DE2853856C2

DE2853856C2 - Laufschaufelbefestigung für eine axial durchströmte Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE2853856C2
Application number: DE2853856A
Authority: DE
Inventors: Salvatore Alfred Glastonbury Conn. Leonardi
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1987-04-02
Also published as: FR2413541B1; IN149724B; YU39689B; JPS6146644B2; IT1101094B; PL123377B1; BE873014A; SE443184B; NO155159B; US4191509A; CA1112184A; CH640916A5; GB2011552A; DK581078A; NO784349L; FR2413541A1; GB2011552B; BR7808517A; IL56125A; SE7812961L

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelbefestigung der im Oberbegriff des Patenanspruchs angegebenen Art.
Ein Faktor, der bei axial durchströmten Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinentriebwerken, die Lebensdauer von Laufschaufeln und Läuferscheiben begrenzt, ist die Dauerschwingfestigkeit des Materials, aus welchem sie hergestellt sind. Jedes Arbeitsspiel belastet die Teile mit einem bestimmten Beanspruchungswert. Nach wiederholtem Auftreten von Arbeitsspielen wird jedes Teil schließlich Ermüdungsanrisse aufweisen. Bei sehr niedrigen Beanspruchungswerten ist die Anzahl der Arbeitsspiele, bevor Risse auftreten, nahezu unendlich groß. Bei hohen Beanspruchungswerten wird die Anzahl der Arbeitsspiele dagegen stark begrenzt.
Die US-PS 40 29 436 beschreibt eine Laufschaufelbefestigung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art, bei der die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut des tannenbaumförmigen Schaufelfußes ein und denselben Radius und auch die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut des daran angepaßten Schaufelbefestigungsschlitzes der Läuferscheibe ein und denselben Radius aufweist. Bei einer solchen Schaufelbefestigung werden durch die Schaufelfußtiefe und die Schaufelbefestigungsschlitztiefe die Dauerschwingfestigkeit des Läufers, die Menge an totem Material am Umfangskranz der Läuferscheibe und damit das Läuferscheibengewicht und die Anzahl der an der Läuferscheibe anbringbaren Laufschaufeln festgelegt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dauerschwingfestigkeit der Schaufelfüße und/oder der Läuferscheibe an deren Umfang bei gleicher Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe zu schaffen oder aber bei gleicher Dauerschwingfestigkeit die Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe herabzusetzen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die Schaufelbefestigung nach der Erfindung ermöglicht, die Dauerschwingfestigkeit der Schaufelfüße bei gleicher Schaufelfußtiefe zu verbessern oder bei geringerer Schaufelfußtiefe unverändert beizubehalten und die Dauerschwingfestigkeit der Läuferscheibe an deren Umfang bei gleicher Tiefe der Schaufelbefestigungsschlitze zu verbessern oder bei kleinerer Schaufelbefestigungsschlitztiefe unverändert beizubehalten. Zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit und zur Verringerung der Größe der kombinierten Biege- und Scherbeanspruchung bei gleicher Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe wird erfindungsgemäß der Radius des am stärksten belasteten Teils des Nutgrundes, wo sowohl Biegebelastungen als auch Scherbelastungen das Material auf Zug beanspruchen, vergrößert, wogegen der Radius des weniger stark belasteten Teils des Nutgrundes, wo Biegebelastungen und Scherbelastungen entgegengesetzt wirksam sind, verkleinert. Auf diese Weise wird die Dauerschwingfestigkeit verbessert und die Größe der kombinierten Biege- und Scherbeanspruchung verringert, ohne die Tiefe des Schaufelfußes oder des Schaufelbefestigungsschlitzes zu erhöhen. Eine Verringerung der Schaufelfußtiefe oder der Schaufelbefestigungsschlitztiefe ist durch die Verkleinerung des Radius der Abrundung des schwächer belasteten Teils des Nutgrundes möglich, ohne daß dadurch die Dauerschwingfestigkeit herabgesetzt wird. Das Vergrößern des einen Radius und das Verringern des anderen Radius ermöglicht nämlich eine Verringerung der Maximalbeanspruchung ohne eine entsprechende Vergrößerung der Schaufelfußtiefe. Eine kleinere Tiefe des Schaufelfußes und/oder des Schaufelbefestigungsschlitzes in der Läuferscheibe ermöglicht eine Verringerung des Gewichts der Läuferscheibe oder den Einbau einer größeren Anzahl von Laufschaufeln bei einem vorbestimmten Läuferscheibendurchmesser.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Laufschaufelkranzes,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Laufschaufelbefestigung nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Laufschaufelbefestigung nach Fig. 2.
Ein Teil eines Turbinenläufers 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Der Turbinenläufer 10 weist eine Läuferscheibe 12 und mehrere Laufschaufeln 14 auf, die sich von derselben aus radial nach außen erstrecken. Jede Laufschaufel 14 hat einen Schaufelfuß 16 und ein Schaufelblatt 18. Jeder Schaufelfuß 16 ist tannenbaumförmig ausgebildet. Der tannenbaumförmige Schaufelfuß 16 jeder Schaufel faßt in einen entsprechend geformten Schaufelbefestigungsschlitz 20 an dem Unfang der Läuferscheibe 12 ein. Jeder Schaufelbefestigungsschlitz 20 erstreckt sich bis unter den Fuß 16 der Schaufel 14, um einen Schaufelfußhohlraum 22 zwischen der Schaufel und der Läuferscheibe 12 zu bilden. Wenigstens eine Seitenplatte 24 liegt an der Läuferscheibe 12 an, um die Schaufelfüße 16 in den entsprechenden Schaufelbefestigungschlitzen 20 einzuschließen. Mehrere Nieten 26, die durch die Schaufelfußhohlräume 22 hindurchgehen, halten jede Seitenplatte 24 an der Läuferscheibe 12 fest.
Die Befestigung des tannenbaumförmigen Schaufelfußes 16 ist ausführlicher in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Der Schaufelfuß 16 hat mehrere Zähne 28, die in die Läuferscheibe 12 einfassen. Der Schaufelbefestigungsschlitz 20 der Läuferscheibe 12 hat ebenfalls mehrere Zähne 30, die den Schaufelfuß 16 erfassen. Jeden Zahn 28 nimmt eine entsprechende Nut 32 in dem Schaufelbefestigungsschlitz 20 auf. Jeden Zahn 30 nimmt eine entsprechende Nut 34 in dem Schaufelfuß 16 auf. Die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut 2 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 hat einen ersten, radial äußeren Bereich 36 mit einem Radius R ₃ und einen zweiten, näher bei der Läuferachse gelegenen Bereich 38 mit einem Radius R ₄. Die Abrundung des Nutgrundes jeder Schaufelfußnut 34 hat einen ersten, radial inneren Bereich 40 mit einem Radius R ₁ und einen zweiten, näher bei dem Schaufelblatt 18 gelegenen Bereich 42 mit einem Radius R ₂. Der Radius R ₁ ist größer als der Radius R ₂, und der Radius R ₃ ist größer als der Radius R ₄. Fig. 3 zeigt die gegenseitige Beziehung der Radien R ₁, R ₂ und R ₃, R ₄.
Während der Drehung des Turbinenläufers 10 ziehen Zentrifugalkräfte die Laufschaufeln 14 von der Läuferscheibe 12 aus radial nach außen. Zentripetale Haltekräfte werden durch die Schaufelbefestigungsschlitze 20 der Läuferscheibe 12 über die tannenbaumförmigen Schaufelfüße 16 auf jede Laufschaufel 14 ausgeübt. Die Zähne des Schaufelfußes 16 und des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 werden dabei kombinierten Scher- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt. In den ersten Bereichen 36 der Nuten 32 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 und in den ersten Bereichen 40 der Schaufelfußnuten 34 addieren sich die Scher- und Biegebeanspruchungen. In den zweiten Bereichen 38 der Nuten 32 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 und in den zweiten Bereichen 42 der Schaufelfußnuten 34 wirken die Biege- und Scherbeanspruchungen einander entgegen. Als Ergebnis treten maximale kombinierte Beanspruchungen in den ersten Bereichen 36 und 40 und insbesondere an Stellen S auf.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaufelbefestigung ermöglicht eine geringere Schaufelfußtiefe D, was durch die Verwendung der Radien R ₁, R ₂, und R ₃, R ₄ der Abrundungen der Nuten 32 des Schaufelbefestigungssschlitzes 20 und der Schaufelfußnuten 34 erreicht wird. Die Nuten 32 und 34 sind mit den größeren Radien R ₁ bzw. R ₃ in den Gebieten an den Stellen S hoher Beanspruchungskonzentration versehen. Die kleineren Radien R ₂ bzw. R ₄ werden in den Gebieten niedrigerer Beanspruchungskonzentration benutzt.
Die Menge an totem Material am Umfang der Läuferscheibe 12 ist zu der Schaufelfußtiefe D direkt proportional. Das Verringern der Schaufelfußtiefe D ermöglicht daher eine Konstruktion mit einem niedrigeren Läuferscheibengewicht. Außerdem ermöglicht das Verringern der Schaufelfußtiefe D eine erhöhte Schaufelfußbelastung in der Läuferscheibe 12 bei Ausführungsformen, die eine große Anzahl von Laufschaufeln auf einer Läuferscheibe relativ kleinen Durchmessers erfordern. Die Laufschaufeln können in engeren Abständen angeordnet werden, während ausreichend Material an dem Umfang der Läuferscheibe erhalten bleibt.
In einer anderen Ausführungsform ergibt die hier beschriebene Laufschaufelbefestigung geringere maximale Beanspruchungen bei äquivalenter Schaufelfußtiefe D. In einer solchen Ausführungsform sind die Radien R ₁, R ₃ größer als die in Fig. 3 dargestellten, während die Radien R ₂, R ₄ konstant gehalten werden.

