DE19925774A1

DE19925774A1 - Axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen

Info

Publication number: DE19925774A1
Application number: DE1999125774
Authority: DE
Inventors: Christian Genet
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1999-06-05
Filing date: 1999-06-05
Publication date: 2000-12-07

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige axiale Sicherungseinrichtung für die Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen zu schaffen. Dazu ist im Schaufelfuß (3) der Laufschaufeln (1) zumindest eine lediglich zum Radialspalt (7) der den Schaufelfuß (3) aufnehmenden Axialnut (6) des Schaufelträgers (2) offene Ausnehmung (9, 9'') ausgebildet, in welche die am Schaufelfuß (3) anliegenden, radial ausgerichteten Abschnitte (14, 14', 14'') der Sicherungseinrichtung (8) eingreifen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Sowohl Axialturbinen als auch Axialverdichter besitzen zur rotationssicheren Ver bindung ihrer Laufschaufeln mit dem sie aufnehmenden Schaufelträger häufig so genannte Tannenbaumfüsse, aber auch Schaufelfüsse mit anderweitig ausgebil deten Befestigungswülsten. Der Schaufelträger weist entsprechend ausgeformte Axialnuten auf. Zur axialen Sicherung der Laufschaufeln existiert eine grosse Pa lette unterschiedlichster Sicherungselemente, die jeweils im Bereich der Schaufel füsse angeordnet werden.

Aus der DE-PS 9 25 026 ist ein einstückiges Sicherungsblech bekannt, welches aus einem Mittelteil und zwei Seitenteilen besteht. Die Länge des Mittelteils ent spricht zumindest der axialen Erstreckung des Schaufelfusses. Bei der Schaufel montage wird das Sicherungsblech zunächst auf den Schaufelfuss geschoben und gemeinsam mit diesem in die Axialnut des Schaufelträgers eingeführt. Dazu ver bleibt zwischen dem Schaufelfuss und dem Boden der jeweiligen Axialnut ein dün ner Radialspalt, dessen Querschnitt vom Mittelteil des Sicherungsbleches ausge füllt wird. Im montierten Zustand liegt jedes Seitenteil des Sicherungsbleches so wohl an einer Stirnfläche des Schaufelfusses als auch an einer Stirnfläche des Schaufelträgers an. Dabei besitzt der Schaufelfuss auf seiner in Strömungsrich tung des Arbeitsmediums hinteren Seite eine Ausnehmung, welche den an dieser Stirnfläche des Schaufelfusses anliegenden Teil des Seitenteils des Sicherungs bleches aufnimmt.

Eine axial spielfreie Positionierung der Laufschaufel in der entsprechenden Axial nut wird dadurch erreicht, dass die Seitenteile des Sicherungsbleches beidseitig eine gleichmässige Belastung auf die Stirnseite des Schaufelfusses und auf die Stirnseite des Schaufelträgers ausüben. Um jedoch ein gleichmässiges Anliegen der Seitenteile des Sicherungsbleches sowohl am Schaufelfuss als auch am Schaufelträger zu erzielen, müssen der Schaufelträger und der Schaufelfuss bei dieser Lösung zumindest im Befestigungsbereich der Laufschaufel gleich gross ausgebildet werden. Das erfordert eine genaue und damit kostenaufwendige Fer tigung.

Damit die oben beschriebene, gleichmässige Anlage der Seitenteile des Siche rungsbleches an den Stirnseiten des Schaufelfusses und denen des Schaufel trägers realisiert werden kann, macht sich auch eine genaue Fertigung des Siche rungsbleches und insbesondere seines Mittelteils erforderlich. Dabei liegt die zulässige Toleranz zwischen der Breite des Schaufelfusses und der Länge des Mittelteils im Hundertstelmillimeter-Bereich, woraus auch relativ hohe Fertigungs kosten für das Sicherungsblech resultieren. Ausserdem wird aufgrund dieses ge ringen Toleranzbereichs für jede Schaufelstellung ein anderes Sicherungsblech benötigt, so dass der Aufwand für Montage und Lagerhaltung bei einem mehrstufi gen Rotor deutlich zunimmt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zu grunde, eine einfache und kostengünstige axiale Sicherungseinrichtung für die Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen zu schaffen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, im Schaufelfuss der Laufschaufeln zumindest eine lediglich zum Radialspalt der den Schaufelfuss aufnehmenden Axialnut des Schaufelträgers offene Ausnehmung ausgebildet ist. In diese zumindest eine Aus nehmung greifen die am Schaufelfuss anliegenden, radial ausgerichteten Ab schnitte der axialen Sicherungseinrichtung ein.

