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Die Erfindung betrifft ein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildetes Laufrad für einen Rotor einer Turbomaschine, einen mit einem solchen Laufrad ausgerüsteten Rotor für eine Turbomaschine sowie eine Turbomaschine mit einem mit einem solchen Laufrad ausgerüsteten Rotor.
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Ein Laufrad, ein Rotor und eine Turbomaschine der eingangsgenannten Art sind jeweils aus
DE 196 03 388 C1 bekannt. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Laufrad sind die Laufschaufeln jeweils mittels eines Niets sowohl axial als auch radial in ihrer jeweiligen Axialnut fixiert. Ein solcher Niet erfordert beim Montieren der jeweiligen Laufschaufel ein Aufweiten eines Schließkopfes des Niets sowie beim Demontieren der jeweiligen Laufschaufel ein Abarbeiten (z.B. ein Wegbohren) des Schließkopfes. Diese Vorgehensweisen sind zeitaufwendig und realisieren beim Montieren nur bedingt eine definierte radiale Verspannung der Laufschaufeln in ihren jeweiligen Axialnuten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, so dass dessen Laufschaufeln mit geringerem Zeitaufwand montierbar und demontierbar sind und mit definierter radialer Verspannung in ihren jeweiligen Axialnuten fixierbar sind. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, einen mit einem solchen Laufrad ausgerüsteten Rotor für eine Turbomaschine sowie eine Turbomaschine mit einem mit einem solchen Laufrad ausgerüsteten Rotor bereitzustellen.
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Die o.g. Aufgaben werden mit einem Laufrad gemäß Anspruch 1, einem Rotor gemäß Anspruch 9 bzw. einer Turbomaschine gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laufrades sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Laufrad für einen Rotor einer Turbomaschine, wobei das Laufrad aufweist: eine Radscheibe, die an einer Rotorwelle des Rotors vorzusehen ist und die eine Mehrzahl von Nuten hat, welche entlang eines Außenumfangs der Radscheibe verteilt angeordnet sind und welche sich jeweils in einer axial der Rotorwelle verlaufenden Dickenrichtung der Radscheibe erstrecken; wobei an zwei parallel zur Dickenrichtung verlaufenden einander gegenüberliegenden Nutseiten jeder Nut jeweils ein Zahnprofil ausgebildet ist; eine Mehrzahl von Laufschaufeln, von denen jede einen Schaufelfuß mit zwei voneinander abgewandten parallel zur Dickenrichtung verlaufenden Schaufelfußseiten aufweist, an denen jeweils ein Zahnprofil ausgebildet ist; wobei jede Laufschaufel unter Ausbildung einer Laufschaufel-Nut-Kombination mit ihrem Schaufelfuß in eine jeweilige der Nuten eingesetzt ist, so dass die Zahnprofile der Schaufelfußseiten mit den Zahnprofilen der Nutseiten in Eingriff stehen; und wobei jede Laufschaufel-Nut-Kombination eine Fixiereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Laufschaufel in der Nut sowohl in Dickenrichtung als auch in einer Radialrichtung der Radscheibe gegen Bewegung zu fixieren. Das erfindungsgemäße Laufrad zeichnet sich dadurch aus, dass jede Fixiereinrichtung eine zumindest in Dickenrichtung beidseitig geschlossene Ausnehmung in einer einem Boden der Nut zugewandten Unterseite der Laufschaufel und einen Riegel aufweist, der im Boden der Nut bewegbar aufgenommen ist, so dass der Riegel in Radialrichtung gesteuert verstellbar ist zwischen einer Entriegelungsposition, in der der Riegel nicht in die Ausnehmung der Laufschaufel eingreift, und einer Verriegelungsposition, in der der Riegel radial in die Ausnehmung der Laufschaufel eingreift, so dass er die Laufschaufel mit einer vorbestimmten Kraft nach radial außen drückt.
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Dadurch, dass die Ausnehmung zumindest in Dickenrichtung beidseitig mit Seitenwänden geschlossen ist, bietet der Riegel in der Verriegelungsposition für die Seitenwände der Ausnehmung einen beidseitigen Anschlag in Dickenrichtung, so dass die Laufschaufel in Dickenrichtung gegen Bewegung fixiert ist.
