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Die
Erfindung betrifft ein Deckbandsegment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 zur Anordnung an einer Schaufel, insbesondere einer Gasturbinenschaufel.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaufel, insbesondere eine
Gasturbinenschaufel, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 13 angegebenen
Art für
eine Strömungsmaschine.
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Ein
derartiges Deckbandsegment sowie eine Schaufel mit einem derartigen
Deckbandsegment sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Das Deckbandsegment, welches an einem radialen Endbereich der Schaufel
angeordnet ist, dient grundsätzlich
zur Dämpfung
von Schaufelschwingungen und wird insbesondere bei Gasturbinenschaufeln
für hintere
Turbinenstufen verwendet. Weiterhin vermindert das Deckbandsegment
die Umströmung
der Schaufelspitze und erhöht
hierdurch den Wirkungsgrad einer zugeordneten Strömungsmaschine.
Die Deckbandsegmente benachbarter Schaufeln eines Rotors bilden
dabei ein durchgehendes Deckband aus. Zur Verringerung von Spannungskonzentrationen
weisen bekannte Deckbandsegmente dabei eine gegenüber einer
Deckbandsegmentoberfläche
erhabene Versteifungsstruktur auf, die üblicherweise als sogenannter „Dogbone” bzw. „Halber
Dogbone” ausgebildet
ist.
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Als
nachteilig an den bekannten Deckbandsegmenten ist dabei der Umstand
anzusehen, dass diese, um eine ausreichende Verringerung von Spannungskonzentrationen
ermöglichen
zu können,
vergleichsweise voluminös
ausgebildet werden müssen. Hierdurch
erhöht
sich das Gesamtgewicht des Deckbandsegments sowie einer mit diesem
versehenen Schaufel erheblich. Dies führt zudem während des Betriebs der Schaufel
in einer zugeordneten Strömungsmaschine
zu hohen bewegten Massen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Deckbandsegment sowie eine
mit einem derartigen Deckbandsegment versehene Schaufel zu schaffen,
welche eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Deckbandsegment mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch
eine Schaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen des Deckbandsegments als vorteilhafte Ausgestaltungen
der Schaufel und umgekehrt anzusehen sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment,
welches eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung
ermöglicht, ist
die Versteifungsstruktur wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet.
Durch die kreuzförmige Gestaltung
kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment signifikant verringert
und die Steifigkeit des Deckbandsegements unter gleichzeitiger Gewichtsoptimierung
verbessert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Versteifungsstruktur wenigstens zwei kreuzförmig angeordnete
Rippen umfasst, deren Hauptachsen in einem vorbestimmten Winkel
zueinander stehen. Dies ermöglicht
eine einfache und gezielte Einstellung des Spannungsniveaus innerhalb
des Deckbandsegments, wobei unterschiedliche Deckbandsegmenttypen
individuell berücksichtigt
werden können.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der jeweilige Winkel
in Abhängigkeit
der jeweiligen Deckbandsegmentgeometrie, des Deckbandsegmentmaterials
und den späteren
Einsatzbedingungen in einer zugeordneten Strömungsmaschine bestimmt wird.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn
die Hauptachsen der Rippen in einem Winkel zwischen 20° und 90° zueinander
stehen. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung
innerhalb des Deckbandsegments bei gleichzeitig hoher Steifigkeit
sichergestellt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Versteifungsstruktur wenigstens
eine Rippe umfasst, welche entlang und/oder senkrecht zu einer Spannungslinie
des Deckbandsegments angeordnet ist. Durch die hiermit erzielte
Steifigkeit im Deckbandsegment wird ein besonders niedriges Spannungsniveau
innerhalb des Deckbandsegments erreicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteifungsstruktur
wenigstens eine Rippe umfasst, welche über ihre Längenerstreckung im Profil eine
konstante und/oder ortsabhängige
Höhe aufweist.
Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Rippen
der Versteifungsstruktur über
ihre jeweilige Längenerstreckung
ein gleichmäßiges und/oder
ein über
ihre jeweilige Längenerstreckung
variierendes Höhenprofil aufweisen,
wodurch eine besonders präzise
Anpassbarkeit der Versteifungsstruktur an die jeweilige Ausgestaltung
des Deckbandsegments und den individuellen Verlauf der Spannungslinien
innerhalb des Deckbandsegments gegeben ist.
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Eine
optimale Anpassbarkeit des Deckbandsegments im Hinblick auf minimales
Gewicht bei maximaler Spannungsverringerung wird in einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht,
dass die wenigstens eine Rippe eine Höhe zwischen 0,1 cm und 10 cm
aufweist.
