DE102005035901A1

DE102005035901A1 - Sicherungselement

Info

Publication number: DE102005035901A1
Application number: DE102005035901A
Authority: DE
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-07-30
Filing date: 2005-07-30
Publication date: 2007-02-01
Also published as: WO2007014543A1; EP1910647A1; US8128374B2; EP1910647B1; US20090092497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement zur Positionssicherung von Laufschaufeln in zumindest vorwiegend in Axialrichtung verlaufenden Nuten eines Rotorgrundkörpers eines Turbomaschinenrotors, mit einem plattenförmigen Grundkörper (24), wobei der Grundkörper (24) eine in etwa mittige Ausnehmung (25) aufweist, die zwischen zwei Endabschnitten (26, 27) des Grundkörpers (24) ausgebildet ist und einen zwischen den beiden Endabschnitten (26, 27) verlaufenden Mittelabschnitt (28) des Grundkörpers (24) definiert, wobei die beiden Endabschnitte (26, 27) parallel zueinander verlaufende Auflageflächen (29, 20) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement zur Positionssicherung von Laufschaufeln in zumindest vorwiegend in Axialrichtung verlaufenden Nuten eines Rotorgrundkörpers eines Turbomaschinenrotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines Sicherungselements an einem Turbomaschinenrotor, insbesondere an einem Gasturbinenrotor, und einen Turbomaschinenrotor.

Rotoren einer Turbomaschine, wie zum Beispiel Gasturbinenrotoren, verfügen über einen Rotorgrundkörper sowie über mehrere mit dem Rotorgrundkörper rotierende Laufschaufeln. Die Laufschaufeln können entweder integraler Bestandteil des Rotorgrundkörpers sein oder über Schaufelfüße in einer oder mehreren Nuten des Rotorgrundkörpers verankert sein. Rotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man als Blisk oder Bling, abhängig davon, ob ein scheibenförmiger oder ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt. Bei Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln über Schaufelfüße in einer Nut verankert sind, unterscheidet man zwischen Rotoren, bei welchen die Schaufelfüße der Laufschaufeln entweder in sogenannten Axialnuten des Rotorgrundkörpers oder in einer sogenannten Umfangsnut desselben befestigt sind. Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einen Gasturbinenrotor, bei welchem die Laufschaufeln über ihre Schaufelfüße in Nuten, die zumindest vorwiegend in Axialrichtung des Rotorgrundkörpers verlaufen, also in Axialnuten, befestigt sind.

Bei Gasturbinenrotoren, bei welchen die Laufschaufeln über ihre Schaufelfüße in solchen Axialnuten des Rotorgrundkörpers verankert sind, kommen zur Axialsicherung der Laufschaufeln plattenartige Elemente zum Einsatz, nämlich Sicherungselemente, die auch als Locking Plates bezeichnet werden, und Riegelelemente, die auch als Retaining Plates bezeichnet werden. Bei der Montage eines solchen Gasturbinenrotors werden die Riegelelemente bzw. die Retaining Plates in Ringnuten des Rotorgrundkörpers sowie der Laufschaufeln eingefädelt, wobei hierzu zumindest eine der Laufschaufeln in Axialrichtung verschoben wird, um das Einfädeln der Riegelelemente in die Ringnuten zu ermöglichen. Die Riegelelemente werden ihrerseits in ihrer Position in den Ringnuten über mindestens ein Sicherungselement bzw. eine Locking Plate gesichert, wobei das oder jedes Sicherungselement in die Ringnuten von Rotorgrundkörper sowie der Laufschaufeln in einen Freiraum zwischen zwei benachbarten Riegelelementen eingebogen wird.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Sicherungselementen besteht das Problem, dass dieselben nach dem Montieren in die Ringnuten zurückfedern und dann nicht definiert am Rotorgrundkörper anliegen. Hierdurch wird die Funktion der Sicherungselemente beeinträchtigt.