DE102008013118A1

DE102008013118A1 - Anordnung zum Befestigen von Turbinenschaufeln

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Publication number: DE102008013118A1
Application number: DE102008013118A
Authority: DE
Inventors: Deniz Bulut; Dietmar Wutz
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-03-08
Also published as: CH698644A2; JP2009216096A; CN101526013B; CN101526013A; KR20090096311A; JP5226561B2; DE102008013118B4; CH698644B1; KR101433966B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) zum Befestigen von Turbinenschaufeln an einer Turbinenscheibe einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, bei der für eine Turbinenschaufel (14) an der Turbinenscheibe (12) eine zumindest annähernd parallel zur Rotationsachse (R) der Turbine verlaufende axiale Profilnut (16) vorgesehen ist, in welche ein im Querschnitt an den Profilquerschnitt der Profilnut (16) angepasster Fuß (18) der jeweiligen Turbinenschaufel (14) einzuführen ist, und bei der für die Turbinenschaufel (14) ein Befestigungselement (32) vorgesehen ist, mit welchem der in die Profilnut (16) eingeführte Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) in axialer Richtung gesichert ist. Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement (32) durch Verrasten an der Turbinenscheibe (12) befestigt und spannt den Fuß (18) axial sicher. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Befestigungselement für eine derartige Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Befestigen von Turbinenschaufeln an einer Turbinenscheibe einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, bei der für eine Turbinenschaufel an der Turbinenscheibe eine zumindest annähernd parallel zur Rotationsachse der Turbine verlaufende axiale Profilnut vorgesehen ist, in welche ein im Querschnitt an den Profilquerschnitt der Profilnut angepasster Fuß der Turbinenschaufel einzuführen ist, und bei der für die Turbinenschaufel ein Befestigungselement vorgesehen ist, mit welchem der in die Profilnut eingeführte Fuß der Turbinenschaufel in axialer Richtung gesichert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Befestigungselement für eine derartige Anordnung sowie eine Turbine mit einer solchen Befestigungsanordnung.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art zum Befestigen von Turbinenschaufeln an einer Turbinenscheibe einer Turbine ist aus der DE 10 2004 036 389 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist an der Turbinenscheibe für jede Turbinenschaufel eine axial verlaufende Profilnut ausgebildet, in welcher ein entsprechend profilierter Fuß der Turbinenschaufel axial eingeführt ist. Am Fuß der Turbinenschaufel ist eine Nut ausgebildet, in welcher ein Befestigungselement eingesetzt ist, welches seinerseits in einer Nut an der Turbinenscheibe gehalten ist, um ein axiales Verlagern des Fußes der Turbinenschaufel in der Profilnut zu verhindern. Die am Fuß der Turbinenschaufel ausgebildete Nut weist unterschiedliche Krümmungsradien aus, um ein Verlagern des Befestigungselementes in der Nut zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass ein Befestigungselement durch Verrasten an der Turbinenscheibe befestigt ist und den Fuß axial sichert. Anspruch 10 stellt ein entsprechendes Befestigungselement, Anspruch 14 eine entsprechende Turbine unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung muss das Befestigungselement lediglich an der Turbinenschaufel verrastet werden, um bereits einen sicheren Halt zu gewährleisten. Hierdurch ist es, anders als im Stand der Technik, nicht erforderlich, das Befestigungselement zwischen Turbinenscheibe und Schaufelfuß zu verspannen, so dass Relativbewegungen und -kräfte zwischen Turbinenscheibe und Schaufelfuß die Festlegung des Befestigungselements an der Turbinenscheibe nicht mehr direkt beeinträchtigen und insgesamt eine stabilere und einfachere Befestigung ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß muss lediglich die Turbinenscheibe mit entsprechenden Formelementen versehen sein, um das Befestigungselement an der Turbinenscheibe zu verrasten. Hierdurch ist insbesondere die Herstellung der Turbine insgesamt vereinfacht, da lediglich ein Bauteil, nämlich die Turbinenscheibe, mit zusätzlichen Formelementen versehen sein muss, während die Turbinenschaufeln selbst unverändert bleiben bzw. eine einfache Außenkontur aufweisen können.
