DE102009031737A1

DE102009031737A1 - Laufrad für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE102009031737A1
Application number: DE102009031737A
Authority: DE
Inventors: Christoph 51069 Lange
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2009-07-04
Filing date: 2009-07-04
Publication date: 2011-07-21
Also published as: EP2452076A1; US9316234B2; JP5613764B2; CN102510953B; CN102510953A; EP2452076B1; WO2011003409A1; US20120189373A1; JP2012531554A

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Laufrad (2) für eine Turbomaschine, insbesondere eine Radialturbomaschine, mit einer Laufradstirnseite (2.2) und einem daran anschließenden Schrumpfbund (2.3) zum Aufschrumpfen auf einen Rotor (1) der Turbomaschine, weist eine Umfangsnut (3) zwischen der Laufradstirnseite und dem mit ihr verbundenen Schrumpfbund auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Turbomaschine, insbesondere eine Radialturbomaschine, mit einer Laufradstirnseite und einem daran anschließenden Schrumpfbund zum Aufschrumpfen auf einen Rotor der Turbomaschine, eine Turbomaschine mit einem Rotor und einem darauf aufgeschrumpften Laufrad sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrades.
In Turbomaschinen setzten Laufräder Energie eines sie durchströmenden Fluids und mechanische Energie eines die Laufräder tragenden Rotors ineinander um. In Radialturbomaschinen werden ein oder mehrere Laufräder hierzu quer zur Drehachse des Rotors durchströmt.
Laufräder sind dabei häufig durch Schrumpfsitze, i. e. ein Übermaß des Rotoraußendurchmessers gegenüber einem Laufradinnendurchmesser, axial auf dem Rotor reibschlüssig festgelegt. Um dabei die Kontaktfläche des Schrumpfsitzes zu vergrößern, weisen bekannte Laufräder an einer oder beiden Stirnseiten Schrumpfbunde auf, i. e. axiale Fortsätze der eigentlichen Laufradscheibe, die einen geringeren Durchmesser aufweisen. Zur Absicherung der sicherheitsrelevanten axialen Festlegung der Laufräder können die Schrumpfbunde zusätzlich mit Schrumpfbundstiften, die fluchtende Bohrungen von Bund und Rotor durchgreifen, gesichert sein.
Auf die Laufräder wirken aufgrund der teilweise sehr hohen Drehzahlen, etwa in von Gas oder Dampf durchströmten Kompressoren, Verdichtern oder Turbinen, Fliehkräfte, die unter anderem zu einer Aufweitung des Laufradinnendurchmessers führen und so die durch den Schrumpfsitz aufgeprägten Normalspannungen und mit ihnen den axial festlegenden Reibschluss reduzieren. Schrumpfbundstifte können dabei nachteilig auf Biegung bzw. Scherung beansprucht und durch radiale Mikrobewegungen belastet werden. Beides kann zu einem verschlechterten Betrieb, zu Verschleiß oder sogar zum Versagen der Turbomaschine führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Turbomaschine zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Laufrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß dessen kennzeichnendem Merkmal weitergebildet. Anspruch 12 stellt eine Turbomaschine mit einem solchen Laufrad, Anspruch 13 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrades unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein erfindungsgemäßes Laufrad ist zur Befestigung an einem Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einer Radialturbomaschine wie einem Radialkompressor bzw. -verdichter, vorgesehen. Hierzu ist an wenigstens einer Laufradstirnseite, vorzugsweise der stromabwärtigen Rückseite bzw. -wand der die Laufschaufeln tragenden Laufradscheibe, ein Schrumpfbund vorgesehen, der in einer bevorzugten Ausführung einstückig mit der Laufradscheibe ausgebildet ist. Durch, insbesondere thermisches, Aufweiten des Innendurchmessers einer Zentralbohrung des Schrumpfbundes und/oder Komprimieren des zugeordneten Rotoraußendurchmessers wird der Schrumpfbund auf den Rotor aufgeschrumpft.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Laufradstirnseite und dem mit ihr verbundenen Schrumpfbund eine radial außenliegende Umfangsnut ausgebildet. Als Umfangsnut wird insbesondere eine lokale Querschnittsverringerung bezeichnet, wie sie beispielsweise durch Einstechen des sich drehenden Schrumpfbundes mit einem Drehmeißel hergestellt werden kann.
