Turbomaschinenrotor Die Erfindung bezieht sieh auf einen Turbomasehinenrotor, der einen aus einer An zahl von koaxialen, voneinander in Abstand gehaltenen Scheiben zusammengesetzten Ro- torkörper und einen Kranz von radialen, am t mfang dieses Rotorkörpers befestigten und aus kerb@empfindliehem Material hergestellten fiehaufeln aufweist.
Solche Sehaufeln weisen üblieherweise ein Blatt mit Tragflächenprofil und einen Fussteil ziuf, der eine besondere Form hat und in einer entspreehend geformten Ausnehmung des Ro- torkörpers verankert ist. Es hat. sieh gezeigt, class die Tannenbaumform , vom Standpunkt der Lasttragfähigkeit gesehen, eine der gün- sti;:sten ist.
Diese Form eignet sich aber nicht für Sehaufeln, die aus kerbempfindliehem Material hergestellt sind, d. h. aus einem iVla.te- rial, das spröde ist und gern zu Rissbildungen an Stellen wie scharfen Ecken neigt, an denen hohe Spannungskonzentrationen vorhanden sind.
Als Beispiele solcher Materialien können feuerfeste keramiselie Materialien wie gesin terte Oxyde, Silicide, Karbide oder Boride von Metallen. wie Beryllium, Aluminium oder Titan und gesinterte Metall-Keramik-Misehun- .en genannt werden, welehe ans einem der znersterwähnten keramiselien Materialien und einem Metall wie beispielsweise Niekel beste lien.
Für Sehaufeln aus einem dieser kei-b- empfindlichen Materialien ist ein schwalben- schwanzförmiger Fussteil mit sorgfältig abge rundeten Übergängen oder ein Fussteil mit der Form einer rundlichen oder länglichen Blase hinsichtlich Spannungsverteilung und -übertragung einem Fussteil mit mehr oder weniger scharfen Ecken unbedingt vorzuzie hen.
Diese Art der Verankerung hat aber eine geringere Tragfähigkeit als eine solche von Tannenbaumform und ist deshalb unter Um ständen nicht geeignet für die direkte Befesti gung in einem Rotorkörper, der nur eine be grenzte, für die Kraftübertragung nutzbare Fläche besitzen kann, z. B. in einem Rotor körper, der aus axial in Abstand voneinander angeordneten Scheiben zusammengesetzt ist.
Die Erfindung besteht nun darin, dass jede Schaufel an ihrem radial innern Ende einen Fussteil aufweist und. an den Scheiben des Rotorkörpers durch ein Paar von Halteglie dern befestigt ist, die in Umfangsrichtung des Rotors dies- und jenseits des Fussteils gelegen sind, wobei jedes dieser Halteglieder an allen Scheiben befestigt ist und auf der einen bzw. andern Seite des Schaufelfussteils angreift.
Beiliegende Zeichnung stellt ein Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar. Fig. 1 zeigt im Axialschnitt einen Teil der Gasturbine des Strahltriebwerkes eines Flug zeuges, und Fig. 2 zeigt. in Stirnansicht, von der Linie II-II der Fig.1 aus gesehen, einen Abschnitt des Rotors dieser Gasturbine.
Der in Fig. 1 dargestellte Gasturbinen rotor hat einen Rotorkörper, der sich aus fünf aus Blech hergestellten, in Abstand voneinan der gehaltenen und zwischen zwei massiven Seheiben 2 und 3 festgespannten koaxialen Scheiben l , lb, 1c, 1c1 und 1e zusammen setzt. Alle diese Scheiben sind durch einen zur Rotoraehse konzentrischen Kranz von Sehrau ben 4 zusammengehalten, die auch die Distanz ringe 5 tragen.
Der Rotorkörper ist an seinem Umfang mit einem Kranz von Schaufeln 6 versehen, die aus einem kerbempfindlichen Haterial, z. B. aus einem der einleitend er wähnten feuerfesten keramischen Materialien oder gesinterten -#vIetall-Keramik-Misehungen hergestellt sind.
Der Turbinenrotor ist am einen Ende einer Welle 7 befestigt., an deren anderem Ende der nicht gezeigte Rotor des Turboverdichters des Triebwerkes befestigt ist. Diese Welle läuft in einem Walzenlager 8, das im Gehäuse 21 sitzt. Dieses ist durch Radialarme 9 mit dem tra genden Statorteil 10 verbunden.