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Dabei
hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn die Versteifungsstruktur
wenigstens eine Rippe umfasst, welche über ihre Längenerstreckung ein Querschnittsprofil
aufweist, welches in Abhängigkeit
eines Spannungsprofils des Deckbandsegments ohne diese Rippe gewählt ist.
Mit anderen Worten ist das Querschnittsprofil der wenigstens einen
Rippe über
ihre Längenerstreckung
unter Berücksichtigung eines
Spannungsprofils ausgebildet, welches das Deckbandsegment ohne diese
Rippe hätte.
Beispielsweise kann die wenigstens eine Rippe in Bereichen potentiell
hoher Spannungen ein verdicktes Querschnittsprofil aufweisen. Umgekehrt
kann in Bereichen mit potentiell geringer Spannung ein entsprechend
reduziertes Querschnittsprofil vorgesehen sein. Hierdurch kann eine
maximale Spannungsreduzierung bei minimalem Mehrgewicht des Deckbandsegments
erzeugt werden.
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Eine
Steigerung der Dauerfestigkeit des Deckbandsegments ist in weiterer
Ausgestaltung dadurch ermöglicht,
dass die Versteifungsstruktur abgerundete Flächenübergänge zur Deckbandsegmentoberfläche umfasst,
da hierdurch das Auftreten von Kraftspitzen an den Rändern der
Versteifungsstruktur beispielsweise bei Zug- oder Biegebelastungen
des Deckbandsegments zuverlässig
vermieden wird.
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Eine
besonders hohe Steifigkeit des Deckbandsegements bei optimiertem
Gewicht ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass die
Versteifungsstruktur wenigstens einen diskreten Deckbandsegmentoberflächenbereich
seitlich begrenzt. Mit anderen Worten weist das Deckbandsegment eine
Vertiefung auf, welche durch die erhabene Versteifungsstruktur gebildet
wird.
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Eine
besonders gleichmäßige Kraft-
und Spannungsverteilung über
das Deckbandsegment wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt,
dass die Versteifungsstruktur vier und/oder sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche
seitlich begrenzt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Deckbandsegment zwei einander gegenüberliegend angeordnete und
im Längsschnitt
im Wesentlichen Z-förmige Kontaktflächen zur
Anlagerung korrespondierender Kontaktflächen zweier weiterer Deckbandsegmente aufweist.
Hierdurch können
sich benachbarte Schaufeln, die jeweils mit einem derartigen Deckbandsegment
versehen sind, während
des Betriebs einer zugeordneten Strömungsmaschine bzw. eines mit
diesen Schaufeln versehenen Rotors paarweise aneinander abstützen, wodurch
ein mechanisch besonders stabiles Deckband ermöglicht wird. Ein unerwünschtes
Verbiegen oder Verdrehen der Schaufeln wird hierdurch ebenfalls
minimiert.
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Eine
besonders hohe Steifigkeit wird in weiterer Ausgestaltung dadurch
erzielt, dass die Versteifungsstruktur wenigstens eine Rippe umfasst,
welche sich zwischen den beiden Kontaktflächen erstreckt. Dabei kann
insbesondere vorgesehen sein, dass sich die Rippe zwischen einander
entsprechenden Eckbereichen der beiden Z-förmigen Kontaktflächen erstreckt,
da an diesen Ecken üblicherweise
besonders große
Spannungskonzentrationen auftreten können.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaufel, insbesondere
eine Gasturbinenschaufel, für
eine Strömungsmaschine,
mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel angeordneten Deckbandsegment,
welches eine gegenüber
einer Deckbandsegmentoberfläche
erhabene Versteifungsstruktur aufweist. Eine Gewichtsreduzierung der
Schaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung wird dabei
erfindungsgemäß dadurch
ermöglicht,
dass die Versteifungsstruktur wenigstens bereichsweise kreuzförmig ausgebildet
ist. Durch die kreuzförmige
Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment signifikant
verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegements unter gleichzeitiger
Gewichtsoptimierung verbessert werden.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Deckbandsegment gemäß einem
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden
Beschreibungen zu entnehmen.
