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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Gasturbomaschine sowie eine Gasturbomaschine mit einer solchen Laufschaufel.
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Lauf- und Leitschaufeln von Verdichter- und Turbinenstufen von Gasturbomaschinen weisen allgemein ein Schaufelblatt zur Umlenkung einer Arbeitsströmung mit einer Saugseite und einer Druckseite auf, die in einer stromaufwärtigen, im Betrieb vom Arbeitsfluid der Turbine angeströmten Vorderkante und einer axial gegenüberliegenden, stromabwärtigen Hinterkante miteinander verbunden sind.
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Aus der
US 2005/0 111 978 A1 ist eine Schaufel bekannt, bei der die Wandstärkendicke der Schaufelhinterkante in radialer Richtung vom Innendeckband zum Außendeckband hin abnimmt. Die
US 2004/0 062 636 A1 offenbart eine Schaufel mit einer eben abgeschnittenen Hinterkante, in welcher eine Reihe von Kühlluftaustrittsöffnungen vorgesehen sind. Eine Turbinenschaufel mit einem wenigstens im Wesentlichen ellipsenförmigen Hinterkantenprofil ist aus der
DE 60 2004 003 331 T2 bekannt.
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Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Gasturbomaschine zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 5 stellt eine Gasturbomaschine mit einer solchen Schaufel unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Gasturbomaschine, insbesondere ein Turboluftstrahltriebwerk, nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine oder mehrere Verdichterstufen und/oder eine oder mehrere Turbinenstufen mit mehreren in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Laufschaufeln auf, die lösbar oder dauerhaft, insbesondere integral, mit einem Rotor der Gasturbomaschine verbunden sind und jeweils ein Schaufelblatt zur Umlenkung einer Arbeitsströmung der Gasturbomaschine aufweisen, um dieser Energie einzuprägen bzw. zu entziehen. In Axialrichtung vor und/oder nach Laufschaufeln können mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitschaufeln vorgesehen sein, die lösbar oder dauerhaft, insbesondere integral, mit einem Gehäuse(teil) der Gasturbomaschine verbunden sind und jeweils ein Schaufelblatt zur Umlenkung einer Arbeitsströmung der Gasturbomaschine aufweisen, insbesondere, um kinetische und Druckenergie ineinander umzusetzen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich gleichermaßen auf Lauf- und Leitschaufeln.
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Das Schaufelblatt weist eine, insbesondere konvexe, Saugseite und eine, insbesondere konkave, Druckseite auf, die in einer stromaufwärtigen bzw. axial vorderen, im Betrieb vom Arbeitsfluid der Turbine angeströmten Vorderkante und einer axial gegenüberliegenden bzw. hinteren, stromabwärtigen Hinterkante miteinander verbunden sind. In einer Ausführung weist das Schaufelblatt Profilquerschnitte auf, deren Profilmittel- bzw. Schwerpunkte entlang einer sogenannten Fädelachse in radialer Richtung gesehen übereinander angeordnet sind. Die Fädelachse kann parallel zu einem Radius auf einer Drehachse der Gasturbomaschine ausgerichtet sein, in einer anderen Ausführung gegen den Radius in axialer und/oder Umfangsrichtung geneigt. Die übereinander angeordneten Profilquerschnitte können miteinander fluchten oder gegeneinander um die Fädelachse bzw. einen Radius auf die Drehachse verdreht sein. Die Hinterkante kann in einer Ausführung in wenigstens einem Profilquerschnitt, wenigstens im Wesentlichen, kreissegmentförmig, insbesondere wenigstens im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet sein. Gleichermaßen kann sie ellipsensegmentförmig, insbesondere wenigstens im Wesentlichen halbellipsenförmig ausgebildet sein. In einer Ausführung kann die Hinterkante in wenigstens einem Profilquerschnitt, wenigstens im Wesentlichen, gerade sein.
