DE2002465A1

DE2002465A1 - Abstandshalter fuer Turbinenschaufeln

Info

Publication number: DE2002465A1
Application number: DE19702002465
Authority: DE
Inventors: Smuland Robert John
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1970-07-30
Also published as: FR2029000A1; GB1299063A; JPS4836201B1; BE744592A; US3572970A

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung für einen Abstandshalter für Turbinenschaufeln, um ein Schaufelblatt fest in radialer Richtung in einer Aussparung der Rotorscheibe zu halten.

Turbinenschaufeln werden üblicherweise an der Rotorscheibe in einer Aussparung befestigt, die so eingerichtet ist, daß sie die Schaufel bezüglich einer radialen Bewegung verriegelt. Wo die Laufschaufeln groß sind, beispielsweise im Falle von Lu fbkompressoren mit hohem By-pass, werden im allgemeinen ineinander

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verzahnte Laufschaufelhüllen verwendet, um eine übermäßige Durchbiegung der Schaufeln zu verhindern und die Vibration au dämpfen. Um das Herausnehmen und das Wiedereinsetzen einer solchen mit einer Hülle versehenen Laufschaufel aus der zueanonengebauten Rotorscheibe zu fördern, kann es notwendig sein, Jede Aussparung in radialer Richtung zu vergrößern, so daß eine Laufschaufel genügend weit in radialer Richtung bewegt werden kann» um von der benachbarten Laufschaufelhülle freizukommen.

Wo solche in radialer Richtung verlängerten Aussparungen verwendet werden, wird es notwendig, eine Vorrichtung vorzusehen, um Jede Schaufel radial fest in ihrer jeweiligen Aussparung zu halten, um das Auswuchten des Rotors zu fördern und Klopfen und relative Bewegung zwischen aneinander stoßenden Oberflächen der Schaufel und der Scheibe zu verhindern, welche den Verschleiß erhöhen können.

Obwohl zahlreiche Vorrichtungen als Abstandshalter für Laufschaufeln vorgeschlagen wurden, sind solche Vorrichtungen gewöhnlich sehr kompliziert und kostspielig und werden aus einem metallischen Material hergestellt, das im Betrieb ein Pressen erzeugen kann oder während der Installation und der Demontage die Oberfläche der Laufschaufel und der Aussparung beschädigen kann. Weiterhin sind diese bekannten Vorrichtungen oft nur brauchbar in einer Aussparung mit sehr engen Toleranzen, sie geben keine zufriedenstellende positive radiale Halterung für die Laufschaufeln nach längerem Gebrauch und ergeben oft nur eine Unterstützung in einem beschränkten Bereich, was zu einer Konzentration des Verschleißes neigt.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es daher, einen wirtschaftlichen Abstandshalter für Laufschaufeln von Turbomaschinen mit vereinfachter Konstruktion zu liefern, welcher die obigen Probleme überwindet.

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Kurz gesagt liefert die Erfindung einen Abstandshalter in Form eines verlängerten Schaftes aus einem elastischen Material mit geringer Verformung (low-set material), der einen Querschnitt besitzt, der sich an die Form des Hohlraums zwischen der unteren Oberfläche der Laufschaufel und der Aussparung anpaßt. Die ra diale Dicke des Schaftes ist im Übermaß hergestellt relativ zu der radialen Höhe der Aussparung, so daß nach dem Einfügen in die Aussparung eine radial nach außen gerichtete Kraft Regen die untere Oberfläche der Laufschaufelwurzel ausgeübt wird, die aus reichend 1st, um die Laufschaufel so in radialer Richtung in der Aussparung der Rotorscheibe zu verriegeln, daß sie an dieser Aussparung anliegt. Es sind Vorrichtungen vorgesehen, um den Schaft in der Aussparung in eine vorbestimmte Lage zu bringen, sowie Vorrichtungen zur Förderung der Einführung und des Herausnehmens des Schaftes.

