TURBINENLAUFSCHAUFEL

Die Erfindung betrifft eine Turbinenlaufschaufel, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse der

Turbinenlaufschaufel von unten nach oben einem Schaufelfuß zur Befestigung der Turbinenlaufschaufel an einem Rotor der Turbine ein Übergangsbereich sowie ein sich daran

anschließendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt folgt, wobei der Schaufelfuß zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinander verbindende konturierte

Seitenflächen aufweist, in welchen Seitenflächen unter

Bildung einer Schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmigen Stirnflächenkontur jeweils zumindest eine Tragflanke

ausgebildet ist und bei der die Tragflanken über konkave Verrundungen in den Übergangsbereich oder zu Freiflanken übergehen.

Die voran beschriebene Turbinenlaufschaufel ist aus dem Stand der Technik bestens bekannt und wird insbesondere in

Gasturbinen verwendet. Zur Befestigung der

Turbinenlaufschaufel am Rotor weist letzeres entweder einen umlaufenden Wellenbund oder eine Rotorscheibe auf, an dessen Außenumfang sich weitestgehend in Axialrichtung erstreckende Haltenuten vorgesehen sind. Die Haltenuten sind längs des Umfangs des Wellenbundes bzw. der Rotorscheibe verteilt, so dass für jede Turbinenlaufschaufel eine dezidierte Haltenut vorgesehen ist. Die Haltenuten sind dabei zur

Stirnseitenkontur des Schaufelfußes der Turbinenlaufschaufel entsprechend geformt, so dass insgesamt eine formschlüssige Verbindung zwischen Turbinenlaufschaufel und Rotor vorhanden ist, die bei bestimmungsgemäßem Betrieb einer die

Turbinenlaufschaufel aufweisenden Turbine die

Turbinenlaufschaufel sicher am Rotor hält, unabhängig von den auf die Turbinenlaufschaufel einwirkenden Fliehkräfte. Dennoch können insbesondere beim Betrieb von stationären Gasturbinen aufgrund des Eigengewichtes der Turbinenlaufschaufel derartig hohe Fliehkräfte auftreten, dass der Schaufelträger lokal unzulässig hoch belastet wird. Diese lokal unzulässig hohe Belastung führt zu einer reduzierten Lebensdauer des Schaufelträgers bzw. der Rotorscheibe, was ungewünscht ist.

So ist es beispielsweise aus der EP 2 626 516 AI bekannt, die Tragflanken des Tannenbaum-Fußes einer Turbinenlaufschaufel von einem mittleren Bereich hin zu der Stirnseite des Schaufelfußes zunehmend abzuflachen. Diese Maßnahme wird jedoch nur angewendet, um die Schwingungseigenschaften der Schaufeln einzustellen. Darüber hinaus sind bei Verdichterschaufel und auch Fan-Schaufeln Maßnahmen zur Manipulierung der Größe der Anlagefläche der Schaufelfußverhakungen bekannt: So offenbart die US 2013/0224036 AI eine Ausnehmung oberhalb der Tragflan ^¬ ke des Schaufelfußes, welche vom stromabwärtigen Ende des Schaufelfußes sich über eine axialen Länge von 30% des Schau ^¬ felfußes hin zur Mitte erstreckt. Eine noch längere Ausneh- mung zum Zwecke der Spannungsreduzierung offenbart die US 2008/0063529 AI. Einen Freistich radial unterhalb der An ^¬ strömkante des Schaufelblatts offenbart die DE 10 2009 025 814 AI. Dieser Freistich dient zur Vermeidung von Schaufelabrissen .

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Turbinenlaufschaufel, deren Verwendung in einem Schaufelträger die Lebensdauer des Turbinenlaufschaufelträgers verlängert.

Die auf die Erfindung gerichtete Aufgabe wird durch eine Tur ^¬ binenlaufschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen an- gegeben, die in angegebener Weise miteinander kombiniert werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in zumindest in einer konkaven Verrundung eine an einer der beiden Stirnseiten angrenzende Auskehlung angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenflächen geringer ist als die der Tragflanke und die die tragende Fläche der Tragflanke reduziert, verglichen mit der betreffenden Tragflanke ohne daran angrenzende Auskehlung .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die von der Turbinenlaufschaufel hervorgerufene Fliehkraftbelastung im

Schaufelträger längs der Haltenuterstreckung unterschiedlich groß ist. Es hat sich herausgestellt, dass an den - in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Turbine - stromauf und stromab liegenden Endbereichen des Schaufelträ- gers Spannungskonzentrationen auftreten, die die vorbestimmbare Lebensdauer des Schaufelträgers beeinflussen. Aus diesem Grunde ist es zur Verlängerung der Lebensdauer des Schaufelträgers, bspw. einer Rotorscheibe, hilfreich, die dort auf ^¬ tretenden Spannungen zu reduzieren.

