EP2282010A1 - Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine - Google Patents

Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine Download PDF

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EP2282010A1
EP2282010A1 EP09008226A EP09008226A EP2282010A1 EP 2282010 A1 EP2282010 A1 EP 2282010A1 EP 09008226 A EP09008226 A EP 09008226A EP 09008226 A EP09008226 A EP 09008226A EP 2282010 A1 EP2282010 A1 EP 2282010A1
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EP
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blade
platform
blade root
rotor
curved
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Fathi Ahmad
Günther Dr. Walz
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a blade for an axially flow-through turbomachine, comprising in succession a curved blade, a platform and a blade root having two opposite side walls which diverge from the platform to a blade root lower side.
  • Turbomachinery blades such as turbines and compressors, are well known in the art.
  • blades have a substantially dovetail-shaped foot area, wherein the two opposite side walls of the blade root from the platform in the direction of a blade root underside widen in a straight line.
  • a rotor carrying these blades usually has a shaft collar or a correspondingly shaped rotor disk, on the outer surface of which retaining grooves with a contour corresponding to the blade root extend in the axial direction.
  • the blades are inserted with their dovetailed blade root in the corresponding retaining grooves and kept safe against loosening due to the dovetail connection thus produced in rotation of the rotor in the radial direction.
  • both the blade root of a blade and the retaining groove corresponding thereto have contours whose appearance corresponds to a fir tree.
  • the existing and interlocking undercuts and projections can at high centrifugal force due to the high speed rotating rotor stresses in the material of the rotor disk or Cause blade roots, which can lead to fatigue.
  • the object of the invention is therefore to provide an alternative, reliable attachment of blades on the rotor of a turbomachine.
  • the object of the invention is achieved with a blade according to the features of claim 1.
  • the blade according to the invention comprises a curved blade blade, a platform and a blade root with two opposite side walls which diverge from the platform to a Schaufelfußunterseite, wherein both side walls along its extension between the platform and the blade root underside are largely curved in the same direction.
  • the invention is based on the knowledge that a higher loadable connection between the blade and the rotor can be brought about by a blade root that continuously bulges from the platform to the bottom of the blade root.
  • manufacturing costs can be reduced because, in particular, when the blade is used in a turbine, the otherwise usual Christmas tree connections can also be achieved by a curved dovetail connection according to the invention.
  • the cost savings is achieved in particular by the smaller number of projections and undercuts both for the blade root and for the correspondingly shaped axial retaining groove on the rotor.
  • an improved frequency attenuation can be achieved.
  • the center of gravity of such a blade can also be displaced closer to the axis of rotation of the rotor by virtue of the blade root diverging from the platform to a blade root lower side, as a result of which the load, in particular the centrifugal force load of the rotor caused by the blade weight, is reduced.
  • Both side walls are largely curved in the same direction, d. H. one of the two side walls is largely concave, while the opposite other side wall is at least largely convex. At the same time, the two side walls diverge from the platform to a bottom of the blade root.
  • the blade root essentially has a dovetail contour.
  • the curvature of that side wall of the blade root which is leading in the direction of rotation of one equipped with such a blade rotor of a turbomachine over the other side wall, largely convex.
  • the flow forces acting on the airfoil in the blade root connection are circumferentially effective such that the blade is moved toward the groove bottom of the retaining groove.
  • the claws formed between the retaining grooves of the rotor experience a low mechanical tensile stress than in the case of a buckle in the opposite direction.
  • the trailing side wall of the blade root is largely concave.
  • the lower mechanical stress can extend the life of the rotor disc as well as the blade.
  • the blade root can also be arched in the axial direction.
  • a rotor blade 10 relating to the invention is shown in a perspective view FIG. 1 ,
  • the blade 10 sequentially includes a curved airfoil 12, a platform 14, and a blade root 16.
  • the blade root 16 extends from the platform 14 to a blade root bottom 18.
  • the blade root 16 includes two opposing side walls 20, 22, the distance of which increases with increasing distance becomes larger from the platform 14. The two side walls 20, 22 thus diverge from the platform 14 to the blade root bottom 18, wherein the rounded transition of the side walls 20, 22 to the blade root bottom 18 is left out here altogether disregarded.
  • a between the two side walls 20, 22 extending center line 24 is shown in dashed line style. Both the side wall 20 and the side wall 22 are always curved along their entire extent from platform 14 to blade root bottom 18. As a result, the side wall 20 has a largely convex shape and the side wall 22 has a largely concave shape. This results in that the center line 24 is also curved.
  • FIG. 2 shows the side view of a section of a rotor disk 25, which is part of a rotor of a turbomachine.
  • the rotor disk 25 has on its outer circumference 26 on its circumference uniformly distributed retaining grooves 28, of which in FIG. 2 only two are shown.
  • the contour of the side walls 30, 32 of the retaining grooves 28 corresponds substantially to the predetermined by the two side walls 20, 22 of the blade root 16 contour. As a result, the blade is positively inserted with its blade root 16 in the retaining groove 28.
  • the side walls 30, 32 of the retaining grooves 28 are correspondingly arched as the side walls 20, 22 of the blade root 16.
  • the direction of the curvature in the circumferential direction is chosen so that a substantially convex side wall 30 of the retaining groove 28 in the direction of rotation R of the rotor or the rotor disk 25 with respect to the opposite side wall 32 of the corresponding retaining groove 28 is trailing.
  • a rotor blade 25 inserted in the rotor blade 10 is in rotation of the rotor substantially in the A, A 'and B, B' marked surface areas and is thus secured against radial movements. Due to the coordinated arrangement of the curvature of the blade root 16 and the direction of rotation R of the rotor can be avoided in the areas A, A ', B, B' an increase in the voltage stress.
  • FIG. 3 shows one too FIG. 2 analog rotor disk 25, in which the retaining grooves 28 extend obliquely with respect to the axial direction.
  • the retaining grooves 28 have a curved along the axial direction contour. Accordingly, the blade root of a corresponding blade is then additionally arched in the axial direction.
  • Each of the blades described herein may be formed, for example, as a turbine blade or as a compressor blade.
  • a blade 10 for an axially flow-through turbomachine preferably turbine specified in the reduction of mechanical stress in the blade root 16 and the holding walls 30, 32 of a rotor, the two opposite side walls 20, 22 of the blade root 16 along their extent between platform 14 and blade root bottom 18 are continuously curved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel (10) für eine axial durchströmbare Turbomaschine, vorzugsweise Turbine, 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.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine, umfassend aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen Schaufelfuß mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden, die von der Plattform zu einer Schaufelfußunterseite divergieren.
  • Laufschaufeln für Turbomaschinen, wie Turbinen und Verdichter, 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 Rotorscheibe 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.
  • 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 ausgebildete 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 Laufschaufeln am Rotor einer Turbomaschine.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst mit einer Laufschaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Laufschaufel umfasst aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt, eine Plattform und einen 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.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, durch einen sich von der Plattform zur Schaufelfußunterseite stetig wölbenden Schaufelfuß eine höher belastbare Verbindung von Laufschaufel und Rotor herbeigeführt werden kann. Gleichfalls können Herstellungskosten 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 geringere 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 divergierenden 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zweckmäßigerweise weist der Schaufelfuß im Wesentlichen eine Schwalbenschwanzkontur auf.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wölbung derjenigen Seitenwand des Schaufelfußes, welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Laufschaufel ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand voreilend ist, größtenteils konvex. Dies 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 Lebensdauer von Rotorscheibe als auch von der Laufschaufel verlängert werden.
  • Zweckmäßigerweise kann dabei der Schaufelfuß auch in Axialrichtung gewölbt sein.
  • 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 Halte- nuten, geeignet zur Aufnahme einer erfindungsgemä- ßen 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 Laufschaufel 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 zwischen den beiden Seitenwänden 20, 22 verlaufende 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 Mittellinie 24 ebenfalls gewölbt ist.
  • 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. 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.
  • 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 Rotorscheibe 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 und ist so gegen radiale Bewegungen gesichert. 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.
  • 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 kann beispielsweise als Turbinenlaufschaufel oder auch als Verdichterlaufschaufel 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.

