DE2104172A1

DE2104172A1 - Turbinenrotoren und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2104172A1
Application number: DE19712104172
Authority: DE
Inventors: Bernard Louis Cincinnati Ohio Koff (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1971-11-11
Also published as: CA931079A; FR2092349A5; BE762096A; US3688371A; GB1341103A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung einer Rotorkonstruktion und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere um den Erfordernissen einer Gasturbine zu genügen.

Obwohl zwar die Erfindung nicht in jeder Hinsicht darauf beschränkt ist» wird sie durch das dringende Bedürfnis veranlasst, Gasturbinen hoher Leistung und insbesondere mehrstufige Kompressoren und/oder Turbinenläufer, wie sie bei derartigen Maschinen vorliegen, zu entwickeln.

Auf derartigen Läufern sind radial sieb erstreckende Schaufeln kreisförmig in axial beabetandeten Reihen befestigt. In fast all diesen Fällen sind die Schaufeln auf den Läufern mit Hilfe echwalbenschwanzförmiger Schäfte oder ähnlicher Einrichtungen lösbar befestigt·

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In vielen Fällen erfordert es die centrifugal· Beanspruchung der Schaufeln, daß Jede Reihe am Umfang einer Scheibe befestigt ist, um eine genügende Menge Metall zur Verfügung su haben, um den Erfordernissen hinsichtlich der Strukturfestigkeit zu genügen. Bei Läuferkonstruktionen mit leichtem Gewicht sind diese Scheiben durch ringförmige Schalen oder Abstandshalter voneinander getrennt, um sich den Ständerschaufeln anzupassen, die zwischen benachbarten Reihen von Läuferschaufeln ineinandergreifen.

Bezüglich der Konstruktion und des Verfahrens zur Herstellung von Läufern der oben beschriebenen Scheibenart wurden bereits viele Wege eingeschlagen. Die Aufgaben, die derartigen Konstruktionen zugrundeliecen, sind allgemein bekannt. Sie umfassen ein leichtes Gewicht einschließlich einer wirkungsvollen Verwendung von Metallen, um eine hohe Gpannungsbelastung aufzufangen, insbesondere eine ßpannungsbelastung, die sich aus der Zentrifugalkraft ergibt. Eine andere Aufgabe ist eine leichte Herstellbarkeit, die sich in allgemeinen dadurch ergibt, daß die Scheiben und die Abstandskomponentwen verholst oder in anderer Weise miteinander lösbar befestigt sind, ;Die

Lösbarkeit derartiger Läuferkomponenten ist auch für Reparaturarbeiten vorteilhaft. Dadurch jedoch, daß die Läufer zusammen befestigt worden sind und andere Aufgaben gelöst werden, entstanden dadurch Probleme, daß die Läuferkoiaponenten unter gewissen Betriebsbedingungen in radialem oder transversalem Sinne relativ zueinander verutschen können, wodurch die Läufer aus dem Gleichgewicht gelangen. Ein großes Ungleichgewicht kann jedoch ein Versagen der Lager oder der Maschinenstützen zur Folge haben. Durch ein relatives Verrutschen in der geringen Größe von 0,02 ram (0,001 inch) kann sogar ein mittelmäßiges Ungleichgewicht erzeugt werden, das einen Stillstand zur Folge haben kann und Reparaturarbeiten, bevor die Maschine wieder in den Dienst gestellt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher u.a. die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines verbesserten Läufers der Scheibenart und ein Verfahren für seine Herstellung anzugeben, mit dem die - 3 -

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oben aufgeführten Aufgaben erfüllt oder übertroffen werden können und der eine äußerste Sicherheit gegen ein radiales Verschieben der Läuferkomponenten und ein sich hierdurch einstellendes Ungleichgewicht gewährleistet. Eine weitere und ine einzelne gehende Aufgabe der Erfindung besteht darin» eine positive Sicherheit zu gewährleisten, daß sich kein relativer Schlupf sswischen den Komponenten des Eotors, die durch Bolzen zusammengehalten werden, ergibt·

