DE2952023C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufelhaltevorrichtung zum Verriegeln einer radialen Schaufel in einem Turbomaschi­ nenrotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Schaufelhaltevorrichtung ist aus der FR-PS 23 45 605 bekannt.

Bei der Herstellung von beschaufelten Turbomaschinenrotoren ist das wirksame Festhalten der aerodynamischen Schaufeln an einer Rotorscheibe ein ständig wiederkehrendes Problem. Die üblichste Methode, die gegenwärtig angewandt wird, um die Schaufeln an der sie tragenden Rotorscheibe zu befestigen, besteht darin, schwalbenschwanzförmige Schaufel­ füße zu benutzen, die in einzelnen axialen Schwalbenschwanz­ nuten auf dem Umfang der Rotorscheibe angeordnet sind. Diese Methode hat sich zum Aufnehmen der radialen Belastungen der Zentrifugalkraft des Rotors als sehr wirksam erwiesen. Da außerdem beträchtliche Axialkräfte auf die Schaufeln ein­ wirken, insbesondere in bezug auf Reibung an den Schau­ felspitzen, Stöße von Fremdobjekten und sekundäre Stöße, die sich aus einer Beschädigung durch Fremdobjekte ergeben, ist es jedoch außerdem erforderlich, eine formschlüssige axiale Schaufelhalterung in beiden axialen Richtungen vor­ zusehen.

Die Schaufeln müssen aber auch in radialer Richtung fixiert werden, was gemäß der eingangs genannten FR-PS 23 45 605 durch ein Distanzstück geschieht, das zwischen dem Schau­ felfuß und dem Nutboden eingesetzt wird. Auch dieses Distanzstück sollte gegen ein Verschieben in beiden axialen Richtungen gesichert sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaufelhaltevorrich­ tung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch das radiale Distanzstück auf einfache Weise gegen beidseitiges axiales Verschieben gesichert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Axialhaltevorrichtung nicht nur den Schaufelfuß in der Rotorscheibe axial fixiert, sondern gleichzeitig das Federdistanzstück axial sichert. Dadurch sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, so daß Gewicht gespart und das Montageverfahren vereinfacht wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Schaufel- und Rotorkombination, die mit der Vorrichtung nach der Erfindung versehen ist,

Fig. 2 eine Axialansicht der Schaufel- und Rotor­ kombination längs der Linie 2-2 von Fig. 1 mit zwei in den Rotor eingebauten Schaufeln, von denen eine der Übersichtlichkeit halber ohne die Schaufelhaltevorrichtung nach der Erfindung gezeigt ist,

Fig. 3 eine Ansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 2, die die integralen Mantelringsegmente der Schaufeln zeigt,

Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung der Schaufel- und Rotorkombination von Fig. 1,

Fig. 5 eine Querschnittansicht des Distanzstückes von Fig. 4 auf der Linie 5-5,

Fig. 6 eine Querschnittansicht des Distanzstückes von Fig. 4 auf der Linie 6-6 und

Fig. 7 eine Querschnittansicht des Distanzstückes von Fig. 4 auf der Linie 7-7.

