DE102007031712A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben eines Strahltriebwerkes - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben eines Strahltriebwerkes Download PDFInfo
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Classifications
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- F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben eines Strahltriebwerkes und eine Verwendung der Vorrichtung in einem Strahltriebwerk. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben mit der Vorrichtung in einem Strahltriebwerk.
- In Turbinentriebwerken werden die Turbine und der Verdichter üblicherweise auf einer Welle angeordnet. Insbesondere bei axial durchströmter Bauweise besteht der Verdichter hierbei aus mehreren Rotorscheiben, die jeweils eine Schaufelreihe tragen und untereinander verschweißt oder verschraubt sind.
- Bei einigen Verdichtern besteht nur ein Teil des Verdichters auf der Eintrittsseite aus Blisks (bladed disks), bei denen jeweils eine Scheibe mit den zugehörigen Schaufeln integral geformt ist. Speziell im vorderen Teil der Trommel lassen sich dadurch erhebliche Gewichtseinsparungen erzielen. Zur besseren Austauschbarkeit und Reparatur werden diese meist recht teuren Einzelkomponenten bevorzugt verschraubt statt verschweißt ausgeführt. Hierzu kommen einzelne Flansche in Frage, die jedoch Gewicht hinzufügen und das rotordynamische Verhalten verschlechtern.
- Des weiteren sind auch Anordnungen bekannt, bei denen sämtliche Rotorscheiben des Verdichters oder des gesamten Rotors über Zuganker eingespannt sind.
- Beim Einspannen einer größeren Anzahl von Scheiben tritt jedoch das Problem auf, dass eine ausreichend große Vorspannkraft über den gesamten Betriebsbereich aufrecht erhalten werden muss, was eine gute Abstimmung des thermischen Verhaltens von Rotor und Zuganker erfordert. Außerdem muss der Zuganker eine gute Steifigkeit aufweisen.
- Bei einer Verwendung von Zugankern ergeben sich außerdem Probleme bei der Demontage der Blisks im Schadensfall. Es muss immer der gesamte Rotor oder zumindest der gesamte Verdichter demontiert werden, um die Blisks austauschen zu können. Außerdem können vorhandene Wirbelgleichrichter, z. B. in Röhrenbauweise, nur schwer ein- und ausgebaut werden.
- Die
US 6,267,553 B1 offenbart eine Gasturbine mit einen Hochdruckverdichter, bei dem mehrere rohrförmige Zuganker vorhanden sind. Die Zuganker sind durch Öffnungen in den Rotorscheiben geführt, die radial um die Scheibenmitte angeordnet sind. Das Verspannen erfolgt über Schrauben, die in die Innengewinde der Zuganker eingeschraubt sind. - Die
US 5,537,814 beschreibt einen Zuganker für einen Gasturbinenantrieb, der nicht nur die Rotorscheiben des Verdichters, sondern auch die der Turbine einspannt. Der Zuganker ist hier eine Hohlwelle, die mit der Blisk in der ersten Stufe verschraubt ist. Stromab eines radialen Verdichterlaufrades ist eine Mutter auf ein Gewinde des Zugankers aufgeschraubt, um den Zuganker zu spannen. - Die Durchführung eines Zugankers durch die Scheiben erfordert zusätzliche Bohrungen in den Scheiben oder vergrößerte Scheibeninnendurchmesser, wodurch sich das Scheibengewicht erhöht.
- Eine ungeteilte Welle erlaubt außerdem keinen separaten modularen Aufbau von Verdichter und Turbine. Die Luftdurchführung eines ggf. vorhandenen Wirbelgleichrichters ist erschwert.
- Die Länge des Zugankers sowie verschiedene Materialien und Ausdehnungskoeffizienten der Scheiben erschweren die thermische Abstimmung zwischen Welle und Rotor und damit den Erhalt einer gleichmäßigen Vorspannkraft. Die während des Betriebs variable Vorspannkraft und die Länge des Zugankers verschlechtern die Steifigkeit des Rotors.
- Für eine möglichst geringe thermische Beanspruchung und daher geringes Gewicht der Scheiben sollte der Temperaturgradient entlang der Scheibe relativ gering sein. Da die Temperatur am Rotoraußendurchmesser von Stufe zu Stufe zunimmt, führt die gleichmäßige Temperatur im Rotorinnern jedoch bei einzelnen Scheiben zu erheblichen Temperaturgradienten.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben zu schaffen, die leicht montierbar und demontierbar ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
- Erfindungsgemäß sind bei einer Vorrichtung zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben eines Strahltriebwerkes, das im Wesentlichen einen axialen Verdichter mit mehreren beschaufelten Rotorscheiben, mindestens einen Turbinenabschnitt, mindestens eine Welle und mindestens einen Zuganker umfasst, wobei mindestens zwei beschaufelte Rotorscheiben an der Verdichtereintrittsseite als Blisks ausgebildet sind, die jeweils eine einteilige Ausführungsform einer Rotorscheibe mit am Umfang verteilten Laufschaufeln bilden, die Blisks mittels des Zugankers lösbar eingespannt und die anderen Rotorscheiben separat und unabhängig vom Zuganker fest miteinander verbunden.