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird diese anhand der Zeich nung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher beschrieben· Hierbei zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung, und zwar teilweise im Schnitt, einer Gasturbine mit einem Läufer gemäß vorliegender Erfindung;

Figur 2 einen Längsschnitt des in Figur 1 vereinfacht dargestellten Kompressorläufers;

Figur 3 ein vergrößertes abgeschnittenes Teil aus Figur 2, wobei ein extremer Zustand veranschaulicht ist;

Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV, wobei weitere Teile weggebrochen sind und

Figur 5 einen Schnitt ähnlich dem nach Figur 3» wobei die Teile in einer auseinandergezogenen Stellung dargestellt sind und ein anderer extremer Zustand veranschaulicht wird.

In Figur 1 ist eine Gasturbine 10 dargestellt, die für den Antrieb von Flugzeugen Verwendung findet. Eine solche Maschine weist einen Axialstromkompressor 12 auf, der Luft komprimiert, um die Verbrennung des Brennstoffes in einer Verbrennungskammer 14 zu fördern und so einen ringförmigen heißen Gasstrom zu erzeugen. Ein Teil der Energie dieses heißen Gasstromes treibt eine Turbine 16 an, die ihrerseits den Kompressor 12 betreibt.

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Der restliche Teil der Energie des heißen Gasstromes wird in eine Schubkraft umgewandelt, indem dieser aus einer Düse 18 austritt.

Die Turbine 16 weist einen läufer 20 auf, der mit dem Kompressorläufer 22 gemäß vorliegender Erfindung mittels einer Welle verbunden ist. Der zusammengesetzt gebildete Maschinenläufer, welcher diese Elemente aufweist, ist in einem Rahmen der Maschine geeignet gelagert, welcher die verschiedensten Formen aufweisen kann, wie an eich bekannt ist.

Die Figur 2 veranschulicht den zusammengesetzten Aufbau des Kompressorläufcrs 22. im Detail-· Dieser Läufer v/eist eine Reihe von Scheiben 26 auf, um deren Umfang Läuferschaufeln 28 befestigt sind, welche die verschiedenen Reihen oder Stufen des Konpressorläufers bilden. Jede Scheibe hat auch einen integralen ringförmigen Abstandshalter 30, der (mit Ausnahme der Scheiben in der 1. und 2. Stufe) durch Bolzen 32 mit der benachbarten stromaufwärtßgclegenen Scheibe 26 verbunden ist. Die Abstandshalter 30 der Scheiben in der ersten und zweiten Stufe sind untereinander und mit dem konischen Teil 34 der hohlförmigen Welle 36 ebenfalls mit Hilfe von Bolzen 32 verbunden. Die Scheibe 26 der letzten Stufe weist ebenfalls einen integralen ,konischen Flansch 38 auf, der mit Hilfe von Bolzen 32 mit dom konischen Teil 40 der Welle 24 verbunden ist. Uin eine größere Stärke und Festigkeit für diese verbolzte Verbindung vorzusehen, ist zwischen dem Flansch 38 und dem konischen Teil 40 eine Scheibe 42 zwischengeschaltet. Die ringförmigen Abstandshalter 30 halten den Abstand zwischen den rotierenden Läuferschaufelreihen aufrecht, so daß die feststehenden Ständerschaufelreihen 44, die von dem ICompressorgehäuse getragen werden, sich dazwischen befinden können. Diese Standerscheufein kehren die Luft in bekannter Weise um, so daß diese einen geeigneten Angriffswinkel für die nächstfolgende Läuferschaufelreihe erhält. Zwischen den Ständerschaufelreihen und den Abstandshaltern 3Ό sind Labyrinthdichtungen 46 vorgesehen.

