DE2542428A1

DE2542428A1 - Turbinenlaeufer

Info

Publication number: DE2542428A1
Application number: DE19752542428
Authority: DE
Inventors: Donald James Bandurick
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-09-23
Publication date: 1976-05-13
Also published as: SE411060B; US3957393A; GB1519818A; CA1030071A; DE2542428C2; IT1043684B; FR2289726A1; FR2289726B1; JPS5166919A; SE7510642L

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinentriebwerk und insbesondere die Läuferscheibe eines Turbinentriebwerkes mit den daran befestigten Seitenplatten.

Ein üblicher Turbinenläufer eines Gasturbinentriebwerkes hat eine Rotorwelle mit einer oder mehreren Scheiben und daran befestigten Laufschaufeln. Jede Scheibe hat mehrere Turbinen-.laufschaufeln, welche jeweils eine Wurzel aufweisen, die in eine 'entsprechende Wurzelaufnahmenut am Umfang der Scheibe eingesetzt ist. Die Scheibennuten verlaufen im wesentlichen in Axialrichtung und sind beidseitig der Turbinenscheibe offen. Eine Seitenplatte, welche mehrere Segmente aufweist, ist wenigstens an einer Seite der Scheibe mittels Nieten oder anderen geeigneten Mittel be-, festigt. Die Seitenplatte überdeckt die Schaufelwurzeln,um die 'Schaufeln axial zurückzuhalten und um ein Lecken des Arbeits-' mediums zwischen aufeinanderfolgenden Stufen entlang den Berührnngsflachen der Schaufelwurzeln und der Scheibennuten zu vermeiden. Bei vJalen Turbinen strömt Kühlluft durch die Scheibe zu der Wurzel einer jeden Turbinenschaufel und dabei dienen die Seitenplatten desweiteren zur axialen Abdichtung der Scheiben- ; nuten, um ein vorzeitiges Ausströmen der Kühlluft in den ', Strömungsweg des Arbeitmediums zu vermeiden.

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Jede Turbinenscheibe bildet einen tragenden Hauptbauteil des iLäufers. Bei der Rotation der Scheibe werden die Turbinenschaufeln und die an der Scheibe befestigten Seitenplatten durch Zentrifugalkräfte radial nach aussen gedruckt bis sie sich an zugeordneten Zurückhalteflächen der Scheibe anlegen. Die Wände der !Wurzelnuten dienen als Zurückhalteflächen für die Schaufeln !während mehrere Zurückhalteansätze für die Seitenplatten eine

radiale Bewegung der Seitenplatten vermeiden. Jeder Zurückhalteansatz hat eine bogenförmige Fläche, die radial nach innen in Richtung zur Drehachse des Läufers weist und an einer ent-

jsprechenden Tragfläche der Seitenplatte aufliegt. Infolge des !Hebelarmes zwischen der Grundfläche des Scheibenansatzes und dem !Berührungspunkt zwischen der Tragfläche der Seitmplatte und der j bogenförmigen Fläche des Ansatzes entsteht ein Biegmoment in idemselben. Bei modernen Gasturbinentriebwerken liegt die Drehjgeschwindigkeit des Rotors oft über 7500 Umdrehungen pro Minute ; und bei einem Versuch mit der üblichen Rotorbauweise konnte man I

[feststellen, dass eine Biegebeanspruchung von etwa 4080 kg/cm an der Grundfläche eines ieden Ansatzes der Scheibe auftritt.

j " i

j Diese Biegebeanspruchung ist proportional zu der Länge des oben

'"-erwähnten Hebelarmes. ,

Obschon die Nennbelastung immer kleiner ist als die Kriechfestigkeit des betreffenden Werkstoffes entstehen Ermüdungsrisse nach ; 'wiederholten Belastungsspielen bis zu einem vorbestimmten \ Belastungswert. Der Augenblick, an welchem die Rissbildung beginnt wird als niedrige Grenze der Widerstandsfähigkeit gegen Belastungswechsel bezeichnet, wobei jeder Belastungswechsel einen Start, einen Reiseflug und eine Landung umfasst. Bei einer maximalen

:Beanspruchung von 4080 kg/cm wie bei den erwähnten Versuchen j festgestellt wurde liegt die Lebensdauer der Scheibe bei etwa J1200 bis 1500 Belastungswechsel.

