DE2201383A1

DE2201383A1 - Laufschaufelbefestigung

Info

Publication number: DE2201383A1
Application number: DE19722201383
Authority: DE
Inventors: Klassen David Dubble
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1972-01-13
Publication date: 1972-10-26
Also published as: US3689177A; CA941746A; IT946577B; FR2135943A5; GB1369513A; BE778125A

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelbefestigung zur Verwendung in einer Maschine mit Axialströmung und Stator- und Rotorelementen und insbesondere eine Struktur zur Festlegung der Laufschaufel gegenüber axialer Bewegung unter hoher Zentrifugallast bei Kompressoren mit Axialströmung.

Bei Kompressoren oder Verdichtern mit Axialströmung werden die Laufschaufeln gewöhnlich dadurch befestigt, daß Wurzelteile der Laufs chaufel in Schwalbenschwanznuten am Umfang der Rotorelemente eingesetzt werden, die entweder in Umfangsrichtung oder axial verlaufen. Es ist an sich bekannt, die Laufschaufeln in den vorderen Stufen eines Verdichters mit Hilfe von axial verlaufenden Schwalbenschwanznuten zu befestigen und die kleineren Laufschaufeln in den rückwärtigen Stufen mit Hilfe von am Umkreis verlaufenden Sehwalbenschwanznuten festzulegen. Der

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Grund hierfür besteht einfach darin, daß die am Umfang verlaufenden Schwalbenschwanznuten infolge der inhärenten Belastungsgrenzen nicht so gut geeignet sind zur Festlegung oder Befestigung der größeren und schwereren Laufschaufeln der vorderen Stufe un-, ter großer Zentrifugallast wie die axial verlaufenden Schwalbenschwanznuten.

Durch die Verwendung von axial verlaufenden Schwalbenschwanznuten ergeben sich jedoch Probleme. Es ist äußerst schwierig, die Wurzelteile der Laufschaufel bezüglicn einer Axialbewegung festzulegen oder sie in dieser Bewegung zu behindern, besonders bei hoher Zentrifugallast. Jede Änderung der axialen Lage der Laufschaufel ändert jedoch die Auswuchtung (balance) des Rotors und führt damit zu ernsthaften Vibrationsschäden. Bei den heutigen Triebwerken mit hoher Drehzahl wird das Problem noch in äußerstem Maße verstärkt, da hier die Auswuchtung oder das Gleichgewicht des Rotors noch viel kritischer ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Einrichtung zur Behinderung der axialen Bewegung von Laufschaufeln re.l'jiv zu einer Rov.orachse zu schaffen, welche auch bei hoher entrifugallast der laufschaufel und des Rotors wirksam ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine neue Einrichtung zu schaffen, um den LaufschaufeIelementen des Rotors eine axial festlegende oder behindernde Kraft zu vermitteln, wobei diese Kraft direkt proportional zu der Zentrifugallast ausgeübt wird, die an dem Rotor und den LaufschaufeIelementen vorhanden ist.

Die Befestigungsstruktur für die Laufschaufeln eines Verdichters mit Axialströmung, enthält Rotorelemente und Statorelemente. Ein erstes Rotorelement besitzt axial gegenüberliegende Flächen zusammen mit einer Vielzahl von am Ende offenen, allgemein radial verlaufenden Nuten, die sich von einer Fläche zur anderen eratrekken. Jede Nut besitzt ein paar Seitenwände, die unterschnitten sind, um nach innen gerichtete Auflage flächen zu erhalten. Ein zweites Rotorteil ist in einem axialen Abstand zum era ton. iotor-

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teil angeordnet und entnült einen axial verlaufenden Umkreisflansch. Die Cpitze des Flansches befindet sich mit einem engen Abstand gegenüber den Hüten des ersten Rotors und ist axial unterschnitten, um eine noch innen gerichtete Oberfläche zu schaffen.

