DE2528118C3

DE2528118C3 - Laufrad für Strömungsmaschinen

Info

Publication number: DE2528118C3
Application number: DE19752528118
Authority: DE
Inventors: Anthony George Wollaton Nottingham Gale; Leonard Stanley Alveston Bristol Snell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1974-06-26
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1981-05-27
Also published as: IT1038992B; JPS5118306A; FR2276462A1; DE2528118B2; DE2528118A1; JPS561444B2; FR2276462B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Strömungsmaschinen nach at_oi Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einem aus dem DE-GM 18 30 030 bekannten Laufrad dieser Art weist die Laufradscheibe einen verdickten äußeren Randteil auf, der radial nach außen divergierende Stirnwände und im Querschnitt eine dreieckartige Form hat Von diesem verdickten Randteil aus erstrecken sich die Halteelemente, welche zwischen sich die Schaufelfüße aufnehmen, radial nach außen und stehen außerdem beiderseits axial über den verdickten Radscheibenrand über.

Man war bisher der Meinung, daß ein solcher, «mfangsmäßig -inunterbrochener verdickter Randteil der Laufradscheibe aus Festigkeitsgründen notwendig ■ei. Der mögliche Maximaldurchtnesser des verdickten Randteile ist aber im Hinblick auf die hohen Drehzahlen von Strömungsmaschinen wege), der auftretenden Fliehkräfte und der dadurch im Radscheibenrand erzeugten, in Umfangsrichtung wirkenden Zugkräfte durch die Zugfestigkeit des Radscheibenwerkstoffes begrenzt. Dadurch ist bei der bekannten Konstruktion auch der maximale Durchmesser, auf welchem die Halteelemente für die Schaufelfüße angeordnet werden können, begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion eines Laufrads der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der größtmögliche Durchmesser, auf welchem die Halteelemente für die Schaufelfüße liegen können, gegenüber der bekannten Konstruktion gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die itn kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebene Anordnung gelfttt.

Damit ist es bei der erfindungsgemäßen Konstruktion tiöglich, die Radscheibe nicht mit Randverdickung, sondern vielmehr mit sich radial nach außen verjüngendem Radscheibenrand bzw. mit radial nach außen konvergierenden Stirnwänden auszubilden. Zwischen den einzelnen Halteelementen befindet sich demzufolge bei der erfindungsgemäßen Konstruktion am Radscheilenrand jeweils sehr viel weniger Material als bei der feekannten Konstruktion.

Da sich also bei der erfindungsgemäBen Konstruktion am Radscheibenrand, nämlich in demjenigen Bereich, der auf den hohen Drehzahlen von Strömungsmaschinen durch die auftretenden Fliehkräfte und die dadurch im Radscheibenrand erzeugten, in Umfangsrichtung wirkenden Zugkräfte am stärksten beansprucht ist, wesentlich weniger Material bzw. Masse befindet als bei der bekannten Konstruktion, sind die Zugbeanspruchungen des Werkstoffs im Radscheibenrandbereich weitaus geringer, was bedeutet, daß die zulässige Belastungsgrenze des Werkstoffs bei Anwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion im Vergleich zu der bekannten Konstruktion erst bei größeren Laufraddurchmessern erreicht wird. Damit wird das oben angegebene Ziel erreicht

Mit dem jeweils ein Halteelement mit der Radscheibe verbindenden, quer zum Radscheibenrand verlaufenden ίο und axial über diesen überstehenden Verbindungssteg macht die Erfindung von einem Konstruktionselement Gebrauch, das aus der US-PS 28 88 239 an sich bekannt ist, allerdings in ganz anderer Anwendung, nämlich als Versteifungsstege zwischen einem als Randverdickung ausgebildeten Radkranz und der Radscheibe eines Strömungsmaschinenlaufrads, bei welchem Laufradscheibe und Schaufeln einteilig miteinander ausgebildet sind.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Stirnansicht eines Ausschnittes eines Verdichterlaufrads nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie Il-il in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 1II-III in Fig. 1,

F i g. 4 eine Stirnansicht ähnlich F i e. 1 einer abgewandelten Ausführn/igsform der Erfindung,

F i g. 5 eine Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Turbinenlaufrad nach der Erfindung, und
Fig.6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausschnittes des in F i g. 5 sichtbaren Turbinenlaufrades.

