DE2841131A1

DE2841131A1 - Rotor fuer gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2841131A1
Application number: DE19782841131
Authority: DE
Inventors: Claude Dubois; Jean Marc Surdi
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1978-09-21
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB2005359A; DE2841131C2; US4277225A; FR2404134B1; FR2404134A1; GB2005359B

Description

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D¹AVIATION
(S.N.E.C.M.A.)
2, Boulevard Victor
F-75015 Paris / Frankreich

Rotor für Gasturbinentriebwerk.

Die Erfindung betrifft einen Rotor für Gasturbinentriebwerke und die Mittel zum festen Verbinden der Schaufeln mit diesem und ist besonders vorteilhaft zur Anwendung für die Herstellung von Axialverdichtern.

Verdichter dieser Art, die vor allem in Turbinenluftstrahltriebwerken verwendet werden, werden durch einen Rotor gebildet, der eine Folge von Scheiben aufweist, welche die Schaufeln von verschiedenen Stufen tragen, die voneinander durch die ringförmigen Elemente so getrennt sind, daß zwischen zwei benachbarten Stufen ein Raum besteht, in welchen die Schaufeln der mit einem festen Teil fest verbundenen Statorstufen eingreifen.

Die Erfindung ist zur Anwendung auf Rotoren geeignet, deren die Schaufeln tragenden Scheiben alle den gleichen Durchmesser haben und deren zwischen diesen angeordneten ringförmigen Elemente ebenfalls alle einen gleichen Durchmesser haben, der geringer als der vorgenannte ist. Diese Rotoren können aus einem Stück bestehend sein, d.h. entweder aus einer

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einteiligen Trommel gebildet werden, bei welcher die ringförmigen Elemente Nuten sind, die durch Bearbeitung hergestellt worden sind, oder eine abwechselnde Folge von Scheiben und ringförmigen Elementen, die miteinander durch Verschweissung oder Aufpressen vereinigt sind, wobei die ringförmigen Elemente von kleinerem Durchmesser als Verstrebungen dienen und ausbaubar hergestellt sein können, in welchem Falle die Gesamtheit der Scheiben und der ringförmigen Elemente beispielsweise durch Zugstangen fest miteinander verbunden sind. Die Konvergenz des GasStroms für den Verdichter wird in der Hauptsache dadurch gewährleistet, daß der Durchmesser des Statorteils in Stromrichtung abnimmt, und/oder gegebenenfalls durch die Lage der Plattformen mit bezug auf die Nuten der Scheiben.

Bei den bekannten Äxialverdichtern sind die Schaufeln mit der Trommel gewöhnlich einzeln fest verbunden. Zu diesem Zweck sind die die Schaufeln tragenden Scheiben mit Ausnehmungen versehen, die regelmässig verteilt sind und deren Zahl gleich derjenigen der Schaufeln sind, deren Form für das Zusammenwirken mit dem Profil des Schaufelfußes bestimmt wird, um die radiale Feststellung der Schaufel sicherzustellen, beispielsweise durch eine Befestigung mit schwalbenschwanzförmigem Eingriff. Hinsichtlich der axialen Feststellung der Schaufeln oder allgemeiner die Feststellung gegen Querbewegung des Schaufelfußes mit bezug auf seine Ausnehmung, wenn diese nicht axial ist, wird diese Feststellung meistens durch ein Kugel-Stift- oder Klammernsystem usw. gewährleistet.

Es ist ferner bekannt, die axiale Feststellung der Schaufeln durch Verstrebungsvorrichtungen sicherzustellen, welch letztere Befestigungsanordnung durch die Erfindung verbessert

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werden soll.