Durch diese Materialschwächung wird eine teilweise Entkoppelung der Laufradscheibe, die aufgrund ihres in der Regel erheblich größeren Außendurchmesseres höheren Fliehkräften ausgesetzt ist, und dem Schrumpfbund, dessen Schrumpfsitz das Laufrad als Ganzes axial festlegt, erreicht. Weitet sich die Laufradscheibe unter Fliehkrafteinfluss, werden insbesondere entsprechende Biegemomente, die zu einer Aufweitung des Schrumpfbundes führen, in der insoweit gelenkähnlich wirkenden Umfangsnut nicht oder nur reduziert in den Schrumpfbund eingeleitet. Dies kann dazu führen, dass die axiale Kontaktlänge zwischen Schrumpfbund und Rotor sich im Betrieb vorteilhafterweise weniger reduziert, da der Schrumpfbund sich nur in einem kürzeren Abschnitt aufweitet. Das kann es insbesondere ermöglichen, Schrumpfbundstifte in Bereichen des Schrumpfbundes anzuordnen, welche sich nicht oder weniger aufweiten als herkömmlich, ohne Nut in die Laufradscheibe übergehende Schrumpfbunde. Solche Schrumpfbundstifte werden dann vorteilhafterweise weniger belastet.
Überraschenderweise führt also eine vermeintliche Schwächung des Laufrades durch eine lokale Materialverringerung in Form einer radialen Einschnürung zwischen Laufradscheibe und Schrumpfbund zu einem verbesserten Schrumpfsitz des Schrumpfbundes im Betrieb. Diese Vorteile überwiegen die mit der insoweit elastischeren Anbindung der Laufradscheibe an den Schrumpfbund einhergehende größere radiale Aufweitung der Laufradscheibe insbesondere in einem Dichtungsbereich sowie die geringeren übertragbaren Leistungen.
Die Umfangsnut kann in fertigungs-, montage-, festigkeitstechnischer, thermodynamischer und/oder dynamischer Hinsicht optimiert sein. So ist beispielsweise eine Umfangsnut, deren Seitenwände im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Laufrades orientiert sind, besonders einfach, beispielsweise spanabhebenden, herstellbar. Abgerundete Übergänge bzw. Kanten zwischen Nutseitenwände und Nutgrund und/oder der radial äußeren Mantelfläche des Schrumpfbundes verringern gleichermaßen die Verletzungsgefahr bei der Montage als auch die Kerbwirkung mit entsprechendem Einfluss auf die Festigkeit, insbesondere die Dauerfestigkeit und Anfälligkeit gegen Schwingungen. Eine entsprechende Bemaßung von Nutbreite und/oder -tiefe beeinflusst den Wärmeübergang zwischen Laufradscheibe und Schrumpfbund im Betrieb und beim Aufschrumpfen sowie die Steifigkeit der Anbindung der Laufradscheibe an den Schrumpfbund und damit das Schwingungsverhalten und die Aufweitung der Laufradscheibe unter Fliehkraft und Axialschub des Arbeisfluides.
In einer bevorzugten Ausführung kann die Umfangsnut radial auch ein- oder mehrfach abgestuft sein, i. e. in Richtung der Drehachse des Laufrades bereichsweise unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Umfangsnut eine gegen die Drehachse geneigte Mantelfläche und/oder eine gekrümmte Mantelfläche aufweist.
Besonders günstige fertigungs-, montage-, und festigkeitstechnische, thermodynamische und dynamische Eigenschaften ergeben sich bei radialen Nuttiefen in einem Bereich zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,99-fachen, insbesondere dem 0,3-fachen und dem 0,7-fachen, bevorzugt dem 0,5-fachen und dem 0,65-fachen, vorzugsweise etwa dem 0,55-fachen der radialen Höhe des Schrumpfbundes, i. e. des maximalen radialen Abstandes zwischen Innen- und Außendurchmesser des Schrumpfbundes.