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Sicherungselement zur Positionssicherung von Laufschaufeln zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Sicherungselement nach Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Sicherungselement weist einen plattenförmigen Grundkörper, wobei der Grundkörper eine in etwa mittige Ausnehmung aufweist, die zwischen zwei Endabschnitten des Grundkörpers ausgebildet ist und einen zwischen den beiden Endabschnitten verlaufenden Mittelabschnitt des Grundkörpers definiert, und wobei die beiden Endabschnitte parallel zueinander verlaufende Auflageflächen aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Sicherungselement ist gewährleistet, dass dasselbe nach dem Montieren in die Ringnuten von Rotorgrundkörper und Laufschaufeln mit Auflageflächen, die an den Endabschnitten des Grundkörpers des Sicherungselements ausgebildet sind, flächig bzw. eben am Rotorgrundkörper anliegt. Die erfindungsgemäßen Sicherungselemente erlauben eine sehr definierte und reproduzierbare Montage derselben in den Ringnuten von Rotorgrundkörper und Laufschaufeln. Hierdurch ist die volle Funktionalität der Sicherungselemente gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Montieren eines erfindungsgemäßen Sicherungselements an einem Turbomaschinenrotor ist in Anspruch 6 definiert, der erfindungsgemäßen Turbomaschinenrotor in Anspruch 10.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenrotor nach dem Stand der Technik in perspektivischer Seitenansicht;
2: einen weiteren Ausschnitt aus einem Gasturbinenrotor nach dem Stand der Technik in Vorderansicht;
3a-3b: Ansichten zur Verdeutlichung der aus dem Stand der Technik bekannten Montage von Sicherungselementen bei einem Gasturbinenrotor gemäß 1 und 2;
4: ein erfindungsgemäßes Sicherungselemente in Seitenansicht;
5: das erfindungsgemäße Sicherungselement in einer Zwischenstellung beim Montieren, nämlich nach dem Einbiegen desselben in Ringnuten von Rotorgrundkörper und Laufschaufeln;
6: das erfindungsgemäße Sicherungselement in einer weiteren Zwischenstellung beim Montieren zusammen mit einem Werkzeug;
7: das erfindungsgemäße Sicherungselement in montierter Position; und
8: das erfindungsgemäße Sicherungselement ebenfalls in montierter Position.
Bevor nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 bis 8 die hier vorliegende Erfindung in größerem Detail beschrieben werden, soll vorab unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ein aus dem Stand der Technik bekannter Gasturbinenrotor mit in zumindest vorwiegend in Axialrichtung verlaufenden Nuten – sogenannten Axialnuten – geführten Schaufelfüßen von Laufschaufeln beschrieben werden.
1 und 2 zeigen Ausschnitte eines aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinenrotors 10, der einen Rotorgrundkörper 11 sowie mehrere Laufschaufeln 12 aufweist. Jede der Laufschaufeln 12 verfügt über ein Schaufelblatt 13 sowie einen Schaufelfuß 14. In den Rotorgrundkörper 11 sind mehrere sich in Axialrichtung erstreckende Axialnute 15 eingebracht, wobei jede Laufschaufel 12 mit ihrem Schaufelfuß 14 in einer solchen Axialnut 15 im Rotorgrundkörper 11 verankert ist. Zur Axialfixierung bzw. Axialsicherung der in die Axialnute 15 eingeführten Laufschaufeln 12 dienen Riegelelemente 16 und Sicherungselemente 17. Die Sicherungselemente 17 werden auch als Locking Plates bezeichnet, die Riegelelemente 16 als Retaining Plates. Radial außen tragen die Laufschaufeln 12 Abschnitte eines Außendeckbands 18, wobei die Laufschaufeln 12 im Bereich des Außendeckbands 18 über eine sogenannte Z-Verzahnung miteinander verbunden sind.
Die Riegelelemente 16 sowie die Sicherungselemente 17 sind in montiertem Zustand des Gasturbinenrotors 10 in Ringnuten geführt, nämlich in einer Ringnut 19 des Rotorgrundkörpers 11 sowie in einer Ringnut 20 der Laufschaufeln 12.