Die Reduzierung der dort auftretenden Spannungen wird dadurch erreicht, dass der Turbinenlaufschaufelfuß längs der Trag- flankenerstreckung (von der einen der beiden Stirnflächen des Schaufelfußes zu der anderen der beiden Stirnflächen) unter- schiedlich steif ausgebildet ist. Die unterschiedlichen

Steifigkeiten werden dadurch erreicht, dass im Bereich der konkaven Verrundung eine an zumindest einer der beiden Stirnseiten angrenzende Auskehlung angeordnet ist. Durch die An ^¬ ordnung der Auskehlung im Bereich der konkaven Verrundung wird der an dieser Stelle vorhandene tragende Querschnitt des Schaufelfußes verringert. Insofern wird der Schaufelfuß an dieser Stelle weicher, verglichen mit der Steifigkeit des Schaufelfußes in der Mitte zwischen den beiden einander gegenüberliegenden ebenen Stirnflächen. Die erhöhte Elastizität im Bereich der stirnseitigen Flächen des Schaufelfußes führt dazu, dass unter Fliehkraft der Anpressdruck der Turbinenlaufschaufel an den Tragflanken des Schaufelträgers dort lo ^¬ kal verringert ist und somit die dort bisher auftretende Spannungskonzentration im Schaufelträger verringert werden kann. Mithin erfolgt eine Vergleichmäßigung der mechanischen Belastung im Schaufelträger längs der Erstreckung der

Haltenut von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite, was insgesamt die Lebensdauer des Schaufelträgers, und insbesondere, wenn der Schaufelträger als Rotorscheibe ausge ^¬ bildet ist, verbessert.

Gleichzeitig wird die tragende Fläche der Tragflanke des Schaufelfußes aufgrund der Auskehlung verringert, so dass die wirksame Kontaktfläche zwischen der Tragflanke der Turbinen ^¬ laufschaufel und der Tragflanke der Haltenut dort lokal ver ^¬ ringert ist. Auch dies führt zu einer geringeren Spannungs ^¬ konzentration im Schaufelträger und erzielt somit ebenso die voran beschriebenen Vorteile.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist die Auskehlung eine Randkontur mit einem spitzen zulaufenden Ende auf, welches besagte Ende zur gegenüberliegenden Seitenwand zeigt. Damit kann die Kerbbelastung in Bereich der Auskehlung gering gehalten werden.

Besonders bevorzugt ist diejenige Weiterbildung, bei der jede Seitenfläche des Schaufelfußes zumindest zwei Tragflanken aufweist und somit der Schaufelfuß eine tannenbaumförmige

Stirnflächenkontur bereitstellt, wobei die Auskehlung oberhalb derjenigen Tragflanke angeordnet ist, die aufgrund der Abstimmung der Abmaße von Turbinenlaufschaufelfuß und der entsprechenden Haltenut des Schaufelträgers die größte mecha- nische Belastung unter Fliehkrafteinwirkung erfahren soll. Da dies häufig die zuunterst angeordnete Tragflanke ist, ist die Auskehlung zweckmäßigerweise oberhalb der zuunterst angeord ^¬ neten Tragflanke angeordnet. Selbstverständlich ist es möglich, dass oberhalb jeder Tragflanke zumindest eine Auskehlung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist jedoch diejenige Turbinenlaufschau ^¬ fel, bei der das Schaufelblatt eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand umfasst, die sich für ein Arbeitsmedium von einer Anströmkante zu einer Abströmkante erstrecken und bei der zumindest zwei Auskehlungen vorgesehen sind, von denen die eine der beiden Ausnehmungen an der anströmseitigen

Stirnfläche angrenzt und gleichzeitig an der druckseitigen Seitenfläche des Schaufelfußes vorgesehen ist und die andere der beiden Auskehlungen an der abströmseitigen Stirnfläche und gleichzeitig an der saugseitigen Seitenfläche des Schau ^¬ felfußes angeordnet ist. Mit anderen Worten: die Auskehlungen liegen einander diagonal gegenüber.

Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass auf das Schaufelblatt auch Strömungskräfte einwirken, durch welche die Turbinenlaufschaufel ein Drehmoment erfährt, welches Drehmoment von dem Material des die Haltenuten umgebenden Schaufelträgers aufgenommen und kompensiert werden muss.

Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Stirn ^¬ seiten in einem zu 100% normierten Abstand gegenüberliegen und die Länge der Erstreckung der Ausnehmung nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr 5% des besagten Abstands be ^¬ trägt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bereits eine vergleichsweise kleine Ausnehmung zu einer signifikanten Vergleichmäßigung der Belastungen im Material des Schaufelträgers führen kann.

Weiter bevorzugt ist bei Vorhandensein zweier diagonal gegenüberliegenden Auskehlungen die stromabwärtigere Auskehlung in axialer Richtung länger ausgestaltet als die weiter stromauf angeordnete Auskehlung, da sich herausgestellt hat, dass in der stromabwärtigen Seite die von den Strömungskräften hervorgerufenen Belastungen größer sind als auf der

stromaufwärtigeren Seite.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine Turbinenlaufschaufel für eine thermische Strömungsmaschine, bei der entlang einer gedachten Schaufellängsachse der Turbinenlaufschaufel von un ^¬ ten nach oben - genau gesagt von einem befestigungsseitigen Schaufelende zum gegenüberliegenden schaufelspitzseitigem Schaufelende anderen - einem Schaufelfuß zur Befestigung der Turbinenlaufschaufel an einem Rotor der Turbine ein Über ^¬ gangsbereich sowie ein sich daran anschließendes aerodyna ^¬ misch gekrümmtes Schaufelblatt folgt, wobei der Schaufelfuß zwei einander gegenüberliegende ebene Stirnflächen und zwei einander gegenüberliegende, die beiden Stirnflächen miteinan- der verbindende konturierte Seitenflächen aufweist, in wel ^¬ chen Seitenflächen unter Bildung einer Schwalbenschwanz- oder tannenbaumförmigen Stirnflächenkontur jeweils zumindest eine Tragflanke und eine Freiflanke ausgebildet ist, und bei der die Tragflanken über konkave Verrundungen in den Übergangsbe- reich oder zu den Freiflanken übergehen. Um eine Turbinenlaufschaufel bereitzustellen, deren Verwendung in einem

Schaufelträger die Lebensdauer des Turbinenlaufschaufelträ ^¬ gers verlängert, wird vorgeschlagen, dass in zumindest einer konkave Verrundung eine an eine der beiden Stirnseiten an- grenzende Auskehlung angeordnet ist, deren Erstreckung längs der Seitenfläche geringer ist als die der Tragflanke.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, wel ^¬ che die Erfindung nicht näher einschränken, in der nachfol- genden Figurenbeschreibung näher erläutert. Dabei werden weitere Merkmale und weitere Vorteile angegeben. Es zeigen:

FIG 1 eine perspektivische Darstellung einer Turbinenlauf ^¬ schaufel,

FIG 2 die Seitenansicht auf den Ausschnitt eines Schaufel ^¬ trägers mit einer Haltenut und einer darin sitzenden Turbinenlaufschaufel und FIG 3 die Seitenansicht auf die Seitenflächen des Schaufel ^¬ fußes der Turbinenlaufschaufel aus Figur 2. In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Turbinen- laufschaufei 10. Die Turbinenlaufschaufel 10 umfasst entlang einer gedachten Längsachse 12 von unten nach oben einen

Schaufelfuß 14, an den sich ein Übergangsbereich und daran ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 18 anschließt. Das Schaufelblatt 18 ist in bekannter Weise aerodynamisch ge- krümmt und umfasst eine Anströmkante 20 sowie eine

Abströmkante 22, die über eine Druckseitenwand 21 und eine Saugseitenwand 24 miteinander verbunden sind.

