EP2725194B1

EP2725194B1 - Turbinenrotorschaufel einer Gasturbine

Info

Publication number: EP2725194B1
Application number: EP13190022.7A
Authority: EP
Inventors: Knut Dr. Lehmann; Manuel Herm
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Rolls Royce PLC
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: US20140119920A1; EP2725194A1; US9593584B2; US10641107B2; US20140119942A1; EP2725195B1; EP2725195A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenrotorschaufel einer Gasturbine mit einem in radialer Richtung (bezogen auf eine Triebwerksachse der Gasturbine) bzw. in Längsrichtung der Schaufel ausgebildeten Schaufelprofil sowie mit einer Schaufelspitze. Als Schaufelspitze wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das radial außenliegende Ende der Turbinenrotorschaufel bezeichnet.
Die Erfindung betrifft weiterhin nicht nur Rotorschaufeln, sondern auch Statorschaufeln, wobei die Schaufelspitze bei Statorschaufeln als radial innenliegendes Ende der Schaufel definiert ist.
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass am Radialspalt zwischen den Rotorschaufeln und einem Gehäuse bzw. zwischen Statorschaufeln und einer Nabe ein durch den Druckunterschied von der Schaufeldruckseite zur Schaufelsaugseite getriebener Leckagemassenstrom entsteht. Dabei sind Lösungen vorgeschlagen worden, die diesen Leckagemassenstrom verringern und/oder den negativen Einfluss eines sich bildenden Schaufelspitzenwirbels auf die Turbinenaerodynamik verringern.
Zur Verbesserung der Strömung über die Schaufelspitzen der Rotoren werden hauptsächlich umlaufende Dichtkanten (Squealer), teils aber auch Überhänge an der Schaufelspitze (Wingletausführungen) vorgesehen. Squealerkonstruktionen ( US 2010/0098554 A1 ) bewirken aber nur eine geringe Verbesserung der Aerodynamik. Die Winglet-Konstruktion gemäß US 7,118.329 B2 besitzt einen Überhang zur Druckseite nahe der Schaufelhinterkante und eine umlaufende Dichtkante an der Schaufelspitze mit einer Öffnung an der Schaufelhinterkante. Die Konstruktion gemäß US 6,142,739 besitzt einen saug- und druckseitigen Überhang, welcher sehr klein nahe der Schaufelvorderkante ist und entlang der Schaufelskelettlinie bis zur Schaufelhinterkante immer weiter überhängt. Des Weiteren besitzt diese Konstruktion eine Öffnung der Schaufelspitzenkavität an der Hinterkante.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bringen zum einen nur geringe aerodynamische Vorteile, zum anderen sind die Überhänge (Winglets) so dimensioniert, dass sie insbesondere von der dünnen Schaufelhinterkante schlecht getragen werden können und die mechanische Festigkeit der Schaufel beeinträchtigen.
Aus der GB 1 491 556 ist eine Laufschaufel für Turbomaschinen vorbekannt, welche einen einseitigen Überstand an der Saugseite der Schaufelspitze aufweist. Der Überstand ist in Form einer Abdeckplatte (partielles Deckband) ausgebildet, welche an der Schaufelspitze befestigt ist und sich, beginnend von der Anströmkante der Schaufel sofort auf das Mehrfache der Schaufeldicke erstreckt und diesen großen Wert des Überhangs bis zur Schaufelhinterkante beibehält. Derartige Überhänge sind hinsichtlich der auf die Schaufel wirkenden Belastungen kritisch und führen nicht zu optimierten Strömungsverhältnissen.
Die EP 1 898 052 A2 beschreibt eine Turbinenschaufel, welche an ihrer Saugseite über einen Teil der Länge einen Überhang aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenrotorschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine aus aerodynamischer und thermaler Sicht optimale Schaufelspitzenumströmung ermöglicht und eine gute Bauteilfestigkeit und eine hohe Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Schaufelspitze zumindest an ihrer Saugseite, ausgehend von einem Staupunkt an der Schaufelvorderkante bis zu einem Schnittpunkt der saugseitigen Profillinie der Schaufel mit einem Hinterkantenkreis einen Überhang (Winglet) aufweist. Der Überhang weist am Staupunkt und am Schnittpunkt mit dem Hinterkantenkreis im Wesentlichen einen Wert von Null auf und erreicht seinen Maximalwert bei etwa 40 % der Lauflänge der saugseitigen Profillinie.