Erfindungsgemäß wird ein Abstandhalter zur Verwendung in einer Turbomaschine vorgesehen, die eine rotierende Scheibe mit min destens einer an ihrem Umfantr ausgebildeten Aussparung enthält, wobei in der Aussparung der Wurzelteil einer Laufschaufel mit der Aussparung in Eingriff steht und die Laufschaufel sich im allgemeinen in radialer Richtung von der Scheibe aus erstreckt und die Aussparung und der Wurzelteil so bemessen und ausge bildet sind, daß die Laufschaufel gegen die Zentrifugalkraft so an der Scheibe befestigt 1st, daß sie an der Scheibe anliegt und dabei die untere Oberfläche des Wurzelteils der Laufschaufel einen Abstand'von der unteren Oberfläche der Aussparung bildet, wobei ein freier Raum zwischen diesen beiden gebildet wird. Die Anordnung weist erfindungsgemäß einen Abstandshalter für die Laufschaufel auf, der durch seine Elastizität jede Laufschaufel in die in radialer Richtung verriegelte Stellung drängt. Der Abstandshalter für die Laufschaufel ist dabei gekennzeichnet durch einen verlängerten Schaft aus elastischem Material mit geringer Verformung und mit einer Querschnittsform, die im all gemeinen der Querschnittsform dieses freien Durchlaßkanals ent- splcht. Die radiale Dicke des Schaftes weist dabei ein vorbe- stlmmtes Übermaß bezüglich der radialen Höhe des freien Durch-

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laßweges auf. Dadurch wird eine radial ausgerichtete Kraft gegen die Laufschaufel ausgeübt,.wenn der Schaft in den freien Durchlaßweg eingeführt wird.

Nachstehend wird eine lediglich als beispielhafte Ausführungsform zu betrachtende Form des erfindungsgemäßen Abstandshalters im Zusammenhang mit den Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Teilschnitt einer beispielhaften Kompressorrotorscheibe, welche den erfindungsgemäßen Abstandshalter für die Laufschaufel verwendet.

Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1. Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2.

Fig. H ist eine perspektivische Ansicht des Abstandshalters für die Laufschaufeln entsprechend Fig. 1.

Fig. 5 ist eine Seitenansicht in vergrößertem Maßstab von dem Abstandshalter für Laufschaufeln nach Fig. H.

Fig. 6 ist eine Ansicht längs der Linie 6-6 der Fig. 5.

In der Fig. 1 ist der Kompressorteil eines Turbokompressortriebwerks allgemein mit 10 bezeichnet. Der Kompressorteil umfaßt ein kreisringförmiges Scheibenteil 12, das an seinem Umfang eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufenden Kompressorlaufschaufeln IH trägt. Die Scheibe 12 ist in zweckmäßiger Weise zur Drehung über eine kurze Welle 16 mit einer Welle 15 verbunden.

Wie am besten aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich, ist Jede Laufschaufel lH mit einem Profilteil 18, einem Plattformteil 20, einem Wurzelteil 22 und einem Hüllenteil 2H versehen. Der Hüllenteil besteht aus einem sich am Umfang erstreckenden Sektor 26 mit einer im allgemeinen "S"-förmig oder "Z"-förmiK austrebil-

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deten radialen Kante 28, welche an der angrenzenden radialen Kante 28 des Hüllenteils jeder vorhergehenden und folgenden Laufschaufel anliegt und mit ihr in Eingriff steht.

Die Kompressorscheibe 12 ist an ihrem Umfang mit einer Vielzahl von in Abständen am Umfang angeordneten und sich in einer allgemein axialen Richtung erstreckenden Aussparungen 30 versehen, die jeweils so beschaffen sind, daß sie den Wurzelteil 22 einer Laufschaufel^ axial aufnehmen können. Man erkennt am besten aus Fig. 2, daß die Aussparungen 30 und die Wurzelteile 22 der Laufschaufeln 14 so ausgebildet sind und zusammenwirken, daß sie die Laufschaufel 14 gegen die Zentrifugalkraft verriegeln. Obwohl, die Wurzelteile 22 der Laufschaufeln 14 und die Aussparungen 30 in Schwalbenschwanzform gezeigt werden, können selbstverständlich andere räumliche Ausgestaltungen, wie z. B. eine Tannenbaumform oder ähnliche Formen verwendet werden.

Man wjrd verstehen, daß zum Einbau, zum Ausbau oder zum Auswechseln einer einzelnen Laufschaufel 14 des gezeigten Typs mit ineinandergreifenden Hüllen 24 die Aussparungen 30 in radialer Richtung mit Übermaß hergestellt werden müssen, so daß zwischen der unteren Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel 22 und der unteren Oberfläche 36 der Aussparung 30 ein Durchlaß 32 mit einer radialen Höhe gebildet wird, die größer ist als die radiale Dicke der Laufschaufelabschnitte 26, wenn die Laufschaufel, wie in Fig. 2 gezeigt, in der Stellung für radiale Verriegelung aufliegt. Bei solch einer mit einem Übermaß versehenen Aussparung 30 kann eine einmal eingebaute Laufschaufel 14 bequem aus einer vollständig zusammengebauten Kompressorseheibe 12 herausgenommen werden, indem die Laufschaufel 14 in radialer Richtung so lange nach innen abgesenkt wird, bis aneinander angrenzende Hüllensektoren 26 außer Eingriff gebracht sind, um dann die Laufschaufeln 14 in axialer Richtung aus der Aussparung 30 herauszuschieben. Die ursprüngliche Installation oder der Austausch einer Laufschaufel können leicht durch Umkehrung der obigen Arbeitsschritte erreicht werden.

