DE102007035726A1

DE102007035726A1 - Tandemstufe

Info

Publication number: DE102007035726A1
Application number: DE200710035726
Authority: DE
Inventors: Rudolf Pilzweger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Tandemstufe mit zwei integral beschaufelten, axial aneinandergrenzenden Rotoren, welche im Bereich ihrer die Schaufeln tragenden, ringförmig umlaufenden Wände mit komplementären Stirnverzahnungen axial ineinander greifen und miteinander sowie mit einer Welle oder einem weiteren Rotor über eine Schraubverbindung gekoppelt sind. Jeder der beiden beschaufelten Rotoren weist ein separates, zu einem Anbindungsbereich an der Welle oder dem weiteren Rotor führendes Übertragungselement auf, und die beiden Übertragungselemente sind an der Welle oder dem weiteren Rotor in der Weise radial zentriert sowie axial und in Umfangsrichtung relativ zueinander positioniert, dass die Stirnverzahnungen der beiden Rotoren im Normalbetrieb berührungs- und somit lastfrei laufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tandemstufe mit zwei integral beschaufelten, axial aneinandergrenzenden Rotoren, wobei die Rotoren im Bereich ihrer die Schaufeln tragenden, ringförmig umlaufenden Wände mit komplementären Stirnverzahnungen axial ineinander greifen und wobei die beiden Rotoren miteinander sowie mit einer Welle oder einem weiteren Rotor über eine Schraubverbindung gekoppelt sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Tandemstufe ist aus der Patentschrift DE 39 24 829 C2 bekannt. Prinzipiell ist es möglich, eine Tandem-Beschaufelung, d. h. eine Beschaufelung mit zwei axial aufeinanderfolgenden Laufschaufelkränzen, integral an einem Rotor anzuordnen. Falls die beiden Laufschaufelkränze axial eng benachbart stehen oder sogar axial überlappen, ist die Fertigung dieser Schaufeln an einem Rotor mit großen bis unlösbaren Schwierigkeiten verbunden. Daher ist es üblich, jeweils einen Laufschaufelkranz an einem separaten Rotor vorzusehen, und die beschaufelten Rotoren miteinander zu verbinden. Dabei sind lösbare Verbindungen, z. B. Schraubverbindungen von Vorteil. Falls die Rotoren im Schaufelfußbereich plane Stirnflächen aufweisen, ist es nicht möglich, die Schaufelkränze axial überlappen zu lassen und somit eine möglichst kurze Baulänge zu erzielen. Die zitierte deutsche Patentschrift schafft hier Abhilfe, indem die Rotoren mit Stirnverzahnungen versehen werden, welche axial ineinander greifen. Dabei sind auf den axial vorspringenden Bereichen der Stirnverzahnungen jeweils die Eintritts- bzw. Austrittskanten der Beschaufelung angeordnet. Durch die axiale Überlappung der Laufschaufelkränze lassen sich sowohl die aerodynamischen Eigenschaften der Tandemstufe als auch die Baulänge und das Gewicht dieser Stufe positiv beeinflussen. Bei der Lösung gemäß der deutschen Patentschrift dienen die komplementären Stirnverzahnungen als Verdrehsicherung der beiden Rotoren gegeneinander und sind somit mechanisch belastet. Gemäß 1 ist die Stirnverzahnung des stromaufwärtigen Rotors auf einer Zentrierstufe angeordnet, was deren Fertigung erheblich erschwert. Die beiden Tandemrotoren sind miteinander sowie wie mit einem weiteren Rotor verschraubt, wobei die Schrauben die Scheibenkörper der Tandemrotoren durchdringen. Diese Bauart wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer der Tandemstufe aus. Der Kraftfluss läuft somit vom stromaufwärtigen Tandemrotor durch den stromabwärtigen Tandemrotor zu dem weiteren Trägerrotor.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Tandemstufe vorzuschlagen, welche mechanisch höher belastbar, weniger verschleißanfällig sowie einfacher zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff gelöst. Erfindungsgemäß weist jeder Rotor der Tandemstufe ein separates, zu einem Anbindungsbereich an einer Welle oder einem weiteren Rotor führendes Übertragungselement auf. Die beiden Übertragungselemente sind im Anbindungsbereich in der Weise radial zentriert sowie axial und in Umfangsrichtung relativ zueinander positioniert, dass die Stirnverzahnungen der beiden Rotoren der Tandemstufe im Normalbetrieb berührungs- und somit lastfrei laufen. Somit findet keine direkte mechanische Wechselwirkung zwischen den beiden beschaufelten Rotoren statt. Die erforderliche Zentrierung bzw. Positionierung erfolgt im Anbindungsbereich an der Welle bzw. einem weiteren Rotor. Somit haben die lastfreien Stirnverzahnungen primär die Aufgabe, einen strömungsgünstigen Übergang und eine gewisse Abdichtung zwischen den beiden Rotoren der Tandemstufe zu bewirken. Je größer die "Zahnhöhe" der Stirnverzahnungen ist, desto größer ist auch die mögliche axiale Überlappung zwischen den Laufschaufelkränzen.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Tandemstufe nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
