CH640916A5

CH640916A5 - Laufrad mit mehreren laufschaufeln und einer laeuferscheibe sowie laufschaufel fuer ein laufrad und laeuferscheibe fuer ein laufrad.

Info

Publication number: CH640916A5
Application number: CH1286978A
Authority: CH
Inventors: Salvatore Alfred Leonardi
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-19
Publication date: 1984-01-31
Also published as: IT7831226A0; PL123377B1; IL56125A; PL211564A1; JPS6146644B2; YU39689B; CA1112184A; NO155159C; SE7812961L; IL62817A0; AU4251978A; AU520295B2; BE873014A; BR7808517A; SE443184B; GB2011552A; DE2853856A1; DK581078A; JPS5496618A; NO784349L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad mit mehreren Laufschaufeln und einer Läuferscheibe, die an ihrem Umfang mehrere Schaufelbefestigungsschlitze aufweist, welche mit mehreren Zähnen versehen sind, die in entsprechende Nuten des Schaufelwurzelabschnittes eingreifen und mehrere Scheibennuten haben, die entsprechende Schaufelzähne aufnehmen sowie eine Laufschaufel für ein Laufrad mit einem Schaufelprofilabschnitt und einem Wurzelabschnitt, der mehrere Nuten und Zähne aufweist und in eine Läuferscheibe einzusetzen ist und eine Läuferscheibe für ein Laufrad mit mehreren Laufschaufelbefestigungsschlitzen, von denen jeder mehrere Nuten zum Erfassen der Zähne des Wurzelabschnittes einer Laufschaufel aufweist.

Moderne Gasturbinentriebwerke bilden die Hauptklasse von rotierenden Maschinen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht. In einem Gasturbinentriebwerk werden die Arbeitsmediumsgase in einem Verdichtungsabschnitt des Triebwerkes verdichtet und zu einem Verbrennungsabschnitt geleitet, in welchem Brennstoff mit den Gasen vermischt und verbrannt wird, um dem strömenden Medium zusätzliche Energie zuzuführen.

Das eine hohe Energie aufweisende Medium strömt anschliessend in einen Turbinenabschnitt, wo ein Teil der

Energie entnommen und zum Antreiben des Triebwerkverdichters benutzt wird. Die Turbine enthält mehrere abwechselnde Reihen von Laufschaufeln und Leitschaufeln. Jede Reihe von Leitschaufeln richtet die Arbeitsmediumgase unter einem bevorzugten Eintrittswinkel in die stromabwärtige Reihe von Laufschaufeln. Die Laufschaufeln entnehmen ihrerseits Energie aus den Arbeitsmediumgasen, um den Triebwerksverdichter anzutreiben. Jede Reihe von Laufschaufeln ist an dem Umfang einer kreisförmigen Scheibe angebracht. Die Kombination von Laufschaufeln und tragender Scheibe wird als Radanordnung bezeichnet. Im Betrieb eines Gasturbinenwerks sind Raddrehzahlen von mehr als 7500 U/min üblich.

Jede Schaufel der Radanordnung hat einen Wurzelab-schnitt, der in einen entsprechend profilierten Befestigungsschlitz in der Scheibe einfasst. Ausgeklügelte Wurzelgeometrien sind ersonnen worden, um zentripetale Haltekräfte von der Scheibe auf jede Schaufel zu übertragen. Eine weitgehend benutzte Geometrie wird als «Tannenbaum»-Befestigung bezeichnet. Eine solche Befestigung ist in Fig. 1 dargestellt und die weiter unten beschriebene Erfindung bezieht sich darauf.

