DE19828817A1 - Rotor für eine Turbomaschine - Google Patents
Rotor für eine TurbomaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Turbomaschine, mit wenigstens zwei beschaufelten Stufen, deren Scheiben (4, 5, 6) lösbar miteinander verbunden sind, wobei zur Vermeidung von Kerbstellen in den hochbelasteten Scheiben eine erste Scheibe (4) wenigstens an einer Seitenfläche (7, 8) einen ersten Flansch (9, 10) aufweist, der mit einem zweiten Flansch (17) einer benachbarten Scheibe (5, 6) durch Bolzen (14) verbunden bzw. verspannt ist (Fig. 3).
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Turbomaschine, mit wenigstens zwei be
schaufelten Stufen, deren Scheiben lösbar miteinander verbunden sind.
Rotoren von Turbomaschinen weisen im allgemeinen mehrere, mit Schaufeln verse
hene Stufen auf, deren Scheiben auf unterschiedliche Weise, z. B. durch Schweißen
oder lösbar durch Verschrauben, miteinander verbunden sind. Vorliegend werden
lediglich lösbar miteinander verbundene Stufen betrachtet.
Bei einem bekannten Rotor weisen die Scheiben sich im wesentlichen in Axialrich
tung erstreckende, zylindrische oder kegelförmige Schalen auf, an deren Endab
schnitten jeweils scheibenringförmige Flansche vorgesehen sind, an welchen be
nachbarte Scheiben mit Schrauben, Stehbolzen od. dgl. verbunden sind. Sofern eine
Zwischenstufendichtung nicht in den Schalen integriert ist, wird sie jeweils zwischen
den Flanschen eingeklemmt. Eine derartige Verbindungsart läßt sich lediglich bei
Komponenten mit verhältnismäßig niedriger Umfangsgeschwindigkeit, wie z. B. lang
sam laufende Niederdruckturbinen, einsetzen, da die auftretenden Fliehkräfte bei für
hohe Umfangsgeschwindigkeiten ausgelegten Scheiben zu hohe Umfangsspannun
gen in der Flanschverbindung erzeugen. Die Bohrungen in den Flanschen stellen lo
kale Spannungserhöhungen verursachende Kerbstellen dar und schränken die zykli
sche Lebensdauer des Bauteils stark ein.
Bei schnellaufenden Niederdruckturbinen sind bspw. an den Zwischenstufendichtun
gen zusätzliche, sich radial nach innen erstreckende Scheiben vorgesehen worden.
Auf diese Weise soll die radiale Aufweitung so begrenzt werden, daß die entstehen
den Umfangsspannungen infolge der Fliehkraftwirkungen auf einem niedrigen Niveau
gehalten werden und die geforderte zyklische Lebensdauer erreicht wird. Die zusätz
lichen Scheiben führen jedoch zu erheblichen Gewichtsnachteilen und Problemen
bei der Montage.
Bei einem weiteren bekannten Rotor weist eine Scheibe Bohrungen auf, durch wel
che sie mit benachbarten Scheiben, die zylindrische oder kegelförmige Schalen mit
Flanschen aufweisen, durch Verschrauben verbunden wird. Der Scheibenkörper be
grenzt die radiale Aufweitung der Verbindungsstelle infolge von Fliehkraftwirkung.
Problematisch ist jedoch, daß die Bohrungen in dem hochbelasteten Scheibenkörper
lebensdauerbegrenzende Kerbstellen darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Turbomaschine der
eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Scheiben lösbar miteinan
der verbunden werden, ohne daß extreme Spannungserhöhungen durch Kerbstellen
in der Scheibe auftreten.
Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine er
ste Scheibe an wenigstens einer ihrer beiden Seitenflächen einen ersten Flansch
aufweist, der mit einem zweiten Flansch einer benachbarten Scheibe durch Bolzen
verbunden bzw. verspannt ist.
Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, daß die radiale Aufweitung
der Flanschverbindung durch den Scheibenkörper begrenzt wird, die Scheibe selbst
jedoch keine Bohrungen bzw. Kerbstellen aufweist, welche die zum Teil extrem ho
hen, lokalen Spannungserhöhungen verursachen.
Bevorzugt erstreckt sich der erste Flansch mit axialem Abstand zur Seitenfläche der
ersten Scheibe unter Bildung eines Zwischenraums radial nach innen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Flansch als Scheibenring ausgebil
det, der entlang seiner inneren Stirn- bzw. Umfangskante Aussparungen aufweist.
Bevorzugt sind die Aussparungen nach innen geöffnet, damit die durch die Bolzen
erzeugte Fliehkraft durch die Randfläche der Aussparungen aufgenommen werden
kann.
Ferner ist vorteilhaft, daß die Aussparungen äquidistant entlang der Umfangskante
angeordnet sind.
Zur Reduzierung der Kerbwirkung kann zwischen den Aussparungen jeweils eine
Bohrung, ein Langloch oder eine weitere Aussparung vorgesehen werden.
Höchst bevorzugt ist ein Flanschabschnitt einer Zwischenstufendichtung jeweils zwi
schen dem ersten und zweiten Flansch eingeklemmt, wobei der Flanschabschnitt der
Zwischenstufendichtung bevorzugt zu den Aussparungen des ersten Flansches
fluchtende Bohrungen aufweist, welche die Bolzen in Radialrichtung bei der Montage
fixieren.
Es ist ferner zweckmäßig, daß die Bolzen an ihren der ersten Scheibe zugewandten
Enden einen sich rechtwinklig zu ihrer Längsachse erstreckenden Querabschnitt
aufweisen, mit dem sie sich an einer inneren Seitenfläche des ersten Flansches ab
stützen. Bevorzugt sind die Bolzen T-Kopf-Bolzen.
Bevorzugt ist der Abstand des ersten Flansches zur Seitenfläche der ersten Scheibe
möglichst gering, jedoch größer als die Stärke des Querabschnitts des Bolzens, um
eine Druckstelle an der hochbelasteten, ersten Scheibe zu vermeiden.
Höchst bevorzugt weist der Flansch einer benachbarten Scheibe an seinem radial
inneren Ende einen sich im wesentlichen in Axialrichtung erstreckender Stützab
schnitt auf, an dem sich der Querabschnitt der Bolzen abstützt, um so eine Verdreh
sicherung der Bolzen zu schaffen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Scheibe an beiden Seitenflächen
einen ersten Flansch auf, so daß sich auf diese Weise auch die Scheiben von Roto
ren mit mehr als zwei Stufen lösbar verbinden lassen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht im Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungs
gemäßen Rotors, die zur besseren Übersicht keine Schraffur aufweist.
Fig. 2 eine gebrochene Querschnittsansicht gemäß Linie II-II aus Fig. 1 und
Fig. 3 eine gebrochene Ansicht im Längsschnitt eines weiteren Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Rotors.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Rotors für eine Turbomaschine, der drei Stufen aufweist. Die Stufen sind jeweils mit
einer Schaufel 1, 2 und 3 sowie einer ersten Scheibe 4 und zwei benachbarten
Scheiben 5, 6 versehen. Die erste Scheibe 4 weist an ihren beiden Seitenflächen 7, 8
jeweils einen Flansch 9 bzw. 10 auf. Die Flansche 9, 10 erstrecken sich mit einem
axialen Abstand A von ihren inneren Seitenflächen 11, 12 zu den Seitenflächen 7, 8
der ersten Scheibe 4. Auf diese Weise ist zwischen der ersten Scheibe 4 und den
Flanschen 9, 10 ein Zwischenraum Z, der in Radialrichtung nach innen geöffnet ist.
Der Abstand A ist möglichst klein zu halten, um die radiale Aufweitung der Flansche
9, 10 bzw. der Flanschverbindung durch den Körper der Scheibe 4 zu begrenzen.
