-
Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine axiale Turbomaschine, umfassend einen Schaufelträger mit einer Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Haltenuten für Laufschaufeln und eine entsprechende Anzahl an Laufschaufeln, die in den Haltenuten eingesetzt sind, wobei zwischen zumindest einer der Laufschaufeln und einem Haltenutgrund der entsprechenden Haltenut ein Federelement angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Montieren einer Laufschaufel eines solchen Schaufelkranzes. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Demontieren einer Laufschaufel eines solchen Schaufelkranzes.
-
Bei Gasturbinen sind die Laufschaufeln in der Regel in Rotornuten, auch als Haltenuten bezeichnet, befestigt. Einige Haltenuten sind axial in Strömungsrichtung orientiert. Die Laufschaufel wird axial eingeschoben und muss dann in der Einbaulage fixiert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Laufschaufeln neben der axialen Fixierung radial nach Außen gedrückt werden. Dadurch wird Verschleiß an der Haltenutverbindung minimiert und eine optimale Endbearbeitung der Schaufellänge im Rotor ermöglicht. Gleichzeitig soll der Ausbau der Laufschaufeln möglichst unkompliziert sein, da die Laufschaufeln in unregelmäßigen Abständen ausgebaut werden müssen, um die Korrosionsschutzschicht zu erneuern.
-
Aus der
EP 1 703 078 A1 ist beispielsweise bekannt, die in axialen Haltenuten sitzenden Laufschaufeln durch die Anwendung eines Sicherungsblechs gegen eine Verschiebung entlang der Haltenuten zu sichern. Dabei wird zwischen dem Schaufelfuß und der Haltenut am Haltenutgrund ein Sicherungsblech platziert. Durch eine Wulst am Sicherungsblech greift dieses in eine fußseitig vorgesehene Öffnung ein. Nach dem Einschieben der Laufschaufel mit dem Sicherungsblech und dem Umbiegen der umstehenden Enden an den Eintritts- und Austrittsseiten des Fußes wird eine formschlüssige Sicherung erreicht. Um im Betrieb einen ausreichend vorgespannten Sitz der Laufschaufel in der Haltenut gewährleisten zu können, muss das Montieren der Laufschaufel auch unter einer Vorspannung erfolgen. Die Montage unter Vorspannung führt zu einem ungünstigen Verschleiß und Fressen an den Tragflanken, was die Rissgefahr erhöht. Vor allem in den vorderen Stufen eines axial durchströmten Verdichters, also bei großen Schaufeln, wo besonders große Vorspannkräfte erforderlich sind, erweist sich die Montage bzw. Demontage im Servicefall der Laufschaufel als schwierig.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch ein entsprechendes Design des Federelements eine besonders einfache Montage bzw. Demontage der Laufschaufel eines Schaufelkranzes in bzw. aus der Haltenut zu ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schaufelkranz für eine axiale Turbomaschine, umfassend einen Schaufelträger mit einer Anzahl von in axialer Richtung verlaufenden Haltenuten für Laufschaufeln und eine entsprechende Anzahl an Laufschaufeln, die in den Haltenuten eingesetzt sind, wobei zwischen zumindest einer der Laufschaufeln und einem Haltenutgrund der entsprechenden Haltenut ein Federelement angeordnet ist, wobei das Federelement mehrteilig ausgeführt ist und zumindest ein Fixierblech sowie zumindest ein Federblech umfasst, wobei das Federblech dünner ausgeführt ist als das Fixierblech und wobei durch die Form und/oder die Anordnung des Federblechs eine auf die Laufschaufel radial nach außen wirkende Federkraft erzeugt ist.
-
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, die Fixierfunktion und die Andrück- oder Federfunktion des Federelements voneinander zu trennen, indem mindestens zwei separate Komponenten oder Komponentengruppen, aus welchen das Federelement zusammengesetzt ist, vorgesehen sind. Die beiden Komponenten unterscheiden sich somit in Bezug auf ihre Form, Größe und/oder Material voneinander, wodurch die Fixierfunktion und die Andrückfunktion voneinander entkoppelt werden. Die zwei Komponenten sind dabei jeweils nach Art eines Blechs oder eines Blechpakets ausgebildet. Das Federelement bzw. seine Komponenten strecken sich hierbei insbesondere über die Gesamtlänge des Haltenutgrunds.
-
Mindestens eines dieser Bleche, welches weiterhin als Fixierblech bezeichnet wird, ist aus einem gut verformbaren Material und hat eine Blechstärke und Materialfestigkeit, die geeignet sind, die Fixierfunktion zu übernehmen.
