Turbinenlau-schaufelanordnungen mit in Nuten einer Turbinen- scheibe eingeschobenen Füßen sind in ihren Nutbereichen durch die an der Turbinenschaufel bei Drehung der Turbinenscheibe angreifenden Fliehkräfte stark belastet. Um eine große Aufla- geflache zu haben, sind die Haltevorrichtungen des Fußes in der Nut als angeschrägte Längszähne ausgebildet. Die Flieh- kräfte, die radial nach außen weisen, werden durch die Fuß- längszähne in Nutlängszähne der Nut eingeleitet. Da die Längszähne angeschrägt sind, erfolgt durch diese Einleitung eine Kraftumlenkung eines Teils der Fliehkraft. Insbesondere im Stirnseitenbereich des Fußes sind die eingeleiteten Kräfte sehr belastend für den Nutbereich, da sie dort sprunghaft an- steigen. Hierdurch entsteht insbesondere in dem unteren Nut- bereich eine starke Belastung, die zu Rissen führen kann.

Zudem wird versucht, bei modernen Turbinenlaufschaufeln eine Effektivitätsverbesserung dadurch zu erreichen, daß die Tur- binenschaufeln in steilen Abströmungswinkeln relativ zur Ar- beitsfluidanströmung eingerichtet werden. Hierbei sind die Laufschaufelfüße schräg zur Turbinenscheibenachse in die Tur- binenscheiben eingesetzt, wodurch die Nuten und die Schaufel- füße stark inhomogenen Spannungen unter Betriebslast ausge- setzt sind. Dies bringt eine erhöhte Materialbeanspruchung

mit sich, so daß die Schrägstellung bisher auf Winkel bis ca.

15° beschrank_ is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Turbi- nenlaufschaurelanordnung anzugeben, die es erlaubt, Turbinen- laufschaufelr bei Schrägungswinkeln e nzusetzen, die größer als die bisher erreichten sind, ohne die Festigkeit der Nut- bereiche zu gefährden.

Die Aufgabe wrrd dadurch gelöst, daß der Schaufelfuß an sei- ner Stirnseite eine lokale Materialschwächung aufweist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß fliehkraftinduzierte Span- nungsspitzen angefangen werden und somie nicht in dem stirn- seitigen Endbereich in die umgebenden Nutlangszähne eingelei- tet werden, sondern weiter innen, in der Mitte des Schaufel- fußes. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß an der Stirnseite das Material lokal geschwächt ist. Eine Material- schwächung liegt vor, wenn die umgebenden Bereiche eine gro- ßere Steifigkeit aufweisen, beispielsweise dadurch, daß das Material an der Schwächung dünner ist. Somit wird die gesam- te, resultierende Steifigkeit dieses Bereichs reduziert. Denn bei einer anliegenden Last wird zuerst der weiche, geschwäch- te Bereich verformt. Das Material ist somit nicht mehr so starr. Auf diese Weise kann in diesem Bereich nur eine ver- minderte Kraftübertragung auf die umgebende Nut stattfinden.

Die normalerweise sehr starren Stirnseiten des Schaufelfußes werden durch die vorgeschlagene Anordnung gegenüber Spannun- gen nachgiebiger gemacht. Es findet somit eine Lastumvertei- lung in Richtung Schaufelfußmitte statt, die lokale Span- nungsüberhöhungen im Nutendbereich vermindert. Die Material- schwächung ist lokal angebracht, weil der Fuß immer noch eine ausreichende Festigkeit aufweisen soll und trotz der Schwa- chung immer noch ein gewisser, die Schaufel tragender Flieh- kraftanteil übertragen werden soll. Durch die vorgeschlagene Anordnung wird verhindert, daß an den Stirnseiten der Nut- längszähne so hohe Spannungen angreifen, daß Schädigungen

entstehen. Hierdurch können beispielsweise Spannungsspitzen aufgrund von Passungsfehlern, wie sie selbst bei sehr sorg- fältiger Gußnachbearbeitung der Turbinenschaufelfüße vorkom- men, ausgeglichen werden. Durch die vorgeschlagene Anordnung wird die Lebensdauer der Turbinenschaufelanordnung erhöht und es treten wahrend des Betriebs weniger Störungen auf.

