DE3210892A1

DE3210892A1 - Turbomaschinen-laufrad

Info

Publication number: DE3210892A1
Application number: DE19823210892
Authority: DE
Inventors: Kenneth Richard Wotton-under-Edge Gloucestershire Langley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1981-04-29
Filing date: 1982-03-25
Publication date: 1982-11-18
Also published as: FR2504975B1; US4451203A; GB2097480A; GB2097480B; JPS57186094A; DE3210892C2; FR2504975A1; JPS6217679B2

Description

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Dipl. inc B.

JPHlI-I PJPINH-ν*ΊΙΙ*8ΠΚ-υτΐ:Δ8βΒ 14

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Augsburg, den 23. März 1982 Anw.Aktenz.: R.1089

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SW1E 6AT, England

Turbomaschinen-Laufrad

Die Erfindung betrifft ein Turbomaschinen-Laufrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Laufrad kann sowohl bei Verdichtern als auch bei Turbinen von Turbomaschinen Anwendung finden.

Es sind zahlreiche Möglichkeiten der Befestigung der Schaufeln am Radkörper von Turbomaschinen-Laufrädern bekannt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laufräder, bei denen der Radkörper eine im Querschnitt schwalbenschwanzartige ümfangsnut zur Aufnahme von mit einem entsprechenden schwalbenschwanzartigen Profil ausgebildeten Schaufelfüßen des Schaufelkranzes aufweist. Diese Schaufelbefestigungsart ist beispielsweise aus der GB-PS 1 187 227 bekannt.

Die Anwendung einer als Ümfangsnut des Radkörpers ausgebildeten Aufnahmenut zur Halterung der Schaufelfüße bringt bekanntermaßen zahlreiche Probleme mit sich, jedoch ist diese Art der Schaufelfußbefestigung am Radkörper billiger und in der Fertigung einfacher als andere Schaufelfußbefestigungen und bringt diesen gegenüber auch noch eine Gewichtsersparnis «

Eines der rait einer bekannten Schaufelfußhalterung in einer ümfangsnut des Radkörpers verbundenen Probleme liegt in der Notwendigkeit, einen Füllschlitz vorzusehen, der die Flanken der Schwalbenschwanz-ümfangsnut durchdringt und das Einsetzen der einzelnen Schaufeln in diese Ümfangsnut ermöglicht.

Nach dem Einsetzen in den Füllschlitz muß jede Schaufel entlang der ümfangsnut weitergeschoben werden und die letzte Schaufel des Schaufelkranzes muß entweder mittels einer besonderen Haltevorrichtung gehaltert werden oder der ganze Schaufelkranz muß um eine halbe Schaufelteilung in ümfangsrichtung so verschoben werden, daß der Füllschlitz bezüglich der Schaufelteilung umfangsversetzt über zwei benachbarten Schaufeln liegt. Außerdem muß der Füllschlitz zur Verhinderung des Einleckens heißer Gase in die Schaufelhaltenut sorgfältig abgeschlossen werden.

Ein weiteres, durch die Notwendigkeit eines Füll-Schlitzes bedingtes Problem liegt darin, daß sich der Füllschlitz gewöhnlich in einem Bereich hoher mechanischer Spannung befindet, und daß die durch das Vorhandensein des Füllschlitzes verursachten Spannungskonzentrationen ein unannehmbares Maß erreichen können. Außerdem kann bei der ersten Stufe eines Gebläses oder Niederdruckverdichters, die der Gefahr einer Schaufelbeschädigung durch Zusammenprall der Schaufeln mit Fremdkörpern ausgesetzt ist, die an sich vorhandene Festigkeit der Schaufelhalterung in der ümfangsnut nicht voll ausgenützt werden, was seine Ursache in den starken Beschränkungen hat, die sich aus dem Erfordernis der Verwendung schmaler Schaufelfüße ergibt, um sie durch den Füllschlitz in die Schaufelhaltenut einführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbomaschinen-Laufrad der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die bei bekannten Laufrädern dieser Art durch den notwendigen Füllschlitz zum Einführen der Schaufel-

fuße in die Schaufelhalte-ümfangsnut bedingten Probleme entfallen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung bringt demgemäß den Vorteil, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Schaufelfußhalterungen mit einer ümfangsnut im Radkörper ein Füllschlitz nicht erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Verdichterlaufrad nach der

Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk im Axialhalbschnitt, 20

Fig. 2 das Einsetzen der Schaufeln der

letzten Verdichterstufe in die Schaufelhalte-Umfangsnut des Radkörpers des Laufrads nach Fig. 1, . und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines

Verdichterlaufrads nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk. 30

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt des Hochdruckverdichters eines Gasturbinentriebwerks, wobei das Verdichterlaufrad 10 der letzten Verdichterstufe gemäß der Erfindung ausgebildet ist.

Der Läufer 11 des Hochdruckverdichters besteht aus einer Mehrzahl etwa ringscheibenförmiger Laufräder 12 mit einem inneren verdickten Nabenteil 13, einem Radscheibenteil 14 und einem verdickten Randteil 15. Die Randteile der benachbarten Laufräder 12 sind miteinander verschweißt, so daß die Laufräder miteinander einen einstückigen mehrstufigen Läufer 11 bilden.

Das Laufrad 10 der letzten Verdichterstufe weist eine in Umfangsrichtung verlaufende schwalbenschwanzartige Schaufelhaltenut 16 mit zwei radial nach innen weisenden Schulterflächen 17 und 18 auf, an welchen sich die der Fliehkraft und den Gaskräften ausgesetzten Schaufeln 19 mit ihren Schaufelfüßen abstützen. Die Schulterflächen 17 und 18 verlaufen unter einem Winkel zu der durch die Radscheibe 14 bestimmten Radialebene 45 geneigt, so daß die Reaktionskräfte sich an einem Punkt schneiden, der radial mit dem Schwerpunkt der betreffenden Schaufel 19 fluchtet.

Die Schaufeln 19 bestehen jeweils aus einem tragflügeiförmigen Schaufelblatt 20, einer Fußplatte 21 und einem mit schwalbenschwanzartigem Profil ausgebildeten Schaufelfuß 22. Der Schaufelfuß 22 weist zwei radial auswärts weisende Schulterflächen 24 und 25 auf, die unter gleichen Winkeln wie die Schulterflächen 17 und 18 der Schaufelhaltenut 16 bezüglich der Radialebene 45 geneigt verlaufen und an diesen Schulterflächen 17 und 18 anliegen. Eine segmentierte Dichtungsplatte 26 stützt die Schaufeln derart ab, daß die Schaufelfüße mittig in der Schaufelhaltenut 16 sitzen und mit ihren Schulterflächen 24 und 25 an den Schulterflächen und 18 der Schaufelhaltenut anliegen. Der eine Profilschenkel 27 des Schaufelfußes 22 ist langer als sein anderer Profilschenkel 28, und bei mittig in der Schaufelhaltenut 16 sitzendem Schaufelfuß ist die Schaufelfußmittellinie bezüglieh der durch die Flächenschwerpunkte der Schaufelblattquerschnitte verlaufenden Mittellinie des Schaufelblattes

versetzt, um die Mittellinie des Schaufelfußes 22 der Fliehkraftwirkungslinie durch den Schaufelfuß besser anzunähern.

