Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Turbinen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Strömungsmaschinenanordnung mit einer Shroudvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung mit einer Shroudvorrichtung.

Stand der Technik

Eine Strömungsmaschine ist eine Fluidenergiemaschine, bei der die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine durch eine Strömung und eine entsprechende Geometrie der Strömungsmaschine erfolgt. Die Energieübertragung erfolgt normalerweise mittels Rotorblättern, die derart profiliert sind, dass durch die Umströmung eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite entsteht. Strömungsmaschinen werden dabei in verschiedene Gruppen eingeteilt, wie zum Beispiel Pumpen, Ventilatoren, oder Turbinen. Turbinen werden nach Art der eingesetzten Fluide oder nach der Bauart und der Richtung des Strömungsmediums eingeteilt. Zum Beispiel gibt es axiale, tangentiale, oder radiale Bauarten von Turbinen.

Bei Axialturbinen unterscheidet man im rotierenden Teil zwischen gebauten Turbinen und integral gegossenen Turbinen. Gebaute Turbinen bestehen aus einzelnen Schaufeln oder Rotorblättern die mit einem mehr oder weniger kompliziert gestalteten Fuß (Tannenbaumfuß) in der Nabe gehalten werden. Bei integral gegossenen Turbinen bestehen Schaufeln (oder Rotorblätter) und Nabe aus einem Stück. Diese werden auch als sogenannte Integralturbinen bezeichnet. Integralturbinen sind mit freistehenden Schaufeln (oder Rotorblätter) und mit gekoppelten Schaufeln (oder Rotorblätter) im Einsatz. Die Kopplung erfolgt zum Beispiel über einen eingezogenen Dämpferdraht. Die Integralturbine hat einige Vorteile gegenüber einer gebauten Turbine. Zum Beispiel ist die Herstellung kostengünstiger, die Turbine weist weniger Masse auf (in einem besseren Beschleunigungsverhalten resultierend) und weist eine höhere Festigkeit auf, insbesondere aufgrund der entfallenen Fuß Verbindung. Dabei ist insbesondere die Schwingfestigkeit erhöht.

Die erwähnte Kopplung der Schaufeln (oder Rotorblätter) mittels Dämpferdraht erhöht die Steifigkeit des Schaufelverbands und erlaubt den Einsatz bei erhöhter Schwingungsanregung. Die bei Integralturbinen übliche Kopplung über den Dämpferdraht erhöht aber die Strömungsverluste und schwächt außerdem die Schaufel (insbesondere durch das Dämpferdrahtloch). Eine Abhilfe wurde in Form der Kopplung über ein Shroud bei der Einzelschaufelturbine gefunden und umgesetzt. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, insbesondere was die Herstellung, die Fertigung und die Montage betrifft. Daher werden eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung bereitgestellt, die zumindest einige der Probleme des Standes der Technik lösen.

Kurze Darstellung der Erfindung

In Anbetracht des Vorstehenden wird eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1, und ein Verfahren zum Herstellen einer integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 12 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte, der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung bereitgestellt. Die Strömungsmaschinenanordnung umfasst ein Nabenelement, das sich koaxial zu einer Nabenelementachse der Strömungsmaschinenanordnung erstreckt. Weiterhin umfasst die

Strömungsmaschinenanordnung eine Shroudvorrichtung zum Versteifen der Strömungsmaschinenanordnung, wobei die Shroudvorrichtung koaxial zur Nabenelementachse angeordnet ist. Die Strömungsmaschinenanordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Rotorblätter, die sich vom Nabenelement zur Shroudvorrichtung erstrecken. Die Shroudvorrichtung beinhaltet mindestens zwei Auftrennungen, um eine Dämpfung in der Shroudvorrichtung bereitzustellen. Durch die erfindungsgemäße Strömungsmaschinenanordnung wird die Dämpfung an einer integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung mit Shroudvorrichtung erhöht. Mit der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung nach Ausführungsformen der Erfindung werden die Vorteile der Strömungsmaschinenanordnung in Integralbauweise (mit freistehenden Schaufeln oder Rotorblättern) mit der strömungsgünstigen Kopplung der Schaufeln oder Rotorblätter über ein Shroud kombiniert. Bisher konnte die strömungsgünstige Kopplung der Schaufeln über eine Shroudvorrichtung nur mit einer teuren Einzelschaufelströmungsmaschinenanordnung realisiert werden.

Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, durch eine zusätzlich eingebrachte Dämpfung die hohen Schwingungsamplituden bei integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnungen zu reduzieren. Insbesondere wird durch die Auftrennung der Shroudvorrichtung während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung an den Kontaktstellen der Auftrennung durch Reibung und Relativbewegung Energie dissipiert, wodurch die Dämpfung wesentlich erhöht wird.

