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Die
Erfindung betrifft einen Rotor einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer thermischen Gasturbine, umfassend eine Rotorscheibe
oder einen Rotorring und einen daran angeordneten Laufschaufelkranz,
wobei der Laufschaufelkranz mindestens zwei Laufschaufelsegmente
mit jeweils mindestens einer daran angeordneten Laufschaufel umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine.
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Laufschaufeln
in Strömungsmaschinen, insbesondere in Niederdruckturbinen,
stellen durch ihre große Anzahl ein erhebliches Kostenpotential
dar. Insbesondere ist eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig,
um einen kompletten Schaufelkranz mit einer entsprechenden Rotorscheibe
zu verbinden. Es wurde daher vorgeschlagen, mehrere dieser Schaufeln
zu so genannten Clustern oder Laufschaufelsegmenten zusammenzufassen.
Dadurch reduziert sich die Anzahl der Bauteile, wodurch verschiedene
Fertigungsschritte eingespart werden können. Bekannte Laufschaufel-Cluster
oder Laufschaufelsegmente mit mindestens zwei daran angeordneten Schaufeln
sind zum Beispiel aus der
EP
1 881 163 A1 bekannt. Hierbei werden zumindest zwei Schaufeln
an ihren Schaufelspitzen miteinander verschweißt und in
entsprechenden Laufschaufelgruppen mit dem äußeren
radialen Rand einer Rotorscheibe verbunden. Nachteilig daran ist
aber, dass einerseits das Verschweißen von Schaufelspitzen
relativ aufwändig ist und andererseits jeder einzelne Schaufelfuß des
Laufschaufel-Clusters beziehungsweise des Laufschaufelsegments mit
der Rotorscheibe verbunden werden muss. Durch diese zeit- und kostenaufwändigen
Fügeverfahren verteuert sich die Herstellung des Rotors
insgesamt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer thermischen Gasturbine und eine Strömungsmaschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch eine signifikante
Reduzierung und Vereinfachung der Herstellungsschritte deutlich
kostengünstiger fertigen lassen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Strömungsmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben,
wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors – soweit
anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine
und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein
erfindungsgemäßer Rotor einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer thermischen Gasturbine, umfasst eine Rotorscheibe
oder einen Rotorring und einen daran angeordneten Laufschaufelkranz,
wobei der Laufschaufelkranz mindestens zwei Laufschaufelsegmente
mit jeweils mindestens einer daran angeordneten Laufschaufel umfasst.
Die Laufschaufelsegmente sind dabei jeweils mit mindestens zwei,
an gegenüberliegenden Außenseiten des Laufschaufelsegments
angreifenden Klammern an einem radialen Rand der Rotorscheibe oder
des Rotorrings befestigt. Durch die Verwendung von Laufschaufelsegmenten
zur Herstellung des Laufschaufelkranzes und deren Befestigung mittels Klammern
an dem radial äußeren Rand der Rotorscheibe oder
des Rotorrings ergibt sich einerseits eine signifikante Reduzierung
der Herstellungsschritte und andererseits eine deutliche Vereinfachung
des Herstellungsverfahrens insgesamt. Insbesondere kann auf aufwändige
Fügeverfahren zwischen den Laufschaufelsegmenten und der
Rotorscheibe beziehungsweise dem Rotorring verzichtet werden. Die Laufschaufelsegmente
können vorteilhafterweise auch mehrere Schaufeln umfassen,
so dass die Anzahl der benötigten Bauteile deutlich verringert
wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Rotors wird
zudem vermieden, dass es zum Beispiel bei einer Zerstörung
der Verbindung, d. h. der Klammer zwischen der Rotorscheibe beziehungsweise
dem Rotorring und dem Laufschaufelsegment ein Bruch der kompletten
Rotorscheibe beziehungsweise des kompletten Rotorrings erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Rotors sind die Klammern ungefähr U-förmig ausgebildet.
