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EP2090751A1 - Rotor blade for a turbo engine - Google Patents

Rotor blade for a turbo engine Download PDF

Info

Publication number
EP2090751A1
EP2090751A1 EP08002849A EP08002849A EP2090751A1 EP 2090751 A1 EP2090751 A1 EP 2090751A1 EP 08002849 A EP08002849 A EP 08002849A EP 08002849 A EP08002849 A EP 08002849A EP 2090751 A1 EP2090751 A1 EP 2090751A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
rotor
end faces
teeth
blade root
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08002849A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08002849A priority Critical patent/EP2090751A1/en
Priority to PCT/EP2008/067741 priority patent/WO2009100795A1/en
Publication of EP2090751A1 publication Critical patent/EP2090751A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved

Definitions

  • the invention relates to a blade for a turbomachine, with a blade root, at its upper side adjoined by a working fluid aerodynamically curved blade, wherein the blade foot along a longitudinal extent between two end sides rectilinearly and the two end sides laterally connecting side walls each at least one extending along the longitudinal extension extending and extending transversely thereof tooth for positive attachment to a rotor.
  • Blades for turbomachinery with a hammer-shaped or fir tree-shaped blade root seen in cross-section have long been known from the state of the art.
  • Each of these blade feet comprises two side walls connecting the two end sides laterally, on which - depending on the cross-sectional shape - each one or more, along the longitudinal extent and transversely protruding tooth resp. Teeth is or are arranged.
  • each side wall comprises only one protruding tooth.
  • each side wall comprises two or more adjacent teeth.
  • the rectilinear blade root Based on the mounting position of the blade in a rotor of the turbomachine with a machine axis, the rectilinear blade root extends along it.
  • the teeth protrude transversely therefrom with respect to an imaginary sidewall plane of the blade root, which is spanned by the machine axis radial direction and an axially extending auxiliary axis, and are provided with a plurality of teeth on a side wall of the blade root relative to the blade root Machine axis - spaced apart in the radial direction.
  • the object underlying the invention is achieved in that the teeth of the blade root are curved along the straight longitudinal extent of the blade root.
  • the teeth are arched toward the top and have along their longitudinal extent a substantially constant tooth height.
  • the tooth height is determined by the vertical distance from an imaginary side wall level to the tooth tip.
  • the retaining grooves comprise, in addition to a groove base, two lateral groove flanks in which pockets corresponding to the teeth of the blade roots are provided, in which the teeth generally engage in a form-fitting manner when the blade is inserted into the retaining groove.
  • the contact surface against which the blade rests under the action of centrifugal force in the retaining groove can be increased in relation to non-curved teeth.
  • the contact area between the blade and the rotor is increased by the proposed curvature.
  • the centrifugal force acting on the blade during operation of the turbomachine can thus be absorbed by a larger contact surface, which leads to lower bearing stresses in the rotor material surrounding the blade root.
  • the load perpendicular to the contact surface thus has both a - relative to the machines of the rotor - axial and radial component, resulting in a lower CF load (cycle fatigue).
  • the curvature of the teeth also leads to a shift of the center of gravity of the blade to the machine axis.
  • the curvatures of the teeth and the underside follow in each case a circular arc, wherein the respective centers of the different circular arcs coincide in one point.
  • the blade is the blade of the last turbine stage of a gas turbine or steam turbine, this can also be removed from the rotor when the housing of the corresponding turbine is closed. All that is required for this is that the exhaust gas diffuser, which usually adjoins the last turbine stage of a turbine, is accessible to an installer and the rotor blade can not be removed counter to the flow direction of the working medium, but rather in the direction of flow.
  • the teeth are arched along their longitudinal extension to the upper side.
  • an underside of the blade root connecting the two end faces is arched over at least 80% of its longitudinal extent to an identical extent as the teeth.
  • the blade root on one of the two end faces on a connecting the two end faces underside extending to the top first foot height, which first foot height is different from the correspondingly determined second foot height of the other of the two end faces.
  • the blade root has an identical at both end sides, in each case from a bottom connecting the two end sides to the top extending foot height.
  • the shaft collar may be formed by a rotor disk or by a shaft portion.
  • the width of the teeth and / or the height of the teeth diverges along their longitudinal extension, an axial securing of the blade against displacement along the retaining groove can be achieved by the use of curved teeth on a rectilinear blade root, thereby further constructive effort can be avoided.
  • a rotor blade 10 according to the invention for a turbomachine is in FIG. 1 in a side view and in FIG. 2 shown in a front view according to a first embodiment.
  • the blade 10 is preferably designed as a turbine blade of a steam turbine or a gas turbine. Of course, it can also be the moving blade of a compressor.
  • the generally cast, one-piece blade 10 includes an aerodynamically curved blade 12, which is flowed around by a working fluid in a turbomachine when operating.
  • a platform 16 connects as part of a blade root 14.
  • the platform 16 also has, as part of the blade root 14, its upper side 18, on which the blade leaf 12 adjoins.
  • the blade root 14 further comprises two flat, opposite end faces 20, 21, between which the blade root 14 extends in a straight line.
  • the two opposite end faces 20, 21 are connected laterally by two likewise opposite side walls 22. Furthermore, the two opposite end faces 20, 21 are connected by an underside 24 of the blade root 14.
  • FIG. 2 shown rotor blade 10 is, as the front view shows, formed fir-tree-shaped, so that each of the two side walls 22 each comprise two spaced-apart teeth 28, 30.
  • the teeth 28, 30 extend over the longitudinal extent of the blade root 14 from the first end face 20 to the second end face 21. Both the bottom 24 as The teeth 28, 30 also bulge along their longitudinal extent from the first end face 20 to the second end face 21.
  • the reference numeral 46 the machine axis is provided, wherein the representation of the blade 10 in FIG. 1 takes place, as it is later arranged in the installed state to the machine axis 46 opposite.