Bevorzugt ist die Umfangsnut im Wesentlichen unmittelbar an der Laufradstirnseite bzw. der Laufradscheibe angeordnet, um so einen größeren zusammenhängenden axialen Sitz des verbleibenden Schrumpfbundes zu erreichen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,
1: einen Teil eines Rotors mit einem aufgeschrumpften Laufrad nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Meridian- bzw. Längsschnitt bei Stillstand; und
2: das Laufrad nach 1 im Betrieb.
1 zeigt im Meridianschnitt einen Teil eines Rotors 1 eines Radiakompressors, auf dem ein Laufrad 2 befestigt ist. Dieses weist eine Laufradscheibe 2.1 und einen integral mit dieser ausgebildeten Schrumpfbund 2.3 auf, der an der stromabwärtigen, von den Laufschaufeln abgewandten Rückseite 2.2 der Laufradscheibe 2.1 angeordnet ist.
Das Laufrad 2 weist eine durchgehende, zylindrische Zentralbohrung auf, deren Innendurchmesser-Nenn- und Toleranzmaße derart kleiner gewählt sind als die Nenn- und Toleranzmaße des Rotoraußendurchmessers in diesem Bereich, dass sich auch bei Betriebstemperaturen ein ausreichender Schrumpfsitz ergibt, der das Laufrad 2 in axialer Richtung x reibschlüssig auf dem Rotor 1 festlegt.
Zusätzlich sind mehrere, beispielsweise drei bis fünf Schrumpfbundstifte 4 in im Wesentlichen gleichmäßig über dem Umfang verteilte Durchgangsbohrungen im Schrumpfbund 2.3 und damit fluchtenden Sackbohrungen im Rotor 1 eingeführt und sichern so die axiale Lage des Laufrades 2 auf dem Rotor 1.
Strichliert ist die Außenkontur eines herkömmlichen Laufrades eingezeichnet, bei dem die Rückwand der Laufradscheibe in einem Radius 2.4' in den Schrumpfbund übergeht. Wird ein solches Laufrad mit einer Betriebsdrehzahl Ω (vgl. 2) beaufschlagt, weiten die Fliehkräfte das Laufrad radial auf. Die aufgrund ihres größeren Außendurchmessers stärker fliehkraftbelastete Laufradscheibe übt dabei ein Kipp- bzw. Biegemoment auf den Schrumpfbund aus, was zusätzlich zu den ihm eingeprägten Fliehkräften und den radialen Zugkräften, die die steif an ihn gefesselte Laufradscheibe auf ihn ausübt, zu einer Aufweitung des Schrumpfbundes und dementsprechend zu einer Verringerung der Kontaktfläche zwischen Rotor und Schrumpfbund bzw. der Normalspannungen und der durch diese gewährleisteten Reibschluss führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad ist stattdessen unmittelbar am Laufradrücken 2.2 anstelle des Radius 2.4' eine Umfangsnut 3 ausgebildet, indem das Laufrad 2 nach dem Urformen, zum Beispiel durch Schmieden oder Gießen, spanabhebende bearbeitet wurde, indem beispielsweise mit einem Drehmeisel eingestochen wurde. Die Umfangsnut 3 weist dementsprechend Seitenwände (links, rechts in 1), die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse x des Laufrades 2 sind, und einen gerundeten Nutgrund (unten in 1) auf. Der Übergang der Nut 3 in die radial äußere Mantelfläche des Schrumpfbundes 2.3 weist ebenfalls einen Radius auf (nicht dargestellt), um Kerbwirkung und Verletzungsgefahr zu verringern.
