DE102021123173A1 - Rotorscheibe mit gekrümmtem Rotorarm für eine Fluggasturbine - Google Patents

Rotorscheibe mit gekrümmtem Rotorarm für eine Fluggasturbine Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird eine Rotorscheibe (40) für einen Verdichter (29, 32) einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine (10), miteinem Hauptkörper (42),wenigstens einem in Axialrichtung (AR) von dem Hauptkörper (42) vorstehenden Rotorarm (44),wobei der Rotorarm (44) bezogen auf eine Schnittansicht in der durch die Axialrichtung (AR) und die Radialrichtung (RR) aufgespannten Schnittebene aufweist:einen in den Hauptkörper (42) übergehenden Anfangsabschnitt (44a);einen von dem Hauptkörper (42) entfernten Endabschnitt (44e), der in Axialrichtung (AR) eine Art freies Ende bildet,wobei der Anfangsabschnitt (44a) und der Endabschnitt (44e) mittels eines Zwischenabschnitts (44z) miteinander verbunden sind,dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt (44z) gekrümmt ausgebildet ist mit wenigstens einem Krümmungsradius (Ri, Ra).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorscheibe für einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Hauptkörper, wenigstens einem in Axialrichtung von dem Hauptkörper vorstehenden Rotorarm, wobei der Rotorarm bezogen auf eine Schnittansicht in der durch die Axialrichtung und die Radialrichtung aufgespannten Schnittebene aufweist: einen in den Hauptkörper übergehenden Anfangsabschnitt; einen von dem Hauptkörper entfernten Endabschnitt, der in Axialrichtung eine Art freies Ende bildet, wobei der Anfangsabschnitt und der Endabschnitt mittels eines Zwischenabschnitts miteinander verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Laufschaufelscheibe mit einer solchen Rotorscheibe einen Verdichter mit einer solchen Laufschaufelscheibe und eine Gasturbine mit einem solchen Verdichter.
  • Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • In einem Verdichter, insbesondere einem Hochdruckverdichter, einer (Flug-)Gasturbine werden axiale Verspannungskräfte mittels des Rotorarms der einen Rotorscheibe auf eine axial benachbarte Rotorscheibe übertragen, so dass die aufgrund axialer Zugkräfte gegeneinander verspannten mehreren Rotorscheiben stabilisiert werden können. Dabei tritt das Problem auf, dass bei axial benachbarten Rotorscheiben, die einen deutlich verschiedenen Durchmesser aufweisen, eine relativ große radiale Distanz mittels des Rotorarms überbrückt werden muss, um die wirkenden Verspannungskräfte abstützen zu können. Bisherige Rotorarme weisen daher entlang der Axialrichtung mindestens einen Knick und ggf. auch Materialdickenänderungen auf, was aber zu unerwünschten Spannungen im Rotorarm führt.
  • Die Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Rotorscheibe anzugeben, bei der die axiale Kraftübertragung mit reduzierten Spannungen ermöglicht ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Rotorscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugt und optionale Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
  • Vorgeschlagen wird also eine Rotorscheibe für einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit
    einem Hauptkörper,
    wenigstens einem in Axialrichtung von dem Hauptkörper vorstehenden Rotorarm,
    wobei der Rotorarm bezogen auf eine Schnittansicht in der durch die Axialrichtung und die Radialrichtung aufgespannten Schnittebene aufweist:
    • einen in den Hauptkörper übergehenden Anfangsabschnitt;
    • einen von dem Hauptkörper entfernten Endabschnitt, der in Axialrichtung eine Art freies Ende bildet, wobei der Anfangsabschnitt und der Endabschnitt mittels eines Zwischenabschnitts miteinander verbunden sind.
  • Dabei ist vorgesehen, dass der Zwischenabschnitt gekrümmt ausgebildet ist mit wenigstens einem in Krümmungsradius.
  • Durch die gekrümmte bzw. gebogene Ausgestaltung des Zwischenabschnitts können wirkende axiale (Verspannung-)Kräfte spannungsarm übertragen werden. Durch die Krümmung werden geknickte Verläufe des Rotorarms vermieden, bei denen in den Knickbereichen lokale Spannungsspitzen auftreten können, die zu unerwünschten Materialermüdungen führen können. Es wird darauf hingewiesen, dass der Krümmungsradius und ein jeweiliger Mittelpunkt des gekrümmten Zwischenabschnitts in der bezeichneten Schnittebene liegt.
