Hohlschaufelkörper, Einsteckrippe und Hohlschaufel

Die Erfindung betrifft eine Hohlschaufel für eine Strömungs ^¬ maschine .

Eine Strömungsmaschine weist einen Strömungskanal auf, der radial innen von einer Welle und radial außen von einem Gehäuse begrenzt ist. Die Strömungsmaschine weist Laufschau ^¬ feln, die an der Welle befestigt sind und im Betrieb der Strömungsmaschine mit der Welle rotieren, und Leitschaufeln auf, die an dem Gehäuse befestigt sind und fest stehen. Ins- besondere in der Turbinensektion einer Gasturbine sind die Schaufeln einer hohen Temperatur ausgesetzt, die zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Schaufeln führen kann. Beispielsweise kann die hohe Temperatur zu einer Verformung der Schaufeln führen.

Um die Temperatur der Schaufeln gering zu halten wird herkömmlich Wärme aus den Schaufeln abgeführt, in dem die Schau ^¬ feln in ihrem Inneren einen Hohlraum aufweisen, der von Kühlluft durchströmt wird. Wird die Wandstärke der Schaufeln zu breit gewählt, so führt dies nachteilig zu einer hohen Tempe ^¬ ratur der Schaufeln. Wird hingegen die Wandstärke zu schmal gewählt, so führt dies nachteilig zu einer nicht ausreichen ^¬ den Festigkeit der Schaufeln. Zur Kühlung der Turbinenschaufeln werden häufig Bleche in deren Innenraum eingesetzt. Die Bleche sind mit Löchern verse ^¬ hen und dienen mithin als Prallkühlbleche, um die Schaufel ^¬ wände hinreichend und effizient kühlen zu können. Hierzu of ^¬ fenbaren die Schriften US 4,063,851 AI, EP 0 032 646 AI und EP 2 573 325 AI unterschiedlichste Konstruktionen, wobei bei jeder der darin gezeigten Lösung die Prallkühlbleche nur eine Kühlungsfunktion übernehmen. Andere Funktionen besitzen sie nicht . Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hohlschaufel für eine Strömungsmaschine zu schaffen, die eine hohe Festigkeit hat und mit der sich im Betrieb der Strömungsmaschine eine nied- rige Temperatur der Hohlschaufel erreichbar ist.

Der erfindungsgemäße Hohlschaufelkörper für eine Hohlschaufel weist eine Schaufelwand mit einer Druckseite, die an ihrer Innenseite mindestens ein erstes Schaufelverbindungselement aufweist, und einer Saugseite auf, die an ihrer Innenseite mindestens ein dem ersten Schaufelverbindungselement gegen ^¬ überliegendes zweites Schaufelverbindungselement aufweist, wobei das erste Schaufelverbindungselement mit mindestens ei ^¬ nem ersten Rippenverbindungselement, das an einem ersten Längsende einer Einsteckrippe) angeordnet ist, und das zweite Schaufelverbindungselement mit mindestens einem zweiten Rip ^¬ penverbindungselement, das an einem dem ersten Längsende ab ^¬ gewandten zweiten Längsende der Einsteckrippe angeordnet ist, derart in Eingriff derart festgelegt ist, dass sie auf Zug belastbar ist, um so eine Versteifung der Hohlschaufel bewirken zu können.

Die erfindungsgemäße Einsteckrippe für eine Hohlschaufel weist mindestens ein erstes Rippenverbindungselement, das an mindestens einem ersten Längsende der Einsteckrippe angeord ^¬ net ist, und ein zweites Rippenverbindungselement auf, das an einem dem ersten Längsende abgewandten zweiten Längsende der Einsteckrippe angeordnet ist, wobei das erste Rippenverbin ^¬ dungselement mit mindestens einem an der Innenseite einer Druckseite einer Schaufelwand eines Hohlschaufelkörpers ange ^¬ ordneten ersten Schaufelverbindungselement und das zweite Rippenverbindungselement mit mindestens einem an der Innen ^¬ seite einer Saugseite der Schaufelwand angeordneten zweiten Schaufelverbindungselement, das dem ersten Schaufelverbin- dungselement gegenüberliegend angeordnet ist, derart in Ein ^¬ griff bringbar ist, dass die Einsteckrippe an dem Hohlschau ^¬ felkörper festgelegt ist und eine derartige Versteifung der Hohlschaufel bewirkt, dass ein Verbeulen reduziert wird. Vor- zugsweise ist die Einsteckrippe mit dem Schaufelhohlkörper verhakt .