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Die verbolzte Verbindung zwischen jeder Scheibe 26 und dem benachbarten aufströmseitig befindlichen Scheibenäbstandshalter 30 (wobei wieder die Verbindung zwischen den Scheiben der ersten und zweiten Stufe ausgenommen ist) wird im einzelnen durch die Figuren 3 bis 5 veranschaulicht. Diese Scheiben haben einen vergrößerten Rand 48, um r'.v die Läuferschaufeln 28 einen Schaftaufsatz zu bilden. Ein nach innen gerichteter Flansch 50 erstreckt sich von der Abströineeite des Randes 48 in dichtem Abstand zur Scheibe 26. Der Abstandshalter 30 besitzt an seiner stromaufwärts gelegenen Seite einen nach innen gerichteten Flansch 52. Der Bolzen 32 geht durch die Bohrungen 54 und 56» die sich in den Flanschen 50 bzw. 52 befinden. Auf dem Bolzen 32 ist eine Mutter 55 gesogen, um die Flansche zusaramenzuklemmen und die Borverbindung zu vervollständigen. Vie ersichtlich ist, sind die Flansche 50 und 52 zur Tiefe der Bohrungen hin zwischen den Bolzenbohrungen ausgebogen, um Verluste von Klemnkräften aufgrund des Poissont'sehen Verhältnisses zu vermeiden, wenn die Maschine mit hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten läuft.

Die Bohrungen 54 und 56 sind gleichwinklig geformt, was durch die Bolzenkreise c^ und c_o angedeutet ist, welche zur Achse der Scheibe und zum Läufer konzentrisch verlaufen und Radien r^ bzw· r^ haben. Es darf bemerkt werden, daß aus praktischen Her-Stellungsgründen eine zulässige Abweichung bezüglich der Lage der Achsen der Bohrungen 54 und 56 vom Nennwert des R-diua der Bolzenkreise vorhanden sein muss. Desgleichen gibt es Abweichungen der Bohrungßdurchmesser 54 und 56 und auch der Körperteile 58 (deB Bolzens 32) von ihren Henndurchmessern. Mit anderen Worten geben die angeführten Größen zulässige Maximal- und Minimalwerte an.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Teile aufgrund einer bestimmten Herstellung dieser Komponenten derartig ausgebildet, daß ein sicherer Kontakt zwischen den Körperteilen 58, dem Bolzen 32 und den Bohrungen 54 und 56 hergestellt wird, wodurch verhindert wird, daß der Abstandshalter 30 nach, außen

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im radialen ßinn relativ zur Scheibe 26 verrutscht. Dies wird durch die Figuren 3 und 4 verdeutlicht, in denen öie Größenunterschiede zu Zwepken der Veranschaulichung weit übertrieben dargestellt sind.

In Figur 3 ist dieee Gesicherte Zuordnung dargestellt, wobei die Bohrungen 5^ und 56 die Minimurbedingung erfüllen und mit einem maximal zulässigen Durchmesser hergestellt cind, während das Bolsenlcöi'perteil 58 einen minimal zulässigen Durchmesser besitzt. Damit ergibt sich zwischen dem Körperteil Γ8 und den Bohrungen 54 und 56 ein maximales Gesamtspiel. Die Achse der Bohrung 56 hat von der Scheibe oder der Läuferachse aus gerechnet einen minimal zulässigen Radius r., welcher größer ist als der maximal zulässige Radius r^ der Achse der Bohrung ^rA, ceiechnet von

der Scheiben- oder Läuferachse, wodurch sich ein Δ ^ ergibt, das mindestens gleich dem maximalen radialen Gecamtspiel zwischen dem Bolzenkörperteil 58 und den Bohrungen 54 wa.& 56 ist. Dieser extreme Zustand ist in den Figuren 3 und 4 aufgezeigt und zwar mit einem Nullspiel zwischen dem Bolzenkörper 58 und der äußeren Fläche der Bohrung 54 und zwischen dem Bolzenkörper 58 und der inneren Fläche der Bohrung 56.