1 einen Längshalbschnitt durch eine Tandemstufe mit zugehörigem Anbindungsbereich an der Welle, und
2 eine Teilansicht dieser Tandemstufe mit radialer Blickrichtung von außen.
Die Tandemstufe 1 gemäß 1 umfasst zwei als sogenannte Blisks ausgeführte, integral beschaufelte Rotoren 2 und 3. Die bzgl. der Rotationsachse 29 konzentrischen Scheibenkörper 10, 11 der Rotoren 2, 3 sind an ihrem äußeren Umfang zu ringförmig umlaufenden, die radial innere Begrenzung des Strömungskanals bildenden Wänden 8, 9 erweitert, welche auch die Schaufeln 4, 5 tragen. Man erkennt, dass die Eintrittskanten 6 der Schaufeln 5 axial weiter stromaufwärts stehen, als die hier verdeckt und somit gestrichelt gezeichneten Austrittskanten 7 der Schaufeln 4. Um dies zu ermöglichen, sind die Rotoren 2, 3 im Bereich der Wände 8, 9 mit Stirnverzahnungen 21, 22 versehen. Diese Stirnverzahnungen 21, 22 sollen im Normalbetrieb berührungs- bzw. lastfrei sein, d. h. mit einem gewissen Spiel laufen. Dafür sorgt die spezielle, erfindungsgemäße Anbindung der Rotoren 2, 3 an die ebenfalls zur Rotationsachse 29 konzentrische Welle 25. Zu diesem Zweck führen zwei separate, rohrartige Übertragungselemente 12, 13 vom radial inneren Bereich der Scheibenkörper 10, 11 zum Anbindungsbereich 26. Dort sind die Übertragungselemente 12, 13 mit ineinander passenden, komplementären Flanschen 14, 15 versehen. Auch die Welle 25 besitzt einen hierzu passenden Flansch 16. Für eine lösbare Koppelung dieser Elemente sorgt eine Schraubverbindung 27. Die radiale Zentrierung erfolgt ausgehend vom Flansch 16 über den Flansch 15 zu Flansch 14 über umlaufende Zentrierflächen 20 und 19. Die Schraubverbindung 27 verspannt die Flansche axial gegeneinander, so dass sie sich an stirnseitigen Anlageflächen 17, 18 mit definiertem Druck berühren. Von den die Flansche durchdringenden Schrauben 28 ist zumindest eine als Passschraube ausgeführt, so dass auch eine präzise relative Umfangspositionierung der Stirnverzahnungen 21, 22 sowie der Schaufeln 4, 5 erzielt wird. Dabei werden die Stirnverzahnungen 21, 22 berührungs- bzw. lastfrei gehalten, so dass die beschaufelten Rotoren 2, 3 mechanisch weitgehend entkoppelt sind. All dies wirkt sich günstig auf das Verschleißverhalten sowie die Lebensdauer der Bauteile aus. Da die Stirnverzahnungen 21, 22 axial freistehend, d. h. ohne radial innere oder äußere Zentrierflächen, ausgeführt sind, lassen sich diese relativ einfach, preiswert und präzise fertigen.
Die Teilansicht gemäß 2 ist gegenüber 1 noch weiter vereinfacht. Die de facto räumliche Geometrie der Schaufeln 4, 5 sowie der Stirnverzahnungen 21, 22 ist hier in die Zeichenebene gezwungen. Somit sind die Profile der Schaufeln 4 untereinander parallel und gleichmäßig beabstandet, ebenso, wie die Profile der Schaufeln 5 untereinander. Die die Schaufeln 4, 5 tragenden Wände 8, 9 der Rotoren 2, 3 sind ebenfalls in die Zeichenebene "verformt". Somit sind auch die Stirnverzahnungen 21, 22 in die Zeichenebene abgewickelt und verzerrungsfrei. Dies hat aber keinerlei Einfluss auf das Prinzip der Erfindung. Die Stirnverzahnungen 21, 22 sind hier beispielhaft nach Art von komplementären Zahnstangen mit relativ eckigen Konturen ausgeführt. Die Konturen der Stirnverzahnungen 21, 22 können aber auch gerundet sein, z. B. in Form von aneinander gefügten Teilkreisen, Teilellipsen oder Sinusfunktionen. Die Stirnverzahnungen 21, 22 sind bewusst mit kleinem gegenseitigen Abstand dargestellt, da diese berührungs- bzw. lastfrei arbeiten sollen. Die Spalte sollten aber so klein sein, dass sie die Strömung nicht negativ beeinflussen und noch eine gewisse Dichtwirkung aufweisen. In 2 ist gut zu erkennen, dass die Austrittskanten 7 der Schaufeln 4 auf den axial vorstehenden Bereichen 23 der Stirnverzahnung 21 angeordnet sind, entsprechend sind die Eintrittskanten 6 der Schaufeln 5 auf den axial vorspringenden Bereichen 24 der Stirnverzahnung 22 angeordnet. Dadurch können die Austrittskanten 7 und die Eintrittskanten 6 relativ zueinander axial definiert positioniert werden, angefangen von axial gering beabstandet über axial fluchtend bis hin zu axial überlappend. Selbstverständlich ist auch eine Veränderung der relativen Umfangsposition in weiten Grenzen möglich. Wie erwähnt, lassen sich dadurch die aerodynamischen Eigenschaften der Tandemstufe 1 beeinflussen, aber auch mechanisch-konstruktive Merkmale, wie Stufenlänge und Stufengewicht.

