Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen und danach hergestellter
Rotor für ein Gasturbinentriebwerk
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen der Axialbauart, welcher als Scheibenläufer ausgebildet ist und dessen die Laufschaufelkränze aufweisende Scheiben durch einen zentralen oder mehrere aussermittige Zuganker zusammenspannbar sind.
Ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter Rotor eines Gasturbinentriebwerkes ist grundsätzlich bekannt (Deutsches Gebrauchsmuster 1 955 715).
Durch die Scheibenbauart ergibt sich der Vorteil leichter Bauweise, der Anwendung des Baukastensystems und der guten Kühlungsmöglichkeit für die Laufschaufeln. Bei der Befestigung der Laufschaufeln an den Scheibenkörpern sieht man im allgemeinen axial gerichtete Nuten am äusseren Umfang der Scheiben vor, in welche die Laufschaufeln mit ihrem vorzugsweise tannenbaumartig geformten Fuss eingeschoben werden.
Diese Verbindung zwischen Schaufeln und Scheibenkörpern wird bei hohen Temperaturen und den grossen Umfangsgeschwindigkeiten sowie Mengenströmen relativ grossen Beanspruchungen ausgesetzt.
In letzter Zeit sind nun Kernreaktoranlagen vorgeschlagen worden, bei welchen ein geschlossener, mit einem nicht idealen Gas, wie insbesondere CO2, betriebener Gasturbinenkreislauf vorgesehen ist. Der Zustand des Arbeitsmediums an der Eintrittsseite der Turbine ist etwa 520 "C, 300 ata und austrittsseitig 400 OC, 120 ata. Für gasgekühlte Hochtemperatur-Reaktoren sind weiterhin Helium-Turbinen vorgeschlagen worden, wobei durch direkte Kopplung von Reaktor und Gasturbine die Vorteile des Hochtemperaturbetriebes bei Temperatursteigerungen über 700 OC voll ausgenutzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, durch welche sich für derartige Gasturbinen wie auch für zugehörige Kompressoren, d. h.
Turbomaschinen, bei denen die Laufschaufeln und Laufscheiben durch hohe Umfangs- und Dampfkräfte beansprucht werden, eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaues und der Herstellung der Beschaufelung erzielen lässt.
Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, dass von den Laufschaufeln zumindest diejenigen mit kleiner Schaufellänge als sogenannte angewachsene Laufschaufeln durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der zugehörigen vollen Scheibenkörper herausgearbeitet werden. Unter elektroerosiver Bearbeitung wird hier wie im folgenden sowohl eine Bearbeitung mittels Funkenerosion als auch eine Bearbeitung mittels elektrolytischer Elektro-Erosion (elektro-chemisches Senken bzw. EC-Verfahren) verstanden. Das zuletztgenannte Verfahren ist zum Herausarbeiten der Laufschaufeln aus den Scheibenkörpern besonders vorteilhaft, da man mit relativ grossen Vorschubgeschwindigkeiten arbeiten kann.
Die Scheibenkörper können auf einer geeigneten Spannvorrichtung befestigt werden, und die Elektrode kann in radialer Anordnung zum Scheibenmittelpunkt längsverschieblich gelagert werden, wobei sie nach dem jeweiligen Wegsenken des zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln befindlichen Materials um eine Schaufelteilung am Umfang weitergerückt werden kann. Es ist auch möglich, mit mehreren Elektroden einen Scheibenkörper gleichzeitig zu bearbeiten. Es werden auf diese Weise an den Scheibenkörper angewachsene Laufschaufeln erzeugt, und man vermeidet hierdurch die hohen Kerbbeanspruchungen während des Betriebes, die sich bei üblichen Schaufelbefestigungen mit Tannenbaum- oder Hammerkopffuss innerhalb zugehöriger Nuten ergeben.
Die Bearbeitung der Seheibenkörper im EC-Verfahren gestaltet sich sehr einfach, und es können die fertig mit der Beschaufelung versehenen Läuferscheiben in gewünschter Kombination mit dem Zuganker zusammengespannt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Roter für ein Gasturbinentriebwerk, hergestellt nach dem vorbeschriebenen Verfahren, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass sowohl der Turbinenteil als auch der auf der gleichen Welle sitzende Axialverdichterteil aus zu sammengespannten Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen. Vorteilhafterweise ist das Gasturbinentriebwerk ein mit CO als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk und sind von den Laufschaufeln des Turbinen- und des Verdichterteiles zumindest diejenigen des Turbinenteiles als angewachsene Laufsehaufeln ausgeführt.