Die erfindungsgemäße Hohlschaufel für eine Strömungsmaschine, weist den Hohlschaufelkörper und die Einsteckrippe auf, wobei das erste Schaufelverbindungselement mit dem ersten Rippen ^¬ verbindungselement und das zweite Schaufelverbindungselement mit dem zweiten Rippenverbindungselement derart in Eingriff stehen, dass die Einsteckrippe an dem Hohlschaufelkörper festgelegt ist und eine auf Zug belastbare Versteifung der Hohlschaufel bewirkt.

Durch die Versteifung der Hohlschaufel mit der Einsteckrippe kann vorteilhaft eine hohe Festigkeit der Schaufel auch bei einer geringen Dicke der Schaufelwand erreicht werden. Da ^¬ durch und weil sich im Betrieb aufgrund der geringen Dicke niedrige Temperaturen für die Hohlschaufel erreichen lassen, hat die Hohlschaufel eine lange Lebensdauer. Weiterhin kann die Einsteckrippe aus einem anderen und kostengünstigeren Ma- terial als der Hohlschaufelkörper hergestellt sein, so dass die die Hohlschaufel vorteilhaft kostengünstig ist. Durch das Vorsehen der Einsteckrippe wird die innen liegende Oberfläche der Hohlschaufel vergrößert, wodurch eine größere Menge an Wärme mit einem in der Hohlschaufel strömenden Kühlfluid abführbar ist, als es ohne das Vorsehen der Einsteckrippe der Fall wäre. Der Hohlschaufelkörper und die Einsteckrippe wer ^¬ den in getrennten Herstellungsverfahren fertiggestellt, wodurch eine komplexere Geometrie der Einsteckrippe möglich ist als es der Fall wäre, wenn die Einsteckrippe zusammen mit dem Hohlschaufelkörper in einem einzigen Verfahrensschritt gegossen würde .

Es ist bevorzugt, dass mindestens eins der Schaufelverbin ^¬ dungselemente mindestens eine in die Schaufelwand einge- brachte Schaufelwandnut aufweist. Mindestens eins der Schau ^¬ felverbindungselemente weist bevorzugt mindestens einen von der Schaufelwand vorstehenden Schaufelvorsprung auf. Bei der Schaufelwandnut und dem Schaufelvorsprung lässt sich die Ein- steckrippe beispielsweise durch ein einfaches Schieben in den Hohlschaufelkörper einbringen.

Es ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Schaufelver- bindungselement jeweils einen von der Schaufelwand vorstehen ^¬ den Schaufelvorsprung aufweisen, der mit der Schaufelwand eine Nut begrenzt, wobei eine der beiden Nuten zur Vorderkante des Hohlschaufelkörpers hin offen ist und die andere der bei ^¬ den Nuten zur Hinterkante des Hohlschaufelkörpers hin offen ist, so dass durch eine Drehbewegung der Einsteckrippe die Rippenverbindungselemente in Eingriff mit den Schaufel ^¬ verbindungselementen bringbar sind. Die Einsteckrippe weist bevorzugt eine Drehachse sowie das erste und zweite Rippen ^¬ verbindungselement weist bevorzugt jeweils einen Rippenvor- sprung auf, wobei bei einer Drehbewegung der Einsteckrippe um die Drehachse in einer Drehrichtung die Rippenvorsprünge in ihrer Drehrichtung von der Einsteckrippe vorstehen, so dass mit der Drehbewegung die Rippenvorsprünge mit Nuten der

Schaufelverbindungselemente verhakend in Eingriff bringbar sind. Durch das Drehen kann die Einsteckrippe selbst dann in den Eingriff mit dem Hohlschaufelkörper gebracht werden, wenn der Abstand von der Druckseite zu der Saugseite entlang der Schaufelhöhe variiert und somit ein Schieben der Einsteckrip ^¬ pe nicht erfolgen kann.