Die Befestigungselemente sind so an der Turbinenscheibe verrastet, insbesondere in beide Axialrichtungen festgelegt, dass der in die Profilnut eingeführte Fuß der Turbinenschaufel in axialer Richtung gesichert ist. Auf diese Weise ist einerseits ein sicherer Halt der Turbinenschaufel in der Profilnut gewährleistet, während andererseits die für die Sicherung der Turbinenschaufeln notwendigen technischen Maßnahmen verglichen mit dem Stand der Technik deutlich vereinfacht sind.
Vorzugsweise können mehrere, bevorzugt alle Turbinenschaufeln einer Turbine erfindungsgemäß befestigt werden. Hierzu ist bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für jede Turbinenschaufel ein an der Turbinenscheibe verrastbares und den Fuß der jeweiligen Turbinenschaufel axial sicherndes Befestigungselement vorgesehen. Gleichermaßen können aber auch zwei, drei oder mehr Turbinenschaufeln gemeinsam durch ein Befestigungselement an der Turbinenscheibe befestigt sein.
Um den sicheren Halt des Fußes der Turbinenschaufel weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, das Befestigungselement derart auszubilden, dass der Fuß in der Profilnut nicht nur axial gesichert ist, sondern zum axialen Sichern in axialer Richtung in die Profilnut vorgespannt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird vorgeschlagen, dass zum Verrasten des Befestigungselementes an der zumindest annähernd radial verlaufenden Flachseite der Turbinenscheibe eine konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende Rastnut ausgebildet ist. Eine derartige Rastnut lässt sich auf sehr einfache Weise beispielsweise durch spanende Bearbeitung, wie Drehen, bei der Herstellung der Turbinenscheibe realisieren. Gleichzeitig gewährleistet eine derartige Rastnut einen sehr sicheren Halt für das darin verrastete Befestigungselement. Darüber hinaus ist die Positionierung des Befestigungselementes in der Rastnut völlig frei, so dass auf einfache Weise fertigungsbedingte Toleranzabweichungen ausgeglichen werden können.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, an der Rastnut eine sich radial nach außen erstreckende, vorzugsweise abgerundete, erste Rasterhebung und eine sich radial nach innen erstreckende, vorzugsweise abgerundete, zweite Rasterhebung vorzusehen. Die so ausgebildeten Rasterhebungen ermöglichen insbesondere durch die Abrundungen einerseits ein einfaches Verrasten des Befestigungselementes in der Rastnut, während die Rasterhebungen andererseits durch das sich radial nach innen bzw. außen Erstrecken einen sicheren Halt des Befestigungselementes nach dem Verrasten sicherstellen.
Eine Gesamthöhe der Rastnut in radialer Richtung steht zu einem Außen- oder Nenndurchmesser der Turbinenscheibe, insbesondere einem Verdichterradaußendurchmesser, bevorzugt in einem Verhältnis von im Wesentlichen 1/67 bis 1/60, insbesondere im Wesentlichen 1/63. Dies hat sich als optimaler Kompromiss aus sicherer Festlegung, Haltekraft und Montierbarkeit herausgestellt. Beispielsweise kann die Rastnut einer Turbinescheibe mit 732 mm Verdichterradaußendurchmesser einen sich radial erstreckenden Abschnitt von 8,0 bis 8,4 mm aufweisen, an den sich ein erster Radius von 2,0 bis 2,4 mm und ein hierzu gegenläufiger zweiter Radius von 1,0 bis 1,4 mm anschließen, um die abgerundete zweite Rasterhebung auszubilden. Die Gesamthöhe dieser Rastnut in radialer Richtung beträgt somit ungefähr 11 bis 12,2 mm, der Verdichterradaußendurchmesser entspricht mit 732 mm dem 60- bis 66,5-fachen.
