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Die
Erfindung betrifft einen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines integral
beschaufelten Rotors.
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Gasturbinenrotoren
mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt
scheibenförmiger
oder ein im Querschnitt ringförmiger
Rotor bzw. Rotorträger
(im Folgenden Rotorgrundkörper
genannt) vorhanden ist, als Blisk bzw. Bling. Blisk ist die Kurzform
von Bladed Disk und Bling von Bladed Ring.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, Gasturbinenrotoren mit integraler
Beschaufelung durch Fräsen
aus dem Vollen herzustellen, was natürlich sehr aufwendig und teuer
ist, weshalb dieses Verfahren nur für relativ kleine Gasturbinenrotoren Verwendung
gefunden hat. Ein anderes, bei großen Rotoren Anwendung findendes
Verfahren ist das Reibschweißen
eines von separat hergestellten, insbesondere monokristallinen Schaufeln
an einem insbesondere polykristallinen Rotorgrundkörper. Um hohe
thermische Spannungen im Rotorgrundkörper zu vermeiden, werden im
radialen Randbereich in axialer Richtung verlaufende Entlastungsöffnungen oder
-schlitze eingebracht. Damit keine strömungstechnischen Nachteile
aufgrund der Entlastungsöffnungen
auftreten, sind Dichtringe oder Dichtscheiben vor oder hinter dem
Rotor angeordnet, wodurch die Entlastungsöffnungen oder -schlitze abgedichtet werden.
Solche Dichtringe oder -scheiben sind aufwendig zu fertigen und
somit teuer und erhöhen
das Gewicht des Rotors.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen integral beschaufelten Rotor zu schaffen,
bei dem eine Abdichtung der Entlastungsöffnungen kostengünstig und
mit geringem Gewicht realisiert wird, sowie ein einfaches Herstellungsverfahren
eines solchen integral beschaufelten Rotors.
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Die
Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen integral beschaufelten
Rotor für
eine Strömungsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbine, gelöst.
Der Rotor umfasst einen Rotorgrundkörper, in dessen radialem Randbereich
in axialer Richtung verlaufende Entlastungsöffnungen vorgesehen sind. In
jeder Entlastungsöffnung
ist ein Dichtelement vorgesehen, welches die Entlastungsöffnung in
axialer Richtung abdichtet. Auf diese Weise werden keine separaten
Dichtringe oder -scheiben benötigt,
wodurch Gewicht eingespart wird. Da ein Dichtelement nur einer Entlastungsöffnung zugeordnet
ist, vereinfacht sich die Bauweise der Dichtelemente, wodurch Kosten
eingespart werden.
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Vorzugsweise
weisen die Dichtelemente einen Anschlag auf, mit dem sie an einer
Stirnseite des Rotors anliegen. Auf diese Weise werden eine einfache
Positionierung der Dichtelemente sowie eine einfache Befestigung
am Rotor ermöglicht.
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Die
Dichtelemente können
mindestens einen Biegefortsatz aufweisen, der an einer Stirnseite
des Rotors anliegt. Somit werden die Dichtelemente durch Umbiegen
des Biegefortsatzes am Rotor befestigt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform liegen
die Dichtelemente als Dämpfer
zwischen benachbarten Schaufelhälsen.
Dies ermöglicht
eine verbesserte Dämpfung
von Schwingungen des Rotors.
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Vorzugsweise
weisen die Dichtelemente jeweils eine Dichtplatte auf, die an den
Querschnitt der Entlastungsöffnung
angepasst ist. Die Dichtplatte ermöglicht eine optimale Abdichtung
der Entlastungsöffnung.
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Die
Dichtplatte lässt
sich so ausführen,
dass die Dicke der Dichtplatte um mindestens den Faktor 5 geringer
ist als die Länge
der Entlastungsöffnung. Dies
ermöglicht
eine weitere Einsparung von Gewicht im radialen Randbereich des
Rotorgrundkörpers.
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Vorzugsweise
liegt die Dichtplatte in der Entlastungsöffnung. Auf diese Weise nimmt
die Dichtplatte keinen zusätzlichen
Bauraum in Anspruch.