Das EC-Verfahren eignet sich besonders für Gasturbinen der Axialbauart und hierbei insbesondere für die genannten CO2-Gasturbinen, weil hier relativ geringe Schaufelhöhen, insbesondere bedingt durch das hohe spezifische Gewicht des Arbeitsmediums, auftreten.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteils als auch den Laufschaufeln des Verdichterteils zumindest diejenigen der ersten bzw. letzten Stufen mit geringer Schaufellänge als angewachsene Schaufeln ausgeführt sind.
Anhand der Zeichnung werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Ausschnitt und Axialschnitt eine mit CO als Arbeitsmedium betriebene Gasturbine, und zwar den Läufer und die diesen umgebende Leitvorrichtung, mit erfindungsgemäss ausgestalteten Scheibenkörpern,
Fig. 2 im Axialschnitt den Scheibenläufer eines Gasturbinentriebwerkes mit auf der gleichen Welle sitzendem Verdichter- und Turbinenteil und zentralem Zuganker, bei dem die Laufsehaufeln kleinerer Höhe gemäss der Erfindung ausgebildet sind.
In Fig. 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen die Schraffur weggelassen. Auf dem zentralen Zuganker 1 sitzen axial aneinandergereiht die Scheibenkörper 2, welche an ihrem äusseren Umfang mit angewachsenen Laufschaufeln 3 versehen sind. Der linke Scheibenkörper 2' ist bei 4 mit einem Zahnkranz versehen, der mit dem entsprechenden Gegenzahnkranz 4' eines auf der Welle sitzenden Hohlwellenteils 5 gekuppelt ist. In entsprechender Weise sind die einzelnen Scheibenkörper 2 miteinander an den Kupplungsstellen 4" durch Zahnkränze miteinander verdrehungssicher gekuppelt, und der rechts aussen sitzende Scheibenkörper 2" ist mit einem weiteren generatorseitigen Hohlwellenteil 6 über die Kupplungszahnkränze 7, 7' gekuppelt.
Zwischen den einzelnen Scheiben 2, 2' 2" sind Hohlräume 8 gebildet, und mit den radial innen liegenden Vorsprüngen 9 stehen die Scheibenkörper über Dichtungsringe 10 miteinander in Eingriff. Durch den zentralen Zuganker 1 werden die Scheibenkörper 2, 2', 2" mit den äusseren Kupplungsteilen 5, 6 verdrehungssicher zusammengespannt, wobei die Einzelheiten dieser Spannanordnung aus Fig. 2 beispielsweise ersichtlich sind, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Leitschaufeln sind mit 11 bezeichnet; sie sind in zugehörigen Aufnahmenuten 12 am inneren Umfang des Gasturbinengehäuses 13 befestigt. Die Dichtungsringe zwischen den einzelnen Leitschaufelkränzen sind mit 14 bezeichnet.
Erfindungsgemäss sind die Laufschaufeln 3 durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der vollen Scheibenkörper 2, 2', 2" herausgearbeitet, vorzugsweise durch elektrolytische Elektroerosion, wie erläutert. Bei CO2-Gasturbinen haben die Laufsehaufeln 3 eine relativ geringe Erstreckung, es ist deshalb möglich und vorteilhaft, sämtliche Laufschaufeln nach dem genannten Verfahren herzustellen.
Wie ersichtlich, sind 4 Schaufelkränze dargestellt, wobei die Gasströmungsrichtung durch den Pfeil 140 angedeutet ist.
In Fig. 2 ist der Läufer einer Gasturbinenanlage dargestellt, deren Brennkammer mit Erdgas oder Öl befeuert werden kann. Auch bei dieser Gasturbinenanlage, die einen Verdichterteil V und einen Turbinenteil T aufweist, ist zur Befestigung bzw. Ausbildung der Laufschaufeln von der elektroerosiven Bearbeitung Gebrauch gemacht. Sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteiles T als auch den Laufschaufeln des Ver dichterteiles V sind diejenigen mit relativ geringer Schaufelhöhe, nämlich die Schaufeln 15 des Verdichterteils V und die Schaufeln 16 des Turbinenteiles T, aus den vollen Scheibenkörpern 17 durch elektrochemisches Senken herausgearbeitet, d. h. als sogenannte angewachsene Schaufeln ausgebildet.
Für die längeren Schaufeln 18 des Verdichterteils V und 19 des Turbinenteils T finden übliche Befestigungsmethoden Anwendung, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird. Im übrigen bezeichnen: 1 wiederum den zentralen Zuganker, 20 die Verzahnungsstellen zwischen den Scheibenkörpern 17 untereinander bzw. den Scheibenkörpern 17 und den aussen auf den Zuganker aufgesetzten Lagerstummeln 21, 22; la den Kopfteil des als elastisches Federglied wirkenden Zugankers 1; 1b eine mit konischem Aussenumfang versehene Spannmu"Lter, welche auf das rechte Ende des Zugankers 1 aufgeschraubt und unter Flächenpressung mit entsprechenden konischen Gegenflächen des rechten Wellenstummels 22 zur Anlage gebracht ist.
