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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Befestigungssystem für Laufschaufeln,
und speziell eine spannungsarme Befestigungskonstruktion für
Laufschaufeln, die in einer Umfangsnut in der Laufradscheibe eingebaut
sind.
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HINTERGRUND
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Eine
herkömmliche Gasturbine enthält ein Laufrad, das
unterschiedliche Laufschaufeln aufweist, die an Laufradscheiben
in dem Bläser, Verdichter und in Turbinenabschnitten davon
befestigt sind. Jede Laufschaufel weist eine Schaufel, über
die die verdichtete Luft strömt, und eine an dem Schaufelblattfuß angeordnete
Platte auf, die die radial innenliegende Begrenzung für
den Luftstrom definiert. Die Schaufeln sind gewöhnlich
abnehmbar und weisen daher einen geeigneten Schwalbenschwanz auf,
der dazu eingerichtet ist, mit einer dem Umfang der Laufradscheibe
ausgebildeten komplementären Schwalbenschwanznut in Eingriff zu
kommen. Die Schwalbenschwänze können entweder
in Axialrichtung einzusetzende Schwalbenschwänze oder um
den Umfang einzusetzende Schwalbenschwänze sein, die mit
entsprechenden axialen oder um den Umfang angeordneten Nuten in
Eingriff kommen, die in dem Lauf radumfang ausgebildet sind. Ein
Schwalbenschwanz weist gewöhnlich einen Hals mit einer
minimalen Querschnittsfläche auf, der sich radial vom dem
Boden der Laufschaufelplatte ausgehend nach innen erstreckt. Der
Hals erweitert sich nach außen in ein Paar von gegenüberliegenden
Schwalbenschwanzausbuchtungen.
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Komponenten
einer herkömmlichen Gasturbine sind beispielsweise in 1 veranschaulicht,
wobei ein Laufrad 12 mehrere Laufradscheiben 20 enthält,
die in Bezug auf die Mittelachse 18 der Turbine koaxial angeordnet
sind. Eine Anzahl von um den Umfang beabstandeten Laufschaufeln 22 sind
an der Scheibe abnehmbar befestigt und erstrecken sich radial davon
nach außen. Jede Laufschaufel 22 hat eine longitudinale Mittelachse 24 und
weist einen Schaufelblattabschnitt 26 mit einer Vorderkante 26a und
mit einer Hinterkante 26b (bezogen auf die Richtung des
Luftstroms über die Laufschaufel 22) auf. Jede
Laufschaufel 22 weist eine Platte 28, die einen
Abschnitt der radial innenliegenden Begrenzung für den über
die Schaufeln 26 strömenden Luftstrom bildet,
und einen einstückig hergestellten Schwalbenschwanz 30 auf,
der sich ausgehend von der Platte 28 radial nach innen
erstreckt und dazu eingerichtet ist, in um den Umfang beabstandete
und sich axial erstreckende Schwalbenschwanznuten axial eingesetzt
zu werden, die zwischen entsprechenden Scheibenstützen
in der Laufradscheibe 20 definiert sind. Die axialen Nuten
und Scheibenstützen erstrecken sich im Wesentlichen über
die gesamte axiale Dicke der Scheibe zwischen dem axial vorne und
hinten angeordneten Stirnflächen derselben.
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Im
Falle von um den Umfang angeordneten Schwalbenschwänzen,
ist zwischen vorderen und hinteren in Umfangsrichtung fortlaufenden
Stützen oder ”Reifen” eine einzelne Schwalbenschwanznut
ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung um den gesamten Umfang
der Scheibe erstreckt. Ein Beispiel dieser Konstruktion ist in dem
US-Patent 6 033 185 gezeigt.
Die um den Umfang angeordnete Nut kann an einer Stelle örtlich
erweitert sein, um es zu ermöglichen, die einzelne um den
Umfang angeordneten Schwalbenschwänze zu Beginn darin einzusetzen
und sie anschließend längs der Schwalbenschwanznut
um den Umfang zu positionieren, bis die gesamte Nut mit einer vollständigen
Reihe von Laufschaufeln gefüllt ist. In einer weiteren
Konstruktion nach dem Stand der Technik ist die um den Umfang angeordnete
Nut, wie in
2 dieser Anmeldung dargestellt,
mit um den Umfang beabstandeten Ladeverriegelungsnuten versehen.
Gemäß
2 weist die Laufradscheibe
20 eine
fortlaufende um den Umfang angeordnete Nut
18 auf, die
zwischen fortlaufenden Reifen
20,
22 definiert
ist. Ladenuten
14 sind vorgesehen, um einzelne Laufschaufelschwalbenschwänze
anfänglich einzusetzen und zu drehen. Verriegelungsnuten
16 sind
vorgesehen, die zum Einsetzen von Riegeln dienen, um die Laufschaufeln
in der Nut
18 zu halten.