Die Schaufelhaltenut 16 ist ebenso wie der Schaufelfuß 22 nicht symmetrisch bezüglich der Radialebene 45, sondern weist einen von der Radialebene 45 aus gemessenen längeren Nutschenkel zur Aufnahme des längeren Profilschenkels 27 und zum Erleichtern des Einsetzens der Schaufeln 19 mit ihren Schaufelfüßen in die Schaufelhaltenut 16 und einen kürzeren Nutschenkel zur Aufnahme des kürzeren Profilschenkels 28 des Schaufelfußes auf. Die Schaufelhaltenut ist so profiliert, daß sie tiefer als die Dicke des Schaufelfußes 22 radial einwärts der Schulterflächen 24 und 25 ist, und die Abmessungen der engsten und der breitesten Bereiche der Schaufelhaltenut 16 sowie die Abmessungen der schmälsten und breitesten Bereiche des Schaufelfußes 22 sind so gewählt und relativ aufeinander abgestimmt, daß die Schaufeln in der in Fig. 2 dargestellten Weise in die Schaufelhaltenut eingesetzt werden können.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der Schaufelfuß zunächst mit seinem längeren Profilschenkel 27 von der stromabwärtigen Stirnseite des Laufrads her in den längeren Nutschenkel eingeführt und anschließend mit seinem anderen Profilschenkel durch Kippen der Schaufel in stromaufwärtiger Richtung durch den engen Halsbereich der Schaufelhaltenut 16 hindurchgeführt,, Sämtliche Schaufeln 19 werden in dieser Weise mit ihren Schaufelfüßen in die Schaufelhaltenut eingesetzt und anschließend radial auswärts geschoben, um die Schulterflächen 24 und 25 der Profilschenkel 27 und 28 des Schaufelfußes in Anlage mit den Schulterflächen 17 und 18 dar Schaufelhaltenut 16 zu bringen. Nachdem etwa die Hälfte der Schaufeln eingebaut worden ist, wird ein Segment der Dichtungsplatte 26 in eine Nut 29 an der Unterseite der Fußplatten 21 der Schaufeln 19 und in eine Umfangsnut 30 in

einem Teil des Laufradteils eingeschoben, um die Schaufeln abzustützen, wonach weitere Segmente der Dichtungsplatte in die ebengenannten Nuten eingesetzt und jeweils in Umfangsrichtung weitergeschoben werden. Schließlich wird ein geringfügig modifiziertes Segment eingesetzt, um die zuvor eingebauten Segmente und den vollständigen Schaufelkranz in seiner Lage zu sichern. Jedes Segment weist mit den Seiten- und Grundflächen der Nut 30 zusammenwirkende Dichtflächen 31 und 32 sowie mit den Seiten- und Grundflächen der Nut 29 zusammenwirkende Dichtflächen 33 und 34 auf.

Außerdem überlappen sich die aufeinanderfolgenden Segmente der Dichtungsplatte 26 an ihren Stoßstellen zur Bildung von Luftdichtungen, und die stromaufwärtigen Ränder der Fußplatten 21 wirken im Sinne der Bildung einer wirksamen Luftdichtung mit dem Laufradrandteil 15 zusammen. Auf diese Weise kann eine Luftleckströmung unter den Fußplatten hindurch veitgehend reduziert werden.

um zu verhindern, daß die Schaufeln 19 sich in der Schaufelhaltenut 16 in ümfangsrichtung verschieben können, ist axe Fußplatte mindestens einer Schaufel 19 mit einer Aussparung versehen, in welche ein Keil 35 eingreift, der als Fläclienerhebung in der zur Aufnahme des stromaufwärtigen Bereiches der Fufci>latten dienenden Aussparung im Laufradrandteil 15 ausgebildet ist. In entsprechender Weise werden die Segmente der Dichtungsplatte 26 gegen eine umfängliche Verschiebung in den Nuten 29 und 30 mittels an den Segmenten gebildeten Nasen 36 verhindert, der mit entsprechenden Nasen 37 am Laufradrandteil 15 oder an den Schaufeln 19 zusammenwirken.

Nunmehr wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die einen Ausschnitt eines Niederdruckverdichters eines Bypass-Gasturbinentriebwerks mit zv/ei Verdichterstufen zeigt, deren Laufräder jeweils gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Der Ein-

-ie-

fachheit halber sind für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Die Plauptunterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den i'ig. 1 und 2 liegen in der Konstruktion zur Halterung der Schaufeln 19 in ihren Schaufelhaltenuten 16 und teilweise in der Einbaurichtung der Schaufeln 19 in die betreffende Schaufelhaltenut.

Die Schaufeln 19 des Schaufelkranzes der ersten Stufe werden von der stromaufwärtigen Laufradseite her eingebaut, indem der vordere Profilschenkel des Schaufelfußes in den breitesten Teil der Schaufelhaltenut 16 eingeführt und sodann die Schaufel rückwärts eingekippt wird. Anstelle einer segmentierten Dichtungsplatte zur Abstützung der Schaufeln in ihrer Einbaulage mit an den Schulterflächen 17 und 18 der Schaufelhaltenut anliegenden Schulterflächen 24 und 25 des Schaufelfußes werden die Schaufeln 19 hier über die Fußplatten 21 abgestützt.