Ein Faktor, der die Lebensdauer von Laufschaufeln und Scheiben begrenzt, ist die Dauerschwingfestigkeit des Materials, aus welchem sie hergestellt sind. Jedes Arbeitsspiel belastet die Teile mit einem bestimmten Beanspruchungs wert. Nach wiederholtem Auftreten von Arbeitsspielen wird jedes Teil schliesslich Ermüdungsanrisse entwickeln. Bei sehr niedrigen Beanspruchungswerten ist die Anzahl der Arbeitsspiele, bevor Risse auftreten, nahezu unendlich gross. Bei hohen Beanspruchungs werten wird die Anzahl der Arbeitsspiele stark begrenzt. Die Dauerschwingfestigkeit jedes Teils wird auch als LCF (low cycle fatigue) -Lebensdauer bezeichnet und in diesem Sinne hier gebraucht.

Bei den meisten modernen Triebwerken wird die in Fig. 3 dargestellte «Tannenbaum»-Befestigung benutzt, von welcher in Fig. 3 nur ein Teil gezeigt ist. Die Zähne an der Schaufelwurzel erstrecken sich in entsprechenden Nuten in dem Befestigungsschlitz der Scheibe. Jede Nut in der Scheibe weist ein und denselben Radius auf. Ebenso fassen die Zähne in dem Scheibenschlitz in entsprechende Nuten in der Schaufelwurzel ein. Jede Nut in der Wurzel hat ein und denselben Radius. Die Erfindung entfernt sich von dem in Fig. 3 dargestellten Stand der Technik in der im folgenden beschriebenen Weise.

Durch die Erfindung soll eine ausreichende Dauerschwingfestigkeit für Schaufelwurzeln und ihre entsprechenden Scheibenbefestigungsschlitze, insbesondere im Turbinenbau, geschaffen werden. Die Erfindung minimiert die Tiefe jeder Wurzel und ihres entsprechenden Befestigungsschlitzes. Verringerung in der Grösse der kombinierten Biege-und Scherbeanspruchung werden erreicht und insbesondere werden grössere Radien in Gebieten ermöglicht, wo sowohl die Biegebelastungen als auch die Scherbelastungen das Umfangsmaterial auf Zug beanspruchen.

Gemäss der Erfindung ist ein Laufrad mit mehreren Laufschaufeln und einer Läuferscheibe vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Scheibennut mit einem ersten Krümmungsradius in einem radial äusseren Bereich und mit einem zweiten Krümmungsradius in einem radial inneren Bereich versehen ist, und wobei der erste Krümmungsradius grösser als der zweite Krümmungsradius ist, und dass die Schaufelnuten jeweils in einem vom Schaufelprofilabschnitt entfernteren Bereich mit einem ersten Krümmungsradius und jeweils in einem dem Schaufelprofilabschnitt näheren Bereich mit einem zweiten Krümmungsradius versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius grösser ist als der zweite Krümmungsradius.

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Die Laufschaufel für ein Laufrad mit einem Schaufelprofilabschnitt und einem Wurzelabschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelnuten jeweils in einem vom Schaufelprofilabschnitt entfernteren Bereich mit einem ersten Krümmungsradius und jeweils in einem dem Schaufelprofilabschnitt näheren Bereich mit einem zweiten Krümmungsradius versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius grösser ist als der zweite Krümmungsradius.

Die Läuferscheibe für ein Laufrad mit mehreren Lauf-schaufelbefestigungsschlitzen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibennuten jeweils mit einem ersten Krümmungsradius in einem radial äusseren Bereich und einem zweiten Krümmungsradius in einem radial inneren Bereich versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius grösser als der zweite Krümmungsradius ist.

Ein dadurch erwirkter Hauptvorteil liegt in der verbesserten Dauerschwingfestigkeit (oder LCF-Lebensdauer) bei einer äquivalenten Wurzeltiefe. Das Vergrössern des ersten Radius und das Verkleinern des zweiten Radius ermöglichen eine Verringerung der Maximalbeanspruchung ohne eine entsprechende Vergrösserung der Wurzeltiefe. Es kann ferner das Scheibengewicht ohne eine entsprechende Verringerung der Dauerschwingfestigkeit verringert werden. Durch Verringern der Tiefe der Wurzel wird die Menge an Scheibenmaterial des lebenden Randes der Scheibe verringert.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Teils einer Laufschaufelanordnung,

Fig. 2 eine vergrösserte Ansicht eines Teils der Wurzelbefestigung einer Schaufel von Fig. 1, die gemäss der Erfindung profiliert ist,

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht einer in bekannter Weise profilierten Wurzelbefestigung, und

Fig. 4 eine vergrösserte Darstellung eines Teils der «Tan-nenbaum»-Befestigung, die die beiden Krümmungsradien der Erfindung zeigt.