-
Die Andrück- oder Federfunktion wird durch ein weiteres Federblech oder mehrere weitere Federbleche übernommen. Dabei sind die Federbleche dünner ausgeführt als das Fixierblech. Dünne Bleche haben den Vorteil, dass sie einen relativ hohen elastischen Federweg bereitstellen, während die Federkraft relativ gering ist. Durch die Form und/oder die Anordnung des zumindest einen Federblechs wird eine radial nach außen wirkende Federkraft auf die Laufschaufel erzeugt. Unter „Form und/oder die Anordnung“ werden hierbei die geometrischen Eigenschaften und/oder die Anordnung, des jeweiligen Federblechs zum Haltenutgrund und/oder zur Laufschaufel sowie die Anordnung der Federbleche untereinander verstanden. Durch geeignetes Stapeln mehrerer Bleche, z.B. nach Art einer Tellerfeder, lässt sich die Federkraft erhöhen, während der Federweg vorteilhaft hoch bleibt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung lässt sich eine für die radiale Andrückung der Laufschaufel ausreichende Federkraft erzeugen, indem das zumindest eine Federblech als ein ebenes Blech ausgestaltet ist und der Haltenutgrund eine konkave Fläche aufweist. Der wesentliche Vorteil hierbei ist, dass das Federblech oder die Federbleche aus ebenen Blechtafeln ausgeschnitten oder gestanzt werden können und so einbaufertig sind, ohne dass eine weitere Verformung erforderlich ist. Das Ausschneiden kann z.B. durch Wasserstrahlschneiden erfolgen, da dadurch die Schnittkanten nicht thermisch beansprucht oder metallurgisch verändert werden. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass der Haltenutgrund krümmungsfrei ist, jedoch das zumindest eine Federblech eine gekrümmte Form aufweist, wodurch aufgrund des Zusammenspiels der Geometrien vom Haltenutgrund und vom Federblech ebenfalls eine radiale Federkraft erzeugt wird.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, insbesondere in Kombination mit einem konkaven Haltenutgrund, ist das Fixierblech auch konkav ausgebildet, insbesondere weist dabei das Fixierblech einen Krümmungsradius auf, der einem Krümmungsradius des Haltenutgrunds entspricht. Auf diese Weise drückt das Fixierblech das zumindest eine, ebene Federblech radial zum Haltenutgrund hin, wodurch die Federkraft erzeugt oder zumindest verstärkt wird. Alternativ hierzu kann das Federblech eine gewellte Oberfläche aufweisen. Der Haltenutgrund ist eben, die Fixierbleche sind vorzugsweise eben, können aber auch gekrümmt sein. Die Federkraft wird dabei durch die Welligkeit des Fixierblechs erzeugt, wobei der Federweg auf einfache Weise durch die Höhe der Wellen bestimmt wird.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ragt ein Bereich des Federblechs auf einer Montageseite axial aus der Haltenut heraus. Für gewöhnlich werden Montage- und Demontagearbeiten an einer in einem Schaufelkranz eingebauten Laufschaufel nur einseitig durchgeführt, somit weist der Schaufelkranz eine besser erreichbare Montageseite und eine Rückseite auf. Damit das Federblech bei einer Demontage auf einfacher Weise aus der Haltenut herausgezogen werden kann, ist es derart dimensioniert, dass der herausragende Bereich auf der Montageseite leicht zugänglich ist.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fixierblech zumindest eine Zentrierlasche auf, die an den herausragenden Bereich des Federblechs angrenzt und wobei die Zentrierlasche in radialer Richtung umgebogen ist, so dass sie insbesondere senkrecht zur Ebene des Fixierblechs steht. Die Zentrierlasche stellt in axialer Richtung eine räumliche Begrenzung für das Federblech dar, wodurch das Federblech zentriert ist. Insbesondere weist das Fixierblech auf der Montageseite zwei vorgebogene Zentrierlaschen auf, welche an die Seiten des herausragenden Bereichs des Fixierblechs angrenzen. Die Zentrierlaschen sind beim Einbauen des Fixierblechs vorgebogen, alternativ können sie erst an ihrem Einsatzort umgebogen werden. Die Zentrierlaschen sind dabei insbesondere in Richtung zum Federblech hin umgebogen: je nach Position des Fixierblechs oberhalb oder unterhalb des Federblechs können sie somit radial nach innen oder radial nach außen umgebogen sein.