Zudem ist die integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung mechanisch sehr robust. Die verbesserten Strömungseigenschaften der Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, die Strömungsmaschinenanordnung mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben. Dabei kann außerdem die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung kostengünstig hergestellt werden. Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das einstückige Gießen der Strömungsmaschinenanordnung umfassend ein Nabenelement mit einer Nabenelementachse, eine koaxial zur Nabenelementachse angeordnete Shroudvorrichtung zum Versteifen der Strömungsmaschinenanordnung und mindestens zwei Rotorblätter die sich vom Nabenelement bis zur Shroudvorrichtung erstrecken. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einbringen von mindestens zwei Auftrennungen in die Shroudvorrichtung. Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte integral gegossene in Strömungsmaschinenanordnung weist eine bessere Schwingfestigkeit gegenüber einer Strömungsmaschinenanordnung in Integralbauweise mit durchgehend geschlossenem Shroudvorrichtung auf. Außerdem treten bei der Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung geringere Strömungsverluste auf, als zum Beispiel bei einer Strömungsmaschinenanordnung in Integralbauweise mit dem Dämpferdraht. Die geringeren Kosten und die geringere Masse, sowie die höhere Schwingungsfestigkeit (insbesondere verglichen mit einer gebauten Strömungsmaschinenanordnung mit Shroudvorrichtung) zeichnen die Strömungsmaschinenanordnung nach Ausführungsformen der Erfindung aus.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung und des Verfahrens zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Perspektivansicht einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 2A eine vergrößerte schematische Seitenteilansicht einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung, Figur 2B eine vergrößerte schematische Seitenteilansicht einer weiteren Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 3A eine vergrößerte schematische Teilansicht einer Shroudvorrichtung mit Auftrennung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 3B eine vergrößerte schematische Teilansicht einer Shroudvorrichtung mit Auftrennung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 3C eine vergrößerte schematische Teilansicht einer Shroudvorrichtung mit Auftrennung und mit Dämpferelement gemäß Ausführungsformen der Erfindung, Figur 4 eine schematische Perspektivansicht einer Shroudvorrichtung mit Auftrennung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Figur 5A - 5C schematische Draufsichten auf eine Shroudvorrichtung mit Auftrennungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und Figur 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer integralgegossenen Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Im Allgemeinen werden gleiche Teile in den Figuren mit der gleichen Referenznummer bezeichnet.

Detaillierte Beschreibung Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung kann die hierin beschriebene Strömungsmaschinenanordnung eine Turbinenanordnung sein. Die Strömungsmaschinenanordnung 100 umfasst ein Nabenelement 101 und eine Nabenelementachse 102. Das in der Figur 1 gezeigte Nabenelement 101 zur ist koaxial zur Nabenelementachse 102 angeordnet. Die in der Figur 1 beispielhaft gezeigte Strömungsmaschinenanordnung 100 weist eine Vielzahl von Rotorblättern 104 auf. Die Rotorblätter 104 erstrecken sich von dem Nabenelement 101 zur Shroudvorrichtung 103. Die Rotorblätter 104 sind beispielhaft gleichmäßig über den Umfang des Nabenelements 101 verteilt. Die Strömungsmaschinenanordnung nach Ausführungsformen der Erfindung weist mindestens zwei Rotorblätter auf. Die Anzahl der Rotorblätter ist in den Figuren beispielhaft dargestellt und stellt keine Einschränkung der Erfindung dar. Die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann eine größere oder kleinere Anzahl an Rotorblättern umfassen, als sie in den Figuren gezeigt ist. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umgibt die Shroudvorrichtung 103 alle Rotorblätter 104 koaxial zur Nabenelementachse 102. Dabei stehen die Rotorblätter 104 sowohl mit dem Nabenelement 101 als auch mit der Shroudvorrichtung 103 in Kontakt. Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen werden die Begriffe„Rotorblatt" und „Schaufel" im Wesentlichen synonym verwendet. Die Strömungsmaschinenanordnung nach Ausführungsformen der Erfindung ist eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung. Insbesondere sind bei der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung das Nabenelement, die Rotorblätter, und die Shroudvorrichtung einstückig (und insbesondere einstückig aus demselben Material gefertigt). Die integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung nach Ausführungsformen der Erfindung wird durch ein Gießverfahren einstückig hergestellt. Das einstückige Herstellen der Strömungsmaschinenanordnung ist zum Beispiel durch die Materialstruktur und die Übergänge zwischen den einzelnen Elementen der Strömungsmaschinenanordnung sichtbar. In manchen Ausführungsformen wird die Strömungsmaschinenanordnung nach dem Gießverfahren zum einstückigen Herstellen der Strömungsmaschinenanordnung nachbearbeitet, um zum Beispiel die Oberflächenstruktur einzelner Elemente der Strömungsmaschinenanordnung zu beeinflussen (z.B. zu glätten oder ähnliches).