Ein Teil einer Turbinenradanordnung 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Die Radanordnung weist eine Läuferscheibe 12 und mehrere Laufschaufeln 14 auf, die sich von derselben aus radial nach aussen erstrecken. Jede Schaufel hat einen Wurzelabschnitt 16 und einen aerodynamischen Abschnitt 18. Jeder Wurzelabschnitt ist von der «Tannenbaum»-Bauart. Der Wurzelabschnitt jeder Schaufel fasst in einem entsprechend geformten Schlitz 20 an dem Umfang der Scheibe ein. Jeder Scheibenschlitz erstreckt sich bis unter den Wurzeiab-schnitt der Schaufel, um einen Wurzelhohlraum 22 zwischen der Schaufel und der Scheibe zu bilden. Wenigstens eine Seitenplatte 24 liegt an der Scheibe an, um die Schaufeln in den entsprechenden Scheibenschlitzen einzuschliessen. Mehrere Nieten 26, die durch entsprechende Wurzelhohlräume hindurchgehen, halten jede Seitenplatte an der Scheibe fest.

Die «Tannenbaum»-Befestigung ist ausführlicher in den Fig. 2 und 4 dargestellt. Der Wurzelabschnitt 16 der Schaufel hat mehrere Zähne 28, die in die Scheibe passen. Der Befestigungsschlitz der Scheibe hat ebenfalls mehrere Zähne 30, die

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den Wurzelabschnitt der Schaufel erfassen. Jeden Schaufelzahn nimmt eine entsprechende Nut 32 in dem Scheibenschlitz auf. Jeden Scheibenzahn nimmt eine entsprechende Nut 34 in der Schaufel auf. Jede Scheibennut hat in einem oberen oder radial äusseren Bereich 36 ein Profil mit einem ersten Radius Ri und in einem unteren oder radial inneren Bereich 38 ein Profil mit einem zweiten Radius R2. Jede Schaufelnut hat in einem unteren oder radial inneren Bereich 40 einen ersten Radius Ri und in einem oberen oder radial äusseren Bereich 42 ein Profil mit einem zweiten Radius R2. Die Radien Ri sind grösser als die Radien R2. Fig. 4 zeigt die Beziehung der Radien Ri und R2, welche das Profil einer Scheibennut und einer Schaufelnut bilden.

Während der Drehung der Radanordnung drücken Zentrifugalkräfte die Schaufeln von der Scheibe aus radial nach aussen. Zentripetale Haltekräfte werden durch die Scheibe über die «Tannenbaum»-Befestigung auf jede Schaufel ausgeübt. Die Zähne der Schaufel und der Scheibe werden kombinierten Scher- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt. In den oberen Bereichen 36 der Scheibennuten 32 und in den unteren Bereichen 40 der Schaufelnuten 34 addieren sich die Scher- und Biegebeanspruchungen. In den unteren Bereichen 38 der Scheibennuten und in den oberen Bereichen 42 der Schaufelnuten wirken die Biege- und Scherbeanspruchungen einander entgegen. Als Ergebnis treten maximale kombinierte Beanspruchungen in den Bereichen 36 und 40 und insbesondere nahe der Stelle S auf.