Die Fußplatte 21 ist an ihrem stromabwärtigen Rand zur Bildung einer radial einwärts weisenden Kantonfläche 40 abgeschrägt, die an einer entsprechend abgeschrägten Gegenfläche 41 anliegt, die an einem auswärts weisenden Flansch des Laufradrandteils 15 gebildet ist. Stromaufseitig weist die Fußplatte 21 eine radial einwärts weisende Fläche 43 auf, die an einer radial auswärts weisenden Gegenfläche 42 des hinteren Randes einer abnehmbaren Nasenhaube 44 anliegt. Die Nasenhaube 44 ist am Laufradrandteil 15 angeschraubt und hält die Fußplatten 21 in Anlage an den Gegenflächen und 42. Eine Verschiebung der Schaufeln 19 der ersten Stufe in Umfangsrichtung in der Schaufelhaltenut 16 läßt sich entweder durch Reibschluß der Fußplattenränder mit der riasenhaube 44 und dem Laufradrandteil 15 oder durch Anordnen von ineinandergreifenden Teilen oder von in Aussparungen eingreifenden Teilen zwischen den Fußplatten 21 und dem Laufradrandteil 15 bzw. zwischen den Fußplatten 21 und der

Nasenhaubü 44 oder auch durch Anordnen eines kleinen Vorsprungs am Boden der Schaufelhaltenut verhindern, mit welchem ein Vorsprung am Schaufelfuß mindestens einer Schaufel zusammenwirkt.

Die Schaufeln 19 des Schaufelkranzes der zweiten Stufe werden wiederum über ihre Fußplatten 21 in den Schaufelhaltenuten 16 fixiert, jedoch werden hier die Schaufeln 19 von der strom&bwärtigen Laufradseite her in die Schaufelhaltenut 16 eingebaut. Bei den Schaufeln der zweiten Stufe haben die Fußplatten 21 an ihren stromaufwärtigen Rändern einwe'rts v/eisende Kantenflächen, die mit auswärts weisenden Gegenflächen einer im Laufradrandteil 15 des Läufers 11 gebildeten Aussparung zusammenwirken, und die rückwärtigen Ränder der Fußplatten 21 haben geneigte Kantenflächen, die . radial einwärts weisen und mit entsprechend geneigten Gegenflächen eines abnehmbaren Flansches 45 zusammenwirken, der . am Laufradrandteil 15 angeschraubt ist.

Wie uian sieht, hat die Schwalbenschwanzform der Schaufelfüße 22 der Schaufeln 19 bei diesem Ausführungsbeispiel keine so ausgesprochen unterschiedlichen Profilschenkellängen der Schenkel 27 und 28 wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. Trotzdem sind die Bemessungen der schmalen und breiten Bereiche jeder Schwalbenschwanz-Schaufalhaltenut 16 jui Verhältnis zu den schmalen und breiten Bereichen der Schaufelfüße 22 so gewählt, daß die Schaufeln jeweils durch Einführen eines Schaufelfuß-Profilschenkels in die Schaufelhaltenut und anschließendes vollständiges Einkippen des Scnaufelfußes in axialer Richtung auf dem Radkörper montiert werden können.

Gewünschtenfalls können die Schaufelhaltenuten 16 auch symmetrisch ausgebildet sein, vorausgesetzt, daß sie so bemessen sind, daß mindestens ein Nutschenkel des breiten Nutbereicaea ausreichend tief ist, daß die Profilschenkel

-ΊΑ-

der Schwalbenschwanz-Schaufelfüße in der oben beschriebenen Weise eingesetzt werden können.

Es ist auch möglich, die Schaufelfüße mit symmetrischer Schwalbenschwanzform auszubilden, vorausgesetzt, daß das Maß der Überlappung der Schulterflächen 27 und 28 mit den Schulterflächen 17 und 18 bei fertig in die Schaufelhaltenuten 16 eingesetzten SchaufelJfülien noch ausreichend groß iüt, um die Schaufeln sicher in der Haltenut zu halten.