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Dadurch, dass der Riegel in der Verriegelungsposition die Laufschaufel mit einer vorbestimmten Kraft nach radial außen drückt, wird ein in den Zahnprofilen der Nutseiten und der Schaufelfußseiten zur Montage und Demontage der Laufschaufel in der Nut vorgesehenes Spiel aufgebraucht und damit die Laufschaufel unter Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Vorspannkraft in Radialrichtung (nach radial außen) in dieser Richtung gegen Bewegung fixiert. Durch das gesteuerte Verstellen des Riegels lässt sich die vorbestimmte Kraft bzw. die vorbestimmte Vorspannkraft (radiale Verspannung) nach radial außen in einfacher und wiederholbarer Weise vordefinieren.
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Dadurch, dass der Riegel in seine Entriegelungsposition, in der er außer Eingriff mit der Ausnehmung der Laufschaufel ist, versenkbar ist, kann das Spiel in den Zahnprofilen der Nutseiten und der Schaufelfußseiten wieder freigegeben werden, so dass die Laufschaufel sowohl bei ihrer Montage an als auch bei ihrer Demontage von der Radscheibe einfach und schnell axial in die Nut hinein bzw. aus der Nut heraus schiebbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades ist die Ausnehmung in Form einer allseitig von Material der Laufschaufel umgrenzten Senke in der Unterseite der Laufschaufel gebildet, wobei ein zum Eingriff in der Ausnehmung vorgesehenes radial äußerstes Ende des Riegels komplementär zu der Ausnehmung ausgebildet ist.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Laufrades wird vorteilhaft zusätzlich eine Fixierung der Laufschaufel in der Nut gegen eine mögliche Bewegung in einer Umfangsrichtung der Radscheibe realisiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades ist die Ausnehmung als Negativ zur Außenkontur einer Kugelkalotte ausgebildet, wobei das radial äußerste Ende des Riegels eine der Außenkontur dieser Kugelkalotte entsprechende Form aufweist.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Laufrades wird vorteilhaft eine Selbstzentrierung des Riegels in der Ausnehmung und werden damit eine genauere Fixierung der Laufschaufel und ein leichteres Einführen des Riegels in die Ausnehmung realisiert.
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Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades weist jede Fixiereinrichtung in der Radscheibe eine in Radialrichtung verlaufende erste Passage auf, die an einem ersten Längsende dieser in die Nut mündet und in die der Riegel bevorzugt mit Spielpassung eingepasst ist.
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Die erste Passage stellt in einfacher und robuster Weise eine Gleitführung zum Verschieben des Riegels bereit. Bevorzugt ist die erste Passage als einfach zu fertigende Bohrung ausgeführt.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades weist jede Fixiereinrichtung eine Stellvorrichtung auf, die an einem zweiten Längsende der ersten Passage zum gesteuerten Verstellen des Riegels angeordnet ist, wobei die Stellvorrichtung eingerichtet ist, so dass sie von einer in Dickenrichtung weisenden seitlichen Seite der Radscheibe aus zum Verstellen des Riegels ansteuerbar ist.
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Dadurch, dass die Stellvorrichtung von der seitlichen Seite der Radscheibe aus ansteuerbar ist, ist diese Ansteuerungsposition für eine montierende oder demontierende Person leicht zugänglich, wodurch der jeweilige Zeitaufwand weiter reduziert und die Ausführungsgenauigkeit weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades weist die Stellvorrichtung eine zweite Passage, die in Dickenrichtung der Radscheibe verlaufend in dieser mit Innengewinde ausgebildet ist, so dass die erste Passage mit ihrem zweiten Längsende in die zweite Passage mündet und ein erstes Längsende der zweiten Passage in der seitlichen Seite der Radscheibe mündet, und ein Schraubenelement auf, das von der seitlichen Seite der Radscheibe aus in die zweite Passage eingeschraubt ist und das mit einem radial innersten Ende des Riegels in Kontakt steht, so dass eine Verlagerung des Schraubenelements in Dickenrichtung der Radscheibe eine Verlagerung des Riegels in Radialrichtung bewirkt.