Gemäß den F i g. 1 bis 3 weist ein Laufrad eine einzige Radscheibe 120 auf, welche eine ringförmige Anordnung von radial außerhalb des Laufradscheibenumfangs 123 und mit Abstand von diesem angeordneten Schaufelhalteelementen 12S trägt. Diese Halteelemente 12S weisen in quer Über den Laufradscheibenumfang

123 verlaufender Richtung eine ,Angliche Form auf. Diese Richtung ist durch den in F i g. 3 eingezeichneten Schränkungswinkel « gegeben. Bezogen auf die mit 128 bezeichnete Laufradscheibenachse ist die Axialausdehnung der Halteelemente 125 größer als diejenige des mit

129 bezeichneten Laufradscheibenrandes, so daß jedes Halteelement 12^ über beide Radscheibenstirnseiten

130 axial überstehende Endbereiche 1254 aufweist. Jedes Halteclement 125 ist mittels eines radialen Verbindungssteges 124 mit der Radscheibe 120 verbunden, welcher sich vom Radscheibenumfang 123

μ radial einwärts erstreckende und einstückig mit den Stirnflächen des Laufradscheibenrandbereiches 129 ausgebildete Stegteile 121 und 122 aufweist. Der Steg

124 besitzt außerdem einen zwischen dem Laufradscheibenumfang 123 und dem zugehörigen Halteelement 125 verlaufenden Hauptteil 124/4.

Der Grund für die Gabelung des Steges 124 in die beiden Stegteile 121 und 122 liegt darin, daß die Axialausdehnung des Steges 124, die einerseits durch die Axialausdehnung des zugehörigen Halteelements 125 und andererseits durch aufzunehmende Fliehkraft- und Biegebeanspruchungen vorgegeben ist, notwendigerweise größer als die Axialausdehnung, d. h. die Dicke, des Laufradscheibenrandbereiches 129 ist, welche hauptsächlich durch die in diesem Randbereich wirksa-

^M me Zugspannung in Umfangsrichtung bestimmt ist. Die radiale Länge der Stegteile 121 und 122 hängt natürlich von der Scherfestigkeit ab, die an der Verbindungsstelle mit dem Laufradscheibenrandbereich zur Aufnahme der

auf den Steg 124 wirkenden Fliehkräfte erforderlich ist

Das Laufrad trägt außerdem einen Kranz von Laufschaufeln 127, die jeweils einen mit einem der Halteelemente 125 verbundenen Schaufelfuß 126 aufweisen. Der Schaufelfuß 126 weist zwei parallele Schenkel 131 auf, die beiderseits des Halteelements 125 verlaufen und jeweils eine Ausnehmung 132 besitzen, in weiche eine Verdickung 133 der dem betreffenden Schaufelfußschenkel zugewandten Seitenfläche des Halteelements 125 eingreift Die gesamte Breite des Schaufelfußes 126 ist gleich oder etwas kleiner als der Teilungsabstand der Halteelemente 125, so daß einander benachbarte Schaufelfüße 126 aneinander anliegen und sich im Betrieb des Laufrades in Umfangsrichtung gegenseitig stützen.

Die Querschnittsform des Steghauptteils 124A ist entsprechend der länglichen Form der Halteelemente 126 ebenfalls länglich und an der Verbindungsstelle mit dem zugehörigen Halteelement 125 ist der Schränkungswinkel des Stegquerschnittes gleich demjenigen des Halieelements. Der Steg kann eine verwundene Form haben, derart, daß der Schränkungsw^:.nkel ties Stegquerschnittes sich zum Laufradscheibenumfang 123 hin fortschreitend vergrößert so daß er gemäß den Fig. 1 und 3 am Laufradscheibenumfang 123 etwa 90° beträgt