Claims

Patentansprüche

[) Turbomaschinen-Lauf rad, dessen Radkörper eine im Querschnitt schwalbenschwanzartige ümfangsnut zur Aufnahme der mit einem entsprechenden schwalbenschwanζ-artigen Profil ausgebildeten Schaufelfüße des Schaufelkranzes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Profilf_orra und Bemessungen der ümfangsnut (16) und der Schaufelfüße (22) so gewählte aufeinander abgestimmt sind/daß jeder Schaufelfuß bei axxal gekippter Schaufel (1₉) _{zunächst mit seinem} exnen Profilschenkel (27) in den einen Nutschenkel der ümfangsnut und sodann durch axiales Kippen der Schaufel mit sexnem anderen Profilschenkel (28) in die ümfangsnut einsetzbar und anschließend in der ümfangsnut in eine zentrierte Stellung verschiebbar ist, in welcher seine Profilschenkel (27, 28) mit ihren nach außen weisenden Schulterflächen (24 25 an entsprechenden, einwärts weisenden Schulterflächen (i7 18 der ümfangsnut anliegen, und daß Haltemittel (21, 26-

:r;::r^{der schaufein i}
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schaufeln (19) jeweils eine zwischen dem Schaufelfuß (22) und dem Schaufelblatt (20) angeordnete Fußplatte aufweisen, die mit den Unterseiten ihrer stromauf- und stromabwärtigen Randbereiche (40, 43) mit nach außen weisenden Stützflächen (41, 42) der Haltemittel zusammenwirkt.
3. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel einen mit dem Radkörper (11) einteiligen Flanschansatz, der mit dem einen Fußplattenrand zusammenwxrkt, und eine lösbare, mit dem anderen Fußplattenrand zusammenwirkende Stützkonstruktion (26, 44, 45) aufweist
4. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Stützkonstruktion die am Radkörper befestigte Nasenhaube (44) eines Verdichters der Turbomaschine ist.
5. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Stützkonstruktion ein am Radkörper angeschraubter Flansch (45) ist.
6. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Stützkonstruktion eine segmentierte Platte (26) ist, die einerseits in eine Nut (29) der Fußplatte (21) und andererseits in eine Nut (30) des Radkörpers (11) eingreift.
7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die segmentierte Platte (26) als Dichtungsplatte zur Verringerung des Leckgasstroms zwischen der Fußplatte (21)

und dem Radkörper (11) ausgebildet ist. 20
8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schaufel (19) des Schaufelkranzes und der Radkörper (11) mit miteinander zusammenwirkenden Mitteln (35) zur Sicherung der Schaufeln gegen uinfangsmäßige Verschiebung in der Umfangsnut (16) versehen sind«
9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsmittel eine in mindestens einer Schaufel gebildete Aussparung und eine in diese eingreifende, am Radkörper (11) gebildete Nase (35) aufweisen.
10. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsmittel an mindestens einer der Schaufeln

(19) und am Radkörper (11) gebildete komplementär geformte, miteinander zusammenwirkende Keilnasen aufweisen.
11. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkörper (11) ein Verdichterradkörper ist und daß die einwärts weisenden Schulterflächen (17, 13) der Umfangsnut (16) bezüglich einer Radialebene derart geneigt verlaufen, daß die

• Wirkungslinien der die Fliehkraft und die Gaskräfte auf die Schaufeln (19) aufnehmenden Reaktionskräfte sich in der genannten Radialebene schneiden.
12. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie des Schaufelfußes (22) in Richtung der Laufradachse bezüglich der durch die Flächenschwerpunkte der Schaufelblattquerschnitte verlaufenden Mittellinie des Schaufelblatts (20) versetzt ist.
13. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkörper (11) eine Mehrzahl von ümfangsnuten (16) zur Aufnahme mehrerer Schaufelkränze aufweist.
14. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwalbenschwanzprofil (27, 28) des Schaufelfußes (22) bezüglich der Laufradachse geneigt ist.