DE3148984C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Rotor­ baugruppe und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2 bzw. 3.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-AS 25 49 649 bekannt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.

Die Erfindung wurde zwar in der Gasturbinentriebwerksin­ dustrie zum Verriegeln von Verdichter- und Turbinenlauf­ schaufeln an den Rotoren von Gasturbinentriebwerken entwickelt, ihr Anwendungsbereich erstreckt sich jedoch auch auf Bau­ gruppen mit ähnlicher Konfiguration.

Bei Gasturbinentriebwerken werden Rotorbaugruppen typischerweise aus axial benachbarten Rotorscheiben gebildet, von denen aus sich mehrere Laufschaufeln radial über einen Strömungsweg von Arbeitsgasen erstrecken, die durch das Triebwerk strömen. Ein Beispiel für eine solche Rotorbaugruppe findet sich in der DE-AS 21 11 995=US-PS 38 07 898. In dieser bekannten Rotorbaugruppe erstrecken sich mehrere Dichtplatten von der Rotorscheibe aus zu jeder Laufschaufelplattform, um Laufschaufeln in axialer Richtung zu verrie­ geln und eine Leckage zwischen den Plattformen und der Rotorscheibe zu blockieren.

Eine weitere Vorrichtung zum Verriegeln einer Laufschaufel mit der Rotorscheibe ist in der US-PS 27 13 991 beschrieben. Bei dieser Konstruk­ tion ist die Vorrichtung ein sich in Umfangs­ richtung erstreckender zylindrischer Draht. Die Laufschaufel hat eine L-förmige Lippe, die den zylindrischen Draht erfaßt, so daß der zylin­ drische Draht zwei Scherebenen aufweist, um einer Bewe­ gung der Laufschaufel in einer axialen Richtung entgegenzuwirken. Diese Scherebenen sind quer zu der Längs­ achse des zylindrischen Drahtes ausgerichtet.

Bei der DE-AS 21 11 995=US 38 07 898 sind Deckplatten vorgesehen, die an ihrem äußeren Um­ fang in eine nach innen weisende Nut in den Laufschaufeln eingreifen und an ihrem radial inneren Umfang durch einen Draht festgehalten sind, der in miteinander ausgerichtete halbkreisförmige Nuten der Deckplatten und der Rotorscheibe eingeführt wird.

