DE102006025883A1

DE102006025883A1 - Gasturbinenrotor

Info

Publication number: DE102006025883A1
Application number: DE102006025883A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenrotor, insbesondere für ein Gasturbinenflugtriebwerk, mit einem Rotorgrundkörper (11), mehreren Laufschaufeln (12) und einem sich radial außen an die Laufschaufeln (12) anschließenden Deckband (13). Erfindungsgemäß ist das Deckband (13) als geschlossener Ring ausgebildet, der im Ruhezustand sowie im Betrieb des Gasturbinenrotors mit Druckspannung an radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln (12) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenrotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
Bei aus der Praxis bekannten Gasturbinen sind insbesondere solche Gasturbinenrotoren, die in einer Turbine der Gasturbine verwendet werden, mit einem sich radial außen an die Laufschaufeln anschließenden Deckband ausgestattet. Bei Gasturbinenrotoren mit einem solchen Außendeckband können als Dichtungen Bürstendichtungen oder auch Stoffdichtungen eingesetzt werden, um einen Spalt zwischen dem Außendeckband und einem Gehäuse der Gasturbine abzudichten. Die Herstellung von Gasturbinenrotoren mit einem Außendeckband ist jedoch bislang aufwendig und teuer, so dass ein Bedarf an einem neuartigen Konzept für Gasturbinenrotoren mit Außendeckband besteht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Gasturbinenrotor zu schaffen.
Dieses Problem wird durch einen Gasturbinenrotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Deckband als geschlossener Ring ausgebildet, der im Ruhezustand sowie im Betrieb des Gasturbinerotors mit Druckspannung an radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln anliegt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das Deckband als geschlossenen Ring auszubilden, der sowohl im Ruhezustand des Gasturbinenrotors als auch im Betrieb desselben mit Druckspannung an radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln anliegt.
Das als geschlossener Ring ausgebildete Deckband ist sozusagen auf die Laufschaufeln des Gasturbinenrotors aufgeschrumpft. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass ein erwärmter bzw. erhitzter und damit ausgedehnter Ring auf nicht-erwärmte bzw. nicht-erhitzte Laufschaufeln des Rotors gesteckt wird, wobei nach entsprechender Abkühlung und damit Schrumpfung des Rings derselbe mit Druckspannung an den radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln anliegt. Andererseits kann auch der das Deckband bildende Ring in einem nicht-erhitzten bzw. nicht-erwärmten Zustand auf gekühlte und damit geschrumpfte Laufschaufeln aufgesteckt werden, wobei nach entsprechender Erwärmung der Laufschaufeln und damit Ausdehnung derselben der das Deckband bildende Ring wiederum unter Druckspannung an den radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln anliegt.
Vorzugsweise ist das Deckband aus einem solchen Werkstoff gebildet, dass eine sich im Betrieb des Gasturbinerotors aus der Summe mechanischer und thermischer Verformungen ergebende effektive Dehnung des Deckbands kleiner oder gleich der effektiven Dehnung des Rotorgrundkörpers und der Laufschaufeln ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Deckband aus einem Werkstoff gebildet, der einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als der Werkstoff bzw. die Werkstoffe, aus welchem bzw. aus welchen der Rotorgrundkörper und die Laufschaufeln gebildet ist bzw. sind.
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 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors.
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors 10 für vorzugsweise ein Gasturbinenflugtriebwerk, der im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel als integral beschaufelter Rotor ausgebildet ist. Der Gasturbinenrotor 10 verfügt demnach über einen Rotorgrundkörper 11 sowie Laufschaufeln 12, wobei die Laufschaufeln 12 integraler Bestandteil des Rotorgrundkörpers 11 sind.
Abhängig davon, ob ein scheibenförmiger oder ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt, wird ein solcher integral beschaufelter Rotor auch als Blisk oder Bling bezeichnet.
Neben dem Rotorgrundkörper 11 und den Laufschaufeln 12 verfügt der Gasturbinenrotor 10 weiterhin über ein Deckband 13, welches sich radial außen an die Laufschaufeln 12 anschließt. Bei dem Deckband 13 handelt es sich demnach um ein Außendeckband des Gasturbinenrotors 10.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist das Deckband 13 des Gasturbinenrotors 10 als geschlossener Ring ausgebildet, der sowohl im Ruhezustand als auch im Betrieb des Gasturbinenrotors 10 mit einer Druckspannung an den radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln 12 anliegt. Das Deckband 13 ist sozusagen auf die Laufschaufeln 12 des Gasturbinenrotors 10 aufgeschrumpft.
Das Deckband 13 ist dabei aus einem solchen Werkstoff gebildet, dass eine sich im Betrieb des Gasturbinenrotors 10 aus der Summe mechanischer und thermischer Verformungen ergebende effektive Dehnung des Deckbands 13 kleiner oder gleich der effektiven Dehnung des Rotorgrundkörpers 11 und der Laufschaufeln 12 ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich das Deckband 13 im Betrieb nicht von den Laufschaufeln 12 des Gasturbinenrotors 10 lösen kann, so dass dasselbe demnach auch im Betrieb unter Druckspannung an den radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln 12 anliegt.
Die thermische Ausdehnung sowie mechanische Ausdehnung des Deckbands 13 im Betrieb des Gasturbinenrotors 10 ist kleiner oder gleich der entsprechenden Ausdehnung des Rotorgrundkörpers 11 sowie der Laufschaufeln 12. Vorzugsweise ist das Deckband 13 aus einem Werkstoff gebildet, der einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie einen geringeren Elastizitätsmodul als der Werkstoff bzw. die Werkstoffe aufweist, aus welchem bzw. aus welchen der Rotorgrundkörper 11 und die Laufschaufeln 12 gebildet ist bzw. sind.
Bevorzugt ist das Deckband aus einem MMC-Werkstoff, einem CFK-Werkstoff oder einem CC-Werkstoff gebildet. Bei Gasturbinenrotoren, die lediglich relativ geringen Temperaturen ausgesetzt sind, so z. B. bei Rotoren eines Niederdruckverdichters einer Gasturbine, ist das Deckband vorzugsweise aus einem CFK-Werkstoff hergestellt.
Bei Gasturbinenrotoren hingegen, die relativ hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ist das Deckband vorzugsweise aus einem CC-Werkstoff oder aus einem MMC-Werkstoff hergestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei einem MMC-Werkstoff um einen faserverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoff handelt. Bei einem CFK-Werkstoff handelt es sich um einen faserverstärkten Kunststoffmatrix-Verbundwerkstoff. Bei einem CC-Werkstoff sind Kohlenstofffasern in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet.
Bedingt dadurch, dass die thermische Ausdehnung sowie gegebenenfalls mechanische Ausdehnung des Deckbands geringer ist als die der Laufschaufeln sowie des Rotorgrundkörpers, werden die Laufschaufeln im Betrieb fest in das als geschlossener Ring ausgebildete Deckband eingepresst. Dies führt zu einer mechanischen Entlastung des Rotorgrundkörpers, der dann leichter ausgelegt werden kann. Hierdurch können Gasturbinenrotoren insgesamt mit geringerem Gewicht ausgeführt werden. Da der Ring geschlossen ist, können Bürstendichtungen sowie Stoffdichtungen besonders bevorzugt zur Abdichtung eines Spalts zwischen dem Deckband 13 und einem das Deckband 13 umschließenden Gehäuse der Gasturbine verwendet werden. Da die vorzugsweise aus Titan hergestellten Laufschaufeln nicht mehr in das Gehäuse der Gasturbine einlaufen können, kann auf spezielle Feuerschutzschichten gegebenenfalls verzichtet werden. Die Laufschaufeln 12 werden durch das im Sinne eines Spannrings wirkende Deckband 13 effektiv gedämpft, so dass Schwingungsbrüche der Laufschaufeln 12 im Betrieb des Gasturbinenrotors 10 nicht zu befürchten sind.
Das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip für einen Gasturbinenrotor ermöglicht eine einfache Bauweise für integral beschaufelte Gasturbinenrotoren, da zur Herstellung eines solchen Gasturbinenrotors deckbandlose Laufschaufeln an einen Rotorgrundkörper angeschweißt werden können. Ein als Deckband wirkender, geschlossener Ring wird auf die deckbandlosen Laufschaufeln sozusagen aufgeschrumpft, und zwar derart, dass derselbe im Ruhezustand sowie später im Betrieb des Gasturbinenrotors mit Druckspannung an den radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln anliegt.
Obwohl die Verwendung der Erfindung bei integral beschaufelten Gasturbinenrotoren bevorzugt ist, kann dieselbe auch bei Gasturbinenrotoren verwendet werden, bei welchen die Laufschaufeln über Schaufelfüße in einer Nut des Gasturbinenrotors verankert sind.