Claims (5)

  1. Laufschaufel (10) für eine axial durchströmbare Turbomaschine,
    umfassend aufeinanderfolgend ein gekrümmtes Schaufelblatt (12), eine Plattform (14) und einen Schaufelfuß (16) mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden (20, 22), die von der Plattform (14) zu einer Schaufelfußunterseite (18) divergieren,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beide Seitenwände (20, 22) entlang ihrer Erstreckung zwischen Plattform (14) und Schaufelfußunterseite (18) größtenteils in gleicher Richtung gewölbt sind.
  2. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1,
    bei der der Schaufelfuß (16) im Wesentlichen eine Schwalbenschwanzkontur aufweist.
  3. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der die Wölbung derjenigen Seitenwand (20) des Schaufelfußes (16), welche in Drehrichtung eines mit einer derartigen Laufschaufel (10) ausgestatteten Rotors einer Turbomaschine gegenüber der anderen Seitenwand (22) voreilend ist, zumindest größtenteils konvex ist und bei der die Wölbung derjenigen Seitenwand (22), welche entsprechend nacheilend ist, größtenteils konkav ist.
  4. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei der der Schaufelfuß (16) in Axialrichtung gewölbt ist.
  5. Laufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als Turbinenlaufschaufel oder als Verdichterlaufschaufel einer axial durchströmbaren Turbomaschine.
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