-
Nach noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Federblech mindestens eine Demontagebohrung im herausragenden Bereich auf. Die Demontagebohrung ist von der Montageseite aus leicht zugänglich. Wenn mehrere Federbleche übereinander gestapelt sind, liegen die Demontagebohrungen direkt übereinander. Die Demontagebohrungen dienen zur Demontage der Federbleche aus der Haltenut, indem ein Werkzeug in die Demontagebohrungen eingeführt wird und das gesamte Federblechpaket auf einmal axial herausgezogen wird.
-
Vorzugsweise weist das Fixierblech eine Fixierlasche für die Laufschaufel auf und die Fixierlasche ist radial nach außen umgebogen. Die Fixierlasche steht dabei insbesondere senkrecht zur Ebene des Fixierblechs. Dadurch, dass die Fixierlasche radial nach außen, also zur Laufschaufel hin umgebogen ist, verhindert sie eine unerwünschte axiale Bewegung der Laufschaufel aus der Haltenut heraus. Im Gegensatz zu der Zentrierlasche, welche vorgebogen sein kann, wird die Fixierlasche bevorzugt erst nach dem Einsetzen der Laufschaufel umgebogen.
-
Vorteilhafterweise sind mehrere übereinander gestapelten Federbleche vorgesehen, die ein Federblechpaket bilden. Auf diese Weise bleibt jedes der Federbleche sehr dünn, jedoch kann die Höhe des Federblechpakets und somit die federnden Eigenschaften des Federelements durch die Anzahl der Federbleche eingestellt werden.
-
Damit das zumindest eine Federblech mit besonders guten elastischen Eigenschaften ausgestaltet ist, ist das Federblech vorzugsweise aus Federstahl ausgebildet. Zweckdienlicherweise weist dabei das zumindest eine Federblech eine Stärke im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,7 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 0,5 mm auf.
-
Bevorzugt ist das Fixierblech aus einem Stahl ausgebildet, der eine geringere Rückverformung als das Material des Federblechs aufweist. Eine geringe elastische Verformbarkeit für das Fixierblech hat sich als besonders vorteilhat erwiesen, da Teile des Fixierblechs umgebogen werden und im Einsatz im umgebogenen Zustand bleiben müssen. Das Fixierblech weist dabei vorzugsweise eine Stärke im Bereich zwischen 1 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 3 mm auf.
-
Vorzugsweise umfasst der Schaufelkranz weiterhin ein Montageblech zwischen dem Federelement und der Laufschaufel. Das Montageblech ist ein zweites Blech, welches eine zweite Fixierung in axialer Richtung durch Vorverformung ermöglicht. Das Montageblech ist insbesondere etwa so dick wie das Fixierblech. Das Montageblech wird zum Schluss in die Haltenut hineingeschoben und in seiner Endposition arretiert.
-
Die Arretierung des Montageblechs erfolgt gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung, indem das Fixierblech in axialer Richtung mindestens eine radial nach außen vorgebogene Zunge aufweist, zu der am Montageblech eine korrespondiere Tasche vorgesehen ist, wobei in der Endposition des Montageblechs die Zunge in die Tasche des Montageblechs eingerastet ist.
-
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Montieren einer Laufschaufel eines wie oben beschriebenen Schaufelkranzes, umfassend folgende Schritte:
- - das zumindest eine Federblech und das zumindest eine Fixierblech werden nacheinander radial von außen in die Haltenut eingelegt, und
- - die Laufschaufel wird axial in die Haltenut hineingeschoben. Dabei wird als erstes das Blech eingelegt, welches im zusammengebauten Zustand unterhalb des anderen Blechs liegt. Der Schaufelkranz kann zudem durch ein Montageblech ergänzt werden, welches in einem letzten Montageschritt zwischen das Federelement und die Laufschaufel seitlich eingeschoben wird.
-
Vorzugsweise weist das Fixierblech auf der Montageseite zwei seitliche, vorgebogene Zentrierlaschen und eine mittige Fixierlasche für die Laufschaufel auf, wobei die Fixierlasche erst nach dem Einsetzen der Laufschaufel in der Haltenut radial nach außen umgebogen wird.
-
Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Verfahren zum Demontieren einer Laufschaufel eines solchen Schaufelkranzes, wobei:
- - zuerst die Zentrierlasche des Fixierblechs aufgebogen wird, so dass sie mit dem Fixierblech in einer Ebene liegt,
- - in die Demontagebohrung des zumindest einen Federblechs ein Werkzeug eingeführt wird, mit dessen Hilfe das zumindest eine Federblech seitlich aus der Haltenut herausgezogen wird, und
- - die Laufschaufel seitlich aus der Haltenut entfernt wird.