  • the machine axis 46 is identical to the axis of rotation of the rotor.
  • the side walls 22 connecting the two end faces 20, 21 can also be understood as imaginary sidewall planes 26, 29, which side wall planes 26, 29 can be clamped, for example, by a radius of the machine axis 46 and an auxiliary axis extending in the axial direction. Other lying, thereby not significantly tilted reference levels are also conceivable. Under the height H of each tooth 28, 30, the vertical distance between the associated side wall plane 26, respectively. 29 and the farthest point of the outer contour of the corresponding tooth 28, 30 understood.
  • a width B of the teeth 28, 30 is determined by the distance of the crossing points 33, 35, which arise (in a cross-sectional or front view) by the intersection of the side wall plane (or a parallel plane thereto) with the contours of the teeth 28, 30th ,
  • Both the first end face 20 and the second end face 21 have a foot height 23, 25.
  • the foot height 23, 25 is detected in each case frontally between the top 18 and the bottom 24.
  • the foot height 23 of the first end face 20 is smaller than the foot height 25 of the second end face 21.
  • the curvature of the bottom 24 is circular arc-shaped with a first radius R1.
  • the curvature of the first teeth 28 have a radius R2, the curvature of the second teeth 30 have a radius R3.
  • the centers of the radii R1, R2, R3 lie on a point 27th
  • FIG. 5 shows in perspective a section of a rotor disk 40 which is formed as part of the rotor of a turbomachine.
  • the rotor disk 40 has a retaining groove 42, which is suitable for receiving the rotor blade 10 according to the first embodiment.
  • the retaining groove 42 is formed in the plan view in a manner corresponding to the blade root 14 of the blade 10 fir-tree-shaped.
  • the retaining groove 42 at the mutually opposite groove flanks 44, whose groove flank planes can be defined in an analogous manner to the sidewall planes, each two along the and tangential to the axis of rotation 46 extending groove-shaped pockets 48, 50, in which the correspondingly formed teeth 28, 30 of the blade root 14 can be used positively.
  • the teeth 28, 30 engage behind the pockets 48, 50 formed claws 49, 51, so that under centrifugal force, the blade 10 can be held securely radially from these.
  • the assembly of the rotor blade 10 according to the first embodiment in the retaining groove 42 of the rotor disk 40 takes place in such a way that the second end face 21 in the according to FIG. 5 front end opening 52 of the retaining groove 42 is inserted and is displaced by a subsequent pivoting movement to the rear opening 54 of the retaining groove 52 until the first end face 20, the front opening 52 and the second end face 21, the rear opening 54 closes.
  • the height H of the teeth 28, 30 and accordingly also the corresponding height of the pockets 48, 50 and / or the width B of the teeth 28, 30 and the width B corresponding width of the pockets 48, 50 may additionally divergent in the axial direction of the rotor run so that in the pivoting a self-clamping effect can be achieved.
  • an additional device for securing the blade 10 can be dispensed with against a further axial displacement, which would otherwise be required at the same width B of the teeth 28, 30 and constant height H of the teeth 28, 30 in the axial direction.
  • the end faces 20, 21 of the blade root 14 are in accordance with FIG. 3 the same height. Consequently, they have an identical foot height 23, 25 between top 18 and bottom 24.
  • the along the longitudinal extension extending teeth 28, 30 are curved to the top 18 of the blade root 14 out. This results in that the front ends 32 of the teeth 28, 30 are further away from the upper side 18 of the blade root 14 than the central portion 34 thereof.
  • the underside 24 of the blade root is forcibly curved to the same extent as the teeth 28 arranged on the side walls 22 , 30, so that the blade 10 is mountable.
  • the teeth 28, 30 may be in a in FIG. 6 shown retaining groove 42 of a rotor disk 40 are used.
  • the retaining groove 42 is for this purpose curved along its longitudinal extent in the direction of the machine axis 46 in a manner corresponding to the teeth 28, 30.
  • the measure provides for a blade 10 with a rectilinear, in cross-section hammer-shaped or fir tree-shaped blade root 14, that the hammer shape or the Christmas tree forming teeth 28, 30 of the blade root 14, which at its likewise in the longitudinal direction rectilinear side walls 22 are provided, between the end faces 20, 21 of the blade root 14 extend curved to increase when installed in the rotor state that contact surface 56 between the blade root 14 and rotor on which the blade 14 is applied under centrifugal force.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer einer Laufschaufel (10). Die Maßnahme sieht für eine Laufschaufel (10) mit einem geradlinigen, im Querschnitt hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Laufschaufelfuß (14) vor, dass die die Hammerform bzw. die Tannenbaumform bildenden Zähne (28, 30) des Schaufelfußes (14), welche an dessen ebenfalls in Längserstreckung geradlinigen Seitenwänden (22) vorgesehen sind, zwischen den Stirnseiten (20, 21) des Schaufelfußes (14) sich gewölbt erstrecken, um bei im Rotor eingebauten Zustand diejenige Kontaktfläche (56) zwischen Laufschaufelfuß (14) und Rotor zu vergrößern, an der die Laufschaufel (14) unter Fliehkraft anliegt.The invention relates to a measure for extending the life of a blade (10). The measure provides for a blade (10) with a rectilinear, in cross-section hammer-shaped or fir tree-shaped blade root (14), that the hammer shape or the Christmas tree forming teeth (28, 30) of the blade root (14), which at the also in Longitudinally extending rectilinear side walls (22) are provided, between the end faces (20, 21) of the blade root (14) extend arched to increase when installed in the rotor state, that contact surface (56) between the blade root (14) and rotor at which the Blade (14) under centrifugal force is applied.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Turbomaschine, mit einem Laufschaufelfuß, an dessen Oberseite sich ein von einem Arbeitsmedium umströmbares aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt anschließt, wobei der Laufschaufelfuß sich entlang einer Längserstreckung zwischen zwei Stirnseiten geradlinig erstreckt und dessen die beiden Stirnseiten seitlich verbindenden Seitenwänden jeweils mindestens ein sich entlang der Längserstreckung erstreckender und quer davon abstehender Zahn zur formschlüssigen Befestigung an einen Rotor umfassen.The invention relates to a blade for a turbomachine, with a blade root, at its upper side adjoined by a working fluid aerodynamically curved blade, wherein the blade foot along a longitudinal extent between two end sides rectilinearly and the two end sides laterally connecting side walls each at least one extending along the longitudinal extension extending and extending transversely thereof tooth for positive attachment to a rotor.