- Das Einspannen der Blisks mit Hilfe eines Zugankers ermöglicht eine einfache Montage und Demontage sowohl beim Einbau als auch bei der Wartung oder im Schadensfall. Die Blisks können dabei einfach ein- bzw. ausgebaut werden, ohne dass z. B. mehrfache Verschraubungen gelöst werden müssen. Dadurch, dass die Blisks getrennt von den übrigen Rotorscheiben eingespannt sind, ergeben sich für den Zuganker eine kurze Baulänge und damit eine gute Steifigkeit.
- Der Zuganker ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet, innerhalb von zentralen Öffnungen in den als Blisks ausgebildeten Rotorscheiben angeordnet und fest mit einer Welle verbunden, die durch mindestens einen Turbinenabschnitt angetrieben wird. Die ohnehin in den Blisks vorhandenen zentralen Öffnungen können gut zur Montage und Demontage des Zugankers verwendet werden, und es sind keine zusätzlichen Bohrungen in den Scheiben erforderlich. Der Zuganker wird nicht durch die in Strömungsrichtung auf die Blisks folgenden Rotorscheiben hindurchgeführt, so dass die Scheibendurchmesser dieser Rotorscheiben nicht vergrößert werden müssen.
- Die Blisks sind mittels des Zugankers zwischen mindestens einer ersten Anordnung, die stromauf der Blisks liegt, und mindestens einer zweiten Anordnung, die stromab der Blisks liegt und mit einer Rotorscheibe verbunden ist, die stromab an die Blisks angrenzt, eingespannt. Auf diese Weise wird bewirkt, dass die Blisks unabhängig von der Verbindung zwischen den übrigen Rotorscheiben eingespannt werden können.
- Vorzugsweise umfasst die erste Anordnung eine Anschlaganordnung und die zweite Anordnung eine Spannanordnung. Durch die Spannanordnung können die Blisks gegenüber der Anschlaganordnung auf einfache Weise verspannt werden.
- Die Anschlaganordnung umfasst stromauf der Blisks eine Verlängerung einer Blisk der ersten Stufe, die an einen Anschlag am Zuganker angrenzt. Dies stellt eine einfache Ausführungsform einer Anschlaganordnung dar.
- Die Spannanordnung umfasst mindestens ein Spannelement, das zur Kraftübertragung zwischen dem Zuganker und der Rotorscheibe dient.
- Das Spannelement ist im Wesentlichen ringförmig und weist einen flanschförmigen, radial nach außen gerichteten Befestigungsabschnitt, einen axialen rohrförmigen Mittenabschnitt und einen radial nach innen gerichteten Spannabschnitt auf. Dadurch ist eine Kraftübertragung möglich, die gleichmäßig über den Umfang erfolgt.
- Der radial nach außen gerichtete Befestigungsabschnitt des Spannelements ist an einem Abschnitt der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt. Dadurch wird die im Spannelement und im Zuganker erzeugte Spannung auf die Rotorscheibe übertragen.
- Der radial nach außen gerichtete Befestigungsabschnitt des Spannelements ist an einem radial innen liegenden Ab schnitt der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt.
- Vorteilhaft ist der Befestigungsabschnitt des Spannelements an einem radial innen liegenden Abschnitt der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt. Die Kraftübertragung erfolgt in diesem Fall ohne größere Umlenkungen.
- Vorzugsweise weist der Zuganker an seinem stromab liegenden Ende einen Absatz auf, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser eines stromauf angrenzenden Abschnittes des Zugankers, und der radial nach innen gerichtete Spannabschnitt des Spannelements umschließt den Absatz radial, wobei der radial nach innen gerichtete Spannabschnitt des Spannelements gegenüber dem Absatz axial verschiebbar und im Betrieb von einer axialen Begrenzung des Absatzes beabstandet ist und an das Spannmittel angrenzt. Diese Anordnung bietet den Vorteil eines geringen Bauaufwands und guter Montier- und Demontierbarkeit.
- Das Spannmittel kann insbesondere eine Zugankermutter sein, die auf ein Außengewinde am Absatz des Zugankers aufschraubbar ist. Durch die Zugankermutter ist die Spannung zwischen den Blisks gut einstellbar.