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In
der um den Umfang angeordneten Schwalbenschwanznut weisen die vorderen
und hinteren Reifen komplementäre Ausbuchtungen auf, die
mit den Schwalbenschwanzausbuchtungen zusammenwirken, um die einzelnen
Laufschaufeln während des Turbinenbetriebs gegen die Zentrifugalkraft
radial zurückzuhalten. Jede Schwalbenschwanzausbuchtung
enthält eine radial nach außen weisende äußere
Druckfläche, die mit einer ent sprechenden radial nach innen
weisenden Druckfläche der entsprechenden Scheibenstütze
in Anlage steht. Die durch die Laufschaufel während der
Rotation erzeugte Zentrifugalkraft wird radial von den Schwalbenschwanzausbuchtungen
nach außen übertragen und auf die entsprechenden
Scheibenstützen übertragen, die sich an den in
Anlage stehenden äußeren (Schwalbenschwanzausbuchtungs-)
und inneren (Scheibenstützen-)Druckflächen befinden.
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Für
die Laufschaufelschwalbenschwänze tritt die maximale Zentrifugalspannung
an den Hälsen auf, wobei es erforderlich ist, die Spannung
durch die Konstruktion zu begrenzen, um eine Laufschaufellebensdauer
zu gewährleisten. Eine typische Verdichterlaufschaufel
ist hinsichtlich einer unbegrenzten Lebensdauer konstruiert, was
ausreichend groß bemessene Schwalbenschwänze und
Hälse voraussetzt, um die Zentrifugalspannung ausreichend
weit unterhalb der Festigkeitsgrenzen des Schaufelwerkstoffs zu
halten. Für die Laufradscheiben tritt die maximale Spannung,
die durch die Zentrifugalkraft der Laufschaufeln und durch axiale Kräfte übertragen
wird, in erster Linie an den Schwalbenschwanzreifen auf. Wie allgemein
aus dem Stand der Technik bekannt, stellt die Reifenspannung im
Falle der Ladeverriegelungsnutkonstruktion eine größere
Beschränkung dar als im Falle einer Konstruktion, die eine
fortlaufende Nut verwendet, da die Verriegelungs- und Ladenuten
Diskontinuitäten bilden, die für mechanische und
thermische Spannungen und für Materialermüdung
anfällig sind.
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Die
Fachwelt sucht ständig verbesserte Schwalbenschwanzkonstruktionen,
die Spannungen reduzieren und die Nutzungslebensdauer von Laufradkomponenten
verlängern, insbesondere da die Größe
von Gasturbinen und die an Gasturbinen gestellten Anforderungen
sowie die sich daraus ergebenden Spannungen wachsen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein einzigartiges Schwalbenschwanzhalterungssystem,
von dem angenommen wird, dass es Spannungen an dem Schwalbenschwanzhals
und an den Nutenreifen in einer Konstruktion wesentlich reduziert,
die eine fortlaufende Nut für einen Einbau um den Umfang
verwendet. Zusätzliche Aspekte und Vorteile der Erfindung
können zum Teil in der folgenden Beschreibung erläutert
sein, oder sie können sich offensichtlich aus der Beschreibung
ergeben, oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren
werden.
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Ein
Halterungssystem für um den Umfang einzusetzend Laufradschwalbenschwänze
ist geschaffen, wobei ein Laufrad eine Laufradscheibe mit vorderen
und hinteren Reifen aufweist, die eine fortlaufende sich um den
Umfang erstreckende Schwalbenschwanznut definieren. Jeder der Reifen
definiert in der Schwalbenschwanznut eine radial nach innen weisende
Druckfläche. Mehrere Laufschaufeln sind an der Laufradscheibe befestigt,
wobei jede Laufschaufel eine Platte und einen Schwalbenschwanz aufweist,
der sich ausgehend von der Platte erstreckt. Der Schwalbenschwanz
weist einen Hals und ein Paar von gegenüberliegenden Ausbuchtungen
auf, wobei jede Ausbuchtung eine nach außen weisende Druckfläche
definiert. Die Schwalbenschwänze lassen sich gleitend in
die Schwalbenschwanznut hinein und entlang derselben verschieben,
so dass mehrere Laufschaufeln rund um die Laufradscheibe in Umfangsrichtung
beabstandet in der Schwalbenschwanznut angeordnet sind. Eine Anzahl
von Schienensegmenten mit einer einzigartigen Querschnittsform und
Bogenlänge gleiten in Kanäle hinein, die in der
Schwalbenschwanznut zwischen den Schwalbenschwanzausbuchtungen und
den Reifen gebildet sind. Jedes Schienensegment definiert eine erste
Druckfläche, die gegen eine entsprechende nach außen
weisende Druckfläche der Schwalbenschwanzausbuchtung in
Anlage steht, und eine zweite Druckfläche, die gegen die
nach innen weisende Druckfläche des Reifens in Anlage steht.
