DE19654471A1 - Aus einer Anzahl von Verankerungsnuten bestehende Einrichtung zur Bestückung eines Rotors oder Stators einer Strömungsmaschine mit Schaufeln - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Beschaufelungen von Strömungsmaschinen haben normalerweise Profile, welche im Rotor- und Statorbereich stark von der Axialrichtung abweichende Skelettlinien aufweisen. Häufig sind aber Winkel zur Axialrichtung über die ganze oder über beschränkte Bereiche der Beschaufelung in der gleichen Grö­ ßenordnung gehalten. Um eine Spannungserhöhung in der Befe­ stigung zu minimieren, werden deshalb Verankerungsnuten schräg gefräst, was bei Rotoren wegen der damit verbundenen Fräswerkzeugbewegungen zu Konstruktionen mit Deckplatten, Ringen oder am Rotor eingehängten Teilen auf der Nabenseite der Leitschaufelreihen zwingt. Diese Nuten werden bis heute ausschließlich einzeln für jede Schaufelreihe hergestellt. Solche Lösungen sind wegen der vielen Bearbeitungsflächen und Kanten inhärent teuer.

Bei der üblichen Leitschaufeleinhängungen in Umfangsnuten von Statoren sind häufig festigkeitsmäßig ungünstige Lösungen nötig, insbesondere wenn zwischen den Leitschaufelreihen auch noch Hitzeschilder zu verankern sind.

Demgegenüber sind an sich kostengünstige Lösungen bekanntge­ worden, bei welchen die Verankerungsnuten axial durchgehend gefräst werden. Diese haben aber den Nachteil, daß daraus eine spannungserhöhende Verdrehung der Profilhauptachse im Verankerungsbereich resultiert.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch eine einfache Auslegung die genannten Nachteile zu be­ heben.

Zu diesem Zweck wird der mit Schaufeln zu bestückende Körper, der Rotor oder Stator einer Strömungsmaschine sein kann, mit Nuten versehen, welche schraubenlinienförmig entlang der mit Schaufeln zu bestückenden Mantelfläche des entsprechenden Körpers verlaufen. Der Rotor bzw. der Stator der Strömungsma­ schine weisen dann sozusagen ein mehrgängiges Gewinde mit großer Steigung auf, unabhängig davon, ob die ganze Länge des Körpers oder Abschnitte davon mit Schaufeln bestückt wer­ den. Zwischen den Schaufelreihen werden reihenweise Füll­ stücke eingesetzt, die den eingesetzten Schaufeln, jedoch ohne Blatt, entsprechen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die schraubenliniengeometrisch eingesetzten Schaufeln eine optimale statische und dynamische Festigkeit entfalten, insbesondere an den Übergängen zwischen Schaufelfuß und Schaufelblatt, wobei die Nut an sich beliebige Querschnitte aufweisen kann. Vorzugsweise wird diese Nut als Tannenbaum-, Schwalbenschwanz- oder Hammerform ausgebildet.

Erfindungsgemäß ist des weiteren möglich, eine partielle oder vollständige thermische Isolation des Körpers durch eine Kanalbildung im Bereich der anliegenden Schaufeln und/oder Füllstücke zu erzielen, wobei hier durch diese Kanäle Kühl­ luft oder Kühldampfströmen kann. Eine seitliche Durchleitung dieses Kühlmediums ins Innere der Schaufeln ist ohne weiteres möglich.

Die Bearbeitung der Nut läßt sich mit wenigen Werkzeugein­ sätzen erreichen; in den meisten Fällen wird dies mit einem einzigen Fräswerkzeug der Fall sein. Das Fräsen der Nut ent­ lang der Mantelfläche des jeweiligen Körpers erfolgt vorzugs­ weise mit einem rotierenden Formfräser, der unter einer be­ stimmten schiefen Ebene gegenüber der Zylinderachse entlang der Mantelfläche geführt wird.