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Eine
besonderes hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit der Schaufel
wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass das Deckbandsegment
einteilig mit der Schaufel ausgebildet ist. Obwohl das Deckbandsegment
und die Schaufel grundsätzlich
auch zwei- oder mehrteilig ausgebildet und auf geeignete Weise gefügt sein
können,
kann bei einer einteiligen Ausführung
zudem auf den ansonsten notwendigen Montageschritt verzichtet werden,
wodurch entsprechende Kostensenkungen gegeben sind.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere
thermische Gasturbine, mit einem Rotor, welcher wenigstens eine
Schaufel mit einem an einem radialen Endbereich der Schaufel angeordneten
Deckbandsegment umfasst, wobei das Deckband segment eine gegenüber einer
Deckbandsegmentoberfläche
erhabene Versteifungsstruktur aufweist. Dabei wird eine Gewichtsreduzierung
der wenigstens einen Schaufel bei gleichzeitig guter Spannungsreduzierung
erfindungsgemäß dadurch
ermöglicht,
dass das Deckbandsegment und/oder die Schaufel gemäß einem
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
ausgebildet ist. Hierdurch wird entsprechend das Gewicht des Rotors
bzw. der gesamten Strömungsmaschine
bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Belastbarkeit optimiert, wodurch
sich verlängerte
Wartungszyklen realisieren lassen. Vorzugsweise sind alle Deckbandsegmente
und/oder Schaufeln des Rotors gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele
ausgebildet, um eine maximale Gewichts- und Spannungsreduzierung
zu erzielen. Zudem ist hierdurch im Betrieb der Strömungsmaschine
die bewegte Masse entsprechend reduziert, wodurch sich weitere Vorteile
insbesondere im Hinblick auf Treibstoffeinsparungen ergeben.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den
Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in den Ausführungsbeispielen
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Aufsicht und eine seitliche Schnittansicht eines aus
dem Stand der Technik bekannten Deckbandsegments mit einer Versteifungsstruktur;
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2 eine
schematische Aufsicht und eine seitliche Schnittansicht eines aus
dem Stand der Technik bekannten Deckbandsegments mit einer alternativen
Versteifungsstruktur;
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3 eine
schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment,
welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
aufweist;
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4 eine
schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment,
welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
aufweist;
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5 eine
schematische, ausschnittsweise und transparente Perspektivaufsicht
der in 4 gezeigten Schaufel; und
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6 eine
schematische und ausschnittsweise Drahtgitteransicht einer Rückseite
einer erfindungsgemäßen Schaufel
mit einem Deckbandsegment, welches eine Versteifungsstruktur gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
aufweist.
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1 zeigt
eine schematische Aufsicht eines aus dem Stand der Technik bekannten
Deckbandsegments 10 zur Anordnung an einer Schaufel 12 (s. 3)
sowie eine seitliche Schnittansicht des Deckbandsegments 10 entlang
der Schnittlinie I-I. Das Deckbandsegment 10 weist eine
gegenüber
einer Deckbandsegmentoberfläche 14 erhabene
Versteifungsstruktur 16 auf, welche – wie aus der Aufsicht erkennbar
ist – im
Wesentlichen knochenförmig ausgebildet
ist und daher als „Dogbone” bezeichnet wird.
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2 zeigt
eine schematische Aufsicht eines aus dem Stand der Technik bekannten
Deckbandsegments 10 zur Anordnung an einer Schaufel 12 (s. 3)
sowie eine seitliche Schnittansicht des Deckbandsegments 10 entlang
der Schnittlinie I-I. Das Deckbandsegment 10 weist im Vergleich
zum in 1 gezeigten Deckbandsegment 10 eine alternative
Versteifungsstruktur 16 auf, welche zu einer Seite hin
abflacht und daher als „Half-Dogbone” bezeichnet
wird.
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Die
beiden in 1 und 2 gezeigten Deckbandsegmente 10 besitzen
den Nachteil, dass ihre Versteifungsstrukturen 16 vergleichsweise
voluminös
ausgebildet werden müssen,
um eine ausreichende Verringerung der Spannungskonzentrationen im
Deckbandsegment 10 gewährleisten
zu können. Hierdurch
erhöht
sich das Gewicht der Deckbandsegmente 10 sowie einer mit
einem derartigen Deckbandsegment 10 verbundenen Schaufel 12.
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3 zeigt
eine schematische Perspektivaufsicht einer als Gasturbinenschaufel
für eine
Strömungsmaschine
ausgebildeten Schaufel 12 mit einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20,
welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
aufweist. Die Versteifungsstruktur 22 ist ebenfalls erhaben
gegenüber
einer Deckbandsegmentoberfläche 24 des
Deckbandsegments 20 ausgebildet, jedoch im Unterschied
zu den in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen bereichsweise
kreuzförmig
ausgebildet. Durch die kreuzförmige
Gestaltung kann die Spannungskonzentration im Deckbandsegment 20 signifikant
verringert und die Steifigkeit des Deckbandsegements 20 unter
gleichzeitiger Gewichtsoptimierung erheblich verbessert werden.