Um den Kranz von Rotorsehaufeln 6 er streckt sich ein Ring 11, der am äussersten Leitschaufeltragring 14 angeflanscht ist. Die Leitschaufeln 12 erstrecken sich von diesem einwärts zum innern Leitschaufeltragring 13. In unmittelbarer Nähe des Strömungskanals sind die gegenüberliegenden Flächen des Rin ges 13 und der Rotorscheibe 2 gerillt zwecks Bildung einer Labyi#inthdiehtung 15, welche die heissen Verbrennungsgase daran hindert, vom Strömungskanal in das Innere des Trieb werkes einzudringen.
An dem vom Rotor ab gewendeten Ende sind die Leitschaufeltra-,- ringe 13 und 14 an Statorteile 16 bzw. 17 an geflanscht, welche Wandungen einer Brenn- kammer des Gasturbinentriebwerkes bilden. Das von den Leitschaufeln abgewendete Ende des Ringes 11 ist mit einem kegeligen Rohr glied 18 verbunden, das zusammen mit einem kegeligen Glied 19 den Austrittskanal be grenzt, durch welchen die Verbrennungsgase ins Strahlrohr übertreten.
Jede der aus einem Stück bestehenden Schaufeln 6 weist gemäss Fig. 2 ein Blatt 6a mit Tragflächenprofil, einen sieh in Umfangs richtung erstreckenden, plattenförmigen Zwi schenteil 6b und einen Fussteil 6c auf, der, in Achsrichtung gesehen, eine Sehwalbenschwanz- form mit. abgerundeten Cbergängen hat.
Die Schaufeln sind auf dein Umfang des Rotors verteilt, wobei die unterste, der Rotorachse zugewendete Fläche ihres Fussteils auf Vor sprüngen aufliegt, die am Umfang der den Rotorkörper bildenden Blechscheiben<I>la,<B>l b,</B></I> <B><I>l e,</I></B><I> I</I> cl, <I>l e</I> vorgesehen sind und wobei die zur Schaufelachse geneigten Schwalbenschwanz seitenflächen 6d sich in einer zur Rotorachse parallelen Richtung erstrecken.
Zwischen je zwei benachbarten Schaufelfussteilen<B>6e</B> ist ein Halteglied 20 angeordnet, das im Umriss keil förmig ist, sich dabei radial einwärts verjüngt und Seitenflächen 20a hat, die sich wie die jenigen der Schaufelfussteile in achsparalleler Richtung erstrecken und auf den Seitenflä chen 6d der benachbarten Schaufelfussteile aufliegen, während der übrigbleibende Fuss teil 20b Tannenbaumform hat und in ent sprechenden, in Aelrsriehtung des Rotors auf einander ausgerichteten Ausnehmungen der Scheiben la, 1b,<I>1c,</I> 1d, 7.e festsitzen.
Die wäh rend des Betriebes auf die Schaufeln einwir kenden Zentrifugalkrä.fte werden somit durch die Halteglieder 20 auf diese Scheiben über tragen. Wie aus Fig.l. ersichtlich ist, über spannen die Fussteile<B>6e</B> der Schaufeln und die Halteglieder 20 die Zwischenräume 7wi- sehen den Scheiben, indem sie sieh über die ganze Breite des durch dieselben gebildeten Rotorkörpers erstrecken.
Eine Verschiebung der Schaufeln und der Halteglieder in Achs richtung des Rotors wird durch die Endschei- ben 2 und 3 verhindert, die sieh in radialer Richtung bis zum Übergang des Blattes 6 in den Zwischenteil 6b erstrecken, also einen grö sseren Durchmesser haben als die Scheiben la, lb, 1e, ld und le.
Die Seitenflächen 6d der Schaufelfussteile liegen auf ihrer ganzen in Achsrichtung des Rotors gemessenen Breite auf den Seitenflä- ehen 20n. der Halteglieder 20 auf, damit die Zentrifugalkräfte über eine möglichst grosse Fläche an die Halteglieder übertragen werden.
Da diese Fläche eine ansehnliche: Ausdehnung liat, werden örtliche Konzentrationen von Übertragungskräften vermieden. Überdies eig net sich die Sehwalbensehwanzform mit abge rundeten Übergängen am, besten zur Übertra- gung der auftretenden Kräfte unter Vermei dung von innern Spannungskonzentrationen.
Da der Rotorkörper aus voneinander in Abstand liegenden Scheiben zusammengesetzt ist, ist die; zur Übertragung der Zentrifugal kräfte von den Haltegliedern auf diese Schei- 13en zur Verfügung stehende Fläche kleiner, als wenn. kein Abstand zwischen den Scheiben vorhanden wäre, oder kleiner, als wenn der Rotorkörper aus einem Stück bestünde.