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Die Realisierung der Stellvorrichtung mit dem in die bevorzugt als einfach herzustellende Bohrung ausgebildete zweite Passage eingeschraubten Schraubenelement ist besonders einfach und robust, so dass die Herstellungskosten für die Stellvorrichtung relativ gering sind und deren Standzeit und Zuverlässigkeit hoch sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades ist ein zum Kontakt mit dem Riegel vorgesehenes Längsende des Schraubenelements mit einer ersten Kegelform ausgebildet, wobei das radial innerste Ende des Riegels mit einer zweiten Kegelform ausgebildet ist, so dass zwischen jeweiligen Mantelflächen der ersten und der zweiten Kegelform Linienberührung realisiert ist.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Laufrades stellt eine Keilschieber-Anordnung bereit, welche in besonders einfacher und robuster Weise eine Richtungsänderung der Stellbewegung realisiert.
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Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laufrades weist die erste Kegelform einen Kegelwinkel von etwa 20 Grad auf.
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Diese Größe des Kegelwinkels stellt einen besonders vorteilhaften Kompromiss zwischen Selbsthemmung, Stellkraft und Stellweg der Stellvorrichtung bereit.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Rotor für eine Turbomaschine, wobei der Rotor wenigstens ein Laufrad gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination aufweist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt eine Turbomaschine mit einem Rotor, der wenigstens ein Laufrad gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination aufweist.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine geschnittene Teilansicht eines Laufrades eines Rotors einer Turbomaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, gesehen in einer Axialrichtung des Rotors.
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2 zeigt eine Ansicht des Laufrades von 1, gesehen als Schnitt entlang einer Schnittlinie A-A in 1.
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1 und 2 zeigen geschnittene Teilansichten eines Laufrades 20 eines Rotors 10 einer Turbomaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Der Rotor 10 weist eine Rotorwelle (nicht bezeichnet) auf, an der mehrere wie in 1 und 2 gezeigte Laufräder 20 in einer Axialrichtung AR der Rotorwelle hintereinander angeordnet sind. Die den Rotor 10 aufweisende Turbomaschine 1 ist bevorzugt als Turbine, wie z.B. als Dampfturbine, oder als Turbokompressor ausgebildet. Außerdem ist die Turbomaschine 1 bevorzugt als Axialströmungsmaschine ausgebildet.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, weist jedes Laufrad 20 eine Radscheibe 30, eine Mehrzahl von Laufschaufeln 40 (nur eine gezeigt) und eine Mehrzahl von Fixiereinrichtungen 50 (nur eine gezeigt) auf.
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Die Radscheibe 30 ist entweder integral damit oder als separates Teil drehfest an der Rotorwelle des Rotors 10 angeordnet und weist eine Mehrzahl von Nuten 32 (nur eine gezeigt) auf, welche entlang eines Außenumfangs 31 der Radscheibe 30 gleichmäßig verteilt angeordnet sind und welche sich jeweils in einer axial der Rotorwelle verlaufenden Dickenrichtung (welche der Axialrichtung AR entspricht) der Radscheibe 30 erstrecken.
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An zwei parallel zur Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR verlaufenden einander gegenüberliegenden Nutseiten jeder Nut 32 jeweils ist ein Zahnprofil 33 ausgebildet.
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Jede Laufschaufel 40 hat einen Schaufelfuß 41 mit zwei voneinander abgewandten parallel zur Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR verlaufenden Schaufelfußseiten, an denen jeweils ein Zahnprofil 43 ausgebildet ist.
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Jede Laufschaufel 40 ist unter Ausbildung einer Laufschaufel-Nut-Kombination mit ihrem Schaufelfuß 41 in eine jeweilige der Nuten 32 eingesetzt, so dass die Zahnprofile 43 der Schaufelfußseiten mit den Zahnprofilen 33 der Nutseiten in Eingriff stehen. Auf diese Weise sind die Laufschaufeln 40 in einer Radialrichtung RR der Radscheibe 30 bzw. der Rotorwelle ausfallsicher an der Radscheibe 30 gehalten.
