DE10031116A1

DE10031116A1 - Axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen

Info

Publication number: DE10031116A1
Application number: DE2000131116
Authority: DE
Inventors: Baettig; Karl-Heinz Rohne
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Zur axialen Sicherung von Laufschaufeln (10) axial durchströmter Turbomaschinen ist eine Sicherungseinrichtung (20) vorgesehen, deren Sicherungskörper (22) in einen zwischen dem Ende (13) eines beispielsweise schwalbenschwanzförmig ausgestalteten Schaufelfußes (12) der Laufschaufel (10) und einer gegengleich ausgestalteten Radialnut (14) eines Schaufelträgers (16) gebildeten Radialspalt (18) angeordnet ist. Der Sicherungskörper (22) weist einen kraftaufnehmenden Abschnitt (24) und einen Sicherungsabschnitt (32) auf, wobei am kraftaufnehmenden Abschnitt (24) ein eine stromaufwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite (36) formschlüssig hintergreifendes erstes Halteelement (26, 26') und ein von diesem in Strömungsrichtung beabstandet angeordnetes und eine stromabwärts gerichtete Haltefläche (40) des Schaufelfußes (12) formschlüssig hintergreifendes zweites Halteelement (28) vorgesehen ist. Das erste Halteelement (26, 26') und das zweite Halteelement (28) sind jeweils als einstückig an den Sicherungskörper (22) angeformte Nasen ausgebildet. Zur Sicherung gegen axial stromaufwärts gerichtete Kräfte B weist der Sicherungsabschnitt (32) ein eine stromabwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite (38) hintergreifendes Sicherungselement (34) auf.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1.

Auf die Laufschaufeln von axial durchströmten Turbomaschinen wirken auf Grund der Rotation Zentrifugalkräfte. Diese Kräfte werden in der Regel durch tannebaum- bzw. schwalbenschwanzförmige Ausgestaltung von radial angeordneten, form schlüssigen Nut-Federverbindung zwischen Laufschaufel und Schaufelträger auf gefangen. Die durch die axiale Strömungsrichtung des Strömungsmediums auftre tenden axialen Kräfte müssen dagegen mittels einer gesonderten Sicherungsein richtung aufgefangen werden.

Stand der Technik

Zur Sicherung der Schaufeln in axialer Richtung sind verschiedene Sicherungsein richtungen bekannt. Aus der Patentschrift US-2,641,443 ist beispielsweise ein Si cherungsblech bekannt, das im Radialspalt zwischen Schaufelfussende und Radial nutboden angeordnet ist, wobei sich die Radialnut vom stromabwärts gelegenen Ende her über etwa ein fünftel der Ausdehnung von Schaufelfuss und Schaufelträ ger erstreckt und in einer in den Schaufelfuss eingearbeiteten Nut endet. Das Siche rungsblech ist an einem Ende etwa senkrecht zur Längsachse des Bleches derart umgebogen, dass es mit diesem Ende in die Nut des Schaufelfusses eingreifen kann. Zur Sicherung ist in eingebautem Zustand das andere Ende in die entgegen gesetzte Richtung umgebogen und hintergreift eine hintere Stirnseite des Schaufel trägers. Um das Blech im Radialspalt zwischen Schaufelfussende und Radialnutbo den fixiert zu halten, weist das Blech eine radial nach innen zeigende Ausstülpung sowie eine die Breite des Radialspaltes ausfüllende oder sogar leicht übertreffende Erweiterungen auf. Dies erschwert und verteuert die Herstellung des Bleches. Vom Blech werden nur die verhältnismässig geringen, axial stromaufwärts wirkenden Kräfte aufgenommen. Die geringe Materialstärke des Bleches und die Material schwächung durch das Biegen machen das Blech untauglich, grosse Schub und Scherkräfte aufzunehmen. Die grösseren, axial stromabwärts wirkende Kräfte wer den von einem die vordere Stirnseite des Schaufelträgers hintergreifenden Vor sprung des Schaufelfusses und vom Schaufelträger aufgenommen. Der Vorsprung am Schaufelfuss und die in den Fuss eingearbeitete Nut machen die Herstellung des Schaufelfusses kompliziert und teuer.