Dies wird aber ausgeglichen durch die grössere Tragfähigkeit der Verbindung mit Tannen baumform im Vergleich zu der Verbindung mit Seliwa.lbenschwanzform. Auch werden ört liche Spannungskonzentrationen an jenen Stellen der Halteglieder vorhanden sein, wo diese auf den Scheiben la, 1b, 1c, 1d und 1e aufliegen; dafür sind aber die Halteglieder aus einem hitzebeständigen Stahl oder einem sonstigen Baustoff hergestellt, der auf solche örtlielw Spannungskonzentrationen nicht emp findlich ist.
Die Halteglieder werden zweck mässig aus Stabmaterial zugeschnitten, das diirel> Walzeng in die erforderliche Quer- sclinittsform gebracht worden ist.
Es hat sich gezeigt, dass zur Erzielung einer optimalen Spannungsverteilung der Winkel a, unter welchem die Seitenflächen 20a gegenüber der radialen Richtung geneigt sind, :30 nielit unterschreiten sollte.
Mit: der gezeigten Konstruktion kann die Notwendigkeit umgangen werden, an Schau feln aus keramischem oder anderem kerbemp- f'indliehem Material. einen Fussteil mit Tan- nenbaumform vorsehen zu müssen. Ausserdem ist zu beachten, dass, wenn die Schaufeln aus keramischem Baustoff unmittelbar mit den in Abstand voneinander angeordneten Scheiben verbunden wären, letztere zur Vermeidung unzulässiger Spannungskonzentrationen an den Schaufelfussteilen zu nahe aneinander an geordnet werden müssten.
Dank der Zwischen schaltung von Haltegliedern aus einem Bau stoff, der auf Spannungskonzentrationen nicht so empfindlich ist, ist diese Schwierigkeit um etliches herabgesetzt und können grössere Ab stände zwischen den Scheiben vorgesehen wer den. Die hauptsächlichste Beschränkung liegt darin, dass die Tragfähigkeit der Aufla.geflä- ehen zwischen Haltegliedern und Blechschei ben gleich gross sein muss wie diejenige; der Auflagefläche zwischen den Schaufelfussteilen und den Haltegliedern.
Zur Kühlung des Rotorkörpers und der Rotorschaufeln wird Kühlluft in die Zwi schenräume zwischen den Blechscheiben la, 1.b, 1c, ld, 1e eingeführt. Die Endscheibe 2 und die derselben benachbarten vier Blech scheiben<I>la,</I> 1b, 1c, 1d sind mit Löchern 22ca, 22b, 22c, 22d bzw. 22e von stufenweise abneh mendem Durchmesser versehen, um die er wünschte Verteilung der Kühlluft auf die ein zelnen Zwischenräume zu erzielen.
Die Kühl luft wird am Verdichter abgezapft und inner halb des Haupttraggliedes 10 durchgeführt.. Letzteres hat eine Verlängerung 23, die mit Dichtungsringen 24 ausgerüstet ist, welche an einem Ringflansch 2a der Endscheibe 2 aufliegen, um einen Übertritt der Kühlluft in den Strömungskanal der Verbrennungsgase zu verhindern. Dass Lagergehäuse 21 hat eine die Welle 7 mit nur wenig Abstand umgebende Verlängerung 21a., welche mit Dichtungsele menten 25 ausgerüstet ist, die der Kühlluft den Zutritt in das Innere des Lagers verweh ren.
Die in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Blechscheiben 1a., 1b, <B>l</B> e" <I>l cl, l e</I> ge langte Kühlluft entweicht durch Kanäle 20c in den Haltegliedern und gelangt in die Räume 26; die sich unter den plattenförmi gen Zwischenteilen 6b der Schaufeln befinden; sie bildet dort eine in gewissem Masse gegen Wärme isolierende Schicht und entweicht schliesslich durch zwischen den Verbindungs teilen vorhandene Spalte, um in den Strö mungskanal der Verbrennungsgase zu gelan gen.
Cewünschtenfalls könnte ein gewisser An teil der Kühlluft durch Kanäle geleitet wer den, die sich über die ganze Länge durch die Schaufeln erstrecken würden.
