DE2919260A1

DE2919260A1 - RUNNER FOR FLOW MACHINERY

Info

Publication number: DE2919260A1
Application number: DE19792919260
Authority: DE
Inventors: Leonard Stanley Snell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1979-05-12
Publication date: 1979-11-22
Also published as: JPS5529081A; FR2426150A1; IT7922765A0; IT1112929B

Description

FATBNTAWWAIiTFATBNTAWWAIiT

DIPL. ING. K.DIPL. ING. K.

FHIUPPINE -WBLSEB - SXBASBB IAFHIUPPINE -WBLSEB - SXBASBB IA

8800 AUGSBURG8800 AUGSBURG

TBtEFON βΙβΑΤΒTBtEFON βΙβΑΤΒ

633802 petal i 633802 petal i

291326Q;291326Q;

R. 1031 Augsburg, den 10. Mai 1979 R. 1031 Augsburg, May 10, 1979

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, EnglandRolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Läufer für StrömungsmaschinenRunner for flow machines

Die Erfindung betrifft einen Läufer für Strömungsmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a rotor for turbo machines according to the preamble of claim 1.

Bekanntermaßen bestehen Läufer von Strömungsmaschinen aus einem Laufradkörper und einem an dessen Umfang angeordneten Laufschaufe!kranz. Die Laufschaufeln weisen jeweils einen Schaufelfuß auf, der in eine Haltenut am Umfang des Laufradkörpers eingreift. Diese Nut weist einen erweiterten Bodenteil auf, in welchen ein entsprechend verdickter TeilIt is known that there are runners of turbomachines from an impeller body and a rotor ring arranged on its circumference. The blades each have a blade root which engages in a retaining groove on the circumference of the impeller body. This groove has an enlarged Bottom part in which a correspondingly thickened part

909847/0781909847/0781

des Schaufelfußes eingreift, so daß die Schaufel gegen die Einwirkung der Fliehkraft im Betrieb fest in der Nut gehaltert ist.of the blade root engages so that the blade is held firmly in the groove against the action of centrifugal force during operation is.

Der Laufradkörper kann als Laufertrommel ausgebildet sein, der eine einzige, in Umfangsrichtung durchlaufende Haltenut zur Aufnahme sämtlicher Schaufeln des Laufschaufelkranzes aufweist, wobei diese Nut an mindestens einer Stelle mit einem Füllschlitz versehen ist, durch welchen jeweils eine Schaufel in die Nut eingeführt oder aus dieser herausgenommen werden kann. Muß eine einzelne Schaufel des Laufschaufelkranzes ausgebaut werden, ist es demgemäß erforderlich, den gesamten Laufschaufelkranz längs der Umfangsnut zu verschieben, bis die betreffende Schaufel sich an der Stelle des Füllschlitzes befindet. Mit anderen Worten, die einzelnen Schaufeln können nicht unmittelbar ausgebaut bzw. bei Bedarf ausgetauscht werden. Außerdem müssen Vorkehrungen getroffen werden, um nach dem Einbau sämtlicher Schaufeln des Laufschaufelkranzes den Füllschlitz sicher zu verschließen.The impeller body can be designed as a rotor drum be the one running in the circumferential direction Has holding groove for receiving all the blades of the rotor blade ring, this groove on at least one Place is provided with a filling slot through which a shovel is inserted into or out of the groove can be removed. If a single blade of the rotor blade ring has to be removed, it is accordingly necessary, the entire blade ring along the circumferential groove to move until the bucket in question is at the point of the filling slot. In other words, the individual blades cannot be removed immediately or replaced if necessary. You also need to take precautions be taken in order to secure the filling slot after all the blades of the rotor blade ring have been installed to close.

