CH658701A5

CH658701A5 - Beschaufelter rotor einer axialstroemungsmaschine und verfahren zum beschaufeln desselben.

Info

Publication number: CH658701A5
Application number: CH7963/81A
Authority: CH
Inventors: Claudio Brumen
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1986-11-28
Also published as: FR2501283B1; JPH0233844B2; BE891325A; GB2089899A; DE3148984C2; DE3148984A1; SE8107451L; SE450843B; IT8125688A0; IT1142138B; US4389161A; FR2501283A1; JPS57126504A; GB2089899B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschaufelten Rotor einer Axialströmungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf ein Verfahren zum Beschaufein des Rotors.

Die Erfindung wurde zwar in der Gasturbinentriebwerksindustrie zum Verriegeln von Verdichter- und Turbinenlaufschaufeln an den Rotoren von solchen Triebwerken entwik-kelt, ihr Anwendungsbereich erstreckt sich jedoch auch auf Baugruppen mit ähnlicher Konfiguration.

Auf dem Gasturbinentriebwerksgebiet werden Rotorbau-5 gruppen typischerweise aus axial benachbarten Rotorscheiben gebildet, von denen aus sich mehrere Laufschaufeln radial über den Weg der Arbeitsmediumgase erstrecken, die durch das Triebwerk strömen. Ein Beispiel für eine solche Baugruppe aus beschaufelten Rotorstufen findet sich in der io US-PS 3 807 898. In dieser Baugruppe erstrecken sich mehrere Dichtplatten von der Rotorscheibe aus zu jeder Laufschaufelplattform, um die Laufschaufeln in der Vor- und Rückwärtsrichtung zu verriegeln und eine Leckage zwischen den Plattformen und der Scheibe zu blockieren. Eine weitere 15 Verriegelungsvorrichtung ist in der US-PS 2 713 991 beschrieben. Bei dieser Konstruktion ist die Verriegelungsvorrichtung ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Zylinder. Die Laufschaufel hat eine L-förmige Lippe, die den Zylinder erfasst, so dass der Zylinder zwei Scherebenen in dem Draht 2o aufweist, um einer Bewegung der Laufschaufel in einer axialen Richtung entgegenzuwirken. Diese Scherebenen sind quer zu der Längsachse des Zylinders ausgerichtet.

Trotz der Verfügbarkeit der obigen Verriegelungsvorrichtungen suchen Wissenschafter und Ingenieure weiterhin nach 25 verbesserten Verriegelungsvorrichtungen, die ein geringes Gewicht haben und die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen der Laufschaufel und der Rotorscheibe blockieren.

Bei dem beschaufelten Rotor gemäss der Erfindung wird dies durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des 30 Anspruches 1 erreicht. Das Verfahren zum Beschaufein des Rotors entsprechend der Erfindung weist die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 3 auf.

Die Rotorscheibe hat demnach eine Nut in ihrem Umfang, und jede Laufschaufel hat eine Sicherungsnut, die 35 der Nut in der Scheibe zugewandt ist. Ein ausgeschnittener Verriegelungsstift hat Nasen, die jeweils eine entsprechende Laufschaufel erfassen. Der Stift erstreckt sich in seitlicher Richtung über die Scheibe und den Fuss der Laufschaufel. In einer Ausführung begrenzt ein radialer Vorsprung an der 40 Laufschaufel die Sicherungsnut in der Laufschaufel. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift ist in den Nuten in der Schaufel und der Scheibe während des Zusammenbaues verschiebbar. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift ist in der Nut in der Scheibe angeordnet, und zwar in einer Linie mit den 45 Schaufelbefestigungsnuten in der Scheibe, um das Einführen von wenigstens zwei Laufschaufeln zu gestatten, und wird durch Verschiebung mit den Laufschaufeln und der Scheibe in Eingriff gebracht, um die Laufschaufeln an der Scheibe zu verriegeln.

so Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die geringe Baugrösse der Schaufel Verriegelung, die dadurch ermöglicht wird, dass der Vor- und Rückwärtsbewegung der Laufschaufel entgegengewirkt wird, durch eine Schubbelastung des Stiftes, die sich auf eine sich im wesentlichen in Längsrichtung des Stiftes 55 erstreckende Scherebene verteilt, die bei gleichem Stiftdurchmesser um ein Vielfaches grösser ist im Vergleich zu Schaufelverriegelungen, bei denen die Schubbelastung des Stiftes quer zu seiner Längsrichtung erfolgt. Man kann deshalb bei vorgegebener Schubbelastung mit dünneren Stiften auskom-60 men. Ein weiterer Vorteil ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Blockieren der Leckage von Arbeitsmediumgasen an der Rotorscheibe zwischen den Füssen der Laufschaufel und der Scheibe mit dem ausgeschnittenen Verriegelungsstift ergibt. Noch ein weiterer Vorteil ist der geringe Wert der 65 Schaufelfussspannungen, der auf die seitliche Berührung des Schaufelfusses an der Grenzfläche zwischen der Schaufel und der Scheibe zurückzuführen ist. Das einfache Zusammenbauen wird noch verbessert, indem die Schaufel gegen eine

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Bewegung in Vor- und Rückwärtsrichtung mit einem Verriegelungsstift festgehalten wird, der von einer Seite der Scheibe her voll zugänglich ist. Das einfache Zusammenbauen wird weiter noch dadurch verbessert, dass sämtliche Verriegelungsstifte in einer Scheibennut vor dem Einführen der Laufschaufeln angeordnet werden können und dass der Verriegelungsstift in der Nut während und nach dem Einbau der Laufschaufeln bewegt werden kann.

Der beschaufelte Rotor und das Verfahren zum Beschaufein desselben werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Teils eines Verdichterabschnitts eines Gasturbinentriebwerkes,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Teildarstellung einer Rotorstufenbaugruppe von Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht der Rotorstufenbaugruppe von Fig. 3 im zusammengebauten Zustand.

Die Erfindung wird am Beispiel des Verdichters eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Teil eines Verdichters 10. Ein Strömungsweg 12 für Arbeitsmedi-umgase erstreckt sich axial durch den Verdichter. Der Verdichter hat eine Statorbaugruppe 14 und eine Rotorbaugruppe 16. Die Rotorbaugruppe hat eine Drehachse Ar und enthält eine stromaufwärtige Rotorstufe 18 und eine stromab-wärtige Rotorstufe 20. Die stromabwärtige Rotorstufe ist in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rotorstufe angeordnet, so dass zwischen diesen Stufen sowohl ein axialer Teil des Strömungsweges als auch ein Hohlraum einwärts des Strömungsweges verbleiben. Die Statorbaugruppe enthält einen Kranz von Leitschaufeln 22, die sich über den Strömungsweg erstrecken und den axialen Teil des Strömungsweges in ein stromaufwärtiges Gebiet 24, das einen ersten Druck hat, und in ein stromabwärtiges Gebiet 26 unterteilen, das einen Druck hat, der höher ist als der erste Druck. Eine Ummantelung 30 berührt den Spitzenbereich jeder Leitschaufel und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um den Hohlraum zwischen den Rotorstufen in einen stromaufwärtigen Hohlraum 32 und einen stromabwärtigen Hohlraum 34 zu unterteilen. Der stromaufwärtige Hohlraum steht in Fluidverbindung mit dem stromabwärtigen Hohlraum.