Erfindungsgemäß ist somit eine strömungsoptimierte und hinsichtlich der Festigkeit der Schaufel vorteilhafte Konstruktion geschaffen, bei welcher die aerodynamischen Verluste minimiert werden.
Besonders günstig ist es, wenn die Größe des saugseitigen Überhangs (senkrechter Abstand von der saugseitigen Profillinie) in etwa 45% des Durchmessers des maximal in das Schaufelprofil einbeschreibbaren Kreises T_max erreicht.
In besonders günstiger Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaufel ist weiterhin vorgesehen, dass die Schaufelspitze an ihrer Druckseite, ausgehend von einem Staupunkt an der Schaufelvorderkante bis zu einem Schnittpunkt der druckseitigen Profillinie der Schaufel mit dem Hinterkantenkreis, ebenfalls einen Überhang (Winglet) aufweist, welcher am Staupunkt und am Schnittpunkt im Wesentlichen Null beträgt und welcher einen Maximalwert bei etwa einer Lauflänge zwischen 20 % und 60 % der Gesamtlauflänge der druckseitigen Profillinie aufweist.
Zur Verbesserung der Strömung und zur weiteren Verminderung des Leckagemassenstroms kann es weiterhin günstig sein, dass am radial äußeren Randbereich der Schaufel (bei einer Rotorschaufel) bzw. am radial inneren Randbereich bei einer Statorschaufel eine umlaufende Dichtkante ausgebildet ist. Diese kann beispielsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben, so dass sich im mittleren Bereich der Schaufeispitze eine Vertiefung/Kavität ausbildet.
Die Dichtkante kann weiterhin bevorzugterweise einen Bereich mit einer reduzierten Höhe bzw. einen Bereich mit einer Höhe von Null aufweisen, welcher im Bereich des saugseitigen Überhangs zwischen einer Lauflänge der saugseitigen Profillinie von 10 % bis 30 % vorgesehen ist. Somit wird eine Öffnung ausgebildet, durch welche eine Zuströmung der gehäusenahen Grenzschicht auf die Schaufelspitze erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, die Höhe sowie die Breite der Dichtkante in Abhängigkeit von einem Schaufelspitzenspalt zu bemessen. Die radiale Höhe kann dabei zwischen der Hälfte des Schaufelspitzenspalts und dem dreifachen Schaufelspitzenspalt betragen. Hinsichtlich der Breite der Dichtkante kann diese zwischen dem dreifachen Schaufelspitzenspalt und dem sechsfachen Schaufelspitzenspalt ausgebildet sein.
Hinsichtlich der Höhe des Überhangs (Winglets) in radialer Richtung kann es besonders günstig sein, wenn diese Höhe maximal 10 % der radialen Länge des Schaufelprofils beträgt. Ein bevorzugter Wert liegt bei 5 %. Dies bedeutet, dass ca. 90 % bis 95 % des Schaufelprofils unverändert ausgebildet ist und dass lediglich die äußeren 10 bzw. 5 % der Länge des Schaufelprofils mit dem erfindungsgemäßen Überhang bzw. Winglet versehen ist.
Um die Strömungsverhältnisse weiter zu optimieren, kann es günstig sein, den Übergang vom Schaufelprofil zu dem Überhang (Winglet) abgerundet auszubilden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den Kantenbereich des Überhangs (Winglets) am radialen Ende mit einem Winkel zu versehen. Dieser Winkel ist in einer Ebene definiert die durch einen radialen Vektor von der Dichtkante zur Triebwerksachse und einem Vektor normal zur Dichtkante aufgespannt wird. Der Winkel bildet sich dann zwischen einer Tangente an der äußeren Dichtkantenfläche und dem Radialenvektor. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Tangente an der druckseitigen Dichtkante der Schaufel in einem Winkel zwischen 10° und 50° von der Schaufel weg gerichtet und an der saugseitigen Dichtkante in einem Winkel von 10° bis 50° bei einer Lauflänge 0,1≤s≤0,3 zur Schaufel hin gerichtet und bei einer Lauflänge zwischen 0,4≤s≤1 in einem Winkel zwischen 10° und 50° von der Schaufel weg gerichtet ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Wingletkonstruktion hat die Eigenschaft, die Überströmung der Turbinenschaufelspitzen so zu verbessern, dass der Leckagemassenstrom über die Schaufelspitze verringert wird (Wirkungsgradverbesserung im Rotor) und gleichzeitig die Abströmung im Bereich der Rotorschaufelspitze hinsichtlich des Abströmwinkels vergleichmäßigt wird (Wirkungsgradverbesserung in den stromab liegenden Schaufelreihen). Diese Vorteile werden durch folgende strömungsmechanische Effekte erreicht:

Durch die relative schnelle Verkleinerung des großen saugseitigen Überhangs im Bereich (b) entsteht eine konkave Schaufelspitzenform. Das führt dazu, dass der Schaufelspitzenwirbel stromab einen immer größeren Abstand zur Schaufel gewinnt.
Als Folge wird der Schaufelspitzenwirbel von der saugseitigen Schaufelumströmung entkoppelt und interagiert nicht oder nur sehr wenig mit dem sich in diesem Bereich entwickelnden Sekundärströmungswirbel. Diese Entkopplung trägt maßgeblich zur Wirkungsgradverbesserung der Schaufelspitzenströmung durch das Winglet bei.
Der Überhang des Winglets reduziert den treibenden Druckgradienten zwischen Druckseite und Saugseite und verringert damit den Leckagemassenstrom.
Die Öffnung der umlaufenden Dichtkante des Winglets sorgt für eine Einströmung von relativ kalter gehäusenaher Luft in die Kavität des Winglets. Die Trajektorie dieser Zuströmung (Stromlinienkrümmung) bewirkt einen Druckgradienten in Richtung Druckseite der Schaufel. Hierdurch wird eine weitere Reduktion des Leckagemassenstromes erzielt. Weiterhin verringert die aufströmende relativ kalte Luft die Kühlungsanforderungen für das Winglet.
Die Form (Tangentenwinkel) der umlaufenden bzw. unterbrochenen Dichtkante ist in Abhängigkeit der Profillauflänge so gestaltet, dass an gewünschten Positionen Strömungsablösungen hervorgerufen werden (z.B. Druckseite) und an anderen Positionen (z.B. Saugseite) Strömungsablösungen vermieden werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2: eine vereinfachte Draufsicht auf den Endbereich der erfindungsgemäßen Schaufel,
Fig. 3: eine Ansicht, analog Fig. 2, mit Angabe der Schnittlinien der Fig. 4 bis 6,
Fig. 4 bis 6: Teil-Schnitte gemäß den Schnittlinien in Fig. 3,
Fig. 7: eine Darstellung, ähnlich Fig. 5, mit Angabe der Definitionen zur Bemessung des Schaufelendbereichs,
Fig.8, 9: stirnseitige Ansichten, analog den Fig. 2 und 3, zur Darstellung des erfindungsgemäßen Überhangs,
Fig. 10, 11: Dickenverteilungen des saugseitigen und druckseitigen Überhangs bezogen auf die Lauflänge der saugseitigen bzw. druckseitigen Profillinie,
Fig. 12: eine perspektivische stirnseitige Ansicht, analog den Fig. 2 und 3, mit Darstellung der Dichtkante,
Fig. 13: eine Draufsicht auf die Darstellung gemäß Fig. 12 mit Strömungslinien,
Fig. 14: eine Schnittansicht, analog den Fig. 4 bis 6, mit Darstellung des Strömungsverlaufs, und
Fig. 15: eine Draufsicht zur Verdeutlichung des in Fig. 14 gezeigten Strömungsverlaufs.

Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenrotorschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenrotorschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
Die Fig. 2 zeigt eine stirnseitige Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbinenrotorschaufel 24. Es versteht sich, dass die stirnseitige Fläche nicht eben ist, sondern Teil eines Zylindermantels um die Triebwerksachse 1. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in den nachfolgenden Figuren die Endfläche jeweils eben ausgebildet.
Die Fig. 2 zeigt somit eine erfindungsgemäße Formgebung der Rotorschaufelspitze in der Draufsicht. Hierbei ist ein Merkmal der Erfindung die spezielle Formgebung des saugseitigen Überhangs 30. Die erfindungsgemäße Formgebung des saugseitigen Überhangs 30 ist mittels der Fig. 8 und 10 näher beschrieben. Zwei Referenzpunkte, nämlich der Staupunkt an der Schaufelvorderkante (unter 2D Anströmung) LE und der Schnittpunkt der saugseitigen Profillinie mit dem Hinterkantenkreis TE, werden zur Beschreibung des saugseitigen Wingletüberhangs benutzt. Zwischen diesen beiden Referenzpunkten ist die dimensionslose Lauflänge s entlang der saugseitigen Profillinie definiert, sodass s(LE)=0 und s(TE)=1 gilt. Entlang von s ist der Wingletüberhang T_w(s) als Dickenverteilung, d.h. als senkrechter Abstand zur saugseitigen Schaufelprofillinie definiert. Dabei ist die Dickenverteilung mit der maximalen Profildicke T_max der Schaufelspitze (Durchmesser des größten in das Schaufelprofil einbeschreibbaren Kreises 31) dimensionslos gemacht.
Um die aerodynamischen Effekte des saugseitigen Überhangs 30 zu nutzen, ist die Dickenverteilung in Fig. 10 besonders vorteilhaft. An den beiden Referenzpunkten LE und TE ist die Dickenverteilung nahe 0 (kein signifikanter Überhang 30 vorhanden). Ausgehend vom Punkt LE steigt der Überhang 30 entlang von s anfangs nur sehr schwach an. Ab ca. s=0,1 erfolgt eine rasche Zunahme der Dickenverteilung, Bereich (a), bis zum Maximum T_w,max, welches bei ca. 40% der Lauflänge s=0,4, bzw. etwa im Bereich des engsten Querschnitts (throat) der Schaufelpassage zwischen benachbarten Schaufeln erreicht ist. Zwischen ca. 0,5<=s<=0,7, Bereich (b), nimmt die Dickenverteilung rapide bis auf ca. 20% T_w,max ab und geht schließlich langsam bis s=1 auf 0% zurück, Bereich (c). Des Weiteren sind in Fig. 10 zwei weitere Dickenverteilungen (gestrichelte Linien gezeigt), die somit einen Bereich für die besonders vorteilhafte Gestaltung des saugseitigen Überhangs 30 eingrenzen.
In den Fig. 8 und 9 ist ein Schaufelprofil 29 als gestrichelte Linie eingezeichnet, diese Linie entspricht dem Schaufelprofil unter dem Überhang (Winglet) 30 bei 90 % der Schaufelhöhe. Die Linie 38 zeigt die Kontur des saugseitigen Überhangs (Fig. 8), während die Linie 39 die Kontur des druckseitigen Überhangs (Fig. 9) zeigt. Mit dem Bezugszeichen 31 ist der Kreis eingezeichnet, welcher im Bereich der maximalen Dicke des Querschnitts des Schaufelprofils 29 einbeschreibbar ist. Das Bezugszeichen 32 zeigt den Hinterkantenkreis.
Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, ist der Rand des Überhangs 30 in Form einer Dichtkante 33 ausgebildet, welche im Wesentlichen umlaufend ausgeführt ist. Sie weist, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird, eine Öffnung 34 auf (Fig. 12 und 13). Während in Fig. 8 der saugseitige Überhang im Einzelnen dargestellt und erläutert ist, zeigt die Fig. 9 den druckseitigen Überhang mit seiner Kontur 39.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen jeweils Schnittansichten längs den in Fig. 3 gezeigten Schnittlinien.
Die Dickenverläufe der Überhänge an der Saugseite bzw. der Druckseite sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Dabei ist der Verlauf jeweils über eine dimensionslose Lauflänge s aufgetragen, die sich vom Staupunkt an der Schaufelvorderkante LE entlang der saug- bzw. druckseitigen Profillinie bis zum Schnittpunkt der Profillinie mit dem Hinterkantenkreis TE erstreckt. Die Größe des Überhangs T_w(s) ist auf den Durchmesser des maximal in das Schaufelprofil einbeschreibbaren Kreis T_max normiert. Es ergibt sich, an welchen Stellen jeweils die Maximalwerte besonders günstig vorgesehen sind. Die gestrichelten Linien in den Fig. 10 und 11 zeigen einen bevorzugten Bemessungsbereich, während die durchgezogene Linie eine optimierte Lösung darstellt.
Die Rotorschaufelspitze weist, wie in den Fig. gezeigt, folgende bevorzugte konstruktive Eigenschaften auf, um die Auswirkung der Rotorspitzenspaltleckageströmung auf den Turbinenwirkungsgrad so klein wie möglich zu gestalten:

Einen relativ kleinen, aber signifikanten druckseitigen Überhang T_w(s), der, wie in Fig. 9 und 11 gezeigt, zwischen 0≤s≤0,2 sehr klein ist, von s=0,2 bis s=0,6 bis auf sein Maximum von 15% T_max anwächst und schließlich von s=0,6 bis zur Schaufelhinterkante abfällt, sodass der druckseitige Überhang bei s=1 tangential an den Hinterkantenkreis übergeht. Eine günstige Gestaltung des druckseitigen Überhanges kann mittels der gestrichelten Kurven in Fig. 11 eingegrenzt werden.
Eine Öffnung, zumindest aber eine Verringerung der Höhe d der umlaufenden Dichtkante im vorderen Bereich des saugseitigen Überhangs zwischen ca. s=0,1 und s=0,3, wie in Fig. 12 und 13 gezeigt.
Eine mittels des Rotorschaufelspitzenspaltes (nominal im Normalbetrieb) t definierte Höhe d der umlaufenden bzw. unterbrochenen Dichtkante auf dem Winglet von ca. 0,5t≤d≤3t (siehe Fig. 7).
Eine mittels des Rotorschaufelspitzenspaltes t definierte Breite b der umlaufenden bzw. unterbrochenen Dichtkante auf dem Winglet von ca. 3t≤b≤6t (siehe Fig. 7).
Eine Höhe h des Winglets von nicht mehr als 10 % der mittleren Höhe des Rotorschaufelprofiles. In besonders günstiger Ausführung sollte h∼5% der mittleren Höhe des Rotorschaufelprofiles betragen (siehe Fig. 7). Dabei ist h als der radiale Abstand der Wingletspitze von dem radialen Schaufelprofilschnitt anzusehen, bei dem die Aufweitung des Schaufelprofils in das Winglet deutlich beginnt.
Einen stetigen, mit angemessenen Radien R (bzw. geeigneten Kurvenformen) abgerundeten, sanften Übergang zwischen dem Wingletüberhang und dem Schaufelprofil (siehe Fig. 7).
Einen von der Profillauflänge s abhängigen, beispielhaft mittels der Schaufelschnitte A:A, B:B und C:C in Fig. 7 definierten Winkel β zwischen der Tangente an der äußeren Dichtkante 35 und dem Radialenvektor 36, sodass die Tangente an der Druckseite stets von der Schaufel mit einem Winkel zwischen 10°≤β_DS≤50° weg zeigt und die Tangente an der Saugseite zwischen 0,1≤s≤0,3 zu der Schaufel mit einem Winkel zwischen 10°≤β_SS≤50° hin zeigt, jedoch zwischen 0,4≤s≤1 stets mit einem Winkel von 10°≤β_SS≤50° von der Schaufel weg zeigt.

Zur Verdeutlichung der obenstehenden Ausführungen zeigen somit die Fig. 4 bis 6 jeweils Schnittansichten gemäß Fig. 3, aus welchen sich die bevorzugten Ausgestaltungen ergeben. Insbesondere zeigen die Fig. 4 bis 6 die jeweiligen Winkel β zwischen der Tangente 35 und dem Radialenvektor 36. Die Fig. 7 verdeutlicht nochmals die Dimensionsdefinitionen und stellt zusätzlich schematisch das Gehäuse 40 sowie den Schaufelspitzenspalt 37 dar.
Aus den Fig. 12 bis 15 ergibt sich nochmals eine Darstellung der Strömungsverhältnisse. Die Fig. 13 zeigt dabei insbesondere eine Einströmung durch die Öffnung 34 sowie eine Strömung durch den Schaufelspitzenspalt 37. Entsprechend zeigen die Fig. 14 und 15 zur Verdeutlichung ein Beispiel eines sich ausbildenden Schaufelspitzenspaltwirbels 41 sowie eines Sekundärströmungswirbels 42.