Die Anwendung der Stege ermöglicht es, die Laufradscheibe mit einem im Verhältnis zu dem Durchmesser, auf welchem die Schaufeln angeordnet werden müssen, wünschenswert kleinen Durchmesser herzustellen. Die Erfindung macht es also möglich, daß der Laufradscheibenumfang innerhalb des der zulässigen Zugspannung in Umfangsrichtung zugeordneten Durchmessers für das jeweilige Radscheibenmaterial und die jeweils geforderte Betriebsdrehzahl und Betriebstemperatur liegt während die Schaufeln sich außerhalb dieses Durchmessers an einer zur Erzielung hoher Umfangsgeschwindigkeiten erforderlichen Stelle befinden können. Die übliche Bohrung in der Mitte der Radscheibe 'ollte einen möglichst kleinen Durchmesser haben, der sogar Null sein kann, um die Verkleinerung des Radscheibenumfangs auf ein Minimum zu ermöglichen.

Außerdem führt der verhältnismäßig kleine Durchmesser der Laufradscheibe in gewissem Maße zu einer Trennung der Laufradscheibe vt.n den höheren Temperaturen im Arbeitsbereich der Schaufeln, so daß der radiale Temperaturgradient beim Erwärmen und beim Abkühlen und folglich die Spannungen in der Radscheibe abgeschwächt sind. Die Zwischenräume zwischen den Steghauptteilen 1244 ermöglichen die Zirkulation von Kühlluft.

F i g. 5 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf die Turbine eines Gasturbinentriebwerks. Das Triebwerk weist einen Verdichter 10, eine Brenneinrichtung 11, eine Turbine 12 zum Antrieb des Verdichters und eine Austnttsdüse 13 auf, welche alle von einem Gehäuse umschlossen sind, welches im Bereich der Turbine aufgeschnitten ist, so daß ein Turbinenlaufrad 14 mit auf einer Laufradscheibe 16 angeordneten Schaufeln IS sichtbar ist.

Gemäß Fig.6 weist die Radscheibe 16 einen Randbereich 16,4 auf, der einstückig mit länglichen Schaufelhalteelementen 17 ausgebildet ist, welche quer über den Radscheibenumfang 165 verlaufen und auf beiden Seiten über die Laufradscheibenstirnflächen 16C überstehende Endbereich? 17Caufweisen. Diese Endbereiche 17Cder Schaufelhalteelemente 17 sind jeweils mittels eines Verbindungssteges 19 mit der zugehörigen Laufradscheibenstirnfläche verbunden. Jedes Halteelement 17 weist einen unmittelbar an den Rand der Laufradscheibe 16 und die Stege 19 angrenzenden radial inneren Teil 17Λ und einen radial äußeren Teil 17B auf, welch letzterer wesentlich breiter als der radial innere Teil ist so daß sich geneigte Seitenflächen 17D ergeben, derart daß einander zugewandte Seitenflächen 17D benachbarter Halteelemente zwischen sich unterschnittene bzw. schwalbenschwanzförmige Zwischenräume 24 bilden.

Der Laufradscheibenrandbereich 16Λ, die Halteelemente 17 und die Stege 19 bilden zusammen die Schaufelhaltekonstruktion des Laufrades. Die Schaufeln 15 weisen jeweils einen Schaufelfuß 20 auf, der eine zur Form des Zwischenraumes 24 komplementäre Schwalbenschwanzform aufweist und in diesem Zwischenraum entgegen der Fliehkraft gehalten wird. Ferner weisen die Schaufeln jeweils einen Schaufelhals 21, eine Fußplatte 22 und ein tragflügelförmige« Schaufelblatt 23 auf.

Zur Verhinderung eines axialen Heraasgleiteris der Schaufelfüße aus den Halteelementen 17 sind nicht dargestellte Mittel vorgesehen, beispielsweise Halteplatten oder andere an sich bekannte Vorrichtungen.

Wie ersichtlich ist wird die auf die Schaufeln wirksame Zentrifugalkraft durch die Halteelemente 17 über deren radial innere Teile YIA auf die Stege 19 und über die Verbindungsstelle der Stege mit den Stirnseiten 16C auf die Laufradscheibe übertragen. Folglich befindet sich kein überflüssiges Material in der Schaufelhaltekonstruktion der Radscheibe. Das Vorhandensein von Werkstoff in den Räumen 25 im Radscheibenumfangsbereich zwischen den Rippen 19 wird vermieden und die Masse der Anordnung ist in entsprechendem Ausmaß verringert wodurch sich eine Verringerung der fliehkraftbedingten Spannungen in der Laufradscheibe ergibt so daß eine beträchtliche Gewichtsersparnis erreicht wird.

