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Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (RP7/2007-2013) gefördert.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Sicherungssystem und ein Verfahren zur Sicherung eines Befestigungsbereichs wenigstens einer Rotorschaufel oder eines Rotorschaufelsegments in einem Montagebereich eines Rotorgrundkörpers. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Rotor mit wenigstens einem derartigen Sicherungssystem.
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Ein derartiges Sicherungssystem ist beispielsweise bereits aus der
US 2009/0060746 A1 zu entnehmen. Zur Fixierung von Rotorschaufeln an einem Rotorgrundkörper werden zunächst als sogenanntes Retainerbleche ausgebildete Sicherungssysteme in einzelne Montagebereiche des Rotorgrundkörpers eingesetzt. Anschließend wird der Rotorgrundkörper beschaufelt, indem die Befestigungsbereiche der Rotorschaufeln oder Rotorschaufelsegmente in die entsprechenden Montagebereiche eingesetzt werden. Zum Sichern der Rotorschaufeln oder Rotorschaufelsegmente werden Endbereiche der einzelnen Sicherungssysteme umgebogen, um eine Art Klammer um den Befestigungsbereich auszubilden.
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Als nachteilig an den bekannten Sicherungssystemen ist der Umstand anzusehen, dass in Fällen, in denen diese Retainerbleche beim Umbiegen beschädigt werden, der gesamte Rotorgrundkörper entschaufelt werden muss, um das defekte Sicherungssystem zu ersetzen. Dies führt zu erheblich erhöhten Monatgekosten und -zeiten.
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Ferner ist ein Sicherungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus der nachveröffentlichten
DE 10 2011 084 153 A1 bekannt. Der Vollständigkeit halber sei zudem auch noch auf die
DE 1 551 202 C verwiesen, welche ebenfalls ein zweiteilig ausgebildetes Sicherungssystem offenbart, wobei die beiden Teile durch einen Clips-Verschluss miteinander verbunden werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sicherungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine verbesserte Montage und Demontage ermöglicht. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein entsprechendes Verfahren zum Sichern eines Befestigungsbereichs wenigstens einer Rotorschaufel oder eines Rotorschaufelsegments in einem Montagebereich eines Rotorgrundkörpers sowie einen Rotor mit einem entsprechenden Sicherungssystem zu schaffen.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Sicherungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Sicherungssystems als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. des Rotors und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Sicherungssystem zur Sicherung eines Befestigungsbereichs wenigstens einer Rotorschaufel oder eines Rotorschaufelsegments in einem Montagebereich eines Rotorgrundkörpers. Zur verbesserten Montage und Demontage des Sicherungssystems ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sicherungssystem wenigstens ein erstes Halteteilelement und ein zweites Halteteilelement umfasst, die jeweils einen Haltebereich und einen Verbindungsbereich umfassen. Die Verbindungsbereiche der Halteteilelemente sind zur Herstellung einer Clipsverbindung in den Montagebereich einführbar und im Montagebereich miteinander verrastbar. Die Haltebereiche der Halteteilelemente sind derart ausgebildet, dass sie den Befestigungsbereich der wenigstens einen Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments im verrasteten Zustand der Verbindungsbereiche im Montagebereich festlegen. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein zweiteiliges Sicherungssystem vorgesehen, dessen zwei Halteteilelemente zum Sichern der Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments am Rotorgrundkörper im jeweiligen Montagebereich miteinander verclipst werden, wobei die Haltebereiche der Halteteilelemente im montierten Zustand der Halteteilelemente derart ausgebildet sind, dass ohne weitere Arbeitsschritte wie beispielsweise Umbiegen oder dergleichen eine Lagefixierung der betreffenden Rotorschaufel bzw. des betreffenden Rotorschaufelsegments bewirken. Hierdurch sind eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Montage des Sicherungssystems sowie eine entsprechend einfache, schnelle und kostengünstige Lagesicherung der Rotorschaufel bzw. des Rotorschaufelsegments ermöglicht. Zum Entfernen oder Austauschen des Sicherungssystems ist es zudem ausreichend, die Clipsverbindung zwischen den Halteteilelementen zu lösen. Die wieder vereinzelten Halteteilelemente können dann einfach aus dem Montagebereich entfernt und gegebenenfalls durch neue Halteteilelemente ersetzt werden. Eine Entschaufelung des gesamten Rotorgrundkörpers ist im Unterschied zum Stand der Technik nicht erforderlich, wodurch erhebliche Zeit- und Kostenvorteile erzielt werden. Das Sicherungssystem ist dabei grundsätzlich unabhängig von der erforderlichen Montagerichtung und kann beispielsweise in axialer oder radialer Richtung, von der Vorderseite oder von der Rückseite des Rotorgrundkörpers aus angebracht werden. Nach dem Herstellen der Clipsverbindung stellt das Sicherungssystem weiterhin einen definierten Kraftfluss sicher.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbindungsbereich des ersten Halteteilelements einen Schaft mit wenigstens einer abstehenden Rastnase umfasst, der zur Herstellung der Clipsverbindung in eine Clipsaufnahme des Verbindungsbereichs des zweiten Halteteilelements einclipsbar ist. Hierdurch ist eine einfache und flexible Möglichkeit zur Herstellung einer Clipsverbindung geschaffen. Durch Variierung der Schaftlänge ist zudem eine einfache Anpassbarkeit des Sicherungssystems an unterschiedliche Rotortypen gegeben. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass das erste Halteteilelement einen Schaft mit zwei oder mehr Rastnasen umfasst. Dies erlaubt eine besonders einfache Einstellung der Einclips- und Ausclipskräfte, die im Wesentlichen unabhängig voneinander eingestellt werden können. Damit kann beispielsweise eine feste und sichere Verbindung der Halteteilelemente mit großer Ausclipskraft sichergestellt werden.
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Weiterhin umfasst die Clipsaufnahme des zweiten Halteteilelements wenigstens eine Rastzunge. Hierdurch können die zum Verclipsen bzw. Verrasten der Halteteilelemente erforderliche Einführkinematik und die damit verbundenen Einclipskräfte besonders einfach und präzise eingestellt werden. Grundsätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass jeder Rastnase des ersten Halteteilelements eine Rastzunge des zweiten Halteteilelements zugeordnet ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Rastzunge zum Herstellen der Clipsverbindung elastisch zwischen einer Ruhestellung und einer ausgelenkten Stellung verformbar ist und/oder eine Einführschräge zum Einclipsen der wenigstens einen Rastnase des ersten Halteteilelements bildet. Indem die Rastzunge elastisch zwischen einer Ruhestellung und einer ausgelenkten Stellung verformbar ist, kann die Rastzunge beim Einführen der Rastnase elastischen aus der Ruhestellung heraus verformt werden, bis die Rastnase ihre gewünschte Montageendstellung erreicht hat und die Clipsverbindung hergestellt ist. Vorzugsweise kehrt die Rastzunge nach oder beim Herstellen der Clipsverbindung in ihre Ruheposition zurück. Indem die wenigstens eine Rastzunge eine Einführschräge zum Einclipsen der wenigstens einen Rastnase des ersten Halteteilelements bildet, können die Einführkinematik und die Einclipskräfte besonders einfach und präzise eingestellt werden, so dass eine entsprechend einfache und schnelle Montage ermöglicht ist.