Die stromabwärtige Rotorstufe 20 hat eine Scheibe 36 mit einem Umfang, wie dem Randabschnitt 38, der sich über dem Umfang der Scheibe erstreckt. Der Umfang der Rotorscheibe hat eine Nut 40, die sich insgesamt in Umfangsrichtung im Randabschnitt 38 erstreckt und insgesamt in Richtung nach aussen weist. Die Rotorbaugruppe hat mehrere Laufschaufeln, wie die einzelne Laufschaufel 42, die sich nach aussen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt. Der Randabschnitt 38 ist so ausgebildet, dass er die Laufschaufeln in mehreren Laufschaufelbefestigungsnuten aufnimmt, was durch die einzelne Laufschaufelbefestigungsnut 44 dargestellt ist. Diese Nuten erstrecken sich in einer im wesentlichen axialen Richtung. Jede Laufschaufel hat einen Fuss 46, der in der Form einer entsprechenden Laufschaufelbefestigungsnut angepasst ist. Der Fuss hat eine Nut 48. Die Nut in dem Fuss ist so ausgerichtet, dass sie der Nut in der Scheibe zugewandt ist, wenn die Laufschaufel eingebaut ist. Ein radialer Vorsprung 50 am Fuss erstreckt sich sowohl axial als auch radial, um die Sicherungsnut in der Laufschaufel zu begrenzen, und ist den Arbeitsmediumgasen in dem stromabwärtigen Hochdruckhohlraum 34 benachbart. Ein ausgeschnittener Verriegelungsstift 52, der sich sowohl in der Scheibennut als auch in einer entsprechenden Laufschaufelnut erstreckt, erfasst die Scheibe und die Laufschaufel.

Fig. 2 zeigt eine vergrösserte Querschnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und zwei ausgeschnittene Verriegelungsstifte 52, die einen gegenseitigen Abstand D haben. Jeder

Stift 52 hat eine Längsachse L. Der Stift hat eine leichte Krümmung und erstreckt sich in der Umfangsnut 40 der Scheibe 36 lateral. Der Stift hat radiale Nasen 54. Jede radiale Nase erstreckt sich in eine entsprechende Nut 48 in einer 5 Laufschaufel 42. Die Nasen an jedem Stift haben einen gegenseitigen Umfangsabstand Dr' zwischen sich bei einem Radius R von dem Mittelpunkt der Scheibe. Die Laufschaufelbefestigungsnut hat eine Umfangsbreite Dr" an dem Radius R von dem Mittelpunkt der Scheibe. Der Abstand Dr' io ist grösser als oder gleich der Breite Dr" (Dr' > Dr").

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht einer Rotorscheibe 36, einer Laufschaufel 42 und eines ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes 52. In dieser besonderen Ausführungsform ist der Umfangsabstand Dr' i5 zwischen den radialen Nasen 54 an jedem Stift grösser als die Umfangsbreite Dr" der Laufschaufelbefestigungsnut. Die strichpunktierten Linien zeigen den ausgeschnittenen Verriegelungsstift in der Nut 40 der Scheibe und in einer Linie mit der Scheibe angeordnet, um das Einbauen der Laufschau-20 fein 42 zu ermöglichen.

Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorscheibe 36, der Laufschaufeln 42 und des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes 52 im zusammengebauten Zustand.

Während des Zusammenbaues werden der Verriegelungs-25 stift 52 und der Kranz von Laufschaufeln 42 in den Rand 38 der Rotorscheibe 36 eingesetzt. Gemäss den strichpunktierten Linien in Fig. 3 ist der ausgeschnittene Stift in der Scheibe zuerst in einer Linie mit den Schlitzen 44 in der Scheibe, um das Einführen der entsprechenden Laufschaufeln in insge-30 samt axialer Richtung zu ermöglichen. In dieser Stellung sind die radialen Nasen an dem ausgeschnittenen Verriegelungsstift in einer Linie mit entsprechenden Teilen der Scheibe, die sich zwischen den Laufschaufelbefestigungsnuten erstrecken. Wenn die Laufschaufeln in die Scheibe eingeführt werden, 35 geht jede Laufschaufel an den benachbarten Nasen vorbei und fasst in eine entsprechende Laufschaufelbefestigungsnut 44 in der Scheibe ein. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift kann durch Verschiebung mit den Laufschaufeln und der Scheibe in Eingriff gebracht werden, um die Laufschaufeln 40 an der Scheibe zu verriegeln. Gemäss den Fig. 2 und 4 wird dieser Eingriff hergestellt, indem der ausgeschnittene Verriegelungsstift in der Nut 40 in der Scheibe verschoben wird, um die Nasen des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes in Eingriff mit den entsprechend ausgerichteten Nuten 48 in den 45 Laufschaufeln zu bringen. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift ist in Umfangsrichtung in der Nut 40 in der Scheibe und in den Nuten 48 in den Laufschaufeln verschiebbar, um das Einsetzen und Ausrichten von weiteren Verriegelungsstiften zu erleichtern, wenn weitere Laufschaufeln in die Scheibe 5o eingesetzt werden. Wegen dieser Verschiebbarkeit und wegen der Ausrichtung der Scheibennut können die benachbarten Stifte mit gegenseitiger Berührung eingebaut werden. In einem solchen Fall ist der Abstand D zwischen benachbarten Verriegelungsstiften null.