Eine gattungsgemässe Sicherungseinrichtung ist aus der Patentschrift DE-92 50 26 bekannt. Zur Sicherung der Laufschaufel in axialer Richtung wird ein Blech verwen det, dessen Länge grösser ist als die axiale Ausdehnung des tannenbaumförmigen Schaufelfusses bzw. der gegengleich ausgebildeten Radialnut des Schaufelträgers. Zur Aufnahme der axialen Kraft in Strömungsrichtung des beaufschlagenden Mediums ist am stromaufwärts ausgerichteten Ende des Bleches ein Endbereich derart umgebogen, dass er eine stromaufwärts ausgerichtete Stirnseite des Schaufelträ gers hintergreift. Am stromabwärts ausgerichteten Ende des Bleches ist ein weiterer Endbereich des Bleches derart U-förmig umgebogen, dass die Flanken des U etwa senkrecht zur Längsachse des Bleches ausgerichtet sind und der dem Blech be nachbarte, stromaufwärts gelegene Schenkel eine stromabwärts gerichtete Halteflä che des Schaufelfusses hintergreift. Zur Sicherung des Bleches in entgegengesetz ter axialer Richtung ist die Länge des U-förmig umgebogenen, stromabwärts ge richteten Endbereiches des Bleches so gewählt, dass der stromabwärtsgelegene Schenkel des U über die Blechlängsachse und damit über den Spalt zwischen Schaufelträger und Schaufellfuss hinausragt und mit diesem über das Blech hinaus ragenden Teil die stromabwärts ausgerichtete Stirnseite des Schaufelträgers hinter greift. Diese stromabwärts ausgerichtete Stirnseite des Schaufelträgers ist um die Breite des U gegenüber der Haltefläche des Schaufelfusses stromabwärts versetzt angeordnet.

Die Herstellung des beschriebenen Bleches ist aufwendig, da zum einen das Material so gewählt werden muss, dass es in die geforderte Form gebogen werden und dennoch die auftretenden Kräfte aufnehmen kann. Zum anderen weil die Endbereiche der Bleche mit hoher Präzision gebogen werden müssen, um die Schaufeln in ihrer axialen Lage genau zu fixieren. Ein solches Blech kann nur bedingt auf die möglichen Schub- und Scherkräfte ausgelegt werden, wobei durch das Biegen eine zusätzliche Materialschwächung eingebracht wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Sicherungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile behebt und eine einfache und wirtschaftliche Herstellung und Montage erlaubt.

Diese Aufgabe löst eine Sicherungseinrichtung gemäss den Merkmalen des Patent anspruches 1.

Erfindungsgemäss weist die Sicherungseinrichtung einen Sicherungskörper mit einem kraftaufnehmenden Abschnitt und einem Sicherungsabschnitt auf, wobei am kraftaufnehmenden Abschnitt ein erstes Halteelement und ein zweites Halteelement als einstückig angeformte Nasen ausgebildet sind. Durch die Ausbildung des ersten Halteelementes und zweiten Halteelementes in der Form von einstückig angeformten Nasen lässt sich der Sicherungskörper leicht auf die möglichen Schub- und Scherkräfte auslegen. In Richtung der hauptsächlich auftretenden Kräfte axial in Strömungsrichtung, sind grosse Materialquerschnitte ausgebildet, die einen entspre chenden Widerstand bilden. Eine Materialschwächung durch Verformung tritt nicht auf. Die Herstellung des Sicherungskörpers ist sehr einfach z. B. mittels Laser schneiden möglich, da die Sicherungskörper - in eingebautem Zustand in Umfangs richtung des Schaufelträgers gesehen - konstante Dicken aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung einer quer zur Radialnut verlaufenden Ausnehmung im Schaufelfuss, da auf diese Weise das zweite Halteelement des Sicherungskörpers nicht nur bezüglich der axial in Strömungsrichtung wirkenden Kraft als Widerlager für den Schaufelfuss dient sondern auch für in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte als Sicherungselement.

Befindet sich die Ausnehmung im mittleren Bereich des Schaufelfusses, so ist dies bezüglich der auf den Schaufelfuss wirkenden Schub- und Scherkräfte besonders günstig.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei der die Ausnehmung mit der Haltefläche einen Absatz an der stromabwärts ausgerichteten Schaufelfussstirnseite bildet, da dies eine sehr einfache Bearbeitung des Schaufelfusses erlaubt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform weist zur Sicherung gegen stromaufwärts gerichtete axial Kräfte einen Sicherungsabschnitt mit einem Sicherungselement auf, wobei das Sicherungselement ähnlich einem Hammerblech eine hintere Schaufelträgerstirnseite hintergreifend umbiegbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage.