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Eine vereinfachte Montage wird einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die wenigstens eine Rastnase an ihrer dem Haltebereich abgewandten Seite eine abgerundete und/oder abgeschrägte Einführkontur aufweist. Eine besonders präzise Einstellung der zum Demontieren erforderlichen Ausclipskraft wird alternativ oder zusätzlich dadurch erzielt, dass die wenigstens eine Rastnase an ihrer dem Haltebereich zugewandten Seite eine Rastkante umfasst, die einen vorbestimmten Winkel mit einer Längsachse des Schafts einschließt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Rastkante der Rastnase in einem rechten Winkel oder in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Schafts verläuft, um besonders hohe Ausclipskräfte sicherzustellen. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Ausclipskräfte so hoch eingestellt werden, dass die Clipsverbindung nicht mehr zerstörungsfrei gelöst werden kann. Umgekehrt können durch Einstellung eines stumpfen Winkels geringere Ausclipskräfte erzielt werden. Eine mechanisch besonders stabile und nicht zerstörungsfrei lösbare Clipsverbindung wird dadurch erzielt, dass die Clipsaufnahme im verrasteten Zustand in einen Hinterschnitt der Rastnase eingreift.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Verbindungsbereich des zweiten Halteteilelements eine Aufnahme umfasst, in welcher die wenigstens eine Rastnase des ersten Halteteilelements im verrasteten Zustand der Halteteilelemente angeordnet ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit zur Definierung der Montageendposition der Halteteilelemente dar.
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Eine besonders präzise Anpassbarkeit an unterschiedliche Geometrien des Montagebereichs wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass die Längsachse des Schafts und/oder eine Haupterstreckungsachse der Clipsaufnahme einen vorbestimmten Winkel mit einer Haupterstreckungsachse des zugeordneten Haltebereichs einschließt. Hierdurch kann das Sicherungssystem besonders einfach an schräg bzw. nicht-parallel zu einer Drehachse des Rotorgrundköpers verlaufende Montagebereiche angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Verbindungsbereiche des ersten Halteteilelements und des zweiten Halteteilelements miteinander korrespondierende Anschläge, mittels welchen eine Relativbewegung zwischen den Halteteilelementen begrenzbar ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Begrenzung der relativen Bewegbarkeit der beiden Halteteilelemente sowie zur Definierung einer Montageendposition dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungsbereiche des ersten Halteteilelements und des zweiten Halteteilelements derart ausgebildet sind, dass sie nach dem Verrasten nur zerstörend ausgeclipst werden können. Hierdurch wird eine besonders zuverlässige Sicherung der Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments erzielt, ohne dass eine Demontage grundsätzlich verunmöglicht wird.
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Eine mechanisch besonders stabile Sicherung der Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments sowie eine besonders vorteilhafter Kraftfluss werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass der Haltebereich und der Verbindungsbereich des ersten Halteteilelements und/oder des zweiten Halteteilelements im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ausgebildet sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sichern eines Befestigungsbereichs wenigstens einer Rotorschaufel oder eines Rotorschaufelsegments in einem Montagebereich eines Rotorgrundkörpers. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Sicherungssystem nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwendet wird, wobei die Verbindungsbereiche der Halteteilelemente des Sicherungssystems von gegenüberliegenden Seiten aus in den Montagebereich eingeführt und im Montagebereich miteinander unter Herstellung einer Clipsverbindung verrastet werden, so dass die Haltebereiche der Halteteilelemente den Befestigungsbereich der wenigstens einen Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments im verrasteten Zustand der Verbindungsbereiche im Montagebereich festlegen. Hierdurch sind eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Montage des Sicherungssystems sowie eine entsprechend einfache, schnelle und kostengünstige Lagesicherung der Rotorschaufel bzw. des Rotorschaufelsegments ermöglicht. Zum Entfernen oder Austauschen des Sicherungssystems ist es ausreichend, die Clipsverbindung zwischen den Halteteilelementen zu lösen. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass sich die beiden Halteteilelemente zerstörungsfrei oder nur zerstörend wieder ausgeclipst werden können. Die wieder vereinzelten Halteteilelemente können dann einfach aus dem Montagebereich entfernt und gegebenenfalls durch neue Halteteilelemente ersetzt werden. Eine Entschaufelung des gesamten Rotorgrundkörpers ist im Unterschied zum Stand der Technik nicht erforderlich, wodurch erhebliche Zeit- und Kostenvorteile erzielt werden. Das Sicherungssystem kann dabei grundsätzlich unabhängig von der erforderlichen Montagerichtung verwendet werden. Nach dem Herstellen der Clipsverbindung stellt das Sicherungssystem darüber hinaus einen definierten Kraftfluss sicher. Vorzugsweise wird das Sicherungssystem bezüglich der Drehachse des Rotorgrundkörpers radial unterhalb des Befestigungsbereichs der Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments in den Montagebereich eingeführt. Weitere sich ergebende Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere für eine thermische Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper, welche wenigstens einen Montagebereich umfasst, in welchem ein Befestigungsbereich wenigstens einer Rotorschaufel oder eines Rotorschaufelsegments festgelegt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Rotor wenigstens ein Sicherungssystem nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele umfasst, mittels welchem der Befestigungsbereich der wenigstens einen Rotorschaufel oder des Rotorschaufelsegments am Rotorgrundkörper festgelegt ist. Hierdurch sind eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Montage des Sicherungssystems sowie eine entsprechend einfache, schnelle und kostengünstige Lagesicherung der Rotorschaufel bzw. des Rotorschaufelsegments ermöglicht. Der Rotorgrundkörper kann beispielsweise als Rotorscheibe oder als Rotorring ausgebildet sein. Weitere sich ergebende Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Montagebereich bezüglich einer Drehachse des Rotors als axiale Montageöffnung in einem radial äußeren Randbereich des Rotorgrundkörpers ausgebildet ist. Dies erlaubt neben einer einfachen Montage auch eine mechanisch besonders stabile Anbindung der Rotorschaufel(n) bzw. des Rotorschaufelsegments am Rotorgrundkörper.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Rotors, an dessen Rotorgrundkörper eine Rotorschaufel mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems befestigt ist;
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2 eine teiltransparente Perspektivansicht des in 1 gezeigten Rotors;
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3 eine schematische Aufsicht eines ersten Halteteilelements des Sicherungssystems;
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4 eine schematische Aufsicht eines zweiten Halteteilelements des Sicherungssystems; und
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5 eine schematische Perspektivansicht des Sicherungssystems, wobei das erste und das zweite Halteteilelement miteinander verrastet sind.
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1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Rotors 10 für eine thermische Gasturbine, beispielsweise für ein Flugzeugtriebwerk. 1 wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, in welcher eine schematische und teilweise transparente Perspektivansicht des in 1 gezeigten Rotors 10 dargestellt ist. Der Rotor 10 weist einen scheibenförmigen Rotorgrundkörper 12 auf, an welchem eine Rotorschaufel 14 mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems 16 befestigt ist. Die Rotorschaufel 14 weist ein in radialer Richtung betrachtet ein Schaufelblatt 18, eine darunterliegende Schaufelplattform 20 sowie einen radial unterhalb der Schaufelplattform 20 angeordneten und vorliegend als Schaufelfuß ausgebildeten Befestigungsbereich 22, welcher in einen bezüglich einer Drehachse des Rotors 10 axial verlaufenden Montagebereich 24 des Rotorgrundkörpers 12 eingeschoben ist. Man erkennt, dass das Sicherungssystem 16 radial unterhalb des Befestigungsbereichs 22 der Rotorschaufel 14 im Montagebereich 24 angeordnet ist und den Befestigungsbereich 22 klammerartig umgreift, so dass die Rotorschaufel 14 sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite des Rotorgrundkörpers 12 an diesem festlegt ist.
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Das Sicherungssystem 16 besteht aus einem ersten Halteteilelement 26a, das in 3 in Aufsicht abgebildet ist, und einem zweiten Halteteilelement 26b, das in 4 in Aufsicht abgebildet ist. Jedes Halteteilelement 26a, 26b weist jeweils einen Haltebereich 28a bzw. 28b und einen Verbindungsbereich 30a bzw. 30b auf, wobei die Verbindungsbereiche 30a, 30b der Halteteilelemente 26a, 26b zur Herstellung einer Clipsverbindung einerseits von vorne und andererseits von hinten in den Montagebereich 24 eingeführt und im Montagebereich 24 miteinander verrastet werden, so dass die Haltebereiche 28a, 28b der Halteteilelemente 26a, 26b den Befestigungsbereich 22 der Rotorschaufel 14 (oder eines Rotorschaufelsegments) in der in 1 und 2 gezeigten Weise im Montagebereich 24 lagesicher. Die Haltebereiche 28a, 28b und die Verbindungsbereiche 30a, 30b des ersten und des zweiten Halteteilelements 26a, 26b sind im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ausgebildet, so dass die Haltebereiche 28a, 28b zumindest annähernd senkrecht auf den Verbindungsbereichen 30a, 30b stehen.
