DE2605337A1

DE2605337A1 - Rotorscheibe fuer turbinentriebwerk sowie verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2605337A1
Application number: DE19762605337
Authority: DE
Inventors: Cornelius Vickers Sundt
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-03-03
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1976-09-23
Also published as: FR2303163B1; BE838917A; DK52776A; DK138859C; AU1084276A; GB1539790A; FR2303163A1; IT1056764B; SE7602205L; US3970412A; CH607640A5; BR7601258A; IL48985A0; JPS51113012A; NL7601109A; CA1050893A; PL117413B1; AR207884A1; DK138859B; JPS5925844B2

Description

j Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und ins- ' [ besondere auf eine Vorrichtung zur Befestigung der Gebläse- i

. schaufeln eines Mantelstromtriebwerkes. '

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j Das Mantelstromtriebwerk findet zur Zeit eine sehr weite ! I Anwendung als Antriebsmotor für grosse Flugzeuge. Im Gegensatz ; zu dem üblichen Turbinenstrahltriebwerk wird bei einem Mantel- ^: Stromtriebwerk ein Teil des Arbeitsmediums axial durch eine oder

mehrere Verdichterstufen gepumpt und strömt dann wieder ins Freie ; ohne das eigentliche Triebwerk zu durchströmen. Die Verdichterstufen, welche wieder ins Freie führen werden als Gebläsestufen j bezeichnet und befinden sich üblicherweise am vorderen Ende des j Triebwerkes. Das Verhältnis der durch die Gebläsestufen strömenj den Luft zu der durch das eigentliche Triebwerk strömenden Luft j wird als Bypassverhältnis bezeichnet. Das Bypassverhältnis kann

verschieden sein für jede Triebwerksbauart und zwar in Abhängigkeit der jeweils benötigten Leistung. In allen Mantelstrom- j triebwerken tragen die Gebläsestufen jedoch wesentlich zur Schub- : erzeugung bei. Die Schuberzeugung der Gebläsestufen liegt beim .

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[ Starten etwa zwischen 30 und 75% des gesamten TriebwerksSchubes. Die jeweilige Schuberzeugung durch die Gebläsestufen hängt im

wesentlichen von dem Bypassverhältnis ab. i

! Die Grosse und das Gewicht der Gebläsestufen verändert sich proportional zu dem Bypassverhältnis. In einem typischen Triebwerk, z.B. dem Triebwerk JT9D, welches von Pratt & Whitney ' Aircraft hergestellt wird, beträgt das Bypassverhältnis etwa 5. . Obschon die Schaufeln und die Rotorscheibe der Gebläsestufen ; des JT9D Triebwerkes aus Titan hergestellt sind, wiegen die " Schaufeln etwa 200 kg und die Rotor scheibe wiegt etwa 210 kg. Die meisten Mantel Stromtriebwerke, welche heute in Gebrauch ; sind erzeugen einen verhältnismässig grossen Schub beim . ; Starten und haben Gebläsescheiben, welche in ihrer Grosse \ denjenigen des JT9D Triebwerkes entsprechen. Eine massive \ Gebläserotorscheibe ist erforderlich zur Verteilung der Ring- ; spannung in der Scheibe, welche entsteht falls die Schaufeln und die Scheiben mit Geschwindigkeiten von über 3200 Umdrehungen pro Minute während dem Betrieb des Triebwerkes laufen. Des- ! weiteren hat die Scheibe eine ausreichende Torsions- und Biegesteifheit, um unter den kritischen Schwingungsbelastungen Verformungen zu vermeiden. ·

Im Vergleich zu einem üblichen Turbinenstrahltriebwerk mit gleicher Schuberzeugung liegt der Hauptvorteil des Mantelstromtriebwerkes in seiner verhältnismässig niedrigen Lärmerζeugung. Diese niedrige Lärmerzeugung ist möglich durch Verringerung der Scherturbulenz zwischen den Auslassgasen und der Umgebungsluft. Zur Vergrösserung des Bypassverhältnisses wird kinetische Energie von dem Kernstrom abgeleitet zum Antrieb der Gebläsestufen. Dementsprechend ist die Strömungsgeschwindigkeit der Kernströmung kleiner und man erhält dementsprechend eine geringere Scherturbulenz.