Aus der DE-AS 25 49 649 ist ein Verfahren zum Verriegeln von Laufschaufeln an einer Rotorscheibe nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem die Verriege­ lung von Laufschaufeln ausschließlich mittels Deckplatten erfolgt. Die Deckplatten werden aber erst nach einem Ein­ setzen der Laufschaufeln in zugehörige Rotorscheiben­ schlitze angebracht und müssen auch vor dem Ausbauen der Laufschaufeln wieder vollständig entfernt werden, was einen erhöhten Arbeitsaufwand erfordert. Auch bei den anderen be­ kannten Vorrichtungen ist es stets erforderlich, zuerst die Laufschaufeln an der Rotorscheibe zu montieren und erst an­ schließend Deck- oder Verriegelungsplatten, Drähte oder an­ dere Fixierelemente zu montieren. Entsprechend müssen bei diesem bekannten Verfahren und bei den oben genannten be­ kannten Vorrichtungen bei der Demontage von Laufschaufeln zuerst sämtliche Fixierelemente entfernt werden, bevor die Laufschaufeln von der Rotorscheibe demontiert werden kön­ nen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, daß ein schnelles und einfaches Montieren und Demontieren von Lauf­ schaufeln an einer Rotorscheibe möglich ist; außerdem soll eine Rotorbaugruppe mit nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren verriegelten Laufschaufeln ein geringes Gewicht haben und keine Leckageströmung von Arbeitsgasen aufweisen, und eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll eine solche Leckageströmung verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Pa­ tentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird entsprechend dem Patentanspruch 1 zu­ erst ein Verriegelungsglied in die Umfangsnut der Rotor­ scheibe eingelegt und in eine Schaufelfreigabelage ge­ bracht. Anschließend wird wenigstens eine Laufschaufel mit ihrer Wurzel durch einen Einschnitt des Verriegelungsglie­ des in den Rotorscheibenschlitz eingeführt, und schließlich wird das Verriegelungsglied in Umfangsrichtung in der Nut der Rotorscheibe in eine Verriegelungsstellung verschoben, in der das Verriegelungsglied wenigstens zwei Laufschaufeln durch Festhaltenasen erfaßt, die durch den Einschnitt des Verriegelungsgliedes beabstandet sind. Im letzten Schritt wird das Verriegelungsglied gegen Bewegung in Umfangsrich­ tung festgelegt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein schnelles Montieren von Laufschaufeln. Auch ein Demon­ tieren von Laufschaufeln wird erleichtert, indem das Ver­ riegelungsglied in der Umfangsnut lediglich verschoben und nicht vollständig demontiert zu werden braucht und an­ schließend die zu demontierende Laufschaufel einfach aus dem Rotorscheibenschlitz herausgezogen wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Rotorbaugruppe nach Anspruch 2 ist es möglich, auf die zusätzliche Verwen­ dung einer bislang üblichen Deckplatte zu verzichten, da das als Stift ausgebildete Verriegelungsglied sowohl die Verriegelungsaufgabe als auch die Abdichtungsaufgabe er­ füllt, wie das bei bekannten Deckplatten der Fall ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung nach An­ spruch 3 beinhaltet einen Verriegelungsstift, der mit meh­ reren Festhaltenasen versehen ist, die in der Verriege­ lungsstellung die Rotorscheibe und die Laufschaufeln erfas­ sen und damit die Laufschaufeln fixieren. Durch ausge­ schnittene Bereiche in dem Verriegelungsstift wird es mög­ lich, in der Schaufelfreigabelage, in der der Verriege­ lungsstift die Laufschaufeln nicht erfaßt, diese in die Ro­ torscheibenschlitze einzuführen oder aus den Rotorscheiben­ schlitzen herauszuziehen. Das einfache Zusammenbauen wird weiter noch dadurch verbessert, daß sämtliche Verriege­ lungsstifte in der Umfangsnut vor dem Einführen der Lauf­ schaufeln angeordnet werden können.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die geringe Baugröße des Verriegelungs­ gliedes, die dadurch ermöglicht wird, daß der Vor- und Rückwärtsbewegung der Laufschaufel längs einer Scherebene in Umfangsrichtung durch die Verriegelung entgegengewirkt wird, im Vergleich zu bekannten Verriegelungen von Laufschaufeln, bei denen der Bewegung der Laufschaufeln längs Scherebenen entgegengewirkt wird, die sich in Querrichtung erstrecken. Ein weiterer Vor­ teil ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Blockie­ ren der Leckageströmung von Arbeitsgasen an der Rotorschei­ be zwischen der Wurzel der Laufschaufel und der Scheibe durch das ausgeschnittene erfindungsgemäße Verriegelungsglied ergibt, sowie die geringe Größe der Schaufelwurzel­ spannungen, der auf die seitliche Berührung der Schaufel­ wurzel an der Grenzfläche zwischen der Schaufel und der Rotorscheibe zurückzuführen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Teils eines Verdichterabschnitts eines Gas­ turbinentriebwerks, bei dem das erfin­ dungsgemäße Verfahren benutzt wird.

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Rotorbaugruppe von Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht der Ro­ torbaugruppe von Fig. 3 im zusam­ mengebauten Zustand.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Verdichters 10 eines Gasturbinentriebwerks. Ein Strömungsweg 12 für Arbeitsgase erstreckt sich axial durch den Verdichter 10. Der Verdichter 10 hat eine Statorbaugruppe 14 und eine Rotorbaugruppe 16. Die Rotorbaugruppe 16 hat eine Drehachse Ar und enthält eine strom­ aufwärtige Rotorstufe 18 und eine stromabwärtige Rotorstufe 20. Die stromabwärtige Rotorstufe 20 ist in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rotorstufe 18 angeordnet, so daß zwi­ schen diesen Rotorstufen 18, 20 sowohl ein axialer Teil des Strömungs­ weges 12 als auch ein Hohlraum einwärts des Strömungsweges 12 ver­ bleiben. Die Statorbaugruppe 14 enthält einen Kranz von Leit­ schaufeln 22, die sich über den Strömungsweg 12 erstrecken und den axialen Teil des Strömungsweges 12 in ein stromaufwärtiges Gebiet 24, das einen ersten Druck hat, und in ein stromab­ wärtiges Gebiet 26 unterteilen, das einen Druck hat, der höher ist als der erste Druck. Eine Ummantelung 30 berührt einen Spitzenbereich jeder Leitschaufel 22 und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um den Hohlraum zwischen den Rotorstufen 18, 20 in einen stromaufwärtigen Hohlraum 32 und einen stromabwärtigen Hohlraum 34 zu unterteilen. Der stromaufwärtige Hohlraum 32 steht in Fluidverbindung mit dem stromabwärtigen Hohlraum 34.