Aus dem Stand der Technik sind längst Laufschaufeln für Turbomaschinen mit einem im Querschnitt gesehen hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Schaufelfuß bekannt. Jeder dieser Laufschaufelfüße umfasst zwei die beiden Stirnseiten seitlich verbindende Seitenwände, an denen - je nach Querschnittsform - jeweils ein oder mehrere, sich entlang der Längserstreckung und quer dazu abstehender Zahn resp. Zähne angeordnet ist bzw. sind. Bei Laufschaufeln mit einem im Querschnitt hammerförmigen Schaufelfuß umfasst jede Seitenwand lediglich einen vorstehenden Zahn. Bei Laufschaufeln mit einem im Querschnitt gesehen tannenbaumförmigen Fuß umfasst jede Seitenwand zwei oder mehr einander benachbarte Zähne. Bezogen auf die Einbaulage der Laufschaufel in einem Rotor der Turbomaschine mit einer Maschinenachse, erstreckt sich der geradlinige Schaufelfuß entlang dieser. Die Zähne ragen - in Bezug auf eine gedachte Seitenwandebene des Schaufelfußes, welche von der Radialrichtung der Maschinenachse und einer sich in Axialrichtung erstreckenden Hilfsachse aufgespannt wird - quer von dieser ab und sind, bei vorhanden Sein mehrer Zähne an einer Seitenwand des Schaufelfußes - bezogen auf die Maschinenachse - in Radialrichtung zueinander beabstandet.Blades for turbomachinery with a hammer-shaped or fir tree-shaped blade root seen in cross-section have long been known from the state of the art. Each of these blade feet comprises two side walls connecting the two end sides laterally, on which - depending on the cross-sectional shape - each one or more, along the longitudinal extent and transversely protruding tooth resp. Teeth is or are arranged. In blades with a cross-sectionally hammer-shaped blade root, each side wall comprises only one protruding tooth. In blades with a cross-section fir tree-shaped foot, each side wall comprises two or more adjacent teeth. Based on the mounting position of the blade in a rotor of the turbomachine with a machine axis, the rectilinear blade root extends along it. The teeth protrude transversely therefrom with respect to an imaginary sidewall plane of the blade root, which is spanned by the machine axis radial direction and an axially extending auxiliary axis, and are provided with a plurality of teeth on a side wall of the blade root relative to the blade root Machine axis - spaced apart in the radial direction.

Ferner sind aus dem Stand der Technik Laufschaufeln von Dampfturbinen bekannt, deren Schaufelfüße entlang ihrer zwischen den beiden Stirnseiten vorhandenen Längserstreckung - also entlang der Maschinenachse - gleichmäßig gekrümmt verlaufen.Furthermore, from the prior art blades of steam turbines are known, the blade roots along their existing between the two end faces longitudinal extent - ie along the machine axis - evenly curved.

Jede der bekannten Schaufelfußgeometrien begrenzt prinzipiell die Lebensdauer der Laufschaufel, welche dann nach Ablauf der maximal zulässigen Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Es ist daher ein stetiges Bestreben und Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die maximale Lebensdauer von Laufschaufeln einer Turbomaschine zu verlängern.Each of the known Schaufelfußgeometrien limits in principle the life of the blade, which then has to be replaced after the maximum allowable life. It is therefore a continuing object and object of the present invention to extend the maximum life of blades of a turbomachine.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zähne des Schaufelfußes entlang der geradlinigen Längserstreckung des Schaufelfußes gewölbt sind. Vorzugsweise sind die Zähne zur Oberseite hin gewölbt und weisen entlang ihrer Längserstreckung eine im Wesentlichen konstante Zahnhöhe auf. Die Zahnhöhe bestimmt sich durch den senkrechten Abstand von einer gedachten Seitenwandebene bis zur Zahnspitze.The object underlying the invention is achieved in that the teeth of the blade root are curved along the straight longitudinal extent of the blade root. Preferably, the teeth are arched toward the top and have along their longitudinal extent a substantially constant tooth height. The tooth height is determined by the vertical distance from an imaginary side wall level to the tooth tip.

