DE3148984A1

DE3148984A1 - Verfahren und vorrichtung zum verriegeln von laufschaufeln

Info

Publication number: DE3148984A1
Application number: DE19813148984
Authority: DE
Inventors: Claudio 80110 Englewood Col. Brumen
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1982-07-22
Also published as: FR2501283B1; JPH0233844B2; BE891325A; CH658701A5; GB2089899A; DE3148984C2; SE8107451L; SE450843B; IT8125688A0; IT1142138B; US4389161A; FR2501283A1; JPS57126504A; GB2089899B

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Verriegeln von Laufschaufeln an einer Rotorscheibe

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen und betrifft insbesondere die Verwendung einer einzelnen Verriegelungsvorrichtung zum Festhalten von mehreren Laufschaufeln an einer Rotorscheibe.

Die Erfindung wurde zwar in der Gasturbinentriebwerksindustrie zum Verriegeln von Verdichter- und Turbinenlaufschaufeln an den Rotoren von solchen Triebwerken entwickelt, ihr Anwendungsbereich erstreckt sich jedoch auch auf Baugruppen mit ähnlicher Konfiguration.

Auf dem Gasturbinentriebwerksgebiet werden Rotorbaugruppen typischerweise aus axial benachbarten Rotorscheiben gebildet, von denen aus sich mehrere Laufschaufeln radial über den Weg der Arbeitsmediumgase erstrecken, die durch das Triebwerk strömen. Ein Beispiel für eine solche Baugruppe aus beschau-

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feiten Rotorstufen findet sich in der US-PS 3 807 898. In dieser Baugruppe erstrecken sich mehrere Dichtplatten von der Rotorscheibe aus zu jeder Laufschaufelplattform, um die Laufschaufeln in der Vor- und Rückwärtsrichtung zu verriegeln und eine Leckage zwischen den Plattformen und der Scheibe zu blockieren. Eine weitere Verriegelungsvorrichtung ist in der US-PS 2 713 991 beschrieben. Bei dieser Konstruktion ist die Verriegelungsvorrichtung ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Zylinder. Die Laufschaufel hat eine L-förmige Lippe, die den Zylinder erfaßt, so daß der Zylinder zwei Scherebenen in dem Draht aufweist, um einer Bewegung der Laufschaufel in einer insgesamt axialen Richtung entgegenzuwirken. Diese Scherebenen sind quer zu der Längsachse des Zylinders ausgerichtet.

Trotz der Verfügbarkeit der obigen Verriegelungsvorrichtungen suchen Wissenschaftler und Ingenieure weiterhin nach verbesserten Verriegelungsvorrichtungen, die ein geringes Gewicht haben und die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen der Laufschaufel und der Rotorscheibe blockieren.

Gemäß der Erfindung werden wenigstens zwei Laufschaufeln einer Rotorbaugruppe in einer Rotorscheibe in Vor- und Rückwärtsrichtung durch einen ausgeschnittenen Stift festgehalten, der während des Zusammenbaues mit Schlitzen in der Scheibe in eine Linie bringbar ist, um das Einführen der Laufschaufeln in die Scheibenschlitze zu gestatten,und der anschließend in Eingriff mit den Laufschaufeln und der Scheibe schiebbar ist, um die Laufschaufeln an der Scheibe zu verriegeln.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der ausgeschnittene Stift längs einer Nut in der Scheibe verschiebbar, um Nasen an dem ausgeschnittenen Stift in Eingriff mit entsprechend ausgerichteten Nuten jeweils in den Laufschaufeln zu bringen.