Der Rotor eines Verdichters zur Anwendung der Erfindung
wird durch eine zerlegbare oder nicht zerlegbare abwechselnde Stapelung von Scheiben und ringförmigen Elementen gebildet, deren Aussendurchmesser kleiner als derjenige
der Scheiben ist. Bei einer bevorzugten Lösung haben die Scheiben alle den gleichen Aussendurchmesser. Die Scheiben weisen je eine gleiche Anzahl Ausnehmungen von axialer
Richtung für die Schaufelfüße auf, die in Ausfluchtung
von dem einen Ende des Rotors zum anderen angeordnet sind und die eine Reihe von regelmäßig über den Umfang des
Rotors verteilten Nuten gebildet werden. Die Dicke einer Schaufelträgerscheibe ist, axial gesehen, größer als die Länge der Ritzel der Schaufel, die von diesem aufgenommen werden soll. Bei eingesetzter Schaufel besteht daher zu
beiden Seiten ihres Fußes ein Ausnehmungsteil, in welchen ein Vorsprung einer Verstrebung eingreift, der die Form
eines Schaufelfußes hat und der daher in der Ausnehmung der Scheibe radial unbeweglich ist. Jede Verstrebung besitzt eine Plattform und zwei Vorsprünge, je eine an jedem Ende, die axial mit bezug auf den Rotor ausgerichtet sind. Das Einsetzen der Beschaufelung geschieht bei einem solchen Rotor in einfacher Weise. Nachdem die Flügel der stromabwärtsseitigen Stufe eingesetzt und gegen eine Bewegung in Stromrichtung durch einen vom Rotor getragenen Ring festgestellt worden sind, werden anschließend die Verstrebungen eingesetzt, von denen einer der Vorsprünge in einer Schaufelausnehmung der stromabwärtsseitigen Stufe Platz nimmt, während der andere Vorsprung in die Schaufelausnehmung, die sich mit der vorangehenden in Ausfluchtung befindet, der unmittelbar stromaufwärtsseitigen Stufe eintritt. Nachdem die Plattformen der Verstrebungen einmal eingesetzt worden sind, bilden sie einen im wesentlichen kontinuierlichen Ring,

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der den Gasstrom begrenzt, und sie können gegebenenfalls die Rippen tragen, die zur Zusammenwirkung mit einem Statorelement bestimmt sind, um eine Labyrinthdichtung zu bilden. Die Schaufeln der Stufe, die unmittelbar stromaufwärtsseitig der eingebauten Stufe kommt, werden sodann so eingesetzt, daß sich diese gegen die Vorsprünge der vorher angebrachten Verstrebungen abstützen und so weiter. Die Verriegelung der Gesamtheit der einmal eingebauten Stufen wird durch das Einsetzen eines Ringes sichergestellt, gegen den die stromaufwärtsseitige Fläche der Schaufelfüße der stromaufwartsseitigen Stufe des Verdichters zur Abstützung kommen. Jede Schaufel weist oberhalb ihres Fußes eine Plattform auf, wobei die Gesamtheit der Plattformen der Schaufeln einer Stufe nach dem Einsetzen ebenfalls einen im wesentlichen kontinuierlichen Kranz bildet. Eine solche Schaufelbefestigungsanordnung ist im Rahmen eines Leichtbaurotors aus Fasermaterial in dem französischen Patent 2.143.561 beschrieben.

Im Falle von metallischen Rotoren und insbesondere zur Anwendung auf dem Gebiet der Luftfahrt, bei welchen es den Konstrukteuren ständig daran gelegen ist, die Massen zu verringern, wurde vorgeschlagen, um den Verdichter leichter zu machen, die Dicke der Scheiben, auf denen die Schaufeln befestigt sind, zu verringern. In dem Falle, in welchem die Befestigung der Schaufel durch Verstrebungen in der vorangehend beschriebenen V7eise geschieht, ist dieser Vorschlag nicht ohne Gefahr, da er eine Verminderung der Eingriffslänge der Vorsprünge der Verstrebungen nach sich zieht. Es kann daher bei einem Zusammenbau, bei welchem die Folge von Toleranzen ungünstig ist, geschehen, daß eine Verstrebung während der- Drehung ausgestoßen wird, was allerlei Folgen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen metalli-

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sehen Rotor der erwähnten Art zu entwickeln, bei welchem die Dicke der schaufeltragenden Scheiben auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist/ d.h. im wesentlichen auf die axiale Länge eines Schaufelfußes, bei dem jedoch der vorerwähnte Nachteil besteht. Für diesen Zweck weist jede Schaufelträgerscheibe zwei Reihen von axialen Nuten auf, die regelmässig verteilt sind und deren Zahl gleich derjenigen der Schaufeln ist, wobei die Nuten ein- und derselben Reihe von dem einen Ende des Rotors zum anderen ausgerichtet sind. Die Nuten der ersten Reihe haben ein Profil, das zurAufnähme je eines Schaufelfußes angepaßt ist. Die Nuten der zweiten Reihe, die sich zwischen den anderen befinden, haben ein Profil, das zur Aufnahme der identischen Verstrebungsvorsprünge geeignet ist, deren Zahl gleich derjenigen der Schaufel ist und die axiale Feststellung der Schaufel dank einer Plattform sicherstellen. Die Profile der Nuten der ersten und der zweiten Reihe sind derart, daß sie mit den Schaufelfüßen bzw. mit den VorSprüngen der Verstrebungen zusammenwirken, um eine schwalbenschwanzähnliche Verbindung zu gewährleisten, die jede radiale Bewegung der Schaufeln oder der Verstrebungen mit bezug auf den Rotor verhindern.