Zur Befestigung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel weist der der Aufgabe zugrunde liegende Rotor einen Wellenbund auf, in dem sich in Axialrichtung erstreckende Haltenuten zur Aufnahme von Laufschaufeln vorgesehen sind, welche - im Querschnitt gesehen - hammerförmig oder tannenbaumförmig ausgebildet sind, wobei die Haltenuten korrespondierend zu den Schaufelfüßen von erfindungsgemäßen Laufschaufeln ausgebildet sind. Die Haltenuten umfassen neben einem Nutgrund zwei seitliche Nutflanken, in denen zu den Zähnen der Schaufelfüße korrespondierende Taschen vorgesehen sind, in welche die Zähne in der Regel formschlüssig eingreifen, wenn die Laufschaufel in der Haltenut eingesetzt ist. Durch die Wölbung der Zähne und der zwangsweise korrespondieren Taschen kann die Kontaktfläche, an der die Laufschaufel unter Fliehkrafteinwirkung in der Haltenut anliegt, in Bezug auf nicht gewölbte Zähne vergrößert werden. Die Kontaktfläche zwischen der Laufschaufel und dem Rotor wird durch die vorgeschlagene Krümmung vergrößert. Die beim Betrieb der Turbomaschine auf die Laufschaufel wirkende Fliehkraft kann somit von einer größeren Kontaktfläche aufgenommen werden, was zu geringeren Auflagerspannungen im den Schaufelfuß umgebenden Rotormaterial führt. Die Belastung senkrecht zur Kontaktfläche hat somit sowohl eine - bezogen auf die Maschinen des Rotors - axiale als auch radiale Komponente, was zu einer geringeren CF-Belastung (Cycle Fatigue) führt.To attach a blade according to the invention, the rotor on which the object is based on a shaft collar in which axially extending retaining grooves for receiving blades are provided, which - seen in cross-section - hammer-shaped or fir-tree-shaped, wherein the retaining grooves corresponding to the blade roots of Blades according to the invention are formed. The retaining grooves comprise, in addition to a groove base, two lateral groove flanks in which pockets corresponding to the teeth of the blade roots are provided, in which the teeth generally engage in a form-fitting manner when the blade is inserted into the retaining groove. Due to the curvature of the teeth and the compulsorily corresponding pockets, the contact surface against which the blade rests under the action of centrifugal force in the retaining groove can be increased in relation to non-curved teeth. The contact area between the blade and the rotor is increased by the proposed curvature. The centrifugal force acting on the blade during operation of the turbomachine can thus be absorbed by a larger contact surface, which leads to lower bearing stresses in the rotor material surrounding the blade root. The load perpendicular to the contact surface thus has both a - relative to the machines of the rotor - axial and radial component, resulting in a lower CF load (cycle fatigue).

Auch führt die Krümmung der Zähne zu einer Verschiebung des Schwerpunktes der Laufschaufel zur Maschinenachse. Die Wölbungen der Zähne und der Unterseite folgen dabei jeweils einem Kreisbogen, wobei die jeweiligen Mittelpunkte der unterschiedlichen Kreisbögen in einem Punkt zusammenfallen. Für den Fall, dass es sich bei der Laufschaufel um die Laufschaufel der letzten Turbinenstufe einer Gasturbine oder Dampfturbine handelt, kann diese auch dann dem Rotor entnommen werden, wenn das Gehäuse der entsprechenden Turbine verschlossen ist. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass der sich üblicherweise an die letzte Turbinenstufe einer Turbine anschließende Abgasdiffusor für einen Monteur zugänglich ist und die Laufschaufel nicht entgegen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums entnehmbar ist, sondern in Strömungsrichtung.The curvature of the teeth also leads to a shift of the center of gravity of the blade to the machine axis. The curvatures of the teeth and the underside follow in each case a circular arc, wherein the respective centers of the different circular arcs coincide in one point. In the event that the blade is the blade of the last turbine stage of a gas turbine or steam turbine, this can also be removed from the rotor when the housing of the corresponding turbine is closed. All that is required for this is that the exhaust gas diffuser, which usually adjoins the last turbine stage of a turbine, is accessible to an installer and the rotor blade can not be removed counter to the flow direction of the working medium, but rather in the direction of flow.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Zähne entlang ihrer Längserstreckung zur Oberseite hin gewölbt. Zweckmäßigerweise ist eine die beiden Stirnseiten verbindende Unterseite des Laufschaufelfußes über zumindest 80% ihrer Längserstreckung in identischem Maße gewölbt wie die Zähne.According to a first advantageous development, the teeth are arched along their longitudinal extension to the upper side. Conveniently, an underside of the blade root connecting the two end faces is arched over at least 80% of its longitudinal extent to an identical extent as the teeth.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Schaufelfuß an einer der beiden Stirnseiten eine sich von einer die beiden Stirnseiten verbindenden Unterseite zur Oberseite erstreckende erste Fußhöhe auf, welche erste Fußhöhe von der entsprechend bestimmten zweiten Fußhöhe der anderen der beiden Stirnseiten unterschiedlich ist.According to a further advantageous embodiment, the blade root on one of the two end faces on a connecting the two end faces underside extending to the top first foot height, which first foot height is different from the correspondingly determined second foot height of the other of the two end faces.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Schaufelfuß eine an beiden Stirnseiten identische sich jeweils von einer die beiden Stirnseiten verbindenden Unterseite zur Oberseite erstreckende Fußhöhe auf. Zweckmäßigerweise kann der Wellenbund von einer Rotorscheibe oder von einem Wellenabschnitt gebildet werden.According to an alternative embodiment of the invention, the blade root has an identical at both end sides, in each case from a bottom connecting the two end sides to the top extending foot height. Conveniently, the shaft collar may be formed by a rotor disk or by a shaft portion.

Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Breite der Zähne und/oder die Höhe der Zähne entlang ihrer Längserstreckung divergiert, kann durch die Verwendung von gekrümmten Zähnen an einem geradlinigen Schaufelfuß eine axiale Sicherung der Laufschaufel gegen Verschieben entlang der Haltenut erreicht werden, wodurch weiterer konstruktiver Aufwand vermieden werden kann.If, according to a further advantageous embodiment, the width of the teeth and / or the height of the teeth diverges along their longitudinal extension, an axial securing of the blade against displacement along the retaining groove can be achieved by the use of curved teeth on a rectilinear blade root, thereby further constructive effort can be avoided.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele, welche in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Weitere Merkmale der Erfindung und weitere Vorzüge sind zudem in der Figurenbeschreibung aufgeführt.The invention will be described below with reference to two embodiments, which are illustrated in the drawing. Further features of the invention and further advantages are also listed in the description of the figures.

Es zeigen:Show it:

FIG 1FIG. 1
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel für eine Turbomaschine in einer ersten Ausgestaltung,1 is a schematic side view of a rotor blade according to the invention for a turbomachine in a first embodiment,
FIG 2FIG. 2
eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel gemäß FIG 1,a front view of a blade according to the invention according to FIG. 1 .
FIG 3FIG. 3
eine erfindungsgemäße Laufschaufel gemäß einer zweiten Ausgestaltung in einer Seitenansicht,a blade according to the invention according to a second embodiment in a side view,
FIG 4FIG. 4
die Laufschaufel gemäß FIG 3 in einer Vorderansicht,the blade according to FIG. 3 in a front view,
FIG 5FIG. 5
einen Ausschnitt aus einer Rotorscheibe mit einer Haltenut zur Aufnahme einer Laufschaufel gemäß der ersten Ausgestaltung unda section of a rotor disk with a holding groove for receiving a blade according to the first embodiment and
FIG 6FIG. 6
den Ausschnitt aus einer Rotorscheibe mit einer Haltenut zur Aufnahme einer Laufschaufel gemäß der zweiten Ausgestaltung.the section of a rotor disc having a holding groove for receiving a blade according to the second embodiment.

Eine erfindungsgemäße Laufschaufel 10 für eine Turbomaschine ist in FIG 1 in einer Seitenansicht und in FIG 2 in einer Vorderansicht gemäß einer ersten Ausgestaltung gezeigt. Die Laufschaufel 10 ist dabei vorzugsweise als Turbinenschaufel einer Dampfturbine oder einer Gasturbine ausgebildet. Sie kann selbstverständlich auch die Laufschaufel eines Verdichters sein. Die in der Regel gegossene, einstückige Laufschaufel 10 umfasst ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 12, welches beim Betrieb in einer Turbomaschine von einem Arbeitsmedium umströmbar ist. An der Wurzel des Schaufelblatts 12 schließt sich als Teil eines Laufschaufelfußes 14 eine Plattform 16 an. Die Plattform 16 weist als Teil des Schaufelfußes 14 ferner dessen Oberseite 18 auf, an welcher sich das Schaufelblatt 12 anschließt. Der Schaufelfuß 14 umfasst ferner zwei ebene, einander gegenüberliegende Stirnseiten 20, 21, zwischen denen sich der Laufschaufelfuß 14 geradlinig erstreckt. Die beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten 20, 21 werden dabei von zwei ebenfalls einander gegenüberliegenden Seitenwänden seitlich 22 verbunden. Ferner werden die beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten 20, 21 von einer Unterseite 24 des Schaufelfußes 14 verbunden. Der Laufschaufelfuß 14 der gemäß FIG 1 resp. FIG 2 dargestellten Laufschaufel 10 ist, wie die Vorderansicht zeigt, tannenbaumförmig ausgebildet, so dass jede der beiden Seitenwänden 22 jeweils zwei zueinander beabstandete Zähne 28, 30 umfasst. Die Zähne 28, 30 erstrecken sich über die Längserstreckung des Schaufelfußes 14 von der ersten Stirnseite 20 zu der zweiten Stirnseite 21. Sowohl die Unterseite 24 als auch die Zähne 28, 30 wölben sich entlang ihrer Längserstreckung von der ersten Stirnseite 20 zur zweiten Stirnseite 21.A rotor blade 10 according to the invention for a turbomachine is in FIG. 1 in a side view and in FIG. 2 shown in a front view according to a first embodiment. The blade 10 is preferably designed as a turbine blade of a steam turbine or a gas turbine. Of course, it can also be the moving blade of a compressor. The generally cast, one-piece blade 10 includes an aerodynamically curved blade 12, which is flowed around by a working fluid in a turbomachine when operating. At the root of the blade 12, a platform 16 connects as part of a blade root 14. The platform 16 also has, as part of the blade root 14, its upper side 18, on which the blade leaf 12 adjoins. The blade root 14 further comprises two flat, opposite end faces 20, 21, between which the blade root 14 extends in a straight line. The two opposite end faces 20, 21 are connected laterally by two likewise opposite side walls 22. Furthermore, the two opposite end faces 20, 21 are connected by an underside 24 of the blade root 14. The blade root 14 according to FIG. 1 respectively. FIG. 2 shown rotor blade 10 is, as the front view shows, formed fir-tree-shaped, so that each of the two side walls 22 each comprise two spaced-apart teeth 28, 30. The teeth 28, 30 extend over the longitudinal extent of the blade root 14 from the first end face 20 to the second end face 21. Both the bottom 24 as The teeth 28, 30 also bulge along their longitudinal extent from the first end face 20 to the second end face 21.