-
Durch das Umbiegen der Zentrierlasche wird das Federblech axial frei und kann ohne großen Aufwand aus der Haltenut herausgezogen werden. Bei einem Federblechpaket aus mehreren Federblechen werden alle Federbleche gleichzeitig herausgezogen. Danach entsteht in der Haltenut ein radialer Spalt und die Federkraft ist weg, so dass die Laufschaufel kraftfrei entfernt werden kann. Schließlich wird die Fixierlasche zur Ebene des Fixierblechs aufgebogen und die Laufschaufel demontiert. Das Verfahren zeichnet sich durch einen besonders vereinfachten Vorgang zum Abbau der Laufschaufel aus.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer Explosionsdarstellung eine Anordnung umfassend einen Schaufelträger mit einer Haltenut, ein mehrteiliges Federelement und eine Laufschaufel,
- 2 - 5 schrittweise die Montage einer Laufschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsvariante eines Schaufelkranzes mit einem mehrteiligen Federelement,
- 6 eine Ansicht auf eine Montageseite des zusammengebauten Schaufelkranzes gemäß der zweiten Ausführungsvariante,
- 7 Komponenten des Federelements gemäß der zweiten Ausführungsvariante,
- 8 eine Montageseite eines Schaufelkranzes gemäß einer dritten Ausführungsvariante eines Schaufelkranzes, und
- 9 eine Rückseite des Schaufelkranzes gemäß der dritten Ausführungsvariante.
-
In 1 ist ein Ausschnitt eines Schaufelkranzes 2 für eine nicht näher gezeigte axiale Turbomaschine, wie z.B. für einen Kompressor einer Gasturbine, dargestellt. Der Schaufelkranz 2 umfasst einen hier nicht näher gezeigten Schaufelträger 6 (siehe 2-6) mit mehreren sich in axialer Richtung A erstreckenden Haltenuten, von denen lediglich eine Haltenut 8 in 1 dargestellt ist. Eine Laufschaufel 10 wird in die Haltenut 8 eingesetzt, wobei zwischen der Laufschaufel 10 und einem Haltenutgrund 12 der Haltenut 8 ein mehrteiliges Federelement 14 zur Axialfixierung der Laufschaufel 10 angeordnet ist. Das Federelement 14 umfasst hierbei ein Fixierblech 16 sowie mehrere Federbleche 18.
-
Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Federbleche 18 aus einem Federstahl ausgebildet und weisen eine Stärke im Bereich zwischen 0,4 mm und 0,5 mm auf. Unter Federstahl wird hierbei ein Stahl verstanden, der im Vergleich zu anderen Stählen eine höhere Festigkeit besitzt. Ein solcher Stahl ist z.B. X10CrNi18. Durch die Form bzw. die Anordnung der Federbleche 18 wird eine auf die Laufschaufel 10 radial nach außen wirkende Federkraft erzeugt. Im konkreten Ausführungsbeispiel entsteht die Federwirkung durch die Kombination von ebenen Federblechen 18 und einem konkaven Haltenutgrund 12, so dass ein Axialspalt zwischen den Federblechen 18 und dem Haltenutgrund 12 entsteht, wenn die Federbleche 18 nicht belastet sind. Alternativ können gekrümmte Federbleche 18 auf einem ebenen Haltenutgrund 12 aufgelegt werden, um die Federwirkung zu erzeugen. Jedes Federblech 18 weist an seinem Ende eine axiale Aussparung 20 sowie zwei Demontagebohrungen 22 auf.
-
Im Unterschied zu den Federblechen 18 ist das Fixierblech 16 dicker ausgeführt, es weist insbesondere eine Stärke im Bereich zwischen 2 mm und 3 mm auf. Zudem ist das Fixierblech 16 aus einem Stahl ausgebildet, der eine geringere Rückverformung als das Material des Federblechs aufweist, d.h. kein Federstahl. Das Fixierblech 16 kann z.B. aus X6CrNiTi1810 bestehen. Das Fixierblech 16 ist hierbei ebenfalls gekrümmt ausgeführt, wobei sein Krümmungsradius dem Krümmungsradius des Haltenutgrunds 12 entspricht. An einem axialen Ende weist das Fixierblech 16 mittig eine Zentrierlasche 24 auf, die radial nach innen umgebogen ist und in die Aussparungen 20 der Federbleche 18 eingreift. Seitlich der Zentrierlasche 24 sind zwei Fixierlaschen 26 vorgesehen, welche im zusammengebauten Zustand radial nach außen umgebogen werden (mit gestrichelten Linien angedeutet), damit die Laufschaufel 10 axial fixiert wird.