Besonders vorteilhaft ist es Sicherungsabschnitt und Sicherungselement als ein Stück, ohne Unterschied in der radialen Höhe zu formen. Dies vereinfacht die Herstellung weiter.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer abhängiger Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von zwei bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:

Fig. 1 einen Teil einer an einem Schaufelträger befestigten Schaufel sowie einen Teil des Schaufelträgers mit einer ersten Ausgestaltungsform der erfindungsgemässen Sicherungseinrichtung im axialen Schnitt entlang eines Radialnutbodens des Schaufelträgers;

Fig. 2 einen Schnitt durch Schaufel und Schaufelträger aus Fig. 1 entlang der Linie II-II;

Fig. 3 eine zweite Ausgestaltungsform der erfindungsgemässen Sicherungs einrichtung in zu Fig. 1 analoger Darstellung; und

Fig. 4 einen Schnitt durch Schaufel und Schaufelträger aus Fig. 3 entlang der Linie IV-IV;

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen je einen Teil einer Laufschaufel 10 mit einem tannen baumartig ausgestalteten Schaufelfuss 12, der in einer gegengleich tannenbaumar tig ausgestalteten Radialnut 14 eines Schaufelträgers 16 gehalten ist. In einem Ra dialspalt 18 zwischen dem Ende 13 des Schaufelfusses 12 und einem Radialnutbo den 15 der Radialnut 14 ist eine erfindungsgemässe Sicherungseinrichtung 20 mit einem Sicherungskörper 22 angeordnet.

Der Sicherungskörper 22 weist auf seiner gesamten Länge etwa die Breite des Radialspaltes 18 auf. Seine Länge übertrifft die axiale Ausdehnung der Radialnut 14 des Schaufelträgers 16 bzw. die des Schaufelfusses 12. Der Sicherungskörper 22 ist aufgeteilt in einen stromaufwärts gelegenen kraftaufnehmenden Abschnitt 24 und einen stromabwärts gelegenen Sicherungsabschnitt 32. Der kraftaufnehmende Ab schnitt 24 weist ein erstes Halteelement 26, 26' auf, das eine stromaufwärts gerich tete Schaufelträgerstirnseite 36 formschlüssig hintergreift. In axialer Richtung beab standet vom ersten Halteelement 26, 26' ist ein zweites Halteelement 28 angeord net, das eine stromabwärts gerichtete Haltefläche 40 des Schaufelfusses 12 form schlüssig hintergreift. Die beiden Halteelemente 26, 28 sind durch einen Verbin dungsabschnitt 30 voneinander getrennt. Dieser Verbindungsabschnitt 30 weist über seine gesamte axiale Länge eine etwa konstante radiale Höhe auf, was eine sehr einfache Herstellung des Sicherungselementes 20 sowie eine einfache Bearbeitung des Schaufelträgers 16 und des Schaufelfusses 12 ermöglicht. Im eingebauten Zu stand betrachtet, wird der Verbindungsabschnitt 30 vom ersten Halteelement 26, 26' zumindest radial gegen innen überragt und vom zweiten Halteelement 28 radial ge gen aussen überragt. Beide Halteelemente 26, 26', 28 sind als einstückig ange formte, massive Nasen ausgebildet, wodurch sie einen sehr guten Widerstand ge gen Schub- und Scherkräfte leisten.

Der im Anschluss an das zweite Halteelement 28 ausgebildete Sicherungsabschnitt 32 des Sicherungskörpers 22 weist eine geringere radiale Höhe auf als der Verbin dungsabschnitt 30 des kraftaufnehmenden Abschnittes 24. Sein stromabwärts gele genen Endbereich dient als Sicherungselement 34 und reicht über den Schaufelträ ger 16 bzw. den Schaufelfuss 12 hinaus. Zur Sicherung der Laufschaufel 10 und der Sicherungseinrichtung 20 gegen axial entgegen die Strömungsrichtung A wirkende Kräfte B ist das Sicherungselement 34 ähnlich einem Hammerblech radial nach innen, eine stromabwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite 38 hintergreifend umgebogen.