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist die Shroudvorrichtung der erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenanordnung mindestens zwei Auftrennungen oder Schlitze auf, um eine Dämpfung in der Shroudvorrichtung bereitzustellen.

Figur 2A zeigt eine vergrößerte schematische Teilansicht einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die Strömungsmaschinenanordnung 100 umfasst ein Nabenelement 101, Rotorblätter 104, und eine Shroudvorrichtung 103. In der Shroudvorrichtung 103 sind gemäß Ausführungsformen der Erfindung mindestens zwei Auftrennungen 105 eingebracht. In dem in Figur 2a gezeigten Beispiel sind zwei Auftrennungen 105 gezeigt, die links und rechts von einem (in dem gezeigten Beispiel: dem mittleren) Rotorblatt 104 angeordnet sind. Der Begriff„Auftrennung", wie er hierin verwendet wird kann als eine Unterbrechung der durchgängig gegossenen Struktur der Shroudvorrichtung verstanden werden; Insbesondere kann die Auftrennung zwei Kontaktseiten aufweisen, die vor dem Betrieb oder auch erst während des Betriebes oder auch nur abschnittsweise über den Verlauf der Auftrennung in Kontakt zueinander stehen. Eine Auftrennung kann zum Beispiel einen Schlitz oder Spalt umfassen, der vor oder während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung eine

Breite von 0 mm aufweisen kann (d.h. die Kontaktflächen oder Kontaktstellen der

Auftrennung stehen zumindest abschnittsweise über den Verlauf der Auftrennung in Kontakt miteinander); Insbesondere kann die Auftrennung eine Spaltbreite von typischerweise 0 mm bis 1mm, noch typischerweise von 0 mm bis 0,8 mm, und noch typischerweise von 0 mm bis 0,5 mm umfassen; Gemäß einer Ausführungsform ist die Spaltbreite in zumindest einem Bereich einer Auftrennung zwischen 0,2 mm und 0,3 mm in ruhendem Zustand der Strömungsmaschinenanordnung. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die Spaltbreite in zumindest einem Abschnitt der Auftrennung bis zu ungefähr 0,6 Promille bezogen auf den Durchmesser der Strömungsmaschinenanordnung betragen. In einem Beispiel kann die Strömungsmaschinenanordnung einen Durchmesser von ca. 380 mm aufweisen, wobei die Spaltbreite etwa 0,2 mm beträgt. Die genannten Spaltbreiten der Auftrennung können über die ganze Länge oder den ganzen Verlauf der Auftrennung bereitgestellt werden, oder nur teilweise (d.h. über einen Bereich oder Abschnitt) über den Verlauf der Auftrennung bereitgestellt werden, oder auch nur zeitweise (entweder über den ganzen Verlauf oder nur einen Bereich der Auftrennung) in unterschiedlichen Betriebssituationen der Strömungsmaschinenanordnung auftreten. Zum Beispiel kann die Spaltbreite zwischen dem Zustand der ruhenden Strömungsmaschinenanordnung und dem Zustand der Strömungsmaschinenanordnung während des Betriebes (z.B. während der Rotation der Strömungsmaschinenanordnung) variieren, wie später noch anhand der Zeichnungen detaillierter erläutert werden wird. In einem Beispiel kann die Spaltbreite von dem ruhenden Zustand auf den Zustand während des Betriebes zumindest abschnittsweise auf 0 mm zurückgehen.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die Auftrennung in der Shroudvorrichtung entweder während des Gießvorgangs der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung oder nach dem Gießvorgang der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung eingebracht werden. Zum Beispiel kann eine oder mehrere Auftrennungen in der Shroudvorrichtung durch entsprechende Gestaltung der Gussform (z.B. durch ein entsprechendes Einlegen einer Gussbarriere, eines dünnen Gusskerns oder ähnliches) während des Gießens in die Shroudvorrichtung geformt werden. Nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Auftrennung oder mehrere Auftrennungen auch nach dem Gießvorgang der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung erfolgen, insbesondere durch Aufbrechen (Cracken), oder ein abtragendes Bearbeitungsverfahren, und insbesondere zum Beispiel durch Verfahren wie Fräsen, Sägen, Stossen, Lasertrennen, und/oder Erodieren (zum Beispiel Senkerodieren). In einer Ausführungsform kann zum Beispiel eine Spaltbreite in zumindest einem Bereich einer Auftrennung von ungefähr 0,2 mm durch Laserschneiden erreicht werden. In einer Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, kann eine während des Gießverfahrens eingebrachte Auftrennung in der Shroudvorrichtung durch ein Abtragen des Verfahren nachbehandelt werden (zum Beispiel, um die Oberflächeneigenschaften der Kontaktflächen oder Kontaktstellen der Auftrennung zu beeinflussen).

Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen wird durch die Auftrennungen eine Dämpfung in der Shroudvorrichtung bereitgestellt. Insbesondere wird durch die Fliehkraft während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung die Reibung in der Auftrennung erhöht oder es wird zumindest in Bereichen einer Auftrennung während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung Reibung erzeugt (nämlich an den Kontaktstellen der Auftrennungen, die während des Betriebes miteinander in Kontakt treten). Insbesondere können sich gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen zumindest Bereiche oder Abschnitte einer Auftrennung im Betrieb infolge der Fliehkraft durch die Entwindung der Schaufeln schließen. An den dadurch entstehenden Kontaktstellen wird bei auftretenden Schaufelschwingungen durch Reibung Energie dissipiert und dadurch die Dämpfung in der Shroudvorrichtung erhöht.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist die Spaltbreite derart zu wählen, dass sich der Spalt im Betrieb und nicht erst bei sehr hohen Drehzahlen der Strömungsmaschinenanordnung schliesst. Zudem ist durch die Wahl der Spaltbreite der Auftrennung zu beachten, dass im Betrieb bei hoher Drehzahl unter Umständen die Flächenpressung im Kontakt zu groß wird, so dass an der Kontaktstelle keine Relativbewegung mehr auftritt und die eingebrachte Dämpfung zu gering sein kann. Gemäß Ausführungsformen kann die Spaltbreite einer Auftrennung an die jeweilige Strömungsmaschinenanordnung und/oder deren Verwendung entsprechend gestaltet werden. Beispiele der Spaltbreite wurden oben bereits gegeben.

Figur 2B zeigt eine Teilansicht einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß

Ausführungsformen der Erfindung. Die in der Figur 2B gezeigte Ausführungsform umfasst ein Nabenelement 101, mehrere Rotorblätter 104, und eine Shroudvorrichtung 103. Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen weist die Shroudvorrichtung 103 einige

Auftrennungen 105 auf. Die Auftrennungen 105, wie sie in der Figur 2B gezeigt sind, können Auftrennungen sein, wie sie oben beschrieben wurden. Zum Beispiel können die Auftrennungen 105 des in Figur 2B gezeigten Beispiels eine Spaltbreite aufweisen, wie sie oben nach Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde.

Im Vergleich zu Figur 2A weist die Strömungsmaschinenanordnung 100 ein Nabenelement 101 auf, das im Wesentlichen nicht aus einer Scheibe besteht, sondern eine Art von Felge zur Verfügung stellt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die in der Figur 2A gezeigte Ausführungsform als eine integral gegossene BLISK Anordnung (Blade and Disk) und die in der Figur 2B gezeigte Ausführungsform als eine BLIM Anordnung (Blade und Rim) bezeichnet werden. In manchen Ausführungsformen, wie es zum Beispiel in der Figur 2B gezeigt ist, kann das Nabenelement 101 der Strömungsmaschinenanordnung 100 ohne eigentlichen Nabe ausgebildet sein. Insbesondere kann das Nabenelement 101 durch eine Art Ring, eine Felge, oder eine andere geeignete Struktur zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann das Nabenelement 101 derart strukturiert sein, dass sich die Rotorblätter 104 von dem Nabenelement 101 aus erstrecken. Die Figur 3A zeigt eine nochmals vergrößerte Teilansicht der Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die Teilansicht der Figur 3A zeigt eine Shroudvorrichtung 103, Rotorblätter 104, und eine Auftrennung 105. In der in Figur 3A gezeigten Ausführungsform stehen die zwei Kontaktseiten der Auftrennung 105 miteinander in Kontakt. Figur 3B zeigt eine ähnliche Teilansicht der Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung, wie Figur 3A. Auch in Figur 3B ist eine Shroudvorrichtung 103, Rotorblätter 104, und eine Auftrennung 105 gezeigt. Die Auftrennung 105 der Figur 3B hat eine Breite (oder auch Spaltbreite) 106. Die beiden Kontaktflächen oder Kontaktstellen der Auftrennung 105 stehen in der in Figur 3B gezeigten Ausführungsform nicht miteinander in Kontakt. Die Breite 106 der Auftrennung 105 kann zum Beispiel an der Innenseite (d.h. an der dem Nabenelement zugewandten Seite) der Shroudvorrichtung gemessen werden wie es in Figur 3B gezeigt ist. In anderen Ausführungsformen kann die Breite 106 der Auftrennung 105 an einer anderen Stelle der Auftrennung 105 gemessen werden. Zum Beispiel kann die Breite 106 der Auftrennung in Umfangsrichtung an der Mittellinie der Shroudvorrichtung 103 gemessen werden. Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung, kann der Unterschied der Auftrennung 105 der Figuren 3A und 3B auf verschiedene Arten auftreten. In einem ersten Beispiel kann die Auftrennung 105 der Figur 3A durch ein Aufbrechen der Shroudvorrichtung der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung 100 in die Shroudvorrichtung eingebracht sein. Die Auftrennung 105 der Figur 3B kann hingegen durch ein anderes Verfahren, wie zum Beispiel ein abtragendes Verfahren, insbesondere Laserschneiden, Erodieren, Sägen und/oder Fräsen in die Shroudvorrichtung 103 eingebracht sein.

