DE102011082493A1

DE102011082493A1 - Sicherungssegment zur Schwingungsdämpfung von Turbinenlauf-schaufeln und Rotorvorrichtung

Info

Publication number: DE102011082493A1
Application number: DE102011082493A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Xu Jianmin
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-03-14
Also published as: US20140314578A1; WO2013037483A1; EP2756169A1

Abstract

Es wird ein Sicherungssegment (17A, 17B) zur axialen Sicherung wenigstens einer Laufschaufel an einem Scheibenrad einer Rotorvorrichtung eines Strahltriebwerks vorgeschlagen, das mit wenigstens einer Laufschaufel und einem Scheibenrad in Wirkverbindung bringbar ist. In einem ersten, im Einbauzustand in Umfangsrichtung seitlichen Randbereich des Sicherungssegments (17B) ist ein Überstandsbereich (28) und in einem zweiten, dem ersten Randbereich abgewandten seitlichen Randbereich ist ein Aufnahmebereich (27) vorgesehen. Der Überstandsbereich (28) des Sicherungssegments (17B) ist im Einbauzustand zur wenigstens bereichsweisen Überlappung und zur Verrichtung von Reibarbeit mit einem Aufnahmebereich (27) eines baugleichen, in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments (17A) ausgelegt. Ferner wird eine Rotorvorrichtung für ein Strahltriebwerk mit einem Scheibenrad und mehreren mit dem Scheibenrad verbundenen Laufschaufeln vorgeschlagen, wobei die Laufschaufeln jeweils über einen Schaufelfuß in im Wesentlichen axialer Richtung in Ausnehmungen des Scheibenrades angeordnet sind und in axialen Richtung durch mehrere derartige Sicherungssegmente (17A, 17B) gesichert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherungssegment zur axialen Sicherung wenigstens einer Laufschaufel an einem Scheibenrad einer Rotorvorrichtung eines Strahltriebwerks gemäß der im Patentanspruch 1 näher definierten Art und eine Rotorvorrichtung gemäß der im Patentanspruch 12 näher definierten Art.
Aus der Praxis bekannte Rotorvorrichtungen von Strahltriebwerken weisen Scheibenräder und damit verbundene Laufschaufeln auf, die mit Schaufelfüßen in in axialer Richtung in dem Scheibenrad verlaufenden Aufnahmeschienen des Scheibenrades angeordnet und entweder einseitig oder beidseitig mit aus Sicherungssegmenten gebildeten und in Umfangsrichtung des Scheibenrades verlaufenden Sicherungsringen entgegen einem ungewollten Lösen vom Scheibenrad in axialer Richtung gesichert sind. Die Sicherungssegmente sind jeweils in Umfangsrichtung der Rotorvorrichtungen nebeneinander angeordnet und liegen jeweils mit seitlichen Stirnflächen aneinander an.
Die Schaufelfüße sind im Querschnitt zumindest bereichsweise wenigstens annähernd tannenbaumförmig oder dovetailförmig ausgebildet, wobei die tannenbaumförmigen bzw. die dovetailförmigen Bereiche der Laufschaufeln in den dazu korrespondierend ausgeführten Aufnahmeschienen des Scheibenrades angeordnet sind. An die Schaufelfüße der Laufschaufeln schließen sich jeweils eine Plattform und jeweils ein Schaufelblatt an, wobei die Plattformen jeweils zwischen einem Schaufelfuß und einem Schaufelblatt einer Laufschaufel in Umfangsrichtung des Scheibenrades breiter ausgeführt sind als die Schaufelfüße.
Um während eines Betriebs eines Strahltriebwerkes in den Laufschaufeln auftretende Schwingungen bzw. Vibrationen zu reduzieren, ist es bekannt, jeweils zwischen Plattformen von zwei zueinander benachbart angeordneten Laufschaufeln in Bezug auf die Schaufelblätter der Laufschaufeln jeweils unterhalb eines Stoßbereiches der Laufschaufeln ein im Querschnitt dachförmig ausgeführtes Dämpferelement zu platzieren, das sich in axialer Richtung des Scheibenrades über eine gewisse Länge unterhalb der Stoßbereiche zwischen den Plattformen erstreckt, an den Laufschaufeln im Bereich der Plattformen anliegt und auch als Unterplattformdämpfer bezeichnet wird.
Die Dämpfung der Dämpfungselemente resultiert aus Reibkräften im Anlagebereich zwischen den Dämpfungselementen und den Plattformen der Laufschaufeln. Dabei ist die Dämpfungswirkung der Dämpferelemente umso höher, je größer ein Quotient aus einem in radialer Richtung des Scheibenrades lotrechten Abstand zwischen einem Dämpfungselement und einem Schaufelfußende und der gesamten Länge einer Laufschaufel ist. Dies resultiert aus der Tatsache, dass mit zunehmender Länge der Schaufelfüße Schwingungsbewegungen der Laufschaufeln an der Position des Dämpferelements ansteigen und somit die von den Dämpferelementen erzeugten, den Schwingungen der Laufschaufeln entgegenwirkenden Reibungskräfte ansteigen, und dass mehr kinetische Energie aus Schaufelschwingungen absorbiert und somit Schwingungsamplituden des Schaufelblatts verringert werden.
Bekannterweise liegt eine ausreichende Dämpfung vor, wenn die Schaufelfüße mit einer entsprechenden Länge ausgebildet sind und das oben beschriebene Verhältnis größer als ein aus der Praxis bekannter Grenzwert ist.