Mindestens ein Paar von Verriegelungsschienenelementen kann vorgesehen
sein, wobei jedes Verriegelungsschienenelement eine kleinere Querschnittsform
als die anderen Schienensegmente aufweist, so dass sie in die Schwalbenschwanznutkanäle
passen und noch einen Zugang für ein nachfolgendes radiales
Einsetzen eines letzten Schwalbenschwanzes in die Nut zwischen den
Verriegelungsschienenelementen bereitstellen. Eine Verriegelungsvorrichtung
ist dazu eingerichtet, die Verriegelungsschienenelemente radial
nach außen mit den nach außen weisenden Druckflächen
der Schwal benschwanzausbuchtungen und den nach innen weisenden Druckflächen
der Reifen in Anlage zu ziehen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Schwalbenschwanzhalterungssystem,
das getrennt ist von einer Laufradscheibe, wobei das System dazu
eingerichtet ist, um den Umfang einzusetzende Laufradschwalbenschwänze
in einem Laufrad zu haltern, das eine Laufradscheibe mit vorderen
und hinteren Reifen aufweist, die eine fortlaufende sich um den
Umfang erstreckende Schwalbenschwanznut definieren. Das Schwalbenschwanzhalterungssystem
enthält eine Anzahl von Laufschaufeln, wobei jede der Laufradschaufeln
eine Platte und einen Schwalbenschwanz aufweist, der sich ausgehend
von der Platte erstreckt. Der Schwalbenschwanz weist einen Hals
und ein Paar von gegenüberliegenden Ausbuchtungen auf,
wobei jede der Ausbuchtungen eine nach außen weisende Druckfläche
definiert. Die Schwalbenschwänze sind dazu eingerichtet,
in der Laufradscheibe in Umfangsrichtung in die Schwalbenschwanznut
hinein und entlang derselben zu gleiten, so dass die mehreren Laufschaufeln
in der Schwalbenschwanznut rund um die Laufradscheibe in Umfangsrichtung
beabstandet sind. Das System enthält eine Anzahl von Schienensegmenten,
wobei jedes der Schienensegmente eine geeignete Querschnittsform
und Bogenlänge aufweist, so dass ein Paar der Schienensegmente
um den Umfang in Kanäle gleiten, die in der Schwalbenschwanznut
zwischen den Schwalbenschwanzausbuchtungen und den Laufradscheibenreifen
gebildet sind. Jedes der Schienensegmente definiert eine erste Druckfläche, die
gegen die nach außen weisende Druckfläche der
Ausbuchtung in Anlage steht, und eine zweite Druckfläche,
die dazu eingerichtet ist, gegen eine nach innen weisende Druckfläche
des Reifens in Anlage zu kommen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einzigartige Verfahren, die
dazu dienen, um den Umfang einzusetzenden Laufradschwalbenschwänzen
in einer sich um den Umfang erstreckenden Schwalbenschwanznut zu
haltern, die zwischen radial nach innen weisenden Flächen
von Laufradreifen definiert ist, wobei die Schwalbenschwänze
sich ausgehend von einer Laufschaufelplatte erstrecken und einen
Hals und ein Paar von gegenüberliegenden Ausbuchtungen
aufweisen. In einem speziellen Ausführungsbeispiel gehören
zu dem Verfahren die Schritte, die Schwalbenschwänze in
radialer Richtung in die Schwalbenschwanznut einzusetzen, und anschließend
um den Umfang gleitend Schienensegmente in Kanäle in der
Schwalbenschwanznut einzuführen, die zwischen den Schwalbenschwanzausbuchtungen
und den nach innen weisenden Flächen der Reifen definiert
sind. Die Schienensegmente kommen mit den nach außen weisenden
Druckflächen der Ausbuchtungen und mit den nach innen weisenden
Druckflächen der Reifen in Anlage, um die Zentrifugalkraft der
Laufradschaufeln auf die Laufradscheibe zu übertragen und
zu verteilen. Zu dem Verfahren können ferner die Schritte
gehören, Verriegelungsschienenelemente gleitend in die
Kanäle einzuführen, bevor der letzte der Schwalbenschawänze
radial in die Schwalbenschwanznut eingesetzt ist, und danach die
Verriegelungsschienensegmente in den Kanälen radial nach
außen zu ziehen, um die nach außen weisenden Druckflächen
der Ausbuchtungen und die nach innen weisenden Druckflächen
der Reifen in Anlage zu bringen. Dieser Vorgang des Ziehens kann
erreicht werden, indem beispielsweise eine Verrie gelungsvorrichtung,
mit dem jedes Verriegelungsschienenelement versehen ist, durch eine
Zugangsöffnung in der Laufschaufelplatte in Eingriff gebracht
wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen
zusammen mit weiteren Aspekten und Vorteilen der Erfindung in der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Figuren mehr im Einzelnen beschrieben:
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1 zeigt
eine Ausschnittsansicht von Komponenten einer Gasturbinenkonstruktion
nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt
eine Ausschnittsansicht einer Laufradscheibenkonstruktion für
um den Umfang einzusetzende Laufschaufeln, nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt
in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Schwalbenschwanzhalterungssystems
für um den Umfang einzusetzende Laufschaufeln gemäß Aspekten
der Erfindung;
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4 veranschaulicht
anhand einer Qrschnittsansicht des erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels nach 3 Schienensegmente
und Halteschienensegmente in dem Schwalbenschwanznutkanälen;
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5 veranschaulicht
in einer perspektivischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
der Verriegelungsschienen;
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6 zeigt
eine andere perspektivische Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels nach 5;
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7 zeigt
eine perspektivische Stirnansicht des in 3 veranschaulichten
Ausführungsbeispiels;
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8 veranschaulicht
in einer perspektivischen Draufsicht des in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels speziell eine in der Laufschaufelplatte
ausgebildete Zugangsöffnung zu der Verriegelungsvorrichtung;
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9 veranschaulicht
in einer seitlichen Querschnittsansicht speziell die gewellten Schwalbenschwanzböden
und Schwalbenschwanzausnehmungen; und
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10 veranschaulicht
die gewellten Schwalbenschwanzböden und Schwalbenschwanzausnehmungen
in einer Stirnansicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es
wird nun auf spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung
eingegangen, wobei einige Beispiele der Erfindung in den Zeichnungen
veranschaulicht sind. Jedes Ausführungsbeispiel ist mit
Blick auf eine Erläuterung von Aspekten der Erfindung unterbreitet
und sollte nicht als eine Beschränkung der Erfindung erachtet werden.
Beispielsweise können anhand von einem Ausführungsbeispiel
veranschaulichte oder beschriebene Ausstattungsmerkmale in Verbindung
mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden,
um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel zu ergeben. Es
ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung diese und weitere
Modifikationen oder Veränderungen einschließt,
die an den im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
vorgenommen werden.
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Mit
Bezug auf die perspektivischen Ansichten in 5 und 6 und
die schematischen Ansichten von 3 und 4 sind
mehrere um den Umfang benachbarte Laufschaufeln 114 in
einer Schwalbenschwanznut 110 abnehmbar befestigt, die
in einer Laufradscheibe 104 definiert ist. Jede Laufschaufel 114 weist
einen Schaufelblattabschnitt 115 auf, über den
während des Betriebs der Gasturbine Luft geleitet wird. Eine
Platte 116 ist einstückig mit einem Fuß des
Schaufelblattes 115 verbunden und definiert die radial
innenliegende Strömungspfadbegrenzung für Luft,
die über die Laufschaufeln 114 strömt.
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Jede
Laufschaufel 114 weist einen um dem Umfang einzusetzenden
Schwalbenschwanz 118 auf, der einstückig mit dem
Boden der Plattform 116 verbunden ist, und der sich davon ausgehend
radial nach innen erstreckt. Jeder Schwalbenschwanz 118 weist
einen Hals 120 und ein Paar von Schwalbenschwanzausbuchtungen 122 auf.
Wie insbesondere in 3 und 4 veranschaulicht,
weist der Schwalbenschwanz 118 in einem Ausführungsbeispiel
relativ zu einer durch den Schwalbenschwanz 118 (in Bezug
auf eine Rotationsachse des Laufrads) radial verlaufenden Achse
ein symmetrisches Querschnittsprofil auf.
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Wie
besonders in 3 und 4 veranschaulicht,
ist die in der Laufradscheibe 104 gebildete Schwalbenschwanznut 110 durch
einen rund um den Umfang angeordneten fortlaufenden vorderen Ring
oder ”Reifen” 106 und einen rund um den
Umfang angeordneten fortlaufenden hinteren Reifen 108 definiert.