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Mit dem Schaufelblatt ist eine erste Plattform verbunden, die einen Strömungskanal der Arbeitsströmung der Gasturbomaschine radial begrenzt. Die erste Plattform kann radial innen oder außen an dem Schaufelblatt angeordnet sein. In einer Weiterbildung ist – der ersten Plattform radial gegenüberliegend – eine zweite Plattform zur radialen Begrenzung des Strömungskanals ebenfalls mit dem Schaufelblatt verbunden. Die zweite Plattform kann entsprechend radial außen bzw. innen an dem Schaufelblatt angeordnet sein.
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Eine oder zwei gegenüberliegende Plattformen können in einer Ausführung integral mit dem Schaufelblatt ausgebildet, insbesondere mit diesem ur- und/oder umgeformt sein. Gleichermaßen können eine oder zwei gegenüberliegende Plattformen auch separat hergestellt und anschließend, vorzugsweise dauerhaft, insbesondere stoffschlüssig, mit dem Schaufelblatt verbunden, insbesondere verschweißt, sein.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ändert sich eine Wandstärke der Hinterkante des Schaufelblatts in Richtung einer radialen Längserstreckung des Schaufelblattes bzw. in Richtung eines Radius auf einer Drehachse der Gasturbomaschine und ist in einem Bereich der Längserstreckung, der von einer oder zwei gegenüberliegenden Plattformen entfernter ist und daher nachfolgend als plattformfernerer Bereich bezeichnet wird, insbesondere in einem mittleren Bereich der Längserstreckung, dünner als in einem oder zwei gegenüberliegenden plattformnahen Bereichen.
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Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft eine Abströmung in dem plattformferneren Bereich verbessert, insbesondere ein Totwassergebiet verkleinert und damit Strömungsverluste an der Hinterkante reduziert werden, ohne dass am Übergang einer solchen dünnen Hinterkante in die, vorzugsweise massivere(n), Plattform(en) mechanische und/oder thermische Spannungsspitzen induziert werden.
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Entsprechend weist die Hinterkante nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem der ersten Plattform nahen ersten Bereich der radialen Längserstreckung des Schaufelblattes eine erste minimale Wandstärke und in einem plattformferneren Bereich der radialen Längserstreckung eine maximale Wandstärke auf, die geringer als die erste minimale Wandstärke ist. Die Hinterkante weist in einem der zweiten Plattform nahen zweiten Bereich der radialen Längserstreckung eine zweite minimale Wandstärke auf, die größer als die maximale Wandstärke ist. Auf diese Weise kann in dem plattformferneren Bereich die Abströmung durch die geringere maximale Wandstärke verbessert und zugleich in dem bzw. den plattformnäheren Bereich(en) eine Belastung infolge einer abrupten Materialänderung in die Plattform(en) hinein reduziert werden.
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Um die Belastung weiter zu reduzieren, geht in einer Ausführung die Wandstärke der Hinterkante in einem Übergangsbereich der radialen Längserstreckung zwischen dem der ersten Plattform nahen Bereich und dem plattformferneren Bereich und/oder in einem Übergangsbereich zwischen dem der zweiten Plattform nahen Bereich und dem plattformferneren Bereich kontinuierlich von der minimalen Wandstärke dieses plattformnahen Bereichs auf die maximale Wandstärke des plattformferneren Bereichs über. Unter einem kontinuierlichen Übergang wird vorliegend insbesondere ein absatzfreier Übergang verstanden. Die Wandstärke ändert sich in dem Übergangsbereich streng monoton. Hierunter wird insbesondere in fachüblicher Weise verstanden, dass die Wandstärke an einer beliebigen plattformnäheren Position der radialen Längserstreckung des Übergangsbereichs größer ist als an jeder plattformferneren Position des Übergangsbereichs. Auf diese Weise kann ein sanfter Übergang zwischen dem plattformferneren Bereich und dem bzw. den plattformnäheren Bereich(en) dargestellt werden.