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Die
Dichtplatte ist beispielsweise in axialer Richtung im Wesentlichen
in der Mitte der Entlastungsöffnung
vorgesehen. So bleibt die Abdichtung der Entlastungsöffnung auch
bei kleinen Verschiebungen der Dichtplatte in axialer Richtung erhalten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
weisen die Dichtelemente jeweils zwei Dichtplatten auf. Dies ermöglicht eine
verbesserte Abdichtung der Entlastungsöffnung.
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Vorzugsweise
sind die beiden Dichtplatten der Dichtelemente so angeordnet, dass
sie an den beiden Enden der Entlastungsöffnung mit den Stirnseiten
des Rotors im Bereich der Entlastungsöffnungen eine Ebene bilden,
d. h. bündig
abschließen.
Auf diese Weise ergeben sich bei Rotation des Rotors nur geringe
Ventilationsverluste im Bereich der Entlastungsöffnungen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind Dichtelemente mit verschiedenen Massen vorgesehen. Dies ermöglicht ein
Wuchten des Rotors mittels der Dichtelemente.
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Vorzugsweise
weisen die Dichtelemente einen radial äußeren Steg auf, der wenigstens
eine vom Steg abstehende Dichtplatte und an beiden Enden des Stegs
Anschläge
aufweist, wobei die Anschläge
vorzugsweise an den Stirnseiten des Rotors angreifen. Auf diese
Weise wird das Dichtelement über
die beiden Anschläge
an den Enden an den Stirnseiten des Rotors befestigt, wodurch ein
Verrutschen der Dichtplatte verhindert wird. Diese Anschläge sind
z. B. ein permanenter Fortsatz sowie ein Biegefortsatz.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors
mit folgenden Verfahrensschritten. In einem ersten Schritt erfolgt
die Befestigung von Schaufeln an einen Rotorgrundkörper, wobei
im radialen Randbereich des Rotorgrundkörpers Entlastungsöffnungen
vorgesehen sind, die im Bereich von Schlitzen benachbarter Schaufelhälse liegen.
In einem zweiten Schritt erfolgt ein Verschließen der Entlastungsöffnungen
durch Dichtelemente. Dies ermöglicht
eine einfache Herstellung des Rotors, wobei auf aufwendig herzustellende
und schwere Dichtringe oder -scheiben verzichtet werden kann, wodurch
Gewicht und Kosten eingespart werden.
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Bei
einer weiteren Variante des Verfahrens erfolgt das Wuchten des Rotors
mittels unterschiedlich schwerer Dichtelemente. Dies ermöglicht,
die Abdichtung der Entlastungsöffnungen
und das Wuchten des Rotors in einem Verfahrensschritt durchzuführen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug
genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines integral beschaufelten Rotors gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Detailansicht eines Dichtelements gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform;
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3 eine
Draufsicht auf die Stirnfläche
des in 1 gezeigten Rotors;
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4 eine
Schnittansicht entlang der in 3 gezeigten
Schnittebene IV-IV;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines integral beschaufelten Rotors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Detailansicht eines Dichtelements gemäß der in 5 gezeigten
Ausführungsform;
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7 eine
Draufsicht auf die Stirnfläche
des in 5 gezeigten Rotors; und
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8 eine
Schnittansicht entlang der in 7 gezeigten
Schnittebene VIII-VIII.
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Eine
erste Ausführungsform
der Erfindung wird anhand der 1 bis 4 beschrieben.
Ein integral beschaufelter Rotor 10 weist einen Rotorgrundkörper 12 auf,
der in der gezeigten Ausführungsform
eine Rotorscheibe ist. Der Rotorgrundkörper 12 kann aber
beispielsweise auch ringförmig sein.
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Der
integral beschaufelte Rotor 10 ist für eine Gasturbine ausgelegt,
wobei er im Turbinenabschnitt oder im Verdichterabschnitt angeordnet
sein kann. Die Erfindung lässt
sich natürlich
auch auf integral beschaufelte Rotoren anderer Strömungsmaschinen anwenden.
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Am
Außenradius
des Rotorgrundkörpers 12 sind
mehrere Schaufeln 14 vorgesehen, die in der gezeigten Ausführungsform über separate
Zwischenstücke 16 mit
dem Rotorgrundkörper 12 verbunden sind.