Die stromabwärtige Rotorstufe 20 hat eine Rotorscheibe 36 mit einem Umfang, wie einem Randabschnitt 38, der sich über den Um­ fang der Rotorscheibe 36 erstreckt. Der Umfang der Rotorscheibe 36 hat eine Umfangsnut 40, die sich insgesamt in Umfangsrichtung (lateraler oder seitlicher Richtung) erstreckt und insgesamt in Rich­ tung nach außen weist. Die Rotorbaugruppe 16 hat mehrere Lauf­ schaufeln, wie die einzelne Laufschaufel 42, die sich nach außen über den Strömungsweg 12 erstreckt. Der Randabschnitt 38 ist so ausgebildet, daß er Laufschau­ feln 42 in mehreren Rotorscheibenschlitzen aufnimmt, was durch den einzelnen Rotorscheibenschlitz 44 dargestellt ist. Diese Rotorscheibenschlitze 44 erstrecken sich in einer insgesamt axialen Richtung. Jede Laufschaufel 42 hat eine Schaufelwur­ zel 46, die in der Form einem entsprechenden Rotorscheibenschlitz 44 angepaßt ist. Die Wurzel 46 hat eine Nut 48. Die Nut 48 in der Wurzel 46 ist so ausgerichtet, daß sie der Umfangsnut 40 in der Rotorscheibe 36 zugewandt ist, wenn die Laufschaufel 42 eingebaut ist. Ein radialer Vorsprung 50 an der Wurzel 46 erstreckt sich sowohl axial als auch radial, um die Nut 48 in der Laufschaufel 42 zu begrenzen, und ist den Arbeitsgasen in dem stromab­ wärtigen Hohlraum 34 benachbart. Ein ausgeschnitte­ nes Verriegelungsglied 52, das sich sowohl in der Umfangs­ nut 40 als auch in der entsprechenden Nut 48 er­ streckt, erfaßt die Rotorscheibe 36 und die Laufschaufel 42.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und zwei ausgeschnittene Verriegelungs­ glieder 52, die als Verriegelungsstifte ausgebildet sind und einen gegenseitigen Abstand D haben. Der Ver­ riegelungsstift hat eine Längsachse L, eine leichte Krümmung und erstreckt sich in der Umfangsnut 40 der Rotorschei­ be 36 lateral. Der Verriegelungsstift hat radiale Festhaltenasen 54 als Vorrichtung zum Festhalten des Verriegelungsstiftes. Jede radiale Fest­ haltenase 54 erstreckt sich in die entsprechende Nut 48 in der Laufschaufel 42. Die Festhaltenasen 54 an jedem Verriegelungsstift 52 haben einen gegen­ seitigen Umfangsabstand Dr′ zwischen sich bei einem Radius R von dem Mittelpunkt der Rotorscheibe 36. Der Rotor­ scheibenschlitz 44 hat eine Umfangsbreite Dr′′ an dem Radius R von dem Mittelpunkt der Rotorscheibe 36. Der Umfangsabstand Dr′ ist größer als oder gleich der Umfangsbreite Dr′′ (Dr′Dr′′).

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Teilan­ sicht einer Rotorscheibe 36, einer Laufschaufel 42 und eines ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes. In dieser besonderen Ausführungsform ist der Umfangsabstand Dr′ zwi­ schen den radialen Festhaltenasen 54 an jedem Stift größer als die Umfangsbreite Dr′′ des Rotorscheibenschlitzes 44. Die strichpunktierten Linien zeigen den ausgeschnittenen Verriegelungsstift in der Umfangsnut 40 der Rotorscheibe 36 und in einer Linie mit der Rotorscheibe 36 angeordnet, um das Einbauen der Lauf­ schaufeln 42 zu ermöglichen.