In Fig. 1 ist eine sich radial erstreckende Turbomaschinen­ rotorschaufel 10 in Verbindung mit einem Rotor oder einer Rotorscheibe 12 dargestellt. Die Schaufel 10, die in dieser besonderen Ausführungsform eine Fan-Schaufel eines Turbofan- Gasturbinentriebwerks ist, hat eine relativ große radiale Abmessung und weist einen Flügelprofilteil 14, eine Platt­ form 16 und einen sich radial nach innen erstreckenden Schwalbenschwanzfuß 18 auf. Ein in Spannweitenmitte angeordnetes Mantelringsegment 20 erstreckt sich auf jeder Seite der Schaufel 10 in Umfangsrichtung und wirkt mit gleichen Mantelringsegmenten an benachbarten Schau­ feln zusammen, um aus Stabilitätsgründen die Relativbewegung sowie Biegungen der Schaufel 10 zu begrenzen. Die Rotorschei­ be 12 hat einen Lastaufnahmeteil 22, der mit einer nicht dar­ gestellten Welle mechanisch verbunden ist, die ihrerseits in Antriebsverbindung mit einer nicht dargestellten Turbine steht. Die Turbine entnimmt Energie aus einem eine hohe Energie auf­ weisenden Fluidstrom in herkömmlicher Weise, um die Welle und dadurch die Rotorscheibe 12 zu drehen.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist die Rotorscheibe 12 mehrere Schwalbenschwanzschlitze bzw. -nuten 24 (von denen der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 einer ohne die Haltevorrichtung nach der Er­ findung gezeigt ist) auf, die sich insgesamt axial über ihren Umfang erstrecken. Jeder Schlitz (Nut) 24 ist im Querschnitt insge­ samt U-förmig, wobei Seitenwände 26 und 28 die U-Schenkel und eine profilierte Bodenwand 30 die U-Basis bildet. In jedem Schlitz 24 ist ein Schaufelschwalbenschwanz 18 angeordnet, wo­ bei die radiale Tiefe jedes Schlitzes 24 so gewählt ist, daß bei eingesetztem Schaufelschwalbenschwanz 18 ein definierter Zwischenraum 32 vorhanden ist, welcher eine vorbestimmte radia­ le Höhe 34 hat.

Der Zwischenraum 32 sorgt dafür, daß die ein­ zelnen Rotorschaufeln 10 in bezug auf die Rotorscheibe 12 ra­ dial nach innen bewegt werden können, bevor sie axial aus dem Schlitz 24 hinausbewegt werden, um die in Spannweitenmitte an­ geordneten Mantelringsegmente 20 aus ihrer gegenseitigen Be­ rührung zu lösen. Gemäß den Fig. 2 und 3 ist es zum Zurückzie­ hen einer Rotorschaufel 10 aus ihrem Schlitz 24 zuerst erfor­ derlich, das in Spannweitenmitte angeordnete Mantelringsegment 20 aus seiner Verriegelung mit den benachbarten, ebenfalls in Spannweitenmitte angeordneten Mantelringsegmenten zu lösen.

Rotorscheiben der oben beschriebenen Art drehen sich im allge­ meinen mit extrem hohen Geschwindigkeiten. Wegen des Nichtvor­ handenseins von wirksamen Vorrichtungen zum axialen Aufrecht­ erhalten der Schaufelpositionen besteht die Tendenz, daß unter gewissen Bedingungen, wie der Reaktion der Flügelprofilteile auf das Auftreffen von Fremdobjekten, Reibungen an den Blatt­ spitzen und Schaufelschwingungen oder -reaktionen auf die Luftbewegung, die Schaufelschwalbenschwänze 18 axial aus den Schwalbenschwanzschlitzen 24 hinausgetrieben werden. Wenn das während des Betriebes auftreten würde, käme es zu einer starken Be­ schädigung des zugeordneten Triebwerks und seiner Umgebung. Es ist deshalb notwendig, eine Schaufelhaltevorrichtung vorzuse­ hen, die die Schaufeln 10 in einer festen Axialposition in der Rotorscheibe 12 hält. Weiter müssen zum Minimieren des Ver­ schleißes und zum Verlängern der Lebensdauer der Teile die Schaufeln 10 außerdem in den Rotorscheibenschlitzen 24 so be­ festigt sein, daß eine Relativbewegung zwischen den Schwalben­ schwanzschäften 18 und den Schlitzen 24 wirksam verhindert wird. Gemäß der Erfindung wird das durch eine verbesserte Schaufelhaltevorrichtung (in den Fig. 2 und 4 insgesamt mit 36 bezeichnet) erreicht, die einen Schaufelschwalbenschwanz 18 in seinem Schwalbenschwanzschlitz 24 formschlüssig, festsitzend und wahlweise lösbar festhält.