-
Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind mehrere Federbleche 18 vorgesehen, jedoch ist es möglich, den federnden Effekt durch ein einziges Federblech 18 zu erreichen. Auf der anderen Seite ist es auch denkbar, mehr als nur ein Fixierblech 16 einzusetzen, z.B. zwei oder mehrere Bleche mit ähnlichen Eigenschaften.
-
Darüber hinaus ist im ersten Ausführungsbeispiel das Fixierblech 16 radial oberhalb der Federbleche 18 angeordnet, alternativ sind auch andere Anordnungen möglich, z.B. indem das Fixierblech zwischen dem radial untersten Federblech 18 und dem Haltenutgrund 12 eingefügt ist.
-
Die Schritte zur Montage einer Laufschaufel 10 in eine Haltenut 8 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante des Federelements 14 sind in 2 bis 5 gezeigt. Der Zusammenbau in der Endposition der Laufschaufel 10 ist dabei in 6 dargestellt. Der detaillierte Aufbau der Komponenten des Federelements ist aus 7 ersichtlich.
-
Wie aus 2 ersichtlich, werden zuerst die Federbleche 18 als Paket in radialer Richtung R von außen in die Haltenut 8 eingesetzt. Dabei liegen die Demontagebohrungen 22 der einzelnen Federbleche 18 stets übereinander. Anschließend wird das Fixierblech 16 ebenfalls radial von außen eingelegt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Zentrierlaschen 24 vorgesehen, die radial nach innen vorgebogen sind, ebenso wie zwei am Fixierblech 16 ausgebildete, in 7 näher gezeigte Zungen 28, die aus der Ebene des Fixierblechs 16 radial nach außen herausragen.
-
Von einer Montageseite 30 aus wird die Laufschaufel 10 axial in die Haltenut 8 eingeführt, was in 3 gezeigt ist.
-
Schließlich wird gemäß 4 ein Montageblech 32 axial zwischen das Fixierblech 16 und die Laufschaufel 10 hineingeschoben. Über einen Teil der Axiallänge des Montageblechs 32 sind zwei Taschen 34 ausgebildet, die zu den Zungen 28 des Fixierblechs 16 korrespondieren, so dass die Zungen 28 in Taschen 34 einschnappen, was aus 5 ersichtlich ist.
-
Die Montageseite 30 des fertigen Zusammenbaus gemäß 2 bis 5 ist in 6 dargestellt. Dabei sind das Federblech 16, ein Fixierblech 18 und das Montageblech 32 im einzeln in 7 näher gezeigt. In 6 sind die seitlichen Zentrierlaschen 24 des Fixierblechs 16 in radialer Richtung R nach innen vorgebogen und greifen dabei in korrespondierenden Aussparungen 20 der Federbleche 18. Die Zentrierlaschen 24 umgreifen einen aus der Haltenut 8 herausragenden Bereich 33 der Federbleche 18, in dem die Montagebohrungen 22 ausgebildet sind.
-
Ein letztes Ausführungsbeispiel für ein zweiteiliges Federelement 14 ist in 8 und 9 dargestellt. 8 zeigt die Montageseite 30 des Schaufelkranzes 2 und 9 seine axial entgegengesetzte Rückseite 36. Das Federelement 14 umfasst hierbei lediglich ein Federblechpaket, von dem die mittig angeordnete, herausragenden Bereiche 33 mit der jeweiligen Demontagebohrung 22 ersichtlich sind, und ein Fixierblech 16 mit zwei seitlichen Zentrierlaschen 24, welche an die herausragenden Bereiche 33 angrenzen. Die Fixierlasche 26, die am Fixierblech 16 ausgebildet ist, wird erst nach dem Einsetzen der Laufschaufel 10 radial nach außen umgeklappt und stützt dabei die Laufschaufel 10 in axialer Richtung A.
-
Auf der Rückseite 36 liegt ein ähnlicher Aufbau vor, mit dem kleinen Unterschied, dass keine herausragende Bereiche 33 mit den Demontagebohrungen 22 vorgesehen sind.
-
Die Demontage einer Schaufelkranzanordnung gemäß der dritten Ausführungsvariante erfolgt auf besonders einfacher Weise. Zunächst werden die die Zentrierlaschen 24 aufgebogen, so dass sie mit dem Fixierblech 16 in einer Ebene liegen. Danach wird von der Montageseite 30 aus in die Demontagebohrungen 22 der Federbleche 18 ein Werkzeug, insbesondere ein hakenförmiges Werkzeug, eingeführt, mit dessen Hilfe die Federbleche 18 seitlich aus der Haltenut 8 herausgezogen werden. Dadurch wird keine Federkraft mehr auf die Laufschaufel 10 ausgeübt, so dass diese problemlos axial aus der Haltenut 8 entfernt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