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

Während des Zusammenbaues werden der Verriegelungsstift und ein Kranz von Laufschaufeln 42 in den Randabschnitt 38 der Rotor­ scheibe 36 eingesetzt. Gemäß den strichpunktierten Linien in Fig. 3 ist der ausgeschnittene Verriegelungsstift in der Rotorscheibe 36 zuerst in einer Linie mit den Rotorscheibenschlitzen 44 in der Rotorscheibe 36, um das Einführen der entsprechenden Laufschaufeln 42 in insgesamt axi­ aler Richtung zu ermöglichen. In dieser Stellung sind die radialen Festhaltenasen 54 an dem ausgeschnittenen Verriegelungsstift in einer Linie mit entsprechenden Teilen der Rotorscheibe 36, die sich zwischen den Rotorscheibenschlitzen 44 erstrecken. Wenn die Laufschaufeln 42 in die Rotorscheibe 36 eingeführt werden, geht jede Laufschaufel 42 an den benachbarten Festhaltenasen 54 vorbei und faßt in einen entsprechenden Rotorscheibenschlitz 44 in der Rotorscheibe 36 ein. Der ausgeschnittene Verriegelungs­ stift kann durch Verschiebung mit den Laufschaufeln 42 und der Rotor­ scheibe 36 in Eingriff gebracht werden, um die Laufschaufeln 42 an der Rotorscheibe 36 zu verriegeln. Gemäß den Fig. 2 und 4 wird dieser Eingriff hergestellt, indem der ausgeschnittene Ver­ riegelungsstift in der Umfangsnut 40 der Rotorscheibe 36 verschoben wird, um die Festhaltenasen 54 des ausgeschnittenen Verriegelungsstiftes in Eingriff mit den entsprechend ausgerichteten Nuten 48 in den Laufschaufeln 42 zu bringen. Der ausgeschnittene Verriegelungs­ stift ist in Umfangsrichtung in der Umfangsnut 40 der Rotorscheibe 36 und in den Nuten 48 in den Laufschaufeln 42 verschiebbar, um das Ein­ setzen und Ausrichten von weiteren Verriegelungsstiften zu erleichtern, wenn weitere Laufschaufeln 42 in die Rotorscheibe 36 ein­ gesetzt werden. Wegen dieser Verschiebbarkeit und wegen der Ausrichtung der Umfangsnut 40 können die benachbarten Stifte mit gegenseitiger Berührung eingebaut werden. In einem sol­ chen Fall ist der Abstand D zwischen benachbarten Stiften null.

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

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks strömen Arbeits­ gase auf dem Strömungsweg 12 durch den Verdichter 10. Wenn die Arbeitsgase auf dem Strömungsweg 12 durch den Verdichter 10 hindurch­ gehen, haben sie die Tendenz, aus dem stromabwärtigen Hohlraum 34 über Schneidendichtungen an der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ummantelung 30 zurück in den stromaufwärtigen Hohl­ raum 32 zu strömen. Dieses Zurückströmen verringert den Wir­ kungsgrad des Verdichters 10. Die radialen Vorsprünge 50 an einem Fuß jeder Laufschaufel 42 bewirken ein Pumpen der Arbeits­ gase in einer Richtung, die zu der des Zurückströmens ent­ gegengesetzt ist, wodurch das Zurückströmen und der Ver­ lust an Verdichterwirkungsgrad verringert werden.

Wenn die Arbeitsgase axial auf dem Strömungsweg 12 durch die Ro­ torstufe 20 des Verdichters 10 gepumpt werden, üben sie eine Kraft entweder in stromaufwärtiger Richtung (Vorwärtsrichtung) während des normalen Betriebes oder in stromabwärtiger Richtung (Rück­ wärtsrichtung) aus, wie es bei gestörter Verdichterförderung auftreten könnte. Der ausgeschnittene Verriegelungsstift erfaßt sowohl die Laufschaufel 42 als auch die Rotorscheibe 36, so daß der Bewegung der Laufschaufel 42 sowohl in der Vor- als auch in der Rückwärtsrichtung die Scherfestigkeit des Stiftes entgegen­ wirkt, die in einem in Längsrichtung ausgerichteten Scherab­ schnitt, wie beispielsweise einer Längsebene oder einem Um­ fangsabschnitt in dem Stift, wirkt. Der Stift bietet den Scherkräften einen größeren Scherquerschnitt dar als Stifte, die der Vor- und Rückwärtsbewegung der Laufschaufel 42 mit einer Scherkraft entgegenwirken, die in dem Stift in einer Ebene gebildet wird, welche zu dem Umgangsabschnitt rechtwinkelig ist. Ein Stift mit kleinerem Durchmesser kann benutzt werden, um die Laufschaufel 42 gegen eine bestimmte Kraft festzu­ halten, verglichen mit Stiften, deren Scherabschnitt rechtwinkelig zu dem Umfangsabschnitt ist. Dadurch werden das Gewicht der Rotorbaugruppe 16 und die aerodynamischen Verluste auf­ grund der Vorrichtungen zum Festhalten des Stiftes ver­ ringert.