Der Hohlschaufelkörper weist bevorzugt eine sich von der Druckseite zur Saugseite erstreckende Schaufelrippe auf, so dass im Inneren des Hohlschaufelkörpers ein im Bereich der Vorderkante des Hohlschaufelkörpers angeordneter Vorderkan- tenkanal und ein im Bereich der Hinterkante angeordneter Hinterkantenkanal gebildet ist, wobei die Schaufelverbin ^¬ dungselemente im Vorderkantenkanal angeordnet sind. Im Be ^¬ trieb der Strömungsmaschine kann eine Verbeulung der Vorderkante der Hohlschaufel erfolgen. Die Einsteckrippe im Vorder- kantenkanal vorzusehen führt zu einer Versteifung der Vorderkante und unterbindet somit vorteilhaft die Verbeulung der Vorderkante . Es ist bevorzugt, dass die Einsteckrippe mindestens zwei fest miteinander verbundene Querstege aufweist, die in Richtung von der Vorderkante zur Hinterkante der Hohlschaufel neben ^¬ einander angeordnet sind, wobei an jedem der Längsenden der Querstege mindestens eins der Rippenverbindungselemente ange ^¬ ordnet ist. Indem die mindestens zwei Querstege mit jeweils zwei Rippenverbindungselementen vorgesehen sind, weist die bevorzugte Einsteckrippe mindestens vier Rippenverbindungs ^¬ elemente auf, die mit mindestens vier entsprechenden Schau- felverbindungselementen verhakend in Eingriff stehen. Dadurch ist eine besonders starke Versteifung der Hohlschaufel bewerkstelligbar .

Die Einsteckrippe ist bevorzugt durch ein Gießverfahren, durch Biegen eines Blechs, durch selektives Lasersintern und/oder selektives Laserschmelzen hergestellt. Bei dem se ^¬ lektiven Lasersintern und dem selektiven Laserschmelzen sind vorteilhaft geringe Fertigungstoleranzen und eine aufwändige Geometrie erzielbar. Bei dem Biegen eines Blechs handelt es sich vorteilhaft um ein einfaches Herstellungsverfahren.

Es ist bevorzugt, dass die in Eingriff mit den Rippenverbindungselementen stehenden Schaufelverbindungselemente eine Winkelverbindung, eine Schwalbenschwanzverbindung, eine Ver- zahnung und/oder eine Omegaverbindung bilden. Bei den genannten Verbindungen handelt es sich vorteilhaft um hakenartige feste Verbindungen, die sich im Betrieb der Strömungsmaschine nicht lösen. Die Hohlschaufel weist bevorzugt ein eine Mehr ^¬ zahl an Löchern aufweisendes Prallblech auf, das derart im Inneren der Hohlschaufel angeordnet ist, dass via die Löcher die Oberfläche der Einsteckrippe mit einem Kühlfluid

anströmbar ist. Dadurch ist eine große Oberfläche der Hohl ^¬ schaufel durch eine Prallkühlung kühlbar. Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Hohlschaufel mit einer ersten Einsteckrippe, FIG 2 eine Hohlschaufel mit einer zweiten Einsteckrippe, FIG 3 eine Hohlschaufel mit einer dritten Einsteckrippe,