Nachteilhafterweise weisen Laufschaufeln mit derart ausgebildeten Schaufelfüßen jeweils eine unerwünscht große Masse auf, die bei großen Drehzahlen der Rotorvorrichtung hohe Belastungen insbesondere in dem Scheibenrad verursachen, weshalb zur Gewährleistung einer gewünschten Lebensdauer maximal zulässige Drehzahlen der Rotorbereiche derartiger Strahltriebwerke zu begrenzen sind. Niedrige Drehzahlen wiederum begrenzen auch die Leistung der Triebwerke.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sicherungssegment für eine Rotorvorrichtung eines Strahltriebwerks sowie eine Rotorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels welchen Strahltriebwerke mit hohen Drehzahlen im Bereich einer Rotorvorrichtung bei gleichzeitig gewünschter Lebensdauer betreibbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sicherungssegment mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. einer Rotorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst.
Bei einem Sicherungssegment zur axialen Sicherung wenigstens einer Laufschaufel an einem Scheibenrad einer Rotorvorrichtung eines Strahltriebwerks, das wenigstens mit einer Laufschaufel und mit einem Scheibenrad in Wirkverbindung bringbar ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten, im Einbauzustand in Umfangsrichtung seitlichen Randbereich des Sicherungssegments ein Überstandsbereich und in einem zweiten, dem ersten Randbereich abgewandten seitlichen Randbereich ein Aufnahmebereich vorgesehen ist, wobei der Überstandsbereich des Sicherungssegments im Einbauzustand zur wenigstens bereichsweisen Überlappung und zur Verrichtung von Reibarbeit mit einem Aufnahmebereich eines baugleichen, in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments ausgelegt ist.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Sicherungssegment sich in Einbaulage mit einer Laufschaufel und einem Scheibenrad in Wirkverbindung befindet und gleichzeitig mit benachbarten Sicherungssegmenten in Reibeingriff steht, sind im Betrieb einer Rotorvorrichtung über das Sicherungssegment im Bereich einer Laufschaufel auftretende Vibrationen und Schwingungen auf einfache Art und Weise dämpfbar.
Dies bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, Laufschaufeln jeweils mit einem kurzen und eine geringe Masse aufweisenden Schaufelfuß auszuführen, der im Betrieb einer Rotorvorrichtung auch bei höheren Drehzahlen im Bereich eines Scheibenrades im Vergleich zu bekannten Rotorvorrichtungen geringere Belastungen verursacht, so dass eine Rotorvorrichtung bzw. ein damit ausgeführtes Strahltriebwerk mit einer gewünschten Lebensdauer oder Leistung zur Verfügung stellbar ist.
Dabei werden die Vibrationen und Schwingungen der Laufschaufeln dadurch gedämpft, dass sich benachbarte Sicherungssegmente im gemeinsamen Überlappungsbereich aufgrund der Vibrationen und Schwingungen der damit zusammenwirkenden Laufschaufeln relativ zueinander bewegen und die zwischen den Sicherungssegmenten vorliegende Reibkraft der Bewegung der Sicherungssegmente und somit der Laufschaufeln entgegenwirkt. Dies ist mit aus der Praxis bekannten Sicherungssegmenten nicht möglich, da die erheblich geringeren Stirnflächen der Sicherungssegmente keine großflächigen Kontaktflächen bilden, die Reibung verursachen.
Bei entsprechender Dimensionierung der Dämpfungswirkung des erfindungsgemäßen Sicherungssegmentes besteht zusätzlich vorteilhafterweise die Möglichkeit, auf bei bekannten Rotorvorrichtungen in Bereichen zwischen Plattformen von benachbarten Laufschaufeln verwendete Dämpferelemente zu verzichten, was zur Eliminierung der Bearbeitung von zwei langen dachförmigen Kontaktflächen unterhalb der Plattform und schließlich zu günstigeren Herstellungskosten führt.
Bei einer konstruktiv vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Sicherungssegments ist vorgesehen, dass sowohl der Überstandsbereich als auch der Aufnahmebereich jeweils wenigstens eine Kontaktfläche aufweist, welche im Einbauzustand des Sicherungssegments mit einer Kontaktfläche eines Überstandsbereichs bzw. eines Aufnahmebereichs eines in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments zusammenwirkt, wobei eine Normale der Kontaktfläche des Aufnahmebereichs und eine Normale der Kontaktfläche des Überstandsbereichs in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Durch diese Maßnahme entsteht zwischen zwei benachbarten Sicherungssegmenten eine größere Reibkraft, die von außen eingebrachten Schwingungen oder Vibrationen entgegenwirkt, so dass eine gute Dämpfung der Schwingungen bzw. Vibrationen erzielt wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Normale der Kontaktfläche des Aufnahmebereichs und die Normale der Kontaktfläche des Überstandsbereiches im Einbauzustand im Wesentlichen in axiale Richtung des Scheibenrades. Durch diese Ausrichtung der Kontaktflächen zueinander und auch zu einem Scheibenrad ist eine Dämpfung von über Laufschaufeln in das Sicherungssegment eingebrachten Schwingungen und Vibrationen in einem Einbauzustand des Sicherungssegments besonders effektiv, da diese hauptsächlich auf eine erheblich größere Kontaktfläche wirkt. Neben der im Einbauzustand der Sicherungssegmente in Bezug auf ein Scheibenrad exakt in axiale Richtung weisenden Ausrichtung der Normalen der Kontaktflächen des Aufnahmebereichs und des Überstandsbereichs des Sicherungssegments, können die Normalen in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auch gegenüber der axialen Ausrichtung des Scheibenrades geneigt ausgeführt sein bzw. einen spitzen Winkel, vorzugsweise einen Winkel im einstelligen Winkelbereich, einschließen.