Zur Erzeugung noch grösserer Leistungen können Triebwerke ! mit grossen Bypassverhältnissen entwickelt werden wozu die Ab- [ messungen der Gebläsebauteile zu vergrössern sind. Dies ist ■ jedoch nur möglich falls das Gewicht der— Gebläsescheibe verringert werden kann, ohne die sichere Befestigung der Schaufeln

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- 3 an der Scheibe zu gefährden.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin die Befestigung der Schaufeln der Gebläsestufen eines Turbinentriebwerkes zu verbessern.

Entsprechend der Erfindung hat die Scheibe, an welcher die Schaufeln wenigstens einer Stufe eines Gasturbxnentrxebwerkes befestigt sind, eine geschlossene U-Form. Die geschlossene U-Form erhält man durch Einarbeiten einer in Umfangsrichtung verlaufenden Aussparung in den äusseren Umfang der Scheibe zwecks Bildung eines vorderen und eines hinteren Steges. Mehrere bogenförmige Stopfen liegen, Ende an Ende zwischen dem vorderen und dem hinteren Steg am Umfang der Scheibe zur Bildung eines Ringes mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Die bogenförmigen Stopfen sind an dem vorderen und dem hinteren Steg befestigt und mehrere Schaufelaufnahmeschlitze sind am Umfang der Scheibe vorgesehen und verlaufen durch den vorderen und den hinteren Steg und durch die zwischen denselben angeordneten bogenförmigen Stopfen.

Ein wesentliches Merkmal der Ausführungsform entsprechend der Erfindung ist die Lage der Verbindung zwischen den Stegen und den bogenförmigen Stopfen, welche nicht von der Ringspannung der Scheibe belastet ist, da die Schaufelaufnahmeschlitze bis hinter die inneren Umfangsflachen der bogenförmigen Stopfen ragen. Ein anderes wesentliches Merkmal ist das Verhältnis der radialen Länge der Stege zu dem axialen Abstand zwischen dem vorderen und dem hinteren Steg. Dieses Verhältnis ist derart bemessen, damit man eine Torsions- und Biegesteifheit erhält, die die Verformung der Schaufeln unter der Schwindungsbelastung während dem Betrieb des Triebwerkes begrenzt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in dem wesentlich kleineren Gewicht der Rotorscheibe infolge seiner hohlen Bauweise. Gleichfalls kann auch der Durchmesser der Welle des Gasturbxnentrxebwerkes bei gleichbleibender kritischer Drehzahl verkleinert werden, da diese Welle eine Scheibe von kleinerem Gewicht trägt.

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

ι Figur 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Mantelstromtrieb- ■ Werkes, teiLweise weggebrochen zur Darstellung eines Teiles des Gebläses im Schnitt.

Figur 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 nach Figur 1. Figur 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 nach Figur 2.

Ein Mantelstromtriebwerk 10 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Das Triebwerk hat ein Gebläsegehäuse 12, das teilweise weggebrochen ist zur Darstellung des Gebläses 14. Das Gehäuse 14 hat mehrere Gebläseschaufeln 16, die an einer Gebläserotorscheibe 18 befestigt ist. Der innere Teil der Scheibe sitzt auf einer Welle 20 des Triebwerksrotors. Wie in Figur 2 darge- ! stellt ist, hat jede Gebläseschaufel 16 eine Wurzel 22, die in eine entsprechende Wurzelaufnahmenut 24 in der Rotorscheibe 18 eingesetzt ist. Die Rotorscheibe 13 hat einen vorderen Steg 26, ; einen hinteren Steg 28 und einen Unterteil 30 (siehe Figur 3). j Ein bogenförmiger Stopfen 32 mit einer inneren Umfangswand 34 \ verbindet den vorderen Steg mit dem hinteren Steg an dem j ausseren Umfang 38 der Scheibe. j

Die Rotorscheibe besteht aus einer massiven Bauweise zum Tragen der Laufschaufelreihe. In dem JT9D Mantelstromtriebwerk sind · 46 Schaufeln, wovon jede etwa 4,5 kg wiegt, an der Rotorscheibe befestigt, die mit mehr als 3200 Umdrehungen pro Minute läuft. Während dem Betrieb des Triebwerkes werden die Schaufeln durch die Zentrifugalkräfte radial nach aussen gedrückt und dementsprechend erzeugen die Schaufeln zusammen in der Scheibe eine Ringspannung. Die maximale Ringspannung wird durch Auswahl eines geeigneten Materialquerschnittes an jeder Stelle auf einem zulässigen Wert gehalten. j