Um die Riegelelemente 16 in die Ringnuten 19 und 20 von Rotorgrundkörper 11 sowie Laufschaufel 12 einführen zu können, werden, wie insbesondere 1 entnommen werden kann, einige Laufschaufeln 12 in Richtung der Pfeile 21 in Umfangsrichtung gekippt, so dass dazwischen positionierte Laufschaufeln 12 im Sinne der Pfeile 22 in Axialrichtung verschoben wer den können. Die in Axialrichtung verschobenen Laufschaufeln unterbrechen so die Ringnut 20 derselben bzw. geben die Ringnut 20 derart frei, dass die Riegelelemente 16 in die Ringnuten 19 und 20 eingeschoben bzw. eingefädelt werden können. Nach dem Einfädeln der Riegelelemente 16 werden an ausgewählten Umfangspositionen (siehe 2) in einen Freiraum zwischen benachbarten bzw. in Umfangsrichtung beabstandeten Riegelelementen 16 in die Ringnuten 19 und 20 gemäß 3a und 3b Sicherungselemente 17 eingebogen, wobei die eingebogenen Sicherungselemente 17 nach dem Einbiegen so weit wie möglich zurückgebogen und dabei so weit wie möglich geglättet werden. Dabei besteht nach dem Stand der Technik das Problem, dass die Sicherungselemente 17 nicht eben am Rotorgrundkörper 11 bzw. den Schaufelfüßen 14 anliegen. Zur Vermeidung dieser Problematik wird mit der hier vorliegenden Erfindung ein neuartiges Sicherungselement vorgeschlagen.
In 4 ist ein erfindungsgemäßes Sicherungselement 23 zur Positionssicherung der Laufschaufeln 12 in den Axialnuten 15 des Rotorgrundkörpers 11 vor der Montage desselben gezeigt. Das erfindungsgemäße Sicherungselement 23 verfügt über einen plattenförmigen Grundkörper 24, wobei der Grundkörper 24 eine in etwa mittige Ausnehmung 25 aufweist. Die Ausnehmung 25 ist zwischen zwei Endabschnitten 26 und 27 des Grundkörpers 24 ausgebildet und begrenzt einen Mittelabschnitt 28 desselben. Im Bereich der beiden Endabschnitte 26 und 27 verfügt das erfindungsgemäße Sicherungselement 23 über parallel zueinander verlaufende Auflageflächen 29 und 30. Die beiden Endabschnitte 26 und 27 weisen vor der Montage fluchtende Auflageflächen 29 und 20 auf. Der Mittelabschnitt 28 ist vor der Montage ungewölbt.
Ein derartiges erfindungsgemäßes Sicherungselement 23 kann im Montagefall analog zu 3a bis 3b zwischen Ringnuten 19 und 20 von Rotorgrundkörper 11 sowie Laufschaufeln 12 unter elastischer und plastischer Verformung des Sicherungselements 23 eingebogen werden, wobei nach dem Einbiegen des Sicherungselements 23 dasselbe die in 5 gezeigte Position bzw. Gestalt einnimmt. Die Auflageflächen 29 und 30 sind gewölbt, ebenso wie der Mittelabschnitt 28.