10: Gasturbinenrotor
11: Rotorgrundkörper
12: Laufschaufel
13: Denkband

Claims

Gasturbinenrotor, insbesondere für ein Gasturbinenflugtriebwerk, mit einem Rotorgrundkörper, mehreren Laufschaufeln und einem sich radial außen an die Laufschaufeln anschließenden Deckband, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) als geschlossener Ring ausgebildet ist, der im Ruhezustand sowie im Betrieb des Gasturbinerotors mit Druckspannung an radial außenliegenden Abschnitten der Laufschaufeln (12) anliegt.
Gasturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem solchen Werkstoff gebildet ist, dass eine sich im Betrieb des Gasturbinerotors aus der Summe mechanischer und thermischer Verformungen ergebende effektive Dehnung des Deckbands kleiner oder gleich der effektiven Dehnung des Rotorgrundkörpers und der Laufschaufeln ist.
Gasturbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ausdehnung des Deckbands (13) im Betrieb des Gasturbinerotors kleiner oder gleich der thermische Ausdehnung des Rotorgrundkörpers und der Laufschaufeln ist.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem Werkstoff gebildet ist, der einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff bzw. die Werkstoffe, aus welchem bzw. aus welchen der Rotorgrundkörper und die Laufschaufeln gebildet ist bzw. sind.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem Werkstoff gebildet ist, der einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der Werkstoff bzw. die Werkstoffe, aus welchem bzw. aus welchen der Rotorgrundkörper und die Laufschaufeln gebildet ist bzw, sind.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem MMC-Werkstoff gebildet ist.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem CC-Werkstoff gebildet ist.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckband (13) aus einem CFK-Werkstoff gebildet ist.
Gasturbinenrotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorgrundkörper (11) und die Laufschaufeln (12) einen integral beschaufelten Rotor bilden.