FIG 4 ein Detail der Figur 3,

FIG 5 ein Detail einer Hohlschaufel mit einer vierten Ein ^¬ steckrippe,

FIG 6 ein Detail einer Hohlschaufel mit einer fünften Ein ^¬ steckrippe,

FIG 7 ein Detail einer Hohlschaufel mit einer sechsten Ein- steckrippe und

FIG 8 ein Detail einer Hohlschaufel mit einer siebten Ein ^¬ steckrippe . Wie es aus Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, weist eine Hohl ^¬ schaufel 1 einen Hohlschaufelkörper und eine Einsteckrippe auf. Der Hohlschaufelkörper weist eine Schaufelwand 6 mit ei ^¬ ner Außenseite 8 und einer Innenseite 9 auf. Die Innenseite 9 begrenzt einen innen liegenden Hohlraum des Hohlschaufel- körpers . Im Betrieb einer Strömungsmaschine, in der die Hohl ^¬ schaufel 1 eingebaut ist, wird die Außenseite 8 von einem Ar- beitsfluid der Strömungsmaschine angeströmt. Der Hohlschau ^¬ felkörper weist weiterhin eine in Stromaufrichtung des Ar- beitsfluids gelegene Vorderkante 2 und eine in Stromabrich- tung des Arbeitsfluids gelegene Hinterkante 3 auf. Zudem weist der Hohlschaufelkörper eine Druckseite 4 und eine Saug ^¬ seite 5 auf.

Der Hohlschaufelkörper weist eine Schaufelrippe 7 auf, die sich von der Druckseite 4 zur Saugseite 5 erstreckt, so dass der Hohlraum der Hohlschaufel 1 aufgeteilt wird in einen im Bereich der Vorderkante 2 angeordneten Vorderkantenkanal 10 und einen im Bereich der Hinterkante 3 angeordneten Hinterkantenkanal 11.

Die Hohlschaufel 1 aus Figur 1 weist in ihrem Vorderkanten- kanal 10 eine erste Einsteckrippe 12 und die Hohlschaufel 1 aus Figur 2 weist in ihrem Vorderkantenkanal 10 eine zweite Einsteckrippe 13 auf. Dazu weisen die Hohlschaufelkörper in Figuren 1 und 2 an der Druckseite 4 zwei Schaufelverbindungs ^¬ elemente und an der Saugseite 5 zwei Schaufelverbindungsele- mente in Form von in die Schaufelwand 6 eingebrachter Schau ^¬ felnuten 24 auf. Die Schaufelnuten 24 erstrecken sich in Richtung der Schaufelhöhe, so dass die erste Einsteckrippe 12 und die zweite Einsteckrippe 13 durch ein Schieben in der Richtung der Schaufelhöhe in den Hohlschaufelkörper einge- bracht werden können.

Die erste Einsteckrippe 12 und die zweite Einsteckrippe 13 weisen zwei fest miteinander verbundene Querstege auf, die in Richtung von der Vorderkante 2 zur Hinterkante 3 der Hohl- schaufei 1 nebeneinander angeordnet sind, wobei an jedem der Längsenden der Querstege mindestens eins der Rippenverbindungselemente angeordnet ist. Die Rippenverbindungselemente weisen jeweils einen Vorsprung auf, der von dem jeweiligen Quersteg vorsteht. Die Rippenverbindungselemente stehen mit jeweils einer der Schaufelwandnuten 24 in Eingriff und werden auf Zug belastet, wenn die Schaufelwände aufgrund thermischer Einflüsse sich voneinander weg bewegen möchten. Aufgrund dieser Ausgestaltung behindern auf Zug belastbare Einsteckrippen ein Verbeulen der Schaufelwände.