Um ein noch bessere axiale Sicherung des Fußes der Turbinenschaufel in der Profilnut zu erreichen, wird bei der mit der Rastnut versehenen Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Rastnut in radialer Richtung betrachtet zu den Profilnuten so angeordnet ist, dass die Profilnut zumindest teilweise in die Rastnut derart übergeht, dass der in die jeweilige Profilnut eingeführte Fuß der Turbinenschaufel in die Rastnut ragt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Befestigungselement, welches in der Rastnut verrastet ist, einen vergleichsweise hohen axialen Halt, bevorzugt eine hohe axiale Vorspannkraft, auf den Fuß der Turbinenschaufel ausüben kann, weil der Abstützpunkt des Befestigungselementes am Fuß der Turbinenschaufel im unmittelbaren Bereich der Rastnut angeordnet ist.
Als Befestigungselement wird insbesondere bei dieser mit der Rastnut versehenen Ausführungsform die Verwendung eines im Querschnitt Z-förmigen Bogensegmentes vorgeschlagen, welches zwei Flachseiten aufweist, die durch einen, bevorzugt zumindest annähernd rechtwinklig zu diesen verlaufenden, Mittelsteg miteinander verbunden sind. Zum Verrasten wird das Befestigungselement mit den Längskanten der beiden Flachseiten aufeinanderfolgend verrastet. Dabei wird durch die Z-förmige Form des Befestigungselementes nicht nur eine sichere Verrastung des Befestigungselementes in der Rastnut ermöglicht, sondern es kann durch das sich dabei ergebende Vorspannen des Befestigungselementes zusätzlich eine axiale Vorspannung des Fußes der Turbinenschaufel in die Profilnut erreicht werden.
Um den axialen Halt des Fußes der Turbinenschaufel in der Profilnut weiter zu verbessern, wird ferner vorgeschlagen, dass ein Abschnitt des Fußes der Turbinenschaufel im in die Profilnut vollständig eingeführtem Zustand aus der Profilnut geringfügig hervorsteht, durch eine am Befestigungselement ausgebildeten Öffnung ragt und in dieser gesichert ist, wenn das Befestigungselement an der Turbinenscheibe verrastet ist. Auf diese Weise wird der Fuß der Turbinenschaufel nicht nur axial in eine Richtung gesichert, sondern gleichzeitig auch noch in entgegengesetzter Richtung zusätzlich axial gehalten. Hierdurch ist ein unbeabsichtigtes Lösen des Fußes der Turbinenschaufel fast unmöglich, eine Montage mit einfachsten Mitteln jedoch nach wie vor gegeben.
Zur Sicherung des Fußes in der Öffnung kann bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung am Befestigungselement eine Nase vorgesehen sein, die in die Öffnung ragt und mit einer am Fuß der Turbinenschaufel zusätzlich ausgebildeten Sicherungsnut in Eingriff steht. Anstelle der einstückig an dem Befestigungselement vorgesehenen Nase, kann auch ein separates Sicherungselement vorgesehen sein, welches in die Sicherungsnut des durch die Öffnung des Befestigungselementes ragenden Abschnittes des Fußes eingesetzt ist und sich an dem Befestigungselement unter Vorspannung abstützt.
Um die Herstellung der Anordnung weiter zu vereinfachen, wird ferner vorgeschlagen, die Profilnuten so auszubilden, dass sie sich über die gesamte axiale Länge der Turbinenscheibe erstrecken. Zum axialen Sichern der Turbinenschaufel in den Profilnuten ist dann an beiden Enden jeder Profilnut jeweils ein mit der Turbinenscheibe verrastetes Befestigungselement vorgesehen ist, wobei der in die Profilnut eingeführte Fuß der Turbinenschaufel zwischen den beiden Befestigungselementen axial gesichert ist. Eine in die Öffnung ragende Nase ist in diesem Fall nicht notwendig.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Befestigungselement für eine erfindungsgemäße Anordnung. Das Befestigungselement ist hierzu als ein im Querschnitt Z-förmiges Bogensegment aus zwei Flachseiten ausgebildet, welche durch einen zumindest annähernd rechtwinklig zu diesem verlaufenden Mittelsteg miteinander verbunden sind. Im verrasteten Zustand ist das Befestigungselement mit seiner einen Flachseite in der Rastnut gehalten ist, während seine andere Flachseite an der Stirnseite des in die Profilnut eingeführten Fußes der Turbinenschaufel anliegt.