55 Gemäss Fig. 4 wird der Verriegelungsstift gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung gesichert, indem jedes Ende des Stiftes in radialer Richtung, vorzugsweise nach aussen, umgebogen wird. Selbstverständlich können andere mechanische Mittel zum Befestigen des Stiftes benutzt werden. Dar-60 über hinaus können die Stifte durch Schweissen oder Hartlöten festgelegt werden.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks strömen Arbeits-mediumgase auf dem Strömungs weg 12 durch den Verdichter 10. Wenn die Gase auf dem Strömungs weg durch den Ver-65 dichter hindurchgehen, haben sie die Tendenz, aus dem Hochdruckhohlraum 34 über die Schneidendichtungen an der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ummantelung 30 zurück in den Niederdruckhohlraum 32 zu strömen. Dieses

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Zurückströmen verringert den Wirkungsgrad des Verdichters. Die radialen Vorsprünge 50 an dem Fuss jeder Laufschaufel bewirken ein Pumpen der Arbeitsmediumgase in einer Richtung, die zu der des Zurückströmens entgegengesetzt ist, das Zurückströmen verringert und den Verlust an Verdichterwirkungsgrad verringert.

Wenn die Gase axial auf dem Strömungsweg 12 durch die Rotorstufe 20 des Verdichters gepumpt werden, üben sie eine Kraft entweder in stromaufwärtiger Richtung (Vorwärtsrichtung) während des normalen Betriebes oder in stromabwärti-ger Richtung (Rückwärtsrichtung) aus, wie es bei gestörter Verdichterförderung auftreten könnte. Der ausgeschnittene Verriegelungsstieft 52 erfasst sowohl die Schaufel als auch die Scheibe, so dass der Bewegung der Schaufel sowohl in der Vor- als auch in der Rückwärtsrichtung die Scherfestigkeit des Stiftes entgegenwirkt, die in einem in Längsrichtung des Stiftes ausgerichteten Scherabschnitt, wie beispielsweise einer Längsebene in dem Stift, wirkt. Der Stift 52 bietet den Scherkräften einen grösseren Scherquerschnitt dar als Stifte, die der Vor- und Rückwärtsbewegung der Schaufel mit einer Scherkraft entgegenwirken, die in dem Stift in einer Ebene gebildet wird, welche zur Längsrichtung des Stiftes rechtwinkelig ist. Ein Stift 52 mit kleinerem Durchmesser kann benutzt werden, um die Schaufel gegen eine bestimmte Kraft festzuhalten, verglichen mit diesen Querscherstiften, wodurch das Gewicht der Baugruppe und die aerodynamischen Verluste aufgrund der Vorrichtungen zum Festhalten des Stiftes verringert werden.

5 Mehrere Vorteile ergeben sich aus der spezifischen Lage des Stiftes in bezug auf die beschriebene Scheibe und die beschriebene Schaufel. Der Stift erfasst den Fuss der Schaufel und die Scheibe am Fuss der Schaufel. Die Schaufelspannungen sind in diesem Gebiet niedrig, verglichen mit den Span-io nungen in der Schaufel, die sich dadurch ergeben, dass die Schaufel radial ausserhalb von diesem Punkt erfasst wird, wo die Umfangsbreite der Schaufel kleiner als der Fussbereich ist. Darüber hinaus bewirken die ausgeschnittenen Stifte, dass die Leckage von Arbeitsmediumgasen über die Schaufelbefe-15 stigungsnut an der Scheibe blockiert wird. Darüber hinaus ist bei der beschriebenen Konstruktion die Scheibennut während der Fertigung zugänglich, was ermöglicht, die Ränder der Scheibe fertigzubearbeiten, um die Spannungskonzentration an dem Rand der Schaufelbefestigungsnut zu verkleinern. 20 Der Verriegelungsstift ist im Querschnitt, ebenso wie die Nuten, kreisförmig, wodurch die Spannungskonzentrationen in der Scheibe und der Schaufel verringert werden. Andere Querschnittsformen können im Rahmen der Erfindung benutzt werden.

