DE2441249A1

DE2441249A1 - Axiallaufrad fuer hochtourige turbomaschinen

Info

Publication number: DE2441249A1
Application number: DE2441249A
Authority: DE
Inventors: Ottomar Ing Grad Gradl; Wolf Loebel; Axel Rossmann; Gerhard Zaehring; Herbert Zech
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1974-08-28
Filing date: 1974-08-28
Publication date: 1976-03-18
Also published as: FR2283308B1; FR2283308A1; JPS5146414A; DE2441249B2; GB1510196A; DE2441249C3; JPS5342883B2; US4008000A

Description

Axiallaufrad für hochtoürige Turbomaschinen

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Axiallaufrad für hochtoürige Turbomaschinen mit Halteringen für die Laufschaufeln aus Bor-Glas- oder Kohlefasern, die in eine wärmebeständige Matrix eingebettet sind.

Solche Axiallaufräder sind z.B. aus der US-PS 3 o95 138 und' der GB-PS 1 17o 593 bekannt geworden, wobei bei der Lösung nach der genannten US-PS die Halteringe als sogenannte Deckbänder auf den radial äußeren Enden der Laufschaufeln aufliegen, während bei der Lösung nach der genannten GB-PS die Laufschaufeln mit hammerkopfartigen Fußplatten ausgebildet sind, in deren Nuten die Halteringe eingebettet sind. Diese bekannt gewordenen Anordnungen ergeben zwar eine konstruktive Vereinfachung an der Verbindungsstelle zwischen Lauf scheibe und Laufschaufel, es ist bei diesen Lösungen aber wie bei konventionellen hochtourigen Turborotoren notwendig, eine Laufradscheibe hoher Festigkeit anzuwenden, die dementsprechend große Wandstärken und damit entsprechend hohes Gewicht aufweist.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
besonders leicht gebautes Laufrad zu schaffen, das für extrem hohen Drehzahlbereich und zugleich für hohe Temperaturen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Laufrad der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaufeln mittels einer sogenannten Bolzenfußbefestigung in mehrere axial hintereinander! iegende Halteringe eingehängt sind und am Laufradkörper, der als dünnwandige nur geringe Radialkräftv* aufnehmende Schale ausgeführt ist, lediglich zur Positionierung und Übertragung von Ümfangskräften befestigt sind.

Es ist zwar bekannt, zur Verringerung des Gewichts von Axiallaufrädern diese in ihrem Außenbereich mit schräg zur Radialrichtung angeordneten Radspeichen zu versehen, die an ihren radial äußeren Enden einstückig mit dem mehrfach durch Radial schlitze in Umfangsrichtung geteilten Radkranz verbunden sind, wobei
der Radkranz mit in Umfangsrichtung verlaufenden, in sich geschlossenen Bandagen aus gewickelten Bor- oder Kohlefasern versehen ist, die auch der radialen Festlegung der Laufschaufeln im Radkranz dienen (DT-PS 2 o27 861). Obwohl aber durch diese bekannt gewordene Konstruktion das Gewicht des Axiallaufrades, insbesondere der Laufradscheibe im Vergleich zu konventioneller Bauweise durch die Anwendung von faserverstärkten Halteringen vermindert werden konnte, bleibt doch noch ein relativ schweres
Zentralstück als Laufradscheibe erhalten.

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Im Gegensatz dazu, verzichtet die erfindungsgemäße Lösung auf eine Laufradscheibe im herkömmlichen Sinn vollkommen, da die aus der Zentrifugalbelastung der Laufschaufeln herrührenden
Kräfte unmittelbar von den Schaufeln in die faserverstärkten Halteringe eingeleitet werden. Der Laufradkörper selbst, der als dünnwandige zylindrische oder kegelige Schale ausgebildet ist, dient nur mehr einer zentrischen Positionierung des Schaufelkranzes und der Übertragung von Umfangskräften, wozu er aber aufgrund der Festigkeitseigenschaften dünnwandiger Schalen sehr leicht ausgeführt sein kann.

