Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine und Halterung für eine derartige Laufschaufel

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine, umfassend aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schau- feifuß mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergieren. Weiter betrifft die Erfindung eine Halterung für eine derartige Laufschaufei .

Laufschaufeln für Turbomaschinen, wie Turbinen und Verdichter, sowie deren Halterungen sind aus dem Stand der Technik in umfangreicher Art bekannt. Beispielsweise ist bekannt, dass Laufschaufeln einen im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig anmutenden Fußbereich aufweisen, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Seitenwände des

Schaufelfußes von der Plattform aus in Richtung zu einer Schaufelfußunterseite sich geradlinig aufweiten. Zur Befestigung weist ein diese Laufschaufeln tragender Rotor zumeist einen Wellenbund oder eine entsprechend geformte Rotor- Scheibe auf, an deren Mantelfläche Haltenuten mit zum Schaufelfuß korrespondierender Kontur in Axialrichtung verlaufen. Die Laufschaufeln sind mit ihrem schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß in die entsprechenden Haltenuten einschiebbar und aufgrund der so hergestellten Schwalbenschwanzverbindung bei Rotation des Rotors in Radialrichtung sicher gegen Lösen gehalten .

Beispielsweise ist eine derartige Schaufelbefestigung aus der DE 41 08 930 Al bekannt. Um dabei die Lebensdauergrenzwerte hinsichtlich der Ermüdung bei niedriger und hoher

Lastspielzahl zu erzielen, ist vorgesehen, dass die Schwalbenschwanzverhakung ein Abschnitt einer Helix ist. Weiter ist ein geradliniger, jedoch gegenüber der Radialrichtung des Turbinenrotors geneigter

Schwalbenschwanzfuß einer Laufschaufel aus der EP 0 502 660 Al bekannt. Diese Anordnung ist aber nur für nichtmetallische Schaufeln vorgesehen.

Daneben ist aus dem Stand der Technik bekannt, Laufschaufeln mittels einer sogenannten Tannenbaum-Verzahnung an Rotorscheiben zu befestigen. Hierzu weisen sowohl Schaufelfuß einer Laufschaufel als auch die dazu korrespondierend ausge- bildete Haltenut Konturen auf, deren Anmutung einem Tannenbaum entspricht. Die dabei vorhandenen und ineinander greifenden Hinterschneidungen und Vorsprünge können bei hoher Fliehkraftbelastung aufgrund des mit hoher Drehzahl sich drehenden Rotors Spannungen im Material von Rotorscheibe oder Laufschaufelfuß hervorrufen, die zu Ermüdungserscheinungen führen können.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der Bereitstellung einer alternativen, zuverlässigen Befestigung von Laufschau- fein am Rotor einer Turbomaschine. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer alternativen, langlebigen Halterung für derartige Laufschaufeln .

Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden mit einer Laufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Halterung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die erfindungsgemäße Laufschaufel umfasst aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergieren, wobei beide Seitenwände entlang seiner Erstreckung zwischen Plattform und Schaufelfußunterseite größtenteils in gleicher Richtung gewölbt sind, derart, dass - im Querschnitt betrachtet - eine zwischen den beiden Seitenwänden mittig angeordnete

Schaufelfuß-Mittellinie in entsprechender Richtung gewölbt ist. Die erfindungsgemäße Halterung für eine Laufschaufei weist für jede zu haltende Laufschaufel jeweils eine Haltenut mit jeweils zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden auf, die zur Bildung einer Schwalbenschwanzform von einer nach außen gerichteten Nutöffnung zu einem Nutgrund divergieren, wobei beide Seitenwände entlang ihrer Erstreckung zwischen Nutöffnung und Nutgrund größtenteils in gleicher Richtung gewölbt sind, derart, dass - im Querschnitt betrachtet - eine fiktive, zwischen den beiden Seitenwänden mittig angeordnete Haltenut-Mittellinie in entsprechender Richtung gewölbt ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, durch einen sich von der Plattform zur Schaufelfußunterseite wölbenden Schaufelfuß eine höher belastbare Verbindung von Laufschaufel und Rotor herbeigeführt werden kann. Gleichfalls können Her- Stellungskosten reduziert werden, da insbesondere, wenn die Laufschaufel in einer Turbine eingesetzt wird, die ansonsten üblichen Tannenbaumverbindungen auch durch eine erfindungsgemäße gekrümmte Schwalbenschwanzverbindung erreicht werden kann. Die Kosteneinsparung wird insbesondere durch die gerin- gere Anzahl an Vorsprüngen und Hinterschneidungen sowohl für den Schaufelfuß als auch für die dazu korrespondierend geformte axiale Haltenut am Rotor erreicht. Zudem kann eine verbesserte Frequenzdämpfung erreicht werden. Auch durch den sich von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite diver- gierenden Schaufelfuß kann der Schwerpunkt einer derartigen Schaufel näher zur Rotationsachse des Rotors verlagert werden, wodurch die Belastung, insbesondere die Fliehkraftbelastung des Rotors hervorgerufen durch das Schaufelgewicht, verringert wird. Ein besonderer Vorteil der Halterung liegt darin, dass Kerbspannungen reduziert werden können bei demjenigen Übergang von Nutgrund zur Haltenut-Seitenwand, welcher einen größeren Öffnungswinkel, d.h. einen größeren Radius aufweist.