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Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Rotorscheibe, die durch LaufSchaufelbefestigungsschlitze in der Lage ist. Laufschaufeln aufzunehmen. Die Rotorscheibe hat eine Nut in ihrem Umfang. Jede Laufschaufel hat eine Nut,die der Nut in der Scheibe zugewandt ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist ein ausgeschnittener Verriegelungsstift. Der Stift hat Nasen, die jeweils eine entsprechende Laufschaufel erfassen. Der Stift erstreckt sich in seitlicher Richtung über die Scheibe und die Wurzel der Laufschaufel. In einer Ausführung begrenzt ein radialer Vorsprung an der Laufschaufel die Nut in der Laufschaufel. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift ist in den Nuten in der Schaufel und der Scheibe während des Zusammenbaues verschiebbar. In einer Ausführungsform ist der ausgeschnittene Verriegelungsstift in der Nut in der Scheibe angeordnet, und zwar, in einer Linie mit den Schlitzen in der Scheibe, um das Einführen von wenigstens zwei Laufschaufeln zu gestatten, und kann durch Verschiebung mit den Laufschaufeln und der Scheibe in Eingriff gebracht werden, um die Laufschaufeln an der Scheibe zu verriegeln.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist diegeringe Baugröße der Schaufelverriegelung, die dadurch ermöglicht wird, daß der Vor- und Rückwärtsbewegung der" Laufschaufel längs eines Umfangsscherabschnittes durch die Verriegelung entgegenwirkt wird, im Vergleich zu Schaufelverriegelungen, bei denen der Bewegung der Schaufel längs Scherebenen entgegengewirkt wird, die sich in Querrichtung erstrecken. Ein weiterer Vorteil ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Blokkieren der Leckage von Arbeitsmediumgasen an der Rotorscheibe zwischen der Wurzel der Laufschaufel und der Scheibe mit dem ausgeschnittenen Verriegelungsstift ergibt. Noch ein weiterer Vorteil ist der geringe Wert der Schaufelwurzelspannungen, der auf die seitliche Berührung der Schaufelwurzel an der Grenzfläche zwischen der Schaufel und der

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Scheibe zurückzuführen ist. Das einfache Zusammenbauen wird noch verbessert, indem die Schaufel gegen eine Bewegung in Vor- und Rückwärtsrichtung mit einem Verriegelungsstift festgehalten wird, der von einer Seite der Scheibe her voll zugänglich ist. Das einfache Zusammenbauen wird weiter noch dadurch verbessert, das sämtliche Verriegelungsstifte in einer Scheibennut vor dem Einführen der Laufschaufeln angeordnet werden können und daß der Verriegelungsstift in der Nut während und nach dem Einbau der Laufschaufeln bewegt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ηäher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Teils

eines Verdichterabschnitts eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung benutzt wird,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2

von Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische

Teildarstellung einer Rotorstufenbaugruppe von Fig. 1 "und

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht der Ro

torstufenbaugruppe von Fig. 3 im zusammengebauten Zustand.

Die Erfindung wird am Beispiel des Verdichters eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Teil eines Verdichters 10. Ein Strömungsweg 12 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch den Verdichter. Der Verdichter

hat eine Statorbaugruppe 14 und eine Rotorbaugruppe 16. Die Rotorbaugruppe hat eine Drehachse Ar und enthält eine stromaufwärtige Rotorstufe 18 und eine stromabwärtige Rotorstufe 20. Die stromabwärtige Rotorstufe ist in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rotorstufe angeordnet, so daß zwischen diesen Stufen sowohl ein axialer Teil des Strömungsweges als auch ein Hohlraum einwärts des Strömungsweges verbleiben. Die Statorbaugruppe enthält einen Kranz von Leitschaufeln 22, die sich über den Strömungsweg erstrecken und den axialen Teil des Strömungsweges in ein stromaufwärtiges Gebiet 24, das einen ersten Druck hat, und in ein stromabwärtiges Gebiet 26 unterteilen, das einen Druck hat, der höher ist als der erste Druck. Eine Ummantelung 30 berührt den Spitzenbereich jeder Leitschaufel und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um den Hohlraum, zwischen den Rotorstufen in einen stromaufwärtigen Hohlraum 32 und einen stromabwärtigen Hohlraum 34 zu unterteilen. Der stromaufwärtige Hohlraum steht in Fluidverbindung mit dem stromabwärtigen Hohlraum.