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In dem plattformferneren Bereich ist die Wandstärke der Hinterkante wenigstens im Wesentlichen, konstant und kann entsprechend gleich der maximalen Wandstärke sein. In einem oder zwei gegenüberliegenden plattformnäheren Bereichen kann die Wandstärke der Hinterkante hingegen in einer Ausführung zur Plattform hin, ausgehend von der minimalen Wandstärke, konstant sein oder zunehmen, insbesondere, wenn in einer Weiterbildung die Hinterkante des Schaufelblatts in einer, insbesondere konkaven, Kehle bzw. Verrundung in die Plattform übergeht.
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Als Wandstärke der Hinterkante ist die maximale Wandstärke des Schaufelblattes in einem Bereich definiert, der sich um 5% von dem axial hinteren Ende des Schaufelblattes stromaufwärts bzw. axial zur Vorderkante hin erstreckt.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine maximale Wandstärke der Hinterkante in dem plattformferneren Bereich von höchstens 0,45 mm, insbesondere höchstens 0,40 mm, vorzugsweise höchstens 0,35 mm besonders günstige Abströmverhältnisse bedingt. Gleichermaßen hat sich gezeigt, dass eine minimale Wandstärke der Hinterkante in einem oder zwei gegenüberliegenden plattformnahen Bereichen von wenigstens 0,35 mm, insbesondere wenigstens 0,40 mm, vorzugsweise wenigstens 0,45 mm besonders günstige Belastungsverhältnisse bedingt.
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Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass bereits eine Verdünnung der Hinterkannte auf einer Länge von wenigstens 50% der radialen Längserstreckung bereits günstige Abströmverhältnisse bedingt, bei einer Verdünnung auf einer Länge von wenigstens 60% nochmals deutlich günstigere, während eine Verdünnung auf mehr als 80% bei einer Ausführung keine signifikante Verbesserung mehr bedingt. Daher erstreckt sich gemäß der vorliegenden Erfindung der plattformfernere Bereich um wenigstens 25%, insbesondere wenigstens 30% der radialen Längserstreckung, ausgehend von einer Mitte der radialen Längserstreckung des Schaufelblattes in Richtung auf wenigstens einen plattformnahen Bereich hin. Der plattformfernere Bereich kann sich, ausgehend von der Mitte der radialen Längserstreckung, symmetrisch oder asymmetrisch in Richtung auf zwei gegenüberliegende plattformnahe Bereiche erstrecken und in einer Ausführung wenigstens 50% (= 2 × 25%), insbesondere wenigstens 60% (= 2 × 30%) der radialen Längserstreckung betragen. Zusätzlich oder alternativ kann sich der plattformfernere Bereich gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung um höchstens 40%, insbesondere höchstens 35% der radialen Längserstreckung, ausgehend von der Mitte der radialen Längserstreckung des Schaufelblattes in Richtung auf einen plattformnahen Bereich hin erstrecken und entsprechend in einer Ausführung höchstens 80% (= 2 × 40%), insbesondere höchstens 70% (= 2 × 35%) der radialen Längserstreckung betragen.
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Für einen plattformnahen Bereich hat sich eine Erstreckung um höchstens 10%, insbesondere höchstens 5% der radialen Längserstreckung von der Plattform weg als besonders günstig herausgestellt, für einen Übergangsbereich zwischen einem plattformnahen Bereich und dem plattformferneren Bereich eine Erstreckung über wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10% der radialen Längserstreckung und/oder eine Erstreckung über höchstens 20%, insbesondere wenigstens 15% der radialen Längserstreckung.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
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1 eine Laufschaufel einer Gasturbomaschine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel einer Laufschaufel näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie bereits erwähnt, ist eine andere bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Leitschaufel. Nachfolgende Ausführungen gelten entsprechend analog auch für eine Leitschaufel.
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1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel einer Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbomaschine in Form eines Turboluftstrahltriebwerkes nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die mittels eines Tannenbaum-Schaufelfußes 2 lösbar mit einem Rotor (nicht dargestellt) der Gasturbomaschine verbunden werden kann.
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Ein Schaufelblatt 1 der Laufschaufel weist eine konvexe Saugseite und eine konkave Druckseite 1.1 auf, die in einer stromaufwärtigen bzw. axial vorderen, im Betrieb vom Arbeitsfluid der Turbine angeströmten Vorderkante 1.2 (rechts in 1) und einer axial gegenüberliegenden bzw. hinteren, stromabwärtigen Hinterkante 1.3 (links in 1) miteinander verbunden sind.