Eine zu berechnende und-eproduzierbar herzustellende Ma- terialschwachung ist gegeben, wenn der Schaufelfuß an seiner Stirnseite eine Ausnehmung hat. Die Ausnehmung erweicht den Stirnbereich des Fußes gegenüber der angreifenden Fliehkraft dadurch, daß sie sich unter dem Kraftangriff elastisch zusam- mendrucken läßt. Es wird ein geringerer Anteil der Kraft in den Endbereich der Nut eingeleitet, und somit ein großer An- teil in den Bereich der Fußmitte. Durch eine Anderung der Form oder der Abmessungen der Ausnehmung können die elasti- schen Eigenschaften des Ausnehmungsbereichs wesentlich beein- flußt werden. Die Ausnehmung an der Stirnseite des Schaufel- fußes ist während des Gießens durch Einsetzen eines Gießkerns von außen oder nachträglich durch mechanische Bearbeitung einbringbar.

Wenn die Ausnehmung eine keilförmige Einkerbung an der Stirn- seite des Schaufelfußes im Bereich zwischen den der Achse der Turbinenscheibe nächsten, sich gegenüberliegenden Fußlängs- zähnen ist, und die Ausnehmung an einem scheibenachsenseiti- gen Ende des Schaufelfußes offen ist, können durch elasti- sches Zusammenbiegen der Seitenflanken der keilförmigen Ein- kerbung Kräfte weich in diesem Bereich abgefangen werden. Es wird ein geringerer Anteil der Kraft in den umgebenden Nutbe- reich übertragen. Die Tragkraft wird somit in einen Bereich in Richtung Schaufelfußmitte umgeleitet. Dieses federartige Zusammenfalten der keilförmigen Einkerbung ist dadurch be- schränkt, daß keine bleibenden plastischen Verformungen ent- stehen dürfen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht wer- den, daß Maße und Formen der Ausnehmung, insbesondere eine gewisse Breite und Tiefe eingehalten werden, die beispiels-

weise von dem Schaufelgewicht, aber auch der Auflagefläche in der Nut und den eingehaitenen Fertigungstoleranzen abhängen.

Eine sehr gute Ableitung der Verspannungen in die Schaufel- fußmittenbereiche ist gegeben, wenn sich die Ausnehmung in Richtung einer Schaufelplattform querschnittsmäßig verjüngt.

Je größer der Querschnitt und insbesondere die Breite und da- mit je größer der Abstand der Flanken der Ausnehmung desto weicher ist die Ausnehmung und desto weniger Widerstand setzt sie einer elastischen Verformung entgegen. Somit werden in den untersten Bereich der Enden der Nuten, die am stärksten rißgefahrdet sind, die geringsten Spannungen eingeleitet, wo- hingegen in Nutbe-eichen, die in einem Abstand zur Scheibe- nachse in Richtung Schaufelplattform liegen, höhere Spannun- gen eingebracht werden. Diese Nutbereiche sind stabiler aus- gebildet und können Biegebeanspruchungen einen größeren Wi- derstand entgegensetzen.

Wenn die Ausnehmung eine in Richtung Schaufelplattform abneh- mende maximale Tiefe aufweist, ist die Ausnehmung im schei- benseitigen Endbereich an der Stirnseite am weichsten und wird von dort in Richtung Schaufelfußmitte mit abnehmender Breite zunehmend härter. Die maximale Einkerbungstiefe kann darüberhinaus auf diese Weise leicht an einen eventuellen Schrägungswinkel des Schaufelfußes angepaßt werden, indem die Tiefe mit wachsendem Schrägungswinkel vergrößert wird.

Wenn die Ausnehmung eine abgerundete Kontur aufweist, ist ge- währleistet, daß die Anpreßkräfte weicher abgeleitet werden können. Es ist hierdurch verhindert, daß sich an der Ausneh- mung beispielsweise bei Kraftwechseln und Kraftrichtungsände- rungen Rißspitzen bilden, die zu Schädigungen des Materials führen.

Wenn jede der beiden Stirnseiten des Schaufelfußes je eine lokale Materialschwächung aufweist, sind an beiden Stirnsei- ten, die ähnliche und bei symmetrischer Ausführung des Schau-

felfußes dieselben Spannungsüberhohungen aufweisen wurden, ähnliche bzw. dieselben vorteilhaften Auswirkungen zu erhal- ten.