Weil die am Schaufelfuss der Laufschaufel anliegenden, radial ausgerichteten Ab schnitte der Sicherungseinrichtung nicht aussen, sondern in der zumindest einen Ausnehmung des Schaufelfusses an letzterem anliegen, werden die Stirnseiten des Schaufelfusses nicht zur Axialsicherung der Laufschaufel genutzt. Bei weiter hin gewährleisteter, axial spielfreie Positionierung der Laufschaufel in der entspre chenden Axialnut kann somit die Breite des Schaufelfusses von der Breite des Schaufelträgers abweichen. Diese mögliche Abweichung erlaubt eine wesentlich kostengünstigere Fertigung der Laufschaufel und insbesondere des Schaufelfus ses sowie eine einfachere Montage in der Axialnut des Schaufelträgers. Ebenso ist die Länge des Mittelteils der Sicherungseinrichtung nicht mehr von der Breite des Schaufelfusses abhängig, so dass auch hierbei eine einfachere Fertigung, verbunden mit geringeren Kosten, möglich wird.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Längsachse der zumindest einen Aus nehmung rechtwinklig zur Längsachse der zugehörigen Axialnut angeordnet ist. Unabhängig davon, ob eine einstückige oder eine aus zwei Sicherungselementen bestehende Sicherungseinrichtung Verwendung findet, kann letztere somit sym metrisch ausgebildet werden, was deren Einbau deutlich erleichtert.

Aus Sicht des Bearbeitungsaufwandes ist es vorteilhaft, im Schaufelfuss nur eine einzige Ausnehmung auszubilden und diese zentral anzuordnen. Dabei weist die Sicherungseinrichtung zwei Sicherungselemente auf. Jedes Sicherungselement besteht aus zwei radial ausgerichteten Abschnitten und einem diese verbindenden Mittelteil. Der äussere, radiale Abschnitt jedes Sicherungselementes liegt am Schaufelträger an, während der innere, radiale Abschnitt in die zentrale Ausneh mung eingreift. Solche Sicherungselemente können einfach und damit kosten günstig gefertigt werden.

Alternativ dazu kann die Sicherungseinrichtung auch einstückig ausgebildet sein und aus zwei am Schaufelträger anliegenden Seitenteilen sowie einem diese ver bindenden Mittelteil bestehen. Dabei weist das Mittelteil eine in die Ausnehmung des Schaufelfusses hineinragende Ausstülpung auf, welche aus zwei radial aus gerichteten Abschnitten und einem Verbindungsabschnitt besteht. Bei dieser Lö sung kann die einstückige Sicherungseinrichtung vorteilhaft in der Ausnehmung des Schaufelfusses vormontiert und anschliessend die Laufschaufel eingeschoben werden. Dadurch wird eine Montagevereinfachung erreicht. Zudem kann pro Lauf schaufel ein Bauteil eingespart werden.

Schliesslich sind im Schaufelfuss vorteilhaft zwei Ausnehmungen ausgebildet und jeweils bei etwa einem Viertel der Breite des Schaufelfusses angeordnet. Die Si cherungseinrichtung weist zwei Sicherungselemente auf. Jedes Sicherungs element besteht aus einem Mittelteil sowie zwei radial ausgerichteten Abschnitten. Der äussere, radiale Abschnitt jedes Sicherungselementes liegt am Schaufelträger an, während der innere, radiale Abschnitt in eine der beiden Ausnehmungen ein greift.

Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Sicherungseinrichtung, bestehend aus zwei gleich grossen Sicherungselementen. Weil der zulässige Toleranz bereich bei der Länge dieser Sicherungselemente nunmehr nur noch von der möglichen Länge deren an den Stirnseiten des Schaufelträgers anliegenden radia len Abschnitte abhängt und damit im Zehntelmillimeter-Bereich liegt, können für al le Schaufelstellungen analoge Sicherungselemente verwendet werden. Zudem ist der Einsatz von kleineren Sicherungselementen möglich, was eine Materialeinspa rung zur Folge hat.