Es ist eine Vergrösserung der Lebensdauer der Turbinenscheibe erfaderlieh, um einen wirtschaftlichen Betrieb des Gasturbinentriebwerkes zu gewährleisten. Obschon Verlängerungen der Lebens-Idauer durch Verstärkung der "Werkstoffdicke möglich sind, versucht ijrnan die maxinale Beanspruchung an der Grundfläche der Halteanisätze für die Seitenplatten während dem Starten zu vermindern ohne

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. dadurch das Gesamtgewicht des Triebv;erkes zu vergrössern. ;

Die Aufgabe der Erfingung liegt darin die Lebensdauer des ^; Turbinenlaufers eines Gasturbinentriebwerkes zu verlängern und

insbesondere die maximale Beanspruchung einer Turbinenscheibe ^;

mit Halteansätzen für Seitenplatten zu verringern. |

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die Wahrscheinlichkeit ¹ für die Rissbildung in dem Bereich der Halteansätze für die Sitenplatten proportional zu dem Hebelarm zwischen der Grund- '

fläche der Scheibenansätze und der Auflagestelle der Seitenplatte •ist. Falls der Hebelarm kleiner wird, so nehmen die Beanspruchungen, "welche die Rissbildung begünstigen ab. Obschon bei einer üblichen

Ausführung der Hebelarm vernachlässigbar klein erscheint, kann i ; uoch die Lebensdauer der Turbinenscheiben um das Mehrfache ver- ' längert werden entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung ^;

: ohne Verstärkung der Dicke des Ansatzwerkstoffes. !

Entsprechend der Erfindung hat jedes Segment der Seitenplatte i eine schräge Auflagefläche, die in Radialrichtung nach aussen weist und alle Segmente sind an einer Turbinenscheibe befestigt, ! die eine Drehachse und eine dazu senkrechte Fläche aiifvELst. ' Mehrere Halteansätze für die Seitenplatte sind an der Scheibe ! ausgebildet und jeder Ansatz hat eine bogenförmige Fläche, ; die im wesentlichen nach innen zur Drehachse der Scheibe gerichtet ist. Die Seitenplatte liegen an den Halteansätzen an zur radialen Zurückhaltung derselben während dem Betrieb des Triebwerkes.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung liegt in der Auflagefläche eines jeden Segmentes der Seitenplatte, die im wesentlichen radial nach aussen weist und schräg zur Achse der Scheibe verläuft. Die radial äusserste Stelle der Auflagefläche liegt dabei in nächster Nähe [ der senkrechten Fläche der Scheibe. Ein anderes Merkmal der Erfindung liegt in der Hinterschneidung der Uebergangsstelle der senkrechten Fläche auf die bogenförmige Fläche der Halteansa.tze für dfeiSeitenplatten. Jede Seitenplatte hat eine Dichtfläche, die der senkrechten Fläche der Scheibe zugewandt ist und zusammen mit derselben das Lecken von Kühlluft aus den Wurzelschlitzen vermeidet, die am Umfang der Scheibe, angeordnet sind.

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Ein Hauptvorteil der Erfindung liegt in der Verminderung der Beanspruchung infolge des kleineren Hebelarmes zischen der Auflage ■ stelle der Seitenplatten auf den zugeordneten Ansätzen und der . Grundfläche der Ansätze. Durch die Zusammenwirkung der schrägen !Flächen der Seitenplatten mit den bogenförmigen Flächen der i Ansätze v/erden die Seitenplatten gegen die zugeordnete Scheiben- !fläche gedruckt. Dadurch werden die Wurzelaufnahmeschlitze der Scheibe axial abgedichtet.

;Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen ι dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben, es ;zeigen:

j Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teiles der Turbine eines ,Gasturbinentriebwerkes wobei Seitenplatten an der vorderen und j an der hinteren Seite einer Turbinenscheibe befestigt sind.

j Fig. 2 eine teilweise Seitenansicht des Turbinenläufers in j Richtung der Pfeile 2-2-nach Fig. 1.

;Fig.3 eine vergrösserte Schnittansicht der Berührungsstelle

¹ zwischen einer Seitenplatte und der Scheibe nach Fig. 1.

