DE4108930A1 - Laufschaufel und beschaufelte scheibenvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk - Google Patents
Laufschaufel und beschaufelte scheibenvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerkInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
- F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
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- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentrieb
werkslaufschaufeln und betrifft insbesondere Laufschaufeln
und beschaufelte Scheibenvorrichtungen von Fan- und Ver
dichterabschnitten von Gasturbinentriebwerken.
Beschaufelte Scheibenvorrichtungen, d. h. - diskrete Lauf
schaufeln mit Schwalbenschwänzen, die in komplementär ge
formten Schlitzen in einer Rotorscheibe befestigt sind, ge
hören zum Stand der Technik. Scheibenvorrichtungen mit an
den Scheiben angeformten Laufschaufeln, sogenannte "Blisks"
(bl(ade)+integral (d)isk="blisk") gehören ebenfalls zum
Stand der Technik, vgl. zum Beispiel die US-PS 43 63 602
und die US-PS 45 95 340.
Die Verwendung einer Blisk- oder Scheibenvorrichtung mit an
der Scheibe angeformten Schaufeln bietet gegenüber einer
beschaufelten Scheibenvorrichtung viele Vorteile, zu denen
eine erhöhte bauliche Festigkeit und eine verbesserte aero
dynamische Leistung gehören. Insbesondere kann eine Blisk-
oder Scheibenvorrichtung mit an der Scheibe angeformten
Schaufeln so ausgelegt werden, daß ein relativ niedriges
Radiusverhältnis erzielt wird, welches als der Einlaßfußra
dius dividiert durch den Schaufelspitzenradius definiert
ist und Werte von weniger als etwa 0,5 hat, und ein relativ
hoher Schaufelfußausfüllgrad, der als die Fußsehnenlänge
dividiert durch den Abstand zwischen benachbarten Schaufeln
definiert ist und Werte von mehr als etwa 2,3 hat, um be
trächtliche Verbesserungen in der aerodynamischen Leistung
zu erzielen. Blisk- oder Scheibenvorrichtungen mit an den
Scheiben angeformten Schaufeln weisen üblicherweise auch
relativ große Fußsteigungswinkel von mehr als etwa 10° auf,
da die Blisk-Stufe bewirkt, daß die Luftströmung auf einer
relativ kurzen axialen Strecke wirksam verdichtet wird.
Obgleich Bliskvorrichtungen beträchtliche aerodynamische
Leistungsvorteile bieten, wird es als erwünscht angesehen,
austauschbare Laufschaufeln zu haben, damit Beschädigungen
derselben durch Fremdobjekte leichter repariert werden kön
nen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß herkömmliche be
schaufelte Scheibenvorrichtungen auf Radiusverhältnisse von
mehr als etwa 0,35-0,5 und auf einen Ausfüllgrad von weni
ger als etwa 2,2 beschränkt sind, und zwar aufgrund von Le
bensdauer- und Festigkeitsüberlegungen, zu denen Ermüdung
bei niedriger Lastspielzahl (low cycle fatigue (LCF)) und
Ermüdung bei hoher Lastspielzahl (high cycle fatigue (HCF))
gehören. Es dürfte klar sein, daß für jede bestimmte Ver
dichterstufe die Anzahl und die Größe der Laufschaufeln,
die benötigt werden, um die erforderliche Arbeit zu lei
sten, im allgemeinen ein festes Erfordernis sind. Bei die
ser gegebenen Anzahl von Schaufeln ist klar, daß zum Erzie
len von reduzierten Radiusverhältnissen, um die aerodynami
sche Leistung zu verbessern, der äußere Umfang der Scheibe
entsprechend reduziert werden muß, wodurch weniger Umfangs
raum verfügbar ist, um die Schaufeln daran zu befestigen
und dadurch den Ausfüllgrad zu vergrößern.
Demgemäß sind kleinere Schaft- und Schwalbenschwanzteile
der Laufschaufel aufgrund der physikalischen Beschränkungen
des kleineren Umfangs in Fällen kleinen Radiusverhältnisses
erforderlich. Da sich jedoch die Größe des Blatteils der
Schaufel nicht grundsätzlich ändert, sind der erforderliche
Schwalbenschwanz und Schaft baulich unzureichend, um die
Laufschaufel an der Scheibe geeignet zu befestigen. Bei
spielsweise wären ein solcher herkömmlicher Schaft und
Schwalbenschwanz relativ flexibler und hätten weniger
Lastübertragungsfläche und würden somit zu unzulänglicher
LCF- und HCF-Lebensdauer der Schwalbenschwanz- und Schei
benvorrichtungen führen. Insbesondere würde die erhöhte
Biegsamkeit einer herkömmlichen Schaufel niedrigen Radius
verhältnisses den 2/Umin-1-Spielraum in einem Gasturbinen
triebwerk verringern. Die 2/Umin-1-Erregerfrequenz ist ty
pisch, und um eine akzeptable HCF-Lebensdauer der Schaufel
zu haben, ist eine relativ steife beschaufelte Scheibenvor
richtung erwünscht, die einen angemessenen 2/Umin-1-Spiel
raum hat.
Da ein Gasturbinenturbinenrotor üblicherweise mit beträcht
lichen Drehzahlen läuft, ist die Zentrifugalkraft, die
durch die Masse der umlaufenden Laufschaufeln erzielt wird,
beträchtlich. Die Einrichtung zum Befestigen der Laufschau
feln an der Rotorscheibe muß deshalb in der Lage sein, die
beträchtlichen Zentrifugalkräfte aufzunehmen, während
gleichzeitig eine akzeptable LCF-Lebensdauer und akzeptabel
niedrige Axialkomponenten dieser Zentrifugalkraft erzielt
werden, die bestrebt sein würden, die Laufschaufel axial
aus der Scheibe hinauszuschieben.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, eine neue und ver
besserte beschaufelte Scheibenvorrichtung zu schaffen.
Weiter soll durch die Erfindung eine neue und verbesserte
Laufschaufel für eine beschaufelte Scheibenvorrichtung ge
schaffen werden.
Ferner soll durch die Erfindung eine beschaufelte Scheiben
vorrichtung geschaffen werden, die gegen eine Blisk- oder
Scheibenvorrichtung mit an der Scheibe angeformten Schau
feln austauschbar ist und ein relativ niedriges Radiusver
hältnis, einen relativ großen Ausfüllgrad und einen relativ
großen Fußsteigungswinkel hat.
Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Laufschau
fel geschaffen werden, die einen verbesserten Schwalben
schwanz hat.
Ferner soll durch die Erfindung eine verbesserte Laufschau
fel geschaffen werden, die einen Schwalbenschwanz hat, der
relativ leichter ist als herkömmliche Schwalbenschwänze,
während akzeptable Biegesteifigkeit und akzeptables Last
tragvermögen aufrechterhalten werden.
Schließlich soll durch die Erfindung eine verbesserte Lauf
schaufel für ein niedriges Radiusverhältnis geschaffen wer
den, die keine oder eine relativ kleine Axialkomponente der
in einem Schwalbenschwanz derselben erzeugten Zentrifugal
kraft hat.