Um einen großen Kontaktbereich zwischen zwei benachbarten Sicherungssegmenten zu ermöglichen, erstrecken sich die Kontaktflächen des Überstandsbereichs und/oder des Aufnahmebereichs bei einer vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Sicherungssegments in radialer Richtung über eine gesamte Breite des Sicherungssegments.
Für die Ausgestaltung der Kontaktflächen gibt es vielfältige Möglichkeiten. Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung des Sicherungssegments sind sowohl der Überstandsbereich als auch der Aufnahmebereich als Stufe mit einer im Einbauzustand in axialer Richtung gegenüber einem in Umfangsrichtung mittleren Bereich des Sicherungssegments reduzierten Materialstärke ausgebildet. Die Form der Stufen des Überstandsbereichs und des Aufnahmebereichs sind derart korrelierend zueinander ausgeführt, dass diese im Einbauzustand auf einfache und bauraumgünstige Weise zusammenwirken.
Eine Materialstärke der Sicherungssegmente kann ausgehend von den Stufen des Überstandsbereiches und des Aufnahmebereiches in eine von den Kontaktflächen abweisende Richtung insbesondere linear zunehmen, so dass die Materialstärke des Sicherungssegments ausgehend von einer in einem mittleren Bereich der Sicherungssegmente vorliegenden, an eine Breite der Fugen des Scheibenrades und der Laufschaufeln angepassten Materialstärke in Richtung der Stufen insbesondere linear abnimmt.
Ein erfindungsgemäßes Sicherungssegment hält Belastungen in einem Einbauzustand besonders sicher stand, wenn eine Materialstärke des Überstandsbereichs und des Aufnahmebereichs in axialer Richtung wenigstens annähernd die Hälfte einer Materialstärke des Sicherungssegments in einem in Umfangsrichtung mittigen Bereich beträgt, so dass sich eine im Einbauzustand des Sicherungssegments im Überlappungsbereich entstehende Belastung gleichmäßig auf die jeweiligen benachbarten Sicherungssegmente verteilen kann.
Die Summe aus einer Wandstärke des Überstandsbereichs und einer Wandstärke des Aufnahmebereichs ist insbesondere gleich einer Wandstärke in einem mittleren Bereich des Sicherungssegments, so dass die Sicherungssegmente sicher in die Fugen der Laufschaufeln und des Scheibenrades eingebaut werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführung des Sicherungssegments weist sowohl der Überstandsbereich als auch der Aufnahmebereich eine Materialstärke auf, welche wenigstens annähernd vergleichbar zu einer Materialstärke eines in Umfangsrichtung mittleren Bereichs des Sicherungssegments ist. Die Materialstärke entspricht dabei im Wesentlichen der Hälfte einer Breite der zur Aufnahme der Sicherungssegmente vorgesehenen Fugen von einem Scheibenrad bzw. von Laufschaufeln. Das Sicherungssegment ist bei dieser Ausführung insbesondere mit einem einen guten Biegewiderstand aufweisenden Material ausgeführt.
Zwei im Einbauzustand benachbarte Sicherungssegmente können in einem an den Überlappungsbereich angrenzenden Bereich jeweils in axialer Richtung gebogen ausgeführt sein. Alternativ hierzu können zwei im Einbauzustand in Umfangsrichtung benachbarte Sicherungssegmente insgesamt in axialer Richtung zueinander versetzt sein, wobei sie im Überlappungsbereich zusammenwirken.
Damit das Sicherungssegment in einem Einbauzustand Schwingungen von der Rotorvorrichtung gut aufnehmen kann, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine im Einbauzustand des Sicherungssegments in radialer Richtung nach außen weisende Kontur wenigstens einen Kontaktbereich zur Kontaktaufnahme mit wenigstens einer Laufschaufel aufweist, der sich in Umfangsrichtung im Wesentlichen lediglich über einen Bereich der Länge des Sicherungssegments erstreckt. Die Kontur ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass sie im Einbauzustand des Sicherungssegments lediglich mit wenigstens einem Bereich der Laufschaufel zusammenwirkt, welcher während eines Betriebs Schwingungsbewegungen besonders empfindlich aufnimmt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Sicherungssegments ist vorgesehen, dass die im Einbauzustand des Sicherungssegments wenigstens einer Laufschaufel zugewandte Kontur des Sicherungssegments wenigstens zwei Kontaktbereiche aufweist, welche im Einbauzustand des Sicherungssegments insbesondere mit verschiedenen Laufschaufeln zusammenwirken.
Ferner wird eine Rotorvorrichtung für ein Strahltriebwerk mit einem Scheibenrad und mehreren mit dem Scheibenrad verbundenen Laufschaufeln vorgeschlagen, wobei die Laufschaufeln jeweils über einen Schaufelfuß in im Wesentlichen axialer Richtung in Ausnehmungen des Scheibenrades angeordnet sind. Zur axialen Sicherung der Laufschaufeln in den Ausnehmungen des Scheibenrades sind mehrere erfindungsgemäße Sicherungssegmente vorgesehen, welche einerseits mit Fugen der Laufschaufeln und andererseits mit wenigstens einer Fuge des Scheibenrades zusammenwirken, wobei ein Überstandsbereich eines Sicherungssegments mit einem Aufnahmebereich eines in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments zur Verrichtung von Reibarbeit während eines Betriebs der Rotorvorrichtung überlappt.