Mit dem Bezugszeichen 46 ist die Maschinenachse versehen, wobei die Darstellung der Laufschaufel 10 in FIG 1 derartig erfolgt, wie sie später in eingebautem Zustand zur Maschinenachse 46 gegenüber angeordnet ist. Die Maschinenachse 46 ist mit der Rotationsachse des Rotors identisch.The reference numeral 46, the machine axis is provided, wherein the representation of the blade 10 in FIG. 1 takes place, as it is later arranged in the installed state to the machine axis 46 opposite. The machine axis 46 is identical to the axis of rotation of the rotor.

Anhand der Vorderansicht werden nachfolgend die Ausmaße der Zähne näher erläutert. Die die beiden Stirnseiten 20, 21 verbindenden Seitenwände 22 können auch als gedachte Seitenwandebenen 26, 29 verstanden werden, welche Seitenwandebenen 26, 29 beispielsweise von einem Radius der Maschinenachse 46 und einer sich in Axialrichtung erstreckenden Hilfsachse aufgespannt werden können. Anders liegende, dabei nicht wesentlich verschwenkte Bezugsebenen sind auch denkbar. Unter der Höhe H eines jeden Zahnes 28, 30 wird der senkrechte Abstand zwischen der zugeordneten Seitenwandebene 26 resp. 29 und der davon am weitesten entfernte Punkt der Außenkontur des entsprechenden Zahnes 28, 30 verstanden. Eine Breite B der Zähne 28, 30 bestimmt sich durch den Abstand der Kreuzungspunkte 33, 35, welche sich (bei einer querschnittsmäßigen oder vorderansichtmäßigen Betrachtung) ergeben durch den Schnitt der Seitenwandebene (oder einer parallelen Ebene dazu) mit den Konturen der Zähne 28, 30.Based on the front view, the dimensions of the teeth are explained in more detail below. The side walls 22 connecting the two end faces 20, 21 can also be understood as imaginary sidewall planes 26, 29, which side wall planes 26, 29 can be clamped, for example, by a radius of the machine axis 46 and an auxiliary axis extending in the axial direction. Other lying, thereby not significantly tilted reference levels are also conceivable. Under the height H of each tooth 28, 30, the vertical distance between the associated side wall plane 26, respectively. 29 and the farthest point of the outer contour of the corresponding tooth 28, 30 understood. A width B of the teeth 28, 30 is determined by the distance of the crossing points 33, 35, which arise (in a cross-sectional or front view) by the intersection of the side wall plane (or a parallel plane thereto) with the contours of the teeth 28, 30th ,

Sowohl die erste Stirnseite 20 als auch die zweite Stirnseite 21 weisen eine Fußhöhe 23, 25 auf. Die Fußhöhe 23, 25 wird jeweils stirnseitig zwischen der Oberseite 18 und der Unterseite 24 erfasst. Die Fußhöhe 23 der ersten Stirnseite 20 ist kleiner ist als die Fußhöhe 25 der zweiten Stirnseite 21. Die Wölbung der Unterseite 24 ist kreisbogenförmig mit einem ersten Radius R1. Die Wölbung der ersten Zähne 28 weisen einen Radius R2 auf, die Wölbung der zweiten Zähne 30 weisen einen Radius R3 auf. Die Mittelpunkte der Radien R1, R2, R3 liegen dabei auf einem Punkt 27.Both the first end face 20 and the second end face 21 have a foot height 23, 25. The foot height 23, 25 is detected in each case frontally between the top 18 and the bottom 24. The foot height 23 of the first end face 20 is smaller than the foot height 25 of the second end face 21. The curvature of the bottom 24 is circular arc-shaped with a first radius R1. The curvature of the first teeth 28 have a radius R2, the curvature of the second teeth 30 have a radius R3. The centers of the radii R1, R2, R3 lie on a point 27th

FIG 5 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus einer Rotorscheibe 40, welche als Teil des Rotors einer Turbomaschine ausgebildet ist. Die Rotorscheibe 40 weist eine Haltenut 42 auf, welche zur Aufnahme der Laufschaufel 10 gemäß der ersten Ausgestaltung geeignet ist. Die Haltenut 42 ist in der Draufsicht in korrespondierender Weise zum Schaufelfuß 14 der Laufschaufel 10 tannenbaumförmig ausgebildet. Somit weist die Haltenut 42 an den einander gegenüberliegenden Nutflanken 44, deren Nutflankenebenen in analoger Weise zu den Seitenwandebenen definiert werden können, jeweils zwei sich entlang der und tangential zur Rotationsachse 46 erstreckende nutenförmige Taschen 48, 50 auf, in welche die korrespondierend ausgebildeten Zähne 28, 30 des Schaufelfußes 14 formschlüssig eingesetzt werden können. Mit anderen Worten: die Zähne 28, 30 hintergreifen durch die Taschen 48, 50 gebildete Klauen 49, 51, so dass unter Fliehkrafteinwirkung die Laufschaufel 10 radial von diesen sicher gehalten werden kann. Die Montage der Laufschaufel 10 gemäß erster Ausgestaltung in die Haltenut 42 der Rotorscheibe 40 erfolgt dabei derartig, dass die zweite Stirnseite 21 in die gemäß FIG 5 vordere stirnseitige Öffnung 52 der Haltenut 42 eingesetzt wird und durch eine anschließende Schwenkbewegung zur rückseitigen Öffnung 54 der Haltenut 52 verschoben wird, bis die erste Stirnseite 20 die vordere Öffnung 52 und die zweite Stirnseite 21 die hintere Öffnung 54 verschließt. FIG. 5 shows in perspective a section of a rotor disk 40 which is formed as part of the rotor of a turbomachine. The rotor disk 40 has a retaining groove 42, which is suitable for receiving the rotor blade 10 according to the first embodiment. The retaining groove 42 is formed in the plan view in a manner corresponding to the blade root 14 of the blade 10 fir-tree-shaped. Thus, the retaining groove 42 at the mutually opposite groove flanks 44, whose groove flank planes can be defined in an analogous manner to the sidewall planes, each two along the and tangential to the axis of rotation 46 extending groove-shaped pockets 48, 50, in which the correspondingly formed teeth 28, 30 of the blade root 14 can be used positively. In other words, the teeth 28, 30 engage behind the pockets 48, 50 formed claws 49, 51, so that under centrifugal force, the blade 10 can be held securely radially from these. The assembly of the rotor blade 10 according to the first embodiment in the retaining groove 42 of the rotor disk 40 takes place in such a way that the second end face 21 in the according to FIG. 5 front end opening 52 of the retaining groove 42 is inserted and is displaced by a subsequent pivoting movement to the rear opening 54 of the retaining groove 52 until the first end face 20, the front opening 52 and the second end face 21, the rear opening 54 closes.