Diese Reifen 106, 108 definieren zwischen sich
die Schwalbenschwanznut 110. Jeder der Reifen 106, 108 definiert eine
nach innen weisende Druckfläche 112 und einen
entsprechenden Kanal 132, der ferner eine Ausbuchtungsausnehmung 132 definiert.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die
Schwalbenschwanznut 110 ein in Bezug auf eine radiale Mittelachse
symmetrisches Querschnittsprofil auf.
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Jede
der Ausbuchtungen 122 des Laufradschwalbenschwanzes 118 definiert
eine nach außen weisende Druckfläche 124,
die, wie speziell in 3 und 4 veranschaulicht,
gegen die nach innen weisende Druckfläche 112 eines
entsprechenden Reifens 106 oder 108 ausgerichtet
ist.
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In
den veranschaulichten Ausführungsbeispielen weist die Schwalbenschwanznut 110 an
dem Boden oder an der radial am weitesten innen liegenden Stelle
einen erhabenen Steg 156 auf. Der Schwalbenschwanz 118 weist
einen Schwalbenschwanzboden 150 auf, der gegen die Fläche
des erhabenen Stegs 156 in Anlage steht.
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Wie
mit Blick auf um den Umfang einzusetzende Schwalbenschwänze
allgemein bekannt, werden eine Anzahl von Laufradschaufeln 114 in
die sich um den Umfang erstreckende Schwalbenschwanznut 110 eingesetzt
und werden rund um die Nut geschoben, bis mehrere Laufradschaufeln 114 rund
um den Umfang des Laufrads in einer angrenzenden Beziehung angeordnet
sind, wie es speziell anhand der partiellen Querschnittsansicht
von 6 veranschaulicht ist.
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Unter
allgemeiner Bezugnahme auf 3 bis 6 werden
eine Anzahl von Schienensegmenten 126 in die Schwalbenschwanznut 110 eingesetzt
und darin längs der an entgegensetzten Seiten des Schwalbenschwanzes 118 angeordneten
Kanäle 133 um den Umfang bewegt. Diese Halteschienensegmente 126 können
ein Querschnittsprofil aufweisen, dass im Wesentlichen den Ausbuchtungsausnehmungen 134 entlang der
Kanäle 132 entspricht, um positiv in den Kanälen 132 zu
sitzen. Beispielsweise weisen die Schienensegmente 136 in
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine gekrümmte
Ausbuchtungsfläche 125 auf, die mit Blick auf
die Form und Abmessungen im Wesentliche einer gekrümmten
Fläche 135 entspricht, die die Ausbuchtungsausnehmung 134 definiert.
Dieses Profil stellt sicher, dass die Schienensegmente 126 in
der richtigen Weise ausgerichtet und sicher in der Schwalbenschwanznut 110 positioniert
sind.
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In 4 sind
die Halteschienensegmente 126 durch gestrichelte Linien
veranschaulicht. Die Schienensegmente 126 sind eingehender
in 10 veranschaulicht. Die Schienensegmente 126 weisen
eine erste Druckfläche 128 auf, die gegen die
nach innen weisende Druckfläche 112 des entsprechenden
Reifens 106, 108 in Anlage steht. Die Schienensegmente 126 weisen
eine zweite Druckfläche 130 auf, die gegen die
nach außen weisende Druckfläche 124 des
entsprechenden Reifens 106 oder 108 in Anlage
steht. Auf diese Weise werden Zentrifugalkräfte, die der
Schwalbenschwanz 118 während des Betriebs des
Laufrads hervorruft, ausgehend von den Schwalbenschwanzausbuchtungen 122 über
die Berührungsfläche der Druckflächen 12 4 und 130, über
die Schienensegmente 126 und über die Berührungsfläche
der Druckflächen 128 und 112 in die Reifen 106, 108 übertragen.
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Wie
in den Ausführungsbeispielen von 4 und 10 zu
sehen, können die Halteschienensegmente 126 mit
einer gekrümmten radial nach innen weisenden Fläche 123 ausgebildet
sein, die geeignet gestaltet und bemessen ist, um die Ausbuchtungen 122 des
Schwalbenschwanzes 118 im Wesentlichen einzufassen.
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Die
Anzahl und die Bogenlänge der Schienensegmente 126 werden
in Abhängigkeit von dem Laufradumfang, der Anzahl der Laufschaufeln
und sonstigen Konstruktionsvariablen unterschiedlich sein. Im Allgemeinen
ist die Bogenlänge der Schienensegmente 126 geeignet
bemessen, um mindestens zwei benachbarte Laufschaufeln 114 zu überspannen,
wie es beispielsweise in der perspektivischen Ansicht von 6 veranschaulicht
ist.