Zur weiteren Montage des erfindungsgemäßen Sicherungselements 23 wird, wie 6 zeigt, ein stempelartiges Werkzeug 33 auf den Mittelabschnitt 28 des Sicherungselements 23 gedrückt, wobei der Mittelabschnitt 28 sowie das stempelartige Werkzeug 33 derart bemessen sind, dass das stempelartige Werkzeug 33 ausschließlich im Mittelabschnitt 28 mit Abstand von den Endabschnitten 26 und 27 des Sicherungselements 23 an demselben wirksam wird. Mit Hilfe des stempelartigen Werkzeugs 33 wird das Sicherungsele ment 23 derart zurückgebogen, dass das Sicherungselement 23 im Mittelabschnitt 28 überbogen wird, so dass nach dem Entfernen des stempelartigen Werkzeugs 33 das Sicherungselement 23 die in 7 gezeigte Position einnimmt. Das Sicherungselement 23 wird dabei im Mittelabschnitt 28 in Bereichen 34 und 35, an welchen Randabschnitte des stempelartigen Werkzeugs 33 wirksam werden, unter Ausbildung des in 7 gezeigten Überbiegeabschnitts 31 plastisch verformt. Nach dem Entfernen des Werkzeugs 33 und damit nach dem Zurückbiegen des in die Ringnuten 19 und 20 des Rotorgrundkörpers 11 sowie die der Laufschaufeln 12 eingebogenen bzw. eingeschnappten Sicherungselements 23 verlaufen die Auflageflächen 29 und 30 der Endabschnitte 26 und 27 wieder parallel zueinander, so dass dieselben nach dem Zurückbiegen wieder fluchten. Die Auflageflächen 29 und 30 der Endabschnitte 26 und 27 nehmen nach dem Zurückbiegen des Sicherungselements 23 demnach wieder die in 4 gezeigte Position ein. Im Mittelabschnitt 23 hingegen verbleibt nach dem Entfernen des stempelartigen Werkzeugs 33 der bereits erwähnte, gewölbte Überbiegeabschnitt 31.
Wie 4 bis 8 entnommen werden kann, verfügt das erfindungsgemäße Sicherungselement 23 im Bereich des Endabschnitts 27 über einen Vorsprung 36. Dieser Vorsprung 36 wird, wie 8 entnommen werden kann, bei der Montage des erfindungsgemäßen Sicherungselements in die Ringnut 19 des Rotorgrundkörpers 11 eingefädelt. Der Vorsprung 36 ist dabei derart dimensioniert, dass ein Schwerpunkt 37 des erfindungsgemäßen Sicherungselements 23 gegenüber einer radialen Anlage 38 des Endabschnitts 26 in der Ringnut des Schaufelfußes 12 derart versetzt ist, dass im Betrieb auf das Sicherungselement 23 wirkende Zentrifugalkräfte den Vorsprung 36 gegen eine Dichtfläche 32 im Bereich der Ringnut 19 des Rotorgrundkörpers 11 drücken. Hierdurch ergibt sich eine optimierte Dichtwirkung für das erfindungsgemäße Sicherungselement 23.

10: Gasturbinenrotor
11: Rotorgrundkörper
12: Laufschaufel
13: Schaufelblatt
14: Schaufelfuß
15: Axialnut
16: Riegelelement
17: Sicherungselement
18: Außendeckband
19: Ringnut
20: Ringnut
21: Pfeil
22: Pfeil
23: Sicherungselement
24: Grundkörper
25: Ausnehmung
26: Endabschnitt
27: Endabschnitt
28: Mittelabschnitt
29: Auflagefläche
30: Auflagefläche
31: Überbiegeabschnitt
32: Dichtfläche
33: Werkzeug
34: Bereich
35: Bereich
36: Vorsprung
37: Schwerpunkt
38: Anlage

Claims

Sicherungselement zur Positionssicherung von Laufschaufeln in zumindest vorwiegend in Axialrichtung verlaufenden Nuten eines Rotorgrundkörpers eines Turbomaschinenrotors, mit einem plattenförmigen Grundkörper (24), wobei der Grundkörper (24) eine in etwa mittige Ausnehmung (25) aufweist, die zwischen zwei Endabschnitten (26, 27) des Grundkörpers (24) ausgebildet ist und einen zwischen den beiden Endabschnitten (26, 27) verlaufenden Mittelabschnitt (28) des Grundkörpers (24) definiert, wobei die beiden Endabschnitte (26, 27) parallel zueinander verlaufende Auflageflächen (29, 20) aufweisen.
Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zueinander verlaufenden Auflageflächen (29, 20) der Endabschnitte (26, 27) nach der Montage dem Rotorgrundkörper zugewandt sind.
Sicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (28) vor der Montage in etwa eben bzw. ungewölbt ist, und dass der Mittelabschnitt (28) nach der Montage einen gewölbten Überbiegeabschnitt (31) aufweist.
Sicherungselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (28) derart bemessen ist, dass zur Montage ein stempelartiges Werkzeug (33) ausschließlich im Mittelabschnitt (28) mit Abstand von beiden Endabschnitten (26, 27) auf das Sicherungselement derart einwirkt, dass dasselbe im Mittelabschnitt (28) in Bereichen (34, 35), auf welchen Randabschnitte des Werkzeugs (33) aufliegen, plastisch verformt wird.
Sicherungselement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen im Bereich eines Endabschnitts (27) des Grundkörpers (24) ausgebildeten, im Montagefall radial innen liegenden Vorsprung (36), der den Schwerpunkt (37) des Sicherungselements derart bestimmt, dass im Betrieb des Turbomaschinenrotors wirkende Zentrifugalkräfte den Vorsprung (36) gegen eine Dichtfläche (32) drücken.
Verfahren zum Montieren eines Sicherungselements (23) an einem Turbomaschinenrotor, zur Positionssicherung von Laufschaufeln in zumindest vorwiegend in Axialrichtung verlaufenden Nuten eines Rotorgrundkörpers des Turbomaschinenrotors, wobei das Sicherungselement (23) durch plastisches und elastisches Verformen mit Endabschnitten (26, 27) in Ringnuten (19, 20) des Rotorgrundkörpers (11) und der Laufschaufeln (12) zwischen zwei in Umfangrichtung beabstandeten Riegelelementen (16) eingebogen bzw. eingeschnappt wird, und wobei das Sicherungselement (23) anschließend durch Zurückbiegen möglichst gerade gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (23) nach dem Einbiegen bzw. Einschnappen unter Verwendung eines stempelartigen Werkzeugs (33) derart zurückgebogen wird, dass das stempelartige Werkzeug (33) gegen einen von einer Ausnehmung (25) definierten Mittelabschnitt (28) des Sicherungselements (23) gedrückt wird und dabei den Mittelabschnitt (28) definiert überbiegt, so dass nach Entfernen des stempelartigen Werkzeugs (33) die Endabschnitte (26, 27) des Sicherungselements (23) in den Ringnuten (19, 20) definiert zur Anlage kommen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des Werkzeugs (33) die beiden Endabschnitte (26, 27) des Sicherungselements (23) in etwa parallel zueinander verlaufen bzw. fluchten.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des Werkzeugs (33) der Mittelabschnitt (28) einen gewölbten Überbeigeabschnitt (31) aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das stempelartiges Werkzeug (33) ausschließlich im Mittelabschnitt (28) mit Abstand von beiden Endabschnitten (26, 27) auf das Sicherungselement (23) gedrückt wird, wobei der Mittelabschnitt (28) in Bereichen (34, 35), auf welchen Randabschnitte des Werkzeugs (33) aufliegen, plastisch verformt wird.
Rotor einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbinenrotor, mit einem Rotorgrundkörper (11), wobei der Rotorgrundkörper (11) mehrere sich zumindest vorwiegend in Axialrichtung bzw. Durchströmungsrichtung erstreckende Axialnute (15) aufweist, und mit mehreren Laufschaufeln (12), wobei jede Laufschaufel (12) über einen Schaufelfuß (14) in einer Axialnut (15) des Rotorgrundkörpers (11) verankert ist, und wobei die Laufschaufeln (12) in ihrer Verankerungsposition im Rotorgrundkörper (11) vor einer Verschiebung in Axialrichtung durch Sicherungselemente und Riegelelemente gesichert sind, die in Ringnuten (19, 20) der Rotorgrundkörpers (11) und der Laufschaufeln (12) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Sicherungselemente (23) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 in den Ringnuten (19, 20) positioniert sind.