In der ersten Ausführungsform der Sicherungseinrichtung 20, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, erstreckt sich der kraftaufnehmenden Abschnitt 24 in axialer Richtung etwa über das erste Drittel der Radialnut 14 bzw. des Schaufelfusses 12. Die stromabwärts gerichtete Haltefläche 40 des Schaufelfusses 12 ist Teil einer Ausnehmung 46 im Schaufelfuss 12, die gegengleich zum zweiten Halteelement 28 ausgebildet ist und sich quer zur Radialnut 14, vorzugsweise etwa über deren ge samte Breite, erstreckt. Auf diese Weise können das zweite Halteelement 28 und die Ausnehmung 46 formschlüssig ineinander greifen. Der im Anschluss an das zweite Halteelement 28 ausgebildete Sicherungsabschnitt 32 des Sicherungskör pers 22 erstreckt sich über die zwei restlichen, stromabwärts gelegenen Drittel des Schaufelträgers 16 bzw. des Schaufelfusses 12. Auch der Sicherungsabschnitt 32 weist auf seiner gesamten axialen Länge eine konstante radiale Höhe auf, so dass eine sehr einfache Herstellung möglich ist. Da der Sicherungsabschnitt 32 nur - im Verhältnis zu den in Strömungsrichtung A auftretenden Kräften - geringe stromauf wärts gerichtete Kräfte B aufnehmen muss, kann die radiale Höhe des Sicherungs abschnittes 32 geringer bemessen werden als die des Verbindungsabschnittes 30. Dadurch kann das als Sicherungselement 34 dienende Ende des Sicherungsab schnittes 32 leichter radial nach innen umgebogen werden und die Materialkosten können gesenkt werden. Die Ausbildung der Ausnehmung 46 im Schaufelfuss 12 zwischen dem, stromabwärts gesehen, ersten und letzten Viertel der axialen Länge des Schaufelfusses 12, führt dazu, dass der als Widerlager für das zweite Halteele ment 28 dienende Teil des Schaufelfusses 12 sowohl stromabwärts als auch strom aufwärts eine hohe Materialdicke aufweist. Dies ist besonders bezüglich der strom abwärts auftretenden grossen Schub- und Scherkräfte sehr vorteilhaft.

In der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der kraftauf nehmende Abschnitt 24 nahezu über die gesamte axiale Ausdehnung von Radialnut 14 bzw. Schaufelfuss 12. Die Haltefläche 40 ist Teil einer an der stromabwärts aus gerichteten Stirnseite 42 des Schaufelfusses 12 einen Absatz 47 bildenden Aus nehmung 46'. Das erste Halteelement 26, 26' ragt in dieser Ausführungsform nicht nur radial nach innen über den Verbindungsabschnitt 30 hinaus (Nase 26), sonder hintergreift mit einer radial nach aussen überstehenden massiven Nase 26' form schlüssig auch die stromaufwärts ausgerichtete Stirnseite 44 des Schaufelfusses 12. Der Verbindungsabschnitt 30 zwischen dem ersten Halteelement 26; 26' und dem zweiten Halteelement 28 weist wiederum auf der gesamten axialen Länge eine etwa konstante radiale Höhe auf Vorteil dieser Ausgestaltungsform ist die beson ders einfache Bearbeitung des Schaufelfusses 12 und die hohe Materialdicke des Schaufelfusses 12, die als Widerlager für die Schub- und Scherkräfte zur Verfügung steht. Der kurze an das zweite Halteelement 28 anschliessende Sicherungsabschnitt 32 weist wiederum eine geringere radiale Höhe auf als der Verbindungsabschnitt 30 und geht in das Sicherungselement 34 über, das ähnlich einem Hammerblech die stromabwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite 38 hintergreifend umgebogen ist.

Die gezeigten Beispiele geben keine abschliessende Beschreibung der Erfindung. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass der Sicherungsabschnitt 32 und der Verbindungsabschnitt 30 die gleiche radiale Höhe aufweisen, und dass das Siche rungselement an den Sicherungsabschnitt angeformt ist und z. B. spezielle vom Material des Sicherungsabschnittes 32 abweichende Eigenschaften aufweist. Auch kann die Ausnehmung 46 an einem anderen als dem beschriebenen Ort vorgese hen sein.

Montage und Demontage des Schaufelfusses 12 im Schaufelträger 16 sind sehr einfach und schnell durchführbar. Der Sicherungskörper 22 wird formschlüssig in den Schaufelfuss 12 eingepasst, so dass die Halteelemente 26', 28 die entspre chende Haltefläche 40 bzw. gegebenenfalls die Schaufelfussstirnseite 44 hinter greifen und das Sicherungselement 34 als gerade Verlängerung des Sicherungsab schnittes 32 stromabwärts über den Schaufelfuss 12 hinausragt. Dann wird der Schaufelfuss 12 zusammen mit dem Sicherungskörper 22 stromabwärts in die Ra dialnut 14 des Schaufelträgers 16 eingeschoben bis das erste Halteelement 26 mit der Schaufelträgerstirnseite 36 formschlüssig in Anschlag gelangt. Nun wird das stromab über den Schaufelfuss 12 und den Schaufelträger 16 hinausragende Siche rungselement 34 so in Richtung des Schaufelträgers umgebogen dass es die strom abwärts gelegene Schaufelträgerstirnseite 36 möglichst formschlüssig hintergreift. Zur Demontage wird umgekehrt das als Sicherungselement 34 umgebogene Ende des Sicherungsabschnittes 32 zurückgebogen bis es die Verlängerung des Siche rungskörpers 22 bildet und der Schaufelfuss 12 aus der Radialnut 14 geschoben.