Die axiale Halterung der Schaufeln geschieht daher nicht mehr durch die Verstrebungen, sondern direkt durch die Plattformen derselben. Zu diesem Zweck erstreckt sich jede Plattform im wesentlichen in der Umfangsrichtung mit bezug auf den Rotor über eine Länge, die gleich der Teilung der Reihe von für den Fuß der Schaufeln bestimmten Ausnehmungen und zwar symmetrisch zur axialen Mittelebene der Vorsprünge ist. Diese Anordnung ermöglicht daher die Beibehaltung einer ausreichenden Länge für die Verstrebungsvorsprünge, um ihre Halterung zu gewährleisten. Die Vervielfachung der Ausnehmungen hat eine zusätzliche Masse-

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verminderung zur Folge und insbesondere in dem Falle, in welchem die Verstrebungen aus einem Material von geringerer Dichte als die des Rotors hergestellt sind. Diese Vervielfachung der Ausnehmung hat eine weitere vorteilhafte Wirkung, die Ausbreitung der Spannungslinien in den zwischen zwei Ausnehmungen gebildeten Zähnen zu verhindern und ermöglicht die Neutralisierung der Spannungskonzentratxonspunkte. Diese Anordnung ist ferner vorteilhaft in dem Fall, in welchem die Ausnehmungen alle das gleiche Profil haben, die Ausnehmungen der Schaufeln und der Verstrebungen nach einer überprüfung, ob die stärker beanspruchten Schaufelausnehmungen über die Toleranzen hinaus abgenutzt worden sind, zu verändern, wodurch die Lebensdauer der Scheibe verlängert werden kann, ohne daß eine Ersatzfüllung und eine neue Bearbeitung derselben vorgenommen werden muß.

Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, und zwar anhand einer möglichen Durchführung des Vorgangs zur Befestigung der Schaufeln am Rotor eines Verdichters. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Verdichters im Schnitt nach einer seine Achse enthaltenden Ebene und dessen Rotorschaufeln durch die erfindungsgemäßen Mittel gehalten werden;

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 in vergrössertem Maßstab;

Fig. 3 in schaubildlicher Darstellung und in vergrössertem Maßstab eine Befestigungsverstrebung.

Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 1 besteht aus einem Stück

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und umfaßt Scheiben 2, welche die Schaufeln 3 tragen, die sich je aus einem Fuß 4, einer Plattform 5 und einem Flügel 6 zusammensetzen. Zwischen jeder Schaufel 2 ist eine Eintiefung 7 vorgesehen, welche durch. Bearbeitung erhalten worden ist. Diese Eintiefung kann mit Hilfe eines ausbaubaren Ringes gebildet werden, welcher die Scheiben trennt und das Äquivalent einer solchen Eintiefung ergibt. Diese Anordnung ermöglicht zwischen jeder Rotorstufe die Begrenzung eines Raumes, in welchen die Statorschaufein 8 eingreifen, die mit einem festen Teil 9 fest verbunden sind, der in an sich bekannter Weise beispielsweise in Form einer Folge von Ringen hergestellt ist, die ineinander gefügt sind. Die Scheiben 2 haben je eine Dicke, axial gemessen, die gleich der axial gemessenen Länge der Schaufelfüße ist. Jede Scheibe weist zwei Reihen von regelmässig verteilten Ausnehmungen 10a und 10b (Fig. 2) deren Gesamtzahl doppelt so groß ist wie die der Schaufeln, auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Ausnehmungen lOa und lob ein identisches Profil. Dies vereinfacht die Herstellung und ergibt Vorteile für die Wartung, obwohl die Ausnehmungen natürlich anders geformte Profile haben können. Die Ausnehmungen bilden in der Tat axiale Nuten, die sich von dem einen Ende des Rotors zum anderen erstrecken und daher durch Räumen der Anordnung hergestellt werden können. Eine erste Reihe von Ausnehmungen, beispielsweise die Ausnehmungen 10a, nehmen die Wülste 11 der Schaufelfüße auf. Die in der Zeichnung zur Darstellung gewählte Form der Ausnehmungen ist nicht beschränkend auszulegen, sondern es müssen die Ausnehmungen und die Schaufelfüße zusammenpassende Formen haben, um eine Anordnung zu bilden, welche die radiale Halterung der Schaufeln mit bezug auf den Rotor, beispielsweise in Form eines Schwalbenschwanzes, sicherzustellen. Die Ausnehmungen 10b der zweiten Reihe sind daher zur Aufnahme der Vorsprün-