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Es
sollte klar sein, dass die Gestalt und Konstruktion der in den Zeichnungen
veranschaulichten Halteschienensegmente 126 und entsprechender
Kanäle 132 und zugeordneter Ausbuchtungsausnehmungen 134 keine
Beschränkung der Erfindung darstellt. Die Gestalt und die
Konstruktion dieser Komponenten können innerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung in einem weiten Rahmen abweichen.
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Nachdem
die gesamte Schwalbenschwanznut 110 mit einer vollständigen
um den Umfang angeordneten Reihe von Laufschaufeln 114 besetzt
ist, und die entsprechenden Halteschienensegmente 126 in
den vorderen und hinteren Kanälen 132 um den Umfang
der Schwalbenschwanznut 110 positioniert sind, werden Verriegelungsschienenelemente 136 radial
in die Schwalbenschwanznut 110 eingesetzt, bevor die letzten
der Schwalbenschwänze 118 radial eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Verriegelungsschienen 136 ist
innerhalb der durchgezogenen Linien in 4 und in
der perspektivischen Ansicht von 7 veranschaulicht.
Diese Verriegelungsschienenelemente 136 weisen eine reduzierte
Abmessung und Gestalt auf, so dass sie zu Beginn in die Ausbuchtungsausnehmungen 134 der
Kanäle 132 passen und dazwischen einen ausreichenden
Abstand übrig lassen, um die restlichen Schwalbenschwänze 118 in
radialer Richtung einzusetzen. Die Verriegelungsschienenelemente
definieren eine erste Druckfläche 138, die gegen
die nach außen weisende Druckfläche 124 einer
entsprechenden Ausbuchtung 122 in Anlage steht, und eine
zweite Druckfläche 140, die gegen die nach innen
weisende Druckfläche 112 eines entsprechenden
Reifens 106, 108 in Anlage steht. Die Verrie gelungsschienenelemente 136 können übereinstimmende
oder unterschiedliche Bogenlängen aufweisen, und sie erstrecken
sich bevorzugt entlang mindestens zwei benachbarter Laufschaufeln.
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Nach
dem Einsetzen der letzten der Schwalbenschwänze 118 werden
die Verriegelungsschienenelemente 136 radial nach außen
in Anlage mit den Ausbuchtungen 122 gezogen. Die Verriegelungsschienenelemente 136 können
ebenfalls geeignet gestaltet und konstruiert sein, um die Ausbuchtungen 122,
wie in 4 veranschaulicht, einzufassen. In der endgültigen
Stellung der Verriegelungsschienen 136, wie in 4 gezeigt,
wird die Zentrifugalkraft, wie im Vorausgehenden mit Bezug auf die
Halteschienensegmente 126 beschrieben, von den Schwalbenschwanzausbuchtungen 122 ausgehend
durch die Verriegelungsschienenelemente 136 und in die
Laufradscheibenreifen 106, 108 übertragen.
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Um
die Verriegelungsschienenelemente 136 in radialer Richtung
nach außen in ihre funktionale Stellung zu ziehen, und
um die Segmente 136 in dieser Stellung zu verriegeln, ist
eine allgemein mit 142 bezeichnete Verriegelungsvorrichtung
in Zusammenhang mit dem Halterungssystem vorgesehen. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel weist diese Verriegelungsvorrichtung 142 Gewindestangen 144 auf,
die mit einer mit Gewinde versehenen Bohrung oder Muffe in den Verriegelungsschienenelementen 136 in
Eingriff kommen. Die Gewindestangen 144 weisen eine Basis 146 auf,
die entweder gegen die gekrümmte Fläche 135 der
Kanäle 132 in Anlage kommt, oder in einer speziell
gestalteten Nut oder Ausnehmung in der Schwalbenschwanznut 110 zu
liegen kommt. Ein Zugang zu den gegenü berliegenden Enden
der Gewindestangen 144 ist, wie besonders in 8 veranschaulicht, über
eine Zugangsöffnung 140 in der Platte 116 einer
oder mehrerer der letzten der Laufschaufeln 114 bereitgestellt.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 werden
die Gewindestangen, nachdem die letzte Laufschaufel 114 in
die Schwalbenschwanznut 110 eingesetzt ist, durch die Achsenöffnung 136 in
Gewindeeingriff gebracht und gedreht, was ein radiales Vorrücken
der Verriegelungsschienen 136 nach außen in den
Eingriff mit den Schwalbenschwanzausbuchtungen 122 bewirkt,
bis die Verriegelungsschienenelemente 136, wie in 6 und 7 veranschaulicht,
ihre endgültige verriegelte Stellung erreichen.