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Beschaufeiter Rotor einer Axialströmungsmaschine mit einer Rotorscheibe (36), welche Schaufelbefestigungsnuten (44) aufweist, die sich im wesentlichen in axialer Richtung erstrecken, und mit einer Rotorscheibennut (40) versehen ist, die sich in Umfangsrichtung erstreckt und nach aussen weist, wobei jede Schaufelbefestigungsnut (44) jeweils eine entsprechende Laufschaufel (42) aufnimmt, welche mit einem Laufschaufelfuss (46) versehen ist, und mindestens zwei Laufschaufeln vorhanden sind, ferner mit wenigstens einem ausgeschnittenen Verriegelungsglied (52), das sowohl die Rotorscheibe (36) als auch wenigstens zwei Laufschaufeln (42) erfasst zum Festhalten der Laufschaufeln (42) gegen Bewegung in bezug auf die Rotorscheibe (36), wobei das Verriegelungsglied (52) sich in der Rotorscheibennut (40) in Umfangsrichtung erstreckt sowie zwischen einer ersten und einer zweiten Umfangsstellung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schaufelfuss (46) eine Sicherungsnut (48) aufweist, welche sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt, zu der Rotorscheibennut (40) in der Scheibe (36) gewandt und mit dieser axial und radial ausgerichtet ist, dass das Verriegelungsglied ein Verriegelungsstift (52) ist, der sich radial erstreckende Schaufelfesthaltenasen (54) aufweist, welche in der ersten Stellung des Verriegelungsstiftes (52) in Umfangsrichtung zwischen den Schaufelbefestigungsnuten (44) liegen und in der zweiten Stellung des Verriegelungsstiftes (52)

radial in die zugeordneten Sicherungsnuten (48) in den Füssen (46) der zugeordneten Schaufeln (42) ragen, um die Schaufeln gegen Vor- und Zurückbewegung bezüglich der Scheibe (36) zu verriegeln, und dass benachbarte Festhaltenasen (54) so weit voneinander entfernt sind, dass die Schaufel-füsse (46) zwischen den Nasen in der ersten Stellung des Verriegelungsstiftes (52) hindurchführbar sind.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Festhaltenase (54) des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes (52) von einer benachbarten Nase (54) des Stiftes um ein grösseres Mass entfernt ist als die entsprechende Breite (Dr") der Schaufelbefestigungsnuten (44).
3. Verfahren zum Beschaufein des Rotors nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einsetzen des Verriegelungsstiftes (52) in die Scheibennut (40) vor dem Einführen der Schaufeln (42) in die Schaufelbefestigungsnuten (44) und Ausrichten des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes (52), so dass die Festhaltenasen (54) zwischen den Schaufelbefestigungsnuten (44) der Scheibe (36) liegen, damit wenigstens zwei Rotorschaufeln (42) im wesentlichen in Axialrichtung in die zugeordneten Schaufelbefestigungsnuten (44) der Scheibe (36) eingeführt werden können, anschliessend Einführen der Schaufelfüsse (46) in die Schaufelbefestigungsnuten (44) derart, dass die Sicherungsnut (48) in jeder Laufschaufel (42) axial und radial mit der Nut (40) der Scheibe (36) ausgerichtet und dieser zugewandt ist, danach Verschieben des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes (52) längs der Rotorscheibennut (40) in der Scheibe (36), um die Nasen (54) des ausgeschnittenen Stiftes (52) mit den entsprechenden ausgerichteten Nuten (48) in den Laufschaufeln (42) in Eingriff zu bringen, und sichern des Verriegelungsstiftes (52) gegen Umfangsbewegung.