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Wenn sie einmal in den Aussparungen 30 in der Scheibe eingesetzt sind, können die Laufschaufeln 14 in axialer Richtung gegen Bewegung nach außen und nach innen durch geeignete Nabenteile gesichert werden, indem diese, wie bei 38 und bei 40 angedeutet, in geeigneter Weise an der Scheibe 12 befestigt werden, wie es bei 42 bzw. 44 angegeben ist.

Das erfindungsgemäße Abstandsstück 46 ist vorgesehen, um Jede Laufschaufel4 in ihrer in radialer Richtung verriegelten Lage bezüglich der zugehörigen Aussparung 30 zu erhalten, so daß die Auswuchtung der fertigen Rotorscheibe 12 gefördert wird und während der Drehung des Kompressors ein Pressen oder Verschleiß durch Reibung verhindert wird. Wie am besten aus den Pig. 4, und 6 ersichtlich, 1st der Laufschaufel-Abstandshalter 46 mit einem im allgemeinen kompakten schaftförmigen Teil 48 ausgebildet, der einen Querschnitt besitzt, welcher allgemein an den axialen Querschnitt des Durchlasses 32 angepaßt ist. Der Schaftteil 48 wird mit einem im allgemeinen Zentrum angeordneten Hohlraum 50 ausgebildet (die Funktion dieses Hohlraums wird untenstehend erläutert), welcher vorzugsweise sich nicht durch den gesamten Schaftteil 48 erstreckt.

Die radiale Dicke "X" des Abstandshalter-Schaftteils 48 entsprechend Fig. 5 ist um einen vorgegebenen Betrag größer als die radiale Höhe des Durchlaßweges 32. Wenn daher der Abstandshalter 46 in den Durchlaßweg 32, wie in Fig. 1 gezeigt, eingesetzt wird, wird er zwischen den Oberflächen 34 und 36 der Laufschaufel bzw. der Scheibe radial zusammengepreßt. Dies wirkt dahingehend, daß die Laufschaufel 14 mit einer vorgegebenen Kraft so radial nach außen gedrängt wird, daß sie an ' der Aussparung 30 anliegt. Selbstverständlich ändert sich die Größe des Übermaßes in radialer Richtung in Abhängigkeit vom Gewicht der Laufschaufel 14, der radialen Höhe des Durchlaßweges 32 und der Eigenschaften des Materials, aus dem der Abstandshalber 46 gebildet 1st. Es wurde Jedoch beispielsweise gefunden, daß bei einem Gewicht der Laufschaufel 1Ί von etwa 5 kg (10 lbs) und einer radialen Höhe des DurchlaÄweges 32 von

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etwa |2 mm (0,5 Zoll) ein Übermaß von etwa 2,5 mm (0,1 Zoll) zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Der Abstandshalter 46 wird vorzugsweise als Formteil aus einem elastischen nicht-metallischen Material mit geringer Verformung hergestellt. Beispielsweise wurden mehrere handelsmäßig erhältliche Polyurethanverbindungen zufriedenstellend verwendet. Ein solches Material hat eine maximale Verformung (set) in der Größenordnung von 3 Xi es können jedoch Materialien mit einer etwas höheren maximalen Verformung verwendet werden. Um die Einführung des Abstandsstücks 46 zu fördern, hat das Material vorzugsweise einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Alternativ dazu können die äußeren Oberflächen des Schaftteils 48 geschmiert werden oder mit einem dünnen Film von Material mit niedriger Reibung, wie Polytetrafluoräthylen, versehen werden. Als weiteres Hilfsmittel zur Einführung des Abstandsstücks kann das vordere Ende 52, wie bei 54 gezeigt, verjüngt ausgebildet werden.

Es können positive Anschlagstücke vorgesehen werden, um den Abstandshalter 46 automatisch In der richtigen axialen Stellung in dem Durchlaß 32 anzubringen. Beispielswelse kann das hintere Ende 56 des Schaftes 48 in Form eines Integralen Anschlagflansches 58 ausgebildet werden, der an der Scheibe 12 anliegt.