Dabei können die kurzen Schenkel der Klammern einerseits
in Ausnehmungen in einem Fußbereich des Laufschaufelsegments
und andererseits in Ausnehmungen in dem radial äußeren
Rand der Rotorscheibe oder des Rotorrings eingreifen. Dabei kann
beispielhaft an dem in die entsprechende Ausnehmung des Fußbereichs
eingreifenden kurzen Schenkel jeweils eine Rastnase oder ein Raststeg
zur Verrastung mit einem entsprechenden überstehenden Rand
der Ausnehmung angeformt sein. Dadurch lässt sich eine
sichere und einfache Verbindung des Laufschaufelsegments mit der Klammer
erzielen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Rotors sind die in die Ausnehmungen in dem radial äußeren
Rand der Rotorscheibe oder des Rotorrings eingreifenden kurzen Schenkel
der Klammern mittels einer formschlüssigen Sicherung oder
einer Drahtsicherung an der Rotorscheibe oder dem Rotorring befestigt.
Die formschlüssige Sicherung kann dabei mittels eines zusätzlichen
Bauteils, insbesondere einem ringförmigen Bauteil, ausgebildet
werden. Insgesamt kann die axiale Sicherung der Klammern an der
Scheibe mittels unterschiedlicher Vorrichtungen und Mittel erfolgen.
Des Weiteren kann eine Umfangssicherung an beiden Klammern angebracht
werden. Durch diese Maßnahmen ist eine sichere Verbindung
dieser Teilabschnitte der Klammern an dem radial äußeren Rand
der Rotorscheibe oder des Rotorrings gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Rotors ist mindestens eine Klammer einstückig mit dem Fußbereich
des Laufschaufelsegments ausgebildet. Durch eine derartige einstückige
Ausbildung reduziert sich die Anzahl der benötigten Bauelemente
weiter. Dadurch können die Herstellungskosten weiter reduziert
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
mindestens eine der Klammern an der der Rotorscheibe bzw. dem Rotorring oder
dem Fußbereich des Laufschaufelsegments zugewandten Innenseite
mindestens einen Vorsprung zur Auflage an dem Fußbereich
des Laufschaufelsegments und/oder dem radial äußeren
Rand der Rotorscheibe bzw. des Rotorrings als axialen Anschlag zur
Positionierung des Laufschaufelsegments. Dadurch ist vorteilhafterweise
eine weitere Sicherung der Klammern in Umfangsrichtung einerseits
an dem Laufschaufelsegment und andererseits an der Rotorscheibe
beziehungsweise dem Rotorring gegeben. Zudem ergibt sich eine eindeutige
und korrekte Positionierung der zu verbindenden Bauteile zueinander.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Rotors weist eine der Rotorscheibe oder dem Rotorring zugewandte
Fläche des kurzen Schenkels der einem Flansch der Rotorscheibe
zugewandten, innenliegenden Klammer mindestens eine durchgehende
Riefe zur Durchleitung von Kühlluft in einen zwischen der
Innenseite dieser Klammer und der Außenseite der Rotorscheibe
bzw. dem Rotorring ausgebildeten Raum auf. Die Kühlluft wird über
diesen Raum in den Klammerverbindungen entlang des Scheibenrands
oder des Ringrands geführt, wodurch dieser kalt gehalten
wird. Es ist aber auch möglich, dass das Bauteil zur Fixierung
der genannten Klammer an ihrem Außenumfang entlang in Richtung
des Fußbereichs des Laufschaufelsegments zur Ausbildung
eines Kühlluftkanals verlängert ausgebildet ist.
Zudem ergibt sich durch die Erfindung insgesamt die Möglichkeit,
dass die Laufschaufelsegmente an einer Rotorscheibe oder einem Rotorring
angeordnet werden, ohne dass es zu einem direkten Kontakt zwischen
den Laufschaufeln und dem äußeren Scheiben- beziehungsweise
Ringdurchmesser kommt. Durch diese Bauweise und durch die genannte
Luftkühlung kann der erfindungsgemäße
Rotor bei Temperaturen zum Einsatz kommen, die über den
Temperaturen liegen, bei denen die üblicherweise verwendeten
Scheibenwerkstoffe eingesetzt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Rotors ist zwischen zwei benachbart angeordneten Klammern im Übergangsbereich
zwischen den Laufschaufelsegmenten und der Rotorscheibe und dem
Rotorring eine Dichtplatte angeordnet. Die Dichtplatte ist dabei üblicherweise aus
Metall oder einer Metalllegierung und geeignet hohen Temperaturen
in diesen Bereichen zu widerstehen.