Zur einfacheren Erläuterung bezieht sich die folgende Beschrei­ bung nur auf das Festhalten einer einzelnen Rotorschaufel 10 in einem einzelnen Schwalbenschwanzschlitz 24. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung in gleicher Weise für mehrere Schaufeln gilt.

Die Fig. 1 und 4 zeigen die verbesserte Schaufelhaltevorrichtung 36 nach der Erfindung. Die Rotorscheibe 12 hat mehrere axiale Vorsprünge 38, die von den Scheibenpfosten axial nach vorn vor­ stehen. Jeder Scheibenpfostenvorsprung 38 hat zwei insgesamt axial in einer Linie angeordnete, halbkreisförmige Nuten 40 und 42, die sich insgesamt radial längs Querseitenwänden 44 bzw. 46 erstrecken. In dieser Ausführungsform sind die Nuten 40 und 42 (sowie verschiedene andere Nuten, die im folgenden beschrieben sind) zwar als insgesamt halbkreisförmig beschrieben, darunter ist jedoch keine Einschränkung zu verstehen, da diese Nuten jede andere Form haben könnten, die für das Erfüllen ihrer im folgenden beschriebenen Funktionen geeignet ist.

Gemäß den Fig. 1, 2 und 4 erstreckt sich ein Teil 50 des Schaufelschwalbenschwanzes 18 axial vorderhalb des Schwalben­ schwanzschlitzes 24 in eine Axialposition, die im wesentlichen gleich der der Scheibenpfostenvorsprünge 38 ist. Der vordere Schaufelschwalbenschwanzteil 50 hat zwei insgesamt axial in einer Linie angeordnete, halbkreisförmige Nuten 52 und 54, die sich insgesamt radial längs Schaufelschwalbenschwanzquersei­ ten 56 bzw. 58 erstrecken. Die Schaufelschwalbenschwanznuten 52 und 54 sind ebenfalls axial in einer Linie mit den oben be­ schriebene Scheibenpfostenvorsprungsnuten 40 bzw. 42 ange­ ordnet.

Ein federndes Distanzstück 60 ist in dem Zwischenraum 32 zwi­ schen der radialen Innenseite des Schaufelschwalbenschwanzes 18 und der Schwalbenschwanzschlitzbodenwand 30 angeordnet und übt eine radial nach außen gerichtete Kraft oder Vorspannung auf den Schaufelschwalbenschwanz 18 aus, um die Relativbe­ wegung zwischen der Rotorschaufel 10 und der Rotorscheibe 12 zu begrenzen. Das Federdistanzstück 60 hat ein sich insge­ samt axial erstreckendes, langgestrecktes Unterteil 62, des­ sen axiale Länge im wesentlichen gleich der Länge des Schwal­ benschwanzschlitzes 24 ist. Das Unterteil 62 hat eine Quer­ schnittsform ähnlich der eines I-Trägers (vgl. Fig. 6 und 7), wodurch sich ein hoher Grad an radialer Festigkeit ergibt und gleichzeitig das überschüssige Gewicht beseitigt wird, das sonst durch ein massives Teil gleicher Größe vorhanden wäre. Es wird zwar eine I-Träger-Querschnittsform in dieser Aus­ führungsform benutzt, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf, da das Unterteil 62 auch irgendeine andere ge­ eignete Querschnittsform haben könnte.