Lassen sich die negativen Eigenschaften von körpereigenen Schwingungsresonanzen bei gerader Anzahl der Nuten durch Hilfsvorkehrungen eliminieren, so läßt sich die Bearbeitung der Nuten auf einer Fräsbank durch Verwendung von zwei einan­ der gegenüberliegenden Formfräsern erzielen, welche gleich­ zeitig in einem Arbeitsgang den mit Schaufeln zu bestückenden Körper der Länge nach mit je einer Nut bearbeiten.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An­ sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Ver­ ständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschie­ denen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Beschaufelung eines Rotors einer Strömungsma­ schine, bei welchem die Nuten zur Schaufelaufnahme schraubenlinienförmig auf der Mantelfläche gefräst wird, wobei zwei Gruppen von Schaufelreihen mit unterschiedlicher Teilung gezeigt sind,

Fig. 2 eine Verankerung der Füllstücke nach einer Hammer­ profilform,

Fig. 3 ein Verankerung der Schaufelfüße nach einer Hammer­ profilform,

Fig. 4 ein gefräster Nutauslauf im vollen Körper,

Fig. 5 eine Schnittansicht der Ausgestaltung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 Schnittstellen zwischen Schaufelfuß und Füllstück sowie Ende der Schraubennutverzahnungszone an einer Schaufelreihe in Umfangsnutverankerung und

Fig. 7 eine Schnittansicht von Fig. 6.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 eines Kompressors einer Gastur­ bine. Der Vollständigkeit halber sind hier auch noch die end­ seitigen Naben 2a, 2b dieses Rotors 1 gezeigt, wobei minde­ stens die Nabe 2a als Lagerungskörper dient. Die Mantelfläche dieses Rotors 1 ist mit einer Anzahl von Laufschaufelreihen 3 bestückt, welche die Kompression einer angesaugten Luft 4 er­ zeugen. Die Strömungsrichtung ist hier bei diesem Kompressor insofern zwingend vorgegeben, als mindestens die Schaufel­ blatthöhe in Strömungsrichtung abnehmend ist, wie dies im Zu­ sammenhang mit Fig. 3 zum Ausdruck kommt. Es sind hier zwei Schaufelreihen des Rotors 1 integral aufgezeigt, welche auf diese Kompression eindeutig hinweisen. Bei den restlichen Schaufelreihen sind die Schaufeln 5 nur andeutungsweise ge­ zeigt. Zwischen den einzelnen Schaufelreihen 3 sind ebenso reihenweise Füllstücke 6 angeordnet, welche der Beabstandung sowie der axialen kraftschlüssigen Arretierung des Systems dienen. Die fußseitige Ausgestaltung dieser Füllstücke 6 ent­ spricht derjenigen der Schaufeln 5, wie dies aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht. Der Rotor wird aus bearbeitungstechnischen Überlegungen in zwei Zone eingeteilt, welche bestimmungs­ gemäß zwei Gruppen von Schaufelreihen mit unterschiedlicher Teilung, demnach mit unterschiedlicher Schaufelzahl, aufneh­ men. Alle Schaufeln im Verbund bilden aber eine Einheit, de­ ren Wirkung von der Art der Beschaufelung abhängt. Selbstver­ ständlich ist die unterschiedliche Teilung nicht auf die ge­ zeigte Konfiguration beschränkt. Der Verlauf der Nut 7 zur Aufnahme der Schaufeln 5 resp. Füllstücke 6 beschreibt in axialer Richtung auf der Mantelfläche des Rotors eine Schrau­ benlinienform 8, die sich aus einer schiefen Ebene 8 mit ei­ nem bestimmten Steigungswinkel 9 bildet. Ist die Mantelfläche des Rotors 1 in Umfangsrichtung vollständig mit solchen schraubenlinienförmig angelegten Nuten 7 bearbeitet, so trägt der Rotor 1 sozusagen ein mehrgängiges Gewinde. Die Ein­ schiebbarkeit der Schaufeln 5 und der Füllstücke 6, läßt sich entlang der schiefen Ebene leicht bewerkstelligen, da der Rotor von beiden Enden her mit Nuten 7 versehen ist, wel­ che sich jeweils bis ca. zur Mitte des Rotors 1 erstrecken. An den Nutenden, dort wo der Übergang der unterschiedlichen Teilung der Schaufeln disponiert ist, sind Aussparungen 9a, 9b vorgesehen, welche der Bearbeitung der Nuten 7 als Aus­ laufzone des Formfräswerkzeuges dienen. Bei einer solchen Be­ arbeitungsmöglichkeit lassen sich die sektoriellen Schrauben­ linien, was den Steigungswinkel sowie was die Breite der Nut betrifft, nach Bedarf individuell auslegen.

