DE3210892C2

DE3210892C2 - Turbomaschinen-Laufrad

Info

Publication number: DE3210892C2
Application number: DE3210892A
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: 1984-04-05
Also published as: GB2097480B; JPS57186094A; DE3210892A1; JPS6217679B2; FR2504975A1; GB2097480A; FR2504975B1; US4451203A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbomaschinen-Laufrad, dessen Radkörper (11, 15) eine im Querschnitt schwalbenschwanzartige Umfangsnut (16) zur Aufnahme der mit einem entsprechenden schwalbenschwanzartigen Profil (27, 28) ausgebildeten Schaufelfüße (22) des Schaufelkranzes (20) aufweist. Um den bei bekannten Schaufelhalterungen dieser Art nötigen Füllschlitz zu vermeiden, sind Form und Bemessung des Umfangsnutprofils und des Schaufelfußprofils so gewählt, daß sich der Schaufelfuß (22) bei axial gekippter Schaufel zunächst mit seinem einen Profilschenkel (27) in den einen Nutschenkel der Umfangsnut einführen und sodann durch axiales Kippen der Schaufel auch mit dem anderen Profilschenkel (28) in die Umfangsnut einführen läßt, wonach der Schaufelfuß in der Umfangsnut in eine zentrische Stellung verschoben wird, in welcher seine Profilschenkel mit ihren nach außen weisenden Schulterflächen (24, 25) an entsprechenden nach innen weisenden Schulterflächen (17, 18) der Umfangsnut (16) anliegen. In dieser zentrierten Stellung wird die Schaufel mittels entsprechender Haltemittel (21, 26, 29 bis 37), beispielsweise mittels einer abnehmbaren Platte (26) oder Stützflanschen fixiert, die mit den Fußplatten (21) der Schaufeln zusammenwirken.

Description

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

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

Die Anwendung einer als Umfangsnut des Radkörpers ausgebildeten Aufnahmenut zur Halterung der Schaufelfüße bringt bekanntermaßen zahlreiche Probleme mit sich, jedoch ist diese Art der Schaufelfußbefestigung am Radkörper im Vergleich zu der Verwendung von axialen Haltenuten zur Aufnahme entsprechend profilierter Schaufelfüße billiger und in der Fertigung einfacher und bringt demgegenüber auch noch eine Gewichtsersparnis.

Das Hauptproblem bei der Schaufelfußhalterung in einer Umfangsnut des Radkorpers stellt die Einführung der Schaufelfüße in die Umfangsnut dar, wozu üblicherweise ein Füllschlitz an einer Stelle des Radscheibenumfangs vorgesehen ist, der aber einerseits eine Schwächung der Radscheibe gerade in deren am höchsten beanspruchtem Bereich bedeutet und andererseits häufig komplizierte Maßnahmen zum sicheren Verschluß nach dem Einbau des Schaufelkranzes erfordert.

Aus der DE-PS 3 75 539 ist bereits ein Laufrad der

ίο eingangs genannten Gattung bekannt, bei welchem aufgrund entsprechend gewählter und bemessener Profilformen der Umfangsnut und der Schaufelfüße ein Einbau der Schaufeln durch Einkippen des mit einem schwalbenschwanzartigen Profil ausgebildeten Schaufelfußes in die ebenfalls schwalbenschwanzartige Umfangsnut möglich ist und dadurch ein Füllschlitz und die daraus resultierende Radscheibenrandschwächung vermieden werden kann. Nach dem Einkippen in die Umfangsnut wird der Schaufelfuß bei dem bekannten Laufrad bis zur Anlage an die eine Nutflanke in ihre Umfangsnut querverschoben und anschließend wird in den Zwischenraum zwischen der anderen Nutflanke und dem Schaufelfuß ein Füllstück eingebracht, um den Schaufelfuß in seiner endgültigen Einbausiellung in der Umfangsnut zu fixieren. Bei dem bekannten Laufrad stützt sich also der Schaufelfuß der fei tig eingebauten Schaufel nur mit seinem einen Profilschenkel unmittelbar an der betreffenden einen Nutschulter der Umfangsnut ab, während der andere Profilschenkel des Schaufelfußes sich über das Füllstück mittelbar an der anderen Nutschulter abstützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbomaschinen-Laufrad der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine bessere, direkte Abstützung der Schaufelfuß-Profilschenkel an den Nutschultern unter Ausschluß einer unerwünschten Querverschiebung der eingebauten Schaufelfüße in der Umfangsnut auszubilden.