Um die faserverstärkten Halteringe möglichst gleichmäßig zu
belasten, und keine Druckspannungsspitzen zu erzeugen, wird
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß sich jeder Bolzen auf den Halteringen unter Zwischenschaltung von Segmentstücken abstützt, deren Außenbogen die gleiche Krümmung aufweist, wie der zugehörige Haltering. Durch die eng aneinander anschließenden Segmentstücke ergibt sich unter Fliehbeanspruchung für jeden Haltering eine gleichmäßig über'seinen Umfang verteilte Fliekraftbelastung und demzufolge gleichmäßige Umfangsspannung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sollen die Bolzen an beiden Enden bewegbar in radial ausgerichteten Nuten des Laufradkörpers gehalten sein. Durch diese Art der Positionierung

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ist sichergestellt, daß keine Radialkräfte auf den Laufradkörper übertragen werden können, da die Bolzen in Radialrichtung ausschließlich durch die Ealteringe festgelegt sind, während sie sich in den Nuten radial frei bewegen können. Es wird also eine vollständige Trennung zwischen der Aufnahme der Eadialkräfte und der Aufnahme der Umfangskräfte, die über die Flanken der Nuten übertragen werden, erzielt.

Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Axiallaufrades dient in erster Linie der Montageerleichterung des Schaufelkranzes auf dem Laufradkörper und besteht darin, daß sich die Radialnuten auf einer Seite des Laufradkörpers in einem stirnseitig vom Laufradkörper abnehmbaren Ring befinden. Bei der Montage kann auf diese Weise der Laufschaufelkranz komplett aus den einzelnen Laufschaufeln, den Halteringen, den Segmentstücken und den Bolzen aufgebaut werden, dann von einer Stirnseite her auf den Laufradkörper aufgeschoben werden und danach der abnehmbare Ring zur axialen Festlegung des Schaufelkranzes auf den Laufradkörper aufgesetzt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sollen die Bolzen einseitig an einem topfförmig ausgebildeten Laufradkörper befestigt sein, wobei dieser im Bereich der Befestigung der Bolzen axial mehrfach geschlitzt ist. Dieser Anschluß des Schaufelkranzes an den Laufradkörper stellt eine konstruktiv besonders einfache Alternative zu der doppelseitigen Halterung des Laufschaufel-

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kronzes in Radialnuten dar, wobei durch die mehrfache Axialschlitzung des topfförmigen zylindrischen oder auch kegeligen Laufradkörpers sich dieser im Bereich der Befestigung der Bolzen ohne nennenswerte Aufnahme von Radialkräften aufweiten kann und somit einer elastischen Aufweitung der Halteringe und damit des Schaufelkranzes folgen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. t die Verbindungsstelle zwischen Laufschaufel

und Laufradkörper eines erfindungsgemäßen Axiallaufrades in einem Schnitt durch die Drehachse,

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend ΙΙΙ-ΙΙΓ in Fig. 1, jedoch mit größeren Segmentstücken,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axiallaufrades in einem Schnitt entsprechen dem der Fig 1 und

Fig. 5 eine Ansicht gemäß V-V in Fig. 4.

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Gemäß Fig. 1 ist ein Laufradkörper 1o als dünnwandige zylindrische Schale ausgeführt, wobei der nicht näher dargestellte Anschluß an eine Welle als ebenfalls dünnwandiger radial verlaufender Steg ausgebildet sein soll. Axiallaufschaufeln 1 sind mittels axial ausgerichteten Bolzen 2 nach der sogenannten Bolzenfußbefestigung in mehrere axial hintereinander liegende Halteringe 7 eingehängt. Um bei Fliehbeanspruchung eine gleichmäßige Belastung der Halteringe 7 zu gewährleisten sind die Bolzen 2 nicht unmittelbar an den Halteringen 7 abgestützt, sondern paarweise in Segmentstücke 4 eingesteckt (sxehe Fig. 2). Die paarweise Zusammenfassung der Bolzen in einem Segmentstück 4 ist aber nicht erfindungsnotwendig, es kann auch für Jeden Bolzen ein einzelnes Segmentstück 4 vorgesehen sein. Der Außenbogen 14 der Segmentstücke 4 weist die gleiche Erümmung auf, wie der zugehörige Haltering 7 auf dem sich das Segmentstück 4 abstützt.