Um beim Verrasten eine hohe mechanische Stützkraft, insbesondere auch eine Vorspannung erzielen zu können, ist der Mittelsteg des Befestigungselementes quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes betrachtet S-förmig gebogen. Durch den S-förmigen Verlauf des Mittelsteges kann das Befestigungselement beim Verrasten in Längsrichtung leicht gestaucht werden und sitzt nach dem Verrasten sicher in der Rastnut.
Das Befestigungselement ist vorzugsweise so bemessen, dass der Abstand quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes zwischen den beiden in gleiche Richtung zeigenden Flächen der Flachseiten zumindest annähernd dem 3- bis 5-fachen der Materialdicke bzw. Wandstärke des Befestigungselementes, vorzugsweise dem 4-fachen der Materialdicke des Befestigungselementes entspricht. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die für die Verwendung eines Verdichterrades mit einem Außendurchmesser von 732 mm ausgelegt ist, entspricht der Abstand zwischen den beiden Flächen 4,8 mm, während die Materialdicke des Befestigungselementes bei 1,2 mm liegt. Bei anderen Verdichterradau ßendurchmessern ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis von Abstand bzw. Materialdicke zum Außendurchmesser im Wesentlichen im Bereich der vorgenannten Verhältnisse liegt. Dies stellt einen optimalen Kompromiss zwischen Herstell- und Montageaufwand und axialer Stützkraft dar.
Um eine gute Abstützung des Fußes der Turbinenschaufel zu erreichen, ist das Befestigungselement bevorzugt so bemessen, dass der Abstand quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes zwischen den beiden in gleiche Richtung zeigenden Flächen der Flachseiten zumindest annähernd dem 0,5 bis 0,7-fachen, vorzugsweise dem 0,6-fachen der in Längsrichtung des Befestigungselementes betrachteten Länge der den Fuß der Turbinenschaufel abstützenden Flachseite entspricht. Bei dem Verdichterrad mit einem Außendurchmesser von 732 mm liegt der Abstand zwischen den Flächen vorzugsweise bei 4,8 mm, während die Länge der Flachseite 8,0 mm entspricht. Bei anderen Verdichterradaußendurchmessern ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis von Abstand bzw. Länge zum Außendurchmesser im Wesentlichen im Bereich dieser Verhältnisse liegt.
Die Gesamtlänge des Befestigungselementes bezogen auf die Länge der den Fuß der Turbinenschaufel abstützenden Flachseite entspricht bevorzugt dem 1,8 bis 2,2-fachen, insbesondere dem 1,875-fachen der Länge der den Fuß der Turbinenschaufel abstützenden Flachseite. Bei dem beschrieben Anwendungsfall des Verdichterrades mit einem Außendurchmesser von 732 mm liegt die Länge somit bevorzugt bei ungefähr 15,0 mm. Bei anderen Verdichterradaußendurchmessern ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis von Gesamtlänge bzw. Länge zum Außendurchmesser im Wesentlichen im Bereich der vorgenannten Verhältnisse liegt, insbesondere also, wenn der Außendurchmesser der Turbinenscheibe im Wesentlichen dem 46- bis 52-fachen, insbesondere im Wesentlichen dem 48,8-fachen der Gesamtlänge des Befestigungselementes entspricht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt, teilweise schematisiert:
1 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Befestigen einer Turbinenschaufel an einer Turbinenscheibe in perspektivischer Darstellung;
2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1, in der der Fuß der Turbinenschaufel gesichert durch ein Befestigungselement dargestellt ist;
3 eine Teilansicht eines Längsschnittes durch die Turbinenscheibe, in dem eine erfindungsgemäße Rastnut, wie sie bei der in 1 gezeigten Anordnung verwendet wird, dargestellt ist;
4 eine perspektivische Darstellung des Befestigungselementes, wie es bei der in 1 gezeigten Anordnung verwendet wird;
5 eine Seitenansicht des Befestigungselementes; und
6 eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht einer Abwandlung der in 3 gezeigten Rastnut.