Ein Keilring besitzt eine äußere ringförnige Oberfläche, die axia] überschnitten ist, um eine nach außen gerichtete Oberfläche zu schaffen, welcne an der nach inne>n gerichteten Oberfläche des Flansches anliegt. Unter Zentrifugallast dehnt sich der Keilring an. Umfang aus und die überschnittene Oberfläche gleitet über die unters chnittene Oberfläche, und zwar sowohl in radial nach außen gerichteter und in axialer Richtung, und bewirkt dadurch sowohl eine radiale als auch eine axiale Verschiebung des Keilrings. In die Nuten ist eine Vielzahl von Laufschaufeln mit Wurzelteilen eingefügt oder eingesetzt, se daß dio nach vorn eingefügte Fläche jedes V.'urzelteils an dem Keilring anliegt. Jede Wurzel besitzt einen verdickten Teil, um nach außen verlaufende Schultern oder Absätze zu scnaffen, welche an den nach innen verlaufenden Scnultern der Nuten anliegen und dadurcn unter Zentrifugallast die Laufscnaufeln in radialer Richtung halten oder festlegen. Nach dei.·. Einfügen der Lauf schaufelwurzel behindern Verriegelungseinrichtungen die Zurückziehung der anderen Fläche jedes Wurzelteils, so daß unter Zentrifugalbelastung die axiale Translationsbewegunr des Keilrings gegen die anliegende Wurzelfläche gerichtet ist und ir.it der Verriegelungseinrichtung zusammenwirkt und die axiale Bewegung der Laufschaufeln noch stärker verhindert. Der Keilring ergibt dabei den zusätzlichen Vorteil, daß er als äußerst wirksame Luftabdicntunc zwischen Rotorelementen dient.

Ein besseres Verständnis der vorstehend allgemein beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Zusammennang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist ein Teilschnitt eines Verdichters mit Axialströmung.

Figur 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 der Figur 1.

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Figur 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 der Figur 1.

Die Figur 1 zeigt einen Teilschnitt von zwei Zwischenstufen eines Verdicnters mit Axialströmung, welcher geeignet ist für die Verwendung in einem Gasturbinenwerk. Die beiden Zwischenstufen des Verdichters mit Axialströmung sind allgemein mit der Bezugsziffer IO bezeichnet. Der Axialstromverdichter enthält ein ringförmigesvGenSuse 20. Eine Rotoranordnung ist allgemein mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet und enthält ein erstes und zweites scheibenförmiges Rotorelement 12 und Ik, welche drehbar um eine mittlere Achse 15 angeordnet sind.

Die Rotorscheibe 12 besitzt gegenüberligende Flächen 13 und 17 und eine Vielzahl von Nuten l6 mit gleichförmigem Schwalbenschwanzquerschnitt und offenen Enden an ihrer Peripherie zur Aufnahme und Festlegung der Laufschaufeln 2*1. Die Muten l6 erstrocken sich von der Fläche 13 zur Fläche 17 der Rotorscheibe 12. Jede Mut l6 besitzt Seitenwände 21 gem. Figur 2, welche zur Schaffung von nach innen gerichteten Auflage flächen l8 an den Seitenwänden 21 unterschnitten sind.

Jede der Laufscnaufeln 2k besitzt einen Plattformteil 29 und einen Wurzelteil 26, der an dem inneren radialen Ende verdickt ist, um nach außen verlaufende Schultern 19 zu schaffen, welche an den nach inne_n gerichteten Flächen l8 der Scnwalbenschwanznuten Ib anliegen und dadurch die Laufschaufeln 2k bei Zentrifugal last radial festlegen.

Figur 1 zeigt eine benachbarte Rctorscheioe Ik, welche einen ersten axial verlaufenden Flanschteil 31 enthält, dessen Ende mit der Rotorscheibe 12 zusammenpaßt, ur. ein Rutschen in Urnfarigsricntung zwischen den Rotorelementen zu verhindern. Diese zusammenpassende Struktur kann eine Vielzahl von ineinandergreifenden Kerb zähnen 51 und Kerbnuten 52 entsprecnend dem Ccnnitt der Figur 2 enthalten. Zwischen den ineinandergreifenden Kerbzähnen und Kerbnuten kann eine Luftabdichtung durcn einen ring-

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förmigen elastischen Kunststoffring 53 vorgesehen werden, welcher so eingesetzt ist, daß er an den inneren Oberflächen der ineinandergreifenden Kerbzähne und Kerhnuten anliegt. Der Kunststoffring 5 3 wird während der Drehung durch die Zentrifugalkräfte in seiner festen Lage bezüglich der Kerbzähne und Kerbnuten festgehalten, da diese Kräfte eine nach auPen gericntete Umfangsdehnung des Rings verursachen.