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ge 12 von Verstrebungen 13, die alle identisch sind, freigelassen, deren Profil den Nuten 10b für das Zusammenwirken in diesen angepaßt ist in der gleichen Weise, wie die Schaufelfüße und die Nuten 10a. Jede Verstrebung 13 (Fig. 3) ist mit einer Plattform 14 ausgebildet, deren axiale Länge dem Abstand entspricht, welcher zwei Schaufelträgerscheiben trennt. Diese Plattformen 14 erstrecken sich in der ümfangsrichtung mit bezug auf den Rotor und symmetrisch mit bezug auf die Achse der Ausnehmung ihrer Vorsprünge. Sie stützen sich gegen die Schaufelfüße ab und gewährleisten auf diese Weise die axiale Feststellung derselben. Die benachbarten Plattformen 14 sind praktisch dicht nebeneinander, so daß sie nach dem Einsetzen einen kontinuierlichen Ring bilden, der den Raum 15 zwischen zwei Scheiben 2 bedeckt. Die Plattformen können übrigens mit Dichtungsrippen 16 versehen sein, welche für das Zusammenwirken mit Elementen 17 bestimmt sind, die von den inneren Enden der Statorschaufeln 8 getragen werden, um eine Abdichtung zu bilden. Jede Verstrebung weist ausserdem in dem besonderen Fall, in welchem die Schaufelplattformen 5 nicht mit denjenigen 14 der Verstrebungen ausgefluchtet sind, eine Wand 18 auf, die mit der Schaufel zusammenwirkt, um eine Gaszirkulation zwischen den Füßen 4 der Schaufeln zu verhindern. Jede Verstrebung besitzt eine Längsrippe 19, deren beide Enden die Vorsprünge 12 bilden, wobei der Mittelteil der Rippe, der sich unter der Plattform 14 befindet, aus Grün den der Gewichtserleichterung bearbeitet ist. Es ist vorteilhaft, die Verstrebungen aus einem Material von einer Dichte herzustellen, die geringer als diejenige des für den Rotor verwendeten Materials ist, beispielsweise aus einer Leichtmetallegierung. Ferner ist zu erwähnen, daß die axiale Länge eines Vorsprungs derart ist, daß er nicht an dem Vorsprung der folgenden Verstrebung zur Anlage kommt, die in die gleiche Ausnehmung eingreift.

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Der Είΐώβμ eines erfindungsgemäßen Rotors geschieht in der folgenden Weise beispielsweise ausgehend vom stromabwärtssei tigen Teil. Ein Ring 20, der mit dem*Rotor abnehmbar oder nicht abnehmbar verbunden ist, wird an seinem stromabwärtsseitigen Ende angeordnet, worauf die Schaufeln der stromabwärts seitigen Stufe eingesetzt werden und zwar je eine in ihre Ausnehmung. Ihre Füße stützen sich je gegen den Ring 20 ab, der daher für diese einen stromabwärtsseifcigen Anlage bildet, während die Verstrebungen gleitend von dent stromaufwärtsseitigen Teil des Rotors aufgebracht werden, indem ihre Vorsprünge in die Ausnehmungen eingesetzt werden, die freigelassen worden sind, derart, daß ihre Plattform in Anlage an der stromaufwärtsseitigen Fläche der Schaufeln, die von der stromabwärtsseit'igen Scheibe getragen wird. Die folgende Schaufelstufe wird sodann so eingesetzt, daß sie in Anlage an den Plattformen der vorhergehenden Verstrebungen kommt, usw.. Nachdem die.am weitesten stromaufwärtsseitige Stufe aufgebracht worden ist, wird ein zweiter Ring 21 auf dem Rotor'befestigt. Die stromaufwärtsseitige Fläche der Schaufelfüße der stromaufwärtsseitigen Stufe kommt an dem Ring 21 zur Anlage, der eine stromaufwärtsseitige Anlage bildet. .Die Gesamtheit der Beschaufelungen wird dann axial durch das Zusammenwirken der Schaufelfüße und der Verstrebungsplattformen für die zwischenliegenden Stufen sowie durch die Ringe am stromaufwärtsseitigen und am stromabwärtsseitigen Ende axial festgehalten. Hierbei ist zu erwähnen, daß der Ring 20 aus einem Stück mit dem Rotor bestehen oder unabhängig hergestellt sein kann, jedoch ist es aus Gründen der Montage und mit Rücksicht auf spätere Überprüfungen notwendig, daß einer der Ringe 20 oder 21 leicht ausbaubar ist.