Diese Aufgabe wird bei einem Laufrad der in Rede stehenden Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Konstruktion bringt außerdem den Vorteil optimaler Belastungsverhältnisse von Schaufel und Laufrad im Betrieb, da sich die Reaktionskräfte von Fliehkraft und Gaskräf'en auf die Schaufeln jeweils in einem Punkt schneiden, der radial mit dem Schaufelschwerpunkt fluchtet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dabei führt die Anordnung nach Anspruch 2 zu einer Reduzierung der im Betrieb im Schaufelfuß auftretenden Biegebeanspruchungen. Die Ausführungsform nach Anspruch 3 ermöglicht eine besonders einfache Montage bei nur geringer notwendiger Querverschiebung des Schaufelfußes nach dem Einkippen in die Umfangsnut in die endgültige Einbaustellung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichungen zeigt Fig. 1 ein Verdichterlaufrad nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk im Axialhalbschnitt,

F i g. 2 das Einsetzen der Schaufeln der letzten Verdichterstufe in die Schaufelhalte-Umfangsnut des Radkörpers des Laufrads nach F i g. 1, und

Fig. 3 eine andere Ausfülirungsform eines Verdichterlaufrads nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk.

F i g. 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 15 der benachbarten Laufräder 12 sind miteinander verschweißt, so daß die Laufräder miteinander einen einstückigen mehrstufeigen Läufer 11 bilden.

Das Laufrad 10 der letzten Verdichterstufe weist eine in Umfangsrichtung verlaufende schwalbenschwanzartige Schaufelhaltenut 16 mit zwei radial ncch innen weisenden Schulterflächen 17 und 18 auf, an welchen sich die der Fliehkraft und den Gaskräften ausgesetzten Schaufeln 19 mit ihrem 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 tragflügelförmigen Schaufelblatt 20, einer Fußplatte 21 und einem mit schwalbenschwanzartigem Profil ausgebildc ten 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 24 stützt die Schaufeln derart ab, daß die Schaufelfüße mittig in der Schaufelhaltenut 16 sitzen und mit ihren Schulterflächen 24 und 25 an den Schulterflächen 17 und 18 der Schaufelhaltenut anliegen. Der eine Profilschenkel 27 des Schaufelfußes 22 ist länger als sein anderer Profilschenkel 28, unii bei mittig in der Schaufelhaltenut 16 sitzendem Schaufelfuß ist die Schaufelfußmittellinie 22a bezüglich der durch die Flächenschwerpunkte der Schaufelblattquerschnitte verlaufenden Mittellinie 20a 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 Mutschenkel 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 16 is! 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 F i g. 2 dargestellten Weise in die Schaufelhaltenut eingesetzt werden können.

Wie Fi g. 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 28 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 SchaufeHußes in Anlage mit den Schulterflächen 17 und

18 der Schaufelhaltenut 16 zu bringen. Nachdem etwa die Hälfte der Schaufeln eingebaut -worden ist, wird ein Segment der Dichtungsplatte 25 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 ind 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 21 hindurch weitgehend reduziert werden.
Um zu verhindern, daß die Schaufeln 19 sich in der Schaufelhaltenut 16 in Umfangsrichtung verschieben können, ist die Fußplatte mindestens einer Schaufel 19 mit einer Aussparung versehen, in welche ein Keil 35 eingreift, der als Flächenerhebung in der zur Aufnahme des stromaufwärtigen Bereiches der Fußplatten 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 F i g. 3 Bezug genommen, die einen Ausschnitt eines Niederdruckverdichters eines Bypaß-Gasturbinentriebwerks mit zwei Verdichterstufen zeigt, deren Laufräder jeweils gemäß der Erfindung ausgebildet sind. Der Einfachheit halber sind für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Die Hauptunterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 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 segmeiitierten Dichtungsplatte zur Abstützung der Schaufeln in ihrer Einbaulage mit an den Schulterflächen 17 und 18 der Schaufelhaltenut anliegenden Schulterflächen 24 und 25 des Schaufelfußes /erden die Schaufeln 19 hier über die Fußplatten 21 abgestützt.