Die mit erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherungssegmenten ausgeführte erfindungsgemäße Rotorvorrichtung ist im Bereich der Laufschaufeln und auch in die Schaufelfüße aufnehmenden Bereichen des Scheibenrades aufgrund der auch bei höheren Drehzahlen geringeren Belastungen vorteilhafterweise kleiner dimensionierbar und daher mit geringerem Eigengewicht ausführbar sowie kostengünstiger ohne Beeinträchtigung einer Lebensdauer bekannter Rotorvorrichtungen oder bei im Vergleich zu den bekannten Rotorvorrichtungen längere Lebensdauer oder größere Betriebsleistung herstellbar.
Bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung sind zur Sicherung der Laufschaufeln in axialer Richtung beidseits der Laufschaufeln Sicherungssegmente vorgesehen. Wenn eine Vielzahl, insbesondere sämtliche Sicherungssegmente mit einem Überstandsbereich und einem Ausnehmungsbereich ausgebildet sind und diese mit jeweils benachbarten Sicherungssegmenten in Umfangsrichtung überlappen, kann eine besonders große Dämpfungswirkung von während eines Betriebs auftretenden Schwingungen bzw. Vibrationen der Laufschaufeln durch die Sicherungssegmente erzielt werden. Alternativ hierzu können Sicherungssegmente ausschließlich auf einer vorderen oder einer hinteren Seite der Laufschaufeln angeordnet sein.
Um eine Dämpfungswirkung einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung weiter zu erhöhen, kann in einem Bereich zwischen Plattformen von benachbarten Laufschaufeln auf einer in Richtung einer Drehachse der Rotorvorrichtung weisenden Seite der Plattformen eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen sein.
Sowohl das erfindungsgemäße Sicherungssegment als auch die erfindungsgemäße Rotorvorrichtung können für verschieden ausgeführte Triebwerke eingesetzt werden und finden insbesondere bei beliebigen Stufen von Turbinen Anwendung. Weiterhin können das Sicherungssegment nach der Erfindung und auch die erfindungsgemäße Rotorvorrichtung beispielsweise auch bei einem Verdichter oder einem Bläser eines Triebwerks zum Einsatz kommen.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherungssegments bzw. der erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sicherungssegments bzw. einer erfindungsgemäßen Rotorvorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung prinzipmäßig beschriebene Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerkes, welches eine Turbine mit mehreren Rotorvorrichtungen aufweist;
2 einen schematisierten Ausschnitt der Schnittansicht der 1, wobei zwei Stufen der Rotorvorrichtung näher ersichtlich sind, welche jeweils in axialer Richtung in einem Scheibenrad mittels Sicherungssegmenten gesicherte Laufschaufeln aufweisen;
3 eine vereinfachte Ansicht von drei erfindungsgemäß ausgebildeten und in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegmenten einer Rotorvorrichtung der 2 in Alleinstellung;
4 eine vereinfachte Darstellung eines Ausschnitts der Sicherungssegmente der 3, wobei ein Überlappungsbereich von zwei benachbarten Sicherungssegmenten ersichtlich ist;
5 vereinfachte Schnittdarstellungen eines jeweils der 4 entsprechenden Ausschnitts von Sicherungssegmenten, welche im Bereich des Überlappungsbereichs unterschiedlich ausgeführt sind; und
6 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Rotorvorrichtung der 2 mit einem Unterplattformdämpfer.
1 zeigt ein Strahltriebwerk 1 in einer Längsschnittansicht, wobei das Strahltriebwerk 1 mit einem Nebenstromkanal 2 und einem Einlaufbereich 3 ausgebildet ist. An den Einlaufbereich 3 stromab schließt sich ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise an. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch den Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerkskern 5 strömt, der wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7 und einer Turbineneinrichtung 8 ausgeführt ist.
Die Turbineneinrichtung 8 weist vorliegend drei im Wesentlichen vergleichbar aufgebaute Rotorvorrichtungen 9, 10, 11 auf, von denen die Rotorvorrichtung 9 und die Rotorvorrichtung 10 in der 2 näher ersichtlich sind.
Die Rotorvorrichtung 9, welche eine erste Stufe der Turbineneinrichtung 8 darstellt, ist mit einem zentral angeordneten und mit einer Triebwerksachse 12 verbundenen Scheibenrad 13 ausgeführt, an welchem in radial äußeren Bereichen umfangsseitig eine Vielzahl von Laufschaufeln 14 angeordnet sind. Die Laufschaufeln 14 weisen jeweils einen hier nur schematisch ersichtlichen und als Tannenbaumfuß ausgebildeten Schaufelfuß 15 auf, über welchen die Laufschaufeln 14 in bekannter Weise jeweils in einer in im Wesentlichen axialer Richtung in dem Scheibenrad 13 verlaufenden und mit den Tannenbaumfüßen 15 korrelierenden Ausnehmungen 16 des Scheibenrads 13 angeordnet sind.