Nachstehend wird die Verwendung, die Arbeitsweise und Funktion des erfindungegemößen Abstandsstückes für Laufschaufeln beschrieben.

Wenn die Laufschaufel 14, wie In den Flg. 1 und 2 gezeigt, in die Jeweilige Aussparung 30 eingesetzt ist, kann der Abstandshalter 46 bequem dadurch in den Durchlaßweg 32 eingebracht werden, daß ein geeignetes Einführungswerkzeug in den Hohlraum 50 so eingeführt wird, daß es an der Endfläche 60 des Hohlraums anliegt. Die Endfläche 60 des Hohlraums 50 befindet sich vorzugsweise in der Nähe des Schaftendes 52. Wenn daher das Einführungswerkzeug mit einer entsprechenden Kraft gegen den Boden 60 des

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Hohlraums 50 gedrückt wird, treten in dem Schaft 48 Zugkräfte auf, welche eine geringe Verlängerung des Schaftes und eine Verringerung der radialen Dickenabmessung "X" bewirken. Dieser Effekt zusammen mit der Verjüngung 54 und der geringen Reibung der äußeren Oberfläche des Schaftteils 48 ermöglicht es, den Abstandshalter 46 leicht in seinen Durchlaß 32 einzuführen. Durch das Vorhandensein einer Anschlagvorrichtung, wie des Anschlagflanschansatzes 58, stellt sich die richtige axiale Lage des Abstandhalters 46 in dem Durchlaßweg 32 automatisch ein, wenn der Anschlagflansch an der Scheibe 12, wie in Fig. 1 gezeigt, anliegt. Zusätzlich dazu dient der Anschlagflansch 58, wie nachstehend erörtert, als Hilfsmittel bei dem Herausziehen des Abstandshalters 46.

Wenn der Schiebedorn oder das Einführungswerkzeug aus"dem Hohlraum 50 entfernt wird, versucht der Schaftteil 48, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren und verursacht eine radial nach außen gerichtete Kraft auf die untere Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel und preßt dadurch die Laufschaufel in eine radial verriegelte Lage, in der sie an den Wandflächen der Aussparung 30 anliegt·

Durch die Verwendung eines elastischen Materials mit geringer "Verformung und die richtige Auswahl der radialen Dicke I¹X" des Schaftteils 48 kann der Abstandshalter 46 in Durchlaßwegen 32 mit einer großen Schwankung der radialen Höhe verwendet werden, wie man sie im allgemeinen bei Turbokompressortriebwerken mit großem Durchmesser antrifft, und dadurch wird die Notwendigkeit zur Einhaltung enger Toleranzen für die Teile oder für Beilagsstücke beseitigt.

Besonders wenn Titanlegierungen für die Rotorscheibe und/oder die Laufschaufel verwendet werden, ist es bei Turbokompressoren mit großem Durchmesser erwünscht, an den aneinanderliegenden Oberflächen der Laufschaufel und der Aussparung der Rotorscheibe überzüge zur Verhinderung des Fressens bis zu einer Stärke von

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etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) oder sogar darüber hinaus vorzusehen. j Obwohl der erfindungsgemäße Abstandshalter das Fressen oder den Verschleiß solcher überzüge beträchtlich verringert, stellt sich bei längerem Gebrauch trotzdem eine gewisse Abtragung des Materials ein, welche dazu neigt, die radiale Höhe des Durchlaßweges 32 zu vergrößern. Ungeachtet eines solchen Materialverschleißes wird der erfindungsgemäße Abstandshalter 46 für die Laufschaufel aurch richtige Auswahl der radialen Dicke "X" des Schaftteils 48 weiter eine genügend große Kraft gegen die untere Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel ausüben, um die Laufschaufel in radialer Richtung fest verriegelt zu halten, so daß sie fest an ihrer jeweiligen Aussparung 30 anliegt. Dadurch wird der beträchtliche Verschleiß und das Pressen vermieden, welche sonst auftreten würden, wenn beispielsweise die Zentrifugalkraft infolge der Drehung des Kompressorrades nicht ausreichend ist, um die Laufschaufel in radialer Richtung festzuhalten.

Ein tragendes Aneinanderliegen über im wesentlichen der ganzen Umfangsbreite der unteren Oberfläche 34 der Laufschaufel wird dadurch bewerkstelligt, daß der Schaft 48 mit einem axialen Querschnitt ausgebildet wird, der sich im allgemeinen an den axialen Querschnitt des Durchlaßweges 32 anpaßt, wie in Fig. 2 gezeigt. Dadurch wird eine Pendelbewegung der Laufschaufel erschwert.