Alternativ dazu kann der Laufradkörper als Laufradscheibe ausgebildet sein, die an ihrem Umfang mit im wesentlichen axial verlaufenden Nuten versehen ist, dieAlternatively, the impeller body can be designed as an impeller disc, which on its circumference with im essential axially extending grooves is provided, the

909847/0781909847/0781

jeweils eine Schaufel aufnehmen. Diese Nuten sind an den Stirnseiten der Laufradscheibe offen, um die Herstellung der Nuten zu erleichtern und das Einschieben und Herausnehmen der Schaufeln in axialer Richtung zu ermöglichen. Das jeweils zwischen benachbarten Nuten stehende Laufradscheibenmaterial stellt eine der Fliehkraft unterworfene Masse dar, wobei die Tatsache, daß zwischen diesen einzelnen Massen keine umfangsmäßige Kontinuität vorhanden ist, insofern nachteilig ist, als die Festigkeit dieser Massen im Hinblick auf die Beanspruchung durch die Fliehkräfte nicht durch gegenseitigen umfangsmäßigen Zusammenhang verbessert wird.pick up a shovel at a time. These grooves are open on the end faces of the impeller disc to facilitate manufacture to facilitate the grooves and to enable the blades to be inserted and removed in the axial direction. The respective impeller disk material standing between adjacent grooves represents a mass subject to centrifugal force, the fact that between these individual Masses no circumferential continuity is present, insofar as the strength of these masses is disadvantageous With regard to the stress caused by the centrifugal forces, this is not improved by mutual circumferential connection will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Läufer für Strömungsmaschinen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die eben erläuterten Probleme, die sich bei herkömmlichen Läuferkonstruktionen aufgrund einer umfangsmäßig kontinuierlichen einzigen Haltenut für die Laufschaufeln (bei Trommelläufern) bzw. bei jeweils
eine Schaufel aufnehmenden Axialnuten (bei Scheibenläufern) ergeben, mindestens weitgehend beseitigt werden können.The invention is based on the object of improving a rotor for turbomachines of the type mentioned at the outset in such a way that the problems just explained, which arise in conventional rotor designs due to a circumferentially continuous single retaining groove for the rotor blades (in the case of drum rotors) or in each case
result in axial grooves receiving a blade (in the case of disc rotors), can at least largely be eliminated.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Läuferkonstruktion gelöst.This object is achieved according to the invention by the rotor construction specified in the characterizing part of claim 1 solved.

909847/0781909847/0781

Die Erfindung bringt den Fortschritt, daß jede einzelne Schaufel unmittelbar in die zugehörige Haltenut eingesetzt oder aus dieser herausgenommen werden kann, so daß es verhältnismäßig einfach ist, bei einem zusammengebauten Läufer eine beliebige einzelne Schaufel auszutauschen. Da die Enden der Haltenuten nicht stirnseitig, sondern zur Umfangsflache des Laufradkörpers hin ausmünden, kann der Laufradkörperumfang axial beiderseits der Haltenuten umfangsmäßig zusammenhängende Materialbereiche aufweisen, wodurch die Ringfestigkeit des Laufradkörpers im Vergleich zu derjenigen herkömmlicher Scheibenläufer wesentlich verbessert werden kann.The invention brings the progress that each individual blade is used directly in the associated holding groove or can be removed therefrom so that it is relatively easy to do with an assembled runner exchange any single blade. Since the ends of the retaining grooves are not on the face side, but on the circumferential surface of the impeller body open out, the impeller body circumference axially on both sides of the retaining grooves have circumferentially coherent material areas, whereby the Ring strength of the impeller body can be significantly improved compared to that of conventional disc rotors can.