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Claims

Dipi.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN 22 Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer. nat. W. KORtJtK

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS OR Λ 1

PATENTANWÄLTE AO⁴M

21. September 1978 SE/Str.

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2, Boulevard Victor

F-75015 Paris / Frankreich

Ansprüche :

Rotor für Gasturbinentriebwerke von axialer Bauart und insbesondere für Verdichter, der durch einen Stapel von miteinander abwechselnden Scheiben und ringförmigen Elementen/ deren Aussendurchmesser geringer als derjenige der Scheiben ist, gebildet wird, der den Durchlaß fester Schaufeln ermöglicht und von dem jede Stufe eine identische Zahl von Schaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Reihe (2) zwei Reihen angeordnet warden, von denen jede regelmässig verteilte axiale Nuten (10a, lOb) aufweist, deren Zahl gleich der der Schaufeln (3) ist, wobei die Nuten ein und derselben Reihe vom einen Ende des Rotors (1) zum anderen ausgefluchtet sind, die Nuten (10a) der ersten Reihe ein Profil haben, das zur Aufnahme je eines Schaufelfußes (4) geeignet ist, die Nut (10b) der zweiten Reihe, die zwischen den vorgenannten zwischengeschaltet sind, ein Profil haben, das zur Aufnahme von identischen Vorsprüngen (12) von Verstrebungen (13) angepaßt ist, deren Zahl gleich derjenigen der Schaufeln ist und die die axiale Feststellung der Schaufeln dank einer Plattform (14) gewährleisten, wobei die Profile der Nuten der ersten und der zweiten Reihe derart sind, daß sie mit den Schaufelfüßen und den Verstrebungsvorsprüngen zu-

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ORIGINAL INSPECTED

sammenwirken, um eine Verbindung sicherzustellen, die jede radiale Bewegung mit bezug auf den Rotor der Schaufeln oder der Verstrebungen verhindert.
2. Rotor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke, axial gemessen, jeder Scheibe im wesentlichen gleich der Länge eines Schaufelfußes, axial gemessen, ist.
3. Rotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verstrebung (13) eine Plattform (14) aufweist, deren axiale Länge einem Raum entspricht, der zwei Schaufelträgerscheiben trennt, welche Plattform sich in der ümfangsrichtung symmetrisch mit bezug auf die Ausnehmung der Verstrebung erstreckt, die Plattformen benachbarter Verstrebungen so zusammenwirken, daß sie nach dem Einsetzen eine praktisch kontinuierliche ringförmige Fläche bilden, und zwei ausgefluchtete Vorsprünge, die sich axial über die Plattform hinaus erstrecken, um in die Nuten der zweiten Serie von zwei benachbarten Schaufelträgerscheiben einzutreten.
4. Rotor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebungsplattformen Dichtungsvorrichtungen zum Zusammenwirken mit den inneren Enden der festen Schaufeln (8) tragen.
5. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstrebungen aus einem Material hergestellt sind,

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dessen Dichte geringer als diejenige des Materials ist, das für den Rotor verwendet ist.
6.) Rotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der Nuten der ersten und der zweiten Reihe identisch sind und die Formen der Schaufelfüße sowie der Verstrebungsvorsprünge ebenfalls identisch sind.
7.) Rotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelung der Gesamtheit der einmal eingesetzten Schaufeln durch einen ersten Ring (20) sichergestellt ist, der eine Anlage für die stromaufwärtsseitige Fläche der Schaufelfüße der stromaufwärtsseitigen Stufe bildet, und ein zweiter Ring (21) eine Anlage für die stromabwärtsseitige Fläche der Schaufelfüße der stromabwärtsseitigen Stufe bildet, wobei von den beiden mit dem Rotor fest verbundenen Ringen (20, 21) zumindest der eine ausbaubar ist.

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