Die Höhe H der Zähne 28, 30 und dementsprechend auch die dazu korrespondierende Höhe der Taschen 48, 50 und/oder die Breite B der Zähne 28, 30 und die zur Breite B korrespondierende Breite der Taschen 48, 50 können zusätzlich divergierend in Axialrichtung des Rotors verlaufen, so dass in Einschwenkrichtung eine selbstklemmende Wirkung erzielt werden kann. Durch die Selbstklemmung kann eine zusätzliche Vorrichtung zur Sicherung der Laufschaufel 10 gegen eine weiterführende axiale Verschiebung entfallen, welche sonst bei in Axialrichtung gleichbleibender Breite B der Zähne 28, 30 und gleichbleibender Höhe H der Zähne 28, 30 erforderlich wäre.The height H of the teeth 28, 30 and accordingly also the corresponding height of the pockets 48, 50 and / or the width B of the teeth 28, 30 and the width B corresponding width of the pockets 48, 50 may additionally divergent in the axial direction of the rotor run so that in the pivoting a self-clamping effect can be achieved. By self-clamping, an additional device for securing the blade 10 can be dispensed with against a further axial displacement, which would otherwise be required at the same width B of the teeth 28, 30 and constant height H of the teeth 28, 30 in the axial direction.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel 10 sind die Stirnseiten 20, 21 des Schaufelfußes 14 gemäß FIG 3 gleich hoch. Sie weisen folglich eine identische Fußhöhe 23, 25 zwischen Oberseite 18 und Unterseite 24 auf. Die entlang der Längserstreckung sich erstreckenden Zähne 28, 30 sind zur Oberseite 18 des Schaufelfußes 14 hin gewölbt. Hierdurch ergibt sich, dass die stirnseitigen Enden 32 der Zähne 28, 30 weiter von der Oberseite 18 des Schaufelfußes 14 entfernt sind als deren mittlerer Abschnitt 34. Die Unterseite 24 des Schaufelfußes ist zwangsweise in gleichem Maße gewölbt wie die an den Seitenwänden 22 angeordneten Zähne 28, 30, damit die Laufschaufel 10 montierbar ist.According to a second embodiment of a turbine blade 10 according to the invention, the end faces 20, 21 of the blade root 14 are in accordance with FIG. 3 the same height. Consequently, they have an identical foot height 23, 25 between top 18 and bottom 24. The along the longitudinal extension extending teeth 28, 30 are curved to the top 18 of the blade root 14 out. This results in that the front ends 32 of the teeth 28, 30 are further away from the upper side 18 of the blade root 14 than the central portion 34 thereof. The underside 24 of the blade root is forcibly curved to the same extent as the teeth 28 arranged on the side walls 22 , 30, so that the blade 10 is mountable.

Die Zähne 28, 30 gemäß der zweiten Ausgestaltung können in eine in FIG 6 dargestellte Haltenut 42 einer Rotorscheibe 40 eingesetzt werden. Die Haltenut 42 ist dazu entlang ihrer Längserstreckung in Richtung der Maschinenachse 46 in zu den Zähne 28, 30 korrespondierender Weise gewölbt.The teeth 28, 30 according to the second embodiment may be in a in FIG. 6 shown retaining groove 42 of a rotor disk 40 are used. The retaining groove 42 is for this purpose curved along its longitudinal extent in the direction of the machine axis 46 in a manner corresponding to the teeth 28, 30.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zähne 28, 30 und der die Zähne 28, 30 aufnehmenden Taschen 48, 50 der Haltenut 42 in der Rotorscheibe 40 kann diejenige, in FIG 5 und FIG 6 fett dargestellte Kontaktfläche 56, zwischen der Rotorscheibe 40 und dem Laufschaufelfuß 14, an welcher die Laufschaufel 10 unter Fliehkraft anliegt, signifikant vergrößert werden. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche 56 kann eine Verringerung der Auflagerbelastung herbeigeführt werden. Die Wölbung vergrößert den Belastungsgradientgrad (stresses gradient level), was insgesamt die Bewertung der LCF-Belastung (low cycle fatigue) verbessert.Due to the inventive design of the teeth 28, 30 and the teeth 28, 30 receiving pockets 48, 50 of the retaining groove 42 in the rotor disk 40, the one, in 5 and FIG. 6 shown in bold face 56, between the rotor disk 40 and the blade root 14, to which the blade 10 is applied under centrifugal force, be significantly increased. By increasing the contact surface 56, a reduction of the Auflagerbelastung can be brought about. The camber increases the stress gradient level, which overall improves the assessment of low cycle fatigue (LCF) stress.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Maßnahme zur Verlängerung der Lebensdauer einer Laufschaufel 10 vorgeschlagen. Die Maßnahme sieht für eine Laufschaufel 10 mit einem geradlinigen, im Querschnitt hammerförmigen oder tannenbaumförmigen Laufschaufelfuß 14 vor, dass die die Hammerform bzw. die Tannenbaumform bildenden Zähne 28, 30 des Schaufelfußes 14, welche an dessen ebenfalls in Längserstreckung geradlinigen Seitenwänden 22 vorgesehen sind, zwischen den Stirnseiten 20, 21 des Schaufelfußes 14 sich gewölbt erstrecken, um bei im Rotor eingebauten Zustand diejenige Kontaktfläche 56 zwischen Laufschaufelfuß 14 und Rotor zu vergrößern, an der die Laufschaufel 14 unter Fliehkraft anliegt.Overall, a measure for extending the life of a blade 10 is proposed with the invention. The measure provides for a blade 10 with a rectilinear, in cross-section hammer-shaped or fir tree-shaped blade root 14, that the hammer shape or the Christmas tree forming teeth 28, 30 of the blade root 14, which at its likewise in the longitudinal direction rectilinear side walls 22 are provided, between the end faces 20, 21 of the blade root 14 extend curved to increase when installed in the rotor state that contact surface 56 between the blade root 14 and rotor on which the blade 14 is applied under centrifugal force.