Die stromabwärtige Rotorstufe 20 hat eine Scheibe 36 mit einem Umfang, wie dem Randabschnitt 38, der sich über den Umfang der Scheibe erstreckt. Der Umfang der Rotorscheibe hat eine Nut 40, die sich insgesamt in Umfangsrichtung (lateraler oder seitlicher Richtung) erstreckt und insgesamt in Richtung nach außen weist. Die Rotorbaugruppe hat mehrere Laufschaufeln, wie die einzelne Laufschaufel 42, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt. Der Randabschnitt 38 ist so ausgebildet, daß er die Laufschaufeln in mehreren LaufSchaufelbefestigungsschlitzen aufnimmt, was durch den einzelnen LaufSchaufelbefestigungsschlitz 44 dargestellt ist. Diese Schlitze erstrecken sich in einer insgesamt axialen Richtung. Jede Laufschaufel hat eine Wurzel 46, die in der Form einem entsprechenden Laufschaufelbefestigungsschlitz angepaßt ist. Die Wurzel hat eine Nut 48. Die Nut in der Wurzel ist so ausgerichtet, daß sie der Nut

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in der Scheibe zugewandt ist, wenn die Laufschaufel eingebaut ist. Ein radialer Vorsprung 50 an der Wurzel erstreckt sich sowohl axial als auch radial, um die Nut in der Laufschaufel zu begrenzen, und ist den Arbeitsmediumgasen in dem stromabwärt igen Hochdruckhohlraum 34 benachbart. Ein ausgeschnittener Verriegelungsstift 52, der sich sowohl in der Scheibennut als auch in einer entsprechenden Laufschaufelnut erstreckt, erfaßt die Scheibe und die Laufschaufel.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und zwei ausgeschnittene Verriegelungsstifte 52, die einen gegenseitigen Abstand D haben. Jeder Stift 52 hat eine Längsachse L. Der Stift hat eine leichte Krümmung und erstreckt sich in der Umfangsnut 40 der Scheibe 36 lateral. Der Stift hat radiale Nasen 54. Jede radiale Nase erstreckt sich in eine entsprechende Nut 48 in einer Laufschaufel 42. Die Nasen an jedem Stift haben einen gegenseitigen Umfangsabstand Dr¹ zwischen sich bei einem Radius R von dem Mittelpunkt der Scheibe. Der Laufschaufelbefestigungsschlitz hat eine Ümfangsbreite Dr¹' an dem Radius R von dem Mittelpunkt der Scheibe. Der Abstand Dr¹ ist größer als oder gleich dem Abstand Dr¹¹ (Dr¹ > Dr¹¹).

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht einer Rotorscheibe 36, einer Laufschaufel 42 und eines ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes 52. In dieser besonderen Ausführungsform ist der Umfangsabstand Dr' zwischen den radialen Nasen 54 an jedem Stift größer als die Ümfangsbreite Dr¹¹ des LaufSchaufelbefestigungsschlitzes. Die strichpunktierten Linien zeigen den ausgeschnittenen Verriegelungsstift in der Nut 40 der Scheibe und in einer Linie mit der Scheibe angeordnet, um das Einbauen der Laufschaufeln 42 zu ermöglichen.

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Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorscheibe 36, der Laufschaufeln 42 und des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes 52 im zusammengebauten Zustand.