Bezugszeichenliste:

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk / Kerntriebwerk
11: Lufteinlass
12: Fan
13: Mitteldruckkompressor (Verdichter)
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammern
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenrotorschaufeln
26: Kompressortrommel oder -scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslasskonus
29: Schaufelprofil (unter dem Winglet bei ca. 90% Schaufelhöhe)
30: Überhang / Winglet
31: Kreis (mit maximalem in das Schaufelprofil einbeschreibbaren Durchmesser)
32: Hinterkantenkreis
33: Dichtkante
34: Öffnung der Dichtkante
35: Tangente an der Dichtkante
36: Radialenvektor an der Dichtkante
37: Schaufelspitzenspalt
38: Kontur des saugseitigen Überhangs
39: Kontur des druckseitigen Überhangs
40: Gehäuseendwand des Turbinenrotors
41: Schaufelspitzenspaltwirbel
42: Sekundärströmungswirbel
DS: Druckseite
SS: Saugseite
LE: Staupunkt an der Schaufelvorderkante
TE: Schnittpunkt der saug- bzw. druckseitigen Profillinie mit dem Hinterkantenkreis
b: Breite der Dichtkante
d: Höhe der Dichtkante
h: Höhe des Überhangs (Winglet)
R: Verrundungsradien zwischen Überhang (Winglet) und Schaufelprofil
s: Lauflänge
t: Höhe des Schaufelspitzenspaltes
T_max: maximale Schaufelprofildicke
T_w: Überhang (Winglet) -Größe
T_w,max: maximale Überhang (Winglet) -Größe

Claims

Turbinenrotorschaufel einer Gasturbine mit einer Schaufelspitze, wobei die Schaufelspitze zumindest an ihrer Saugseite (SS), ausgehend von einem Staupunkt (LE) an der Schaufelvorderkante bis zu einem Schnittpunkt (TE_SS) der saugseitigen Profillinie der Schaufel (24) mit einem Hinterkantenkreis (32) einen Überhang (30) aufweist, welcher an der Schaufelvorderkante und an der Schaufelhinterkante im Wesentlichen Null beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhang (30) seinen Maximalwert (T_w,max) im wesentlichen bei einer Lauflänge von s=0.4 erreicht und zwischen einer Lauflänge von 0.5<=s<=0.7 einen Rückgang des Überhangs von im Wesentlichen 0.8T_w,max auf 0.2 T_w,max aufweist.
Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitze an ihrer Druckseite (DS), ausgehend von einem Staupunkt (LE) an der Schaufelvorderkante bis zu einem Schnittpunkt (TE_DS) der druckseitigen Profillinie der Schaufel (24) mit einem Hinterkantenkreis (32) einen Überhang (30) aufweist, welcher am Staupunkt (LE) und am Schnittpunkt (TE_DS) im Wesentlichen Null beträgt und welcher einen Maximalwert bei etwa einer Lauflänge (s) von 20 % bis 60 % der Lauflänge (s) des druckseitigen Überhangs (30) aufweist.
Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Randbereich der Schaufel (24) eine umlaufende Dichtkante (33) ausgebildet ist.
Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtkante (33) im Bereich des saugseitigen Überhangs (30) zwischen einer Lauflänge (s) von 10 % und 30 % eine verringerte oder auf einen Wert von Null reduzierte Höhe (d) aufweist.
Turbinenrotorschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Höhe (d) der Dichtkante (33) eine Öffnung (34) ausbildet, welche sich zwischen 10 % und 30 % der Lauflänge (s) der Dichtkante (33) erstreckt.
Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtkante (33) eine radiale Höhe (d) von 0,5t≤d≤3t aufweist, wobei t der im Betrieb vorgesehene Schaufelspitzenspalt (37) ist und/oder dass die Dichtkante (33) eine Breite (b) von 3t≤b≤6t aufweist.
Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Überhangs (30) maximal 10 %, bevorzugt 5 % der radialen Länge des Schaufelprofils (29) beträgt.
Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Schaufelprofil (29) zu dem Überhang (30) abgerundet ausgebildet ist.
Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (β) zwischen einer Tangente (35) an der äußeren Kante des Überhangs (30) und einem in Radialrichtung, bezogen auf eine Triebwerksachse (1) verlaufenden Vektors (36) so ausgebildet ist, dass die Tangente (35) an der Druckseite (DS) von der Schaufel (24) in einem Winkel (β_DS) von 10°≤β_DS≤50° weg gerichtet und an der Saugseite (SS) zwischen 0,1≤s≤0,3 mit einem Winkel (β_SS) von 10°≤β_SS≤50° zu der Schaufel (24) hin gerichtet und zwischen 0,4≤s≤1 mit einem Winkel von 10°≤β_SS≤50° von der Schaufel (24) weg gerichtet ausgebildet ist.
Anordnung mit wenigstens einer Turbinenrotorschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des saugseitigen Überhangs (30) im Wesentlichen im Bereich eines engsten Querschnitts einer Schaufelpassage ausgebildet ist.