In den 1 und 2 ist in teilweiser perspektivischer Darstellung bzw. Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zum Befestigen einer Turbinenschaufel 14 an einer Turbinenscheibe 12 dargestellt. Zum Befestigen der Turbinenschaufel 14 ist an der Turbinenscheibe 12 eine im Querschnitt profilierte Profilnut 16 vorgesehen, welche zumindest annähernd parallel zur Rotationsachse R der Turbinenscheibe 12 verläuft. In die Profilnut 16 ist ein am im montierten Zustand radial innen angeordneten Ende der Turbinenschaufel 14 ausgebildeter Fuß 18 axial eingeschoben. Der Fuß 18 ist in bekannter Weise in seinem Querschnitt quer zur axialen Einführungsrichtung an den Querschnitt der Profilnut 16 angepasst, um die Turbinenschaufel 12 in radialer Richtung sicher mit der Turbinenscheibe 14 zu verbinden.
Um ein Lösen des Fußes 18 aus der Profilnut 16 in axialer Richtung zu verhindern, ist die erfindungsgemäße Anordnung 10 vorgesehen, deren Elemente nachfolgend anhand der 3 und 4 näher erläutert werden.
In 3 ist ein Abschnitt der Turbinenscheibe 12 in geschnittener Ansicht gezeigt. An der in 3 rechts gezeigten Flachseite 20 der Turbinenscheibe 12 ist eine konzentrisch um die Rotationsachse R verlaufende Rastnut 22 ausgebildet. Die Rastnut 22 hat einen etwa rechtwinklig zur Rotationsachse R verlaufenden Nutgrund 24. Der Nutgrund 24 ist durch eine sich radial nach außen erstreckende Erhebung 26, welche an ihrem Übergang in die Rastnut 22 abgerundet ist, und eine sich radial nach innen erstreckende zweiter Erhebung 28 begrenzt, welche gleichfalls abgerundet ist und unter Bildung eines Radius 30 von 2,2 mm in den Nutgrund 24 der Rastnut 22 übergeht. Die Rastnut 22 ist dabei so relativ zu den in radialer Richtung betrachtet gleichmäßig zur Rotationsachse R beabstandeten Profilnuten 16 angeordnet, dass jede Profilnut 16 mit ihrem radial am weitesten innen angeordneten Ende in der Rastnut 22 endet, und zwar etwas unterhalb der zweiten Erhebung 28.
Das zweite wesentliche Element der erfindungsgemäßen Anordnung 10 ist das in 4 in perspektivischer Darstellung gezeigte Befestigungselement 32, welches mit der in 3 gezeigten Rastnut 22 verrastet wird, wie nachfolgend noch erläutert wird. Das aus einem Stahlblech gefertigte Befestigungselement 32 ist als im Querschnitt Z-förmiges Bogensegment 34 ausgebildet. Das Bogensegment 34 ist aus zwei in zumindest annähernd parallel zueinander angeordneten Ebenen verlaufenden Flachseiten 36 und 38 gebildet, welche durch einen zumindest annähernd rechtwinklig zu diesen verlaufenden Mittelsteg 40 miteinander verbunden sind. Die Übergänge 42 und 44 zwischen den beiden Flachseiten 36 und 38 in den Mittelsteg 40 sind dabei im Querschnitt betrachtet jeweils als Radien mit 1,6 mm (bezogen auf die Profilmittellinie) ausgebildet, um dem Befestigungselement 32 eine formbedingte Elastizität zu geben. Die einander abgewandten Längskan ten 46 und 48 der beiden Flachseiten 36 und 38 sind abgerundet, wobei der Rundungsradius an den Radius der Rastnut 22 angepasst ist.
In der Mitte des Befestigungselementes 32 ist ferner eine zumindest annähernd rechteckige Öffnung 50 ausgebildet, welche sich beginnend etwa von der Mitte der in 4 unten gezeigten ersten Flachseite 36 über den Mittelsteg 40 in den Übergang 44 des Mittelsteges 40 in die in 4 oben gezeigte zweite Flachseite 38 erstreckt. Ausgehend von der an der ersten Flachseite 36 ausgebildeten unteren Öffnungskante 52 der Öffnung 50 ragt in diese eine Nase 54, welche zumindest annähernd auf der Höhe des Übergangs 42 von der ersten Flachseite 36 in den Mittelsteg 40 endet.