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Mit dem Schaufelblatt 1 ist radial innen eine erste Plattform 3 verbunden, die einen Strömungskanal der Arbeitsströmung der Gasturbomaschine radial begrenzt. Der ersten Plattform radial gegenüberliegend bzw. radial außen ist eine zweite Plattform 4 zur radialen Begrenzung des Strömungskanals ebenfalls mit dem Schaufelblatt 1 verbunden. Das Schaufelblatt und insbesondere dessen Hinterkante geht in einer Verrundung 1.4 in die Plattformen 3, 4 über.
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Die Hinterkante 1.3 weist in einem der ersten Plattform 3 nahen ersten plattformnahen Bereich A der radialen Längserstreckung R (vertikal in 1) des Schaufelblattes eine erste minimale Wandstärke und in einem plattformferneren Bereich C der radialen Längserstreckung eine maximale Wandstärke auf, die geringer als diese erste minimale Wandstärke ist. Auch in einem der zweiten Plattform 4 nahen zweiten Bereich E der radialen Längserstreckung R weist die Hinterkante 1.3 eine zweite minimale Wandstärke auf, die größer als die maximale Wandstärke ist. Auf diese Weise kann in dem plattformferneren Bereich C die Abströmung durch die geringere maximale Wandstärke verbessert und zugleich in den plattformnäheren Bereichen A, E eine Belastung infolge einer abrupten Materialänderung in die Plattformen 3 bzw. 4 hinein reduziert werden.
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Um die Belastung weiter zu reduzieren, geht die Wandstärke der Hinterkante 1.3 in einem Übergangsbereich B der radialen Längserstreckung zwischen dem der ersten Plattform 3 nahen Bereich A und dem plattformferneren Bereich C und in einem Übergangsbereich D zwischen dem der zweiten Plattform 4 nahen Bereich E und dem plattformferneren Bereich C kontinuierlich von der minimalen Wandstärke dieses plattformnahen Bereichs auf die maximale Wandstärke des plattformferneren Bereichs über. In dem plattformferneren Bereich C ist die Wandstärke der Hinterkante 1.3 im Wesentlichen konstant. In den zwei gegenüberliegenden plattformnäheren Bereichen A, E ist die Wandstärke der Hinterkante 1.3 im Wesentlichen konstant bis die Verrundung beginnt, mit der das Schaufelblatt in die Plattform 3 bzw. 4 übergeht.
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Die im Wesentlichen konstante und damit die maximale Wandstärke der Hinterkante 1.3 in dem plattformferneren Bereich C beträgt etwa 0,3 mm, die minimale, im Wesentlichen konstante Wandstärke der Hinterkante in den zwei gegenüberliegenden plattformnahen Bereichen A, E etwa 0,5 mm. Der plattformfernere Bereich C erstreckt sich ausgehend von einer Mitte der radialen Längserstreckung R des Schaufelblattes 1 in Richtung auf beide plattformnahe Bereiche A, E hin symmetrisch um jeweils etwa 32% der radialen Längserstreckung und beträgt entsprechend etwa 64% der radialen Längserstreckung. Die plattformnahen Bereiche A, E erstrecken sich um etwa 3% der radialen Längserstreckung von der Plattform 3 bzw. 4 weg, die Übergangsbereiche B, D entsprechend um etwa 15% der radialen Längserstreckung zwischen der plattformnahen und dem plattformferneren Bereich.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufelblatt
- 1.1
- Druckseite
- 1.2
- Vorderkante
- 1.3
- Hinterkante
- 1.4
- Verrundung (Kehle)
- 2
- Schaufelfuß
- 3
- erste/Innenplattform
- 4
- zweite/Außenplattform (Außendeckband)
- A/E
- erster/zweiter plattformnaher Bereich
- B, D
- Übergangsbereich
- C
- plattformferneren Bereich
- R
- radiale Längserstreckung