In Figur 5 ist das gegenteilige Extrem der zulässigen Dimensionierung dargestellt, das bei der Herstellung dieser Komponenten angewendet wird. Die Durchmesser der Bohrungen 54 und 56 weisen einen zulässigen Maximalwert auf, während das Bolzenkörperteil 58 mit einem vorgegebenen zulässigen Maximalwert hergestellt iet. Der Bolzenkreisradius für die Bohrung 54 hat den vorgegebenen zulässigen Minimalwert r_ol während der Bolzenkreisradius für die Bohrung 56 einen vorgegebenen zulässigen Maximalwert r,. hat. Hierdurch ergibt sich ein maximales Ar.

Indem der Flanch 52 am Ende des langen ringförmigen Abstandshalter 30 verformt wird, kann die radiale IMbiegung beim Zusammenbau der Bolzen 32 vollständig von dem flexiblen sckalenförmigen Abstandshalter 30 rait einer mirusitL-fc.i lieanBpruahung aufgenommen werden. _«

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Gleichzeitig gibt äer Flansch 50, welcher dicht neben der benachbarten Scheibe 26 verläuft, der verbolzten Anordnung einen hohen Grad an Festigkeit. Bei allen anderen Zuständen, die von der Bedingung Ar«= ein Minimum abweichen, erfolgt eine Umbiegung des Abstandshalter« 30, wenn ein Bolzen in die Bohrungen 54· und 56 eingesetzt wird. Dies wird dadurch erleichtert, daß zwischen dem Bolzengewinde und den Körperteil 58 eine Gehrung GO vorgesehen ist. Die Bolzen können mit Hilfe der Muttern 55 in diese zusammengebaute Beziehung gebracht werden·

Aus der vorangehenden Beschreibung wird ersichtlich, daß die verbolzte Verbindung zwischen den benachbarten Scheiben 26 eine positive Sicherung gegen einen relativen radialen oder transversalen Schlupf und demzufolge ein Lauferungleichßevicht, das einer solchen Verbindung anhaftet, Gegeben. Die Minimalbedingung von Δ r gemäß den Figuren 3 und 4 sorgt für einen positiven Ketallkontakt zwischen dem BolzenkÖrper 58 und den Oberflächen der Bohrungen 54- und 56, so daß eine relative nach auswärts gerichtete Verschiebung der Flansche 5? vermieden wird. Dieser Flansch ist an dem relativ flexiblen Abstandshalter 30 hergestellt, während der Flansch 50 sich an dem relativ stabilen Rand 5& befindet. Der Bolzenkörper 53 verhindert daher eine relative radiale Zunahme in der Richtung, in der eine solche unter einer dynamischen Belastung auftreten würde. Die dicht angeordneten Bolzen 52 klemmen auch die Flansche 50 und 52 fest zusammen, so daß eine Rebinungskraft vorhanden ist, die eu Teder Zeit eine radiale Verschiebung in beiden Richtungen verhindert. Es darf bemerkt werden, dafi die Gesamten Bolzenverbindungen in gleicher Weise in den Flansclienpaaren gebildet sind, so daß auch auf der gegenüberliegenden Seite der Läuferachse Bolzen vorhanden sind, um die beschriebene positive Positionierungcwirkung aufrecht zu erhalten.

Die voranstehende Beschreibung basiert auf der Annahme, daß die Achsen öer aufeinruiderpassenden Bohrungen '^r4 und 56 in der gleichen radialen Ebene liegen, d.h. daß sie einen gleichen _Q

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Winkelabstand zwischen benachbarten Bohrungen aufweißen. In Wirklichkeit kann jedoch eine Fehlausiluchtung in diesem Sinne auftreten. Eine derartige Fehlausfluchtung Gewährleistet jedoch nur einen weiteren positiven Poßitionierungskontakt zwischen dem Bolzenkörper 58 und den Oberflächen der Bohrungen. Ferner darf bemerkt werden, daß durch das Auskerben der Flansche eine kreisförmige Flexibilität hergestellt wird, um die Beanspruchungen auf ein Minimum zu bringen und auch den Zusammenbau zu erleichtern, wenn eine derartige Fehlausfluchtung vorkommt.