Die Schaufelfussteile könnten eine Form haben, die von derjenigen eines Schwalben- schwanzes abweichen würde, aber so zu wäh len wäre, dass übermässige Spannungskonzen trationen vermieden wären. Ein Beispiel einer andern Form, welche diese Bedingung erfüllt, ist die bei der Verankerung von Turbomaschi- nen-Rotorschaufeln auch schon früher ange wendete Form einer Blase, wobei natürlich die Seitenflächen der Halteglieder eine der Bla- senform des Schaufelteils angepasste Form haben müssen.
Turbomachine rotor The invention relates to a turbomachine rotor which has a rotor body composed of a number of coaxial disks spaced apart from one another and a ring of radial vanes attached to the circumference of this rotor body and made of notch sensitive material.
Such blades usually have a blade with an airfoil profile and a foot part which has a special shape and is anchored in a correspondingly shaped recess in the rotor body. It has. See how the shape of the fir tree is one of the most favorable from the point of view of load-bearing capacity.
However, this shape is not suitable for blades made of notch-sensitive material, i.e. H. Made of an iVla.terial that is brittle and tends to crack in places such as sharp corners where high stress concentrations are present.
Examples of such materials include refractory ceramic materials such as sintered oxides, silicides, carbides or borides of metals. such as beryllium, aluminum or titanium and sintered metal-ceramic mixes are called, which are best suited to one of the ceramic materials mentioned above and a metal such as Niekel.
For shovels made of one of these kei-b-sensitive materials, a dovetail-shaped base with carefully rounded transitions or a base with the shape of a rounded or elongated bladder is absolutely preferable to a base with more or less sharp corners with regard to stress distribution and transmission.
This type of anchoring has a lower load-bearing capacity than that of a Christmas tree shape and is therefore not suitable for direct fastening in a rotor body, which can only have a limited usable area for power transmission, z. B. in a rotor body, which is composed of axially spaced discs.
The invention consists in that each blade has a root part at its radially inner end and. is attached to the disks of the rotor body by a pair of holding members, which are located in the circumferential direction of the rotor on both sides of the root part, each of these holding members is attached to all disks and engages on one or the other side of the blade root part.
The accompanying drawing represents an exemplary embodiment of the subject matter of the invention. Fig. 1 shows in axial section part of the gas turbine of the jet engine of an aircraft, and Fig. 2 shows. in an end view, seen from the line II-II in FIG. 1, a section of the rotor of this gas turbine.
The gas turbine rotor shown in Fig. 1 has a rotor body composed of five made of sheet metal, held at a distance from one another and clamped between two massive Seheiben 2 and 3 coaxial disks l, lb, 1c, 1c1 and 1e. All these disks are held together by a ring concentric to the rotor axis of Sehrau ben 4, which also wear the spacer rings 5.
The rotor body is provided on its circumference with a ring of blades 6, which are made of a notch-sensitive material, e.g. B. from one of the introductory he mentioned refractory ceramic materials or sintered - # vIetall-Keramik-Misehungen are made.
The turbine rotor is attached to one end of a shaft 7, at the other end of which the rotor, not shown, of the turbo compressor of the engine is attached. This shaft runs in a roller bearing 8 which is seated in the housing 21. This is connected by radial arms 9 to the tra lowing stator part 10.
A ring 11 which is flanged to the outermost guide vane support ring 14 extends around the ring of rotor blades 6. The guide vanes 12 extend from this inward to the inner guide vane support ring 13. In the immediate vicinity of the flow channel, the opposite surfaces of the ring 13 and the rotor disk 2 are grooved in order to form a Labyi # inthdichtung 15, which prevents the hot combustion gases from flowing from the flow channel into the To penetrate the interior of the engine.
At the end turned away from the rotor, the guide vane rings 13 and 14 are flanged to stator parts 16 and 17, respectively, which form the walls of a combustion chamber of the gas turbine engine. The end of the ring 11 facing away from the guide vanes is connected to a conical pipe member 18 which, together with a conical member 19, delimits the outlet channel through which the combustion gases pass into the jet pipe.
Each of the one-piece blades 6 has, according to FIG. 2, a blade 6a with a wing profile, a plate-shaped intermediate part 6b extending in the circumferential direction and a foot part 6c which, viewed in the axial direction, has a barbed shape. has rounded passages.
The blades are distributed over the circumference of the rotor, with the lowermost surface of its base part facing the rotor axis resting on projections that are located on the circumference of the sheet metal disks forming the rotor body <I> la, <B> lb, </B> </ I > <B><I>le,</I></B> <I> I </I> cl, <I> le </I> are provided and where the dovetail side surfaces 6d inclined to the blade axis are arranged in a to Rotor axis extend parallel direction.