Besonders vorteilhaft erweist sich eine solche Axialsicherung für die mit grossen Axialkräften beaufschlagten Laufschaufeln der Axialturbine eines Turboladers.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Befestigung einer Laufschaufel der Axialturbine eines Turboladers dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch den Schaufelträger und eine auf dieser be festigte Laufschaufel;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Schaufelfuss und den Schaufelträger, entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer zur Fig. 1 alternativen Sicherungseinrichtung, ebenfalls in eingebautem Zustand, jedoch in vergrösserter Darstellung;

Fig. 4 eine Darstellung gemäss Fig. 1, jedoch in einem zweiten Ausführungs beispiel;

Fig. 5 eine Darstellung gemäss Fig. 4, jedoch mit einem anderen Schaufel fuss;

Fig. 6 einen Seitenansicht der Sicherungseinrichtung gemäss Fig. 4, ebenfalls in eingebautem Zustand und in gleichem Massstab wie in Fig. 3 darge stellt.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Turbinengehäuse, der Lagerbereich und die gesamte Verdichterseite. Die Strömungsrichtung des Ar beitsfluides ist mittels eines Pfeiles dargestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Laufschaufel 1 einer Schaufelreihe der nicht weiter dargestellten Axialturbine. Dabei sind alle Laufschaufeln 1 der Schau felreihe mit einem als Rotorscheibe ausgebildeten Schaufelträger 2 verbunden. Jede Laufschaufel 1 besteht aus einem Schaufelfuss 3 einer Pattform 4 und einem Schaufelblatt 5. Die Schaufelfüsse 3 sind in entsprechend ausgeformten Axial nuten 6 des Schaufelträgers 2 befestigt (Fig. 2). Dabei ist die radiale Länge der Axialnuten 6 grösser als die der Schaufelfüsse 3, so dass am Boden jeder Axialnut 6 ein Radialspalt 7 frei bleibt. Im Radialspalt 7 ist eine Sicherungseinrichtung 8 an geordnet, welche den Schaufelfuss 3 gegen axiale Verschiebungen absichert. Im Schaufelfuss 3 der Laufschaufeln 1 ist eine lediglich zum Radialspalt 7 der Axial nut 6 offene, zentral angeordnete Ausnehmung 9 ausgebildet. Sowohl die Axial nuten 6 des Schaufelträgers 2 als auch die Ausnehmungen 9 weisen jeweils eine Längsachse 10, 11 auf, wobei die Längsachse 11 der Ausnehmung 9 rechtwinklig zur Längsachse 10 der zugehörigen Axialnut 6 angeordnet ist.

Die Sicherungseinrichtung 8 besteht aus zwei als Sicherungsbleche ausgebildeten Sicherungselementen 12. Jedes Sicherungselement 12 besteht seinerseits aus zwei radial ausgerichteten Abschnitten 13, 14 und einem diese verbindenden Mit telteil 15. In montiertem Zustand liegt der äussere, radiale Abschnitt 13 jedes Si cherungselementes an einer der Seitenflächen 16, 17 - d. h. gaseintrittseitig oder gasaustrittseitig - des Schaufelträgers 2 an, während der innere, radiale Abschnitt 14 in die zentrale Ausnehmung 9 eingreift (Fig. 1). Lediglich dieser innere, radiale Abschnitt 14 der Sicherungselemente 12 ist für Montagezwecke vorgefertigt, wäh rend das andere Ende der Sicherungselemente 12 zunächst nicht abgekröpft ist.

Bei der Montage der Laufschaufeln 1 in den Schaufelträger 2 werden die Siche rungselemente 12 mit ihren inneren, radialen Abschnitten 14 in die zentrale Aus nehmung 9 so weit eingeführt, bis die Oberseite der Mittelteile 15 am Schaufelfuss 3 anliegen. Erst danach erfolgt das Einsetzen der Laufschaufeln 1 in die jeweilige Axialnut 6, so dass die Mittelteile 15 vom Radialspalt 7 aufgenommen werden. Abschliessend wird der den Schaufelträger 2 überragende Abschnitt 13 jedes Sicherungselementes 12 so weit umgebogen, bis er an der entsprechenden Seitenfläche 16, 17 des Schaufelträgers 2 anliegt. Aufgrund der rechtwinkligen An ordnung der Längsachsen 10, 11 von Axialnut 6 und Ausnehmung 9 entsteht ein symmetrischer Eingriff in die Ausnehmung 9. Dadurch können zwei gleiche Siche rungselemente 12 verwendet werden, was die Montage deutlich vereinfacht.