Die beschriebene Art der Herstellung einer verbolzten Verbindung iet besonders dann wirksam, wenn die mit Bolzen zu verbindenden Läuferkomponenten auf einem Bolzenkreis mit großem Radius liegen, was insbesondere bei den Verbindungen des beschriebenen Läufers zwischen der zweiten Stufenscheibe und der nachfolgenden abströmseitig angeordneten Scheibe der Fall ist. Bei anderen verbolzten Verbindungen Jedoch können diese M.ßnahmen ebenso vorteilhaft angewendet werden.

Weitere Merkmale, auf die besonders hingewiesen werden muss, bestehen darin, daß die Scheiben 26 miteinander verbunden werden, ohne daß irgendeine Bohrung darin vorgenommen wird. Dies bedeutet, daß keine die Spannung ableitende Elemente benötigt werden, die eine größere Scheibemaaese erforderlich machen würden, um die gegebene Belastung aufzunehmen. Dadurch, daß die verbolzten Verbindungen zwischen benachbarten Scheiben dicht neben der Scheibe mit einem mit der Scheibe integral verbundenen Abstandshalter erfolgen, bedeutet, daß nur eine verbolzte ^bindung zwischen jeder Scheibe erforderlich ist und ferner, daß die Zentrifugalbelastung der Bolzverbindung wirksam in den ßcheibenrand geführt werden kann·

Die angegebenen Schritte zur Herstellung der I&uferkomponenten der beschriebenen Art können durch Drehen mittels einer Drehbank, durch Schablonenbchren o&#r durch andere bekannte Herstellungsverfahren erfolgen, um eine verbesserte Lauferkor»j^ruktioi* «it praktisch erreichbaren Toleranzen in wirtschaftlicher Weise herzustellen· ~9~

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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel lässt sich noch in verschiedener Weise abwandeln. So können z.B. anstelle der üblichen beschriebenen Bolzen Ctiftbolzen verwendet werden, um den Zusammenbau zu erleichtern.

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Claims

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Patentansprüche

)Turbinenläufer, bestehend aus mindestens einem Paar zusammengebauter zylindrischer ILonponenten, von denen jede eine Scheibe aufweist, dadurch Gekennzeichnet, daß eine der Komponenten einen integral damit verbundenen ringförmigen Abstandshalter (JO) besitzt, der sich in Richtung der weiteren Scheibe erstreckt und in Form eines radial nach innen gerichteten Flansches (52) endet, während die andere Scheibe einen dazu passenden Flansch (50) aufweist, der sich radial nach innen erstreckt und von der anderen Scheibe (26) geringfügig entfernt ist, daß die Flansche (50,52) einander angepasste Bolzenbohrungen (54·» 56) aufweisen, durch die ein Bolzen (32) hindurch-geführt ist, der die Flansche (50,52) zusammenkleamt und die Bolzen (32) sich gegenüberliegende Körperteilflächen (58) aufweisen, welche mit der inneren und entsprechend äußeren Fläche der Bohrungen in den Flanschen (50,52) in Berührung stehen.
2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bolzenbohrungen in einem Flansch den gleichen Nenndurchmesser aufweisen und von der Achse der Komponente einen maximalen radialen Abstand (r^.) besitzen, während die Bolzenbohrungen in dem anderen Flansch den gleichen Henndurchmesser und einen minimalen radialen Abstand (r_n) von der Achse der anderen Komponente besitzen, derart, daß eine Differenz entsteht, die größer als das maximale Geßamtspiel zwischen den Bolzen und den Bolzenbohrungen ist.
3. Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz ei chnet, daß die Bolzeribohrungen, welche den minimalen radialen Abstand aufweisen, sich in dem Flansch (52) des Abstandshalter befinden.