Durch den Schaufelfuß kann Kühlmittel durchgeleitet werden und zugleich eine Wirkungsgradverbesserung aufgrund einer Schrägstellung stattfinden, wenn der Schaufelfuß einen Hohl- raum aufweist, der am scheibenachsenseitigen Ende des Schau- felfußes einen Zugang hat und die lokale Materialschwächung einen derartigen Abstand zu dem Zugang besitzt, daß unter der Betriebslast der TurbinenlaufschauSel die erforderliche Sta- bilität gewahrleistet ist. Durch den Zugang kann Kühlmittel durch den Schaufelfuß und durch ihn hindurch in das Schaufel- profil geleitet werden. Zugleich wird durch die lokale Mate- rialschwächung die angreifende Fliehkraft in Richtung Schau- felfußmitte verteilt. Darüberhinaus ist die Festigkeit des Schaufelfußes auch im Stirnbereich dadurch gegeben, daß eine ausreichende Wanddicke an der Stirnseite des Schaufelfußes trotz der lokalen Materialschwächung gewährleistet ist. Es können somit alle Vorteile der Erfindung genutzt werden und zugleich eine Innenkühlung des Schaufelprofiles beziehungs- weise eine Gewichtsreduzierung aufgrund der Aushöhlung des Schaufelfußes vorgenommen werden.

Wenn der Hohlraum am scheibenachsenseitigen Ende mehrere ver- setzt auf einer Fußlängsachse angeordnete Zugänge aufweist und die lokale Materialschwächung an der Stirnseite ebenfalls zumindest teilweise auf der Fußlängsachse liegt, wird eine Spannungsverteilung mittig entlang der Fußlängsachse er- reicht. Die Spannungseinleitung erfolgt also symmetrisch zu den beiden Flanken der Nut. Die Krafte werden gleichmäßig auf beide Nutseiten verteilt, wodurch auch im Mittenbereich eine eventuelle Spannungsüberhöhung vermieden wird. Mehrere Zugän- ge gewährleisten eine Stabilisierung in den Wänden zwischen den Zugang, wodurch die Kraftverteilung vergleichmäßigt wird. Insbesondere ist auf einen ausreichenden stabilitäts-

wahrenden Abstand der lokale Materialschwächung zum Zugang, der der Ausnehmung am nächsten liegt, zu achten.

Wenn der Schaufelfuß um sternförmig von der Scheibenachse aus- gehende, durch die Schaufelfuße verlaufende Radialachsen um einen Winkel gedreht in die Turbinenscheibe eingesetzt ist, ist eine stark asymmetrische Krafteinleitung und eine damit verbundene Spannungsüberhöhung im Bereich der Enden der un- tersten Nutlängszähne zu beobachten. Insbesondere die Nuten- den, die die Stirnbereiche der Füße umfassen, werden durch die auf sie übertragenen Kräfte stark asymmetrisch belastet.

Diese asymmetrische Belastung im Endbereich stellt aufgrund der dabei entstehenden Biegespannungen und hiermit verbunde- nen Rißkeimbildung eine Grenze fur die Verbesserung des Wir- kungsquerschnitts durch die Schrägstellung der Laufschaufel- füße dar. Hiergegen wirkt die erfindungsgemäße lokale Materi- alschwachung insbesondere die Ausnehmung, indem sich in die- sem geschwächten Stirnbereich das Material des Fußes weicher verhält. Auf diese Weise findet die Hauptlastaufnahme der in Umfangsrichtung der Turbinenscheibe liegenden Komponente der unter Fliehkraftbelastung entstehenden Anpreßkraft an den weiter innenliegenden Bereichen der Nut statt. Ein Aufbiegen der asymmetrisch belasteten Nut ist somit auch bei steilen Winkeln der Schaufelfüße verhindert. Auf diese Weise kann ei- ne sehr große Wirkungsgradverbesserung durch Einsetzen von unter großen Abströmwinkeln schräggestellten Schaufeln statt- finden, ohne daß es zu Festigkeitsverlusten beispielsweise durch Rißkeimbildung aufgrund von Biegespannungen in den End- bereichen der Nuten kommt.

Eine individuelle Anpassung der Weichheit der Stirnseite des Fußes auf die Bedürfnisse, die durch die Schragstellung der Schaufelfüße entstehen, ist gegeben, wenn die Breite, die Tiefe und die Form der Ausnehmung auf den Winkel und die Ab- stände der Turbinenschaufelfüße abgestimmt sind.