Die Erfindung umfaßt eine neue und verbesserte Laufschaufel
und eine beschaufelte Scheibenvorrichtung mit einer solchen
Laufschaufel. Die Laufschaufel weist einen Schwalbenschwanz
auf, der sich von einem Blatt aus erstreckt, und der
Schwalbenschwanz weist eine Längsachse sowie ein Vorder
und Hinterprofil auf, die rechtwinkelig dazu angeordnet
sind. Das Vorder- und Hinterprofil sind relativ zueinander
gedreht, damit der Schwalbenschwanz in einer Rotorscheibe
bei niedrigem Radiusverhältnis eingebaut werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un
ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Verdichters eines
Gasturbinentriebwerks gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 2 eine hintere Endansicht eines beschaufelten Ro
tors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung nach der Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil ei
ner beschaufelten Scheibe gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung nach der Linie 3-3
in Fig. 1,
Fig. 4 in Draufsicht eine beschaufelte Scheibe gemäß
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
nach der Linie 4-4 in Fig. 1,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Schwalben
schwanzes für eine Schaufel einer beschaufelten
Scheibe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Helix oder
Schraubenlinie,
Fig. 7 eine perspektivische Vorderansicht des Schnittes
einer beschaufelten Scheibe gemäß der
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 eine Seitenansicht der beschaufelten Scheibe,
die in Fig. 7 dargestellt ist,
Fig. 9 eine perspektivische Vorderansicht der beschau
felten Scheibe, die in Fig. 7 dargestellt ist,
welche eine Schaufel in einer Zwischenposition
zeigt, und
Fig. 10 eine perspektivische Vorderansicht der beschau
felten Scheibe, die in Fig. 7 dargestellt ist,
welche eine Schaufel in einer eingebauten Posi
tion zeigt.
Dargestellt ist in Fig. 1 ein Teil eines Verdichters 10 ei
nes Gasturbinentriebwerks. Der Verdichter 10 hat eine er
ste, beschaufelte Einlaßstufenscheibenvorrichtung 12 gemäß
einer bevorzugten exemplarischen Ausführungsform der Erfin
dung, die stromaufwärts von und koaxial mit mehreren gegen
seitigen Umfangsabstand aufweisenden, herkömmlichen Leit
schaufeln 14 um eine axiale Mittelachse 16 angeordnet ist.
Die beschaufelte Scheibenvorrichtung 12 weist mehrere ge
genseitigen Umfangsabstand aufweisende Laufschaufeln 18
auf, die an einer Rotorscheibe 20 gemäß der Erfindung befe
stigt sind.
Die Schaufeln 18 haben jeweils ein relativ dünnes, massives
Blatt 22, das eine radial äußere Spitze 24, einen radial
inneren Fuß 26 und eine Vorderkante 28 sowie eine Hinter
kante 30 hat, welche sich zwischen der Spitze 24 und dem
Fuß 26 erstrecken. Laufschaufeln weisen üblicherweise ins
gesamt rechteckige Plattformen an ihren Füßen auf, um eine
innere Strömungwegbegrenzung zu bilden. In der bevorzugten
Ausführungsform der bevorzugten Erfindung wird bei der
Schaufel 18 keine derartige Plattform benutzt, obgleich in
einigen Ausführungsformen eine herkömmliche Plattform be
nutzt werden kann. Statt einer Plattform wird bei der Er
findung in einer bevorzugten Ausführungsform ein äußerer
Umfang 32 der Rotorscheibe 20 als radial innerer Strömungs
weg der beschaufelten Scheibe 12 benutzt. Der äußere Umfang
32 ist relativ stark geneigt, unter einem Winkel S gegen
die Mittelachse 16 in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 35
Grad, aufwärts zu der Schaufelspitze 24 hin, von der Vor
derkante 28 zu der Hinterkante 30, um die innere Luftströ
mungsbegrenzung in dem Verdichter 10 zu bilden.
Die Laufschaufel 18 weist weiter einen Schwalbenschwanz 34
gemäß einer bevorzugten, exemplarischen Ausführungsform der
Erfindung auf, der sich von dem Blattfuß 26 aus radial ein
wärts erstreckt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der
Schwalbenschwanz 34 symmetrisch und weist einen Schaft 36
auf, der sich von dem Blattfuß 26 auf radial einwärts er
streckt und ein paar Buckel oder Lappen 38, die sich von
dem Schaft 36 radial einwärts und von einer Schwalben
schwanzradialachse 40 aus entgegengesetzt nach außen er
strecken, bei welch letzterer es sich in der dargestellten
Ausführungsform um eine vertikale Mittelachse des Schwal
benschwanzes 40 handelt. Die Schwalbenschwanzradialachse 40
kann, muß aber nicht parallel zu einer radialen Achse 42
der Rotorscheibe 20 angeordnet sein.
Außerdem ist in Fig. 1 eine herkömmliche beschaufelte
Scheibenvorrichtung 44 der zweiten Stufe dargestellt, die
stromaufwärts der beschaufelten Scheibe 12 angeordnet und
auf herkömmliche Weise mit der Rotorscheibe derselben ver
bunden ist. Luft 46 wird in den Verdichter 10 geleitet und
strömt durch die beschaufelte Scheibe 12, die Leitschaufeln
14 und die zweite Stufe 44 und wird darin verdichtet. Die
zweite Stufe 44 weist herkömmliche, insgesamt rechteckige
Plattformen 48 an den radial inneren Enden ihrer Laufschau
feln auf, um eine innere Begrenzung für die Luft 46 zu
schaffen, die durch die zweite Stufe 44 hindurchgeleitet
wird. Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 weist die
Scheibe 20 mehrere sich insgesamt axial erstreckende, um
fangsmäßig beabstandete Schwalbenschwanzschlitze 50 in dem
äußeren Umfang 32 auf, die in ihrer Form zu den Schau
felschwalbenschwänzen 34 komplementär sind und die Schwal
benschwänze 34 zum Befestigen der Laufschaufeln 18 an der
Scheibe 20 aufnehmen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 haben die Laufschaufeln 18
ein relativ niedriges Einlaßfußradiusverhältnis R1/R2, das
in bezug auf die Mittellinie 16 definiert ist, welche sich
durch die Mitte der Rotorscheibe 20 erstreckt, und gleich
dem Fußradius R1 der Laufschaufel 18 an der Vorderkante 28
dividiert durch den Spitzenradius R2 der Schaufelspitze 24
an der Vorderkante 28 ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 4, welche eine Draufsicht auf
die Laufschaufeln 18 nach Fig. 1 zeigt, haben die Lauf
schaufeln 18 einen gegenseitigen Umfangsabstand D zwischen
benachbarten Vorderkanten 28 an dem Fuß 26, der in Fig. 4
teilweise strichpunktiert dargestellt ist. Jede Laufschau
fel 18 hat eine Sehne der Länge C1, die sich von der Vor
derkante 28 zu der Hinterkante 30 an dem Fuß 26 erstreckt,
und eine Mittellinie M1, die sich ebenfalls zwischen den
selben erstreckt, wobei die Mittellinie M1 aber keine ge
rade Linie ist, sondern eine Linie darstellt, die äquidi
stant zwischen einer konkaven Oberfläche 54 und einer kon
vexen Oberfläche 56 der Laufschaufeln 18 angeordnet ist,
welche sich zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante
30 von dem Fuß 26 zur Spitze 24 erstrecken. Der Schaufel
fußausfüllgrad ist definiert als das Verhältnis C1/D und
ist eine dimensionslose Größe und direkt proportional zu in
Zentrifugalbelastungen, die durch die Scheibenschlitze 50
geeignet aufgenommen werden müssen. Relativ große Werte des
Ausfüllgrades zeigen an, daß die Scheibenschlitze 50 rela
tiv große Zentrifugalbelastungen von den Laufschaufeln 18
her über die Schwalbenschwänze 34 empfangen werden. Die Er
fahrung hat gezeigt, daß zum Aufrechterhalten von ausrei
chenden LCF- und HCF-Lebensdauergrenzwerten in dem Schwal
benschwanz 34 einschließlich des Schafts 36 und der Buckel
paare 38 sowie der Schlitze 50 die Verwendung von herkömm
lichen beschaufelten Scheibenvorrichtungen auf Ausfüllgrad
werte von bis zu etwa 2,2 beschränkt ist.