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Eine
Schaufel 14 ist wie folgt aufgebaut: radial innen liegend
ist ein Schaufelhals 18 vorgesehen, vom Schaufelhals 18 erstreckt
sich das Schaufelblatt 20 radial nach außen. Am äußeren Ende
des Schaufelblatts 20 ist ein äußeres Deckband 22 vorgesehen.
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Die
Schaufeln 14 sind beispielsweise aus einkristallinen Nickel-Basis-Werkstoffen
gefertigt, die keine Schmelzschweißverfahren erlauben. Eine solche
Schaufel 14 wird zuerst durch Reibschweißen, insbesondere
Linearreibschweißen,
mit einem Zwischenstück 16 verbunden.
Das Zwischenstück 16 ist dabei
aus einem anderen Material als die Schaufel 14 gefertigt,
beispielsweise aus einem polykristallinen Material. Die Schaufel 14 kann
dann über
das Zwischenstück 16 mit
Hilfe verschiedener Verfahren am Rotorgrundkörper 12 befestigt
werden. Es ist natürlich
auch möglich,
dass die Schaufeln 14 mit geeigneten Verfahren direkt am
Rotorgrundkörper 12 befestigt
sind.
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Um
das Gewicht des Rotors 10 möglichst gering zu halten, ist
eine Leichtbauweise für
den Schaufelhals 18 vorgesehen. In den Schaufelhälsen 18 sind dabei
auf den in Umfangsrichtung liegenden Seiten Ausnehmungen 24 vorgesehen
(vgl. 1 und 4). Zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 werden
durch die Ausnehmungen 24 in gegenüberliegenden Seiten der Schaufelhälse 18 Hohlräume gebildet.
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Die
Schaufelhälse 18 weisen
jeweils einen in axialer Richtung vorderen und hinteren Fortsatz
auf. Die Fortsätze
bilden gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes inneres Deckband 26.
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Im
radial äußeren Randbereich
des Rotorgrundkörpers 12 sind
in axialer Richtung verlaufende Entlastungsöffnungen 28 vorgesehen.
Die Entlastungsöffnungen 28 dienen
beispielsweise zur Reduzierung von Spannungen im Rotorgrundkörper 12 aufgrund
von thermischen Belastungen durch Heißgase, die durch die Strömungsmaschine
geleitet werden.
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Radial
außerhalb
der Entlastungsöffnungen 28 sind
schmale Schlitze 29 zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 vorgesehen,
die in die Öffnungen 28 übergehen.
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In
den Entlastungsöffnungen 28 ist
jeweils ein Dichtelement 30 vorgesehen, welches die Entlastungsöffnung 28 in
axialer Richtung abdichtet.
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In
den 1 und 3 sind einige Entlastungsöffnungen 28 des
Rotors 10 mit eingesetzten Dichtelementen 30 und
einige Entlastungsöffnungen 28 mit
herausgenommenen Dichtelementen 30 dargestellt.
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2 zeigt
eine Detailansicht eines der Dichtelemente 30 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Das Dichtelement 30 weist einen radial äußeren Steg 32 auf.
Am linken Ende des Steges 32 ist eine Verdickung vorgesehen,
die einen ersten Anschlag 34 bildet, der an einer ersten
Stirnseite 36 des Rotors 10 anliegt (vgl. 1 oder 4).
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Auf
dem rechten Ende des Steges 32 ist ein Biegefortsatz 38 ausgebildet.
Der Biegefortsatz 38 wird nach dem Einführen des Dichtelements 30 in
die Entlastungsöffnung 28 des
Rotors 10 um ca. 90° nach
oben umgebogen, sodass er mit seiner oberen Fläche an der zweiten Stirnseite 36 des
Rotors 10 anliegt. Somit bildet der Biegefortsatz 38 im
umgebogenen Zustand einen zweiten Anschlag des Dichtelements 30.
Es ist natürlich
auch möglich,
einen oder mehrere Biegefortsätze 38 so
am Dichtelement 30 anzuordnen, dass sie in verschiedene
Richtungen, beispielsweise seitlich, umgebogen werden können.