An beiden Enden der Bolzen 2 sind besonders ausgebildete Segmentstücke 3 vorgesehen, an die jeweils ein radial ausgerichteter Gleitschuh 13 angeformt ist. Die Gleitschuhe 13 der Segmentstücke 3 sind an dem in Fig. 1 rechten Ende der Bolzen 2 bewegbar in radialausgerichteten Nuten des Laufradkörpers 1o gehalten. Am linken Ende der Bolzen 2 sind die Gleitschuhe 13 der Segmentstücke 3 in einem stirnseitig vom Laufradkörper 1o abnehmbaren Ring 9 gelagert. Der King 9 ist gemäß Fig. 1 mit dem Laufradkörper 1o mittels der Schrauben 11 fest verbunden; es können jedoch auch andere Befestigungsmittel gewählt werden. Schließlich

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können die Bolzen 2 an ihren Enden selbst so ausgebildet sein, daß sie Gleitschuhe bilden und somit unmittelbar ohne Zwischenschaltung von Segmentstücken 3 in entsprechenden Radialnuten bewegbar sind. Diese radiale Bewegbarkeit der Bolzen 2 gegen?- über dem Laufradkörper 1o ist erforderlich, um sicherzustellen, daß keine Radialkräfte auf den Laufradkörper 1o übertragen werden, sondern Radialkräfte nur von den Halteringen 7 aufgenommen werden. Die Halteringe 7 bestehen aus in eine wärmebeständige Matrix eingebetteten Bor- Glas- oder Kohlefasern.

Bei"der in Fig. 4 gezeigten Befestigungsart eines Schaufelkranzes an einem Laufradkörper wird die Übertragung von Radialkräften auf den dort topfförmig ausgebildeten Laufradkörper 12 dadurch nahezu vollständig vermieden, daß es im Bereich des Anschlußes der wieder mit 2 bezeichneten Bolzen mehrfach axial geschlitzt ist, und zwar ist für jedes Segmentstück 4 ein Schlitz 22 vorgesehen, so daß der Laufradkörper 12 im Bereich der Befestigung der Bolzen 2 in viele einzelne axial verlaufende Lappen 2o unterteilt ist. Dadurch ist es möglich, daß bei Fliehbeanspruchung und entsprechender elastischer Dehnung der Halteringe 7 die Lappen an denen der gesamte Schaufelkranz mittels der Bolzen 2 einseitig an einem Bund 21 gehalten ist, bei nur geringster Aufnahme von Radialkräften diesem radialen Aufgehen des Schaufelkranzes folgt.

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Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die Schlitze 22 im Laufradkörper 12 an ihrer Wurzel 23 ausgebohrt um ein Aufreißen infolge erhöhter Kerbspannung zu vermeiden.

In gleicher Weise, wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 4- jeweils zwei Laufschaufeln über ein Segment stück 4 auf einen Haltering 7 abgestützt sind, können mehrere Schaufeln 1 in größeren Segmentstücken zusammengefaßt sein, wie es im Querschnitt der Fig. 3 gezeigt ist, wo im Segmentstück 24- vier Schaufeln befestigt sind.

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Claims

MOTOREN- UND TURBl'NEN-UNION MÜNCHEN GMBH. München, den 27. August 1974 Patentansprüche

1./Axiallaufrad für hochtourige Turbomaschinen mit Halteringen für die Laufschaufeln aus Bor- Glas- oder Kohlefasern, die in eine wärmebeständige Matrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (1) mittels einer sogenannten Bolzenfußbefestigung in mehrere axial hintereinanderliegende Halteringe (7) eingehängt sind und am Laufradkörper (1p-, 12), der als dünnwandige nur geringe Radialkräfte aufnehmende Schale ausgeführt ist, lediglich zur Positionierung und Übertragung von Umfangskräften befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Bolzen (2) auf den Halteringen (7) unter Zwischenschaltung von Segmentstücken (3, 4, 24) abstützt, deren Außenbogen (14) die gleiche Krümmung aufweist wie der zugehörige Haltering (7). .

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen (2) an beiden Enden bewegbar in
radial ausgerichteten Nuten des Laufradkörpers (Ίο) gehalten sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Radialnuten auf einer Seite des Laufradkörpers (1o) in
einem stirnseitig vom Laufradkörper abnehmbaren Eing (9) befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen einseitig an einem topfförmig
ausgebildeten Laufradkörper (12) befestigt sind, wobei dieser im Bereich der Befestigung der Bolzen (2) axial mehrfach geschlitzt ist.

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