Die beschaufelte Scheibenvorrichtung 12 gemäß einer Ausfüh
rungsform der Erfindung weist neue und verbesserte Merkmale
auf, die reduzierte Einlaßradiusverhältnisse und einen ver
größerten Ausfüllgrad im Vergleich zu herkömmlichen be
schaufelten Scheibenvorrichtungen gestatten, um eine aero
dynamische Leistung zu erzielen und gleichzeitig für akzep
table Lebensdauer- und Beanspruchungswerte der Vorrichtung
zu sorgen. Ein bedeutsames Merkmal der Erfindung beinhaltet
den Schwalbensschwanz 34, wie er zum Beispiel in den Fig. 3
und 5 gezeigt ist. Fig. 3 zeigt zwei Laufschaufeln 18, die
in einer Einbauposition in der Rotorscheibe 20 montiert
sind, sowie eine dritte, mittlere Laufschaufel 18, die
teilweise in die Rotorscheibe 20 eingeführt ist und den
Schwalbenschwanzschlitz 50 deutlicher zeigt. Fig. 5 zeigt
nur den Schwalbenschwanz 34, während das Blatt 22 der Über
sichtlichkeit halber entfernt worden ist.
Der Schwalbenschwanz 34 weist ein ebenes Vorderprofil 58
auf (in Fig. 5 teilweise strichpunktiert gezeigt), das an
der Blattvorderkante 28 angeordnet ist (wie in Fig. 3 ge
zeigt), und ein ebenes Hinterprofil 60, das dem Vorderpro
fil 58 insgesamt gleicht und in der bevorzugten Ausfüh
rungsform mit diesem übereinstimmt und an der Blattvorder
kante 30 angeordnet ist (wie in Fig. 2 gezeigt). Der
Schwalbenschwanz 34 weist weiter eine Längsmittelachse 62
auf, die sich von dem Vorderprofil 58 zu dem Hinterprofil
60 und rechtwinkelig dazu erstreckt. Das Vorder- und Hin
terprofil 58, 60 und sämtliche Profile dazwischen werden
beschrieben als die äußere Oberfläche des Schwalbenschwan
zes 34, die jeweils in einer einzelnen Ebene definiert ist,
welche zu der Längsachse 62 rechtwinkelig ist, und sind in
der bevorzugten Ausführungsform identische, symmetrische
Profile.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in
den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, ist das Hinterprofil 60 ko
planar zu einer ringförmigen Hinterfläche 64 der Rotor
scheibe 20. Da die Längsachse 62 des Schwalbenschwanzes 34
gekrümmt ist, was im folgenden noch näher beschrieben ist,
repräsentiert das Vorderprofil 58 das letzte vollständige
Profil des Schwalbenschwanzes 34 rechtwinkelig zu der
Längsachse 62 an einer ringförmigen Vorderfläche 66 der Ro
torscheibe 20 gemäß der Darstellung in Fig. 3. Die Schei
benhinterfläche 64 und -vorderfläche 66 sind parallel zu
einander und rechtwinkelig zu der axialen Scheibenachse 16,
wobei der äußere Umfang 32 der Scheibe 20 die Hinter- und
Vorderfläche 64, 66 verbindet. Da die Schwalbenschwanz
längsachse 62 gekrümmt und in der in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsform schräg zu der axialen Scheibenachse 16
angeordnet ist, wird das Vorderprofil 58 des Schwalben
schwanzes 34 zu der Scheibenvorderfläche 66 nicht koplanar
sein. Da die Scheibenvorderfläche 66 nicht rechtwinkelig zu
der Schwalbenschwanzlängsachse 62 angeordnet ist, stellt
ein vorderstes Endprofil 68 des Schwalbenschwanzes 64 ein
geneigtes ebenes Profil des Schwalbenschwanzes 34 relativ
zu der Schwalbenschwanzlängsachse 62 dar, welches gemäß der
Darstellung in den Fig. 3 und 5 ein verwundenes,
nichtsymmetrisches Profil im Vergleich zu dem symmetrischen
Vorderprofil 58 repräsentiert. Das vorderste Endprofil 68
schneidet in dieser exemplarischen Ausführungsform das
Vorderprofil 58 unter einem Winkel α von etwa 45 Grad.
Gemäß der Darstellung in Fig. 5 weisen die Schwalben
schwanzbuckelpaare 38 jeweils einen Scheitel 70 auf, und
das Schwalbenschwanzpaar 38 hat eine Sehne, die sich zwi
schen den Buckelscheiteln 70 erstreckt. Die Sehne in dem
Schwalbenschwanzhinterprofil 60 ist eine Hintersehne 72 der
Länge C2 und die Sehne in dem Schwalbenschwanzvorderprofil
58 ist eine Vordersehne 74 der Länge C2. Gemäß der Darstel
lung in Fig. 5 ist die Schwalbenschwanzlängsachse 62 ge
krümmt, und der Schwalbenschwanz 34 ist relativ zu der
Schwalbenschwanzlängsachse 62 verdreht. Eine Art und Weise
des Beschreibens der Verdrehung des Schwalbenschwanzes 34
kann anhand der Winkelausrichtung des Vorderprofils 58 re
lativ zu dem Hinterprofil 60 erfolgen. Mit anderen Worten,
die Vordersehne 74, die sich durch die Buckelpaare 38 er
streckt, ist in einer Winkelposition angeordnet, welche re
lativ zu der Winkelposition der Hintersehne 72 gedreht ist.
Wenn das Hinterprofil 60 als Bezugsprofil benutzt wird,
welches die Schwalbenschwanzradialachse 40 in dem Hinter
profil 60 umfaßt, kann eine Querachse 76 rechtwinkelig zu
der Radialachse 40 und koplanar zu dieser definiert werden.
Die Hintersehne 72 ist insgesamt parallel zu der Querachse
76 in dem Hinterprofil 60 und rechtwinkelig zu Radialachse
40 in dem Hinterprofil 60 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist
die Vordersehne 74 relativ zu der Querachse 76 und der Hin
tersehne 72 des Hinterprofils 6o unter einem Winkel β von
etwa 60 Grad in dem Vorderprofil 58 angeordnet. Alle
Schwalbenschwanzprofile, die rechtwinkelig zu der Längs
achse 62 angeordnet sind, sind identisch und relativ zu
ihren Radialachsen 40 symmetrisch. Alle diese Profile sind
jedoch, mit Ausnahme des Hinterprofils 60, relativ zu der
Rotorradialachse 42 unsymmetrisch, da sie relativ zu dieser
verdreht sind.
Die Bedeutung des verdrehten und gekrümmten Schwalben
schwanzes 34 wird anhand der Fig. 2 und 3 vollständiger
deutlich. Das Schwalbenschwanzhinterprofil 60 befindet sich
an der Scheibenhinterfläche 64 und ist zu dieser koplanar,
und das Vorderprofil 58 befindet sich an der Scheibenvor
derfläche 66 und berührt die Scheibenvorderfläche 66 längs
eines Teils des Vorderprofils 58, dem linken Teil in der
Darstellung in Fig. 3, wobei das Vorderendprofil 68 zu der
Scheibenvorderfläche 66 koplanar ist. Ein Vergleich der
Fig. 2 und 3 zeigt, daß benachbarte Schwalbenschwanzvorder
profile 58 von benachbarten Laufschaufeln 18 näher beiein
ander angeordnet sind als die Schwalbenschwanzhinterprofile
60 beieinander angeordnet sind. Darüber hinaus ist das
Schwalbenschwanzhinterprofil 60 radial näher bei dem Blatt
22 angeordnet als das Schwalbenschwanzvorderprofil 58, und
zwar wegen der Verdrehung der Profile um die Schwalben
schwanzlängsachse 62.