Die Rofcorscheibe enthält an ihrem Umfang angebracht eine Vielzahl von umfangsmäßig im Abstand voneinander angeordneten Laufschaufeln .25 · Die Laufschaufeln 25 können radial und axial festgelegt werden mit Hilfe einer am Umfang verlaufenden Schualbenschwanznut 37, die sich um die äußere Peripherie der Rotorscheibe 14 erstreckt. Jede Laufschaufel 25 enthält einen Schwalbenschwanz-Wurzelteil 27 zum Eingriff mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Schwalbenschwanznut 37 und muß durch eine Einkerbung in der Schwalbenschwanznut 37 eingeführt und am Umfang in der Hut solange verschoben werden, bis sie an einer angrenzenden Laufschaufel anliegt. Wenn die letzte Laufscnaufel 25 durch die Kerbe in der Schwalbenscnwanznut eingeführt worden ist, so daß alle Wurzelteile 27 aneinander anliegen, kann die Kerbe dann in an sich bekannter Weise verriegelt oder verschlossen werden.

Zwischen den Laufschaufeln 24 und 25 kann eine zwischengefügte Reihe von festen Leitschaufeln 22 angeordnet sein, welche stark an den. Verdi untergehäuse 20 befestigt ist. Die Leitschau'feln können auch in an sich bekannter //eise gemäß dem US Patent IJr. 3 216 700 drehbar an dem Gehäuse 20 befestigt sein.

Die Rotorscneioe 14 enthält einen zweiten axial verlaufenden Umfangsflanschteil 32, der einen ringförmigen spitzen Teil 35 besitzt, welcher sehr eng benachbart ist der Auatrittskante der Laufschaufelplattform 29, um einen glatten Strömungsweg zu erhalten und StrömungsVerluste auf ein Minimum zu bringen. Der äußere Spitzenteil des Planschteils 32 ist axial unterschnitten •m nach innen gerichtete Oberflächen 34 zu schaffen.

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Die Laufschaufeln 2k werden einzeln von einer vorderen axialen Richtung aus in ihre jeweiligen Schwalbenschwanznuten 16 eingeführt und an einer Bewegung radial nach außen bei Zentrifugalbelastung genemmt durcn die Wechselwirkung der Wurzelteile 26 der Laufschaufel und mit den Schwalbenschwanznuten Io entsnrechend der vorstenenden Erläuterung. Eine Axialbewegung der Laufschaufeln ist jedoch ebenfalls kritisch und jegliche Verschiebung, der axialen Lage der Laufschaufel würde das Gleichgewicht oder die Auswuchtung des Rotors ändern und dadurch eine Vibrationsbeschädigung verursachen. Die genaue Beibehaltung der axialen Lage der Laufschaufel sogar unter hoher Zentrifugallast wird auf folgende Weise erreicht.

Vor dem Einfügen der einzelnen Laufschaufeln 24 wird ein Keilring. 30 so angeordnet, daß er an der nach innen gerichteten Oberfläche 3*J anliegt, welche axial das äußere Ende 25 des Flanschteiles unterschneiden. Eine Außenfläche 36 des Keilrings 30 ist axial überschnitten, um eine nach außen gerichtete Oberfläche zum gleitenden Kentakt mit der nach innen gerichteten Oberfläche 3^ zu besitzen. Die unterschnittenen und überschnittenen Flächen des Flanscnes 32 und des Keilrings 30 sind vorzugsweise im wesentlichen eben, obwohl auch gekrümmte Flächen verwendet werden können. Der Keilring 30 kann aus irgendeinem federnden Material gebildet sein, welches gestattet, daß der Umfang des Rings ohne Bruch geringfügig ausgedehnt werden kann. Obwonl der Heizring 30 eine Federung, besitzen muß, muß er auch eine genügende Steifheit besitzen, um ohne wesentliche Deformierung einer axialen Querschnlt tkomprimi e rung widerstehen zu können. Ein besonders gut geeignetes Kunststoffmaterial oder plastisches Material zur Verwendung für den Keilring; geiräß der Erfindung ist Polyinu d unter dem liande lonamen Vespe1.