Der erste Quersteg gemäß Figur 1 ist gebildet von einem ers ^¬ ten Endquersteg 20, an dessen einem Ende eins der in Eingriff mit der Saugseite 5 stehenden Rippenverbindungselemente ange ^¬ ordnet ist und an dessen anderem Ende ein erster Längssteg 21 fest angebracht ist, von einem zweiten Endquersteg 20, an dessen einem Ende eins der in Eingriff mit der Druckseite 4 stehenden Rippenverbindungselemente angeordnet ist und an dessen anderem Ende ein zweiter Längssteg 21 fest angebracht ist, und von einem Mittelquersteg 19, an dessen Längsenden der erste und zweite Längssteg 21 fest angebracht sind. Der zweite Quersteg 24 gemäß Figur 2 ist gebildet von einem drit ^¬ ten Endquersteg 20, an dessen einem Ende das andere der in Eingriff mit der Saugseite 5 stehende Rippenverbindungsele ^¬ mente angeordnet ist und an dessen anderem Längsende der ers ^¬ te Längsquersteg fest angebracht ist, von einem vierten End ^¬ quersteg 20, an dessen einem Ende das andere der in Eingriff mit der Druckseite 4 stehende Rippenverbindungselemente ange- ordnet ist und an dessen anderem Ende der zweite Längs ^¬ quersteg 21 fest angebracht ist, und von dem Mittelquersteg 19.

Die beiden Querstege gemäß Figur 2 sind gebildet von einem ersten Quersteg 22 und einem zweiten Quersteg 22. Die zweite Einsteckrippe 13 weist weiterhin einen Längssteg 23 auf, des ^¬ sen Längsenden fest mit dem ersten Quersteg 22 und dem zweiten Quersteg 22 verbunden sind. Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, ist jeder der beiden Vorderkantenkanäle 10 durch die jeweilige Einsteckrippe 12, 13 in vier Teilkanäle unterteilt. In jeden der Teilkanäle ist jeweils ein ringför ^¬ miges Prallblech 34 mit jeweils einer Mehrzahl an Löchern eingebracht, so dass alle innen liegenden Oberflächen der Hohlschaufeln 1 durch ein Kühlfluid, welches sich im Inneren der ringförmigen Prallbleche 34 befindet, senkrecht anström ^¬ bar sind.

Der Hohlschaufelkörper gemäß Figur 3 weist als Schaufelverbindungselemente einen an der Saugseite 5 angebrachten ersten Schaufelvorsprung 26a und einen an der Druckseite 4 angebrachten zweiten Schaufelvorsprung 26b auf. Der erste Schaufelvorsprung 26a begrenzt mit der saugseitigen Schaufelwand 6 eine erste Nut 36 und der zweite Schaufelvorsprung 26b be ^¬ grenzt mit der druckseitigen Schaufelwand 6 eine zweite Nut 37. Die erste Nut 36 ist zur Vorderkante 2 hin offen und die zweite Nut 37 ist zur Hinterkante 3 hin offen. Die Hohlschau ^¬ fel 1 gemäß Figur 3 weist eine dritte Einsteckrippe 14 auf, die einen Quersteg 25 sowie als Rippenverbindungselemente ei- nen ersten Rippenvorsprung 38 und einen zweiten Rippenvorsprung 39 aufweist. Der erste Rippenvorsprung 38 steht von der dritten Einsteckrippe 14 in Richtung zu der Hinterkante 3 vor und der zweite Rippenvorsprung 39 steht von der dritten Einsteckrippe 14 in Richtung zu der Vorderkante 2 vor. Da ^¬ durch ist erreicht, dass durch eine Drehbewegung der dritten Einsteckrippe 14 um eine Drehachse 35 in einer Drehrichtung 40 der erste Rippenvorsprung 38 mit der ersten Nut 36 und gleichzeitig der zweite Rippenvorsprung 39 mit der zweiten Nut 37 in Eingriff bringbar ist.