Der Schaufelfuß 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel schwalbenschwanzförmig ausgestaltet und umfasst somit zwei ebene Stirnflächen 26, 28, die einander gegenüberliegen, wovon die eine Stirnfläche 26 anströmseitig und die andere Stirnfläche 28 abströmseitig angeordnet ist. Die beiden

Stirnflächen 26, 28 sind mittels zweier gegenüberliegender Seitenflächen 30, 32 miteinander verbunden, wobei in den besagten Seitenflächen 30, 32 jeweils eine Tragflanke 34 und eine Freiflanke 35 ausgebildet ist, so dass die Konturen der Stirnflächen 26, 28 eine Schwalbenschwanzform ergeben. Die Tragflanken 34 gehen über eine konkave Verrundung 36 in den Übergangsbereich 16 über, welcher einerseits einen Schaufelhals umfassen kann und andererseits eine Plattform, die den Strömungspfad der thermischen Strömungsmaschine rotorseitig begrenzen kann. Die einander radial unmittelbar benachbarten Tragflanke 34 und Freiflanke 35 des Schaufelfußes 14 sind über eine konvexe Verrundung miteinander verbunden und bilden somit einen in der betreffenden Seitenfläche 30, 32 angeordneten Wulst, welcher sich von der anströmseitigen Stirnfläche 26 zu der ab- strömseitigen Stirnfläche 28 erstreckt.

In zumindest einer konkaven Verrundung ist eine an der Stirnseite 26 angrenzende Auskehlung 38 angeordnet, deren Erstre- ckung längs der Seitenflächen 30 geringer ist als die der Tragflanke 34 und die die tragende Fläche (siehe Figur 2) der Tragflanke 34 reduziert (verglichen mit der betreffenden Tragflanke 34 ohne die daran angrenzende Auskehlung) . Mit Hilfe der Auskehlung 38 treten in einer Turbinenlaufschaufel ^¬ anordnung 40 - umfassend einen im bestimmungsgemäßen Einsatz drehbaren Turbinenlaufschaufelträger 42, an dessen Außenumfang gleichmäßig längs des Umfangs verteilt eine Vielzahl von Haltenuten 48 vorgesehen sind, und in denen die Turbinenlauf- schaufei 10 angeordnet ist - geringere mechanische Belastun ^¬ gen auf, was die Lebensdauer des Turbinenlaufschaufelträgers 42 verlängert.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt auf die Turbinenlaufschaufel- anordnung 40, bei der ein Turbinenlaufschaufelträger 42 als Rotorscheibe ausgebildet ist, die um eine Maschinenachse 44 gedreht werden kann. Am Außenumfang 46 der Rotorscheibe 42 ist lediglich eine der längs des Umfangs U gleichmäßig ver ^¬ teilten Haltenuten 48 für Turbinenlaufschaufeln gezeigt, in der eine Turbinenlaufschaufel 10 eingesetzt ist. Aufgrund der in beiden Seitenflächen 30, 32 des Schaufelfußes 14 angeord ^¬ neten Tragflanken 34 und Freiflanken 35 ergibt sich für die Stirnfläche 26 des Schaufelfußes 14 eine Kontur in Form eines Tannenbaums .

Die Tragflanken 34 sind zur gedachten Längsachse 12 der Turbinenlaufschaufel 10 symmetrisch ausgestaltet. Die Auskehlung 38 ist so angeordnet, dass der zwischen den gegenüberliegenden konkaven Verrundungen 36 und der Auskehlung 38 liegende Abstand F verringert ist verglichen mit dem Abstand ohne Aus ^¬ kehlung. Gleichzeitig ist die Auskehlung 38 so ausgestaltet, dass die Kontaktfläche der Tragflanke 34 des Schaufelfußes 40 und der ihr gegenüberliegenden Tragflanke der Haltenut 48 im Bereich der Auskehlung 38 verringert ist, im Vergleich zu demjenigen Kontaktbereich, bei dem keine Auskehlung vorgesehen ist. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Seitenfläche 30 des Schaufelfußes 14 der Turbinenlaufschaufel 10. Die beiden ebe ^¬ nen Stirnseiten 26, 28 liegen in einem zu 100% normierten Abstand A gegenüber, wobei die Längserstreckung der Auskehlung 38 eine Länge L, gemessen von der Stirnseite 26 aus, an der die Auskehlung 38 aus angrenzt, einen Betrag von 10 ~6 , vor zugsweise nicht mehr 5% des Abstands A nicht überschreitet. Hier beträgt er 3%.