- Alternativ umfassen die erste Anordnung stromauf der Blisks eine Spannanordnung mit einem Spannmittel und die zweite Anordnung stromab der Blisks mindestens eine Schraubenverbindung zwischen dem Zuganker und der Rotorscheibe. Diese Alternative bietet eine gute Zugänglichkeit zum Spannmittel.
- Vorzugsweise grenzt das stromauf liegende Ende des Zugankers radial von innen an eine rohrförmige stromauf ge richtete Verlängerung der Blisk der ersten Stufe an. Das Spannmittel grenzt axial an die Verlängerung und radial an den Zugankerring an, der an das stromauf liegende Ende des Zugankers angrenzt, und der Zuganker weist an seinem stromab liegenden Ende einen Flansch auf, der an der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, angebracht ist. Hier dient die erste Anordnung zum Erzeugen einer Spannung gegenüber der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, und weist einen sehr geringen Bauaufwand auf. Das Spannmittel ist von der Verdichtereintrittsseite gut zugänglich.
- Der Zuganker weist in Strömungsrichtung eine konische Erweiterung auf, und der Flansch des Zugankers ist an einem radial außen liegenden Abschnitt der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt. Dadurch wird ein Spannen der Blisks nahe der Schaufel ermöglicht, und es wird eine gute Abdichtung zwischen den Blisks erreicht. Bei einer Befestigung am radial außen liegenden Abschnitt der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, tritt eine geringe Biegebeanspruchung der Rotorscheibe beim Spannen des Zugankers auf.
- Das stromauf liegende Ende des Zugankers ist mit mindestens einer Schraubenverbindungen an dem Zugankerring befestigt, der ein Außengewinde aufweist, und das Spannmittel ist eine Zugankermutter, die auf das Außengewinde des Zugankerrings aufschraubbar ist. Durch die Zugankermutter ist die Spannung im Zugankerring, in den Schraubenverbindungen und im Zuganker gut einstellbar.
- Vorzugsweise spannt das Spannmittel gleichzeitig einen radial innen liegenden Lagerring eines Zugankerlagers ein. Dadurch sind keine zusätzlichen Bauteile zur Befestigung des Lagerrings erforderlich.
- Mindestens ein Wirbelgleichrichter in Röhrenbauweise kann an der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt sein. Durch den Wirbelgleichrichter strömt komprimierte, erwärmte Luft in radialer Richtung von außen nach innen und wird zur Kühlung zur Turbine geleitet. Durch Anordnung des Wirbelgleichrichters außerhalb der Blisks wird eine lokale Erwärmung im Scheibenbereich der Blisks vermieden. Auch ist die Befestigung der Wirbelgleichrichter außerhalb der Blisks leichter möglich.
- Außerdem wird die Aufgabe durch Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zum Einspannen von Blisks in einem Strahltriebwerk gelöst. Die Vorrichtung weist einen geringen Bauaufwand auf und ist gleichzeitig robust.
- Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Einspannen von Blisks mit der oben beschriebenen Vorrichtung gelöst, bei dem die Blisks mittels des Zugankers lösbar eingespannt und die anderen Rotorscheiben separat und unabhängig vom Zuganker fest miteinander verbunden werden. Das separate Einspannen der Blisks ermöglicht eine einfache Montage und Demontage der Blisks.
- Insbesondere werden die Blisks mittels des Zugankers zwischen einer Anordnung, die stromauf der Blisks liegt, und einer Anordnung, die stromab der Blisks liegt und mit einer Rotorscheibe verbunden ist, die stromab an die Blisks angrenzt, eingespannt. Durch die beiden Anordnungen wird das Aufbringen einer Kraft auf den Zuganker ermöglicht.
- Der Zuganker wird von der stromab der Blisks liegenden zweiten Anordnung aus gespannt.
- Alternativ kann der Zuganker von der stromauf der Blisks liegenden ersten Anordnung aus gespannt werden. Hierbei ist eine gute Zugänglichkeit der Anordnung gegeben.
- Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben eines Strahltriebwerkes werden anhand der
1 bis4 näher erläutert. Es zeigt: -
1 die erste Ausführungsform, bei der der Zuganker von der stromab der Blisks liegenden Seite gespannt wird, -
2 eine Detailansicht der Spannvorrichtung der ersten Ausführungsform, -
3 die zweite Ausführungsform, bei der der Zuganker von der stromauf der Blisks liegenden Seite gespannt wird, und -
4 eine Detailansicht der Spannanordnung der zweiten Ausführungsform. - In
1 ist ein Rotor1 eines axialen Verdichters mit neun Stufen dargestellt, der sechs als Blisks6 ausgebildete Rotorscheiben, drei Rotorscheiben4 ,9 mit Laufschaufeln5 , und mindestens einen Wirbelgleichrichter38 aufweist. Außerdem weist der Rotor1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung3 zum Einspannen der Blisks6 auf. - Auf dem Rotor
1 des Verdichters sind die in Strömungsrichtung40 ersten sechs beschaufelten Rotorscheiben6 als Blisks6 ausgeführt. Die Blisks (bladed disks)6 sind beschaufelte Rotorscheiben, bei denen jeweils eine Scheibe mit den zugehörigen Schaufeln integral geformt ist. Auf die Blisks6 folgen in Strömungsrichtung40 drei be schaufelte Rotorscheiben4 ,9 , deren Laufschaufeln5 lösbar angebracht sind. Die Rotorscheibe9 grenzt an die in Strömungsrichtung40 letzte Blisk6 an. Es kann jedoch auch eine andere Anzahl von Blisks6 und Rotorscheiben4 ,9 verwendet werden. Auch die Anzahl der Stufen ist variabel. Jede Blisk6 weist nahe den Laufschaufeln5 mindestens eine axiale Verlängerung44 auf, die jeweils an mindestens eine benachbarte Blisk6 anstößt. Die Rotorscheibe9 stößt nahe den Laufschaufeln5 mit einer axialen Verlängerung43 an die in Strömungsrichtung40 letzte Blisk6 an. - Die in
1 und2 dargestellte erste erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung3 umfasst einen Zuganker12 , eine Anschlaganordnung27 und eine Spannanordnung28 , die in2 vergrößert dargestellt ist. - Der Zuganker
12 ist rohrförmig ausgebildet und weist an seinem stromauf liegenden Ende21 einen radial nach innen zurückgesetzten Absatz42 mit einem Anschlag16 auf. An seinem stromab liegenden Ende14 (2 ) ist ein Absatz15 vorgesehen, der gegenüber einem axialen Abschnitt19 des Zugankers12 radial nach innen zurückgesetzt ist und durch eine axiale Begrenzung17 entgegen der Strömungsrichtung40 begrenzt ist. Der Absatz15 kann außerdem einen Zahnkranz aufweisen. An den Absatz15 grenzt stromab ein Außengewinde18 an, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Absatzes15 . - Der Zuganker
12 ist innerhalb von Öffnungen8 in den Blisks6 mittig angeordnet. Er grenzt an seinem stromauf liegenden Ende21 in der Anschlaganordnung27 an eine Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters an. An seinem stromab liegenden Ende14 ist der Zuganker12 über die Spannanordnung28 mit der stromab an die Blisks6 angrenzende Rotorscheibe9 verbunden. - Die Anschlaganordnung
27 befindet sich an dem stromauf liegenden Ende21 des Zugankers12 und wird durch einen Anschlag16 , einen Absatz42 und eine Verlängerung7 der Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters gebildet. - Der Anschlag
16 bildet eine axiale Begrenzung des Absatzes42 in Strömungsrichtung40 . Die Verlängerung7 der Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters erstreckt sich axial entgegen der Strömungsrichtung40 bis zum Anschlag16 . Sie umschließt den Absatz16 radial, wobei sie aber axial verschiebbar ist. - Die in
2 vergrößert dargestellte Spannanordnung28 umfasst den Absatz15 des Zugankers12 , ein Spannelement33 , eine Zugankermutter37 , mehrere Schraubenverbindungen29 und grenzt an die Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, an. - Das Spannelement
33 umfasst einen, einen Flansch bildenden, radialen Befestigungsabschnitt34 , einen Mittenabschnitt35 und einen Spannabschnitt36 . - Der Mittenabschnitt
35 des Spannelements33 ist rohrförmig und verläuft im montierten Zustand axial und parallel zum Zuganker12 . Der flanschartige Befestigungsabschnitt34 ist vom stromab liegenden Ende des Spannelements33 aus radial nach außen gerichtet. Der Spannabschnitt36 ist vom stromauf liegenden Ende des Spannelements33 aus radial nach innen gerichtet und kann einen Zahnkranz aufweisen. - Das Spannelement