Figur 4 zeigt in einer Vergrößerung den ersten Schaufelvorsprung 26a und den ersten Rippenvorsprung 38 aus Figur 3. Der erste Schaufelvorsprung 26a bildet zusammen mit dem ersten Rippenvorsprung 38 eine Winkelverbindung. Dazu hat der erste Schaufelvorsprung 26a die Form eines rechten Winkels, den die dritte Einsteckrippe 14 umgreift. Figur 5 zeigt eine Hohl ^¬ schaufel 1 mit einer vierten Einsteckrippe 15, die in Ein ^¬ griff mit einem von der Schaufelwand 6 vorstehenden dritten Schaufelvorsprung 27 steht. Die vierte Einsteckrippe 15 bil ^¬ det mit dem dritten Schaufelvorsprung 27 ebenfalls eine Winkelverbindung. Diese unterscheidet sich von der Winkelverbindung gemäß Figur 4 darin, dass der dritte Schaufelvorsprung 27 an dem freiliegenden Ende des rechten Winkels einen weite- ren rechten Winkel aufweist, so dass der dritte Schaufelvor ^¬ sprung 27 eine zur Schaufelwand 6 offene Nut aufweist, in die die vierte Einsteckrippe 15 eingreift.

Figur 6 zeigt eine Hohlschaufel 1 mit einer fünften Einsteck- rippe 16. Als Schaufelverbindungselement weist der Hohlschau ^¬ felkörper einen vierten Schaufelvorsprung 28 auf und als Rippenverbindungselement weist die fünfte Einsteckrippe 16 eine schwalbenschwanzförmige Nut auf, die zusammen eine Schwalben- schanzverbindung bilden. Dazu weist der vierte Schaufelvor- sprung 28 einen Schwalbenschwanz auf, der in die schwalbenschwanzförmige Nut der fünften Einsteckrippe 16 eingreift. Dabei ist es ebenso denkbar, dass die fünfte Einsteckrippe 16 einen Schwalbenschwanz aufweist, der in eine Nut des Hohlschaufelkörpers eingreift.

Figur 7 zeigt eine Hohlschaufel 1 mit einer sechsten Ein- steckrippe 17. Als Schaufelverbindungselement weist der Hohl ^¬ schaufelkörper einen fünften Schaufelvorsprung 29 auf, der die Form eines rechteckigen Winkels hat und an dessen der Innenseite 9 gegenüberliegenden Fläche Zähne angeordnet sind. Als Rippenverbindungselement weist die sechste Einsteckrippe 17 einen Vorsprung auf, an dem ebenfalls Zähne angeordnet sind. Die Zähne der sechsten Einsteckrippe 17 und die Zähne des fünften Schaufelvorsprungs 29 greifen ineinander und bil ^¬ den dadurch eine Verzahnung. Die Zähne der sechsten Einsteckrippe 17 und des fünften Schaufelvorsprungs 29 sind dabei derart geformt, dass beim in Eingriff stehen eine Relativbe ^¬ wegung der sechsten Einsteckrippe 17 und des fünften Schaufelvorsprungs 29 in einer Richtung von der Druckseite 4 zur Saugseite 5 nicht ermöglicht ist. Gleichzeitig ist eine Rela ^¬ tivbewegung in Richtung von der Vorderkante 2 zur Hinterkante 3 ermöglicht, so dass die Zähne in Eingriff bringbar sind. Indem die Relativbewegung von der Druckseite zur Saugseite unterbunden ist, ist es ermöglicht, dass zwischen der sechs ^¬ ten Einsteckrippe 17 und der Schaufelwand 6 ein Spalt ausge ^¬ bildet sein kann.

Figur 8 zeigt eine Hohlschaufel 1 mit einer siebten Einsteck ^¬ rippe 18. Als Schaufelverbindungselement weist der Hohlschau ^¬ felkörper einem sechsten Schaufelvorsprung 30 auf und als Rippenverbindungselement weist die siebte Einsteckrippe 18 eine Nut auf, die zusammen eine Omegaverbindung bilden. Dazu hat der sechste Schaufelvorsprung 30 die Form eines rechten Winkels, an dessen freistehendem Ende eine Verdickung angeformt ist. Die Verdickung greift in die Nut der siebten Einsteckrippe 18 ein. Dabei ist es ebenso denkbar, dass die siebte Einsteckrippe 18 an ihrem Ende eine Verdickung auf ^¬ weist, die in eine Nut des Hohlschaufelkörpers eingreift.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.