Die «Tannenbaum»-Befestigung nach der Erfindung ist vergleichshalber in Fig. 2 neben einer bekannten «Tannen-baum»-Befestigung in Fig. 3 dargestellt. Die maximalen Beanspruchungen an dem Umfang des Schaufelmaterials und an dem Umfang des Scheibenmaterials sind in den Gebieten S höchster Konzentration nahezu gleich. Dargestellt ist deshalb eine Ausführungsform der Erfindung, die eine geringere Wurzeltiefe D ermöglicht. Die geringere Wurzeltiefe wird durch die Verwendung der Verbundradien erreicht, welche die Scheibennuten 32 und die Schaufelnuten 34 bilden. Die Nuten sind mit den grösseren Radien Ri in den Gebieten S hoher Beanspruchungskonzentration versehen. Die kleineren Radien R2 werden in den Gebieten niedrigerer Beanspruchungskonzentration benutzt.

Die Menge an totem Material oberhalb des lebenden Randes der Scheibe ist zu der Tiefe D der Wurzel direkt proportional. Das Verringern der Wurzeltiefe ermöglicht eine Konstruktion mit einem niedrigeren Scheibengewicht. Ausserdem ermöglicht das Verringern der Wurzeltiefe eine erhöhte Schaufelbelastung in der Scheibe bei Ausführungsformen, die eine grosse Anzahl von Schaufeln auf einer Scheibe mit einem relativ kleinen Durchmesser erfordern. Die Schaufeln können in engeren Abständen angeordnet werden, während ausreichend Material an dem Umfang der Scheibe erhalten bleibt.

In anderen Ausführungsformen ergibt die Erfindung geringere maximale Beanspruchungen bei äquivalenten Schaufeltiefen D. In einer solchen Ausführungsform sind die Radien Ri grösser als die in Fig. 2 dargestellten, während die Radien R2 konstant gehalten werden.

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2 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Laufrad mit mehreren Laufschaufeln (14) und einer Läuferscheibe (12), die an ihrem Umfang mehrere Schaufelbefestigungsschlitze (20) aufweist, welche mit mehreren Zähnen (30) versehen sind, die in entsprechende Nuten (34) des Schaufelwurzelabschnittes (16) eingreifen und mehrere Scheibennuten (32) haben, die entsprechende Schaufelzähne (28) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Scheibennut (32) mit einem ersten Krümmungsradius (Ri) in einem radial äusseren Bereich (36) und mit einem zweiten Krümmungsradius (R2) in einem radial inneren Bereich (38) versehen ist, und wobei der erste Krümmungsradius (Ri) grösser als der Krümmungsradius (R2) ist, und dass die Schaufelnuten (34) jeweils in einem vom Schaufelprofilabschnitt (18) entfernteren Bereich (40) mit einem ersten Krümmungsradius (Ri) und jeweils in einem dem Schaufelprofilabschnitt (18) näheren Bereich (42) mit einem zweiten Krümmungsradius (R2) versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius (Ri) grösser ist als der zweite Krümmungsradius (R2).
2. Laufschaufel für ein Laufrad nach Anspruch 1 mit einem Schaufelprofilabschnitt (18) und einem Wurzelabschnitt (16), der mehrere Nuten (34) und Zähne (28) aufweist und in eine Läuferscheibe einzusetzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelnuten (34) jeweils in einem vom Schaufelprofilabschnitt (18) entfernteren Bereich (40) mit einem ersten Krümmungsradius (Ri) und jeweils in einem dem Schaufelprofilabschnitt (18) näheren Bereich (42) mit einem zweiten Krümmungsradius (R2) versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius (Ri) grösser ist als der zweite Krümmungsradius (R2).
3. Läuferscheibe für ein Laufrad nach Anspruch 1 mit mehreren Laufschaufelbefestigungsschlitzen (20), von denen jeder mehrere Nuten (32) zum Erfassen der Zähne (28) des Wurzelabschnittes (16) einer Laufschaufel (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibennuten (32) jeweils mit einem ersten Krümmungsradius (Ri) in einem radial äusseren Bereich (36) und einem zweiten Krümmungsradius (R2) in einem radial inneren Bereich (38) versehen sind, wobei der erste Krümmungsradius (Ri) grösser als der zweite Krümmungsradius (R2) ist.