Da die Rotorscheibe 20 (gemäß der Darstellung in Fig. 1)
eine relativ große Steigung S und ein relativ niedriges
Einlaßfußradiusverhältnis R1/R2 hat, ist der Außenumfang 32
der Scheibe 20 an der Schaufelvorderfläche 66 kleiner als
an der Schaufelhinterfläche 64. Demgemäß ist ein relativ
kleinerer Umfang zum Aufnehmen eines Schwalbenschwanzes in
der Scheibe 20 vorhanden. Durch Verdrehen und Krümmen des
Schwalbenschwanzes 34, zum Beispiel gemäß der Darstellung
in Fig. 5, kann der Schwalbenschwanz 34 so ausgebildet wer
den, daß er in den äußeren Umfang 32 an der Hinterfläche 64
der Scheibe sowie in den relativ kleineren äußeren Umfang
32 an der Vorderfläche 66 der Scheibe 20 paßt. Die Querpro
file des Schwalbenschwanzes 34, die rechtwinkelig zu der
Schwalbenschwanzlängsachse 62 angeordnet sind, können sich
kontinuierlich um die gekrümmte Längsachse 62 von der Hin
terfläche 64 bis zu der Vorderfläche 66 drehen, um an der
Vorderfläche 66 der Scheibe 20 so ausgerichtet zu sein, daß
sie eine akzeptable Kraftübertragung zwischen dem Schwal
benschwanz 34 und der Scheibe 20 an der Vorderfläche 66 ge
statten. Wenn der Schwalbenschwanz 34 nicht wie in Fig. 5
dargestellt verdreht wäre, so ist ohne weiteres zu erken
nen, daß die komplementären Schwalbenschwanzschlitze 50 ge
maß der Darstellung in Fig. 3 entweder einander in der Vor
derfläche 66 schneiden würden oder so nahe beieinander wä
ren, daß sich eine unakzeptable Übertragung der Belastungen
von den Laufschaufeln 68 über den Schwalbenschwanz 34 auf
die Scheibe 20 ergeben würde, da kein ausreichendes Mate
rial an der Vorderfläche 66 und einwärts derselben zu der
Hinterfläche 64 hin vorhanden sein würde.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 1, 3 und 5 ist der
Schwalbenschwanz 34 relativ nahe bei dem Scheibenaußenum
fang 32 angeordnet, was deshalb einen insgesamt
"schaftlosen" Schwalbenschwanz 34 ergibt. Da der äußere Um
fang 32 der Scheibe 20 radial außen unter dem Winkel S von
der Vorderfläche 66 zu der Hinterfläche 64 geneigt ist, um
eine geneigte innere Strömungswegoberfläche für die Luft 46
zu schaffen und das zunehmende Radiusverhältnis der Scheibe
20 von der Vorderfläche 66 zu der Hinterfläche 64 zuzulas
sen, kann der Schwalbenschwanz 34 unmittelbar unter der
Oberfläche des äußeren Umfangs 32 und insgesamt parallel zu
derselben angeordnet werden. Die Schwalbenschwanzlängsachse
62 wird deshalb insgesamt parallel zu dem äußeren Schei
benumfang 32 sein, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und eine
Steigung haben, die insgesamt gleich der Steigung S relativ
zu der Scheibenmittelachse 16 ist. Alternativ hat die
Schwalbenschwanzlängsachse 62 eine Steigung, die durch 90°
- S (zum Beispiel 55°-70°) relativ zu der Schwalbenschwanz
radialachse 40 dargestellt wird, in einer Ebene, die sich
zwischen dem Vorder- und Hinterprofil 58, 60 erstreckt, wie
es in Fig. 1 gezeigt ist. Diese Anordnung reduziert das Ge
samtgewicht des Schwalbenschwanzes 34, um die Größe der
Zentrifugalbelastungen zu reduzieren, welche durch den
Schwalbenschwanz 34 aufgenommen werden müssen.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 5 hat der Schwal
benschwanz 36 eine Dicke in der radialen Richtung t1, und
das Schwalbenschwanzbuckelpaar 38 hat eine Dicke in der ra
dialen Richtung t2. Der Schwalbenschwanz 34 wird als im we
sentlichen schaftlos betrachtet, da die Schaftdicke t1 ins
gesamt nicht großer als etwa die Dicke t2 des Buckelpaares
38 ist. Selbstverständlich können die Dicken t1 und t2 in
anderen Ausführungsformen variieren. Der Schwalbenschwanz
34 wird jedoch trotzdem als schaftlos betrachtet, da die
radiale Dicke des Schaftes 36 insgesamt nicht größer als
die radiale Dicke des Schwalbenschwanzbuckelpaares 38 ist,
so daß der Schwalbenschwanz 34 so nahe wie möglich an dem
äußeren Umfang 32 der Rotorscheibe 20 von der Vorderfläche
66 bis zu der Hinterfläche 64 angeordnet werden und trotz
dem für eine akzeptable Lastübertragung von dem Schwalben
schwanz 34 aus in die Scheibe 20 sorgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bil
det der Schwalbenschwanz 34, wie er durch die Längsachse
62 repräsentiert wird, einen Abschnitt einer Helix. Fig. 6
zeigt eine Helix 78, die eine Kurve eines Schraubengewindes
auf einem Zylinder mit dem Radius r ab einer Helixmittel
achse 80 ist. Die Helix 78 kreuzt den Zylinder unter einem
konstanten Winkel R. Die Helix 78 hat eine Steigung oder
Ganghöhe h, welche die Länge einer Windung der Helix rela
tiv zu der Mittelachse 80 ist. Der Schwalbenschwanz 34 bil
det gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
einen Abschnitt der Helix 78, wie es in Fig. 5 gezeigt ist,
wobei die Schwalbenschwanzlängsachse 62 den Abschnitt der
Helix 78 bildet, der unter einem Radius r ab der Helixmit
telachse 80 angeordnet ist. Eine solche schraubenlinienför
mige Schwalbenschwanzmittelachse 62 wird bevorzugt, um
axiale Komponenten der Zentrifugalkraft der rotierenden
Laufschaufeln 18 zu reduzieren oder zu eliminieren, die
sonst bestrebt sein würden, herkömmliche Schwalbenschwänze
axial aus der Scheibe 20 hinauszuschieben.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 repräsentiert Fc die radial
nach außen gerichtete Zentrifugalkraft, die auf die Lauf
schaufeln 18 einwirkt, wenn diese im Betrieb mit der
Scheibe 20 rotieren. Da der Schwalbenschwanz 34 einschließ
lich der Schwalbenschwanzlängsachse 62 insgesamt parallel
zu dem äußeren Umfang 32 der Rotorscheibe 20 und deshalb
unter dem Steigungswinkel S angeordnet ist, wird eine Axi
alkomponente der Zentrifugalkraft Fc auf den Schwalben
schwanz 34 einwirken, die bestrebt sein wird, den Schwal
benschwanz 34 aus dem Schlitz 50 hinauszuschieben. Die Axi
alkomponente der Zentrifugalkraft Fc kann durch Fc sin S
dargestellt werden, was ein beträchtlicher Wert für Stei
gungswinkel von mehr als etwa 10° ist. In der dargestellten
besonderen Ausführungsform beträgt der Steigungswinkel S
etwa 30 Grad und die Axialkomponente der Zentrifugalkraft
etwa Fc/2. Wenn ein herkömmlicher Schwalbenschwanz in der
Scheibe 20 benutzt würde, würde die Zentrifugalkraftaxial
komponente Fc/2 so beträchtlich sein, daß entweder die
Schaufel 18 nicht zum Festhalten in der Scheibe 20 ausge
legt werden könnte oder daß beträchtliche herkömmliche
Schaufelhalter erforderlich wären, wodurch die Komplexität
und das Gewicht der Rotorbaugruppe vergrößert würden. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die
schraubenlinienförmige Längsachse 62 des Schwalbenschwanzes
34 so ausgebildet und ausgerichtet werden, daß die Axial
komponente der Zentrifugalkraft aufgrund der Steigung S,
die bestrebt sein würde, den Schwalbenschwanz 34 aus dem
Halteschlitz 50 hinauszuschieben, reduziert oder eliminiert
wird.