  • Bei der Rotorscheibe können der Anfangsabschnitt, der Endabschnitt und der Zwischenabschnitt im Wesentlichen die gleiche Rotorarmdicke aufweisen. Mit anderen Worten bilden die beiden im Wesentlichen geraden Anfangs- und Endabschnitte zusammen mit dem gekrümmten Zwischenabschnitt einen über seine axiale Länge im Wesentlichen gleich dicken Rotorarm. Die Rotorarmdicke kann dabei etwa 0,3cm bis 1,3cm betragen.
  • Bei der Rotorscheibe kann an dem Rotorarm wenigstens ein radial nach außen weisender Dichtfin angeordnet sein. Der wenigstens eine Dichtfin steht in Radialrichtung gegenüber einem an einem Stator bzw. einem Leitschaufelring befestigten Dichtungselement, das üblicherweise eine Wabenstruktur aufweist und in das der Dichtfin in gewissen Betriebszuständen der Gasturbine einlaufen kann, um eine Abdichtung zu ermöglichen.
  • Bei der Rotorscheibe kann der Krümmungsradius des Zwischenabschnitts von etwa 2cm bis 6cm betragen, insbesondere etwa 2,5cm bis 5,1cm.
  • Eine Laufschaufelscheibe für einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, kann eine oben beschriebene Rotorscheibe aufweisen, wobei die Laufschaufelscheibe mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Laufschaufeln aufweist, die mit der Rotorscheibe verbunden sind.
  • Dabei können bei der Laufschaufelscheibe die Rotorscheibe und die Laufschaufeln einstückig miteinander ausgebildet sind, insbesondere als Blisk ausgeführt sein.
  • Ein Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter, für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, kann wenigstens eine oben beschriebene Rotorscheibe oder wenigstens eine oben beschriebene Laufschaufelscheibe aufweisen.
  • Eine Fluggasturbine kann mit einem solchen Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter, ausgerüstet sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
    • 1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Prinzipbild einer Fluggasturbine.
    • 2 zeigt in einer vereinfachten schematischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einem Verdichter, insbesondere den Bereich zwischen zwei Laufschaufelscheiben.
    • 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Rotorarms der 2.
  • 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine Fluggasturbine 10, die rein beispielhaft als Mantelstromtriebwerk illustriert ist. Die Gasturbine 10 umfasst einen Fan 12, der von einem angedeuteten Mantel 14 umgeben ist. In Axialrichtung AR der Gasturbine 10 schließt sich an den Fan 12 ein Verdichter 16 an, der in einem angedeuteten inneren Gehäuse 18 aufgenommen ist und einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann. An den Verdichter 16 schließt sich die Brennkammer 20 an. Aus der Brennkammer ausströmendes heißes Abgas strömt dann durch die sich anschließende Turbine 22, die einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Turbine 22 eine Hochdruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 26. Eine Hohlwelle 28 verbindet die Hochdruckturbine 24 mit dem Verdichter 16, insbesondere einem Hochdruckverdichter 29, so dass diese gemeinsam angetrieben bzw. gedreht werden. Eine in Radialrichtung RR der Turbine weitere innen liegende Welle 30 verbindet die Niederdruckturbine 26 mit dem Fan 12 und mit einem Niederdruckverdichter 32, so dass diese gemeinsam angetrieben bzw. gedreht werden. An die Turbine 22 schließt sich eine hier nur angedeutete Schubdüse 33 an.
  • Im dargestellten Beispiel einer Fluggasturbine 10 ist zwischen der Hochdruckturbine 24 und der Niederdruckturbine 26 ein Turbinenzwischengehäuse 34 angeordnet, das um die Wellen 28, 30 angeordnet ist. In seinem radial äußeren Bereich 36 wird das Turbinenzwischengehäuse 34 von heißen Abgasen aus der Hochdruckturbine 24 durchströmt. Das heiße Abgas gelangt dann in einen Ringraum 38 der Niederdruckturbine 26. Von den Verdichtern 28, 32 und den Turbinen 24, 26 sind beispielhaft Laufschaufelkränze 27 dargestellt. Üblicherweise vorhandene Leitschaufelkränze 31 sind aus Gründen der Übersicht beispielhaft nur bei dem Verdichter 32 dargestellt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die 2 und 3 genauer erläutert, wobei die 3 eine Vergrößerung des in 2 mit III bezeichneten Bereichs ist.