33 ist mit seinem Befestigungsabschnitt34 mittels Schraubenverbindungen29 an einem inneren Abschnitt10 der Rotorscheibe9 befestigt. Der Spannabschnitt36 ragt im zusammengebauten Zustand der Spannvor richtung28 parallel zur axialen Begrenzung17 und in axialer Richtung von dieser beabstandet radial nach innen und umschließt den Absatz15 , wobei der Spannabschnitt36 aber gegenüber dem Absatz15 axial verschiebbar ist. Wenn am Absatz15 und am Spannabschnitt36 Zahnkränze vorhanden sind, greift die Verzahnung des Spannabschnitts36 in die Verzahnung des Absatzes15 ein. In Strömungsrichtung40 grenzt die Zugankermutter37 , die auf das Außengewinde18 aufgeschraubt ist, an den Spannabschnitt36 an. - Zum Einspannen der Blisks
6 wird zunächst der als Flansch ausgebildete radial nach außen gerichtete Befestigungsabschnitt34 des Spannelements33 mittels mehrerer in Umfangsrichtung verteilter Schraubenverbindungen29 am inneren Abschnitt10 der Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt. Als nächstes werden die Blisks6 auf den Zuganker12 aufgeschoben. Der Zuganker12 wird dann mit dem Absatz15 in das ringförmige Spannelement33 eingeführt. Zum Schluss wird die Zugankermutter37 auf das Außengewinde18 des Zugankers12 aufgeschraubt und angezogen. - Beim Anziehen der Zugankermutter
37 wird über den radial nach innen gerichteten Spannabschnitt36 eine Zugkraft im Spannelement33 erzeugt. Gleichzeitig erzeugt die Zugankermutter37 über das Außengewinde18 eine Zugkraft im Zuganker12 . - Die Zugkraft im Spannelement
33 wird vom radial nach innen gerichteten Spannabschnitt36 über den axialen Mittenabschnitt35 , den radial nach außen gerichteten Befestigungsabschnitt34 und die Schraubenverbindungen29 auf den radial innen liegenden Abschnitt10 der Rotorscheibe9 übertragen. Von dort aus wird die Kraft in der Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, in radialer Richtung nach außen bis in die axiale Verlängerung43 der Rotorscheibe9 weitergeleitet. Die Zugkraft im Zuganker12 wird entlang des Zugankers12 auf den Absatz16 übertragen. - Die beiden Zugkräfte bewirken Druckkräfte zwischen der axialen Verlängerung
43 der Rotorscheibe9 , den über die Verlängerungen44 aneinander stoßenden Blisks6 und dem Anschlag16 der stromauf liegenden Anschlaganordnung27 . Diese Druckkräfte drücken die Blisks6 an den Verlängerungen44 der Blisks6 nahe den Schaufeln5 axial aneinander und bewirken so die Einspannung. - Die Druckkräfte müssen groß genug sein, um die Blisks
6 zusammenzuhalten. Sie dürfen aber auch nicht zu groß sein, damit die auf Zug beanspruchten Bauelemente der Vorrichtung3 , nämlich der Zuganker12 , das Außengewinde18 am Zuganker12 , das Spannelement33 , die Schraubenverbindungen29 oder das Innengewinde der Zugankermutter37 im Betrieb nicht überlastet werden. - In den
3 und4 ist die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung3 dargestellt, bei der der Rotor1 des Verdichters genauso aufgebaut ist wie in1 . - Die zweite Ausführungsform der Vorrichtung
3 umfasst einen Zuganker47 , mehrere Schraubenverbindungen41 und eine Spannanordnung30 , die in4 vergrößert dargestellt ist. - Der Zuganker
47 weist im Gegensatz zum Zuganker12 der ersten Ausführungsform in Strömungsrichtung40 eine konische Erweiterung20 auf. An seinem stromauf liegenden Ende21 besitzt der Zuganker47 einen radial nach innen gerichteten Flansch45 . Die konische Erweiterung weist an ihrem stromab liegenden Ende einen Flansch13 auf, der radial nach außen gerichtet ist. - Der Zuganker
47 ist mittig innerhalb von Öffnungen8 in den Blisks6 angeordnet. Er grenzt an seinem stromauf liegenden Ende21 radial von innen an eine axiale Verlängerung7 der Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters an. An seinem stromab liegenden Ende ist der Zuganker47 über mehrere über den Umfang verteilte Schraubenverbindungen41 mit der an die Blisks6 angrenzende Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, verbunden. - Die Schraubenverbindungen
41 sind an einem radial außen liegenden Abschnitt11 der Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, in Umfangsrichtung verteilt. Mittels der Schraubenverbindungen41 ist der Flansch13 am Ende der konischen Erweiterung20 des Zugankers47 an der Rotorscheibe9 befestigt. - Die stromauf liegende Spannanordnung