Während des Zusammenbaues werden der Verriegelungsstift 52 und der Kranz von Laufschaufeln 42 in den Rand 38 der Rotorscheibe 36 eingesetzt. Gemäß den strichpunktierten Linien in Fig. 3 ist der ausgeschnittene Stift in der Scheibe zuerst in einer Linie mit den Schlitzen 44 in der Scheibe, um das Einführen der entsprechenden Laufschaufeln in insgesamt axi-aler Richtung zu ermöglichen. In dieser Stellung sind die radialen Nasen an dem ausgeschnittenen Verriegelungsstift in einer Linie mit entsprechenden Teilen der Scheibe/ die sich zwischen den LaufSchaufelbefestigungsschlitzen erstrekken. Wenn die Laufschaufeln in die Scheibe eingeführt werden/ geht jede Laufschaufel an den benachbarten Nasen vorbei und faßt in einen entsprechenden LaufSchaufelbefestigungsschlitz 44 in der Scheibe ein. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift kann durch Verschiebung mit den Laufschaufeln und der Scheibe in Eingriff gebracht werden, um die Laufschaufeln an der Scheibe zu verriegeln. Gemäß den Fig. 2 und 4 wird dieser Eingriff hergestellt/ indem der ausgeschnittene Verriegelungsstift in der Nut 40 in der Scheibe verschoben wird, um die Nasen des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes in Eingriff mit den entsprechend ausgerichteten Nuten 48 in den Laufschaufeln zu bringen. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift ist in Umfangsrjchtung in der Nut 40 in der Scheibe und in den Nuten 48 in den Laufschaufeln verschiebbar, um das Einsetzen und Ausrichten von weiteren Verriegelungsstiften zu erleichtern, wenn weitere Laufschaufeln in die Scheibe eingesetzt werden. Wegen dieser Verschiebbarkeit und wegen der Ausrichtung der Scheibennut können die benachbarten Stifte mit gegenseitiger Berührung eingebaut werden. In einem solchen Fall ist der Abstand D zwischen benachbarten Verriegelungsstiften null.

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Gemäß Fig. 4 wird der Verriegelungsstift gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung gesichert, indem jedes Ende des Stiftes in radialer Richtung, vorzugsweise nach außen, umgebogen wird. Selbstverständlich können andere mechanische Mittel zum Befestigen des Stiftes benutzt werden. Darüber hinaus können die Stifte durch Schweißen oder Hartlöten festgelegt werden.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsmediumgase auf dem Strömungsweg 12 durch den Verdichter 10. Wenn die Gase auf dem Strömungsweg durch den Verdichter hindurchgehen, haben sie die Tendenz, aus dem Hochdruckhohlraum 34 über die Schneidendichtungen an der sich in ümfangsrichtung erstreckenden Ummantelung 30 zurück in den Niederdruckhohlraum 32 zu strömen. Dieses Zurückströmen verringert den Wirkungsgrad des Verdichters. Die radialen Vorsprünge 50 an dem Fuß jeder Laufschaufel bewirken ein Pumpen der Arbeitsmediumgase in einer Richtung, die zu der des Zurückströmens entgegengesetzt ist, das Zurückströmen verringert und den Verlust an Verdichterwirkungsgrad verringert.

Wenn die Gase axial auf dem Strömungsweg 12 durch die Rotorstufe 20 des Verdichters gepumpt werden, üben sie eine Kraft entweder in stromaufwärtiger Richtung (Vorwärtsrichtung) während des normalen Betriebes oder in stromabwärtiger Richtung (Rückwärtsrichtung) aus, wie es bei gestörter Verdichterförderung auftreten könnte. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift -52 erfaßt sowohl die Schaufel als auch die Scheibe, so daß der Bewegung der Schaufel sowohl in der Vor- als auch in der Rückwärtsrichtung die Scherfestigkeit des Stiftes entgegenwirkt, die in einem in Längsrichtung" ausgerichteten Scherabschnitt, wie beispielsweise einer Längsebene oder einem Umfangsabschnitt in dem Stift,wirkt. Der Stift 52 bietet den Scherkräften einen größeren Scherquerschnitt dar als Stifte, die der Vor- und Rückwärtsbewegung der Schaufel mit einer Scherkraft entgegenwirken, die in dem Stift in einer Ebene

gebildet wird, welche zu dem Umgangsabschnitt rechtwinkelig ist. Ein Stift 52 mit kleinerem Durchmesser kann benutzt werden, um die Schaufel gegen eine bestimmte Kraft festzuhalten, verglichen mit diesen Querscherstiften, wodurch das Gewicht der Baugruppe und die aerodynamischen Verluste aufgrund der Vorrichtungen zum Pesthalten des Stiftes verringert werden.