Mehrere Vorteile ergeben sich aus der spezifischen Lage des Stiftes in bezug auf die beschriebene Rotorscheibe 36 und die be­ schriebene Laufschaufel 42. Der Stift erfaßt die Schau­ felwurzel 46 und die Rotorscheibe 36 am Fuß der Schaufelwurzel 46. Die Laufschaufelspan­ nungen sind in diesem Gebiet niedrig, verglichen mit den Spannungen in der Laufschaufel 42, die sich dadurch ergeben, daß die Laufschaufel 42 radial außerhalb von dem Punkt erfaßt wird, wo die Umfangsbreite der Laufschaufel 42 kleiner als der Bereich der Schaufelwurzel 36 ist. Darüber hinaus bewirken die ausgeschnittenen Stifte, daß die Leckage von Arbeitsgasen über den Rotorscheibenschlitz 44 an der Rotorscheibe 36 blockiert wird. Bei der beschriebenen Konstruktion ist die Umfangs­ nut außerdem während der Fertigung zugänglich, was ermöglicht, den Rand­ abschnitt 38 der Rotorscheibe 36 fertigzubearbeiten, um die Spannungskon­ zentration an dem Randabschnitt 38 des Rotorscheibenschlitzes 44 zu verkleinern.

Der Verriegelungsstift ist im Querschnitt, ebenso wie die Umfangs­ nuten 40 und die Nut 48, kreisförmig, wodurch die Spannungskonzentrationen in der Rotorscheibe 36 und der Laufschaufel 42 verringert werden, wobei auch andere Querschnittsformen möglich sind.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verriegeln von Laufschaufeln (42) an einer Ro­ torscheibe (36), wobei,
die Laufschaufeln (42) mit ihren Wurzeln (46) in die Rotor­ scheibenschlitze (44) eingeführt werden und
eine radial nach innen offene, quer zur Schaufelwurzel (46) verlaufende Nut (48) in Radialrichtung mit einer radial nach außen offenen Umfangsnut (40) der Rotorscheibe (36) ausgerichtet wird, und
wobei die Laufschaufeln (42) gegen Axialbewegung in bezug auf die Rotorscheibe (36) verriegelt werden durch Erfassen von wenigstens zwei Laufschaufeln (42) in ihren Nuten (48) mittels eines in die Umfangsnut (40) der Rotorscheibe (36) eingreifenden Verriegelungsgliedes (52), dadurch gekennzeichnet,
daß das Verriegelungsglied (52) vor dem Einführen der Laufschaufeln (42) in die Umfangsnut (40) eingelegt und in eine Schaufelfreigabelage eingestellt wird,
daß anschließend wenigstens eine Laufschaufel (42) mit ihrer Schaufelwurzel (46) durch einen Einschnitt des Verriegelungsgliedes (52) in den Rotorscheibenschlitz (44) eingeführt wird, und
daß schließlich das Verriegelungsglied (52) in Umfangsrichtung in der Umfangsnut (40) der Rotorscheibe (36) in eine Verriegelungsstellung verschoben wird zum Erfassen von wenigstens zwei Laufschaufeln (42) mittels zwei durch den Einschnitt beabstandete Festhaltenasen (54), wonach dann das Verriegelungsglied (52) gegen Bewegung in Umfangs­ richtung festgelegt wird.

2. Rotorbaugruppe mit jeweils nach dem Verfahren gemäß An­ spruch 1 verriegelten Laufschaufeln (42), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nut (48) jeder Laufschaufel (42) durch den Fuß der Schaufelwurzel (46) verläuft und daß das als Stift ausgebildete Verriegelungsglied (52) die Schaufelwur­ zel (46) und die Rotorscheibe (36) an dem Fuß der Schaufel­ wurzel (46) erfaßt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch einen ausgeschnittenen Ver­ riegelungsstift mit mehreren Festhaltenasen (54), die von ihm auf einer Seite quer vorstehen und einen gegensei­ tigen Abstand (Dr′) haben, der größer als die Breite der Rotorscheibenschlitze (44) ist.