Das Unterteil 62 hat drei Stege 64, 66 und 68 am Hinterende, in der Mitte bzw. am Vorderende, die von ihm aus sowohl radial nach innen als auch radial nach außen vorstehen (der hier be­ nutzte Ausdruck "hinter-" bezieht sich auf die rechte Seite der Figuren, während sich der Ausdruck "vorder-" auf die lin­ ke Seite der Figuren bezieht). Die radial nach innen weisen­ de Fläche jedes Steges 64, 66 und 68 ist so profiliert, daß sie sich gegen die profilierte Scheibenschlitzbodenwand 30 legt (vgl. Fig. 5 und 6). Die radial nach außen weisenden Flächen der Stege 64 und 66 sind insgesamt eben (wie es in den Fig. 1, 4 und 6 dargestellt ist), so daß sie sich an Stellen 72 bzw. 74 gegen die ebene, radial nach innen weisende Fläche 70 des Schaufelschwalbenschwanzes 18 legen. Die radiale Höhe der Stege 64 und 66 ist etwas kleiner als die radiale Höhe 34 des Zwischenraums 32, damit das Federdistanzstück 60 unter dem Schaufelschwalbenschwanz 18 eingebaut werden kann. Die radial nach außen weisende Fläche des vorderen Steges 68 besteht aus zwei geneigten Flächen 76 und 78, die sich an dem axialen Mit­ telpunkt des vorderen Steges 68 treffen und einen Scheitel 80 bilden. Aus Gründen, die im folgenden deutlich werden, ist die radiale Höhe des vorderen Steges 68 (wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt) an dem Scheitel 80 etwas kleiner als die radia­ le Höhe der Stege 64 und 66.

Ein insgesamt rechteckförmiger Schlitz oder eine insgesamt rechteckförmige Nut 82 erstreckt sich axial längs eines Teils der beiden geneigten Flächen 76 und 78 und längs des Scheitels 80 in der Nähe des Quermittelpunktes desselben. Der Zweck der Nut 82 wird aus den folgenden Darlegungen deutlich.

Das Federdistanzstück 60 hat weiter einen Vorderteil 84, der sich insgesamt axial nach vorn erstreckt und etwas radial nach innen gegen das Unterteil 62 zu einem Punkt hin geneigt ist, der sich etwas hinter dem vorderen Ende des vorderen Schaufel­ schwalbenschwanzteils 50 befindet. Der vordere Federdistanz­ stückteil 84 ist insgesamt eine Fortsetzung der geneigten Flä­ che 78 und enthält eine insgesamt rechteckförmige Nut 86, die sich insgesamt radial längs seines vorderen axialen Endes 88 in der Nähe von dessen Quermittelpunkt erstreckt. Der Zweck der Nut 86 ergibt sich aus den folgenden Darlegungen.

Der vordere Federdistanzstückteil 84 hat außerdem zwei insge­ samt axial in einer Linie angeordnete, halbkreisförmige Nu­ ten 90 und 92, die sich insgesamt radial längs der Querseiten 94 bzw. 96 erstrecken. Die Nuten 90 und 92 des vorderen Feder­ distanzstückteils 84 sind außerdem axial und radial in einer Linie mit den oben beschriebenen Schaufelschwalbenschwanznuten 52 bzw. 54 angeordnet.

Eine Axialhalteeinrichtung, die insgesamt mit 98 bezeichnet ist, besteht aus zwei insgesamt zylindrischen Stiften 100 und 102. Der Stift 100 wird in den miteinander fluchtenden Nuten 40, 52 und 90 und der Stift 102 wird in den mit einander fluch­ tenden Nuten 42, 54 und 92 angeordnet und beide Stifte dienen zum axialen Festhalten des Schaufelschwalbenschwanzes 18 und des Federdistanzstückes 60 in ihrer Lage in dem Schwalben­ schwanzschlitz 24, wodurch die Rotorschaufel 10 in der Rotor­ scheibe 12 axial verriegelt wird. Die Stifte 100 und 102 kön­ nen eine Gewindebohrung (nicht gezeigt) auf ihrer radial nach außen weisenden Fläche aufweisen, um ihr Herausziehen mittels eines mit Gewinde versehenen Werkzeuges (nicht gezeigt) zu er­ leichtern, das in die Gewindebohrungen eingeschraubt wird.

