DE10128505C2 - Befestigung von Laufschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigung von Laufschaufeln an einer Scheibe eines Turbomaschinenrotors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist üblich, Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen mit gezahnten bzw. gewellten Füßen, häufig als "Tannenbaumfüße" bezeichnet, zu versehen und diese in axialen Scheibennuten formschlüssig zu halten. Die Kontaktflächen von Fuß und Nut neh­ men die radialen Fliehkräfte sowie strömungs- und beschleunigungsinduzierte Um­ fangskräfte und Biegemomente auf. Die Axialkräfte müssen durch zusätzliche Ele­ mente übertragen werden. Hierfür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie z. B. Anschlagflächen an einer Seite der Schaufelfüße und formschlüssig in Nuten auf der anderen Seite der Schaufelfüße einrastende Bleche, Ringe, Drähte etc.. Auch Schraubbefestigungen sind bekannt, wobei Schraubenlöcher und Gewinde in den hochbelasteten Scheiben festigkeitstechnisch sehr kritisch sind.

Aus der DE 195 16 694 A1 ist eine gattungsgemäße Befestigung bekannt, die eine Nietverbindung zur Aufnahme der Axialkräfte vorsieht. Pro Laufschaufel ist ein Niet vorhanden, der axial zwischen Laufschaufelfuß und Scheibennutgrund von einer bis zur gegenüberliegenden Scheibenstirnseite geführt ist. Die beiden Nietköpfe liegen auf Sitzplatten auf, die kleine Maßtoleranzen zwischen Schaufel und Scheibe aus­ gleichen können. Beim Schaufeltausch können die Nietköpfe z. B. durch Bohren ent­ fernt werden, ohne die Gefahr, die Scheibe oder die Schaufel zu beschädigen. Die relativ billigen Sitzplatten werden ohnehin erneuert, so dass deren Beschädigung beim Entfernen des Niets keine Rolle spielt. Es wird zugestanden, dass diese Lösung relativ einfach, preiswert sowie montage- und reparaturfreundlich ist. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Scheibennuten in Relation zum Schaufelfuß tiefer sein müssen als ohne Niet bzw. dass nur ein Niet mit relativ kleinem Querschnitt Platz findet. Ein wei­ terer, gravierender Nachteil liegt darin, dass die Axialkräfte im Bereich der Sitzplat­ ten in die Nietköpfe eingeleitet werden, wobei der gesamte Nietschaft unter Zug­ spannung steht. Durch die Kerbwirkung an den Übergängen Schaft/Kopf besteht unter Zugspannung akute Bruchgefahr. Zumindest können plastische Verformungen auftreten, die die Verbindung zunehmend lockern.

Die DE 31 48 985 C2 schützt eine Rotorbaugruppe, welche insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen geeignet ist. Die Laufschaufeln sind in axial durchgehenden Befestigungsschlitzen der Rotorscheibe radial und tangential formschlüssig fixiert. Für die axiale Fixierung der Laufschaufeln weist die Rotorscheibe eine umlaufende, radial nach außen offene Nut (44) auf. Jede Laufschaufel weist an ihrem Fuß eine radial nach innen offene Nut (48) auf, deren Länge auf die Schaufelfußbreite be­ schränkt ist. Bei der Schaufelmontage werden die Nuten (44, 48) in die selbe Axial­ position gebracht, so dass pro Laufschaufel ein die umlaufende Nut (44) und die Nut (48) erfassender Stift (52) tangential eingeführt und durch Verformen/Verbiegen an einem seiner Enden gesichert werden kann. Siehe hierzu die Fig. 2 bis 4 der Pa­ tentschrift. Die über einen Großteil Ihrer Länge kreiszylindrisch ausgeführten Stifte (52) besitzen relativ komplexe, asymmetrische Enden. Dies hat die Nachteile, dass die Stifte selbst aufwendige, filigrane Bauteile bilden und in Einbaulage im Bereich der umlaufenden Nut (44) für die zur Sicherung erforderliche Verformung nicht gut zugänglich sind. Ein festigkeits- bzw. verschleißtechnischer Nachteil liegt darin, dass der gerade, zylindrische Mantel jedes Stiftes (52) in der kreisförmig gekrümmten Nut (44) nicht flächig anliegt (theoretisch nur Linienberührung) und somit nicht optimal trägt. Dies kann zu Scheibenverschleiß, Verformungen etc. im Nutbereich führen, wobei die Verhältnisse mit abnehmendem Rotorscheibendurchmesser, d. h. mit zu­ nehmender Nutkrümmung, immer ungünstiger werden. Eine ggf. nachteilige Ein­ schränkung ergibt sich noch daraus, dass die Stifte (52) wegen der kreisförmig um­ laufenden, zur Rotorscheibenachse konzentrischen Nut (44) ausschließlich tangential zu dieser angeordnet sein können.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Lauf­ schaufelbefestigung mit Nietverbindung bereitzustellen, die bei mäßigem konstrukti­ vem Aufwand und hoher Montage- und Reparaturfreundlichkeit sowie geringem Platzbedarf festigkeitstechnisch deutlich besser und somit sicherer und zuverlässiger ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass jeder, in unverformtem Zustand rotations­ symmetrischer Niet in einer Radialebene bezüglich der Rotationsachse der Scheibe und somit quer zu den auftretenden Axialkräften angeordnet ist. Somit wird nur noch der Nietschaft auf Scherung belastet, die Nietköpfe sind weitestgehend lastfrei. Zug­ spannungen treten, falls überhaupt, nur noch in unproblematischer Größe auf, da sie nur aus Beschleunigungskräften und Fliehkräften aus der geringen Nietmasse resul­ tieren. Es können Niete mit relativ großem Schaftdurchmesser, d. h. großer Dicke verwendet werden mit dem Vorteil geringer Oberflächenpressung und kleiner Scher­ spannungen im Schaft. Die "Bohrungshälften" in den Laufschaufelfuß- und Scheiben­ fortsätzen umschließen die Nietschäfte weitestgehend und sorgen für eine günstige Krafteinleitung durch Flächenberührung.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Befestigung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Da­ bei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 eine räumliche Teilansicht des Befestigungsbereiches dreier Laufschaufeln an einer Scheibe, und