Dabei sind beide Seitenwände größtenteils in identischer

Richtung gewölbt, d. h. eine der beiden Seitenwände ist größtenteils konkav gewölbt, während die gegenüberliegende andere Seitenwand zumindest größtenteils konvex gewölbt ist. Zugleich divergieren die beiden Seitenwände von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite, um die dadurch erreichte Schwalbenschwanzform für die radiale Verhakung der Schaufel zu gewährleisten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wölbung der- jenigen Seitenwand des Schaufelfußes, welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Laufschaufel ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand voreilend ist, größtenteils konvex. Dementsprechend ist die Wölbung derjenigen Seitenwand der Haltenut, welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Halterung ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand voreilend ist, zumindest größtenteils konkav ist und bei der die Wölbung derjenigen Seitenwand, welche entsprechend nacheilend ist, größtenteils konvex ist. Beides führt dazu, dass die auf das Schaufelblatt einwirkenden Strömungskräfte in der Schaufelfußverbindung derart in Umfangsrichtung wirken, dass die Laufschaufel eher zum Nutgrund der Haltenut hin bewegt wird. Hierdurch erfahren die zwischen den Haltenuten des Rotors geformten Klauen eine geringe mechanische Zug-Beanspruchung als bei einer Wölbung in umgedrehter Richtung. Vorzugsweise ist die nacheilende Seitenwand des Schaufelfußes größtenteils konkav gewölbt.

Durch die geringere mechanische Belastung kann die Lebens- dauer von der Halterung bzw. Rotorscheibe als auch von der Laufschaufei verlängert werden.

Zweckmäßigerweise können der Schaufelfuß und dementsprechend auch die Haltenut der Halterung jeweils auch in Axialrichtung gewölbt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegen die beiden einander gegenüber angeordneten Tragflanken des Schaufelfußen bzw. der Haltenut zumindest teilweise auf unterschiedlichen Radien. Dadurch ergibt sich eine größere fiktive Versagensrisslänge, wodurch der bei gleichen Belastungen eine Verschmälerung des Schaufelfußes möglich ist .

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung nachfolgend weiter erläutert .

Es zeigen:

FIG 1 eine erfindungsgemäße Laufschaufel in einer perspektivischen schematischen Darstellung,

FIG 2 in einer Seitenansicht eine Rotorscheibe mit Haltenuten, geeignet zur Aufnahme einer erfindungsgemäßen Laufschaufel gemäß FIG 1,

FIG 3 in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt von der Rotorscheibe gemäß FIG 2 und

FIG 4 eine Rotorscheibe in einer zu FIG 3 alternativen

Ausgestaltung mit in Axialrichtung gewölbten Halte- nuten.

Eine die Erfindung betreffende Laufschaufel 10 zeigt in perspektivischer Darstellung FIG 1. Die metallische Laufschaufei 10 umfasst aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt 12, eine Plattform 14 sowie einen Schaufelfuß 16. Der Schaufelfuß 16 erstreckt sich von der Plattform 14 zu einer Schaufelfußunterseite 18. Zudem umfasst der Schaufelfuß 16 zwei einander gegenüberliegende Seitenwände 20, 22, deren Abstand mit zunehmender Entfernung von der Plattform 14 größer wird. Die beiden Seitenwände 20, 22 divergieren somit von der Plattform 14 zur Schaufelfußunterseite 18, wobei der abgerundete Übergang der Seitenwände 20, 22 zur Schaufelfußunterseite 18 hier insgesamt außer Acht gelassen ist .