Zur lösbaren Verbindung benachbarter Scheiben 5, 6 greift ein Querabschnitt 13 ei
nes (Schrauben-)Bolzens 14 in den Zwischenraum Z ein und stützt sich nach dem
Verspannen/Verschrauben jeweils an der inneren Seitenfläche, wie z. B. 12, des
Flansches 10 ab.
Die zur mittleren, ersten Scheibe 4 benachbarten Scheiben 5, 6 weisen jeweils sich
im wesentlichen in Axialrichtung erstreckende, zylindrische Schalen 16 auf, die auch
kegelförmig ausgebildet sein können. Die Schalen 16 besitzen an Ihren zu den
Scheiben 5, 6 entfernten Enden jeweils einen zweiten Flansch 17, der jeweils mit den
Flanschen 9, 10 der ersten Scheibe 4 durch (Schrauben-)Bolzen 14 od. dgl. fest ver
spannt wird. An die zweiten Flansche 17 der Scheiben 5, 6 schließt sich jeweils ein
im wesentlichen in Axialrichtung verlaufender Stützabschnitt 18 an, an dem sich die
Querabschnitte 13 der Bolzen 14 abstützen können, wodurch ein Verdrehen der Bol
zen 14 verhindert wird. So wird sichergestellt, daß beim Montieren bzw. Anziehen
der (Schrauben-)Bolzen 14 keine Druckstellen an den hochbelasteten, ersten Schei
ben 4 auftreten.
Zwischen den Flanschen 9, 10 der ersten Scheibe 4 und den Flanschen 17 der bei
den benachbarten Scheiben 5, 6 ist jeweils eine Zwischenstufendichtung 19 mit ih
rem Flanschabschnitt 20 eingespannt und lösbar befestigt. Die Zwischenstufendich
tungen 19 können alternativ auch integral an den Scheiben 5, 6 oder deren Schalen
16 angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt eine ausgeschnittene und gebrochene Querschnittsansicht gemäß Linie
II-II aus Fig. 1, in deren oberem Teilausschnitt der Flansch 9 in einer Draufsicht dar
gestellt ist. Der Flansch 9 ist als Scheibenring ausgebildet, an dessen innerer Stirn
fläche bzw. Umfangskante 21 in Radialrichtung nach innen geöffnete, schlitzartige
Aussparungen 15 vorgesehen sind. In eine Aussparung 15 ist ein (Schrauben-)Bolzen
14 eingesetzt, dessen Querabschnitt 13 gestrichelt dargestellt ist. Nach dem Mon
tieren stützt sich dieser an der inneren Seitenfläche 11 des Flansches 9 ab. Um ein
Verdrehen des (Schrauben-)Bolzens 14 bei der Montage zu verhindern, stützt sich
dessen Querabschnitt 13 zudem an dem Stützabschnitt 18 der Schale 16 der be
nachbarten Scheibe 5 ab. Zwischen den Aussparungen 15 ist jeweils eine Bohrung
22 zur Entlastung vorgesehen, welche den Kerbfaktor infolge der Aussparung 15
herabsetzt. Alternativ können die Bohrungen 22 auch als Langlöcher, weitere Aus
sparungen od. dgl. ausgebildet sein.
In dem unteren Teilausschnitt aus Fig. 2 ist der scheibenringförmig ausgebildete
Flanschabschnitt 20 der Zwischenstufendichtung 19 dargestellt, der Bohrungen 23
aufweist. Die Bohrungen 23 fluchten mit den Aussparungen 15 in den Flanschen
9, 10 der ersten Scheibe 4 ebenso wie entsprechende Bohrungen 24 in den zweiten
Flanschen 17 von den zur ersten Scheibe 4 benachbarten Scheiben 5, 6. Wie in Fig. 2
zu erkennen ist, sind die Bohrungen 23 in dem Flanschabschnitt 20 der Zwischenstu
fendichtung 19 radial nach innen geöffnet, wobei ihr Öffnungsmaß kleiner als ihr
Durchmesser ist, um so eine radiale Fixierung der (Schrauben-)Bolzen 14 bei der
Montage zu gewährleisten. Alternativ können die Bohrungen 23 auch als geschlos
sene Bohrungen ausgebildet sein.
