DE2441249B2 - Axiallaufrad für hochtourige Turbomaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Axiallaufrad für hochtourige Turbomaschinen mit einen Laufradkörper, der als dünnwandige nur geringe Radialkräl'te aufnehmende Schale ausgeführt ist, an der die Laufschaufeln mittels mehrerer axial hintereinanderliegender Halteringe aus Bor-, Glas- oder Kohlefasern, die in eine wärmebeständige Matrix eingebettet sind, abgestützt sind.

Ein solcherart ausgebildetes Axiallaufrad ist aus dem DT-Gbm 70 38 796 bekanntgeworden. Bei dieser Laufradkonstruktion werden die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte der Rotorschaufeln von einem Metallring aufgenommen, an dem Halterungen für die Schaufelfüße befestigt sind. Durch den Anschluß der Halterungen der Rotorschaufeln an den Metallring entsteht ein geschlossenes ringförmiges Profil, in dem axial hintereinander faserverstärkte Einlagen angeordnet sind, die um die radial innere Begrenzungswand des Metallrings herumgelegt sind. Durch den geschlossenen Ring und die darin angeordneten faserverstärkten Einlagen sollen die gesamten aus den Rotorschaufeln sich ergebenden Fliehkräfte ausgenommen werden, so daß keine Fliehkräfte auf einen radial weiter innen liegenden und eventuell axial versetzten Abschnitt des Laufrades übertragen werden können. Ein Nachteil dieser bekanntgewordenen Laufradkonstruktion besteht darin, daß die Abstimmung des Dehnungsverhaltens des Metallringes und der faserverstärkten Einlagen nur sehr schwierig oder gar nicht möglich ist, so daß die Tragfähigkeit der faserverstärkten Einlage nicht voll ausnützbar ist und demzufolge ein verhältnismäßig starker und damit schwerer Metallring notwendig ist.

Aus der GB-PS 11 70 593 sind Axiallaufräder mit faserverstärkten Halteringen für die Laufschaufeln "· bekanntgeworden, bei denen die Laufschaufeln mit hammerkopfartigen Fußptetten ausgebildet sind, in deren Nuten die Halteringe eingebettet sind. Diese bekanntgewordenen Anordnungen ergeben zwar eine konstruktive Vereinfachung an der Verbindungsstelle Ii zwischen Laufscheibe und Laufschaufel, es ist bei diesen Lösungen aber ein konventioneller Laufradkörper vorgesehen, an den der aus den Laufschaufeln und den faserverstärkten Rippen gebildete Schaufelring angeschweißt oder gelötet sein soll. Dadurch läßt sich eine ■· Übertragung von Radialkräften auf den Laufradkörper nicht vermieden, und demzufolge muß dieser Laufradkörper wieder relativ schwer ausgeführt sein.

Aus den AEG-Mitteilungen Mai/Juni 1954, S. 179, Bild 4, ist eine Bolzenfußbefestigung für Rotorschaufeln von -'·' Turbomaschinen bekannt, bei der Rotorschaufeln in herkömmlicher Weise mittels Steckbolzen an einer Laufradscheibe befestigt sind. Die Laufradscheibe bildet zu diesem Zweck eine Materialanhäufung an ihrem Außendurchmesser, den sogenannten Radkopf. -'"> 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 in angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laufschaufeln mittels einer Bolzenfußbefestigung in die faserverstärkten Halteringe eingehängt sind.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die sich aus den Schaufeln ergebenden Fliehkräfte unmitteli"i bar ohne Zwischenschaltung eines Metallringes durch die Bolzenfußbefestigung in die faserverstärkten Halteringe eingeleitet. Nur durch diese direkte Einleitung der Fliehkräfte in die faserverstärkten Ringe wird die gestellte Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. w Um die faserverstärkten Halteringe möglichst gleichmäßig zu belasten und keine Druckspannungsspitzen zu erzeugen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß sich die Bolzen der Bolzenfußbefestigung auf den faserverstärkten Halteringen unter ■r> Zwischenschaltung von Segmentstücken, deren Außenbogen die gleiche Krümmung aufweisen wie der zugehörige Haltering, abstützen. Durch die eng aneinander anschließenden Segmentstücke ergibt sich unter Fliehbeanspruchung für jeden Haltering eine ™ gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Fliehkraftbelastung und demzufolge gleichmäßige Umfangsspannung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sollen an den Bolzen oder an den endseitigen Segmentstücken ^r>"> Gleitschuhe angebracht sein, die in Radialnuten des Laufradkörpers radial beweglich aufgenommen sind. Durch diese Art der Positionierung ist sichergestellt, daß keine Radialkräfte auf den Laufradkörper übertragen werden können, da die Bolzen in Radialrichtung w) ausschließlich durch die Halteringe festgelegt sind, während sie sich in den Nuten radial frei bewegen können. Es wird also eine vollständige Trennung zwischen der Aufnahme der Radialkräfte und der Aufnahme der Umfangskräfte, die über die Flanken der M 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 gesonderten stirnseitig am Laufradkörper lösbar befestigten 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 Ring zur axialen Festlegung des Schaufelkranzes auf den Laufradkörper aufgesetzt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sollen die Bolzen der Bolzenfußbefestigung 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 Laufschaufelkranzes 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 zeigt