In einem zweiten Beispiel kann die Auftrennung 105 einmal in dem geschlossenen Zustand (Figur 3A) und einmal in offenem Zustand (Figur 3B) gezeigt sein. Dabei kann zum Beispiel der offene Zustand der Auftrennung 105 in der Figur 3B vor oder nach dem Betrieb der Strömungsmaschinenanordnung 100 auftreten. Der geschlossene Zustand der Auftrennung 105 in der Figur 3A kann zum Beispiel während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung 100 auftreten. Insbesondere kann sich die Auftrennung 105, wie oben beschrieben, durch die Fliehkraft und die dadurch auftretende Entwindung der Rotorblätter 104 schließen.

Figur 3C zeigt eine weitere Ausführungsform der Strömungsmaschinenanordnung 100. Dabei zeigt Figur 3C, wie auch die Figuren 3A und 3B, eine vergrößerte Teilansicht der Strömungsmaschinenanordnung 100 mit Rotorblättern 104, Shroudvorrichtung 103 und einer Auftrennung 105. Die Ausführungsform der Strömungsmaschinenanordnung 100 der Figur 3C weist außerdem ein Dämpferelement 107 auf. Das Dämpferelement 107 kann insbesondere an der Innenseite (d.h. an der dem Nabenelement zugewandten Seite) der Shroudvorrichtung 103 angeordnet sein. Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dämpferelement 107 derart ausgestaltet sein, dass es die Auftrennung 105 in der Shroudvorrichtung 103 überbrückt. Das Dämpferelement 107 kann zum Beispiel in Form einer Platte, insbesondere einer Metallplatte, zur Verfügung gestellt werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann das Dämpferelement auch aus anderen Materialien oder mit anderen Geometrie gefertigt sein. Gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen der Erfindung kann das Dämpferelement 107 mit der Shroudvorrichtung 103 lose in Kontakt stehen.

Während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung 100 wird durch die Fliehkraft das Dämpferelement 107 von unten (d.h. von der Richtung des Nabenelements kommend) an die Shroudvorrichtung 103 gedrückt. Das Dämpferelement 107 kann dadurch eine kraftschlüssige Verbindung der beiden durch die Auftrennung 105 getrennten Schaufeln herstellen. Insbesondere bei großen Schwingungsamplituden kommt es zum Rutschen zwischen dem Dämpferelement 107 und der Shroudvorrichtung 105 und somit zur Energiedissipation. Durch die Energiedissipation wird eine Dämpfung bereitgestellt. Das an der Shroudvorrichtung angebrachte Dämpferelement kann zum Beispiel einen breiten Spalt, der die Auftrennung bereitstellt, überbrücken und/oder kompensieren. Die Auftrennung schließt sich durch das Verdrehen der Schaufeln erst im Betrieb. Je breiter die Auftrennung, desto später schließt sich die Auftrennung (zumindest in Teilbereichen oder Abschnitten der Auftrennung) oder desto später wird Kontakt in den Kontaktflächen oder Kontaktstellen der Auftrennung hergestellt. Das Dämpferelement gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann daher breitere Auftrennungen erlauben, als dies ohne Dämpferelement möglich wäre. Eine breitere Auftrennung kann wiederum den Vorteil der leichteren und günstigeren Herstellbarkeit aufweisen. In den Figuren 1-3 ist die Auftrennung 105 der Einfachheit halber durch im Wesentlichen gerade Linien gezeichnet. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und sollte für die obigen Ausführungsformen nicht als Einschränkung verstanden werden. Im Folgenden werden weitere und andere Formen der Auftrennung beschrieben werden, die mit den bezüglich den Figuren 1-3 beschriebenen Merkmalen kombiniert werden können. Der Begriff „im Wesentlichen" wie er hierin verwendet wird, kann bedeuten, dass eine gewisse Abweichung der damit beschriebenen Eigenschaft zulässig und inkludiert ist. Zum Beispiel kann die Bezeichnung„im Wesentlichen gerade" eine Abweichung von der exakt geraden Linienführung von bis zu 15% beinhalten. In einem anderen Beispiel umfasst der Begriff „im Wesentlichen koaxial" eine Abweichung von der exakten koaxialen Anordnung um bis zu 15°.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. In der in Figur 4 gezeigten Teilansicht ist ein