Die erfindungsgemäße Konstruktion vereinigt also die Vorteile der beiden oben erwähnten bekannten Konstruktionen, ohne jedoch deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.The construction according to the invention thus combines the Advantages of the two above-mentioned known constructions, but without having to accept their disadvantages.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:Some embodiments of the invention will become more detailed below with reference to the accompanying drawings described in detail. It shows:

Fig· 1 einen Axialhalbschnitt des gemäß1 shows an axial half section of the according to

der Erfindung ausgebildeten Läufers eines Axialverdichters eines Gasturbinentriebwerks ,of the invention designed rotor of an axial compressor of a gas turbine engine ,

909847/0781909847/0781

29132602913260

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus2 shows an enlarged section from

Fig. 1,Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III3 shows a section along the line III-III

in Fig. 2,in Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen AbschnittFig. 4 is a plan view of a section

des Lauferumfangs,the circumference of the runner,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 einerFIG. 5 shows a representation similar to FIG. 2

,abgewandelten Aus führ ungs form mit einer Verriegelungsvorrichtung, und, modified version with a locking device, and

Fig. 6 eine umfangsmäßige Draufsicht aufFig. 6 is a circumferential plan view

die Ausführungsform nach Fig. 5.the embodiment according to FIG. 5.

Der in Fig. 1 gezeigte Verdichter weist einen als Laufertrommel IO ausgebildeten Laufradkörper auf, dessen Drehachse mit 1OA und dessen Mantelfläche 11 bezeichnet ist. Die Mantelfläche 11 bildet die radial innere Begrenzung des Treibmittel-Strömungskanals 12 des Verdichters. Der Verdichter weist mehrere Verdichterstufen 13 auf, die jeweils durch einen am Trommelumfang angeordneten Laufschaufelkranz 14 gebildet sind.The compressor shown in Fig. 1 has an impeller body designed as a rotor drum IO, whose The axis of rotation is denoted by 10A and its lateral surface 11 is. The lateral surface 11 forms the radially inner boundary of the propellant flow channel 12 of the compressor. The compressor has several compressor stages 13, the are each formed by a rotor blade ring 14 arranged on the drum circumference.

909847/0781909847/0781

Gemäß den Fig. 2 bis 4 ist der Laufradkörper 10 mit Haltenuten 15 zur Aufnahme jeweils einer Laufschaufel versehen. Jede Haltenut 15 weist einen äußeren, zur Mantelfläche 11 hin offenen und von zwei Seitenflächen 17 begrenzten Teil 16 sowie einen gegenüber diesem erweiterten Bodenteil 18 auf, und die Nutwandungen weisen demzufolge zum Nutboden 20 hin gerichtete Halteschultern 19 auf. Der gesamte Bodenbereich der Nut, also auch der Nutboden und die Halteschultern 19, verlaufen um eine Achse 15A herum gekrümmt, die sich radial außerhalb der Mantelfläche 11 befindet. Die Geometrie der Anordnung ist so gewählt, daß die Enden 21 des Nutbodenbereiches beide jeweils zur Mantelfläche 11 hin ausmünden, wobei diese Enden 21 in den äußeren Nutbereich 16 übergehen (siehe Fig. 4).According to FIGS. 2 to 4, the impeller body 10 is with Holding grooves 15 are provided for receiving one rotor blade each. Each retaining groove 15 has an outer one facing the lateral surface 11 open towards and delimited by two side surfaces 17 part 16 and a relative to this enlarged Base part 18, and the groove walls accordingly have retaining shoulders 19 directed towards the groove base 20. Of the The entire bottom area of the groove, that is to say also the bottom of the groove and the retaining shoulders 19, run around an axis 15A curved around, which is located radially outside of the lateral surface 11. The geometry of the arrangement is like this selected that the ends 21 of the groove bottom area both open out to the lateral surface 11, these Ends 21 merge into the outer groove area 16 (see FIG. 4).

Die Laufschaufeln 14 weisen jeweils ein in den Strömungskanal 12 hineinragendes Schaufelblatt 22 und einen Schaufelfuß 23 auf, der in eine der Haltenuten 15 eingreift, um die Schaufel im Laufradkörper 10 zu verankern. Der Schaufelfuß 23 weist einen Halsteil 24, der den äußeren Nutbereich ausfüllt, und einen gegenüber diesem Halsteil verdickten Basisteil 25 mit Schultern 26 auf, welch letztere den Halteschultern 19 der Nutwandungen zugewandt sind. Wenn die Schaufel 14 im Betrieb durch die Fliehkraft radial nachThe rotor blades 14 each have an airfoil 22 protruding into the flow channel 12 and a blade root 23, which engages in one of the retaining grooves 15 in order to anchor the blade in the impeller body 10. The blade root 23 has a neck part 24 which fills the outer groove area and a neck part that is thickened with respect to this neck part Base part 25 with shoulders 26, the latter facing the retaining shoulders 19 of the groove walls. If the Blade 14 in operation by the centrifugal force radially