Die schraubenlinienförmige Längsachse 62 des Schwalben
schwanzes 34 kann so ausgebildet und ausgerichtet werden,
daß die Schraubenlinienachse 80, welche die Schraubenlini
enlängsachse 62 bei einem Radius r definiert, nicht mit der
Scheibenaxialmittelachse 16 zusammenfällt. Wenn die Schrau
benlinienachse 80 mit der Scheibenaxialmittelachse 16 zu
sammenfallen würde, würde die Schwalbenschwanzlängsachse 62
einfach insgesamt diagonal über den äußeren Umfang 32 der
Scheibe 20 angeordnet sein, und Axialkräften, die auf die
Laufschaufel 18 einwirken, würde sich der Schwalbenschwanz
34 nicht widersetzen, so daß herkömmliche axiale
Schaufelhalter erforderlich wären.
Der Radius r der Schwalbenschwanzlängsachse 62 und die Ori
entierung der Schraubenlinienachse 80 können jedoch so ge
wählt werden, daß der Schwalbenschwanz 34 so nahe wie mög
lich bei und insgesamt parallel zu dem äußeren Umfang 32
der Scheibe 20 angeordnet und die Axialkomponente der Zen
trifugalbelastung Fc, die auf den Schwalbenschwanz 34 ein
wirkt, reduziert oder eliminiert wird.
Zum besseren Veranschaulichen dieses besonderen Merkmals
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
nun auf die Fig. 1, 3 und 7-10 Bezug genommen. Begonnen
wird mit Fig. 7, in der eine der Laufschaufeln 18 gezeigt
ist, die teilweise in den Schlitz 50 an der Scheibenvorder
fläche 66 eingeführt ist. Jede Laufschaufel 18 hat einen
Schwerpunkt 82. Fig. 10 zeigt die Laufschaufel 18 in einer
eingebauten Position, in welcher der Schwalbenschwanz 34
sowohl mit der Scheibenvorderfläche 66 als auch mit
Scheibenhinterfläche 64 bündig ist und als Referenzposition
dient. Der Schwerpunkt 82a ist in einer eingebauten Radial
position R3, gemessen ab der Scheibenaxialmittelachse 16,
angeordnet. Die Position des Schwerpunkts 82a in der einge
bauten Position der Laufschaufel 18 ist ebenfalls in Fig. 1
dargestellt. Wenn die Laufschaufel 18 teilweise in die
Scheibe 20 von der Vorderfläche 66 aus eingeführt worden
ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ist die Laufschaufel 18
relativ im Uhrzeigersinn in bezug auf die Laufschaufel 18
in der in Fig. 10 gezeigten Einbauposition angeordnet. Das
ist wegen des gekrümmten und verdrehten Schwalbenschwanzes
34 der Fall. In dieser Teileinführposition der Laufschaufel
18 ist der Schwerpunkt 82 in einer ersten Radialposition
angeordnet, die mit 82b bezeichnet ist, und zwar auf einem
Radius R4, gemessen ab der Scheibenaxialmittelachse 16 und
außerdem gemäß der Darstellung in Fig. 1. Fig. 8 zeigt eine
Seitenansicht der Laufschaufel 18 in der Teileinführposi
tion und außerdem deutlicher, wie die Laufschaufel 18 im
wesentlichen im Uhrzeigersinn, geneigt gegen die Laufschau
fel 18 in der Einbauposition, die in Fig. 10 gezeigt ist,
angeordnet ist. Fig. 8 zeigt außerdem deutlich, daß der
Schwerpunkt 82b zur rechten Seite der Rotorradialachse 42
verlagert ist.
Fig. 9 zeigt die Laufschaufel 18 in einer Zwischenposition
zwischen den in den Fig. 7 und 10 gezeigten Positionen, wo
bei der Schwerpunkt 82c auf einem Radius R5 relativ zu der
Scheibenaxialmittelachse 16 gezeigt ist, was auch in Fig. 1
dargestellt ist. Es sei beachtet, daß die Neigung der Lauf
schaufel 18 in Uhrzeigerrichtung in Fig. 9 kleiner ist als
in Fig. 7, da der Schwalbenschwanz 34 grundsätzlich in Ge
genuhrzeigerrichtung in den Schlitz 50 geschraubt wird.
In Fig. 3 ist die Laufschaufel 18 in einer weiteren Posi
tion dargestellt, in welcher sie in den Schlitz 50 relativ
zu der Scheibenhinterfläche 64 teilweise eingeführt ist
oder sich, mit anderen Worten, in einer Positon befindet,
in welcher die Laufschaufel 18 teilweise aus dem Schlitz 50
an der Scheibenhinterfläche 64 herausgezogen ist. Die Lauf
schaufel 18 hat einen Schwerpunkt 82d in einer zweiten Ra
dialposition R6 relativ zu der Scheibenaxialmittelachse 16.
Es sei beachtet, daß die Laufschaufel 18 in Fig. 3 relativ
zu der Laufschaufel 18 in der Einbauposition in Fig. 10 im
Gegenuhrzeigersinn dazu gedreht ist, und zwar weil der
Schwalbenschwanz 34 im Gegenuhrzeigersinn in den Schwalben
schwanzschlitz 50 geschraubt wird. Der Schwerpunkt 82d ist
nun auf der linken Seite der Radialachse 42 angeordnet, da
die Laufschaufel 18 nun im Gegenuhrzeigersinn relativ zu
der Einbauposition der Laufschaufel 18 in Fig. 10 und rela
tiv zu der Radialachse 42 geneigt ist. Die Position des
Schwerpunkts 82d ist in Fig. 1 ebenfalls gezeigt.
Durch diese Konstruktion bilden die Schwerpunkte 82 eine
Bahn 84, wie sie in Fig. 1 strichpunktiert gezeigt ist,
welche die Relativposition der Schwerpunkte 82 bei dem Ein
führen der Laufschaufel 18 in den Schwalbenschwanzschlitz
50 zeigt, um die Laufschaufel 18 in die Einbauposition zu
bringen, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, und dann durch
eine herausgezogene oder teilweise eingeführte Position der
Laufschaufel 18 relativ zu der Hinterfläche 64 der Scheibe,
die in Fig. 3 gezeigt ist. Die Laufschaufel 18 muß wegen
des gekrümmten und verdrehten Schwalbenschwanzes 34 in den
Schlitz 50 geschraubt werden, wodurch die Laufschaufel 18
im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird und so die Schwerpunkte
82 aus relativen Minimalpositionen 82b und 82d relativ zu
der Scheibenaxialmittelachse 16 in eine Maximalposition 82a
gebracht werden. Der Helixradius r und die Orientierung der
Helixachse 80 werden in Abhängigkeit von der besonderen
Geometrie der beschaufelten Scheibe 12 gewählt, um die
bevorzugte Schwerpunktbahn 84 zu schaffen, wie sie in Fig.