Teil eines Rotorblatts 104, ein Ausschnitt einer Shroudvorrichtung 103 und zwei

Auftrennungen 105 in der Shroudvorrichtung 103 gezeigt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Auftrennungen 105 das Rotorblatt 104 frei schneiden. In anderen

Worten wird das in der Figur 4 gezeigte Rotorblatt 104 von den anderen Rotorblättern der

Strömungsmaschinenanordnung (in Figur 4 nicht gezeigt) entkoppelt. Durch die zwei Auftrennungen 105 in der Shroudvorrichtung 103 wird gemäß Ausführungsformen der Erfindung das Rotorblatt 104 von den übrigen Rotorblättern der Strömungsmaschinenanordnung entkoppelt. Ebenso wird der Abschnitt der Shroudvorrichtung 103, der mit dem in Figur 4 gezeigten Rotorblatt 104 verbunden ist (insbesondere durch das einstückige oder integrale Gießen verbunden ist) von der übrigen Shroudvorrichtung 103 entkoppelt. Wie oben beschrieben und wie aus der Figur 4 ersichtlich, erstreckt sich eine Auftrennung der Shroudvorrichtung 103 durch die gesamte Dicke der Shroudvorrichtung.

In der Figur 4 sind die Auftrennungen 105 als Linien eingezeichnet. Diese Linien können einen geschlossenen Spalt, eine Aufbrechung der Shroudvorrichtung, oder einen sehr dünnen Spalt (zum Beispiel einen Spalt der Breite von 0 mm bis ungefähr 0,5 mm) darstellen.

Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung kann in der Strömungsmaschinenanordnung nur ein Rotorblatt durch Auftrennungen freigeschnitten werden, oder es können mehrere Rotorblätter durch Auftrennungen freigeschnitten werden. Zum Beispiel können einzelne Rotorblätter durch eine Auftrennung in der Shroudvorrichtung links und rechts des Rotorblatts frei geschnitten werden. Aus Gründen der Rotorunwucht ist es in manchen Ausführungsformen der Erfindung anzustreben, dass die Anzahl der Rotorblätter N durch die Anzahl P der freigeschnittenen Rotorblätter ganzzahligen teilbar ist. Insbesondere können die freigeschnittenen Rotorblätter gleichmäßig am Umfang der Strömungsmaschinenanordnung verteilt werden. Es ist jedoch auch denkbar, von dieser Anordnung in einigen Ausführungsformen, und wenn dies zweckdienlich erscheint, abzuweichen.

In einigen Ausführungsformen kann die Auftrennung an jedem Rotorblatt erfolgen. Zum Beispiel kann die Shroudvorrichtung bei einer Anzahl von N Rotorblättern an N Stellen Auftrennungen aufweisen.

In der Figur 4 sind beide gezeigten Auftrennungen gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung in einer Zickzackform (oder Z-Form) gezeigt. Die Form der Auftrennungen kann zum Beispiel gemäß der Verwindung der Rotorblätter in ruhendem Zustand gegeneinander gewählt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Form der Auftrennungen gemäß den auftretenden Fliehkräften während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung gewählt werden. In weiteren Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Form der Auftrennungen zum Beispiel gemäß der gewünschten Dämpfung gewählt werden. Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Auftrennung wie sie hierin beschrieben ist eine Form aufweisen, die zwei miteinander verbundene Abschnitte aufweist. Typischerweise bitten die zwei miteinander verbundenen Abschnitte eine durch die Breite und Dicke der Shroudvorrichtung durchgehende Auftrennung. Zum Beispiel können die zwei miteinander verbundenen Abschnitte der Auftrennung in einem Winkel zueinander verlaufen. Der Winkel zwischen den zwei miteinander verbundenen Abschnitten der Auftrennung kann beliebig gewählt werden, und kann insbesondere gemäß den Anforderungen an die Dämpfung in der Shroudvorrichtung der Strömungsmaschinenanordnung gewählt werden. Optional können die zwei miteinander verbundenen Abschnitte der Auftrennung derart in einem Winkel zueinander verlaufen, dass die Abschnitte im Wesentlichen eine Z-Form bilden.