909847/0781909847/0781

außen gedrängt wird, stützen sich die Schultern 26 des Basisteils an den Halteschultern 19 der Nutwandungen ab und halten die Schaufel am Laufradkörper 10. Der verdickte Basisteil des Schaufelfußes verläuft in der gleichen Weise wie der Nutbodenbereich 18 bogenförmig gekrümmt, so daß die Schaufel durch einfaches Kippen um die Achse 15A aus der Haltenut herausgenommen bzw. in diese eingeführt werden kann. Dabei gleitet der verdickte Basisteil 25 des Schaufelfußes jeweils entlang des Nutbodenbereiches 18 und durch eines von dessen Enden 21 aus der Nut heraus bzw. in diese hinein, wie die voll ausgezogenen Linien 1^A in Fig. 2 zeigen.is pushed outside, the shoulders 26 of the base part are supported on the retaining shoulders 19 of the groove walls and hold the blade on the impeller body 10. The thickened base part of the blade root runs in the same way as the groove bottom area 18 curved so that the blade by simply tilting about the axis 15A from the retaining groove can be removed or inserted into this. The thickened base part 25 of the blade root slides in each case along the groove bottom area 18 and through one of its ends 21 out of or into the groove, such as the show full lines 1 ^ A in Fig. 2.

Das Schaufelblatt 22 weist gemäß Pig. H die übliche Schränkung 27 mit Bezug auf die Achse 1OA des Laufradkörpers 10 auf. Die Symmetrieebene 2 8 des Schaufelfußes 23 weist die gleiche Schränkung 27 mit Bezug auf die Läuferachse 1OA auf. Die Symmetrieebene der Nut 15 ist natürlich identisch mit derjenigen des Schaufelfußes 2 3.According to Pig. H the usual offset 27 with respect to the axis 10A of the impeller body 10. The plane of symmetry 28 of the blade root 23 has the same offset 27 with respect to the rotor axis 10A. The plane of symmetry of the groove 15 is of course identical to that of the blade root 2 3.

Die Oberseite bzw. die radial nach außen weisende Fläche 29 des Schaufelfußes ist bei in den Laufradkörper eingesetzter Schaufel bündig mit dessen Mantelfläche 11. Durch die Haltenuten 15 ergibt sich also bei zusammengebautem Läufer keine nennenswerte Unterbrechung der Mantelflächenkontinuität. Es ist außerdem bemerkenswert, daß dieThe upper side or the radially outwardly facing surface 29 of the blade root is in the impeller body inserted blade flush with its lateral surface 11. The retaining grooves 15 thus result in the assembled Runner no significant interruption of the lateral surface continuity. It is also noteworthy that the

909847/0781909847/0781

- ίο -- ίο -

Laufschaufeln l4 im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionen keine Fußplatte benötigen. Bei herkömmlichen Trommellaufern weist die Laufertrommel pro Laufschaufelkranζ eine Umfangsnut auf, in welche die Schaufelfüße eingesetzt werden. Das bedeutet, daß die Schaufelfüße nicht die gleiche Schränkung wie das Schaufelblatt haben können, weshalb die Schaufel mit einer sogenannten Fußplatte versehen sein muß, um einen hinreichend guten übergang zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaufelfuß schaffen zu können und um die von den Schaufelfüßen nicht verschlossenen Teile der Umfangsnut abzudecken.Blade l4 in contrast to conventional designs do not need a footplate. With conventional drum rotors the running drum has a circumferential groove per bucket craneζ in which the blade roots are inserted. This means that the blade roots do not have the same twist how the shovel blade can have, which is why the shovel must be provided with a so-called footplate to a to be able to create a sufficiently good transition between the blade and the blade root and by the Blade roots not closed parts of the circumferential groove to cover.