Die Stifte 100 und 102 haben jeweils eine rechteckförmige Nut 104 bzw. 106, die sich insgesamt axial durch den Stift er­ streckt. In dieser Ausführungsform sind zwar die Nuten 104 und 106 (ebenso wie weitere, oben beschriebene Nuten) als insge­ samt rechteckförmig beschrieben, das sollte jedoch wiederum nicht als Einschränkung angesehen werden, da diese Nuten jede geeignete Form haben können. Die Stifte 100 und 102 sind mit ihren miteinander fluchtenden Nuten so ausgerichtet, daß die Stiftnuten 104 und 106 einander zugewandt sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

Eine Radialhalteeinrichtung, die insgesamt mit 112 bezeichnet ist und aus einem axial ausgerichteten, keilförmigen Teil 114 besteht, ist zwischen der radialen Innenseite des vorderen Schaufelschwalbenschwanzteils 50 und der radialen Außenseite des vorderen Federdistanzstückteils 84 angeordnet und er­ streckt sich axial durch die Stiftnuten 104 und 106, um die Stifte 100 und 102 in ihrer Lage in ihren zugeordneten fluch­ tenden Nuten radial festzuhalten. Das keilförmige Teil 114 hat eine insgesamt ebene, radial nach außen weisende Fläche 116, die sich gegen die ebene, radial nach innen weisende Schaufelschwalbenschwanzfläche 70 legt. Die innere radiale Fläche des keilförmigen Teils 114 hat außerdem eine axial ausgerichtete, sich insgesamt radial erstreckende Schiene 118 (am besten in Fig. 1 sichtbar), die in der axial ausgerichte­ ten Nut 82 des Federdistanzstückunterteils für Querhalterungs- und -ausrichtungszwecke angeordnet ist. Darüber hinaus wirkt die geneigte, radial innere Fläche 120 des keilförmigen Teils 114 auf den Scheitel 80 ein, um das keilförmige Teil 114 ra­ dial nach außen gegen den Schaufelschwalbenschwanz 18 zu drüc­ ken und dadurch die Radialvorspannung der Schaufel zu vervoll­ ständigen.

Das axial vordere Ende 122 des keilförmigen Teils 114 er­ streckt sich radial nach innen und ist in der vorderen axia­ len Federdistanzstücknut 86 zur Querhalterung und -ausrichtung des keilförmigen Teils 114 angeordnet. Ein Bauteil 124, bei dem es sich in dieser Ausführungsform um eine Fan-Nabenhaube mit einem ringförmigen Tragflansch 128 handelt, liegt an dem axial vorderen Keilende 122 an, um das keilförmige Teil 114 axial in seiner Lage festzuhalten.

Der Zusammenbau der oben beschriebenen Schaufelhaltevorrich­ tung erfolgt, indem zuerst ein Rotorschaufelschwalbenschwanz 18 und dann ein Federdistanzstück 60 in einen Rotorscheibenschwal­ benschwanzschlitz 24 eingeführt wird, so daß die Nuten 40, 52 und 90 einerseits und die Nuten 52, 54 und 92 andererseits axial fluch­ tend angeordnet sind. Danach werden die beiden Zylinderstifte 100 und 102 in ihre fluchtenden Nuten so eingeführt, daß die Stiftnuten 104 und 106 einander zugewandt sind. Anschließend wird das keilförmige Teil 114 in den Zwischenraum zwischen dem vorderen Schwalbenschwanzschaftteil 50 und dem vorderen Federdistanzstückteil 84 eingeführt, so daß es die Stiftnuten 104 und 106 überbrückt und radial nach außen gegen den Schau­ felschwalbenschwanz 18 drückt. Dieselbe Prozedur schließt sich für die benachbarten Schaufeln 10 an, deren in Spannwei­ tenmitte angeordnete Mantelringsegmente in geeigneter Weise miteinander verriegelt werden, wie es oben beschrieben worden ist. Wenn sämtliche Schaufeln 10 und Haltevorrichtungen 36 richtig in die Schwalbenschwanzschlitze 24 eingebaut sind, wird die Fan-Nabenhaube 124 so angebracht, daß ihr Flansch 128 an jedem axial vorderen Keilende 122 anliegt, und dann in sei­ ner Lage verriegelt. Das Entnehmen aller Schaufeln 10 oder ei­ ner Schaufel erfolgt durch Umkehren der vorstehend beschriebe­ nen Prozedur.