Das Abstandsstück 46 und damit die Laufschaufeln 14 können dadurch herausgenommen werden, daß ein Zug auf den Anschlagflansch 58 ausgeübt wird und in einigen Fällen eine Zugkraft auf den Schaftteil 48 mit dem Einführungswerkzeug. Wenn der Abstandshalter auf diese Weise entfernt wurde, kann die Laufschaufel 14 in radialer Richtung soweit nach innen abgesenkt werden, daß ihre Hüllenabschnitte 26 von den benachbarten Hüllenabschnitten freikommen und die Laufschaufel kann dann in axialer Richtung aus der Aussparung herausgenommen werden.

Die Ausbildung von Kratzern oder Riefen in der Rotorscheibe oder dem Laufschaufelwurzelteil, welche die Lebensdauer jedes

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der Teile ernsthaft beeinträchtigen könnte, tritt während der Einführung oder des Herausnehmens des Abstandshalters 46 nicht auf, da der Schaft aus einem elastischen nicht-metallischen Material ausgebildet ist. Zusätzlich dazu wird hierdurch irgendein Verschleiß infolge einer geringfügigen relativen Bewegung zwischen dem Abstandsstück und der Laufschaufel oder der Rotorscheibe beträchtlich verringert.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Abstandshalter für Laufschaufeln ein relativ einfaches und wirtschaftliches Mittel liefert, um eine Laufschaufel einer Turbomaschine fest in radialer Richtung in der Aussparung in der Rotorscheibe zu halten, so daß ein Fressen und ein Verschleiß verringert werden, sotrar wenn die Aussparung große Toleranzabweichungen aufweist oder sich nach längerem Gebrauch vergrößert.

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Claims

Ansprüche

ί 1.JLaufechaufel-Abstandshalter zur Verwendung In Turbomaschinen, welche eine sich drehende Scheibe mit mindestens einer an ihrem Umfang ausgebildeten Aussparung und eine Laufschaufel mit einem in die Aussparung eingreifenden Wurzelteil enthalten, welche sich in im allgemeinen radialer Richtung von der Scheibe aus erstreckt, wobei die Aussparung und der Wurzelteil solche Abmessungen und eine solche Form aufweisen, daß sie die an der Scheibe anliegende Laufschaufel in radialer Richtung gegen die Zentrifugalkraft an der Scheibe festhalten, wobei die untere Oberfläche des Wurzelteils einen Abstand von der unteren Oberfläche der Aussparung aufweist und dadurch ein Durchlaßwep; zwischen diesen beiden Flächen gebildet wird, wobei der Abstandshalter dazu dient, die Laufschaufel in die in radialer Richtung verriegelte Lage zu drücken, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufechaufel-Abstandshalter (46) einen verlängerten Schaft (48) aus elastischem Material mit geringer Verformung (low-set) enthält und einen Querschnitt besitzt, der eich im allgemeinen an den Querschnitt des Durchlaßweges (32) anpaßt, und die radiale Dicke (X) des Schaftes (-48) um ein vorgegebenes Maß größer ist als die radiale Höhe des Durchlaßweges (32), wodurch gegen die Laufschaufel (I¹O eine radial nach außen gerichtete Kraft ausgeübt wird, wenn der Schaft (48) in den Durchlaßweg (32) eingeführt wird.

2. Laufschaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaft (48) mit einem in axialer Richtung verlaufenden, an einem Ende des Schaftes offenen Hohlraum (50) ausgebildet ist, wobei dieser Hohlraum (50) in einer Stellung (60) in geringem Abstand vom anderen Ende des Schaftes (48) endet, wodurch der Schaft (48) leicht dadurch in den Durchlaßweg (32) eingeführt werden kann, daß auf die Endwand (60) des Hohlraums (50) eine axial gerichtete Kraft ausgeübt wird.

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.3· Laufechaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ende (52) des Schaftee (48) eine Verjüngung (54) aufweist, um das Einführen des Schaftes in den Durchlaßweg (32) zu fördern.

4. Laufschaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Anschlagvorrichtung (58) zur Einstellung der axialen Lage des Schaftes (48) in dem Durchlaßweg (32) aufweist.

5. Laufechaufel-Abetandshalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlagvorrichtung (58) einen Anschlagflansch umfaßt, der so beschaffen ist, daß er an der Scheibe (12) anliegt und einen integralen Beetandteil des Schaftes (48)"an einem Ende (56) bildet.

6. Laufechaufel-Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er die in der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten Merkmale enthalt.

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