Zur axialen Sicherung der Laufschaufeln 14 gegenüber dem Scheibenrad 13 ist auf einer einer Strömung in einer Strahltriebwerkturbine zugewandten Seite der Rotorvorrichtung 9 und auf einer der Strömung im Strahltriebwerk 1 abgewandten Seite der Rotorvorrichtung 9 bzw. beidseits der Laufschaufeln 14 der Rotorvorrichtung 9 jeweils ein Sicherungsring 18, 19 mit mehreren Sicherungssegmenten 17 vorgesehen. Die Sicherungsringe 18, 19 sind im Wesentlichen baugleich ausgebildet, wobei im Folgenden der auf der dem Einlaufbereich 3 zugewandten Seite der Laufschaufeln 14 angeordnete vordere Sicherungsring 18 stellvertretend für den auf der dem Einlaufbereich 3 abgewandten Seite der Laufschaufeln 14 angeordnete hintere Sicherungsring 19 beschrieben wird.
Der vordere Sicherungsring 18 greift mit seinen Sicherungssegmenten 17 im Bereich der Tannenbaumfüße 15 der Laufschaufeln 14 einerseits in eine durchgängig in dem Scheibenrad 13 ausgeführte Fuge 20 und andererseits in unterhalb von Plattformen 21 bzw. eines inneren Deckbands der Laufschaufeln 14 angeordnete und in Umfangsrichtung des Scheibenrades verlaufende Fugen 22 der Laufschaufeln 14 ein. Gleichzeitig greift der hintere Sicherungsring 19 mit seinen Sicherungssegmenten 17 im Bereich der Tannenbaumfüße 15 der Laufschaufeln 14 einerseits in eine durchgängig in dem Scheibenrad 13 ausgeführte Fuge 20A und andererseits in unterhalb der Plattformen 21 der Laufschaufeln 14 angeordnete und in Umfangsrichtung des Scheibenrades verlaufende Fugen 22A der Laufschaufeln 14 ein.
In 3 sind drei in Umfangsrichtung benachbarte Sicherungssegmente 17A bis 17C des vorderen Sicherungsrings 18 ersichtlich, welche alle baugleich sind.
Die mit einem metallischen Werkstoff ausgebildeten Sicherungssegmente 17A bis 17C weisen an ihrer im Einbauzustand den Fugen 22 der Laufschaufeln 14 zugewandten Seite keine konzentrische Fläche sondern eine Kontur 23 mit vorliegend drei Kontaktbereichen 24, 25, 26 auf, welche eine größere radiale Erstreckung als die zwischen den Kontaktbereichen 24, 25, 26 liegenden Bereiche aufweisen. Zwischen jeweils zwei Kontaktbereichen 24, 25 bzw. 25, 26 ist eine radiale Erstreckung der Sicherungssegmente 17A bis 17C in Form einer Abrundung reduziert.
Die Sicherungssegmente 17A bis 17C erstrecken sich im Einbauzustand jeweils über mehrere, vorliegend drei Laufschaufeln 14, wobei jeweils ein Kontaktbereich 24, 25, 26 oder mehrere Kontaktbereiche 24, 25, 26 der Sicherungssegmente 17A bis 17C mit einer Laufschaufel 14 zusammenwirkt bzw. zusammenwirken.
Die Kontaktbereiche 24, 25, 26 der Sicherungssegmente 17A bis 17C sind dabei gegenüber den Laufschaufeln 14 derart angeordnet, dass sie jeweils mit Bereichen der Laufschaufeln 14 zusammenwirken, in denen jeweils ein in Umfangsrichtung der Laufschaufeln 14 variierender Verlauf einer Schwingungsamplitude der während eines Betriebs des Strahltriebwerks 1 in allen Richtungen auftretenden Verschiebungskomponenten der Schwingungen der Laufschaufeln 14 wenigstens annähernd sein Maximum unterhalb der Plattform 21 aufweist. Die Schwingungen der Laufschaufeln 14 werden dann in gewünschtem Umfang auf die Sicherungssegmente 17A bis 17C übertragen, wenn die Kontaktbereiche 24, 25, 26 jeweils direkt unterhalb der Bereiche der Laufschaufeln 14 angeordnet sind, in welchen das Maximum der Schwingungsbewegungen unterhalb der Plattform 21 vorliegt.
Kontaktbereiche zwischen den benachbart angeordneten Sicherungssegmenten 17A bis 17C sind in der 3 stark vereinfacht dargestellt, wobei in 4 der Kontaktbereich zwischen den Sicherungssegmenten 17A und 17B näher gezeigt ist.
Ein in Umfangsrichtung seitlicher erster Randbereich des in der 4 dargestellten Sicherungssegmentes 17A ist als ein Aufnahmebereich 27 ausgebildet. Bei dem baugleich ausgeführten und benachbart dazu angeordneten Sicherungssegment 17B ist ein dem ersten Randbereich 27 zugewandter seitlicher Randbereich 28 ein Überstandsbereich. Der Überstandsbereich 28 des Sicherungssegments 17B übergreift im Einbauzustand der Sicherungssegmente 17A und 17B den Aufnahmebereich 27 des Sicherungssegments 17A, wobei der Aufnahmebereich 27 und der Überstandsbereich 28 einen Überlappungsbereich 29 bilden. Im Überlappungsbereich 29 sind die Randbereiche 27 und 28 der Sicherungssegmente 17A und 17B in axialer Richtung zumindest teilweise hintereinander angeordnet. Der Überstandsbereich 28 kann in Axialrichtung entweder vor oder hinter dem Aufnahmebereich 27 angeordnet sein.