Neben der erforderlichen Bemessung des Materialquerschnittes zur Aufnahme der Ringbelastung muss die Rotorscheibe auch noch eine ausreichende Torsions- und Biegesteifheit aufweisen, damit

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die kritische Schwingungsfrequenz überhalb dem Betriebsbereich , des Triebwerkes liegt. Falls kritische Schwingungen auftreten so werden verschiedene Bereiche der Rotorscheibe in Axial— ; richtung nach vorne und nach hinten verformt wodurch sowohl Biege- als auch Torsionsbelastungen in der Rotorscheibe auftreten. Sehr starke, und meistenfalls Beschädigungen verursachende, Biegebelastungen treten in den Schaufeln auf falls die Schaufeln die Verformungen der Rotorscheibe mitmachen. In üblichen Ausführungen wird die axiale Dicke und der Querschnitt einer ■ massiven Scheibe verstärkt, um die erforderliche Steifheit zu gewährleisten. Der erforderliche Querschnitt für die benötigte ^: Torsions- und Biegesteifheit ist grosser als der Querschnitt zur Verteilung der Ringspannung und dementsprechend wäre eine Gewichtsvergrosserung der Rotorscheibe unumgänglich. Dies wird entsprechend der Erfindung durch eine bessere Scheibenbauweise vermieden. j

In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist ein minimaler Querschnitt dargestellt, welcher erforderlich ist zur Herab- ! Setzung der maximalen Ringspannung auf einen zulässigen Wert. Der minimale Querschnitt ist derart geformt, um die erwünschte j Torsions- und Biegesteifheit zu gewährleisten. Die kastenförmige j Bauweise mit dem vorderen Steg 26 und dem hinteren Steg 28 ^: ! hat die erforderliche Steifheit. Der vordere und der hintere , Steg sind um ein axiales Mass A voneinander getrennt und haben ! eine radiale Länge B, wie in Figur 3 dargestellt ist. Bei der ; Kofcorscheibe des JT9D Triebwerkes beträgt das Verhältnis des ' axialen Masses zu der radialen Länge A/B etwa 0,7. Man bevorzugt ι ein Verhältnis zwischen o,4 und 1,0. Dieses Verhältnis ist ■: geeignet für die üHichen Triebwerksausführungen. Obschon bei einem

j Verhältnis grosser als 1,0 die Biegesteifheit noch verbessert

j wird, ist das axiale Mass A jedoch durch die Breite der Blattwurzel beschränkt, welche für jedes Triebwerk bestimmt wird, um eine Schaufel mit optimaler Festigkeit und optimalem Gewicht zu erhalten. Obschon die massiven Gebläserotorscheiben der be- ^;

kannten Ausführungen aus Titan hergestellt sind kann das Gewicht der Laufscheibe und dementsprechend das Gewicht des gesamten | Triebwerkes wesentlich herabgesetzt werden durch Verwenden einer Scheibe mit geschlossenem U-Querschnitt entsprechend der Erfindung.

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In dem JT9D Triebwerk und in anderen, ähnlichen Triebwerken j kann das Gewicht der Lauf scheibe um etwa 45 kg herabgesetzt · werden. Infolge dieser Verringerung des Scheibengewichts können auch die zugeordneten Abstützteile leichter ausgeführt werden und ' der Durchmesser der Antriebswelle kann kleiner sein unter Bei- !