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Wie in 3 erkennbar ist, umfasst der Verbindungsbereich 30a des ersten Halteteilelements 26a einen Schaft 32 mit zwei seitlich abstehenden Rastnasen 34a, 34b. Zur Herstellung der Clipsverbindung wird der Verbindungsbereich 30a in eine entsprechend ausgebildete Clipsaufnahme 36 des Verbindungsbereichs 30b des zweiten Halteteilelements 26b eingeclipst. 5 zeigt zur weiteren Erläuterung eine schematische Perspektivansicht des Sicherungssystems 16, wobei das erste und das zweite Halteteilelement 26a, 26b miteinander verrastet sind. Wie man in 4 erkennt, umfasst die Clipsaufnahme 36 des zweiten Halteteilelements 26b zwei Rastzungen 38a, 38b, die als Einführschrägen fungieren und beim Einführen der Rastnasen 34a, 34b in die Clipsaufnahme 36 aus der in 4 gezeigten Ruheposition elastisch nach außen hin verformt werden, bis die Rastnasen 34a, 34b ihre in 5 erkennbare Montageendposition erreichen, in welcher sie in einer korrespondierenden Aufnahme 40 des Verbindungsbereichs 30b angeordnet sind. Man erkennt in 3, dass die Rastnasen 34a, 34b an ihren dem Haltebereich 28a abgewandten bzw. ihren der Clipsaufnahme 36 zugewandten Seiten abgerundete Einführkonturen 35a, 35b aufweisen, wodurch das Einführen in die Clipsaufnahme 36 erleichtert wird.
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Die Aufnahme 40 begrenzt zusammen mit den Anschlägen 42a, 42b und den korrespondierenden Anschlägen 42c, 42d des zweiten Halteteilelements 26b die Bewegung des ersten Halteteilelements 26a in die Clipsaufnahme 36 des zweiten Halteteilelements 26b hinein. In der in 5 gezeigten Position des ersten Halteteilelements 26a federn die Rastnasen 34a, 34b zurück in ihre in 4 gezeigte Ruhestellung und bilden mit ihren inneren Endbereichen Anschläge 42e, 42f, die im Zusammenwirken mit Rastkanten 44a, 44b der Rastnasen 34a, 34b eine Bewegung des ersten Halteteilelements 26a aus der Clipsaufnahme 36 heraus verunmöglichen. Die Verbindungsbereiche 30a, 30b des ersten und des zweiten Halteteilelements 26a, 26b sind dabei vorliegend derart ausgebildet, dass sie nach dem Verrasten nicht wieder zerstörungsfrei ausgeclipst werden können. Hierzu schließen Rastkanten 44a, 44b ungefähr einen rechten Winkel mit einer Langsachse des Schafts 32 eins. Im Zusammenwirken mit den Anschlägen 42e, 42f der Rastzungen 38a, 38b wird daher sichergestellt, dass die erforderliche Ausclipskraft so groß ist, dass es vor dem Erreichen der Ausclipskraft zu einer Zerstörung wenigstens eines der Halteteilelemente 26a, 26b kommt.
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Wie man in 3 und 4 weiterhin erkennt, stehen die Längs- oder Haupterstreckungsachsen des Schafts 32 bzw. der Clipsaufnahme 36 nicht senkrecht auf den Haupterstreckungsachsen der jeweiligen Haltebereiche 28a, 28b, sondern sind leicht angewinkelt, um einer Geometrie der Montagebereiche 24 besser zu entsprechen.
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Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