Ein Teil der Turbine eines Gasturbinentriebwerkes ist in Fig. 1 ! im Schnitt dargestellt. Leitschaufeln 10 sind am Stator 12 j befestigt und bilden den Turbinenleitapparat· Ein Teil eines j Turbinenläufers 14 ist stromabwärts des Leitapparates dargestellt. ] Mehrere Turbinenleitschaufeln 16 sind an der Turbinenscheibe 18 !

befestigt. Die Turbinenscheibe ist um eine Achse 20 drehbar und j hat eine vordere Fläche 22 sowie eine hintere Fläche 24. Diese ' Flächen sind senkrecht zu der Achse 20. Seitenplatten 26 aus J !mehreren Segmenten sind an der Scheibe mittels Niete 28 befestigt.

j Wie in Figur 2 dargestellt ist hat jede Turbinenschaufel eine

[Wurzel 30, die in eine entsprechende Wurzelnut 32 in der Turbinenscheibe eingesetzt ist. Die Schaufel hat desweiteren eine Plattform 34, welche über dem Rand 36 der Scheibe liegt. Benachbarte j Schaufelplattformen und Wurzeln bilden einen Plattformhohlraum 38.

¹ Mehrere Halteansätze 40 für die Seitenplatten sind an der Scheibe

■vorgesehen und haben jeweils eine der Achse der Turbinenschebe zugewandte bogenförmige Fläche 42. Die Scheibe 18 hat eine die

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j bogenförmigen Flächen 42 der Halteansätze 40 hinterschneidende

; Umfangsnut 44, wie in Figur 3 dargestellt ist. Jede Seitenplatte

S 26 hat eine schräge Auflagefläche 46, die mit einem oder
I mehreren Scheibenansätzen zusammenwirkt. Die schräge Fläche
bildet einen Winkel & mit der bogenförmigen Fläche 42 eines
jeden zugeordneten Ansatzes. Die Turbinenscheibe ist der
tragende Hauptteil des Läufers und er dient zur Uebertragung
ider Zentrifugalbelastung. Die Turbinenschaufeln und die an der ' ι Scheibe befestigten Seitenplatten werden durch die Zentrifugal- j i kräfte während der Rotation des Läufers radial nach aussen ge- !

drückt bis sie sich gegen zugeordnete Flächen der Scheibe anlegen, ι In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dienen die Wurzelaufnahme·- ' j nuten 32 zum Zurückhalten der Turbinenschaufeln und die Scheiben- '■ ! ' ■ _m ι

Iansätze 40 dienen zum Zurückhalten der Seitenplatten. Die Scheibe ■

' I

j und die Befestigungsweise der Schaufeln entspricht im wesentlichen! ι [

'den bekannten Ausführungen, unterscheidet sich jedoch von den- !

!selben darin, dass die Auflageflächen 46 der Seitenplatten, die I I an den Scheibenansätzen aufliegen', in einem Winkel θ zu den bogen- j ! förmigen Flächen der Ansätze geneigt sind. Ausserdem ist die ;

■ 1

!bogenförmige Fläche eines jeden Ansatzes hinterschnitten, wie !

^! in Figur 3 dargestellt ist, zur Aufnahme des radial äussersten i

Teiles der Seitenplattenflache. i

Bei modernen Gasturbinentriebwerken dreht der Läufer mit mehr ;

als 7500 Umdrehungen pro Minute. Die dabei an den Seitenplatten ■

• auftretenden Fliehkräfte werden auf die Scheibenansätze über- j üagen. Diese Kräfte greifen an dem Berührungspunkt zwischen den

Seitenplatten und den Scheibenansätzen an und bewirken eine i Biegebeanspruchung an der Grundfläche der Scheibenansätze. Bei

den bekannten Ausführungen, wo die Auflageflächen der Seiten- ;

; j

;platten im wesentlichen parallel zu den bogenförmigen Flächen ]

der Ansätze verlaufen wird der Hebelarm M, an welchem die !

'- Zurückhaltekräfte angreifen zwischen der Grundfläche der Ansätze :

und dem Zentrum der Auflageflächen gemessen, wie in Figur 3 . ,

dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend der j

iErfindung ist die Länge des Hebelarmes M₂ wesentlich kleiner j

I im VeigLeich zu dem Hebelarm M₁ durch Neigung der Auflageflächen j

J-, I

^f der Seitenplatten in einen Winkel & zu den bogenförmigen j iFlächen der Halteansätze. !