Eine Erweichung der gesamten Stirnseite des Schaufelfußes ist dadurch gegeben, daß die Ausnehmung vom scheibenseitigen Ende des Schaufelfußes bis zwischen die zwei plattformnächsten, sich gegenüberliegenden Fußlängszahne verlauft. Auf diese Weise lassen sich auch Kraftverteilungen mit großen Maxima ausgleichen.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ge- geben. Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlauf- schaufel mit Ausnehmung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Ausnehmung, Fig. 3a, b, c Querschnitte parallel zu einem Plattformbereich durch den Fußbereich mit Ausnehmung, Fig. 4 eine schematische Ansicht auf den Turbinenschau- felfuß in der Ansicht II-II, Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf einen Umfangsbe- reich einer Turbinenscheibe mit schräg einge- setzten Turbinenschaufeln und Fig. 6 eine Seitenansicht des Fußes mit Ausnehmung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenlauf- schaufel 2. Die Turbinenlaufschaufel 2 besteht aus einem Schaufelprofil 10, das an eine parallelogrammförmig geschräg- te Schaufelplattform 11 grenzt, die den Abschluß des darun- terliegenden Schaufelfußes 3 bildet. Der Schaufelfuß 3 be- sitzt ebenfalls einen parallelogrammförmigen Querschnitt par- allel zur Schaufelplattform 11. Die Plattform 11 weist rela- tiv zur Senkrechten 14 auf eine Stirnseite 8 des Schaufelfu- ßes 3 einen Schrägungswinkel 24 auf. Der Schaufelfuß 3 be- sitzt parallel zu seinen Stirnseite 8 einen tannenbaumförmi- gen Querschnitt, der vorspringende, an den beiden parallelen Längsseiten 4 des Schaufelfußes 3 längs untereinander paral- lel verlaufende Fußlängszähne 5 aufweist und zu einem schei- benachsenseitigen Ende 17 des Fußes 3 hin schmaler zuläuft.

Die Fußlängszähne 5 sind bezogen auf eine Schaufellängsachse

23 Hinterschneidungen bildend radial angeschragt. Der Schau- felfuß 3 wird in einer entsprechend negativ dazu geformten Turbinenscheibennut 6 mit Fußlängszähne 5 aufnehmenden, längs verlaufenden Aussparungen entlang seiner Längsseiten 4 eingeschoben und bezogen auf die Achse der Turbinenscheibe 1 radial auszugssicher durch korrespondierend zu den Fußlangs- zähnen 5 angeschragte Nutlangszähne 7 gehalten. Der zwischen zwei Schaufeln 2 liegende, im Querschnitt parallel zur Ober- fläche ebenfalls parallelogrammförmige Bereich 26 der Turbi- nenscheibe 1 wird somit von den beiden benachbarten Turbinen- schaufeln 2 in entgegengesetzter Richtung beansprucht. Die Kräfte, dargestellt durch Kraftvektorpfeile 30, in Umfangs- richtung der Turbinenscheibe l heben sich im Mittenbereich 28 gegenseitig annähernd auf, wie in Fig. 5 angedeutet. Dies ist jedoch anders in den Endbereichen 29 der Nuten 6. Hier erge- ben sich aufgrund der Parallelogrammform des Bereichs 26 im Endbereich 29 fehlenden Gegenkräfte und somit asymmetrischer Kräfteverteilung und somit eine Biegebeanspruchung. Die Bie- gebeanspruchung ist umso stärker, je größer der Schrägungs- winkel 24 ist.

Dem wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, daß der Schaufel- fuß 3 an der Stirnseite 8 eine lokale Materialschwächung in Form einer Ausnehmung 9 aufweist. In einem Bereich 13 am scheibenachsenseitigen Ende 17 des Fußes 3, an dem der Fuß 3 schmal zuläuft, befindet sich zwischen den scheibenachsen- nächsten Fußlängszähnen 5 annähernd mittig die Ausnehmung 9.

Die Ausnehmung 9 hat eine keilartige Form, die in Richtung Plattform 11 und zur anderen Stirnseite 8 hin verjüngt zu- läuft, abgerundet zulaufenden Flanken 12. Die Ausnehmung 9 ist zum scheibenachsenseitigen Ende 17 des Fußes 3 hin offen.

Bei einer Belastung des Schaufelfußes 3 mit in Richtung der Schaufellangsachse 23 gerichteten Fliehkräften werden die Fußlängszähne 5 gegen untere Zahnflanken der Nutlangszähne 7 gepreßt. Somit werden die Kräfte in diesem Stirnseitenbereich nicht so stark in die umgebenden Nutbereiche eingeleitet,

sondern die Kraftübertragung weiter in den Mittenbereich 28 des Bereichs 26 verlegt.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Schaufelfußbereich mit Ausnehmung 9. Die Ausnehmung 9 besitzt ihre größte Hohe 27 direkt an der Stirnseite 8 und fallt zur Mite des Schau- felfußes 3 abgerundet ab.