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Wie aus 1 ersichtlich, sind die Zahnprofile 33, 43 der Nutseiten und der Schaufelfußseiten bevorzugt als mehrzahnige Zahnprofile ausgebildet. Noch bevorzugter sind die Schaufelfüße 41 der jeweiligen Laufschaufeln 40 jeweils fachsprachlich auch als Tannenbaumfuß bekannter Schaufelfuß 41 ausgebildet. Dementsprechend sind die Nuten 32 der Radscheibe 30 in ihrer Form bevorzugter als Hüllkontur bzw. Negativ zur Form eines Tannenbaumfußes ausgebildet.
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Jede Kombination von Nut 32 und darin eingepasster Laufschaufel 40 weist eine der Fixiereinrichtungen 50 auf. Jede Fixiereinrichtung 50 ist eingerichtet, die zugehörige Laufschaufel 40 in der zugehörigen Nut 32 sowohl in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR als auch in Radialrichtung RR der Radscheibe 30 gegen Bewegung zu fixieren.
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Zu diesem Zweck weist jede Fixiereinrichtung 50 eine zumindest in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR beidseitig geschlossene Ausnehmung 51 in einer einem Boden 32a der Nut 32 zugewandten Unterseite 44 der Laufschaufel 40 und einen bevorzugt in Form eines kreiszylindrischen Stiftes ausgebildeten Riegel 52 auf, der im Boden 32a der Nut 32 bewegbar bzw. verschiebbar aufgenommen ist.
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Jede Fixiereinrichtung 50 weist außerdem in der Radscheibe 30 eine in Radialrichtung RR verlaufende erste Passage 53 auf, die an einem ersten Längsende 53a dieser am Boden 32a in die Nut 32 mündet und in die der Riegel 52 mit Spielpassung eingepasst ist.
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Jede Fixiereinrichtung 50 weist darüber hinaus eine Stellvorrichtung 60 auf, die an einem zweiten Längsende 53b der ersten Passage 53 zum gesteuerten Verstellen des Riegels 52 angeordnet ist. Die Stellvorrichtung 60 ist eingerichtet, so dass sie von einer in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR weisenden seitlichen Seite 30a der Radscheibe 30 aus zum Verstellen des Riegels 52 ansteuerbar ist.
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In der gezeigten Ausführungsform weist die Stellvorrichtung 60 eine zweite Passage 61 auf, die in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR der Radscheibe 30 verlaufend in dieser mit Innengewinde (nicht bezeichnet) ausgebildet ist, so dass die erste Passage 53 mit ihrem zweiten Längsende 53b in die zweite Passage 61 mündet und ein erstes Längsende 61a der zweiten Passage 61 in der seitlichen Seite 30a der Radscheibe 30 mündet.
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In der gezeigten Ausführungsform weist die Stellvorrichtung 60 außerdem ein in Form einer Madenschraube mit Innensechskant (nicht bezeichnet) ausgebildetes Schraubenelement 62 auf, das von der seitlichen Seite 30a der Radscheibe 30 aus in die zweite Passage 61 eingeschraubt ist und das mit einem radial innersten Ende des Riegels 52b in gleitendem Berührungskontakt steht, so dass eine Verlagerung des Schraubenelements 62 in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR der Radscheibe 30 eine Verlagerung des Riegels 52 in Radialrichtung RR bewirkt.
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Genauer gesagt ist ein zum Kontakt mit dem Riegel 52 vorgesehenes Längsende 62a des Schraubenelements 62 mit einer ersten Kegelform ausgebildet, wobei das radial innerste Ende 52b des Riegels 52 mit einer zweiten Kegelform ausgebildet ist, so dass zwischen jeweiligen Mantelflächen der ersten und der zweiten Kegelform Linienberührung realisiert ist. Bevorzugt weist die erste Kegelform einen Kegelwinkel α von etwa 20 Grad auf. Dementsprechend hat die zweite Kegelform bevorzugt einen Kegelwinkel (nicht bezeichnet) von etwa 70 Grad.
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Durch die oben beschriebene Konstruktion ist der Riegel 52 in Radialrichtung RR gesteuert verstellbar zwischen einer Entriegelungsposition (in den 1 und 2 nicht gezeigt), in der der Riegel 52 nicht in die Ausnehmung 51 der Laufschaufel 40 eingreift, und einer Verriegelungsposition (wie in den 1 und 2 gezeigt), in der der Riegel 52 radial in die Ausnehmung 51 der Laufschaufel 40 eingreift, so dass er die Laufschaufel 40 mit einer vorbestimmten Kraft nach radial außen drückt.