Fig. 2 eine Teilansicht des Bereiches der Nietbefestigung in Längsrichtung des Niets.

Fig. 1 ist die Kopie einer räumlichen Computergrafik, welche am Beispiel dreier Laufschaufeln 1 an einer Scheibe 6 die erfindungsgemäße Befestigung darstellt. Von den Laufschaufeln 1 sind jeweils nur die scheibennahe Plattform, d. h. die innere Ringraumbegrenzung, und der Laufschaufelfuß 2 erkennbar. Das jeweilige Schaufel­ blatt liegt oberhalb der Darstellung. Jeder Laufschaufelfuß 2 ist im Querschnitt tan­ nenbaumähnlich mit zwei spiegelsymmetrischen Vorsprüngen 3, 4 auf jeder Seite ausgeführt und wird von einer Scheibennut 7 formschlüssig gehalten. Die Scheiben­ nuten 7 verlaufen in der Regel axial, sie können aber auch durch definierte Drehung um eine gedachte Radialachse, z. B. die Auffädelachse der Schaufelprofile, in einem kleinen Winkel zur Axialrichtung stehen. Dies ist für das Prinzip der Erfindung jedoch unerheblich.

Die Laufschaufelfüße 2 und die Scheibe 6 weisen axiale Fortsätze 5, 8 auf, welche sich jeweils paarweise gegenüberstehen. In ein Paar von Fortsätzen 5, 8 ist eine ge­ meinsame Bohrung 9 eingeformt, in die ein Niet 10 gesteckt und durch plastische Verformung fixiert wird. In Fig. 1 sind als Beispiel Niete 10 mit Senkkopf 11 in noch unverformtem Zustand dargestellt. Die Achsen X der Bohrungen 9 und somit der Niete 10 liegen tangential an einem gedachten, zur Rotationsachse der Scheibe 6 konzentrischen, nicht dargestellten Kreis. Der kleinste Abstand A in Umfangsrichtung zwischen den Fortsätzen 8 an benachbarten Schaufelpositionen ist größer als die Länge L eines unverformten Niets 10, um letzteren montieren und vernieten zu kön­ nen. Hierbei ist auch der Platzbedarf des Nietwerkzeugs zu berücksichtigen. Abwei­ chend von der dargestellten, tangentialen Orientierung der Bohrungs- und Nietach­ sen X können diese in ihrer gemeinsamen Radialebene auch in jeder beliebigen Win­ kelposition zwischen tangential und radial sowie in rein radialer Position orientiert sein. Dabei müssten ggf. auch die Fortsätze in ihrer Lage angepasst werden. Schräge bis radiale Anordnungen können montagetechnische Vorteile bringen, allerdings wir­ ken dann auch Fliehkraftkomponenten in Nietlängsrichtung sowie Seitenkräfte auf die Laufschaufelfüße. Entscheidend für die Aufnahme der axialen Schaufelkräfte ist aber letztlich, dass die Bohrungs- und Nietachsen in einer gemeinsamen Radialebene bezüglich der Scheibenachse verbleiben. Natürlich soll die Achsorientierung relativ zur örtlichen Tangential- bzw. Radialrichtung bei jedem Niet am Scheibenumfang gleich sein.

