiel symmetrische Schaufelfußkonturen 16 aufweist, stellt dies keine zwingende Einschränkung dar. Die linke Schaufelfußkontur und die rechte Schaufelfußkon- tur können auch nicht symmetrisch zueinander ausgebildet sein, beispielsweise aufgrund un terschiedlicher Radien der konvexen/konkaven Flankenabschnitte.

Die Schaufelfußkontur 16 umfasst zwei konvexe Konturabschnitte 28a, 28b und zwei konkave Konturabschnitte 30a, 30b. Zwischen dem konvexen Konturabschnitt 28a und dem konkaven Konturabschnitt 30a ist ein tragender Flankenabschnitt 32a als hier beispielsweise ge rader Abschnitt ausgebildet. Ein weiterer tragender Flankenabschnitt 32b ist zwischen dem konvexen Konturabschnitt 28b und dem konkaven Konturabschnitt 30b ausgebildet. Zwi schen dem konkaven Konturabschnitt 30a und dem konvexen Konturabschnitt 28b ist ein nicht tragender Flankenabschnitt 34a ausgebildet. Die Bezeichnung tragend bzw. nicht tragend bezieht sich dabei auf den Fall des Betriebs einer Gasturbine. Im Betrieb der Gasturbine wird die Laufschaufel 10 bzw. der Laufschaufelfuß 14 aufgrund der wirkenden Fliehkräfte nach radial außen bewegt. Entsprechend kommen die tragenden Flankenabschnitte 32a, 32b in Kontakt mit entsprechenden tragenden Gegenabschnitten 36a, 36b, die in der Schaufelfußaufnahme 22 der Laufschaufelscheibe 24 ausgebildet sind. Dieser Betriebszustand ist im Üb rigen auch in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Um im Betrieb die auf den Schaufelfuß wirkenden Spannungen zu verringern weist der kon kave Konturabschnitt 30a einen ersten Bogenabschnitt 38 und einen zweiten Bogenabschnitt 40 auf. Zwischen den beiden Bogenabschnitten 38, 40 ist ein Geradenabschnitt 42 ausgebil det. Der Geradenabschnitt 42 weist eine in der Fig. 3 mit GL bezeichnete Länge auf. Diese Länge GL beträgt insbesondere bis 20 Millimeter, vorzugsweise 0,1 bis 1 Millimeter. Der erste Bogenabschnitt 38 weist einen Radius Bl auf und der zweite Bogenabschnitt 40 weist einen Radius B2 auf. Dabei ist der Radius Bl größer als der Radius B2. Der Geradenabschnitt 42 verbindet die beiden Bogenabschnitte 38, 40 im Wesentlichen parallel zur Radial richtung RR.

Der nicht tragende Flankenabschnitt 34a ist geneigt angeordnet und schließt mit einer Tan gente TG zur Umfangsrichtung UR einen Winkel a von bis zu 30° ein. Ferner ist zwischen dem nicht tragenden Flankenabschnitt 34a und einem nicht tragenden Gegenabschnitt 44a der Schaufelfußaufnahme 22 ein Winkel g von bis zu 20° gebildet. Ein Winkel ß, der zwischen einer sogenannten Skelettlinie SK und dem Geradenabschnitt 42 gebildet wird, beträgt etwa 0° bis 20°, vorzugsweise etwa 12° bis 18°.

Die Länge GL des Geradenabschnitts 42 kann insbesondere so gewählt werden, dass die oben genannten Winkel und nicht größer werden als die bereits erwähnten Werte. Der Winkel kann dabei von 0° bis 30° betragen. Die Länge GL des Geradenabschnitts 42 hat somit einen Einfluss auf die Neigung des nicht tragenden Flankenabschnitts 34a. Insbesondere wir die Neigung bzw. der Winkel kleiner, wenn die Länge GL größer gewählt wird.

Durch das Vorsehen der Geradenabschnitte 42 können Spannungen insbesondere in einem radial inneren Bereich des Schaufelfußes 14 verringert werden, in dem der Schaufelfuß 14 zwischen den konkaven Konturabschnitten 28a eine minimale Ausdehnung in Umfangsrichtung UR aufweist. Somit kann dem Verschleiß bzw. der Materialermüdung in diesem radial inneren Bereich des Schaufelfußes 14 besser entgegengewirkt werden.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Laufschaufelscheibe, die in ähnlicher Weise wie die erfindungsgemäße Laufschaufel einen zur Spannungsreduktion in der Laufschaufel scheibe geeigneten Scheibengeradenabschnitt (nicht in den Zeichnungen dargestellt) auf weist, die jedoch nicht im Detail anhand von Zeichnungen dargestellt ist. Bezugszeichenliste

10 Laufschaufel

12 Schaufelabschnitt

14 Schaufelfuß

16 Schaufelfußkontur

18 inneres Deckband

20 äußeres Deckband

22 Schaufelfußaufnahme

24 Laufschaufelscheibe

26 unteres Ende

28a, b konvexer Konturabschnitt 30a, b konkaver Konturabschnitt 32a, b tragender Flankenabschnitt 34a nicht tragender Flankenabschnitt

36a,b tragender Gegenabschnitt 38 erster Bogenabschnitt

40 zweiter Bogenabschnitt 42 Geradenabschnitt

44a nicht tragender Gegenabschnitt

AR Axialrichtung

GL Länge Geradenabschnitt RR Radialrichtung

SA Symmetrieachse

SK Skelettlinie

TG Tangente

UR Umfangsrichtung