Der Abstand a quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes 32 zwischen den beiden in gleiche Richtung zeigenden Flächen der Flachseiten 36 und 38 entspricht dem 4-fachen der Materialdicke d des Befestigungselementes 32, die im dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Turbinenscheibe mit 732 mm Außendurchmesser bei 1,2 mm liegt (vgl. 5).
Um einen sicheren Halt des Befestigungselementes 32 Rastnut 22 sicherzustellen, entspricht der Abstand a quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes 32 zwischen den beiden in gleiche Richtung zeigenden Flächen der Flachseiten 36 und 38 zumindest annähernd dem 0,6-fachen der in Längsrichtung des Befestigungselementes 32 betrachteten Länge l1 der den Fuß 18 der Turbinenschaufel 14 abstützenden Flachseite 36, so dass sich im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Länge von 8,0 mm ergibt.
Die Gesamtlänge l2 des Befestigungselement 32 in dessen Längsrichtung betrachtet entspricht im dargestellten Ausführungsbeispiel dem 1,875-fachen der Länge l1 der den Fuß 18 der Turbinenschaufel 14 abstützenden Flachseite 36 und liegt bei 15,0 mm. Bei anderen Turbinenscheibenaußendurchmessern ist es bevorzugt, wenn die vorgenannten absoluten Maße entsprechend skaliert sind, so dass ihr Verhältnis zum Turbinenscheibenaußendurchmessern im Wesentlichen gleich bleibt.
Bei der Montage der Turbinenschaufeln 14 an der Turbinenscheibe 12, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 geschildert wird, werden zunächst die Turbinenschaufeln 14 mit ihren Füßen 18 in die in der Turbinenscheibe 12 vorgesehenen Profilnuten 16 eingeschoben. Anschließend wird jede Turbinenschaufel 14 mit einem Befestigungselement 32, wie es in 4 gezeigt ist, gesichert.
Zu diesem Zwecke wird das Befestigungselement 32 mit der Längskante 46 der ersten Flachseite 36 an der ersten Erhebung 26 der Rastnut 22 eingehängt, während gleichzeitig die Nase 54 an einer Sicherungsnut 56 eingehängt wird, welche an der Unterseite eines aus der Profilnut 16 hervorstehenden Abschnittes des Fußes 18 der Turbinenschaufel 14 ausgebildet ist.
Anschließend wird das Befestigungselement 32 in axialer Richtung gegen die Turbinenscheibe 12 gedrückt, wobei der Übergang 42 der ersten Flachseite 36 in den Mittelsteg 40 des Befestigungselementes 32 an der zweiten Erhebung 28 der Rastnut 22 verrastet. Der Radius des Überganges 42 ist dabei an den Radius 30 der zweiten Erhebung 28 derart angepasst, dass diese sicher miteinander in Eingriff stehen bzw. verrasten (vg. 2). Während dieses Verrastvorganges wird der Fuß 18 in seine endgültige Einbaulage in der Profilnut 16 bewegt, wobei der Fuß 18 von der zweiten Flachseite 38 des in der Rastnut 22 verrasteten Befestigungselementes unter axialer Vorspannung gehalten werden kann. Gleichermaßen kann der Fuß 18 jedoch auch ohne Vorspannung durch die zweite Flachseite 38 axial nur gesichert werden und insoweit kräftefrei in der Nut 16 liegen.
Gleichzeitig hält die mit der Sicherungsnut 56 des Fußes 18 in Eingriff stehende Nase 54 des Befestigungselementes 32 den Fuß 18 in einer vorbestimmten axialen Position.
In 6 ist eine leicht abgewandelte Rastnut 22' gezeigt, die sich gegenüber der in 3 gezeigten Rastnut 22 nur dadurch unterscheidet, dass die erste Erhebung 26 rechtwinklig oder scharfkantig verläuft. Auf diese Weise wird ein noch sichererer Halt des Befestigungselementes 32 in der Rastnut 22' sichergestellt. Die Bemessungen der Rastnut 22' entsprechen denen der in 3 gezeigten Rastnut 22 und sind an die Maße des Befestigungselementes 32 angepasst, so dass die in 6 gezeigten Maße unmittelbar auf die in 3 gezeigte Rastnut 22 übertragen werden können.