2 zeigt in übertriebener Darstellung das erfindungsgemäße Laufrad im Betrieb, i. e. bei einer Rotation Ω um die Drehachse x. Aufgrund der Fliehkräfte weitet sich insbesondere die Laufradscheibe 2.1 mit ihrem aufgrund der Laufschaufeln größeren Außendurchmesser, dargestellt durch das Abheben im linken bzw. vorderen Laufradbereich nach oben. Die auf den Schrumpfbund 2.3 wirkenden Fliehkräfte sowie auf ihn übertragene radiale Zugkräfte von der Laufradscheibe 2.1 weiten auch den Schrumpfbund 2.3. Da jedoch die Umfangsnut 3, deren Nutbreite (links-rechts in 1) im Wesentlichen das 0,25-fache der gesamten axialen Länge des Schrumpfbundes von seiner rechten Stirnseite bis zur Rückwand 2.2, und dessen Nuttiefe (oben-unten in 1) im Wesentlichen das 0,65-fache der radialen Höhe des Schrumpfbundes von seinem Innen- zu seinem Außendurchmesser beträgt, gelenkartig wirkt, übt die Laufradscheibe 2.1 nur ein geringes Kipp- bzw. Biegemoment auf den Schrumpfbund 2.3 aus, so dass sich dessen tragende Schrumpfsitzlänge weniger verringert als bei herkömmlichen Laufrädern.
Dementsprechend wird durch die Einschnürung 3 ein verbesserter Schrumpfsitz im Betrieb erreicht. Insbesondere werden die im hinteren Bereich angeordneten Schrumpfbundstifte 4 weniger beansprucht und so die Sicherheit erhöht. Eine gegenüber herkömmlichen Laufrädern größere radiale Aufweitung am vorderen Laufradbereich (links in 1) ist demgegenüber vernachlässigbar bzw. durch entsprechende Dimensionierung eines Dichtungsdurchmessers (nicht dargestellt) zu kompensieren.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Laufrad
2.1: Laufradscheibe
2.2: Laufradrücken (Laufradstirnseite)
2.3: Schrumpfbund
2.4': Radius (Stand der Technik)
3: Umfangsnut
4: Schrumpfbundstift

Claims

Laufrad (2) für eine Turbomaschine, insbesondere eine Radialturbomaschine, mit einer Laufradstirnseite (2.2) und einem daran anschließenden Schrumpfbund (2.3) zum Aufschrumpfen auf einen Rotor (1) der Turbomaschine, gekennzeichnet durch eine Umfangsnut (3) zwischen der Laufradstirnseite und dem mit ihr verbundenen Schrumpfbund.
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfbund (2) an einer stromabwärtigen Rückwand (2.2) des Laufrades (2) angeordnet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfbund einstückig mit einer Laufradscheibe (2.1) des Laufrads ausgebildet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (3) unmittelbar an der Laufradstirnseite (2.2) ausgebildet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe in radialer Richtung wenigstens das 0,1-fache, insbesondere wenigstens das 0,3-fache und bevorzugt wenigstens das 0,5-fache der radialen Höhe des Schrumpfbundes beträgt; und/oder dass die Nuttiefe in radialer Richtung höchstens das 0,99-fache, insbesondere höchstens das 0,7-fache und bevorzugt höchstens das 0,65-fache der radialen Höhe des Schrumpfbundes beträgt.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Bohrung zur Aufnahme eines Schrumpfbundstiftes (4), die zwischen der Umfangsnut (3) und einer Stirnseite des Schrumpfbundes (2.3) angeordnet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (3) radial innen und/oder außen abgerundet ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (3) durch Urformen, Umformen und/oder spanabhebende Bearbeitung, insbesondere Einstechen mit einem Drehmeisel, hergestellt ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (3) radial ein- oder mehrfach abgestuft ist.
Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (3) eine gekrümmte und/oder gegen die Drehachse des Rotors (1) geneigte Mantelfläche aufweist.
Turbomaschine, insbesondere Radialturbomaschine, mit einem Laufrad (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Laufrades nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangsnut (3) spanabhebende, insbesondere durch Einstechen mit einem Drehmeisel, ausgebildet wird.