1 gezeigt ist.
Der Schwerpunkt 82a in der Einbauposition der Laufschaufel
18 kann somit exakt auf einem Maximalradius R3 angeordnet
werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn der Schwerpunkt
82a so angeordnet ist, wird die Laufschaufel 18 keine Kom
ponente der Zentrifugalkraft Fc haben, die in axialer Rich
tung wirksam ist und bestrebt sein würde, den Schwalben
schwanz 34 aus dem Schlitz 50 hinauszuschieben. Das ist
deshalb der Fall, weil, damit sich der Schwalbenschwanz aus
seiner in Fig. 10 gezeigten Einbauposition verschieben
kann, der Schwerpunkt 82 notwendigerweise in der radialen
Höhe ab dem bei dem Schwerpunkt 82a dargestellten Maximum
abnehmen muß, wobei dem die Zentrifugalkraft entgegenwirken
würde, die in dem Schwerpunkt 82a wirksam ist. Wenn der
Schwerpunkt 82a dazu tendiert, auf einem kleineren Radius
als dem Maximalradius R3 positioniert zu werden, wird die
Zentrifugalkraft Fc bestrebt sein, die Laufschaufel 18 in
eine aufrechte Position zurückzubringen, in der der Schwer
punkt 82a auf dem Maximalradius R3 angeordnet ist. Demgemäß
hält sich die Laufschaufel 18 gemäß dieser bevorzugten Aus
führungsform der Erfindung in dem Schwalbenschwanzschlitz
50 von selbst.
Selbstverständlich können besondere Konstruktionen eine Ma
ximalradialposition R3 des Schwerpunkts 82a ergeben, die
nicht in der Einbauposition der Laufschaufel 18 gemäß der
Darstellung in Fig. 10 angeordnet ist, sondern seitlich von
dieser Position. Die Axialkomponente der Zentrifugalkraft,
die dieser Position zugeordnet ist, wird jedoch relativ
klein sein und kann durch herkömmliche axiale Schaufelhal
ter aufgenommen werden.
In Fig. 4 sind die Relativpositionen der Scheibenaxialmit
telachse 16, der Helixachse 80 und der Schwalbenschwanz
längsachse 62 gezeigt. In dieser bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung ist, wie dargestellt, die Helixachse 80
schräg gegen die Scheibenmittelachse 16 angeordnet, wie es
oben beschrieben worden ist, damit sich der Schwalben
schwanz 34 nahe bei dem äußeren Umfang 32 der Scheibe 20
befindet. Fig. 3 zeigt auch, daß die Fußmittellinie M1 ins
gesamt parallel zu der schraubenlinienförmigen Schwalben
schwanzlängsachse 62 angeordnet ist. Die Laufschaufel 18
weist weiter eine Sehne C3 auf, die sich von der Vorder
kante 28 zu der Hinterkante 30 an der Schaufelspitze 24 er
streckt, und das Schaufelblatt 22 ist relativ stark ver
dreht, wobei die Spitzensehne C3 unter einem spitzen Winkel
gegen die Fußsehne C1 angeordnet ist. Fig. 4 zeigt in Ver
bindung mit den Fig. 2 und 3 außerdem eine bevorzugte Ori
entierung der Vorderkante 28, die insgesamt radial außer
halb des Schwalbenschwanzvorderprofils 58 ausgerichtet ist,
um einen direkten radialen Weg für Zentrifugalbelastungen
zu dem Schwalbenschwanz 34 zu schaffen und das Verbiegen
der Laufschaufel 18 zu minimieren. Die Hinterkante 30 ist
ebenso und vorzugsweise insgesamt radial außen von dem
Schwalbenschwanzprofil 60 ausgerichtet, um einen direkten
radialen Weg für Zentrifugalkräfte von der Laufschaufel 18
zum dem Schwalbenschwanz 34 zu schaffen und die Verbiegung
der Laufschaufel 18 zu minimieren.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Schwalbenschwanzlängsachse 72 ein Abschnitt der Helix mit
einer Ganghöhe von etwa 0,03 Windungen/25,4 mm (0.03
threads per inch), einem Helixradius r von etwa 127 mm (5.0
Zoll) und einem Helixwinkel R von etwa 45 Grad. Selbstver
ständlich müssen die besonderen Abmessungen der Helix, die
Orientierung des Schwalbenschwanzes 34 und der Rotorscheibe
20 sowie die relative Verdrehung der Schwalbenschwanzpro
file einschließlich des Vorderprofils 58 und des Hinterpro
fils 60 in Abhängigkeit von besonderen Entwurfszwecken ge
mäß der Erfindung bestimmt werden.
Die Erfindung schafft eine verbesserte Schaufel- und Rotor
scheibenbaugruppe unter Verwendung einer Laufschaufel, die
relativ kleine Einlaßradiusverhältnisse und eine relativ
große Steigung des inneren Strömungsweges der Laufschaufel
an dem äußeren Umfang 32 der Scheibe gestattet. Zum Bei
spiel zeigen die Analyse und Modelltests, daß Einlaßfußra
diusverhältnisse R1/R2 von weniger als etwa 0,35 und bis
herunter auf etwa 0,3 bei der Laufschaufel 18 benutzt wer
den können und daß trotzdem akzeptable HCF und LCF-Lebens
dauergrenzwerte vorhanden sind. Ein insgesamt schaftloser
Schwalbenschwanz 34, wie er oben beschrieben worden ist,
kann relativ nahe bei und insgesamt parallel zu dem geneig
ten äußeren Umfang 32 der Scheibe 20 angeordnet werden, um
für eine ausreichende Schaufelfesthaltung zu sorgen und
gleichzeitig das Schaufelgewicht zu reduzieren und eine
ausreichende bauliche Schaufelfestigkeit zum Aufrechterhal
ten eines ausreichenden 2/Umin-1-Spielraums
aufrechtzuerhalten. Der Schwalbenschwanz 34 ist vorzugs
weise gekrümmt und gedreht, um eine ausreichende Lastauf
nahme in dem komplementären Schwalbenschwanzschlitz sowohl
an der Hinterfläche 64 der Scheibe 20 als auch an der Vor
derfläche 66 der Scheibe 20, die einen relativ kleinen Um
fang hat, zu gestatten.
Die Laufschaufeln 18 können in die komplementären Schwal
benschwanzschlitze 50 eingeführt werden, indem die Lauf
schaufeln entweder von der Scheibenhinterfläche 64 oder von
der Scheibenvorderfläche 66 aus in die Schlitze verdreht
werden. Das Verdrehen von der Hinterfläche 64 aus ergibt
insgesamt mehr Spielraum zwischen benachbarten Laufschau
feln, da der Umfang des äußeren Umfangs 32 an der Scheiben
hinterfläche 64 größer ist als der Umfang des äußeren Um
fangs 32 an der Scheibenvorderfläche 66. Die Verwendung ei
nes schraubenlinienförmigen Schwalbenschwanzes 34 und einer
schraubenlinienförmigen Schwalbenschwanzlängsachse 62, wie
sie oben beschrieben worden sind, gestattet die axiale
Selbstfesthaltung der Laufschaufel 18 in den Schwalben
schwanzschlitzen 50 oder führt alternativ zu relativ klei
nen Axialkomponenten der Zentrifugalbelastung, die bestrebt
sein würden, die Schwalbenschwänze 34 aus den Schlitzen 50
hinauszuschieben.