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Eine
Dichtplatte 40 steht vom Steg 32 nach unten hin
ab. Die Form der Dichtplatte 40 ist dabei an den Querschnitt
der Entlastungsöffnung 28 angepasst,
um eine optimale Abdichtung zu erreichen. Die Dichtplatte 40 ist
im Wesentlichen in der Mitte des radial äußeren Steges 32 angeordnet
und ist somit im montierten Zustand innerhalb der Entlastungsöffnung 28 genauer
gesagt in axialer Richtung im Wesentlichen in der Mitte der Entlastungsöffnung 28 angeordnet.
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Die
Dicke der Dichtplatte 40 ist um mindestens den Faktor 5
geringer als die Länge
der Entlastungsöffnung 28 in
axialer Richtung. Auf diese Weise wird im Bereich der Entlastungsöffnung 28 Material eingespart,
wodurch sich das Gewicht des Rotors 10 reduziert. Zur maximalen
Gewichtseinsparung ist die Entlastungsöffnung 28 möglichst
groß gewählt, ohne dass
die Stabilität
des Rotors 10 beeinträchtigt
wird.
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Im
montierten Zustand ist das Dichtelement 30 so angeordnet,
dass es mit dem ersten Anschlag 34 auf der ersten Stirnseite 36 und
mit einem zweiten Anschlag, der durch den umgebogenen Biegefortsatz 38 gebildet
wird, an der zweiten Stirnseite 36 des Rotors 10 anliegt,
wodurch eine Bewegung des Dichtelements 30 in axialer Richtung
verhindert wird (vgl. 4).
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Der
radial äußere Steg 32 des
Dichtelements 30 ist ein Dämpfer zwischen benachbarten
Schaufelhälsen 18.
Der Dämpfer
dient insbesondere zur Reduzierung von Schwingungen der Schaufeln 14.
Eine Option, die Dämpfungswirkung
zu erzielen, besteht darin, daß die Oberseite
des Stegs 32 an der Oberseite der Entlastungsöffnung 28 anliegt
und über
Reibung Bewegungsenergie aufgenommen wird.
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Die
verschiedenen Dichtelemente 30, die jeweils einer Entlastungsöffnung 28 zugeordnet
sind, können
verschiedene Massen aufweisen, wodurch ein Wuchten des Rotors 10 mithilfe
der Dichtelemente 30 ermöglicht wird. Die Dichtelemente 30 dienen dadurch
zusätzlich
als Wuchtmassen.
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Die 5 bis 8 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. Die Bauweisen von Rotorgrundkörper 12 und Schaufeln 14 sind
identisch zur in 1 bis 4 gezeigten
ersten Ausführungsform.
Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch ein verändertes
Dichtelement 30.
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6 zeigt
eine Detailansicht des Dichtelements 30 der zweiten Ausführungsform
des Rotors 10. An einem radial äußeren Steg 32 sind
zwei Dichtplatten 40 angebracht, die jeweils an den Querschnitt der
Entlastungsöffnung 28 angepasst
sind. An den Enden des radial äußeren Stegs 32 sind
analog zur ersten Ausführungsform
ein erster Anschlag 34 und ein Biegefortsatz 38 vorgesehen.
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Die
Anordnung der Dichtelemente 30 im montierten Zustand im
Rotor 10 ist besonders gut in 8 zu erkennen.
Das Dichtelement 30 liegt mit dem ersten Anschlag 34 auf
der linken Stirnseite 36 des Rotors 10 an und
mit dem umgebogenen Biegefortsatz 38, der einen zweiten
Anschlag bildet, an der rechten Stirnseite 36 des Rotors 10 an.
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Die
beiden Dichtplatten 40 der Dichtelemente 30 sind
dabei so angeordnet, dass sie an den beiden Enden der Entlastungsöffnung 28 mit
den Stirnseiten 36 des Rotors 10 eine Ebene bilden
bzw. bündig
abschließen.
Auf diese Weise ergeben sich bei Rotation des Rotors 10 nur
geringe Strömungsverluste
durch die Dichtelemente 30.