  • 2 zeigt in eine Rotorscheibe 40 mit einem Hauptkörper 42 und einem Rotorarm 44. Der Rotorarm 44 ist mit dem Hauptkörper 42 verbunden. Bezogen auf eine Durchströmungsrichtung von Luft LR, die durch einen mittels kurz gestrichelter Linien schematische angedeuteten Ringraum 46 strömt, ist vor der Rotorscheibe 40 eine weitere Rotorscheibe 40a angeordnet. Die beiden Rotorscheiben 40, 40a sind in Axialrichtung AR gegeneinander verspannt, was in der Darstellung allerdings nicht dargestellt ist.
  • Der Rotorarm 44 der Rotorscheibe 40 stützt sich in Axialrichtung AR und Radialrichtung RR an der Rotorscheibe 40a, so dass wirkende Kräfte der axialen Verspannung übertragen werden können. Mit der Rotorscheibe 40 ist eine Laufschaufel 48 verbunden. Auch an der Rotorscheibe 40a ist eine Laufschaufel 48a befestigt. Bezüglich der Laufschaufeln 48 bzw. 48a wird darauf hingewiesen, dass diese einstückig mit der jeweiligen Rotorschiebe 40 bzw. 40a ausgebildet sein können, insbesondere als sogenannte Blisk ausgebildet sein können. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass in den Rotorscheiben 40 bzw. 40a Öffnungen vorgesehen sein können, in denen Laufschaufelfüße von Laufschaufeln formschlüssig aufgenommen werden können.
  • Der Rotorarm 44 kann unterteilt werden in einen Anfangsabschnitt 44a, einen Endabschnitt 44e und einen Zwischenabschnitt 44z. Der Anfangsabschnitt 44a ist mit dem Hauptkörper 42 verbunden und erstreckt sich geneigt zur Axialrichtung AR und zur Radialrichtung RR. Der Anfangsabschnitt 44a ist dabei im Wesentlichen gerade ausgebildet.
  • Der Endabschnitt 44e liegt an der axial vorderen Rotorscheibe 40a an. Der Endabschnitt 44e verläuft dabei im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung AR und im Wesentlichen orthogonal zur Radialrichtung RR. Durch den im Wesentlich parallel zur Axialrichtung AR verlaufenden Endabschnitt 44e können wirkende axiale Kräfte optimal übertragen bzw. abgestützt werden. Der Kraftfluss entlang der Axialrichtung AR in dem Rotorarm 44 bzw. den Rotorschieben 40, 40a ist in den 2 und 3 durch die strickpunktierte Line KF vereinfacht illustriert.
  • Der Zwischenabschnitt 44z, der sich zwischen dem Anfangsabschnitt 44a und dem Endabschnitt 44e erstreckt, ist gekrümmt bzw. gebogen ausgebildet. Dabei weist der Zwischenabschnitt 44z bezogen auf einen Mittelpunkt MP einen Innenradius Ri und einen Außenradius Ra auf. Die beiden Radien Ri und Ra sind dabei so gewählt, dass der Zwischenabschnitt 44z eine im Wesentlichen gleich bleibende Rotorarmdicke RD aufweist. Der Anfangsabschnitt 44a und der Endabschnitt 44e weisen ebenfalls eine Rotorarmdicke RD auf, die im Wesentlichen gleichgroß ist. Mit anderen Worten weist der gesamte Rotorarm 44 ein durchgehende Dicke RD auf, die im Wesentlichen konstant gehalten ist. Krümmungsradius Ri bzw. Ra des Zwischenabschnitts 44z weist eine Länge auf von etwa 2cm bis 6cm, insbesondere von etwa 2,5cm bis 5,1cm. Die im Wesentlichen konstante Dicke RD des Rotorarms 44 beträgt etwa 0,3cm bis 1,3cm.