Die Verzahnungsstellen 20 dienen, wie an sich bekannt, nicht nur zur Drehmomentübertragung, sondern auch zur Zentrierung der Scheibenkörper 17, was auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gilt.
Zwischen Turbinenteil T und Verdichterteil V ist noch ein Hohlwellenteil 23 eingeschaltet, der die genannten Rotorteile räumlich voneinander trennt und als Kupplungszwischenglied dient.
PATENTANSPRÜCHE
I. Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen der Axialbauart, welcher als Scheibenläufer ausgebildet ist und dessen die Laufsehaufelkränze aufweisende Scheiben durch einen zentralen oder mehrere aussermittige Zuganker zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass von den Laufschaufeln zumindest diejenigen mit kleiner Schaufellänge als sogenannte angewachsene Laufschaufeln durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der zugehörigen vollen Scheibenkörper herausgearbeitet werden.
II. Rotor für ein Gasturbinentriebwerk, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Turbinenteil als auch der auf der gleichen Welle sitzende Axialverdichterteil aus zusammengespannten Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln durch elektrolytische Elektroerosion aus den Scheibenkörpern herausgearbeitet werden.
2. Rotor nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinentriebwerk ein mit CO2 als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk ist und von den Laufschaufeln des Turbinen- und des Verdichter
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Process for the manufacture of a bladed rotor for turbo machines and those manufactured thereafter
Rotor for a gas turbine engine
The invention relates to a method for producing a bladed rotor for turbo machines, in particular gas turbines of the axial type, which is designed as a disc rotor and whose discs having the rotor blade rings can be clamped together by a central or several eccentric tie rods.
A gas turbine engine rotor produced by such a method is known in principle (German utility model 1 955 715).
The disk design has the advantage of a light construction, the use of the modular system and the good cooling options for the rotor blades. When the rotor blades are fastened to the disk bodies, axially directed grooves are generally provided on the outer circumference of the disks, into which the rotor blades are pushed with their foot, which is preferably shaped like a fir tree.
This connection between blades and disk bodies is exposed to relatively high stresses at high temperatures and high circumferential speeds and mass flows.
Recently, nuclear reactor systems have now been proposed in which a closed gas turbine circuit operated with a non-ideal gas, such as in particular CO2, is provided. The state of the working medium on the inlet side of the turbine is about 520 ° C, 300 ata and on the outlet side 400 ° C, 120 ata. Helium turbines have also been proposed for gas-cooled high-temperature reactors, with the advantages of high-temperature operation through direct coupling of reactor and gas turbine can be fully utilized in the event of temperature increases of over 700 ° C. The object of the invention is to create an arrangement by which gas turbines of this type and also associated compressors, ie
Turbomachines, in which the rotor blades and rotor disks are stressed by high circumferential and steam forces, can achieve a considerable simplification of the structure and the manufacture of the blading.
In a method of the type mentioned at the outset, at least those of the rotor blades with a small blade length are machined as so-called grown-on rotor blades by electrical discharge machining from the outer peripheral areas of the associated full disk bodies. Electro-discharge machining is understood here as in the following to mean both machining by means of spark erosion and machining by means of electrolytic electro-erosion (electro-chemical sinking or EC method). The last-mentioned method is particularly advantageous for carving out the rotor blades from the disk bodies, since it is possible to work with relatively high feed rates.
The disk bodies can be fastened on a suitable clamping device, and the electrode can be mounted in a radial arrangement to the disk center so that it is longitudinally displaceable, whereby it can be advanced by one blade pitch on the circumference after the respective lowering of the material located between two adjacent blades. It is also possible to machine a disc body with several electrodes at the same time. In this way, rotor blades which have grown onto the disk body are produced, and the high notch stresses during operation that result from conventional blade fastenings with a Christmas tree or hammer head root within the associated grooves are thereby avoided.
The machining of the washer bodies in the EC method is very simple, and the carrier disks, which are already provided with the blading, can be clamped together with the tie rod in the desired combination.
The invention also relates to a reducer for a gas turbine engine, manufactured according to the method described above, which is characterized in that both the turbine part and the axial compressor part sitting on the same shaft consist of clamped-together disc bodies and at least the disc bodies of smaller diameter have the attached rotor blades . The gas turbine engine is advantageously an engine operated with CO as the working medium and at least those of the turbine part of the rotor blades of the turbine part and of the compressor part are designed as grown moving blades.