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Eine
erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere
eine thermische Gasturbine, umfasst mindestens einen Rotor wie im
Vorhergehenden beschrieben. Insbesondere ist dieser Rotor in einem
Turbinenbereich, insbesondere einem Niederdruck-Turbinenbereich,
der Strömungsmaschine angeordnet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie
anhand der Zeichnungen. Es zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen
Rotors;
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2 eine
schematische Seitenansicht des Rotors gemäß 1;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs des erfindungsgemäßen
Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
und
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4 eine
schematische Schnittansicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen
Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Rotors 10 einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer thermischen Gasturbine. Der Rotor 10 umfasst
dabei eine Rotorscheibe 12 und einen daran angeordneten Laufschaufelkranz 14,
wobei der radial angeordnete Laufschaufelkranz 14 mehrere
Laufschaufelsegmente 16, 18 (vergleiche auch 4)
mit mehreren daran angeordneten Laufschaufeln 20, 22, 24 (vergleiche auch 2)
umfasst. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
jeweils drei Laufschaufeln 20, 22, 24 an
einem Laufschaufelsegment 16, 18 angeordnet. In
dem Ausführungsbeispiel ist ein Rotor 10 einer Niederdruckturbine
dargestellt. Des Weiteren erkennt man, dass die Lauf schaufelsegmente 16, 18 jeweils
mit zwei, an gegenüberliegenden Außenseiten des
Laufschaufelsegments 16, 18 angreifenden Klammern 26, 28 an
einem radial äußeren Rand 30 der Rotorscheibe 12 befestigt
sind. Die Klammern 26, 28 sind dabei ungefähr
U-förmig ausgebildet, wobei die kurzen Schenkel 32, 34, 36, 38 der
Klammern 26, 28 einerseits in Ausnehmungen 42, 44 in
einem Fußbereich 40 des Laufschaufelsegments 16 und
andererseits in Ausnehmungen 46, 48 in dem radial äußeren
Rand 30 der Rotorscheibe 12 eingreifen. Dabei ist
an die in die Ausnehmungen 42, 44 des Fußbereichs 40 eingreifenden
kurzen Schenkel 32, 36 jeweils eine Rastnase 50 bzw.
ein Raststeg zur Verrastung mit einem entsprechenden überstehenden Rand 52, 54 der
Ausnehmungen 42, 44 angeformt. Die Klammern 26, 28 werden
an dem Laufschaufelsegment 16 axial eingehängt
und über die Nasen 50 gesichert.
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Des
Weiteren erkennt man, dass zwischen dem Laufschaufelsegment 16 im Übergangsbereich zwischen
dem Laufschaufelsegment 16 und der Rotorscheibe 12 eine
Dichtplatte 88 in einer in der Rotorscheibe 12 ausgebildeten
Umfangsnut 86 angeordnet ist. Die Dichtplatte 88 besteht üblicherweise Metall
oder einer Metalllegierung um den in diesen Bereichen der Turbine
auftretenden hohen Temperaturen widerstehen zu können.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in die Ausnehmungen 46, 48 des
radial äußeren Rands 30 der Rotorscheibe 12 eingreifenden kurzen
Schenkel 34, 38 mit den Klammern 26, 28 einerseits
mittels einer formschlüssigen Sicherung 56 und
andererseits mittels einer Drahtsicherung 58 (vgl. auch 2)
an der Rotorscheibe 12 befestigt. Man erkennt, dass die
formschlüssige Sicherung 56 mittels eines zusätzlichen
Bauteils 60, nämlich einem ringförmigen
Bauteil ausgebildet wird. Bei dem Bauteil 60 kann es sich
beispielsweise um einen Dichtungsträger einer Dichtung 96 handeln.
Des Weiteren wird deutlich, dass durch die Klammern 26, 28 eine Befestigung
des Laufschaufelsegments 16 an der Rotorscheibe 12 derart
erfolgt, dass der äußere Scheibendurchmesser keinen
direkten Kontakt zu den Laufschaufeln 20, 22, 24 hat.
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Aus 1 wird
zudem deutlich, dass die Klammern 26, 28 an der
der Rotorscheibe 12 und dem Fußbereich 40 des
Laufschaufelsegments 16 zugewandten Innenseite jeweils
einen Vorsprung 80, 82 zur Auflage an dem Fußbereich 40 des
Laufschaufelsegments 16 und dem radial äußeren
Rand 30 der Rotorscheibe 12 als axialen Anschlag
zur Positionierung des Laufschaufelsegments 16 aufweisen.