Dadurch, daß die Verankerung der Schaufeln 5 entlang einer Schraubenlinie auf der Mantelfläche des Rotors 1 disponiert werden, werden optimale statische und dynamische Festigkeits­ werte an den Übergängen zwischen Schaufelfuß und Schaufel­ blatt im Hinblick auf die durch die Strömung des Mediums ver­ ursachten Impulskräfte erzielt, womit die Lebensdauer der Schaufeln 5 markant erhöht wird und Ermüdungsbrüche ausge­ schlossen werden. Diese Überlegungen gelten auch für sol­ cherart ausgelegte Rotoren oder Statoren von Turbinen.

Fig. 2 ist eine Ansicht aus der Schnittebene II-II in Fig. 1, und zeigt die Geometrie der Füllstücke 6 im montierten Zu­ stand im Rotor 1. Die Fußpartie 6a dieser Füllstücke 6 weist eine Hammerform auf, welche leicht herzustellen ist, und die Einschiebung der Füllstücke 6 leicht vonstatten geht. Selbst­ verständlich sind hier auch andere Geometrien möglich, bei­ spielsweise ein mehrzackiges Tannenbaumprofil, eine Schwal­ benschwanzprofilform, etc. Welche Geometrieform schließlich zur Ausführung gelangt, hängt von der Art der zum Einsatz ge­ langenden Schaufeln sowie von den Auslegungskriterien der entsprechenden Strömungsmaschine ab. Die Oberseite 6b der Füllstücke 6 weist beidseitig gegenüber der Breite der schraubenlinienförmig auf der Mantelfläche des Rotors 1 ver­ laufenden Nut 7 eine Verbreiterung auf, welche der Überlage­ rung des Zwischensteges 10 von den benachbarten Nuten 7 dient. Die benachbarten Flanken dieser Überlagerungen sind in axialer Richtung durch Dichtstreifen 11 abgeschlossen, dergestalt, daß darunter in Wirkverbindung mit der Mantel­ fläche des Rotors 1 ein intermediärer Kanal 12 entsteht, durch welchen ein Kühlmedium durchströmen kann.

Fig. 3 ist eine Ansicht aus der Schnittebene III-III in Fig. 1 und zeigt die Geometrie der Schaufeln 5, deren Höhe nur qualitativ zu verstehen sind. Der Schaufelfuß 5a, die Dicht­ streifen 11 sowie der intermediären Kanal 12 entsprechen, was Ausgestaltung und Funktion betrifft, der Konfiguration im Um­ feld der Füllstücke gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die endseitige Aussparung 9a einer Nut und die dort eingeschobenen Schaufeln 5, welche die ersteingeschobene Schaufelreihe des Rotors 1 bilden. Teilweise ist in dieser Figur eine Zwischenreihe von Füllstücken 6 ersichtlich. Der Anschlag der einzelnen Schaufeln 5 im Bereich der Aussparun­ gen 9a wird vorzugsweise mit einem hier nicht näher darge­ stellten Endstücken vorgenommen, damit eine eindeutige axiale Bezugsfläche für die eingeschobenen Schaufeln 5 vorgegeben ist. Diese Beistellung sorgt überdies für eine einwandfreie Arretierung der dort eingeschobenen Schaufeln 5 in Wirkver­ bindung mit den Füllstücken 6, wobei diese Arretierung vor­ zugsweise auf einer kraftschlüssigen Verbindung aufgebaut ist.