1: Tandemstufe
2: Rotor
3: Rotor
4: Schaufel
5: Schaufel
6: Eintrittskante
7: Austrittskante
8: Wand
9: Wand
10: Scheibenkörper
11: Scheibenkörper
12: Übertragungselement
13: Übertragungselement
14: Flansch
15: Flansch
16: Flansch
17: Anlagefläche
18: Anlagefläche
19: Zentrierfläche
20: Zentrierfläche
21: Stirnverzahnung
22: Stirnverzahnung
23: Bereich
24: Bereich
25: Welle
26: Anbindungsbereich
27: Schraubverbindung
28: Schraube
29: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3924829 C2 [0002]

Claims

Tandemstufe mit zwei integral beschaufelten, axial aneinandergrenzenden Rotoren, für Verdichter und Turbinen von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen, wobei die Rotoren im Bereich ihrer die Schaufeln tragenden, ringförmig umlaufenden Wände mit komplementären Stirnverzahnungen axial ineinander greifen und wobei die beiden Rotoren miteinander sowie mit einer Welle oder einem weiteren Rotor über eine Schraubverbindung gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden beschaufelten Rotoren (2, 3) ein separates, zu einem Anbindungsbereich (26) an der Welle (25) oder dem weiteren Rotor führendes Übertragungselement (12, 13) aufweist, und dass die beiden Übertragungselemente (12, 13) an der Welle (25) oder dem weiteren Rotor in der Weise radial zentriert sowie axial und in Umfangsrichtung relativ zueinander positioniert sind, dass die Stirnverzahnungen (21, 22) der beiden Rotoren (2, 3) im Normalbetrieb berührungs- und somit lastfrei laufen.
Tandemstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnungen (21, 22) in der Weise an die Schaufelteilung angepasst sind, dass jeder axial vorspringende Bereich (23, 24) jeder Stirnverzahnung (21, 22) mindestens eine Eintrittskante (6) oder eine Austrittskante (7) trägt, so dass die stomauf- und stromabwärtigen Schaufeln (4, 5) im Verzahnungsbereich axial überlappen.
Tandemstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnungen (21, 22) eine eckige, zahnstangenartige Kontur oder eine gerundete, z. B. sinusartige Kontur aufweisen.
Tandemstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rotoren (2, 3) als integral beschaufelte Scheiben, sogenannte Blisks, ausgeführt sind, und dass von den Scheibenkörpern (10, 11) rohrartige Übertragungselemente (12, 13) zu dem Anbindungsbereich (26) an der Welle (25) oder dem weiteren Rotor führen.
Tandemstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (12, 13) und die Welle (25) oder der weitere Rotor konzentrische, komplementäre Flansche (14, 15, 16) mit stirnseitigen Anlageflächen (17, 18) und umfangsseitigen Zentrierflächen (19, 20) aufweisen.
Tandemstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schraube (28) der Schraubverbindung (27) als Passschraube ausgeführt ist.