Mehrere Vorteile ergeben sich aus der spezifischen Lage des Stiftes in bezug auf die beschriebene Scheibe und die beschriebene Schaufel. Der Stift erfaßt die Wurzel der Schaufel und die Scheibe am Fuß der Schaufel. Die Schaufelspannungen sind in diesem Gebiet niedrig, verglichen mit den Spannungen in der Schaufel, die sich dadurch ergeben, daß die Schaufel radial außerhalb von diesem Punkt erfaßt wird, wo die Umfangsbreite der Schaufel kleiner als der Fußbereich ist. Darüber hinaus bewirken die ausgeschnittenen Stifte, daß die Leckage von Arbeitsmediumgasen über den Schaufelbefestigungsschlitz an der Scheibe blockiert wird. Darüber hinaus ist bei der beschriebenen Konstruktion die Scheibennut während der Fertigung zugänglich, was ermöglicht, die Ränder der Scheibe fertigzubearbeiten, um die Spannungskonzentration an dem Rand des Schaufelbefestigungsschlitzes zu verkleinern.

Der Verriegelungsstift ist im Querschnitt, ebenso wie die Nuten, kreisförmig, wodurch die Spannungskonzentrationen in der Scheibe und der Schaufel verringert werden. Andere Querschnittsformen können im Rahmen der Erfindung benutzt ₄ werden.

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

( 1J Verfahren zum Verriegeln von Laufschaufeln an einer Rotorscheibe, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

axiales Ineingriffbringen eines ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes mit dem Umfang der Rotorscheibe durch Einsetzen des Stiftes in eine Nut, die nach außen gewandt ist;

Ausrichten des ausgeschnittenen Stiftes auf Schlitze in der Scheibe, um das Einführen von wenigstens zwei Laufschaufeln in insgesamt axialer Richtung jeweils in einen entsprechenden Schaufelbefestigungsschlitz in der Scheibe zu gestatten;

Einführen der Laufschaufeln in den Schaufelbefestigungsschlitz derart, daß eine Nut in jeder Laufschaufel axial in einer Linie mit der Nut in der Scheibe ist und dieser Nut zugewandt ist;

Verschieben des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes in der Nut in der Scheibe, um Nasen des ausgeschnittenen Stiftes

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mit entsprechend ausgerichteten Nuten in den Laufschaufeln in Eingriff zu bringen; und

Sichern des Verriegelungsstiftes gegen eine Umfangsbewegung.
2. LaufSchaufelverriegelungsvorrichtung für eine Axialströmungsmaschine mit einer Rotorbaugruppe (16) , die eine Rotorscheibe (36) aufweist, welche Schlitze (44) hat, die sich in insgesamt axialer Richtung erstrecken und jeweils eine entsprechende Laufschaufel (42) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rotorscheibe (36) eine Nut (40) hat, die sich insgesamt in ümfangsrichtung erstreckt und insgesamt nach außen weist;

daß wenigstens zwei Laufschaufeln (42) vorgesehen sind, die jeweils eine Wurzel (46) haben, welche eine Nut (48) aufweist, die sich insgesamt in Umfangsrichtung erstreckt, zu der Nut in der Scheibe gewandt und mit dieser in einer Linie ist; und

daß "wenigstens ein ausgeschnittener Verriegelungsstift (52) vorgesehen ist, der sowohl die Rotorscheibe als auch wenigstens zwei Laufschaufeln erfaßt, wobei sich jeder Verriegelungsstift in ümfangsrichtung in der Scheibennut erstreckt, um die Scheibe zu erfassen, und radiale Nasen (54) hat, von denen sich jede radial in die entsprechende Nut in der Wurzel einer entsprechenden Laufschaufel erstreckt, um die Laufschaufel gegen eine Vor- und Zurückbewegung bezüglich der Scheibe zu verriegeln.

3, Vorrichtung zum Verriegeln von

wenigstens zwei Laufschaufeln (42) in benachbarten Schlitzen (44) mit einer Breite W an einer Rotorscheibe (36) einer Rotorbaugruppe (16) einer Axialströmungsmaschine, um eine Vor- und Zurückbewegung jeder Laufschaufeln zu verhindern, ge-

kennzeichnet durch einen ausgeschnittenen Verriegelungsstift (52) mit mehreren Nasen (54), die von ihm auf einer Seite quer vorstehen und einen gegenseitigen Abstand (Dr¹) haben, der größer als die Breite W ist.