Die Figuren 5A, 5B, und 5C zeigen Beispiele für Formen von Auftrennungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Dabei zeigen die Figuren 5A, 5B, und 5C eine Situation während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung, in der die Auftrennungen 105 den während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung auftretenden Fliehkräften ausgesetzt sind. Die Figuren 5A, 5B, und 5C zeigen eine Draufsicht auf einen Teil einer Shroudvorrichtung 103 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Die Shroudvorrichtung 103 der Figur 5A zeigt zwei Auftrennungen, wobei beide Auftrennungen 105 jeweils einen ersten Abschnitt 105 - 1 und einen zweiten Abschnitt 105 - 2 aufweisen. Die beiden Abschnitte 105 - 1 und 105 - 2 verlaufen in einem Winkel zueinander und stehen miteinander in Verbindung wie oben beschrieben. In den Figuren 5A, 5B, und 5C sind die Auftrennungen 105 der Art gestaltet, um im Betrieb der Strömungsmaschinenanordnung in dem ersten Abschnitt 105-1 der Auftrennungen offen zu bleiben und in einem zweiten Abschnitt 105-2 der Auftrennungen 105 Reibung und/oder eine Relativbewegung in der Shroudvorrichtung 103 hervorzurufen. Insbesondere sind die zwei Auftrennungen 105 dimensioniert und ausgelegt, um sich unter

Fliehkrafteinwirkung während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung zumindest abschnittsweise zu schließen. Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann in dem während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung geschlossenen Abschnitt 105 - 2 der Auftrennung an der Kontaktstelle der Auftrennung die Flächenpressung erhöht werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der die Auftrennung durch ein Aufbrechen der Struktur der Shroudvornchtung geformt wurde (und damit quasi ein Spalt der Breite 0 mm in ruhenden Zustand der Strömungsmaschinenanordnung geschaffen wurde) sich in einem Abschnitt der Auftrennung lediglich die Flächenpressung während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung erhöhen, da eine Schließung des Spaltes der Breite 0 mm nicht mehr möglich ist. In diesem Fall kann auch der erste Abschnitt 105 - 1 vor und während des Betriebes als geschlossen beschrieben werden.

Durch das zumindest abschnittsweise Schließen der Auftrennung in der Shroudvornchtung oder die zumindest abschnittsweise Erhöhung der Flächenpressung der Auftrennung kann eine Dämpfung in der Shroudvornchtung der Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung erzeugt werden.

In der Figur 5A ist der erste Abschnitt 105 - 1 der Auftrennung 105 an einem unteren Teil der Draufsicht der Shroudvornchtung 103 gezeigt. Dabei kann der hierin als unterer Teil beschriebene Teil der Shroudvorrichtung 103 den Teil der Shroudvornchtung bezeichnen, der stromaufwärts des durch die Strömungsmaschinenanordnung strömenden Fluids gelegen ist. Demgemäß kann ein oberer Teil der Draufsicht der Shroudvorrichtung 103 den Teil der Shroudvorrichtung bezeichnen, der stromabwärts des durch die Strömungsmaschinenanordnung strömenden Fluid gelegen ist. In dem Beispiel der Figur 5A ist der sich während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung schließende Abschnitt 105 - 2 der Auftrennung 105 an dem oberen Teil der Draufsicht der Shroudvorrichtung 103 angeordnet.

Die Figur 5B zeigt eine ähnliche Anordnung wie Figur 5A, wobei der sich während des Betriebes schließende Abschnitt 105 - 2 der Auftrennung 105 am unteren Teil der Shroudvorrichtung angeordnet ist. Der offen bleibende Abschnitt 105 - 1 der Auftrennung 105 in der Shroudvorrichtung 103 ist gemäß Ausführungsformen der Erfindung am oberen Teil der Shroudvorrichtung angeordnet. Die Form der Auftrennung weist auch in der Figur 5B die winkelig zueinander verlaufenden und miteinander in Verbindung stehenden Abschnitte auf. Figur 5C zeigt eine Draufsicht einer Shroudvorrichtung 103, in der die gezeigten Auftrennungen 105 eine Z- Form gemäß Ausführungsformen der Erfindung aufweisen. In der gezeigten Z-Form ist der mittlere Abschnitt der Auftrennung 105 der Abschnitt, der den sich während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung schließenden Abschnitt 105 - 2 der Auftrennung 105 bereitstellt. Dabei kann sich der Begriff„mittlere Abschnitt" auf die Mitte der Z-Form beziehen und/oder auf den Bereich der Shroudvorrichtung, der zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Shroudvorrichtung (Orientierung wie oben beschrieben) liegt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Auftrennung 105 einen sich während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung schließenden Abschnitt 105 - 2, und zwei während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung offen bleibende Abschnitte 105 - 1, die mit dem Abschnitt 105 - 2 in Verbindung stehen und zu diesem winkelig angeordnet sind.

In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Auftrennung mehr als einen sich während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung schließenden Abschnitt und/oder mehr als einen während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung offen bleibenden Abschnitt aufweisen.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird die Auftrennung derart gewählt, dass sich der Spalt im Betrieb durch die Entwindung der Rotorblätter und der Fliehkraft schließt, bzw. sich die Flächenpressung in der Auftrennung im Betrieb durch die Entwindung der Rotorblätter erhöht. Dabei ist die Auftrennung so zu führen, dass sich der Spalt während des Betriebes schließt, was unter Beachtung der Verdrehung der Rotorblätter und deren Verhalten während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung erfolgt.