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Es
sollte ohne weiteres klar sein, dass jeder Typ einer sonstigen Verriegelungs-
oder Positionierungsvorrichtung genutzt werden kann, um die Verriegelungsschienenelemente 136 nach
dem Einsetzen des einen oder der mehreren letzten Schwalbenschwänze 118 in
Anlage mit den Ausbuchtungen 122 zu bringen. Beispielsweise
kann eine derartige Vorrichtung eine Sperrklinkeneinrichtung, eine
federbelastete Einrichtung und dergleichen beinhalten.
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Für
Zwecke des Gleichgewichts, kann es gewünscht sein, dass
eine weiterer Verriegelungsschienensegmentkonstruktion der im Vorausgehenden
beschriebenen Art oder eine äquivalente Ausgleichsstruktur spiegelbildlich
an dem Laufrad an einer Stelle eingerichtet ist, die der Verriegelungsschiene 136 diametral
gegenüberliegt.
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Unter
Bezugnahme auf 9 und 10 können
die Schwalbenschwanzböden 150, um eine Drehbewegung
oder ein Gleiten der Schwalbenschwänze 118 in
der Schwalbenschwanznut 110 zu verhindern, eine gewellte
Oberfläche 152 aufweisen, die sich in Umfangsrichtung
erstreckt. Desgleichen kann der Boden der Schwalbenschwanznuten
mit einer Reihe von individuell gewellten Ausnehmungen 154 aufweisen,
die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Diese Ausnehmungen 154 können,
wie speziell in 10 veranschaulicht, in dem erhabenen
Steg 156 ausgebildet sein. In dieser Konstruktion weist
jeder einzelne Schwalbenschwanz 118 einen gewellten Boden 152 auf,
der in einer definierten gewellten Ausnehmung 154 in Anlage
gebracht wird. Diese Konstruktion wird die Wahrscheinlichkeit einer
Drehbewegung oder eines Schlupfs der Schwalbenschwänze 118 entlang
der Schwalbenschwanznut 110 verringern. Es ist selbstverständlich,
dass der Begriff ”gewellt” in dem hier verwendeten
Sinne ein beliebige konkave oder konvexe Gestalt einbeziehen soll.
Beispielsweise können in den Schwalbenschwänzen 118 gewellte
Ausnehmungen ausgebildet sein, und in dem erhabenen Steg 156 gewellte
Vorsprünge definiert sein.
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Es
wird angenommen, dass das einzigartige Schwalbenschwanzhalterungssystem
der vorliegenden Erfindung hohe mechanische Spannungen, die im Zusammenhang
mit herkömmlichen Lade/Verriegelungsnutgeometrien von herkömmlichen
um den Umfang mit Schaufeln zu bestückenden Gasturbinenlaufrädern, insbesondere
Verdichterlaufrädern, auftreten, bedeutend verringert,
während die Steigung von Schaufelschaften vollständig
oder nahezu vollständig erhalten bleibt. Die Konstruktion
wird außerdem Grenzspannungen reduzieren, die in dem Hals
und den Ausbuchtungen eines Schwalbenschwanzes und in den Laufradscheibenreifen
entstehen. Die im Vorliegenden beschriebene einzigartige Konstruktion
ermöglicht das Einsetzen eines anderen Werkstoffes zwischen
den Schwalbenschwanzausbuchtungen und den Laufradscheibenreifen,
um Verschleiß und/oder Abrieb an den Berührungsflächen
von Komponenten zu verringern. Es wird angenommen, dass die einzigartige
Konstruktion gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung
Schwalbenschwänze mit einer vollständigen oder
nahezu vollständigen Steigung ermöglicht, wodurch
mittlere und Spitzenspannungen reduziert werden, der Scherbereich
vergrößert und die Aeromechanik der Laufschaufel
verbessert wird. Eine Analyse zeigt, dass die einzigartige Konstruktion
der vorliegenden Erfindung wesentliche Verbesserungen hinsichtlich
einer Reduzierung von Scherspannungen, Biegespannungen, mittleren
P/A-Spannungen und Schwingungsrissbildungsgrenzen hervorbringen
sollte, was insgesamt eine Verlängerung der Gesamtlebensdauer
eines Laufrads zur Folge haben dürfte. Die vorliegende
Konstruktion kann sich besonders vorteilhaft für das hintere
Ende eines Verdichters erweisen, wo die Metalltemperaturen am höchsten
sind und Materialeigenschaften beeinträchtigt sind.