30 ist in4 vergrößert dargestellt und umfasst einen Zugankerring24 , mehrere Schraubenverbindungen32 , einen ersten Abstandsring31 , einen zweiten Abstandsring39 , ein Zugankerlager25 und eine Zugankermutter37 . - Der Zugankerring
24 ist ringförmig ausgebildet und weist den gleichen Außendurchmesser auf wie der Zuganker47 . Der Zugankerring24 weist an seinem an den Zuganker47 angrenzenden Ende einen radial nach innen gerichteten Flansch46 auf. Der Zugankerring24 weist außerdem einen Absatz23 auf, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des stromauf liegenden Endes21 des Zugankers47 . Am stromauf liegenden Ende des Zugankerrings24 befindet sich ein Außengewinde22 , dessen Durchmesser kleiner ist als der des Absatzes23 . - Der erste Abstandsring
31 ist ringförmig ausgebildet und weist weitgehend den gleichen Innendurchmesser auf wie die axiale Verlängerung7 der Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters. Der zweite Abstandsring39 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet. - Das Zugankerlager
25 ist ein Kugellager mit einem radial innen liegenden Lagerring26 . - Der Zugankerring
24 grenzt in axialer Richtung an das stromauf liegende Ende21 des Zugankers47 an und bildet eine axiale Verlängerung des Zugankers47 entgegen der Strömungsrichtung40 . Der Zugankerring24 ist mittels mehrerer Schraubenverbindungen32 am Flansch45 des Zugankers47 befestigt. In radialer Richtung grenzt der Zugankerring24 von innen an den ersten Abstandsring31 an. - Die Verlängerung
7 umschließt den Zuganker47 in radialer Richtung, wobei die Verlängerung7 verschiebbar gegenüber dem Zuganker47 ist. - Der erste Abstandsring
31 umschließt den Zuganker47 im Bereich des Flansches45 und den Zugankerring24 , wobei aber eine Verschiebbarkeit in axialer Richtung gegeben ist. Der erste Abstandsring31 grenzt an seinem stromab liegenden Ende an die Verlängerung7 der Blisk6 der ersten Stufe des Verdichters an. An seinem stromauf liegenden Ende umschließt der Abstandsring den Absatz23 des Zugankerrings24 in radialer Richtung, wobei aber eine Verschiebbarkeit in axialer Richtung gegeben ist. - Der innere Lagerring
26 des Zugankerlagers25 ist in axialer Richtung verschiebbar auf dem Absatz23 des Zugankerrings24 angeordnet. Der innere Lagerring26 grenzt stromab an den ersten Abstandsring31 und stromauf an den zweiten Abstandsring39 an. - Der zweite Abstandsring
39 umschließt ebenfalls den Absatz23 des Zugankerrings24 . Der zweite Abstandsring39 ragt dabei über das stromauf liegende Ende des Absatzes23 hinaus. - An den zweiten Abstandsring
39 grenzt die Spannmutter37 an, die auf das Außengewinde22 des Zugankerrings24 aufgeschraubt ist. - Zum Einspannen der Blisks
6 wird zunächst der Flansch13 am stromab liegenden Ende des Zugankers47 an der Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt. Dies erfolgt mittels der Schraubenverbindungen41 . Als Nächstes werden die Blisks6 auf den Zuganker47 aufgeschoben. Der Zugankerring24 wird dann mittels der Schraubenverbindungen32 am Zuganker47 befestigt. Dann werden der erste Abstandsring31 , der innere Lagerring26 und der zweite Abstandsring39 über den Zugankerring24 geschoben. Zuletzt wird die Zugankermutter37 auf das Außengewinde22 des Zugankerrings24 aufgeschraubt und angezogen. - Beim Anziehen der Zugankermutter
37 werden im Zuganker47 , im Zugankerring24 und in den Schraubenverbindungen41 Zugkräfte erzeugt. Die Zugkräfte werden von den Schraubenverbindungen41 auf die Rotorscheibe9 übertragen. - Gleichzeitig entstehen im zweiten Abstandsring
39 , im inneren Lagerring26 , im ersten Abstandsring31 und in den Verlängerungen44 der Blisks6 nahe den Laufschaufeln5 Druckkräfte, die die Blisks6 einspannen. - Die Druckkräfte müssen groß genug sein, um die Blisks
6 zusammenzuhalten. Sie dürfen aber auch nicht zu groß sein, damit die auf Zug beanspruchten Bauelemente der Vorrichtung3 , nämlich der Zugankerring24 , das Außengewinde22 am Zugankerring24 oder das Innengewinde der Zugankermutter37 , der Zuganker47 , die Schraubenverbindungen32 und die Schraubenverbindungen41 im Betrieb nicht überlastet werden. - Der Wirbelgleichrichter