Die für eine axial spielfreie Positionierung der Laufschaufeln 1 in der jeweiligen Axialnut 6 erforderliche gleichmässige Belastung erfolgt nunmehr an den Seiten wänden 18 der Ausnehmung 9, so dass die Stirnseiten 19 des Schaufelfusses 3 nicht zur Axialsicherung der Laufschaufeln 1 genutzt werden und demzufolge frei bleiben. Somit kann die Breite des Schaufelfusses 3 von der Breite des Schaufel trägers 2 abweichen, was eine wesentlich kostengünstigere Fertigung sowie Mon tage erlaubt. Weil zudem die äusseren Abschnitte 13 der Sicherungselemente 12 lediglich in Richtung der nicht dargestellten Achse des Schaufelträgers 2 umgebo gen werden, ist auch die bei der Montage der Laufschaufeln 1 auf die Unterkante des Schaufelfusses einwirkende Belastung relativ gering. Damit ist eine einfache und trotz hoher axialer Beanspruchung durch das Arbeitsfluid 20 der Axialturbine dauerhaft sichere Befestigung der Laufschaufeln 1 in axialer Richtung realisiert.

Alternativ zur aus zwei Sicherungselementen 12 ausgebildeten Sicherungseinrich tung 8 kann natürlich auch ein einziges Sicherungselement 12' Verwendung fin den. Dieses besteht aus einem Mittelteil 15' sowie zwei im eingebauten Zustand radial ausgerichteten, als Seitenteile ausgebildeten Abschnitten 13'. Zudem weist das Mittelteil 15' eine Ausstülpung 21 auf, welche in eine nicht dargestellte, jedoch analog zur Fig. 1 ausgebildete Ausnehmung des Schaufelfusses 3 hineinragt. Da bei wird die Ausstülpung 21 von zwei ebenfalls radial ausgerichteten Abschnitten 14' und einem Verbindungsabschnitt 22 gebildet (Fig. 3).

Weil diese Sicherungseinrichtung 8 lediglich aus einem einzigen Sicherungsele ment 12' besteht, ist eine etwas vereinfachte Montage möglich, welche jedoch im wesentlichen analog wie bei der bereits oben beschriebenen Variante verläuft.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind im Schaufelfuss 3 zwei Ausnehmun gen 9" ausgebildet und jeweils bei etwa einem Viertel der Breite des Schaufel fusses 3 angeordnet. Die Sicherungseinrichtung 8 weist zwei Sicherungselemente 12" auf. Jedes Sicherungselement 12" besteht aus einem Mittelteil 15" und zwei radial ausgerichteten Abschnitten 13", 14", wobei der äussere, radiale Abschnitt 13" jedes Sicherungselementes 12" am Schaufelträger 2 anliegt und der innere, radiale Abschnitt 14' in eine der beiden Ausnehmungen 9" eingreift (Fig. 4).

Wie bereits bei der aus zwei Sicherungselementen 12 bestehenden Sicherungs einrichtung 8 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, bleiben auch hierbei die Stirnseiten 19 des Schaufelfusses 3 frei, so dass die Breite des Schaufel fusses 3 vorteilhaft von der Breite des Schaufelträgers 2 abweichen kann. Eine solche Variante mit unterschiedlicher Breite von Schaufelfuss 3 und Schaufel träger 2 ist in Fig. 5 dargestellt.

Bei diesen Lösungen kann die Sicherungsfunktion mit einem sehr geringen Ma terialeinsatz realisiert werden, da die beiden Sicherungselemente 12" deutlich klei ner als die bisher im Stand der Technik verwendeten einstückigen Sicherungs einrichtungen sind (Fig. 6). Die Montage der Laufschaufeln 1 und dieser Siche rungselemente 12" erfolgt im wesentlichen wie bereits zuvor beschrieben.