  • Durch die gewählte Anordnung des geneigt verlaufenden Anfangsabschnitts 44a und des sich anschließenden gekrümmten Zwischenabschnitts 44z können aufgrund der axialen Verspannung wirkende Kräfte optimal und spannungsarm von der Rotorscheibe 40 mit einem größeren Durchmesser auf die Rotorscheibe 40a mit kleinerem Durchmesser übertragen werden, wobei insbesondere im Rotorarm 44 und speziell im Zwischenabschnitt 44z keine lokalen Spannungsspitzen auftreten.
  • An dem Rotorarm 44 kann wenigstens ein Dichtfin 50 vorgesehen sein, der in einem zusammengebauten Zustand eines Verdichters gegenüber von einem dichtenden Einlaufelement eines Stators bzw. Leitschaufelrings angeordnet ist.
  • Eine unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschriebene Rotorscheibe 40 mit dem gekrümmten Rotorarm 44 kann beispielsweise in einem in 1 gezeigten Hochdruckverdichter 29 einer Fluggasturbine 10 angeordnet sein. Die in den 2 und 3 beschriebenen Laufschaufeln 48 bzw. 48a können dabei Teile eines in 1 angedeuteten Laufschaufelkranzes 27 sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fluggasturbine
    12
    Fan
    14
    Mantel
    16
    Verdichter
    18
    inneres Gehäuse
    20
    Brennkammer
    22
    Turbine
    24
    Hochdruckturbine
    26
    Niederdruckturbine
    28
    Hohlwelle
    29
    Hochdruckverdichter
    30
    Welle
    31
    Leitschaufelkranz
    32
    Niederdruckverdichter
    33
    Schubdüse
    34
    Turbinenzwischengehäuse
    36
    radial äußerer Bereich
    38
    Ringraum
    40,40a
    Rotorscheibe
    42
    Hauptkörper
    44
    Rotorarm
    44a
    Anfangsabschnitt
    44e
    Endabschnitt
    44z
    Zwischenabschnitt
    46
    Ringraum
    48,48a
    Laufschaufel
    50
    Dichtfin
    AR
    Axialrichtung
    LR
    Luftströmungsrichtung
    MP
    Mittelpunkt
    Ra
    Außenradius
    RD
    Rotorarmdicke
    Ri
    Innenradius
    RR
    Radialrichtung

Claims (8)

  1. Rotorscheibe (40) für einen Verdichter (29, 32) einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine (10), mit einem Hauptkörper (42), wenigstens einem in Axialrichtung (AR) von dem Hauptkörper (42) vorstehenden Rotorarm (44), wobei der Rotorarm (44) bezogen auf eine Schnittansicht in der durch die Axialrichtung (AR) und die Radialrichtung (RR) aufgespannten Schnittebene aufweist: einen in den Hauptkörper (42) übergehenden Anfangsabschnitt (44a); einen von dem Hauptkörper (42) entfernten Endabschnitt (44e), der in Axialrichtung (AR) eine Art freies Ende bildet, wobei der Anfangsabschnitt (44a) und der Endabschnitt (44e) mittels eines Zwischenabschnitts (44z) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt (44z) gekrümmt ausgebildet ist mit wenigstens einem Krümmungsradius (Ri, Ra).
  2. Rotorscheibe (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsabschnitt (44a), der Endabschnitt (44e) und der Zwischenabschnitt (44z) im Wesentlichen die gleiche Rotorarmdicke (RD) aufweisen.
  3. Rotorscheibe (40), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotorarm (44) wenigstens ein radial nach außen weisender Dichtfin (50) angeordnet ist.
  4. Rotorscheibe (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius (Ri, Ra) von etwa 2cm bis 6cm beträgt, insbesondere etwa 2,5cm bis 5,1cm.
  5. Laufschaufelscheibe (27) für einen Verdichter (29) einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine (10), mit einer Rotorscheibe (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laufschaufelscheibe (27) mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Laufschaufeln (48) aufweist, die mit der Rotorscheibe (40) verbunden sind.
  6. Laufschaufelscheibe (27) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (40) und die Laufschaufeln (48) einstückig miteinander ausgebildet sind, insbesondere als Blisk.
  7. Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter (29), für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine (10), wobei der Verdichter wenigstens eine Rotorscheibe (40) emäß einem der Ansprüche 1 bis 4 oder wenigstens eine Laufschaufelscheibe (27) gemäß Anspruch 5 oder 6 aufweist.
  8. Fluggasturbine (10) mit einem Verdichter (29) gemäß Anspruch 7.
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