38 ist sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform an der stromab liegenden Seite der Rotorscheibe9 , die stromab an die Blisks angrenzt, angebracht, so dass er sich zwischen der Rotorscheibe9 und einer an diese Rotorscheibe9 angrenzenden Rotorscheibe4 befindet. - Als Werkstoffe für die Bauelemente der Vorrichtung zum Einspannen von Rotorscheiben eines Strahltriebwerks werden thermisch und mechanisch hoch belastbare Werkstoffe verwendet. Die Werkstoffe der auf Zug belasteten Bauelemente müssen eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Insbesondere der Zuganker
12 ,47 und die Rotorscheibe9 müssen außerdem eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen. Die auf Druck belasteten Bauelemente müssen entsprechend eine hohe Druckfestigkeit aufweisen. Alle Bauelemente der Vorrichtungen müssen außerdem eine hohe Dauerfestigkeit aufweisen. -
- 1
- Rotor
- 3
- Vorrichtung
- 4
- Rotorscheibe
- 5
- Laufschaufel
- 6
- Rotorscheibe (Blisk)
- 7
- Verlängerung
- 8
- Öffnung
- 9
- Rotorscheibe
- 10
- Abschnitt
- 11
- Abschnitt
- 12
- Zuganker
- 13
- Flansch
- 14
- Ende des Zugankers (stromab)
- 15
- Absatz
- 16
- Anschlag
- 17
- axiale Begrenzung
- 18
- Außengewinde
- 19
- Abschnitt
- 20
- Erweiterung
- 21
- Ende des Zugankers (stromauf)
- 22
- Außengewinde
- 23
- Absatz
- 24
- Zugankerring
- 25
- Zugankerlager
- 26
- Lagerring
- 27
- Anschlaganordnung
- 28
- Spannanordnung
- 29
- Schraubenverbindung
- 30
- Spannanordnung
- 31
- Abstandsring
- 32
- Schraubenverbindung
- 33
- Spannelement
- 34
- Befestigungsabschnitt (Flansch)
- 35
- Mittenabschnitt
- 36
- Spannabschnitt
- 37
- Zugankermutter
- 38
- Wirbelgleichrichter
- 39
- Abstandsring
- 40
- Strömungsrichtung
- 41
- Schraubenverbindung
- 42
- Absatz
- 43
- Verlängerung
- 44
- Verlängerung
- 45
- Flansch
- 46
- Flansch
- 47
- Zuganker
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6267553 B1 [0007]
- - US 5537814 [0008]
Claims (23)
- Vorrichtung (
3 ) zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben (4 ,6 ,9 ) eines Strahltriebwerkes, das im Wesentlichen einen axialen Verdichter mit mehreren beschaufelten Rotorscheiben (4 ,6 ,9 ), mindestens einen Turbinenabschnitt, mindestens eine Welle und mindestens einen Zuganker (12 ,47 ) umfasst, wobei mindestens zwei beschaufelte Rotorscheiben an der Verdichtereintrittsseite (2 ) als Blisks (6 ) ausgebildet sind, die jeweils eine einteilige Ausführungsform einer Rotorscheibe mit am Umfang verteilten Laufschaufeln (5 ) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Blisks (6 ) mittels des Zugankers (12 ,47 ) lösbar eingespannt und die anderen Rotorscheiben (4 ,9 ) separat und unabhängig vom Zuganker (12 ,47 ) fest miteinander verbunden sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (
12 ,47 ) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet, innerhalb von zentralen Öffnungen (8 ) in den als Blisks (6 ) ausgebildeten Rotorscheiben angeordnet und fest mit einer Welle verbunden ist, die durch mindestens einen Turbinenabschnitt angetrieben wird. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blisks (
6 ) mittels des Zugankers (12 ,47 ) zwischen mindestens einer ersten Anordnung (27 ,30 ), die stromauf der Blisks liegt, und mindestens einer zweiten Anordnung (28 ,32 ), die stromab der Blisks (6 ) liegt und mit einer Rotorscheibe (9 ) verbunden ist, die stromab an die Blisks (6 ) angrenzt, eingespannt sind. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung eine Anschlaganordnung (
27 ) und die zweite Anordnung eine Spannanordnung (28 ) umfasst. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaganordnung (
27 ) stromauf der Blisks (6 ) eine Verlängerung (7 ) einer Blisk (6 ) der ersten Stufe des Verdichters umfasst, die an einen Anschlag (16 ) am Zuganker (12 ) angrenzt. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannanordnung (
28 ) mindestens ein Spannelement (33 ) umfasst. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (
33 ) im Wesentlichen ringförmig ist und einen flanschförmigen, radial nach außen gerichteten Befestigungsabschnitt (34 ), einen axialen rohrförmigen Mittenabschnitt (35 ) und einen radial nach innen gerichteten Spannabschnitt (36 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radial nach außen gerichtete Befestigungsabschnitt (