So ist die Breite b der Rastnuten 22' nahe der Erhebung 26 etwas größer als die Materialdicke d des Befestigungselementes 32 und liegt im vergrößert dargestellten Ausführungsbeispiel bei 1,3 mm. Die radiale Tiefe t der parallel zur Flachseite der Turbinenscheibe 14 verlaufenden Nut liegt bei 2,0 mm. Die radiale Länge l3 des Abschnittes der Rastnut 22', an dem die Flachseite 36 des Befestigungselementes 32 anliegt, entspricht 8,2 mm. Die beiden Radien R1 und R2 an der zweiten Erhebung 28 entsprechen den Radien des Mittelsteges 40 und liegen bei 2,2 mm für den größeren Radius R1 und 1,2 mm für den kleineren Radius R2. Bei anderen Turbinenscheibenaußendurchmessern als den 732 mm des Ausführungsbeispiels ist es wiederum bevorzugt, wenn einige oder alle der vorgenannten absoluten Maße entsprechend skaliert sind, so dass ihr Verhältnis zum Turbinenscheibenaußendurchmessern im Wesentlichen gleich bleibt.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung 10 ist auf sehr einfache und elegante Weise eine axiale Sicherung der Turbinenschaufeln 14 an der Turbinenscheibe 12 möglich. Aufwendige und besonders gestaltete Nuten, wie sie im Stand der Technik geschildert sind, sind bei dieser Anordnung 10 nicht erforderlich.

10: Anordnung
12: Turbinenscheibe
14: Turbinenschaufel
16: Profilnut
18: Fuß der Turbinenschaufel
20: Flachseite
R: Rotationsachse
22: Rastnut
24: Nutgrund
26: erste Erhebung
28: zweiter Erhebung
30: Radius
32: Befestigungselement
34: Bogensegment
36: Flachseite
38: Flachseite
40: Mittelsteg
42: Übergang
44: Übergang
46: Längskante
48: Längskante
50: Öffnung
52: untere Öffnungskante
54: Nase
56: Sicherungsnut
a: Abstand zwischen den Flachseiten 36 und 38
d: Materialdicke
l1: Länge der Flachseite 36
l2: Gesamtlänge des Befestigungselementes
t: radiale Tiefe der Rastnut 22'
b: Breite der Rastnut 22'
l3: radiale Länge der Rastnut 22'
R1: großer Radius an der Erhebung 28
R2: kleiner Radius an der Erhebung 28

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004036389 A1 [0002]

Claims

Anordnung zum Befestigen einer Turbinenschaufel (14) an einer Turbinenscheibe (12) einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, bei der für die Turbinenschaufel (14) an der Turbinenscheibe (12) eine zumindest annähernd parallel zur Rotationsachse (R) der Turbine verlaufende axiale Profilnut (16) vorgesehen ist, in welche ein im Querschnitt an den Profilquerschnitt der Profilnut (16) angepasster Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) einzuführen ist, und bei der für die Turbinenschaufel (14) ein Befestigungselement (32) vorgesehen ist, mit welchem der in die Profilnut (16) eingeführte Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) in axialer Richtung gesichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (32) durch Verrasten an der Turbinenscheibe (12) befestigt ist und den Fuß (18) axial sichert.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (32) den Fuß (18) zum axialen Sichern in axialer Richtung in die Profilnut (16) vorspannt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verrasten des Befestigungselementes (32) in einer, insbesondere zumindest annähernd radial verlaufenden, Flachseite der Turbinenscheibe (12) eine konzentrisch zur Rotationsachse (R) verlaufende Rastnut (22) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastnut (22) durch eine sich radial nach außen erstreckende, vorzugsweise abgerundete, erste Rasterhebung (26) und/oder durch eine sich radial nach innen erstreckende, vorzugsweise abgerundete, zweite Rasterhebung (28) begrenzt ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastnut (22) in radialer Richtung betrachtet zu den Profilnuten (16) so angeordnet ist, dass die Profilnut (16) zumindest teilweise in die Rastnut (22) derart übergeht, dass der in die Profilnut (16) eingeführte Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) in die Rastnut (22) ragt.
Anordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (32) als ein im Querschnitt Z-förmiges Bogensegment (34) aus zwei Flachseiten (36, 38), die durch einen, insbesondere zumindest annähernd rechtwinklig zu diesen verlaufenden, Mittelsteg (40) miteinander verbunden sind, ausgebildet ist, wobei das Befestigungselement (32) im verrasteten Zustand mit seiner einen Flachseite (36) in der Rastnut (22) gehalten ist, während seine andere Flachseite (38) an der Stirnseite des in die Profilnut (16) eingeführten Fußes (18) der Turbinenschaufel (14) anliegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Fußes (18) der Turbinenschaufel (14) im in die Profilnut (16) vollständig eingeführtem Zustand aus der Profilnut (16) geringfügig hervorsteht, durch eine am Befestigungselement (32) ausgebildeten Öffnung (50) ragt und in dieser gesichert ist, wenn das Befestigungselement (32) an der Turbinenscheibe (12) verrastet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung des Fußes (18) in der Öffnung (50) eine am Befestigungselement (32) vorgesehene Nase (54) in die Öffnung (50) ragt, welche mit einer am Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) ausgebildeten Sicherungsnut (56) in Eingriff steht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Profilnut (16) über die gesamte axiale Länge der Turbinenscheibe (12) erstreckt, und dass an beiden Enden jeder Profilnut (16) jeweils ein mit der Turbinescheibe (12) verrastetes Befestigungselement (32) vorgesehen ist, wobei der in die Profilnut (18) eingeführte Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) zwischen den beiden Befestigungselementen (32) axial gesichert ist.
Befestigungselement für eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (32) als ein im Querschnitt Z-förmiges Bogensegment (34) aus zwei Flachseiten (36, 38) ausgebildet ist, welche durch einen zumindest annähernd rechtwinklig zu diesen verlaufenden Mittelsteg (40) miteinander verbunden sind, wobei das Befestigungselement (32) im verrasteten Zustand mit seiner einen Flachseite (36) in der Rastnut (22) gehalten ist, während seine andere Flachseite (38) an der Stirnseite des in die Profilnut (16) eingeführten Fußes (18) der Turbinenschaufel (14) anliegt.
Befestigungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelsteg (40) quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes (32) betrachtet S-förmig gebogen ist.
Befestigungselement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) quer zur Längsrichtung des Befestigungselementes (32) zwischen den beiden in gleiche Richtung zeigenden Flächen der Flachseiten (36, 38) im Wesentlichen dem 3- bis 5-fachen einer Materialdicke (d) des Befestigungselementes (32), insbesondere im Wesentlichen dem 4-fachen der Materialdicke (d) des Befestigungselementes (32), und/oder im Wesentlichen dem 0,5 bis 0,7-fachen, insbesondere im Wesentlichen dem 0,6-fachen einer in Längsrichtung des Befestigungselementes (32) betrachteten Länge (l1) der den Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) abstützenden Flachseite (36) entspricht.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtlänge (l2) des Befestigungselementes (32) in dessen Längsrichtung betrachtet im Wesentlichen dem 1,8 bis 2,2-fachen, insbesondere im Wesentlichen dem 1,875-fachen der Länge (l1) der den Fuß (18) der Turbinenschaufel (14) abstützenden Flachseite (36) in Längsrichtung des Befestigungselementes (32) betrachtet, entspricht und/oder ein Außendurchmesser der Turbinenscheibe im Wesentlichen dem 46- bis 52-fachen, insbesondere im We sentlichen dem 48,8-fachen der Gesamtlänge (l2) des Befestigungselementes (32) in dessen Längsrichtung betrachtet entspricht.
Turbine, insbesondere Gasturbine, mit einer Turbinenscheibe (12) und daran befestigten Turbinenschaufeln (14), gekennzeichnet durch eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Befestigung wenigstens einer der Turbinenschaufeln (14).
Turbinenscheibe für eine Turbine nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Rastnut (22), wobei ein Außendurchmesser der Turbinenscheibe im Wesentlichen dem 60- bis 67-fachen, insbesondere im Wesentlichen dem 63-fachen einer Gesamthöhe in radialer Richtung der Rastnut (22) entspricht.