Die Fußplatte 21 ist an ihrem stromabwärtigen Rand zur Bildung einer radial einwärts weisenden Kantenfläche 40 abgeschrägt, die an einer entsprechend abgeschrägten Gegenfläche 41anliegt, 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 undhält die Fußplatten 21 in Anlage an den Gegenflächen 41 und 42. Eine Verschiebung der Schaufeln 19 der ersten Stufe in Umfangsrichtung in der Schnufelhaltenut 16 läßt sich entweder durch Reibschluß der I ußplattenränder mit der Nasenhaube 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 Nasenhaube 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 stromabwärtigen Laufradseite her in die Schaufelhaltenut 16 eingebaut. Bei den Schaufeln der zweiten Stufe haben die Fußplatten 21 an ihren stromaufwärtigen Rändern einwärts weisende 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 geneig ten Gegenflächen eines abnehmbaren Flansches 46 zu sammenwirken, der am Laufradrandteil 15 ange schraubt ist.

Wie man sieht, hat die Schwalbenschwanzform de Schaufelfüße 22 der Schaufeln 19 bei diesem Ausfüh rungsbeispiel keine so ausgesprochen unterschiedlicher Profilschenkellängen der Schenkel 27 und 28 wie bein vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. Trotzdem sine die Bemessungen der schmalen und breiten Bereiche jeder Schwalbenschwanz-Schaufelhaltenut 16 im Ver hältnis zu den schmalen und breiten Bereichen dei Schaufelfüße 22 so gewählt, daß die Schaufeln jeweil: durch Einführen eines Schaufelfuß-Profilschenkels ir die Schaufelhaltenut und anschließendes vollständige! Einkippen des Schaufelfußes in axialer Richtung au! dem Radkörper montiert werden können.

Gewünschtenfalls können die Schaufelhaltenuten 16 auch symmetrisch ausgebildet sein, vorausgestzt, daß sie so bemessen sind, daß mindestens ein Nutschenkel de« breiten Nutbereiches ausreichend tief ist, daß die Profilschenkel 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 Schaufelfüßen noch ausreichend groß ist, um die Schaufeln sicher in der Haltenut zu halten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbomaschinen-Lauf rad, dessen Radkörper eine im Querschnitt schwalbenschwanzartige Umfangsnut zur Aufnahme der ebenfalls mit einem ■ schwalbenschwanzartigen Profil ausgebildeten Schaufelfüße des Schaufelkranzes aufweist, wobei Profilform und Bemessungen der Umfangsnut und der Schaufelfüße so aufeinander abgestimmt sind, daß jeder Schaufelfuß bei axial gekippter Schaufel zunächst mit seinem einen Profilschenkel in den einen Nutschenkel der Umgangsnut und sodann durch axiales Kippen der Schaufel mit seinem anderen Profilschenkel in die Umfangsnut einsetzbar und anschließend in der Umfangsnut in seine endgültige Einbaustellung querverschiebbar ist, und wobei Haltemittel zur Fixierung der Schaufeln in dieser Einbaustellung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (22) in der endgültigen Einbaustellung der Schaufel (19) etwa zentrisch in der Umfangsnut (16) sitzt und mit beiden Profilschenkeln (27,28) unmittelbar an entsprechenden einwärts weisenden Schulterflächen (17,18) der Umfangsnut (16) anliegt, und daß die einwärts weisenden Schulterflächen (17,18) der Umfangsnut und die daran anliegenden, auswärts weisenden Schulterflächen (24, 25) der Schaufelfuß-Profilschenkel (27, 28) jeweils derart bezüglich der Radialrichtung geneigt verlaufen, daß die Wirkungslinien der die Fliehkraft und die Gaskräfte auf die Schaufel (19) aufnehmenden Reaktionskräfte sich in der den Schaufelschwerpunkt enthaltenden Radialebene schneiden.

2. Turbomaschinen-Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Mittellinie (22a; des Schaufelfußes (22) in Richtung der Laufradachse bezüglich der durch die Flächenschwerpunkte der Schaufelblattquerschnitte verlaufenden Mittellinie (20a;des Schaufelblattes (20) versetzt ist.

3. Turbomaschinen-Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwalbenschwanzprofil (27, 28) des Schaufelfußes (22) bezüglich der Laufradachse geneigt ist.

4. Turbomaschinen-Laulrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkörper (11) eine Mehrzahl von Umfangsnuten (16) zur Aufnahme mehrerer Schaufelkränze aufweist.