F i g. 1 die Verbindungsstelle zwischen Laufschaufel und Laufradkörper eines erfindungsgemäßen Axiallaufrades in einem Schnitt durch die Drehachse,

F i g. 2 einen Querschnitt entsprechend II-1I in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend 1II-III in F i g. 1, jedoch mit größeren Segmentstücken,

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axiallaufrades in einem Schnitt entsprechend dem der F i g. 1 und

F i g. 5 eine Ansicht gemäß V-V in F i g. 4.

Gemäß F i g. 1 ist ein Laufradkörper 10 als dünnwandige zylindrische Schale ausgeführt, wobei der nicht näher dargestellte Anschluß an eine Welle als ebenfalls dünnwandiger radial verlaufender Steg ausgebildet sein soll. Laufschaufeln 1 sind mittels axial ausgerichteter Bolzen 2 nach der sogenannten Bolzenfußbefestigung in mehrere axial hintereinanderliegende 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 (siehe F i g. 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

ίο

Krümmung 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 F i g. 1 rechten Ende der bolzen 2 bewegbar in radial ausgerichteten Nuten des Laufradkörpers 10 gehalten. Am linken Ende der Bolzen 2 sind die Gleitschuhe 13 der Segmentstücke 3 in einem gesonderten stirnseitig am Laufradkörper 10 lösbar befestigten Ring 9 gelagert Der Ring 9 ist gemäß F i g. 1 mit dem Laufradkörper 10 mittels der Schrauben 11 fest verbunden; es können jedoch auch andere Befestigungsmittel gewählt werden. Schließlich 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 gegenüber dem Laufradkörper 10 stellt sicher, daß keine Radialkräfte auf den Laufradkörper 10 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 er 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 20 unterteilt ist. Dadurch ist es möglich, daß bei Fliehbeanspruchung und entsprechender elastischer Dehnung der Halteringe 7 die Lappen 20, 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 folgen.

Wie in F i g. 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 F i g. 1 und F i g. 4 jeweils zwei Laufschaufeln über ein Segmentstück 4 auf einen Haltering 7 abgestützt sind, können mehrere Schaufeln 1 in größeren Segmentstücken zusammengefaßt sein, wie es im Querschnitt der F i g. 3 gezeigt ist, wo im Segmentstück 24 vier Schaufeln befestigt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Axiallaufrad für hochtourige Turbomaschinen mit einem Laufradkörper, der als dünnwandige nur geringe Radialkräfte aufnehmende Schale ausgeführt ist, an der die Laufschaufeln mittels mehrerer axial hintereinanderliegender Halteringe aus Bor-, Glas- oder Kohlefasern, die in eine wärmebeständige Matrix eingebettet sind, abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln mittels einer Bolzenfußbefestigung in die faserverstärkten Halteringe eingehängt sind.

2. Axiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bolzen (2) der Bolzenfußbefestigung auf den faserverstärkten Halteringen (7) unter Zwischenschaltung von Segmentstücken (3,4), deren Außenbogen die gleiche Krümmung aufweisen wie der zugehörige Haltering (7), abstützen.

3. Axiallaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Bolzen (2) oder an den endseitigen Segmentstücken (3) Gleitschuhe (13) angebracht sind, die in Radialnuten des Lanfradkörpers (10) radial beweglich aufgenommen sind.

4. Axiallaufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Radialnuten auf einer Seite des Laufradkörpers (10) in einem gesonderten stirnseitig am Laufradkörper (10) lösbar befestigten Ring (9) befinden.

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