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4. Verfahren zur Herstellung eines Läufers mit zwei zylindrischen Komponenten, welche durch mehrere Bolzen zusammengehalten werden, wobei jeder Bolzen durch einpjider zugeordnete Bohrungen geführt ist, die in den zwei Komponenten entsprechend vorhanden sind und die Bohrungen zu den Achsen der Komponenten parallel vorlaufen und winkelförmig um diese angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Herstellung von Bolzen mit Körperteilen eines gegebenen minimalen und gegebenen maximalen Durchmessers, Herstellung der Bolzenbohrungen in einer Komponente derart, daß Jede Bohrung einen gegebenen maximalen und einen gegebenen minimalen Durchmesser aufweist und die Achse einer Jeden Bonrung von der Achse der Komponente auf einem Radius liegt, der einen vorgegebenen zulässigen Mininalwert und einen vorgegebenen zulässigen Maxiaalwert aufweist, Herstellung von Bolzenbohrungen in der anderen Komponente derart, daß die Bohrungen in dem einen Läufer einander angepasst sind, wobei $ ede Bohrung in der anderen Komponente einen vorgegebenen minimalen und einen vorgegebenen maximalen Durchmesser besitzt und der Radius von der Achse einer jeden Bolzenbohrung zur Achse der anderen Komponente einen vorgegebenen zulässigen minimalen und einen vorgegebenen maximalen Wert aufweist, wobei der vorgegebene zulässige minimale Radius größer als der vorgegebene zulässige maximale Rdius der zugeordneten BoI-zenbohrung in der einen Komponente ist, und zwar um einen Abstand, der mindestens gleich dem maximalen Spiel zwischen dem Körperteil des Bolzens und der Bohrung in einem Läufer plus dem maximalen Spiel zwischen dem Körperteil des Bolzene und der entsprechend zugeordneten Bohrung in dem anderen Läufer ist und Sicherung der Bolzen in den einander zugeordneten Bohrungen um die zylindrischen Komponenten zu verbinden.
5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Komponenten ein Scheibenpaar aufwaieen, wobei aindestens eine Scheibe einen integral verbundenen ringförmigen Abstandshalter mit einen Flansch _»

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an ihrem freien Ende besitzt und die andere Scheibe einen dazu passend angeordneten Flansch aufweist, der mit dieser integral verbunden ist und von ihr geringfügig entfernt ist und daß in den Flanschen Bolzenbohrungen hergestellt werden und die Bolzen in den einander zugeordneten Bohrungen gesichert und angezogen werden, um die Flansche zusammenj&uklemmen.
6. Verfahren nach Anspruch 5t dadurch g e k e η nz ei ohne t, daß die Bolzenbohrungen auf einem vorgegebenen Bolzenkreieri.dius in dem Flansch einer Komponente und auf einem anderen Bolzenkreisradiuc in dem Flansch der anderen Komponente hergestellt werden, und zwar derart, daß die Bolzenbohrungen mit Gleichwinkligen Abständen um die Flaneche erzeugt werden·
7· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch ßekennz ei ch net, daß die Bolzenbohrunsen in dem dicht beabstandeten Flansch auf einem Bolzenkreisradius hergestellt werden, welcher einen vorgegebenen zulässigen maximalen Radius aufweist und daß die Bolzenbohruncen in dem Abstandshalterflansch auf einem Bolzenkreis hergestellt werden, der einen vorgegebenen minimalen zulässigen Abstand besitzt, welcher mindestens gleich dem naximalen Spiel zwischen den Körperteilen der Bolzen und den Bohrungen in den Flanschen ist, wobei die Bolzenbohrungen mit gleichwinkligen Abständen um die Flansche hergestellt 3ind.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche auf einen Abstand ausgekerb-t werden, der angenähert gleich den tatsächlichen Oberflächen der Bolzenbohrungen entspricht.

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