Der Aufnahmebereich 27 des linken Sicherungssegments 17A weist eine Kontaktfläche 30 auf, welche im Einbauzustand der Sicherungssegmente 17A, 17B mit einer Kontaktfläche 31 des rechten Sicherungssegments 17B zusammenwirkt. Die Kontaktflächen 30, 31 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei Normalen auf die Kontaktflächen 30, 31 in zueinander entgegengesetzte Richtungen weisen. Die Normalen auf die Kontaktflächen 30, 31 zeigen im Wesentlichen in axiale Richtung, können gegenüber dieser Richtung aber insbesondere auch um eine in radiale Richtung weisende Achse und/oder um eine in Umfangsrichtung weisende Achse geneigt sein.
Sowohl die Kontaktfläche 30 des Aufnahmebereichs 27 als auch die Kontaktfläche 31 des Überstandsbereichs 28 sind im Bereich einer Stufe 32, 33 des jeweiligen Sicherungssegments 17A oder 17B angeordnet, welche in axialer Richtung jeweils in etwa die Hälfte einer Materialstärke des ansonsten mit einer konstanten Materialstärke ausgebildeten Sicherungssegments 17 aufweisen.
Eine Stirnfläche 34 der Stufe 32 des Aufnahmebereichs 27 des linken Sicherungssegments 17A bildet einen Anschlag für einen Absatz 35 der Stufe 33 des Überstandsbereiches 28 des rechten Sicherungssegments 17B.
Sowohl der Aufnahmebereich 27 des Sicherungssegments 17A als auch der Überstandsbereich 28 des Sicherungssegments 17B erstrecken sich in radialer Richtung jeweils über das gesamte Sicherungssegment 17A bzw. 17B, wobei eine Stirnfläche 36 der Stufe 33 des Überstandsbereiches 28 vorliegend in radialer Richtung gebogen und wenigstens annähernd halbkreisförmig ausgebildet ist.
In 5a ist ein Schnitt durch die zwei in der 4 gezeigten und im Einbauzustand benachbart zueinander angeordneten Sicherungssegmente 17A und 17B gezeigt.
5b zeigt zwei alternativ ausgebildete Sicherungssegmente 17D, 17E, bei denen eine Materialstärke ausgehend von einer an eine Fugenbreite der Laufschaufeln 14 und des Scheibenrades 13 angepassten Dicke in Richtung der Stufen 32, 33 mit den Kontaktflächen 30, 31 vorliegend linear bis zu einer Dicke abnimmt, welche etwa der halben maximalen Materialstärke der Sicherungssegmente 17D, 17E entspricht.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Sicherungssegmente 17F, 17G ist in der 5c gezeigt. Die Sicherungssegmente 17F, 17G weisen insgesamt eine im Wesentlichen einer halben Fugenbreite der Laufschaufeln 14 bzw. des Scheibenrades 13 entsprechende Dicke auf, wobei die im Einbauzustand in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegmente 17F, 17G in dem Überlappungsbereich 29 gemeinsam eine der Fugenbreite entsprechende Dicke aufweisen. In einem an den Überlappungsbereich 29 angrenzenden Bereich sind die Sicherungssegmente 17F, 17G jeweils in axialer Richtung gebogen ausgeführt.
Ein Einbau des Sicherungsrings 18 erfolgt im Wesentlichen wie bei bekannten Lösungen, wobei der Sicherungsring 18 zur Herstellung eines Ringschlusses für den gesamten Laufschaufelsatz in bekannter Weise vorgebogene Teilstücke aufweist. Die Sicherungssegmente 17 werden in Umfangsrichtung nacheinander in die Fugen 20, 22 der Laufschaufeln 14 und des Scheibenrades 13 eingeführt, wobei jeweils benachbarte Sicherungssegmente 17 über einen Aufnahmebereich 27 und einen Überstandsbereich 28 zusammenwirken. Die Kontaktbereiche 24, 25, 26 sind in Umfangsrichtung mit den Laufschaufeln 14 an gewünschten Positionen unterhalb der Schaufelplattform 21 platziert. Eine aus der Praxis bekannte Lockplatte wird eingesetzt, um die Position der Sicherungssegmente 17 in Umfangsrichtung zu sichern.
Ein zu den Sicherungsringen 18, 19 vergleichbar mit zu den vorbeschriebenen Sicherungssegmenten 17 bzw. 17A bis 17G im wesentlichen identisch ausgeführten Sicherungssegmenten 43 ausgebildeter Sicherungsring 38 ist zur axialen Sicherung von Laufschaufeln 37 in einem Scheibenrad 39 der vergleichbar zu der Rotorvorrichtung 9 ausgebildeten Rotorvorrichtung 10 vorgesehen, welche eine zweite Stufe der Turbineneinrichtung 8 darstellt. Die Laufschaufeln 37 sind durch den auf einer dem Einlaufbereich 3 abgewandten Seite der Laufschaufeln 37 angeordneten Sicherungsring 38 einerseits und durch einen auf der anderen Seite der Laufschaufeln 37 angeordneten Anschlag andererseits entgegen einer Bewegung der Laufschaufeln 37 gegenüber dem Scheibenrad 39 in axialer Richtung gesichert.