Fig. 3a, b, c zeigen zu der Schaufelplattform 11 parallele Querschnitte durch den Fußbereich mit der Ausnehmung 9 ent- lang der Schnittlinien III a, b, c aus Fig. 2. Die Querschnit- te weisen eine mit Abstand zum scheibenachsenseitigen Ende 17 und mit Annäherung an die Schaufelplattform 11 abnehmende ma- ximale Tiefe 18 auf. Ebenso nimmt mit Abstand zum scheibe- nachsenseitigen Ende 17 die maximale Breite 16 der Ausnehmung 9 zu. Die Steigung der Flanken 12 der Ausnehmungen 9 ist an diese Abnahme angepaßt, jedoch im wesentlichen konstant.

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht II-II auf des scheibenachsenseitige Ende 17 des Fußes 3 aus Fig. l. Der Fuß 3 weist neben den an beiden Stirnseiten 8 angeordneten Ausnehmungen 9 vier annä- hernd gleichartig im Querschnitt elliptisch geformte Zugänge 19 zu einem innenliegenden Hohlraum auf, der nicht gezeigt ist. Die Zugänge 19 sind durch Mittelwände 22 voneinander ge- trennt. Sowohl die Zugänge 19 wie auch die Ausnehmungen 9 liegen mit ihren Längsausdehnungen entlang einer Fußlängsach- se 21, die parallel zu den Längsseiten 4 des Fußes 3 mittig zwischen diesen verläuft. Die Ausnehmungen 9 weisen einen Ab- stand 20 zu den benachbarten Zugängen 19 auf. Zwischen der Ausnehmung 9 und dem benachbarten Zugang 19 befindet sich so- mit eine Wand 31, durch die die von der Stirnseite 8 abge- lenkte Krafteinleitung in den umgebenden Nutbereich erfolgt.

Durch die Ausnehmungen 9 sind die Stirnseiten 8 in dem schei- benachsenseitigen Endbereich 17 weicher.

Durch die Zugänge 19 kann das Schaufelprofil 10 der Turbinen- laufschaufel 2 mit Kühlmittel versorgt werden. Die Mittelwän-

de 22 verstärken den scheibenachsenseitigen Fußbereich und gewährleisten einen ausreichenden Widerstand gegen die Bela- stung durch die angreifenden Fliehkrafte.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf einen Umfang einer Turbinen- scheibe 1 mit in Nuten 6 eingesetzten TurbinenlaufschauSeln 2, die zueinander einen Abstand 25 zwischen entsprechenden Längsseiten G aufweisen. Die Plattformen 11 und mit ihnen die Füße weisen einen Winkel 24 zu einer Senkrechten 14 auf Tur- binenscheibenstirnseite auf. Beim Rotieren der Turbinenschei- be 1 belastend die Turbinenschaufeln 2 die zwischen den Nuten 6 liegenden Bereiche 26 der Turbinenscheibe. Insbesondere an den Endbereichen der Nuten 6 stehen sich nicht mehr ausrei- chend ausgleichende Kräfte von zwei benachbarten Schaufeln gegenüber, so daß es in diesen Endbereichen, die in der Fig. 5 gestrichelt sind, zu einer asymmetrischen Beanspruchung kommt. Dem wird durch die Ausnehmung 9 im Stirnbereich 8 des Schaufelfußes 3 abgeholfen. Die Ausnehmung 9 macht den Stirn- bereich 8 weicher, d. h. es können nicht mehr so starke Kräfte in diesem Bereich auf die umgebenden Nutbereiche abgegeben werden. Hierdurch werden die Maxima der Kraftverteilungen verstärkt in Richtung des Mittenbereichs 28 des Bereichs 26 verschoben, wo auch große Kräfte ohne Schaden auch bei großen Winkeln 24 von über 15° aufgenommen werden können.

Fig. 6 zeigt eine Ansicht des Stirnbereichs 8 des Fußes 3. Der Stirnbereich 8 weist eine längliche Ausnehmung 9 auf. Die Ausnehmung 9 ist am scheibenseitigen Endbereich 17 des Fußes 3 offen und reicht vom scheibenseitigen Endbereich 17 bis zwischen die obersten Fußlängszahne 5. Hierdurch sind auch die Bereiche zwischen den mittleren und den oberen, sich ge- genüberliegenden Fußlängszähnen 5 elastisch belastbar. Span- nungsspitzen im Stirnbereich 8 können noch effektiver ausge- glichen werden.