Im Rahmen der Erfindung bieten sich dem Fachmann Abwand
lungsmöglichkeiten. So ist zwar beispielsweise ein insge
samt symmetrischer Schwalbenschwanz 34 mit zwei Buckeln für
die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden, der
Schwalbenschwanz 34 kann jedoch irgendein Profil ein
schließlich Tannenbaumprofilen in Abhängigkeit von besonde
ren Verwendungszwecken haben.
Claims (40)
1. Gasturbinentriebwerkslaufschaufel, gekennzeichnet durch:
ein Blatt (22) mit einer Spitze (24) und einem Fuß (26) so wie einer Vorderkante (28) und einer Hinterkante (30), die sich von dem Fuß (26) bis zur Spitze (24) erstrecken;
einen Schwalbenschwanz (34), der sich von dem Blattfuß (26) aus erstreckt, wobei der Schwalbenschwanz (34) aufweist:
ein Vorderprofil (58), das an der Blattvorderkante (28) angeordnet ist;
ein Hinterprofil (60), das dem Vorderprofil (58) insge samt gleicht und an der Blatthinterkante (30) angeord net ist;
eine Längsachse (62), die sich von dem Vorderprofil (58) zu dem Hinterprofil (60) erstreckt;
eine Radialachse (40), die sich rechtwinkelig von der Längsachse (62) aus radial nach außen in das Blatt (22) in einer Ebene des Vorderprofils (58) erstreckt;
wobei das Vorderprofil (58) in einer Winkelposition an geordnet ist, die um die Schwalbenschwanzlängsachse (62) relativ zu der Schwalbenschwanzradialachse (40) und dem Hinterprofil (60) gedreht ist.
ein Blatt (22) mit einer Spitze (24) und einem Fuß (26) so wie einer Vorderkante (28) und einer Hinterkante (30), die sich von dem Fuß (26) bis zur Spitze (24) erstrecken;
einen Schwalbenschwanz (34), der sich von dem Blattfuß (26) aus erstreckt, wobei der Schwalbenschwanz (34) aufweist:
ein Vorderprofil (58), das an der Blattvorderkante (28) angeordnet ist;
ein Hinterprofil (60), das dem Vorderprofil (58) insge samt gleicht und an der Blatthinterkante (30) angeord net ist;
eine Längsachse (62), die sich von dem Vorderprofil (58) zu dem Hinterprofil (60) erstreckt;
eine Radialachse (40), die sich rechtwinkelig von der Längsachse (62) aus radial nach außen in das Blatt (22) in einer Ebene des Vorderprofils (58) erstreckt;
wobei das Vorderprofil (58) in einer Winkelposition an geordnet ist, die um die Schwalbenschwanzlängsachse (62) relativ zu der Schwalbenschwanzradialachse (40) und dem Hinterprofil (60) gedreht ist.
2. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwalbenschwanzlängsachse (62) ein Abschnitt einer
Helix (78) ist.
3. Laufschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Blattfuß (26) eine Mittellinie (M1) hat,
die sich von der Vorderkante (28) zu der Hinterkante (30)
erstreckt, und daß die Schwalbenschwanzlängsachse (62) ins
gesamt parallel dazu angeordnet ist.
4. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwalbenschwanz (34) aufweist:
einen Schaft (36); und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken.
einen Schaft (36); und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken.
5. Laufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Buckel (38) einen Scheitel (70) hat und daß das
Buckelpaar (38) eine Sehne aufweist, die sich zwischen den
Buckelscheiteln (70) erstreckt, wobei die Sehne in dem
Schwalbenschwanzhinterprofil (60) eine Hintersehne (72) und
die Sehne in dem Schwalbenschwanzvorderprofil (58) eine
Vordersehne (74) ist und wobei die Vordersehne (74) relativ
zu der Hintersehne (72) gedreht ist.
6. Laufschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vordersehne (74) um 60 Grad gegen die Hintersehne
(72) gedreht ist.
7. Laufschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsachse (62) ein Abschnitt einer Helix (78) ist.
8. Laufschaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Helix (78) eine Ganghöhe von etwa 0,03 Gewinde
gänge/25,4 mm (0,03 threads per inch), einen Helixradius
von etwa 127 mm (5,0 Zoll) und einen Helixwinkel von etwa
45 Grad hat.
9. Laufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwalbenschwanzlängsachse (62) eine Steigung von
weniger als etwa 70 Grad relativ zu der Schwalbenschwanzra
dialachse (40) in einer Ebene hat, die sich zwischen dem
Vorder- und dem Hinterprofil (58, 60) erstreckt.
10. Laufschaufel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwalbenschwanzhinterprofil (60) radial näher bei
dem Blatt (22) angeordnet ist als das Schwalbenschwanzvor
derprofil (58) und daß das Schwalbenschwanzhinterprofil
(60) um die Radialachse (40) symmetrisch ist.
11. Laufschaufel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blatthinterkante (30) insgesamt radial außerhalb
des Schwalbenschwanzhinterprofils (60) ausgerichtet ist und
daß die Blattvorderkante (58) insgesamt radial außerhalb
des Schwalbenschwanzvorderprofils (58) ausgerichtet ist.
12. Laufschaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blattspitze (24) eine Spitzensehne (C3) hat und daß
der Blattfuß (26) eine Fußsehne (C1) hat und daß das Blatt
(22) so verdreht ist, daß die Spitzensehne (C3) unter einem
spitzen Winkel relativ zu der Fußsehne (C1) angeordnet ist.
13. Laufschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche Profile des Schwalbenschwanzes (34), die zu
der Schwalbenschwanzlängsachse (62) rechtwinkelig sind,
einschließlich des Vorder- und Hinterprofils (58, 60) iden
tisch sind.
14. Laufschaufel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwalbenschwanzlängsachse (62) ein Abschnitt einer
Helix (78) ist und daß die Schwalbenschwanzprofile (58, 60)
relativ zu benachbarten Profilen jeweils gedreht sind.
15. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schaft (36) eine radiale Dicke hat,
daß das Buckelpaar (38) eine radiale Dicke hat und daß der
Schwalbenschwanz (34) im wesentlichen schaftlos ist, wobei
die Schaftdicke nicht größer als etwa die Dicke des Buckel
paares (38) ist.
16. Laufschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Profil (58, 60) des Schwalben
schwanzes (34), das rechtwinkelig zu der Schwalbenschwanz
längsachse (62) angeordnet ist, symmetrisch ist.
17. Beschaufelte Scheibenvorrichtung für ein Gasturbinen
triebwerk, gekennzeichnet durch:
mehrere Laufschaufeln (18) nach Anspruch 1;
eine Rotorscheibe (20), die eine Vorderfläche (66), eine Hinterfläche (64), einen äußeren Umfang (32), welcher die Vorder- und die Hinterfläche (66, 64) miteinander verbin det, eine Axialmittelachse (16) und mehrere umfangsbeab standete Schlitze (50), welche in dem äußeren Umfang (32) angeordnet sind und sich von der Vorderfläche (66) zu der Hinterfläche (64) erstrecken, aufweist, wobei die Schlitze (50) komplementär zu den Schaufelschwalbenschwänzen (34) geformt sind und wobei die Schaufelschwalbenschänze (34) der Laufschaufeln (18) in den Schaufelschlitzen (50) ange ordnet sind.
mehrere Laufschaufeln (18) nach Anspruch 1;
eine Rotorscheibe (20), die eine Vorderfläche (66), eine Hinterfläche (64), einen äußeren Umfang (32), welcher die Vorder- und die Hinterfläche (66, 64) miteinander verbin det, eine Axialmittelachse (16) und mehrere umfangsbeab standete Schlitze (50), welche in dem äußeren Umfang (32) angeordnet sind und sich von der Vorderfläche (66) zu der Hinterfläche (64) erstrecken, aufweist, wobei die Schlitze (50) komplementär zu den Schaufelschwalbenschwänzen (34) geformt sind und wobei die Schaufelschwalbenschänze (34) der Laufschaufeln (18) in den Schaufelschlitzen (50) ange ordnet sind.
18. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß die Schwalbenschwanzlängsachse
(62) ein Abschnitt einer Helix (78) ist.
19. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 18, da
durch gekennzeichnet, daß die Helix (78) eine Längsmittel
helixachse hat, die schräg zu der Scheibenaxialmittelachse
(16) angeordnet ist.
20. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach einem der Ansprü
che 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Blattfuß
(26) eine Mittellinie (M1) hat, die sich von der Vorder
kante (28) zu der Hinterkante (30) erstreckt, und daß die
Schwalbenschwanzlängsachse (62) insgesamt parallel dazu an
geordnet ist.
21. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach einem der Ansprü
che 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwalben
schwanz (34) aufweist:
einen Schaft (36); und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken.
einen Schaft (36); und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken.
22. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 21, da
durch gekennzeichnet, daß jeder Buckel (38) einen Scheitel
(70) hat und daß das Buckelpaar (38) eine Sehne aufweist,
die sich zwischen den Buckelscheiteln (70) erstreckt, wobei
die Sehne in dem Schwalbenschwanzhinterprofil (60) eine
Hintersehne (72) und die Sehne in dem Schwalbenschwanzvor
derprofil (58) eine Vordersehne (74) ist und wobei die Vor
dersehne (74) relativ zu der Hintersehne (72) gedreht ist.
23. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 22, da
durch gekennzeichnet, daß sich das Schwalbenschwanzvorder
profil (58) an der Scheibenvorderfläche (66) und das
Schwalbenschwanzhinterprofil (60) an der Scheibenhinterflä
che (64) befindet und daß benachbarte Schwalbenschwanzvor
derprofile (58) näher beieinander angeordnet sind als be
nachbarte Schwalbenschwanzhinterprofile (60) beieinander
angeordnet sind.
24. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 23, da
durch gekennzeichnet, daß die Vordersehne (74) um etwa 60
Grad gegen die Hintersehne (72) gedreht ist.
25. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 24, da
durch gekennzeichnet, daß die Helix (78) eine Ganghöhe von
etwa 0,03 Gewindegänge/25,4 mm (0,03 threads per inch),
einen Helixradius von etwa 127 mm (5,0 Zoll) und einen
Helixwinkel von etwa 45 Grad hat.
26. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß die Schwalbenschwanzlängsachse
(62) eine Steigung von mehr als etwa 20 Grad relativ zu der
Scheibenaxialmittelachse (16) hat.
27. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 26, da
durch gekennzeichnet, daß der äußere Scheibenumfang (32)
eine Steigung von der Vorderfläche (66) zu der Hinterfläche
(64) relativ zu der Scheibenaxialmittelachse (16) hat.
28. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 27, da
durch gekennzeichnet, daß die Steigung des äußeren Schei
benumfangs (32) insgesamt gleich der Schwalbenschwanz
längsachsensteigung ist.
29. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 28, da
durch gekennzeichnet, daß der Schwalbenschwanz (34) auf
weist:
einen Schaft (36) mit einer radialen Dicke; und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken, wobei das Buckel paar eine radiale Dicke hat;
wobei der Schwalbenschwanz (34) im wesentlichen schaftlos ist und wobei die Schaftdicke nicht größer als etwa die Dicke des Buckelpaares (38) ist.
einen Schaft (36) mit einer radialen Dicke; und
ein Paar Buckel (38), die sich von dem Schaft (36) aus ra dial einwärts und von der Schwalbenschwanzradialachse (40) aus entgegengesetzt auswärts erstrecken, wobei das Buckel paar eine radiale Dicke hat;
wobei der Schwalbenschwanz (34) im wesentlichen schaftlos ist und wobei die Schaftdicke nicht größer als etwa die Dicke des Buckelpaares (38) ist.
30. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 29, da
durch gekennzeichnet, daß die Blatthinterkante (30) insge
samt radial außerhalb des Schwalbenschwanzhinterprofils
(60) ausgerichtet ist und daß die Blattvorderkante (58)
insgesamt radial außerhalb des Schwalbenschwanzvorderpro
fils (58) ausgerichtet ist.
31. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 30, da
durch gekennzeichnet, daß die Blattspitze (24) eine Spit
zensehne (C3) hat und daß der Blattfuß (26) eine Fußsehne
(C1) hat und daß das Blatt (22) so verdreht ist, daß die
Spitzensehne (C3) unter einem spitzen Winkel relativ zu der
Fußsehne (C1) angeordnet ist.
32. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß sämtliche Profile des Schwalben
schwanzes (34) , die zu der Schwalbenschwanzlängsachse (62)
rechtwinkelig sind, einschließlich des Vorder- und Hinter
profils (58, 60) identisch sind.
33. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 32, da
durch gekennzeichnet, daß die Schwalbenschwanzlängsachse
(62) ein Abschnitt einer Helix (78) ist und daß die
Schwalbenschwanzprofile (58, 60) relativ zu benachbarten
Profilen jeweils gedreht sind.
34. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß jedes Profil des Schwalbenschwan
zes (34), das rechtwinkelig zu der Schwalbenschwanz
längsachse (62) angeordnet ist, symmetrisch ist.
35. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (18) ein Ein
laßfußradiusverhältnis an ihren Vorderkanten (28) und ein
Auslaßfußradiusverhältnis an ihren Hinterkanten (30), das
größer als das Einlaßfußradiusverhältnis ist, haben.
36. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 35, da
durch gekennzeichnet, daß das Einlaßfußradiusverhältnis
kleiner als etwa 0,35 ist.
37. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 17, da
durch gekennzeichnet, daß die Schwalbenschwanzlängsachse
(62) ein Abschnitt einer Helix (78) ist, daß jede Lauf
schaufel (18) einen Schwerpunkt (82) aufweist und daß der
Schaufelschwalbenschwanz (34) in der Scheibe (20) so ange
ordnet ist, daß der Schwerpunkt (82) der Laufschaufel (18)
in einer eingebauten Radialposition ist, die größer ist als
eine erste Radialposition des Schwerpunkts (82) bei teil
weiser Einführung der Laufschaufel (18) in den Schlitz
(50).
38. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 37, da
durch gekennzeichnet, daß sich die erste Radialposition bei
teilweiser Einführung der Laufschaufel (18) in den Schlitz
(50) an der Scheibenvorderfläche (66) ergibt.
39. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 38, da
durch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (82) der Lauf
schaufel (18) in der eingebauten Radialposition größer ist
als eine zweite Radialposition des Schwerpunkts bei teil
weiser Einführung der Laufschaufel (18) in den Schlitz (50)
an der Hinterfläche (64).
40. Beschaufelte Scheibenvorrichtung nach Anspruch 39, da
durch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (82) der Lauf
schaufel (18) in der eingebauten Position ein Maximum ist.
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