The EC method is particularly suitable for gas turbines of the axial design, and in particular for the aforementioned CO2 gas turbines, because here relatively low blade heights occur, in particular due to the high specific weight of the working medium.
Furthermore, it can be advantageous if, of both the rotor blades of the turbine part and the rotor blades of the compressor part, at least those of the first or last stages with a small blade length are designed as grown-on blades.
With the aid of the drawing, two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail below. Show it:
1 shows a detail and axial section of a gas turbine operated with CO as the working medium, specifically the rotor and the guide device surrounding it, with disk bodies designed according to the invention,
2 shows, in axial section, the pancake of a gas turbine engine with the compressor and turbine part seated on the same shaft and a central tie rod, in which the blades are of smaller height according to the invention.
In Fig. 1, the hatching is omitted for the sake of clarity. On the central tie rod 1, the disk bodies 2 sit axially lined up, which are provided with rotating blades 3 that have grown on their outer circumference. The left disk body 2 'is provided at 4 with a ring gear which is coupled to the corresponding mating ring gear 4' of a hollow shaft part 5 seated on the shaft. Correspondingly, the individual disc bodies 2 are coupled to one another in a torsion-proof manner at the coupling points 4 ″ by means of gear rims, and the disc body 2 ″ on the outside on the right is coupled to another generator-side hollow shaft part 6 via the coupling gear rims 7, 7 '.
Hollow spaces 8 are formed between the individual disks 2, 2 '2 ", and the disk bodies are in engagement with one another via sealing rings 10 with the radially inner projections 9. The disk bodies 2, 2', 2" are connected to the outer coupling parts 5, 6 clamped together in a torsion-proof manner, the details of this clamping arrangement from FIG. 2 being evident, for example, which will be discussed further below. Guide vanes are denoted by 11; they are fastened in associated grooves 12 on the inner circumference of the gas turbine casing 13. The sealing rings between the individual guide vane rings are denoted by 14.
According to the invention, the rotor blades 3 are machined from the outer circumferential areas of the full disk bodies 2, 2 ', 2 "by electrical discharge machining, preferably by electrolytic electrical discharge machining, as explained. In CO2 gas turbines, the rotor blades 3 have a relatively small extension, it is therefore possible and advantageous to manufacture all of the rotor blades according to the method mentioned.
As can be seen, 4 blade rings are shown, the direction of gas flow being indicated by arrow 140.
In Fig. 2, the rotor of a gas turbine system is shown, the combustion chamber can be fired with natural gas or oil. In this gas turbine system, too, which has a compressor part V and a turbine part T, electrical discharge machining is used for fastening or forming the rotor blades. Both of the blades of the turbine part T and the blades of the Ver dense part V are those with a relatively low blade height, namely the blades 15 of the compressor part V and the blades 16 of the turbine part T, worked out of the full disk bodies 17 by electrochemical lowering, i.e. H. designed as so-called grown blades.
Conventional fastening methods are used for the longer blades 18 of the compressor part V and 19 of the turbine part T, which is why this is not discussed in more detail. Otherwise: 1 again denotes the central tie rod, 20 the toothed points between the disk bodies 17 with one another or the disk bodies 17 and the bearing stubs 21, 22 placed on the outside of the tie rod; la the head part of the tie rod 1 acting as an elastic spring member; 1b a clamping nut provided with a conical outer circumference, which is screwed onto the right-hand end of the tie rod 1 and is brought into contact with corresponding conical mating surfaces of the right-hand shaft stub 22 under surface pressure.
As is known per se, the toothed points 20 serve not only to transmit torque, but also to center the disk bodies 17, which also applies to the exemplary embodiment according to FIG. 1.
A hollow shaft part 23 is connected between the turbine part T and the compressor part V, which spatially separates the said rotor parts from one another and serves as an intermediate coupling member.
PATENT CLAIMS
I. A method for producing a bladed rotor for turbo machines, in particular gas turbines of the axial type, which is designed as a disc rotor and whose discs having the blade rims can be clamped together by a central or more eccentric tie rod, characterized in that of the blades at least those with a smaller blade length than So-called grown-on blades are machined out of the outer circumferential areas of the associated full disk body by electrical discharge machining.
II. Rotor for a gas turbine engine, manufactured according to the method according to claim I, characterized in that both the turbine part and the axial compressor part seated on the same shaft consist of clamped disc bodies and at least the smaller diameter disc bodies have the attached rotor blades.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the rotor blades are machined from the disk bodies by electrolytic electrical discharge machining.
2. Rotor according to claim II, characterized in that the gas turbine engine is an engine operated with CO2 as the working medium and from the blades of the turbine and the compressor
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