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Die
vorliegende Konstruktion bietet außerdem Vorteile gegenüber
den drehend einzusetzenden Laufschaufeln und den Ladeverriegelungsnuten
für das Einsetzen von Laufradschwalbenschwänzen
in Schwalbenschwanznuten nach dem Stand der Technik, insofern als
diese herkömmlichen Systeme erforderten, dass die Schwalbenschwänze
in Bezug auf die Umfangslänge einen weit unterhalb der
vollen Steigung liegenden Wert aufweisen mussten. Der vorliegende
Konstruktionsentwurf ermög licht eine Konstruktion einer
vollständigen oder nahezu vollständigen Steigung,
was mittlere und Spitzenspannungen an dem Außendurchmesser des
Laufrads im Wesentlichen eliminiert.
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Während
der im Vorliegenden behandelte Gegenstand mit Bezug auf spezielle
Ausführungsbeispiele und zugeordnete Verfahren im Einzelnen
erläutert wurde, versteht es sich, dass dem Fachmann nach
dem verständnisvollen Lesen des Vorausgehenden ohne weiteres
Abänderungen, Modifikation und äquivalente Formen
derartiger Ausführungsbeispiele einfallen können.
Dementsprechend soll die vorliegenden Offenbarung Beispiele vorschlagen
und nicht beschränkend wirken, und die unterbreitete Offenbarung
schließt nicht die Einbeziehung derartiger für
einen Fachmann ohne weiteres ersichtlichen Modifikationen und Veränderungen
an dem im Vorliegenden behandelten Gegenstand und/oder Hinzufügungen
zu demselben aus.
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Geschaffen
ist ein Halterungssystem für um den Umfang einzubauende
Laufradschwalbenschwänze
118, die in eine Schwalbenschwanznut
110 in
einem Laufrad
100 eingesetzt werden. Eine Anzahl von Laufschaufelschwalbenschwänzen
118 lassen
sich um den Umfang gleitend in die Schwalbenschwanznut
110 hinein
und entlang derselben verschieben, wobei jeder Laufschaufelschwalbenschwanz
einen Hals
120 und ein Paar von gegenüberliegenden
Ausbuchtungen
122 aufweist. Eine Anzahl von Schienensegmenten
126 werden
gleitend um den Umfang in Kanäle
132 in der Schwalbenschwanznut
zwischen den Schwalbenschwanzausbuchtungen und entsprechenden Scheibenreifen
106,
108 eingesetzt.
Die Schienensegmente definieren eine erste Druckfläche
138,
die in Anlage gegen eine nach außen weisende Druckfläche
124 der
Schwalbenschwanzausbuchtungen steht, und eine zweite Druckfläche
140,
die in Anlage gegen eine nach innen weisende Druckfläche
112 der
entsprechenden Scheibenreifenkomponente steht. Bezugszeichenliste:
| 12 | Laufrad |
| 14 | Ladenuten |
| 16 | Verriegelungsnuten |
| 18 | Mittelachse |
| 20 | Laufradscheiben |
| 22 | Laufschaufeln |
| 24 | Mittelachse |
| 26 | Schaufeln |
| 26a | Vorderkante |
| 26b | Hinterkante |
| 28 | Plattform |
| 30 | Schwalbenschwanz |
| 100 | |
| 104 | Laufradscheibe |
| 106 | Reifen |
| 108 | Reifen |
| 110 | Schwalbenschwanznut |
| 112 | Nach
innen weisende Druckfläche |
| 114 | Laufschaufeln |
| 115 | Schaufelblattabschnitt |
| 116 | Plattform |
| 118 | In
Umfangsrichtung einzuführender Schwalbenschwanz |
| 120 | Hals |
| 122 | Schwalbenschwanzausbuchtungen |
| 123 | Innenfläche |
| 124 | Druckflächen |
| 125 | Gekrümmte
Ausbuchtungsfläche |
| 126 | Schienensegmente |
| 128 | Druckflächen |
| 130 | Druckflächen |
| 132 | Kanäle |
| 134 | Ausbuchtungsausnehmung |
| 135 | Gekrümmte
Fläche |
| 136 | Schienensegmente |
| 138 | Erste
Druckfläche |
| 140 | Zweite
Druckfläche |
| 142 | Verriegelungsvorrichtung |
| 143 | Zugangsöffnung |
| 144 | Gewindestangen |
| 146 | Basis |
| 150 | Schwalbenschwanzboden |
| 152 | Gewellte
Oberfläche |
| 154 | Gewellte
Ausnehmungen |
| 156 | Erhabener
Steg |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6033185 [0004, 0007]
- - US 5310318 [0007]
- - US 5100292 [0007]
- - US 5271718 [0007]
- - US 5584658 [0007]
- - US 4451203 [0007]