In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Auftrennung mit einem Material gefüllt sein, dass sich von dem Material der integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung unterscheidet. Zum Beispiel kann die Auftrennung mit einem elastischen Material gefüllt sein. Dabei kann bei der Auswahl des Materials auch die thermische Belastung während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung beachtet werden (auftretende Temperaturen bis 700 °C im Betrieb). Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm 600 für ein Verfahren im Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Das Verfahren umfasst insbesondere in Block 601 das einstückige Gießen einer Strömungsmaschinenanordnung, die ein Nabenelement 101 mit einer Nabenelementachse 102, eine koaxial zur Nabenelementachse 102 angeordnete Shroudvorrichtung 103 zum Versteifen der Strömungsmaschinenanordnung 100 und mindestens zwei Rotorblätter 104 umfasst, die sich vom Nabenelement 101 bis zur Shroudvorrichtung 103 erstrecken. Gemäß hierin beschriebene Ausführungsformen kann die einstückig gegossene Strömungsmaschinenanordnung in dem Verfahren eine integral gegossene Strömungsmaschinenanordnung sein, wie sie hierin in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurde. Insbesondere kann die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ein Turbinenrad sein. In einigen Ausführungsformen kann das einstückige Gießen der hierin beschriebenen Strömungsmaschinenanordnung das Formen eines Positivmodells aus Wachs umfassen, das Bilden einer Negativform durch das Wachsmodell (zum Beispiel eine Negativform aus Keramik), und das Brennen der Negativform (und gegebenenfalls das Entfernen des Wachs des Positivmodells).

Gemäß hierin beschriebene Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin in Block 602 das Einbringen von mindestens zwei Auftrennungen in die Shroudvorrichtung 103 der Strömungsmaschinenanordnung. Dabei können die Auftrennungen insbesondere durch Gießtechnik oder nach dem Gießen der Strömungsmaschinenanordnung in die Shroudvorrichtung 103 eingebracht sein. Im Falle des nachträglichen Einbringens der Auftrennungen in die Shroudvorrichtung 103 können zum Beispiel Verfahren wie das Aufbrechen oder Cracken, das Laserschneiden, das Erodieren, das Fräsen, und weitere geeignete abtragende Verfahren genutzt werden.

Die Auftrennungen, die in dem Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung in die Shroudvorrichtung eingebracht werden, können die Form und Größe aufweisen, wie sie oben detailliert beschrieben wurden. Auch die Anzahl der Auftrennungen in der Shroudvorrichtung kann ähnlich oder gleich den oben beschriebenen Ausführungsformen gewählt werden. Zum Beispiel können die Auftrennungen derart angeordnet werden, dass mindestens ein Rotorblatt der Strömungsmaschinenanordnung freigeschnitten wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren zum Herstellung einer Strömungsmaschinenanordnung weiterhin das Überbrücken mindestens einer der Auftrennungen in der Shroudvorrichtung umfassen. Insbesondere kann das Überbrücken durch ein Dämpferelement geschehen, das während des Betriebes der Strömungsmaschinenanordnung 100 durch die Fliehkraft an die Shroudvorrichtung 103 gedrückt wird. Dabei kann das Dämpferelement ein Dämpferelement 107 sein, wie es oben insbesondere in Bezug auf die Figur 3C gezeigt und beschrieben wurde.

Die Strömungsmaschinenanordnung und das Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt eine bessere Schwingfestigkeit gegenüber einer integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung mit freistehenden Rotorblättern und auch gegenüber einer integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung mit durchgehend geschlossener Shroudvorrichtung. Weiterhin weist die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung geringere Strömungsverluste auf, als eine integral gegossenen Strömungsmaschinenanordnung mit Dämpferdraht in den Rotorblättern. Daraus ergibt sich auch ein höherer Wirkungsgrad der Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zu bekannten Systemen.

Weiterhin ist die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit geringeren Kosten und einer geringeren Masse (besseres Beschleunigungsverhalten) im Vergleich zu einer gebauten

Strömungsmaschinenanordnung mit Shroudvorrichtung verbunden. Auch weist die Strömungsmaschinenanordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in etwa dieselbe LCF- Festigkeit (low-cycle-fatigue Festigkeit) auf, wie eine gebaute Strömungsmaschinenanordnung mit Shroudvorrichtung. Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. BEZUGSZEICHEN

100 Strömungsmaschinenanordnung

101 Nabenelement

102 Nabenelementachse

103 Shroudvonichtung

104 Rotorblätter

105 Auftrennungen

105-1; 105-2 Abschnitte einer Auf trennung

106 Breite einer Auftrennung

107 Dämpferelement

600 Verfahren (Flussdiagramm)

601; 602 Block des Flussdiagramms