Fig. 5 ist eine Ansicht entlang der Schnittebene IV-IV in Fig. 4, und sie zeigt, nebst der bekannten Ausgestaltung der Schaufel 5, des Schaufelfußes 5a und des Füllstückes 6, die hier in der Ebene entlang der Schraubenlinie aneinander sto­ ßen, das bereits unter Fig. 4 erwähnte Endstück 13 in der Aussparung 9a. Des weiteren wird hier eine Leitschaufel 14 gezeigt, welche im Hinblick auf die Beschaufelung des nicht gezeigten Stators Informationscharakter entfalten soll. Die selbe Konfiguration betreffend Endstück gilt auch für die an­ dere Aussparung 9b gemäß Fig. 1.

Die Fig. 6 zeigt die effektive Gestaltung der Schnittstellen zwischen den Schaufelfüßen 5a und den Füllstücken 6, welche in etwa rechtwinklig zu dem Nutverlauf stehen. Diese Figur zeigt des weiteren eine Kombination zwischen dem unter Fig. 1 beschriebenen Verlauf der Nut, samt Bildung der Schaufelrei­ hen mit intermediärer Anordnung der Füllstücken 6, und eine endseitige Schaufelreihe, deren Schaufeln 15 in einer Um­ fangsnut verankert sind und eine andere Teilung aufweisen. Die Ausfräsung für den Schaufelfuß zu dieser Umfangsnut kann, wie unter Fig. 7 noch näher zur Erläuterung kommen wird, als jeweilige endseitige bearbeitungsbedingte Ausspa­ rung für die schraubenlinienförmig verlaufende Nut auf der Mantelfläche des Rotors dienen.

Fig. 7 zeigt die endseitige Laufschaufelreihe, deren Schau­ feln 15 konventionell in einer Umfangsnut 16 angeordnet und dort verankert sind. Der Schaufelfuß 15a einer solchen Lauf­ schaufel 15 entspricht weitgehend demjenigen der anderen Schaufeln (Vgl. Fig. 3). Die Aussparung 16a zu dieser Um­ fangsnut 16 dient als endseitige bearbeitungsbedingte Ausspa­ rung zur Herstellung der schraubenlinienförmig verlaufenden Nut.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

a Nabe des Rotors

2

b Nabe des Rotors

3

Laufschaufelreihen

4

Angesaugte Luft, Strömungsrichtung

5

Laufschaufeln

5

a Fuß einer Laufschaufel

6

Füllstücke

6

a Fuß eines Füllstückes

6

b Oberseite des Füllstückes

7

Schraubenlinienform

8

Schiefe Ebene

9

Steigungswinkel

9

a Bearbeitungsbedingte Aussparung für die Nut

9

b Bearbeitungsbedingte Aussparung für die Nut

10

Zwischensteg

11

Dichtstreifen

12

Intermediärer Raum, Kanal

13

Endstücke

14

Leitschaufel

15

Endseitige Laufschaufelreihe

15

a Fuß einer Schaufel gemäß

15

16

Umfangsnut

16

a Aussparung für die Umfangsnut

16

Claims (8)

1. Aus einer Anzahl von Verankerurungsnuten bestehende Ein­ richtung zur Bestückung eines Rotors oder Stators einer Strömungsmaschine mit Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsnuten (7) auf der mit Schaufeln (5) zu bestückenden Mantelfläche des Rotors (1) oder Stators schraubenlinienförmig verlaufen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsnuten (7) im Verbund zueinander auf der Mäntelfläche des Rotors (1) oder Stators eine mehr­ gängige gewindeähnliche Konfiguration bilden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verankerungsnuten (7) zwischen den einzelnen Schaufelreihen (3) Füllstücke (6) integriert sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Verankerungsnuten eine Tannen­ baum-, Schwalbenschwanz, oder Hammerform aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor oder dem Stator intermediäre Ausspa­ rungen (9a, 9b) vorhanden sind, welche jeweils dem End­ verlauf jeder Verankerungsnut (7) bilden.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anstoßenden Schaufeln (5) und Füll­ stücke (6) im Bereich ihrer Füße (5a, 6a) durch Dicht­ streifen (11) miteinander verbunden sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Wirkverbindung mit den Dichtstreifen (11) ein intermediärer Kanal (12) oder Hohlraum auf der Mantelfläche des Rotors (1) vorhanden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12) mit einem Kühlmedium durchströmbar ist.