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Wie
in 8 gut zu erkennen, sind die Biegefortsätze 38 um
annähernd
180° gebogen
und liegen mit ihrer Endfläche
an der Stirnseite 36 des Rotors 10 an. Es ist
natürlich
auch möglich,
die Biegefortsätze 38 analog
zur ersten Ausführungsform
(vgl. 4) nur um ca. 90° umzubiegen, sodass die Biegefortsätze 38 mit
ihrer oberen Fläche
an der Stirnseite 36 des Rotors 10 anliegen. Gleichermaßen können die
Biegefortsätze 38 der
ersten Ausführungsform
analog zur zweiten Ausführungsform
um annähernd
180° gebogen
sein. Es ist ebenso denkbar, mehrere Biegefortsätze 38 in verschiedenen
Richtungen zu biegen.
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Im
Folgenden wird ein erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines oben beschriebenen integral beschaufelten
Rotors 10 beschrieben.
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In
einem ersten Verfahrensschritt werden die Schaufeln 14 an
einem Rotorgrundkörper 12 befestigt.
Dies kann mithilfe verschiedener Verfahren geschehen, insbesondere
unter Verwendung eines Zwischenstücks 16 zur Erleichterung
von Schweißverfahren.
Im radialen Randbereich des Rotorgrundkörpers 12 sind dabei
Entlastungsöffnungen 28 vorgesehen,
die im Bereich von Schlitzen benachbarter Schaufelhälse 18 liegen.
Die Entlastungsöffnungen 28 können dabei,
beispielsweise bei der Befestigung von einzelnen Schaufeln 14 am
Rotorgrundkörper 12,
prozessbedingt entstehen, oder sie können nach dem Befestigen der
Schaufeln 14 am Rotorgrundkörper 12, beispielsweise
durch Bohren oder Fräsen, entstehen.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt werden die Entlastungsöffnungen 28 durch
die Dichtelemente 30 verschlossen und abgedichtet. Dazu
werden die Dichtelemente 30 mit dem Biegefortsatz 38 voraus
in die Entlastungsöffnungen 28 eingeführt bis
der erste Anschlag 34 an der Stirnseite 36 des
Rotors 10 anliegt. Daraufhin wird der Biegefortsatz 38,
der auf der anderen Seite des Rotors 10 aus der Entlastungsöffnung 28 herausragt,
nach oben umgebogen, bis er an der Stirnseite 36 des Rotors 10 anliegt
und somit einen zweiten Anschlag bildet, wodurch das Dichtelement 30 fest
in der Entlastungsöffnung 28 gehalten
wird. Die Masse der jeweiligen Dichtelemente 30 wird dabei
so abgestimmt, dass gleichzeitig mit dem Abdichten der Entlastungsöffnungen 28 ein Wuchten
des Rotors 10 erfolgt.
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Es
ist auch möglich,
dass anstelle des ersten Anschlags 34 in Form einer Verdickung
des Dichtelements 30 auf beiden Seiten des Dichtelements 30 ein Biegefortsatz 38 vorgesehen
ist, wobei bei der Montage des Dichtelements 30 die Biegefortsätze 38 auf beiden
Seiten des Dichtelements umgebogen werden und dabei jeweils an den
Stirnseite 36 des Rotors 10 anliegen und einen
Anschlag bilden.
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Ein
solches Dichtelement 30 ist beispielsweise symmetrisch
ausgebildet, wodurch die Orientierung des Dichtelements 30 bei
der Montage nicht berücksichtigt
werden muss.
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Es
können
auch mehr als zwei Dichtplatten 40 Verwendung finden, so
dass sich eine Art Labyrinthdichtung ergeben kann.
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- 10
- Rotor
- 12
- Rotorgrundkörper
- 14
- Schaufel
- 16
- Zwischenstück
- 18
- Schaufelhals
- 20
- Schaufelblatt
- 22
- äußeres Deckband
- 24
- Ausnehmung
- 26
- inneres
Deckband
- 28
- Entlastungsöffnung
- 29
- Schlitz
- 30
- Dichtelement
- 32
- Steg
- 34
- Anschlag
- 36
- Stirnseite
- 38
- Biegefortsatz
- 40
- Dichtplatte