Between each two adjacent blade root parts <B> 6e </B> there is arranged a holding member 20 which is wedge-shaped in outline, tapers radially inward and has side surfaces 20a which, like those of the blade root parts, extend in an axially parallel direction and onto the Lateral surfaces 6d of the adjacent blade root parts rest, while the remaining root part 20b has the shape of a fir tree and is stuck in corresponding recesses in the disks la, 1b, <I> 1c, </I> 1d, 7.e that are aligned with one another in the rotor direction .
The centrifugal forces acting on the blades during operation are thus transmitted to these disks by the holding members 20. As shown in Fig.l. As can be seen, the base parts <B> 6e </B> of the blades and the holding members 20 span the intermediate spaces 7 between the disks by extending over the entire width of the rotor body formed by them.
A displacement of the blades and the holding members in the axial direction of the rotor is prevented by the end disks 2 and 3, which extend in the radial direction up to the transition from the blade 6 to the intermediate part 6b, ie have a larger diameter than the disks 1a , lb, 1e, ld and le.
The side surfaces 6d of the blade root parts lie on the side surfaces 20n over their entire width measured in the axial direction of the rotor. of the holding members 20 so that the centrifugal forces are transmitted to the holding members over the largest possible area.
Since this area has a considerable extension, local concentrations of transmission forces are avoided. In addition, the curvilinear tail shape with rounded transitions is best suited to transferring the forces that occur while avoiding internal stress concentrations.
Since the rotor body is composed of spaced apart disks, the; to transmit the centrifugal forces from the holding members to these disks, the area available is smaller than when. there would be no distance between the disks, or less than if the rotor body consisted of one piece.
However, this is compensated for by the greater load-bearing capacity of the connection with the fir tree shape compared to the connection with Seliwa.lbenschwanzform. Local stress concentrations will also be present at those points of the holding members where they rest on the discs la, 1b, 1c, 1d and 1e; but the holding members are made of a heat-resistant steel or some other building material that is not sensitive to such local stress concentrations.
The holding members are expediently cut from rod material that has been rolled into the required cross-sectional shape.
It has been shown that, in order to achieve an optimal stress distribution, the angle a at which the side surfaces 20a are inclined with respect to the radial direction should never be less than 30.
With the construction shown, the need to use blades made of ceramic or other notch-sensitive material can be avoided. having to provide a foot part with a tan tree shape. In addition, it should be noted that if the blades made of ceramic building material were directly connected to the disks arranged at a distance from one another, the latter would have to be arranged too close to one another in order to avoid inadmissible stress concentrations at the blade root parts.
Thanks to the interposition of holding members made of a building material that is not so sensitive to stress concentrations, this difficulty is reduced by a lot and larger distances can be provided between the panes. The main restriction is that the load-bearing capacity of the support surfaces between the holding members and sheet metal disks must be the same as that; the contact surface between the blade root parts and the holding members.
To cool the rotor body and the rotor blades, cooling air is introduced into the inter mediate spaces between the sheet metal disks la, 1.b, 1c, ld, 1e. The end disk 2 and the same adjacent four sheet metal disks <I> la, </I> 1b, 1c, 1d are provided with holes 22ca, 22b, 22c, 22d and 22e of gradually decreasing diameter to which he desired distribution of To achieve cooling air on the individual spaces.
The cooling air is tapped at the compressor and carried out within the main support member 10 .. The latter has an extension 23 which is equipped with sealing rings 24 which rest on an annular flange 2a of the end plate 2 to allow the cooling air to pass into the flow channel of the combustion gases prevent. The bearing housing 21 has an extension 21a which surrounds the shaft 7 with only a small distance and which is equipped with sealing elements 25 which prevent the cooling air from entering the interior of the bearing.
The cooling air that has entered the spaces between the individual sheet metal disks 1 a., 1 b, e "1 cl, le" escapes through channels 20 c in the holding members and enters the spaces 26 ; which are located under the plate-shaped intermediate parts 6b of the blades; there it forms a layer that insulates against heat to a certain extent and finally escapes through the gaps between the connecting parts in order to get into the flow channel of the combustion gases.
If desired, some of the cooling air could be passed through channels that would extend the full length through the blades.
The blade root parts could have a shape that would differ from that of a dovetail, but would have to be chosen so that excessive stress concentrations would be avoided. An example of another shape which fulfills this condition is the shape of a bladder, which was also used earlier in the anchoring of turbo-engine rotor blades, the side surfaces of the holding members naturally having to have a shape adapted to the bladder shape of the blade part.