Weist ein Rotor mehr als drei Stufen auf, so wird jede zweite Stufe mit einer wenig
stens einen Flansch 9 bzw. 10 aufweisenden ersten Scheibe 4 versehen.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors, bei
dem der Radius R an dem Übergang zwischen der inneren Seitenfläche 8 der ersten
Scheibe 4 und dem Flansch 10 bzw. dessen innerer Seitenfläche 12 aus Festigkeits
gründen vergrößert ist. Da als Folge der Abstand A zwischen der Seitenfläche 8 der
ersten Scheibe 4 und der inneren Seitenfläche 12 des Flansches 10 größer ist, weist
der (Schrauben-)Bolzen 14 einen Scherungsring oder Bund 25 auf, der auf einer äu
ßeren Seitenfläche 26 des Flansches 10 aufliegt und eine axiale Verschiebung des
(Schrauben-)Bolzens 14 verhindert, damit die Querabschnitte 13 bei der Montage
nicht gegen die erste Scheibe 4 gedrückt werden und ihre Sicherung gegen Verdre
hen verlieren.
Claims (16)
1. Rotor für eine Turbomaschine, mit wenigstens zwei beschaufelten Stufen, deren
Scheiben (4, 5, 6) lösbar miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Scheibe (4) wenigstens an einer Seitenfläche (7, 8) einen ersten
Flansch (9, 10) aufweist, der mit einem zweiten Flansch (17) einer benachbarten
Scheibe (5, 6) durch Bolzen (14) verbunden ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Flansch
(9, 10) mit axialem Abstand (A) zur Seitenfläche (7, 8) der ersten Scheibe (4) radial
nach innen erstreckt.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flansch
(9, 10) als Scheibenring ausgebildet ist, der entlang seiner inneren Umfangskante
(21) Aussparungen (15) aufweist.
4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (15) ra
dial nach innen geöffnet sind.
5. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen
(15) äquidistant angeordnet sind.
6. Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Scheibenring (9, 10) zwischen den Aussparungen (15) jeweils eine Boh
rung oder Aussparung (22) aufweist.
7. Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche, 3 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß der zweite Flansch (17) einer benachbarten Scheibe (5, 6) zu den Ausspa
rungen (15) des ersten Flansches (9, 10) fluchtende Bohrungen (24) aufweist.
8. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Flanschabschnitt (20) einer Zwischenstufendichtung (19)
jeweils zwischen dem ersten und zweiten Flansch (9, 10 bzw. 17) eingeklemmt ist.
9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flanschabschnitt (20)
der Zwischenstufendichtung (19) zu den Aussparungen (15) des ersten Flansches
(9, 10) fluchtende Bohrungen (23) aufweist.
10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (23) die
Bolzen (14) in Radialrichtung fixieren.
11. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bolzen (14) an ihren der ersten Scheibe (4) zugewandten
Enden einen sich rechtwinklig zu ihrer Längsachse erstreckenden Querabschnitt
(13) aufweisen.
12. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bolzen (14) T-Kopfbolzen sind.
13. Rotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A)
des ersten Flansches (9, 10) zur Seitenfläche (7, 8) der ersten Scheibe (4) größer
als die Stärke des Querabschnitts (13) ist.
14. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der zweite Flansch (17) einer benachbarten Scheibe (5, 6) ein
sich im wesentlichen in Axialrichtung erstreckenden Stützabschnitt (18) aufweist.
15. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Bolzen (14) einen Bund (25) aufweist, der sich an eine äu
ßere Seitenfläche (26) des ersten Flansches (9, 10) abstützt.
16. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste Scheibe (4) an beiden Seitenflächen (7, 8) einen er
sten Flansch (9, 10) aufweist.
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