Claims

Laufschaufelbefestigung für eine axiale durchströmte Strömungsmaschine, mit Laufschaufeln, die einen tannenbaumförmigen Schaufelfuß aufweisen, wobei die zwischen den Zähnen des Schaufelfußes gebildeten Nuten eine Abrundung ihres Nutgrundes aufweisen, wobei ferner eine Läuferscheibe vorgesehen ist, mit mehreren axial ausgerichteten und angepaßten Schaufelbefestigungsschlitzen zur Aufnahme der Schaufelfüße, wobei die zwischen den Zähnen des Schaufelbefestigungsschlitzes gebildeten Nuten eine Abrundung ihres Nutgrundes aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrundung des Nutgrundes jeder Schaufelfußnut (34) einen ersten Bereich (40) mit einem Radius (R ₁) aufweist und mit einem zweiten Bereich (42) mit einem demgegenüber kleineren Radius (R ₂) versehen ist, wobei der zweite Bereich (42) näher dem Schaufelblatt (18) liegt als der erste Bereich (40), und/oder daß die Abrundung des Nutgrunds jeder Nut (32) eines Schaufelbefestigungsschlitzes (20) einen ersten Bereich (36) mit einem Radius (R ₃) aufweist und mit einem zweiten Bereich (38) mit einem demgegenüber kleineren Radius (R ₄) versehen ist, wobei der zweite Bereich (38) näher der Läuferachse liegt als der erste Bereich (36).