34 ) des Spannelements (33 ) an einem Abschnitt der Rotorscheibe (9 ), die stromab an die Blisks (6 ) angrenzt, befestigt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der radial nach außen gerichtete Befestigungsabschnitt (
34 ) des Spannelements (33 ) an einem radial innen liegenden Abschnitt (10 ) der Rotorscheibe (9 ), die stromab an die Blisks (6 ) angrenzt, befestigt ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (
33 ) mittels mindestens eines Spannmittels (37 ) spannbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (
12 ) an seinem stromab liegenden Ende (14 ) einen Absatz (15 ) aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser eines stromauf angrenzenden Abschnittes (19 ) des Zugankers (12 ), und dass der radial nach innen gerichtete Spannabschnitt (36 ) des Spannelements (33 ) den Absatz (15 ) radial umschließt, wobei der radial nach innen gerichtete Spannabschnitt (36 ) des Spannelements (33 ) gegenüber dem Absatz (15 ) axial verschiebbar und im Betrieb von einer axialen Begrenzung (17 ) des Absatzes (15 ) beabstandet ist und an das Spannmittel (37 ) angrenzt. - Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (
37 ) eine Zugankermutter (37 ) ist, die auf ein Außengewinde (18 ), das an den Absatz (15 ) des Zugankers (12 ) angrenzt, aufschraubbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anordnung stromauf der Blisks (
6 ) eine Spannanordnung (30 ) mit einem Spannmittel (37 ) und die zweite Anordnung stromab der Blisks (6 ) mindestens eine Schraubenverbindung (41 ) zwischen dem Zuganker (47 ) und der Rotorscheibe (9 ) umfassen. - Vorrichtung nach Anspruch 2 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das stromauf liegende Ende (
21 ) des Zugankers (47 ) radial von innen an eine rohrförmige stromauf gerichtete Verlängerung (7 ) der Blisk (6 ) der ersten Stufe angrenzt, das Spannmittel (37 ) axial an die Verlängerung (7 ) und radial an den Zugankerring (24 ) angrenzt, der an das stromauf liegende Ende des Zugankers (47 ) angrenzt, und dass der Zuganker (12 ) an seinem stromab liegenden Ende (14 ) einen Flansch (13 ) aufweist, der an der Rotorscheibe, die stromab an die Blisks angrenzt, (9 ) angebracht ist. - Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (
47 ) in Strömungsrichtung (40 ) eine konische Erweiterung (20 ) aufweist und der Flansch (13 ) des Zugankers (47 ) an einem radial außen liegenden Abschnitt (11 ) der Rotorscheibe (9 ), die stromab an die Blisks angrenzt, befestigt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das stromauf liegende Ende (
21 ) des Zugankers (47 ) mit mindestens einer Schraubenverbindung (32 ) an dem Zugankerring (24 ) befestigt ist, der ein Außengewinde (22 ) aufweist, und dass das Spannmittel (37 ) eine Zugankermutter (37 ) ist, die auf das Außengewinde (22 ) des Zugankerrings (24 ) aufschraubbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (
37 ) gleichzeitig einen radial innen liegenden Lagerring (26 ) eines Zugankerlagers (25 ) einspannt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wirbelgleichrichter (
38 ) in Röhrenbauweise an der Rotorscheibe (9 ), die stromab an die Blisks (6 ) angrenzt, befestigt ist. - Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 18 zum Einspannen von Blisks (
6 ) in einem Strahltriebwerk. - Verfahren zum Einspannen von beschaufelten Rotorscheiben mit einer Vorrichtung (
3 ) nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Blisks (6 ) mittels des Zugankers (12 ,47 ) lösbar eingespannt und die anderen Rotorscheiben (4 ,9 ) separat und unabhängig vom Zuganker (12 ,47 ) fest miteinander verbunden werden. - Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Blisks (
6 ) mittels des Zugankers (12 ,47 ) zwischen einer ersten Anordnung (27 ,30 ), die stromauf der Blisks (6 ) liegt, und einer zweiten Anordnung (28 ,32 ), die stromab der Blisks (6 ) liegt und mit einer Rotorscheibe (9 ) verbunden ist, die stromab an die Blisks (6 ) angrenzt, eingespannt werden. - Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (
47 ) von der stromauf der Blisks (6 ) liegenden ersten Anordnung (30 ) aus gespannt wird. - Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker (
12 ) von der stromab der Blisks (6 ) liegenden zweiten Anordnung (28 ) aus gespannt wird.
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