Nachdem der Keilring 30 eingesetzt ist, werden die einzelnen Laufschaufeln 2k in ihre jeweiligen Schwalbenschwanznuten Io eingeführt. Die Laufschaufeln 2k werden 3 ο eingesetzt, daß die vordere eingesetzte Fläche 39 des Wurzel te ils ?.G in der [,aufschaufei an dem Keilring 30 anliegt und dadurch eine weitere

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axiale Vorwärtsbewegung der Laufschaufel verhandelt-. Das Herausgehen der Laufschaufeln von den ochwolbensehwanznuten 16 wird verhindert, durch einen Verriegelungsring. 44, Dj e flofcorscneibe 12 ist mit einer Vielzahl von an; (J fr. fang, im Abstand angebrachten Erhebungen 'IO ausgestattet j die sich in axialer dichtung; von der Fläche 13 aus erstrecken, Jede Erhebung hc besitzt eine nach unten verlaufende Lippe '12 zur Aufnahme und zum Festhalten des Verriegelungsrings 44. Die Erhebungen 40 sind im Abstand radial nach außen so angeordnet, daß sie mit den im Abstand angebrachten Schwalbenschwanznuten übereinstimmen und dadurch der Verriege lungsring 44 an den Wurzelteilen 26 der einzelnen Laufschaufeln anliegt und die axiale Bewegung verhindert wird.

Bei Rotation der Rotoranordnung 11 w.irkt die Zentrifugalkraft auf den Keilring 30 und veranlaßt ihn dazu;, sich tunfangs mäßig auszudehnen. Diese Ausdehnung des Keilrings bewirkt, daf die überschnittene Fläche 36 des Keilrings lungs der anliegenden unterschnittenen Überfläche 3'! des Flansche« >2 nach, außen gleitet. Die anliegende unterschrittene Ober Γ1 ^;j one 3 ^ des !-Manschen 32 behiη cfert die nach außen ge ri en Lc Uj radiale dewegurig des Keilrings 30 und erteilt diesen; eine Ajdolh ocioonen te, so daß die axiale Haltekraft, welche aui" die ei <izo Inen ochpuieln 2^i wirkt, erhöht wirkt.

Daher wird ein Anteil der auf den Keilring v/irkenden Zentrifugalkraft zu den vorderen eingelassenen Oberflächen der Laufschaufelwurzel gerichtet und wirkt zusammen r:i t der Verriegelungsring 44 daraufnin, in größeren: f-iaße die Axia!bewegung der Laufschaufeln bei der Drenung des Rotors zu verhindern. Der Seilring dient auch als ein wirKsamer Luftabdichter zwischen den Rotorelementen und ve mindert dabei , daß die unter nochdruck stehende Verdichterluft aus den. uauptströr.un^sweg in die Ho;ilr^;iuire zwischen den Rotorelementen abströmt.

In. Verstehenden ist die Erfindung in Jesiehung zu einem Verdichter nit Axialstrt'mung beschrieben worden. Sie kann jedoch offensicntlicn auch in weitgehenden. Umfange angewendet werden und ist

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beispielsweise anwendbar für die Aufrechterhaltung der axialen Integrität von axial eingeführten Laufschaufeln In irgend einem rotierenden Teil mit hoher Drehzahl, beispielsweise in der Gebläseanordnung eines Turbogeblasetriebwerkes.