Claims (7)

1. Schaufelhaltevorrichtung zum Verriegeln einer radialen Schaufel in einem Turbomaschinenrotor, wobei die Schaufel einen Schwalbenschwanzfuß (18) an ihrem radial inneren Ende und der Rotor mehrere Schwalbenschwanznuten (24) auf­ weist, die sich axial über seinen Umfang von einer Stirn­ seite des Rotors zur anderen erstrecken und jeweils einen Schaufelfuß aufnehmen,
mit einer ersten Nut (52), die sich radial längs einer ersten Schaufelfußseite (56) erstreckt, mit einer zweiten Nut (54), die sich radial längs der anderen Schaufelfußseite (58) erstreckt, mit einer dritten Nut (40), die sich radial längs einer ersten Seitenwand (44) der Schwalbenschwanznut (24), die der ersten Schaufelfußseite (56) entspricht, erstreckt und axial mit der ersten Nut (52) ausgerichtet ist, mit einer vierten Nut (42), die sich radial längs der andere Seitenwand (56) der Schwalbenschwanznut (24) er­ streckt und axial mit der zweiten Nut (54) ausgerichtet ist, mit einer Axialhalteeinrichtung (98), die in den miteinander ausgerichteten Nuten angeordnet ist, und den Schaufelfuß in seiner Lage in der Schwalbenschwanznut axial festhält, und
mit einem Federdistanzstück (60), das zwischen der radialen Innenseite des Schaufelfußes (18) und der Schwalbenschwanznut (24) angeordnet ist, und eine radial nach außen gerichtete Kraft auf den Schaufelfuß ausübt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Federdistanzstück (60) eine fünfte Nut (90), die sich radial längs einer ersten Querseite (94) des Federdistanz­ stückes (60) erstreckt und axial und radial mit der ersten Nut (52) ausgerichtet ist, und eine sechste Nut (92) aufweist, die sich radial längs der anderen Querseite (96) des Federdistanzstückes (60) erstreckt und axial und radial mit der zweiten Nut (54) ausgerichtet ist, wobei die Axialhalteeinrichtung (98) in der fünften und in der sechsten Nut angeordnet ist und das Federdistanzstück (60) in seiner Lage in der Schwalbenschwanznut hält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Radial­ halteeinrichtung zwischen der radialen Innenseite des Schaufelfußes und der Schwalbenschwanznut angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialhalteeinrichtung (98) eine oder mehrere axiale Nuten (104, 106) aufweist, in die die Radialhalteeinrichtung (112) eingreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federdistanzstück (60) ein sich insgesamt axial erstreckendes Teil (62) aufweist, das radial nach innen und radial nach außen vorstehende Stege (64, 66, 68) aufweist, von denen die radial nach innen vorstehenden Stege insgesamt der Kontur der Schwal­ benschwanznut (24) angepaßt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federdistanzstück (60) eine siebente Nut (82) aufweist, die sich radial längs seines vorderen axialen Endes erstreckt, und daß die Radialhalteeinrichtung (112) eine radiale Schiene (118) auf einer ihrer radialen Seiten aufweist, die in der siebenten Nut (82) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federdistanzstück (60) eine achte Nut (86) aufweist, die sich axial längs eines Teils seiner radialen Seite erstreckt, und daß die Radial­ halteeinrichtung (112) einen axialen Schienenteil auf einer ihrer radialen Seiten aufweist, der in der achten Nut an­ geordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite, die dritte und die vierte Nut (52, 54, 40, 42) insgesamt halbkreisförmig sind und daß die Axialhalteeinrichtung (98) aus zwei insgesamt zylindrischen Stiften (100, 102) besteht, in denen jeweils die axiale Nut (104, 106) aus­ gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausrichten der Stifte (100, 102) derart, daß die Stiftnuten (104, 106) einander zugewandt sind.