Claims (8)

Laufschaufel (10) für eine Turbomaschine,
mit einem Laufschaufelfuß (14), an dessen Oberseite (18) sich ein von einem Arbeitsmedium umströmbares aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt (12) anschließt,
wobei der Laufschaufelfuß (14) sich entlang seiner Längserstreckung zwischen zwei Stirnseiten (20, 21) geradlinig erstreckt und dessen die beiden Stirnseiten (20, 21) seitlich verbindenden Seitenwänden (22) jeweils mindestens ein sich entlang der Längserstreckung erstreckender und quer davon abstehender Zahn (28, 30) zur formschlüssigen Befestigung an einem Rotor umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zähne (28, 30) entlang der Längserstreckung gewölbt sind.Blade (10) for a turbomachine,
with a rotor blade root (14), at the upper side (18) of which an aerodynamically curved blade (12) can be flowed around by a working medium,
wherein the blade root (14) extends in a straight line along its longitudinal extent between two end faces (20, 21) and whose side walls (22) laterally connecting the two end faces (20, 21) each have at least one tooth extending along the longitudinal extension and projecting transversely therefrom ( 28, 30) for positive fastening to a rotor,
characterized,
that the teeth (28, 30) are curved along the longitudinal extent. Laufschaufel (10) nach Anspruch 1,
bei der die Zähne (28, 30) zur Oberseite (18) hin gewölbt sind.Blade (10) according to claim 1,
in which the teeth (28, 30) are curved towards the top (18). Laufschaufel (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der eine die beiden Stirnseiten (20, 21) verbindende Unterseite (24) des Laufschaufelfußes (14) über zumindest 80% ihrer Erstreckung in identischem Maße wie die Zähne (28, 30) gewölbt ist.Blade (10) according to claim 1 or 2,
in which an underside (24) of the blade root (14) connecting the two end faces (20, 21) is arched over at least 80% of its extent to an identical extent as the teeth (28, 30). Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Schaufelfuß (14) an einer der beiden Stirnseiten (20, 21) eine sich von einer die beiden Stirnseiten (20) verbindende Unterseite (24) zu der Oberseite (18) erstreckende erste Fußhöhe (23) aufweist, welche erste Fußhöhe (23) von der entsprechend bestimmten zweiten Fußhöhe (25) der anderen der beiden Stirnseiten (21) unterschiedlich ist.Blade (10) according to claim 1, 2 or 3,
in which the blade root (14) has at one of the two end faces (20, 21) a first foot height (23) extending from a lower side (24) connecting the two end faces (20) to the upper side (18); 23) is different from the correspondingly determined second foot level (25) of the other of the two end faces (21). Laufschaufel (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der der Schaufelfuß (14) eine an beiden Stirnseiten (20, 21) identische, sich jeweils von einer die beiden Stirnseiten (20, 21) verbindende Unterseite (24) zu der Oberseite (18) erstreckende Fußhöhe (23, 25) aufweist.Blade (10) according to claim 1, 2 or 3,
in which the blade root (14) has a foot height (23, 25) which is identical to both end faces (20, 21) and which extends in each case from one underside (24) connecting the two end faces (20, 21) to the upper side (18). Rotor für eine Turbomaschine,
mit einem Wellenbund, in dem sich in Axialrichtung erstreckende Haltenuten (42) zur Aufnahme von Laufschaufeln (10) vorgesehen sind, welche im Querschnitt gesehen hammerförmig oder tannenbaumförmig ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Haltenuten (42) korrespondierend zu den Schaufelfüßen (14) von Laufschaufeln (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet sind.Rotor for a turbomachine,
with a shaft collar, in which axially extending retaining grooves (42) for receiving blades (10) are provided, which are seen in cross-section hammer-shaped or fir-tree-shaped,
characterized,
in that the retaining grooves (42) correspond to the blade roots (14) of rotor blades (10) according to one of Claims 1 to 5. Rotor nach Anspruch 6,
welcher Wellenbund an einer Rotorscheibe (40) oder an einem Wellenabschnitt angeordnet ist.Rotor according to claim 6,
which shaft collar is arranged on a rotor disk (40) or on a shaft section. Turbomaschine mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, in welchem Laufschaufeln (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingesetzt sind.Turbomachine with a rotor according to one of claims 6 or 7, in which rotor blades (10) according to one of claims 1 to 5 are used.
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