Die Versteifungsstruktur 22 umfasst vorliegend zwei kreuzförmig angeordnete
Rippen 26, deren Hauptachsen H1, H2 in einem vorbestimmten
Winkel α zueinander
stehen und welche über
ihre Längenerstreckung
im Profil eine konstante Höhe
aufweisen. Zusätzlich
sind die beiden Rippen 26 entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien
des Deckbandsegments 20 angeordnet. Hierdurch wird eine
besonders effiziente Reuzierung des Spannungsniveaus des Deckbandsegments 20 erzielt. Durch
die Höhe
der Rippen 26 und des Winkels α zwischen den Hauptachsen H1,
H2 der Rippen 26 kann somit das Spannungsniveau exakt eingestellt werden.
Der Winkel α und
der Profilverlauf der Rippen 26, insbesondere ihre Höhe, müssen dabei
individuell für
jeden Deckbandsegmenttyp in Abhängigkeit
der jeweiligen Spannungslinien, die ohne die Versteifungsstruktur 22 auftreten
würden,
ermittelt werden.
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Das
Deckbandsegment 20 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegend
angeordnete und im Längsschnitt
im Wesentlichen Z-förmige
Kontaktflächen 28 (Z-Shroud)
zur Anlagerung korrespondierender Kontaktflächen zweier weiterer Deckbandsegmente
(nicht gezeigt) auf. Eine der Rippen 26 erstreckt sich
dabei zwischen Ecken III der beiden Z-förmigen Kontaktflächen 28,
wodurch eine besonders hohe Spannungsreduzierung in anderenfalls stark
spannungsbelasteten Bereichen des Deckbandsegments 20 erzielt
wird.
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Zusätzlich zu
den Rippen 26 ist die Versteifungsstruktur 22 derart
ausgebildet, dass sie vier diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 seitlich
begrenzt. Die Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 bilden
mit anderen Worten die Bodenflächen
von vier Vertiefungen, während
die Versteifungsstruktur 22 und ihre Rippen 26 die
Seitenwände der
Vertiefungen bilden.
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Die
Versteifungsstruktur 22 kann grundsätzlich durch Trennverfahren
aus einem Deckbandsegmentrohling erzeugt werden. Alternativ kann
das Deckbandsegment 20 – gegebenenfalls einteilig
mit einer Schaufel 12 – mit
Hilfe von Gießverfahren,
insbesondere Feingießverfahren,
oder generativen Verfahren hergestellt werden.
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4 zeigt
eine schematische Perspektivaufsicht einer Schaufel 12 mit
einem erfindungsgemäßen Deckbandsegment 20,
welches eine Versteifungsstruktur 22 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
aufweist. 4 wird im Folgenden in Zusammenschau
mit 5 erläutert
werden, welche eine schematische, ausschnittsweise und transparente Perspektivaufsicht
der in 4 gezeigten Schaufel 12 zeigt. Im Unterschied
zum in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die
Versteifungsstruktur 22 drei Rippen 26a–c, die
jeweils paarweise kreuzförmig
angeordnet sind und ebenfalls entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien
des Deckbandsegments 20 verlaufen. Der Winkel α zwischen
der Hauptachse H (nicht dargestellt) der Rippe 26c und der
Hauptachse H der Rippe 26a sowie der Winkel α zwischen
der Hauptachse H der Rippe 26c und der Hauptachse H der
Rippe 26b sind vorliegend gleich gewählt, so dass die Hauptachsen
H der Rippen 26a, 26b parallel zueinander verlaufen.
Aufgrund der zusätzlichen
Rippe 26b begrenzt die Versteifungsstruktur 22 nunmehr
sechs diskrete Deckbandsegmentoberflächenbereiche 24 seitlich.
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6 zeigt
schließlich
eine schematische und ausschnittsweise Drahtgitteransicht einer
Rückseite
einer erfindungsgemäßen Schaufel 12,
welche einteilig mit einem Deckbandsegment 20 ausgebildet ist.
Das Deckbandsegment 20 weist seinerseits eine Versteifungs struktur 22 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
auf. Die Versteifungsstruktur 22 umfasst wie im ersten
Ausführungsbeispiel
zwei kreuzförmig
angeordnete Rippen 26. Die Rippen 26 sind ebenfalls
entlang bzw. senkrecht zu Spannungslinien des Deckbandsegments 20 angeordnet,
wobei nur eine der Rippen 26 erkennbar ist. Die Winkel α zwischen
den Hauptachsen H der Rippen 26 sowie Höhe bzw. der Profilverlauf der
Rippen 26 ist wiederum in Abhängigkeit des Spannungsniveaus
des Deckbandsegments ohne diese Rippen 26 gewählt.
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Die
in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von
Prozess- und Messbedingungen für
die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands
sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von
Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und
dergleichen – als vom
Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.