behaltung der gleichen kritischen Drehzahl. ■

Zur Herstellung der erfindungsgemässen Gebläsescheibe 18 wird zuerst eine Aussparung in den äusseren Umfang der Scheibe einge- ' arbeitet, um die U-Form mit dem vorderen Steg 26 und dem hinteren Steg 28 am Umfang der Scheibe herzustellen. Zwei oder mehrere j bogenförmige Stopfen 32 werden dann Ende an Ende in die Aussparung zwischen den vorderen und den hinteren Steg am Umfang der Scheibe eingesetzt und mit den Stegen verbunden zwecks Herstellung einer Ringform mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Die bogenförmigen Stopfen können an dem vorderen und an dem hinteren Steg an den Stellen 38 festgeschweisst werden, wie in Figur 3 dargestellt ist. Die Befestigung kann ebenfalls durch Diffusionsschweissen, Verlöten oder auf andere Art und Weise erfolgen. Mechanische Befestigungsmittel wie z.B. Bolzen oder Niete vergrössern das Gewicht der Scheibe jedoch können solche Befestigungsmittel bei einigen Ausführungen vorteilhaft sein zur Befestigung der Stopfen an den Stegen. Die befestigten, bogenförmigen Stopfen vergrössern die Steifheit der Scheibe und die Widerstandsfähigkeit gegen axiale Verformungen unter Schwingungsbelastungen.

Wie in Figur 2 dargestellt ist sind die Schlitze 24 zum Aufnehmen der Blattwurzeln in den Umfang 36 der Scheibe 18 bis zu einer Tiefe radial innerhalb der Umfangsflache 34 der Stopfen 32 eingearbeitet. Dementsprechend wird die Verbindung zwischen den Stopfen und dem vorderen sowie dem hinteren Steg der Scheibe keinen Umfangsbelastungen ausgesetzt. Falls zwei oder mehrere Stopfen 34 verwendet werden so liegen die einander zugewandten Enden benachbarter Segmente an der Stelle eines Schaufelaufnahmeschlitzes 24.

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Claims

Patentansprüche |

ΓΐJ Rotor für ein Turbinentriebwerk mit einer Rotorscheibe ^: " und mehreren Laufschaufeln, welche von axialen Schlitzen in der

Scheibe radial nach aussen ragen, dadurch gekennzeichnet, dass

die Rotorscheibe (18) einen vorderen Steg (26) und einen ! hinteren Steg (28) aufweist, die über einen oder mehrere bogenförmige Stopfen (32) miteinander verbunden sind der am Umfang
der Scheibe vorgesehen ist und dass die Schaufelaufnahmeschlitze
(24) durch die Stege und den Stopfen eingearbeitet sind. j

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder | die Stopfen (32) eine innere Umfangsflache (34) aufweist bzw. j weisen und dass die Schaufelaufnahmeschlitze (24) vom äusseren '

ι umfang (36) der Rotorscheibe (18) bis zu einer Tiefe radial j innerhalb der inneren Umfangsfläche des Stopfens oder der | Stopfen eingearbeitet sind.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der vordere Steg (26) von dem hinteren Steg (28) um ein
Mass (A) in axialem Abstand angeordnet ist, dass der vordere
Steg und der hintere Steg eine radiale Länge (B) aufweisen,
und dass das Verhältnis des axialen Masses zu der radialen

! Länge (A/B) zwischen 0,4 und 1,0 liegt.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Verhältnis (A/B) etwa 0,7 beträgt. ;

5. Verfahren zur Herstellung einer Rotorscheibe nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Umfangsrichtung ver- \ laufende Aussparung in den äusseren Umfang der Scheibe (18) eingearbeitet wird zur Herstellung einer Scheibe mit einem vorderen
Steg (26) und einem hinteren Steg (28) , dass mehrere bogenförmige Stopfen (32) in die Aussparung Ende an Ende eingeführt
werden zur Bildung einer Ringform mit im wesentlichen recht- ; eckigem Querschnitt, dass die bogenförmigen Stopfen an dem j vorderen Steg und an dem'hinteren Steg am Umfang der Scheibe
befestigt werden, und dass mehrere Schaufelaufnahmeschlitze (24)
am Umfang der Scheibe durch den vorderen und den hinteren Steg
und durch ein oder mehrere Stopfen eingearbeitet werden, so dass

der radial innere Bereich eines jeden Schlitzes radial innerhalb
dem inneren Umfang (34) der Stopfen liegt.

fc- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schlitze (24) im wesentlichen in Axialrichtung in den Umfang der

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Scheibe (18) eingearbeitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6_r dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (24) derart in Umfangsrichtung angeordnet werden, dass jeweils ein Schlitz an jede Uebergangsstelle zwischen zwei benachbarten, bogenförmigen Stopfen (32) zu liegen kommt.

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