Bezugszeichenliste

1

Laufschaufel

2

Schaufelträger, Rotorscheibe

3

Schaufelfuss

4

Pattform

5

Schaufelblatt

6

Axialnut

7

Radialspalt

8

Sicherungseinrichtung

9

Ausnehmung

10

Längsachse, von

6

11

Längsachse, von

9

12

Sicherungselement, Sicherungsblech

13

Abschnitt, äusserer

14

Abschnitt, innerer

15

Mittelteil

16

Seitenfläche, gasaustrittseitig

17

Seitenfläche, gaseintrittseitig

18

Seitenwand, von

9

19

Stirnseite, von

3

20

Arbeitsfluid

21

Ausstülpung

22

Verbindungsabschnitt

12

' Sicherungselement

13

' Abschnitt

14

' Abschnitt

15

' Mittelteil

9

" Ausnehmung

12

" Sicherungselement

13

" Abschnitt

14

" Abschnitt

15

" Mittelteil

Claims

1. Axiale Sicherungseinrichtung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbo maschinen, bei denen die Laufschaufeln (1) mittels eines Schaufelfusses (3) in Axialnuten (6) eines Schaufelträgers (2) festgelegt sind und die Axial nuten (6) einen Radialspalt (7) zur Aufnahme der Sicherungseinrichtung (8) aufweisen, wobei die Sicherungseinrichtung (8) mittels radial ausgerichteter Abschnitte (13, 14, 13', 14', 13", 14") sowohl am Schaufelfuss (3) als auch am Schaufelträger (2) die jeweilige Laufschaufel (1) axial sichernd anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaufelfuss (3) zumindest eine lediglich zum Radialspalt (7) der Axialnut (6) offene Ausnehmung (9, 9") ausgebildet ist, in welche die am Schaufelfuss (3) anliegenden, radial ausrichteten Ab schnitte (14, 14', 14") der Sicherungseinrichtung (8) eingreifen.

2. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je de Axialnut (6) des Schaufelträgers (2) eine Längsachse (10) und die zu mindest eine Ausnehmung (9, 9") jedes Schaufelfusses (3) ebenfalls eine Längsachse (11) aufweisen, wobei die Längsachse (11) der Ausnehmung (9, 9") rechtwinklig zur Längsachse (10) der zugehörigen Axialnut (6) ange ordnet ist.

3. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaufelfuss (3) eine einzige Ausnehmung (9) ausgebildet und zentral angeordnet ist.

4. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (8) zwei Sicherungselemente (12, 12") aufweist und jedes Sicherungselement (12, 12") aus zwei radial ausgerichteten Abschnit ten (13, 14, 13", 14") und einem diese verbindenden Mittelteil (15, 15") be steht, wobei der äussere, radiale Abschnitt (13, 13") jedes Sicherungs elementes (12, 12") am Schaufelträger (2) anliegt und der innere, radiale Abschnitt (14, 14") in die zentrale Ausnehmung (9, 9") eingreift.

5. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungseinrichtung (8) ein einziges Sicherungselement (12') aufweist, welches aus einem Mittelteil (15') sowie zwei am Schaufelträger (2) anlie genden, radial ausgerichteten Abschnitten (13') besteht, wobei das Mittelteil (15') eine in die Ausnehmung des Schaufelfusses (3) hineinragende Aus stülpung (21) aufweist, die aus zwei weiteren radial ausgerichteten Ab schnitten (14') und einem Verbindungsabschnitt (22) besteht.

6. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaufelfuss (3) zwei Ausnehmungen (9") ausgebildet sind, dass die Sicherungseinrichtung (8) zwei Sicherungselemente (12") aufweist und jedes Sicherungselement (12") aus einem Mittelteil (15") und zwei radial ausgerichteten Abschnitten (13", 14") besteht, wobei der äussere, radiale Abschnitt (13") jedes Sicherungselementes (12") am Schaufelträger (2) anliegt und der innere, radiale Abschnitt (14") jedes Sicherungselementes (12") in eine der beiden Ausnehmungen (9") eingreift.

7. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (9") jeweils bei etwa einem Viertel der Breite des Schaufel fusses (3) angeordnet sind.

8. Sicherungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die axial durchströmte Turbomaschine eine Axialturbine ei nes Turboladers ist.