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Dadurch, dass die Ausnehmung 51 zumindest in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR beidseitig mit Seitenwänden geschlossen ist, bietet der Riegel 52 in der Verriegelungsposition für die Seitenwände der Ausnehmung 51 einen beidseitigen Anschlag in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR, so dass die Laufschaufel 40 in Dickenrichtung bzw. Axialrichtung AR gegen Bewegung fixiert ist.
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Dadurch, dass der Riegel 52 in der Verriegelungsposition die Laufschaufel 40 mit einer vorbestimmten Kraft nach radial außen drückt, wird ein in den Zahnprofilen 33, 43 der Nutseiten und der Schaufelfußseiten zur Montage und Demontage der Laufschaufel 40 in der Nut 32 vorgesehenes Spiel aufgebraucht und damit die Laufschaufel unter Beaufschlagung mit einer vorbestimmten Vorspannkraft in Radialrichtung RR (nach radial außen) in dieser Richtung gegen Bewegung fixiert.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung der Stellvorrichtung 60 lässt sich die vorbestimmte Kraft bzw. die vorbestimmte Vorspannkraft (radiale Verspannung) nach radial außen in einfacher und wiederholbarer Weise z.B. mittels eines Momentenschlüssels zur Betätigung des Schraubenelements 62 vordefinieren.
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Dadurch, dass der Riegel 52 in seine Entriegelungsposition, in der er außer Eingriff mit der Ausnehmung 51 der Laufschaufel 40 ist, versenkbar ist, kann das Spiel in den Zahnprofilen 33, 43 der Nutseiten und der Schaufelfußseiten wieder freigegeben werden, so dass die Laufschaufel 40 sowohl bei ihrer Montage an als auch bei ihrer Demontage von der Radscheibe 30 einfach und schnell axial in die Nut 32 hinein bzw. aus der Nut 32 heraus schiebbar ist.
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Wie aus der Zusammenschau der 1 und 2 ersichtlich, ist die Ausnehmung 51 bevorzugt in Form einer allseitig von Material der Laufschaufel 40 bzw. von Seitenwänden umgrenzten Senke in der Unterseite 44 der Laufschaufel 40 gebildet, wobei ein zum Eingriff in der Ausnehmung 51 vorgesehenes radial äußerstes Ende 52a des Riegels 52 in seiner Form komplementär zur Form der Ausnehmung 51 ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung 51 als Hüllkontur bzw. Negativ zur Außenkontur einer Kugelkalotte (bzw. Kugelsegment oder Kugelabschnitt) ausgebildet, wobei das radial äußerste Ende 52a des Riegels 52 eine der Außenkontur dieser Kugelkalotte entsprechende Form aufweist. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung 51 als kugeliger Sitz für das etwa halbkugelförmige radial äußerste Ende 52a des Riegels 52 ausgebildet.
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Im Fazit ist das erfindungsgemäße Laufrad 20 so konfiguriert, dass dessen Laufschaufeln 40 mit geringerem Zeitaufwand montierbar und demontierbar sind und mit definierter radialer Verspannung in ihren jeweiligen axial verlaufenden Nuten 32 fixierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbomaschine
- 10
- Rotor
- 20
- Laufrad
- 30
- Radscheibe
- 30a
- seitliche Seite
- 31
- Außenumfang
- 32
- Nut
- 32a
- Boden
- 33
- Zahnprofil
- 40
- Laufschaufel
- 41
- Schaufelfuß
- 43
- Zahnprofil
- 44
- Unterseite
- 50
- Fixiereinrichtung
- 51
- Ausnehmung
- 52
- Riegel
- 52a
- radial äußerstes Ende
- 52b
- radial innerstes Ende
- 53
- erste Passage
- 53a
- erstes Längsende
- 53b
- zweites Längsende
- 60
- Stellvorrichtung
- 61
- zweite Passage
- 61a
- erstes Längsende
- 62
- Schraubenelement
- 62a
- Längsende
- α
- Kegelwinkel
- AR
- Axialrichtung
- RR
- Radialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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