Bezugszeichenliste

A Richtung axial stromab
B Kraft stromaufwärts

10

Laufschaufel

12

Schaufelfuss

13

Schaufelfussende

14

Radialnut

15

Radialnutboden

16

Schaufelträger

18

Radialspalt

20

Sicherungseinrichtung

22

Sicherungskörper

24

kraftaufnehmender Abschnitt

26

,

26

' erstes Halteelement

28

zweites Halteelement

30

Verbindungsabschnitt

32

Sicherungsabschnitt

34

Sicherungselement

36

stromaufwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite

38

stromabwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite

40

stromabwärts gerichtete Haltefläche des Schaufelfusses

42

stromabwärts gerichtete Schaufelfussstirnseite

44

stromaufwärts gerichtete Schaufelfussstirnseite

46

,

46

' Ausnehmung

47

Absatz

Claims

1. Axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln (10) axial durchströmter Turbo maschinen, bei denen die Laufschaufeln (10) radial und in Umfangsrichtung mittels eines in eine Radialnut (14) eingeschobenen Schaufelfusses (12), gesi chert sind, mit

a) einem in einen zwischen Schaufelfussende (12) und Radialnutboden (15) gebildeten Radialspalt (18) passenden Sicherungskörper (22), der zwei Halteelemente (26, 26'; 28) aufweist,
b) von denen das erste Halteelement (26, 26') eine stromaufwärts gerichtete Schaufelträgerstirnseite (36) hintergreift und
c) das zweite Halteelement (28) vom ersten Halteelement (26, 26') in Strö mungsrichtung beabstandet angeordnet ist und eine stromabwärts gerich tete Haltefläche (40) des Schaufelfusses (12) hintergreift
d) und mit Sicherungselement (34), das eine stromabwärts gerichtete Schau felträgerstirnseite (38) hintergreift,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Sicherungskörper (22) einen kraftaufnehmenden Abschnitt (24) und ei nen Sicherungsabschnitt (32) aufweist, wobei am kraftaufnehmenden Ab schnitt (24) das zweite Halteelement (28) und das erste Halteelement (26, 26') jeweils als einstückig an den Sicherungskörper (22) angeformte Nasen ausgebildet sind, welche mit der stromaufwärts gerichteten Schaufelträger stirnseite (36) bzw. mit der stromabwärts gerichteten Haltefläche (40) des Schaufelfusses (12) formschlüssig verbindbar sind.

2. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltefläche (40) des Schaufelfusses (12) in einer quer zur Radialnut (18) ver laufenden Ausnehmung (46, 46') des Schaufelfusses (12) eine parallel zur Schaufelfussstirnseite (42) liegende Ausnehmungsseite bildet, und das zweite Halteelement (28) formschlüssig in die Ausnehmung (46, 46') eingreift.

3. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (46) zwischen dem in Strömungsrichtung (A) gesehen vorder sten Viertel und hintersten Viertel des Schaufelfusses (12) befindet.

4. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (46') einen Absatz (47) an der in stromabwärts ausgerichteten Schaufelfussstirnseite (42) bildend ausgebildet ist, so dass die Haltefläche (40) gegenüber der Schaufelfussstirnseite (42) um die Absatztiefe in die Radialnut (18) zurückversetzt ist.

5. Sicherungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekenn zeichnet, dass der kraftaufnehmende Abschnitt (24) zwischen dem ersten Hal teelement (26, 26') und dem zweite Halteelement (28) einen Verbindungsab schnitt (30) mit in radialer Richtung konstanter Höhe bildet.

6. Sicherungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der Sicherungsabschnitt (32) in radialer Richtung eine kon stante Höhe aufweist, die geringer ist als diejenige des Verbindungsabschnittes (30).

7. Sicherungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass das erste Halteelement (26, 26') auch die stromaufwärts ausgerichtete Schaufelfussstirnseite (44) formschlüssig hintergreift.

8. Sicherungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass das Sicherungselement (34) ein über Schaufelfuss (12) und Schaufelträger (16) hinausragender Teil des Sicherungskörpers (22) ist, der in der Art eines Hammerbleches die stromabwärts gerichtete Schaufelträger stirnseite (38) hintergreifend umbiegbar ist.