Fig. 2 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Teilansicht in Richtung der Achse X der Bohrung 9 und somit des Niets 10. Vertikal strichpunktiert ist die Radialebene R angedeutet, welche quer zur Rotationsachse der Scheibe 6 steht, und in der die Ach­ sen X aller Bohrungen 9 und Niete 10 liegen sollen, hier wie in Fig. 1 mit tangenti­ aler Orientierung. Man erkennt, dass sich der axiale Fortsatz 5 des Laufschaufelfu­ ßes 2 und der axiale Fortsatz 8 der Scheibe 6 in geringem radialem Abstand gegen­ überstehen. Man erkennt auch, dass die Bohrung 9 etwa je zur Hälfte in beide Fort­ sätze 5 und 8 eingeformt ist, wobei der Niet 10 weitestgehend umschlossen wird. Der Senkkopf 11 des Niets 10 ist hier strichpunktiert angedeutet. Es wurde bereits erwähnt, dass Niete mit verschiedenen Kopfformen verwendbar sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Niete entfernbar/austauschbar sein müssen, ohne Schau­ feln und Scheibe zu beschädigen. Senkkopfähnliche Nietenden sind dabei wahr­ scheinlich leichter zu greifen und abzutrennen als Köpfe mit großen, ebenen Auflage­ flächen.

Claims (5)

1. Befestigung von Laufschaufeln an einer Scheibe eines Turbomaschinenrotors, insbesondere von Turbinenlaufschaufeln an einer Scheibe eines Gasturbinenro­ tors, mit Laufschaufelfüßen, die zumindest über den Großteil ihrer axialen Länge einen konstanten Querschnitt mit spiegelsymmetrischen, zahn- oder wellenarti­ gen Vorsprüngen aufweisen, mit die Laufschaufelfüße in Radial- und in Umfangs­ richtung formschlüssig haltenden, zumindest vorwiegend axial verlaufenden Scheibennuten sowie mit jeweils einer Nietverbindung pro Laufschaufel für deren axiale Fixierung an der Scheibe, dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl jeder Laufschaufelfuß (2) als auch die Scheibe (6) im Bereich jedes Laufschaufelfußes (2) jeweils einen axialen, integralen Fortsatz (5, 8) aufweisen,
dass sich die Fortsätze (5, 8) von Laufschaufel (1) und Scheibe (6) in geringem Abstand oder in gegenseitigem Kontakt paarweise gegenüberstehen,
dass jeweils eine mit ihrer Achse (X) in einer Radialebene (R), d. h. in einer Quer­ ebene zur Rotationsachse der Scheibe (6) liegende Bohrung (9) etwa zur Hälfte in den Fortsatz (5) des Laufschaufelfußes (2) und etwa zur Hälfte in den Fortsatz (8) der Scheibe (6) eingeformt ist,
dass alle in die Fortsätze (5) der Laufschaufelfüße (2) und in die Fortsätze (8) der Scheibe (6) eingeformten Bohrungen (9) mit ihren Achsen (X) bezüglich eines ge­ dachten Kreises um die Rotationsachse der Scheibe (6) in gleicher Weise ent­ weder tangential oder definiert schräg mit tangentialer und radialer Komponente oder radial ausgerichtet sind, und
dass in jede Bohrung (9) ein im unverformten Zustand rotationssymmetrischer Niet (10) eingesetzt und durch plastische Verformung fixiert ist.

2. Befestigung nach Anspruch 1 mit tangential ausgerichteten Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass die paarweise angeordneten Fortsätze (5, 8) der Lauf­ schaufelfüße (2) und der Scheibe (6) von einer Schaufelposition zu einer benach­ barten Schaufelposition einen minimalen Abstand (A) in Umfangsrichtung auf­ weisen, der definiert größer ist als die Länge (L) eines unverformten Nietes (10).

3. Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Niete mit Halbrundkopf und ebener Kopfauflagefläche oder Niete (10) mit Senkkopf (11) verwendet werden, wobei in letzterem Fall die Bohrungen (9) nietkopfseitig mit einer passenden Ansenkung versehen sein können.

4. Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass handelsübliche Standardniete zur Anwendung kommen.

5. Befestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietwerkstoff eine geringere mechanische Festigkeit und Härte aufweist als der Laufschaufelwerkstoff und der Scheibenwerkstoff jeweils im Bereich der Fortsätze (5, 8).