Die oben beschriebene Ausführung der Sicherungssegmente 17 bzw. 43 dient dazu, während eines Betriebs des Strahltriebwerks 1 insbesondere in radialer Richtung entstehende Schwingungen und/oder Vibrationen der Laufschaufeln 14, 37 zu dämpfen, welche insbesondere durch stromauf der Laufschaufeln 14, 37 angeordnete Leitschaufeln dazu angeregt werden. Die radialen Komponenten von maximalen im Betrieb auftretenden Schwingungsbewegungen der Laufschaufeln 14, 37 unterhalb der Plattform 21 werden hierbei von den Kontaktbereichen 24, 25, 26 der Sicherungssegmente 17, 43 aufgenommen und über die Kontaktflächen 30, 31 zwischen den Sicherungssegmenten 17, 43 übertragen.
Da die Sicherungssegmente 17 bzw. 43 mit verschiedenen Laufschaufeln 14, 37 zusammenwirken, werden durch Positionsunterschiede und Zeitverzögerungen der Schwingungen der Laufschaufeln 14, 37 Relativbewegungen der Sicherungssegmente 17 bzw. 43 zueinander verursacht. Diese Relativbewegungen der Sicherungssegmente 17 bzw. 43 zueinander resultieren in einer Bewegung der Aufnahmebereiche 27 von Sicherungssegmenten 17 bzw. 43 gegenüber den Überstandsbereichen 28 von benachbarten Sicherungssegmenten 17 bzw. 43. Über die Kontaktflächen 30, 31 der jeweiligen Aufnahmebereiche 27 bzw. Überstandsbereiche 28 wird dabei Reibungsarbeit in Form eines Metallabriebs zwischen den Sicherungssegmenten 17 bzw. 43 verrichtet, wobei die Sicherungssegmente 17, 43 hierdurch die kinetische Energie der Schaufelschwingungen durch Reibung und entstehende Wärme und/oder durch Metallverschleiß an der Kontaktfläche 30, 31 in Deformationsenergie umwandeln. Diese Energieumwandlung durch die Sicherungssegmente 17, 43 wirkt den Schwingungen und Vibrationen der Laufschaufeln 14, 37 entgegen, so dass diese gedämpft werden.
Um eine Dämpfung der Schwingungen der Laufschaufeln 14, 37 zusätzlich zu der Dämpfungswirkung der Sicherungsringe 18, 19, 38 mit den Sicherungssegmenten 17 bzw. 43 zu erhöhen, sind in der in der 6 stark schematisierten Ansicht eines Querschnitts durch die Rotorvorrichtung 9 des Strahltriebwerk 1 zusätzliche Dämpfungseinrichtungen 41 vorgesehen, welche im Wesentlichen an sich bekannte Dämpfungselemente aufweisen, gegenüber diesen aber gegebenenfalls kleiner dimensioniert werden können. Die Dämpfungseinrichtungen 41 befinden sich in zwischen den Tannenbaumfüßen 15 der Laufschaufeln 14 und den Plattformen 21 im Bereich von Schaufelhälsen 42 angeordneten bzw. von diesen begrenzten Zwischenräumen 40.
Die erfindungsgemäßen Sicherungssegmente 17, 43 können allerdings auch eine derart große Dämpfungswirkung gegen Schaufel- und Scheibenschwingungen aufweisen, dass auf Dämpfungseinrichtungen 41 verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Strahltriebwerk
2: Nebenstromkanal
3: Einlaufbereich
4: Bläser
5: Triebwerkskern
6: Verdichtereinrichtung
7: Brenner
8: Turbineneinrichtung
9, 10, 11: Rotorvorrichtung
12: Triebwerksachse
13: Scheibenrad
14: Laufschaufel
15: Tannenbaumfuß
16: Ausnehmung
17: Sicherungssegment
17A bis 17G: Sicherungssegment
18, 19: Sicherungsring
20, 20A: Fuge des Scheibenrades
21: Plattform der Laufschaufel
22, 22A: Fuge der Laufschaufel
23: radiale Außenkontur des Sicherungssegments
24, 25, 26: Kontaktbereich
27: Aufnahmebereich des Sicherungssegments
28: Überstandsbereich des Sicherungssegments
29: Überlappungsbereich
30: Kontaktfläche des Aufnahmebereichs
31: Kontaktfläche des Überstandsbereichs
32: Stufe des Aufnahmebereichs
33: Stufe des Überstandsbereichs
34: Stirnfläche der Stufe des Aufnahmebereichs
35: Absatz des Überstandsbereichs
36: Stirnfläche der Stufe des Überstandsbereichs
37: Laufschaufel
38: Sicherungsring
39: Scheibenrad
40: Zwischenraum
41: Dämpfungseinrichtung
42: Schaufelhals
43: Sicherungssegment

Claims

Sicherungssegment (17, 43) zur axialen Sicherung wenigstens einer Laufschaufel (14, 37) an einem Scheibenrad (13, 39) einer Rotorvorrichtung (9, 10, 11) eines Strahltriebwerks (1), das wenigstens mit einer Laufschaufel (14, 37) und mit einem Scheibenrad (13, 39) in Wirkverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten, im Einbauzustand in Umfangsrichtung seitlichen Randbereich des Sicherungssegments (17, 43) ein Überstandsbereich (28) und in einem zweiten, dem ersten Randbereich abgewandten seitlichen Randbereich ein Aufnahmebereich (27) vorgesehen ist, wobei der Überstandsbereich (28) des Sicherungssegments (17, 43) im Einbauzustand zur wenigstens bereichsweisen Überlappung und zur Verrichtung von Reibarbeit mit einem Aufnahmebereich (27) eines baugleichen, in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments (17, 43) ausgelegt ist.
Sicherungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Überstandsbereich (28) als auch der Aufnahmebereich (27) des Sicherungssegments (17, 43) jeweils wenigstens eine Kontaktfläche (30, 31) aufweist, welche im Einbauzustand des Sicherungssegments (17, 43) zum Zusammenwirken mit einer Kontaktfläche (31, 30) eines Überstandsbereichs (28) bzw. eines Aufnahmebereichs (27) eines in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments (17, 43) ausgebildet sind, wobei eine Normale der Kontaktfläche (30) des Aufnahmebereichs (27) und eine Normale der Kontaktfläche (31) des Überstandsbereiche (28) in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung weisen.
Sicherungssegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalen der Kontaktfläche (30) des Aufnahmebereichs (27) und der Kontaktfläche (31) des Überstandsbereiches (28) im Einbauzustand im Wesentlichen in axiale Richtung weisen.
Sicherungssegment nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktflächen (30, 31) des Überstandsbereichs (28) und/oder des Aufnahmebereichs (27) in radialer Richtung über eine gesamte Breite des Sicherungssegments (17, 43) erstrecken.
Sicherungssegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Überstandsbereich (28) als auch der Aufnahmebereich (27) als Stufe (33, 32) mit einer im Einbauzustand in axialer Richtung gegenüber einem in Umfangsrichtung mittleren Bereich des Sicherungssegments (17, 43) reduzierten Materialstärke ausgebildet sind.
Sicherungssegment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des Überstandsbereichs (28) und des Aufnahmebereichs (27) in axialer Richtung wenigstens annähernd die Hälfte einer Materialstärke des Sicherungssegments (17, 43) in einem in Umfangsrichtung mittigen Bereich beträgt.
Sicherungssegment nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche (34) der Stufe (32) des Aufnahmebereichs (27) einen Anschlag bildet und die Stufe (33) des Überstandsbereichs (28) einen Absatz (35) aufweist, wobei die Stirnfläche (34) der Stufe (32) des Aufnahmebereichs (27) im Einbauzustand des Sicherungssegments (17, 43) zum Zusammenwirken mit einem Absatz eines in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments (17, 43) ausgebildet ist.
Sicherungssegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Überstandsbereich (28) als auch der Aufnahmebereich (27) eine Materialstärke aufweist, welche wenigstens annähernd vergleichbar zu einer Materialstärke eines in Umfangsrichtung mittleren Bereichs des Sicherungssegments (17, 43) ist.
Sicherungssegment nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im Einbauzustand benachbarte Sicherungssegmente (17, 43) in einem an den Überlappungsbereich (29) angrenzenden Bereich jeweils in axialer Richtung gebogen ausgeführt sind.
Sicherungssegment nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Einbauzustand des Sicherungssegments (17, 43) in radialer Richtung nach außen weisende Kontur (23) wenigstens einen Kontaktbereich (24, 25, 26) zur Kontaktaufnahme mit wenigstens einer Laufschaufel (14, 37) aufweist, der sich in Umfangsrichtung im Wesentlichen lediglich über einen Bereich der Länge des Sicherungssegments (17, 43) erstreckt.
Sicherungssegment nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im Einbauzustand des Sicherungssegments (17, 43) wenigstens einer Laufschaufel (14, 37) zugewandte Kontur (23) des Sicherungssegments (17, 43) wenigstens zwei Kontaktbereiche (24, 25, 26) aufweist, welche im Einbauzustand des Sicherungssegments (17, 43) insbesondere mit verschiedenen Laufschaufeln (14, 37) zusammenwirken.
Rotorvorrichtung für ein Strahltriebwerk (1) mit einem Scheibenrad (13, 39) und mehreren mit dem Scheibenrad (13, 39) verbundenen Laufschaufeln (14, 37), wobei die Laufschaufeln (14, 37) jeweils über einen Schaufelfuß (15) in im Wesentlichen axialer Richtung in Ausnehmungen (16) des Scheibenrades (13, 39) angeordnet sind, wobei zur axialen Sicherung der Laufschaufeln (14, 37) in den Ausnehmungen (16) des Scheibenrades (13, 39) mehrere Sicherungssegmente (17, 43) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen sind, welche einerseits mit Fugen (22) der Laufschaufeln (14, 37) und andererseits mit wenigstens einer Fuge (20) des Scheibenrades (13, 39) zusammenwirken, wobei wenigstens ein Überstandsbereich (28) eines Sicherungssegments (17, 43) mit einem Aufnahmebereich (27) eines in Umfangsrichtung benachbarten Sicherungssegments (17, 43) zur Verrichtung von Reibarbeit während eines Betriebs der Rotorvorrichtung (9, 10, 11) überlappt.
Rotorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung beidseits der Laufschaufeln (14, 37) Sicherungssegmente (17, 43) angeordnet sind.
Rotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen Plattformen (21) von benachbarten Laufschaufeln (14, 37) auf einer in Richtung einer Drehachse (12) der Rotorvorrichtung (9, 10, 11) weisenden Seite der Plattformen (21) eine Dämpfungseinrichtung (41) vorgesehen ist.