Ebenso wie bei Trommelläufern kann die erfindungsgemäße Konstruktion auch bei Scheibenläufern, also einzelnen Laufradscheiben, Anwendung finden, die jeweils einen einzigen Laufschaufelkranζ tragen. In diesem Falle ist der Laufradscheibenrand im wesentlichen gemäß Fig. 2 ausgebildet, wobei sich seine axiale Dicke jedoch nur über das Maß A erstreckt. Diese axiale Dicke A ist aber größer als die axiale Länge B der Haltenuten, so daß axial beiderseits dieser Haltenuten umfangsmäßig kontinuierliche Materialbereiche C am Laufradscheibenrand stehenbleiben, wodurch die Ringfestigkeit der Laufradscheibe wesentlich verbessert wird.As with drum runners, the inventive Construction also for disc rotors, i.e. individual impeller discs, Find application that each carry a single bucket craneζ. In this case it is the impeller disc edge designed essentially according to FIG. 2, but its axial thickness extends only over the dimension A. This axial thickness A is greater than the axial length B of the retaining grooves, so that axially on both sides of these retaining grooves circumferentially continuous material areas C at the edge of the impeller disk stop, whereby the ring strength of the impeller disc is significantly improved.

909847/0781909847/0781

Bei der Aus führ ungs form nach den Fig. 5 und 6 ist ein Federelement 30 zur Lagesicherung der Schaufel l*i in der Haltenut 15 vorgesehen. Dieses Federelement ist wiederum bogenförmig ausgebildet und paßt in die Nut 15 und wird seinerseits mittels einer Nase 31» die in eine Aussparung im Nutboden eingreift, in seiner Lage gesichert. Das Federelement 30 weist zwei Arme 33 und 34 auf, deren Enden mit 33A und 3^A bezeichnet sind und unter am Schaufelfuß gebildete Flächen 35 greifen. Das Ende 33A ist nach einer Seite aus dem Verlauf eines Schlitzes 36 heraus abgebogen. Dieses Ende 33A trägt einen Ansatz 37, der durch eine Aussparung 38 des Schlitzes 36 hindurch zugänglich ist. Zum Ausbau der Schaufel wird der Ansatz 37 aus der genannten Aussparung herausgedrückt, so daß das Ende 33A mit dem Schlitz 36 fluchtet. Sodann ist die Schaufel durch Kippen in derjenigen Richtung herausnehmbar, daß sie mit dem Schlitz 36 über den Arm 33 des Federelements gleitet. Wird die Schaufel zum Einbau in der entgegengesetzten Richtung gekippt, schnappt am Ende der Einführbewegung des Schaufelfußes in die Haltenut der Ansatz 37 in die Aussparung 38 ein.In the embodiment of FIGS. 5 and 6 is a Spring element 30 for securing the position of the shovel l * i in the Holding groove 15 is provided. This spring element is again arcuate and fits into the groove 15 and is in turn, secured in its position by means of a nose 31 'which engages in a recess in the bottom of the groove. The spring element 30 has two arms 33 and 34, the ends of which with 33A and 3 ^ A are designated and formed below at the blade root Grip surfaces 35. The end 33A is bent to one side out of the course of a slot 36. This end 33A carries a projection 37 which is accessible through a recess 38 in the slot 36. To the Removal of the shovel is the approach 37 from the aforementioned Pressed out recess so that the end 33A with the Slot 36 is aligned. Then the shovel is by tilting removable in the direction that it slides with the slot 36 over the arm 33 of the spring element. Will the blade tilted in the opposite direction for installation, snaps at the end of the insertion movement of the blade root in the retaining groove of the shoulder 37 in the recess 38 a.

Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Schaufelfuß 2 3 zur Bildung der genannten Flächen 35 unterschnitten sein kann. Dadurch verbleibt zwar ein kürzerer Bereich 39 des Schaufel-From Fig. 5 it can be seen that the blade root 23 can be undercut to form the surfaces 35 mentioned. This leaves a shorter area 39 of the blade

909847/0781909847/0781

fußes zur Anlage an den Halteschultern 19, was aber im Hinblick auf die auftretenden Belastungen noch ausreicht, solange der noch verbleibende, mit den Halteschultern 19 zusammenwirkende Schaufelfußteil mit dem Schaufelblatt-Schwerpunkt fluchtet.foot to rest on the retaining shoulders 19, which is still sufficient in view of the loads that occur, as long as the remaining, with the retaining shoulders 19 cooperating blade root part is aligned with the blade center of gravity.

Der Krümmungsradius der Schultern 26 mit Bezug auf die Achse 15A kann geringfügig größer als der Krümmungsradius der Halteschultern 19 sein, um eine leichte Selbstausrichtung der Schaufel durch die Fliehkraft in die geforderte Lage zu ermöglichen und eine Dämpfungswirkung gegen Schaufel-Bchvringungen zu erreichen.The radius of curvature of the shoulders 26 with respect to the Axis 15A can be slightly larger than the radius of curvature of the retaining shoulders 19 in order to allow the blade to be easily self-aligned by the centrifugal force into the required position To enable location and to achieve a damping effect against blade ringing.

Die Haltenuten 15 können durch Fräsen oder Wälzfräsen hergestellt werden. Im letzteren Fall erhalten die Nuten eine der Zahnform eines Schneckenrades ähnliche Helikoidform. Die Schaufelfüße werden, beispielweise durch elektrochemische Bearbeitung, mit einer entsprechenden Helikoidform gefertigt.The retaining grooves 15 can be milled or hobbed getting produced. In the latter case, the grooves are given a helicoid shape similar to the tooth shape of a worm wheel. The blade roots are manufactured, for example by electrochemical machining, with a corresponding helicoid shape.

LeerseiteBlank page

Claims

! Runner for turbo machines, consisting of one

Impeller body and at least one rotor blade ring arranged on its circumference, the impeller body on its circumference has essentially axial retaining grooves each receiving the blade root of a rotor blade and the retaining grooves each one towards the impeller body circumference open, narrower part of the neck of the blade root Area and an enlarged, a thickened base part of the blade root receiving the bottom area, characterized in that the enlarged bottom area (18) of each retaining groove (15) with respect to a radially outward one the impeller body circumference located, tangential Axis is curved in an arc and with its two ends (21) each in the lateral surface (11) of the impeller body (10) opens out and that the thickened base part (25) of the blade root (23) is correspondingly arcuate is.

2. Runner according to claim 1, characterized in that the radially outwardly facing upper side (29) of the blade root (23) when the blade (14) is inserted into the retaining groove (15) is flush with the lateral surface (11) of the impeller body (10) and that the blade (22) is directly on the

909847/0781

- 2 blade root connects.

3. Runner according to claim 1 or 2, characterized in that the holding groove (15) and the blade root (23) are symmetrical are formed with respect to a common plane of symmetry (28) and this plane of symmetry under a substantially the inclination angle corresponding to the inclination of the airfoil with respect to the impeller body axis (10A) runs.

4. Runner according to one of claims 1 to 3 »characterized in that the impeller body (10) on its circumference axially on both sides of the ends (21) of the retaining grooves (15) circumferentially continuous material areas (C).

5. Runner according to one of claims 1 to 4, characterized by a device for securing the position of the Blade foot (23) in the retaining groove (15).

6. Runner according to claim 5, characterized in that the device for securing the position has a securing element (30) which has one in a recess (32) of the retaining groove (15) engaging nose (31) and one with the blade root (23) in the sense a rotation lock of the same cooperating part (37).

909847/0781909847/0781