Eine mittig zwischen den beiden Seitenwänden 20, 22 verlaufende Schaufelfuß-Mittellinie 24 ist in gestrichelter Linienart dargestellt. Sowohl die Seitenwand 20 als auch die Seitenwand 22 sind entlang ihrer gesamten Erstreckung von Plattform 14 bis Schaufelfußunterseite 18 stets gewölbt. Hierdurch weist die Seitenwand 20 eine größtenteils konvexe Form und die Seitenwand 22 eine größtenteils konkave Form auf. Dadurch ergibt sich, dass die Schaufelfuß-Mittellinie 24 ebenfalls entlang ihrer Erstreckung von der Plattform 14 zur Schaufelfußunterseite 18 gewölbt ist. Dadurch ergibt sich, dass die Seitenwände 20, 22 nicht spiegelbildlich zur Schaufelfuß-Mittellinie 24 gewölbt sind, sondern eher wie bei einer optischen Sammellinse konkav-konvex - abgesehen von der insgesamt divergierenden Kontur zur Bildung des Schwalbenschwanzform.

Durch die Verwendung des Begriffs „größtenteils" werden diejenige, wesentlich kleineren Abschnitte 23 der Seitenwände 20, 22 ausgeschlossen, welche als abgerundeten Übergänge die Seitenwände 20, 22 mit der Schaufelfußunterseite 18 verbinden .

FIG 2 zeigt die Seitenansicht eines Ausschnitts einer Rotorscheibe 25, welche Teil eines Rotors einer Turbomaschine ist und die Halterung 29 für die Laufschaufeln 10 darstellt. Die Rotorscheibe 25 weist an ihrem Außenumfang 26 über ihren Umfang gleichmäßig verteilte Haltenuten 28 auf, von denen in FIG 2 lediglich zwei dargestellt sind. In jede Haltenut 28 ist dabei jeweils eine Laufschaufel 10 einsetzbar. Die Haltenut 28 weist eine nach außen gerichtete Nutöffnung 34 auf, der radial innen ein Nutgrund 36 gegenüberliegt. Zumeist ist der Nutgrund 36 eben ausgeführt.

Die Kontur der Seitenwände 30, 32 der Haltenuten 28 entspricht dabei im Wesentlichen der von den beiden Seitenwänden 20, 22 des Schaufelfußes 16 vorgegebenen Kontur. Hierdurch ist die Laufschaufel formschlüssig mit ihrem Schaufelfuß 16 in die Haltenut 28 einsetzbar.

Die Seitenwände 30, 32 der Haltenuten 28 sind dementsprechend gewölbt wie die Seitenwände 20, 22 des Schaufelfußes 16. Die Richtung der Wölbung in Umfangsrichtung ist dabei so gewählt, dass eine im Wesentlichen konvex gewölbte Seitenwand 30 der Haltenut 28 in Rotationsrichtung R des Rotors bzw. der Rotor- Scheibe 25 gegenüber der ihr gegenüberliegenden Seitenwand 32 der entsprechenden Haltenut 28 nacheilend ist.

Eine in der Rotorscheibe 25 eingesetzte Laufschaufel 10 liegt bei Rotation des Rotors im Wesentlichen in den mit A, A' und B, B' gekennzeichneten Flächenbereichen an. Diese

Flächenbereiche bilden die Tragflanken A, A' und B, B' der Laufschaufel 10 und der Haltenut 28, so dass die Laufschaufel 10 gegen radiale Bewegungen gesichert ist. Aufgrund der aufeinander abgestimmten Anordnung der Krümmung des Schaufelfußes 16 und der Rotationsrichtung R des Rotors kann in den Bereichen A, A' , B, B' eine Steigerung der Spannungsbelastung vermieden werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass beiderseits der Schaufelfuß-Mittellinie 24 das Zentrum der jeweiligen Tragflanke A, B auf unterschiedlichen Radien Ri und R ₂ liegen. Dadurch wird erreicht, dass der Abstand zwischen den beiden Zentren größer ist als in demjenigen Fall, wenn sie auch einem gleichen Radius liegen, was insgesamt die fiktive Versagensrisslänge vergrößert .

FIG 3 zeigt eine zu FIG 2 analoge Rotorscheibe 25, bei der die Haltenuten 28 gegenüber der Axialrichtung schräg verlaufen .

In FIG 4 weisen die Haltenuten 28 eine entlang der Axialrichtung gewölbte Kontur auf. Dementsprechend ist dann der Schaufelfuß einer dazu korrespondierenden Laufschaufel zusätzlich in Axialrichtung gewölbt. Jede der hier beschriebenen Laufschaufeln 10 kann beispielsweise als Turbinenlaufschaufel oder auch als Verdichterlaufschaufei ausgebildet sein.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Laufschaufel 10 für eine axial durchströmbare Turbomaschine, vorzugsweise Turbine angegeben, bei der zur Verringerung der mechanischen Belastung im Schaufelfuß 16 und der diesen haltenden Wände 30, 32 eines Rotors die zwei einander gegenüberliegenden Seitenwände 20, 22 des Schaufelfußes 16 entlang ihrer Erstreckung zwischen Plattform 14 und Schaufelfußunterseite 18 stetig gewölbt sind.