Der Unterschied zwischen den Axialabmessungen der Halteelemente 17 und dem Laufradscheibenrandbereich 16/4 ergibt sich im wesentlichen aus den aufzunehmenden Beanspruchungen. Zur Bewältigung der Zugspannungen in Umfangsrichtung am Laufradscheibenumfang braucht die Dicke des R idscheibenrandes nicht so groß sein wie die axiale Länge der Halteelemente, welche die auf die Seitenflächen YID übertragenen, von den auf die Schaufeln 15 wirkenden Fliehkräften hervorgerufenen Oberflächenbeanspruchungen aufnehmen können müssen. Während der Laufradscheibenraml zur Aufnahme der Umfangszugspannungen in Umfangsrichtung ununterbrochen sen muß, ist ein derartiger Zusammenhang zwischen den Halttdementen 17 nicht erforderlich, da diese Elemente bei Nenndrehzahl in Umfangsrichtung nicht vollständig selbsttragend sino. Es ergibt sich folglich keine Notwendigkeit einer vollständigen umfangsmäßigen Verbindung zwischen den Halteelementen radial innerhalb der Ausnehmungen 24, weshalb die Aussparungen 25 möglich sind.

Die Aussparungen 25 bilden einen beträchtlichen Vorteil hinsichtlich der Schaufelkühlung, da sie einen unmittelbaren Zugang zu den radial nach innen weisenden Oberflächen 26 der Schaufelfüße 26 ermöglichen.

An der Laufradscheibe kann eine ringförmige Platte zur Führung der Kühlluft in die Ausnehmungen 25 befestigt sein, wobei diese an den axialen Stirnflächen

der Halteelemente 17 angebracht ist und radial nach innen ragt, um einen axialen Abschluß der Räume 25 herzustellen.

Der Radscheibenrandtei! 16,4 ist so angeordnet, daß er sich mittig zwischen den axialen Enden der Halteelemente 17 befindet. Gewünschtenfalls. beispielsweise zum Zwecke der Steuerung der Kühlluftströmur.g kann der Radscheibenrandbereich jedoch auch näher zu den einen Enden der Halteelemente 17 hin angeordnet sein, derart, daß die Halteelemente nur an einer u> Stirnseite über den Radscheibenrandteil überstehen.

Die Aussparungen 24 brauchen nicht unbedingt schwalbenschwanzförmig zu sein, sondern können auch tannenbaumförmig sein, wobei die Flanken radial einwärts konvergent sind und zwei oder mehr Nuten π entlang der radialen Ausdehnung der Halteelemente vorgesehen sind, in welche entsprechende Rippen tannenbaumförmiger Schaufelfüße eingreifen.

Es werden hier keine speziellen Verfahren zur Herstellung der Schaufelhaltekonstruktion an der Laufradscheibe beschrieben, jedoch bieten sich zwei grundsätzliche Möglichkeiten an. Gemäß der ersten Möglichkeit kann die gesamte Laufradscheibe aus Vollmaterial herausbearbeitet werden, oder gemäß einer zweiten Möglichkeit können die Halteelemente und die Stege als gesonderte Teile gefertigt und anschließend durch Schweißen oder Hartlöten oder auf andere Weise am Laufradscheibenrand befestigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Laufrad für Strömungsmaschinen, mit einer einen Laufschaufelkranz tragenden Rastscheibe, wobei die Radscheibe mit quer über den Radscheibenrand verlaufenden länglichen Halteelementen versehen ist, die radial und axial über den Radscheibenrand überstehen und die Schaufelfüße lösbar an der Radscheibe haltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (125; 17) jeweils durch einen ebenfalls quer zum Radscheibenrand verlaufenden und axial über diesen überstehenden länglichen Verbindungssteg (124; 18, 19) mit der Radscheibe (120; 16) verbunden sind.