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Des
Weiteren wird deutlich, dass die Rotorscheibe 12 einen
Flansch 68 aufweist, wobei der Flansch 68 mit
dem Bauteil 60 einen Raum 72 definiert bzw. ausbildet. Über
mindestens eine in dem Flansch 68 ausgebildete Öffnung 70 kann
Kühlluft in den Raum 72 einströmen. Eine
der Rotorscheibe 12 zugewandte Fläche 74 des
kurzen Schenkels 34 der Klammer 26 weist halbmondförmige,
durchgehende Riefen zur Durch- und Weiterleitung der Kühlluft
zu einen zwischen der Innenseite der Klammer 26 und der
Außenseite der Rotorscheibe 12 ausgebildeten Raum 84 auf.
Durch diese Bauweise und durch die genannte Luftkühlung
kann der erfindungsgemäße Rotor bei Temperaturen
zum Einsatz kommen, die über den Temperaturen liegen, bei
denen die üblicherweise verwendeten Scheibenwerkstoffe
eingesetzt werden.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht des Rotors 10 gemäß 1.
Es wird deutlich, dass die Klammer 28 – wie auch
die in dieser Figur nicht dargestellte Klammer 26 gemäß 1 – einen
sich in beiden Umfangsrichtungen erstreckenden Klammerkörper 62 aufweisen,
wobei an den jeweiligen Endabschnitten 64, 66 des
Klammerkörpers 62 die kurzen Schenkel 36, 38 der
Klammer 28 einerseits in die Ausnehmung 44 in
dem Fußbereich 40 des Laufschaufelsegments 16 und
andererseits in die Ausnehmung 48 in dem radial äußeren
Rand 30 der Rotorscheibe 12 eingreifen. Die Ausnehmungen 44, 48 sind
dabei als in Umfangsrichtung verlaufende Nuten ausgebildet. Man
erkennt, dass die Größe der Klammer 28 in
Umfangsrichtung der Größe der Laufschaufelsegments 16 in
Umfangsrichtung entspricht. Des Weiteren erkannt man die ungefähr
mittige Anordnung der Drahtsicherung 58 am Klammerkörper 62.
Dabei wird der Draht durch entsprechende Ausnehmungen 76, 78 im
Klammerkörper 62 geführt. An der der
Drahtsicherung 58 gegenüberliegenden Seite weist
die Klammer 28 eine Umfangssicherung 94 auf, die
zwischen zwei Vorsprüngen 96 im Fußbereich 40 des
Laufschaufelsegments 16 zu liegen kommt. Das Laufschaufelsegment 16 weist
wiederum eine Dichtplatte 88 auf, wobei die Dichtplatte 88 am
Außenumfang der Rotorscheibe 12 anliegt.
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Rotors 10 gemäß einer
zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist hier die Klammer 26 integral,
das heißt einstückig mit dem Fußbereich 40 des
Laufschaufelsegments 16 ausgebildet. Dabei ist wiederum
ein Kühlluftsystem wie in 1 beschrieben,
ausgebildet. Die gegenüberliegende Klammer 28 weist wiederum
einen Vorsprung 82 als axialen Anschlag der Klammer 28 im
Randbereich 30 der Rotorscheibe 12 auf. Die Befestigung
der Klammer 28 an dem Laufschaufelsegment 16 einerseits
und an dem randlichen Bereich 30 der Rotorscheibe 12 andererseits entspricht
der in 1 beschrieben Befestigung.
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4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines Teilbereichs eines Rotors 10 gemäß einer dritten
Ausführungsform. Man erkennt, dass zwischen zwei benachbart
angeordneten Laufschaufelsegmenten 16, 18 im Übergangsbereich
zwischen den Laufschaufelsegmenten 16, 18 und
der Rotorscheibe 12 eine Dichtplatte 88 in der
Umfangsnut 86 angeordnet ist. Die Dichtplatte 88 besteht üblicherweise
Metall oder einer Metalllegierung um den in diesen Bereichen der
Turbine auftretenden hohen Temperaturen widerstehen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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