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Bei einem bekannten Läufer mit dem Hebelarm M, konnte man eine
: maximale Biegebelastung von 4080 kg/cm² an der Grundfläche
^:eines jeden Scheibenansatzes während dem Start messen. Bei dieser
maximalen Belastung hat die bekannte Ausführungsform eine kleine
Lebensdauer von etwa 1200 bis 1400 Belastungswechsel, wobei jeder
Belastungswechsel einen Start, einanReiseflug und eine Landung
umfasst. Der gleiche Läufer mit derselben Dicke des Ansatzes
jedoch mit der Nut 44, wie in Figur 3 dargestellt ist, und mit den verbesserten Seitenplatten d.h. mit Seitenplatten deren Auflageflächen in einem Winkel von 6° zu den bogenförmigen Flächen
der Scheibenansätze geneigt sind wurde unter den gleichen

Bedingungen getestet und dabei wurde eine maximale Beanspruchung

ο
von 2290 kg/cm an der Grundflache eines jeden Ansatzes gemessen. , Dadurch wird die Lebensdauer der verbesserten Scheibe mit ! gleicher Ansatzdicke auf etwa 7000 bis 8000Belastungswechsel
verlängert. Ein Winkel von 6° gewährleistet zufriedenstellende
Ergebnisse, es ist jedoch zu erwarten, dass ein Winkel zwischen , 2° und 10 ähnliche Belastungsverminderungen ermöglicht. j

Zusätzlich zu der Verminderung der Wahrscheinlichkeit für die ; Rissbildung an den Scheibenansätzen wird durch doe Erfindung. j . die Abdichtung der Seitenplatten in dem Bereich der Wurzel- '■ - aufnahmenuten verbessert. Ein wesentlicher Zweck der Seitenplatten' liegt in der Vermeidung einer Luftströmung längs den Grenzflächen : zwischen den Schaufelwurzeln und den Wurzehuten in der Scheibe \ in Richtung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der j .Scheibe. Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Erfindung
drücken die an den Berührungsstellen zwischen den schrägen Auflageflächen 46 der Seitenplatten und der bogenförmigen Flächen ' 42 der Festhalteansätze angreifenden Zentrifugalkräfte die Seiten-; platten in Axialrichtung gegen die zugeordnete senkrechte Fläche
der Scheibe. Die durch die Seitenplatten auf die senkrechte
Fläche der Scheibe ausgeübten Axialkräfte halten die Seitenplatten
in flacher Anlage an der Scheibe und verbessern dadurch die
Abdichtung in dem Bereich der Wurzelaufnahmenuten der Scheibe»
Durch dieses axiale Anpressen der Seitenplatten erhält man einen

weiteren Vorteil. Bei der üblichen Läuferbauweise beträgt die

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Zugspannung in den Nieten 28 etwa 653Ο kg/cm . Entsprechend dem

bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Zugbelastung

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2 in den Nieten auf etwa 5620 kg/cm herabgesetzt werden.

Die Hinterschneidungsnut 44 nimmt den radial Hussersten Teil der schrägen Auflagefläche der zugeordneten Seitenplatte auf. Dementsprechend vermindert die Hinterschneidungsnut die Spannungskonzentration an der Uebergangsstelle zvjischen der Seitenfläche der Scheibe und der bogenförmigen Fläche des Ansatzes, obschon dte Belastung schon wesentlich durch dier ; Verkürzung der Hebelarme herabgesetzt ist.

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Claims

Patentansprüche

l.j Turbinenläufer mit einer Turbinenscheibe,die mehrere ¹ Schaufelwurzelaufnahmenuten an ihrem Umfang aufweist sowie mit !mehreren Halteansätzen an wenigstens einer Seite versehen ist, ;wobei jeder Ansatz zwischen benachbarten Wurzelaufnahmenuten !ausgebildet ist und eine bogenförmige Fläche aufweist, die im j wesentlichen nach innen zur Drehachse des Rotors weist, mit mehre- :ren Turbinenlaufschaufeln, welche jeweils eine Wurzel aufweisen,

j die in eine Wurzelaufnahmenut eingesetzt ist, und mit mehreren

;an der einen Seite der Scheibe befestigten Seitenplatten, die ;jeweils eine Auflagefläche aufweisen, welche an einer oder ^mehreren bogenförmigen Flächen der Scheibenansätze während der ^;Rotation des Läufers aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass :die Aufiageflachen (46) der Seitenplatten (26) schräg sind und ι ihr radial äusserster Teil näher an der Seitenfläche der Scheibe (18) als ihr radial innerster Teil liegt.

|2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass •die Auflageflächen (46) der Seitenplatten (26) einen Winkel von etwa 2° bis 10°, vorzugsweise 6 in Bezug auf die Drehachse

(20) aufweist.

3. Läufer nach Anspruch l.-oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (18) eine die bogenförmigen Flächen (42) der Ansätze (18) an der Uebergangsstelle zwischen den bogenförmigen Flächen (42) und der Scheibenstirnfläche hinterschneidende Nut (44) aufweist.

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