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Claims

Patentansprüche

ll. J Be festigungs anordnung für Laufschaufeln in einer Anlage mit ^Axialströmung und Stator- und Rotorelementen gekennzeichnet durch:

ein erstes Rotorelement (12) mit axial gegenüberliegenden Flächen fl3> 17) und einer Vielzahl von allgemein radial verlaufenden Nuten (16) mit offenen Enden, die sich von einer Fläche zur anderen erstrecken, wobei jede Nut (16) Seitenwände (21) besitzt, welche zur Schaffung von nach innen gericnteten Auflage flächen (18) unte-rschnitten sind, ein zweites Rotorteil (14) in einem radialen Abstand von dem ersten Rotorteil (12), das einen Umkreis flansch (32) mit axia ler Ausdehnung besitzt, dessen Ende (35) axial unterschnitten ist zur Schaffung einer nach innen gerichteten Oberfläche (3²I ein kreisförmiger Keilring (30), dessen radial äußere Oberfläche axial überschnitten ist zur Schaffung einer nach außen gerichteten Oberfläcne (36), die an der nach innen gerichteten Oberfläche (34) des Flansches (32) anliegt, wobei der Keilring (30) am Umkreis ausdehnbar ist unter dem Einfluß der Zentrifugalbelastung und die überschrittene Oberfläche (36) über die unterschnittene Oberfläche (34) sowohl in nacn außen gerichteter radialer Richtung und in axialer Richtung gleiten kann zur axialen Transportations verschiebung des Keilringes (30),

eine Vielzahl von Laufschaufeln (24) mit Wurzelteilen (26), die in die Nuten (16) so eingesetzt sind, daß die vordere eingesetzte Fläche jedes Wurzelteils (26) an den Keilring (30) anliegt, wobei jeder Wurzelteil (26) so verdickt ist, daß er nach außen verlaufende Schultern (13) besitzt, welche an den nach innen verlaufenden Schultern (18) der Muten (16) anliegen, so daß die Laufschaufeln (24) bei Zentrifugallast radial festgelegt sind,

Vorriefelungseinrichtungen (44) zur Festlegung der anderen Oberfläche jedes Wurzelteils (26) zur Hemmung einer

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Axialverschiebung der Wurzelteile (26), so daß unter Zentrifugallast die Axialverschieburuf des Keilrings (30) gegen die anliegenden Wurzelteiloberflächen gerichtet ist und mit der Verriegelungseinrichtung (44) zusammen eine axiale Verscnie,-bung der Laufschaufeln weiter verhindern kann.

2. ßefestigungsanordnung für Laufschaufeln nach Anspruch 1, dadurch'gekennzeichnet, daß das zweite Rotorteil (14) eine Vielzahl von am Umkreis im Abstand angeordneten Laufschaufeln (25) besitzt, die an dem Umkreis verteilt sind, wobei die Laufschaufeln (25) radial und axial mittels einer am Umkreis sich erstreckenden Schwalbenschwanznut (34) an dem äußeren Umfang des zweiten Rotorteils (14) aufgenommen sind.

3. BefestigungsanOrdnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilring (30) eine Luftabdichtung zwischen den Rotorelementen (14) und (12) bildet.

4. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Keilring (30) aus einem plastikähnlichen, federnden Material besteht, welches eine geringfügige Ausdehnung des Unifangs des Rings (30) ohne Bruch gestattet und eine hinreichende Steifheit besitzt, um einer axialen Querschnittskompressipn ohne wesentliche Deformierung zu widerstehen.

5. Befestigungsanordnung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß der Keilring (30) aus Polyimid besteht.

6. Befestigunpsanordnung nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung einen Verriegelung^ring (44) enthält, der an den anderen Flächen der Laufschaufel-Wurzelteile (26) anliegt und in dieser anliegenden Beziehung durch eine Vielzahl von Ansätzen (40) gehalten ist, welche sich axial von dem ersten Rotot· (12)

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aus erstrecken, wobei jeder Ansatz (40) eine nach innen verlaufende Lippe (42) besitzt, die den Verriegelungsring (44) überlappt.

'7· Befesti£un£sanOrdnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Rotorteil (12) und (14) miteinander angepaßt und ineinandergefügt sind durch eine Reihe von axial sich erstreckenden ineinandergreifenden Kerb zähnen und Kerbnuten (51) und (52) zur Verhinderung eines Gleitens in Umfangsrichtunf zwischen den Rotorelementen (12) und (14).

8. Befestig.ungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ringförmigen, federnden Plastikring (53) besitzt, dessen äußere Oberfläche an der inneren Oberfläche der ineinandergreifenden Kerbzähne und Kerbnuten zur Schaffung einer Luftabdiehtung anliegt.

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