DE3236021C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenrotorkörper mit Schaufeln, deren Füße mit Spiel in Nuten des Turbinen­ rotorkörpers eingesetzt sind, wobei zwischen dem Nuten­ grund und der Basisfläche der Schaufelfüße wenigstens ein Spannstück angeordnet ist.

Ein Turbinenrotorkörper dieser Gattung ist z. B. aus der DE-OS 28 50 941 bekannt.

Um ein einwandfreies Einsetzen der Schaufelfüße in die Nuten eines Rotorkörpers zu ermöglichen, sind Bearbeitungs­ toleranzen an den Schaufelfüßen und an den Umfangsnuten des Rotorkörpers notwendig. Dies hat aber zur Folge, daß die Turbinenschaufeln in dem Rotorkörper nicht fest ein­ gespannt sind, sondern daß ihnen eine radiale Bewegungs­ möglichkeiten gegeben ist.

Im Nenndrehzahlbereich der Turbomaschine werden die Schaufeln selbsttätig durch die einwirkende Fliehkraft an die Nuten des Rotorkörpers angepreßt und die Bewegungsmög­ lichkeit der Schaufeln ist praktisch auf Null reduziert. Anders verhält es sich jedoch in den verschiedenen Betriebs­ bereichen der Turbomaschine zwischen Maschinenstillstand und Nenndrehzahlbereich, wenn die Turbomaschine angefahren oder außer Betrieb gesetzt wird. In diesen Zuständen können sich die Schaufeln in Abhängigkeit der Fliehkraft bzw. der Drehzahl der Turbomaschine innerhalb eines Bereiches, der durch die Bearbeitungstoleranzen gegeben ist, bewegen. Diese Schaufelbewegung kann unter Umständen zu Deformation und/oder vorzeitiger Materialabnutzung an den Schaufel­ füßen bzw. an den Nuten des Rotorkörpers führen.

Es ist deshalb notwendig, die Turbinenschaufeln möglichst fest einzuspannen, um die vorstehend geschilderte Proble­ matik zu vermeiden.

Die DE-OS 28 50 941 beschreibt einen Turbomotor mit Keramik­ schaufeln, bei dem das Andrücken des Schaufelfußes an die vorgesehenen Stützflächen der Nuten durch zwischen dem Nutgrund und der Basisfläche eingelegte Federbleche oder durch ein verschiebbares Gewicht erfolgt, das mittels einer Druckfeder ständig am Schaufelfuß in Anlage gehalten wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit dieser Maßnahme das Problem einer festen und dauerhaften Einspannung der Turbinenschaufeln in den Rotorkörper nicht gelöst werden kann, da die verwendeten Federelemente unter Dauerbeanspruchung bei erhöhter Temperaturen Materialermüdungserscheinungen aufweisen.

Ein Verfahren zum Befestigen von Turbinenschaufeln an Rotorkörpern ist weiterhin aus der DE-PS 12 51 338 bekannt. Hierbei wird in die Zwischenräume zwischen Schaufelfuß und Rotorkörper ein hitzebeständiges Pulver vorzugsweise Eisenpulver eingebracht, das einem chemischen oder thermo­ chemischen Quellprozeß unterzogen wird, womit eine Druck­ spannung auf die begrenzenden Flächen der Nuten und Schaufel­ füße ausgeübt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, was das Einbringen und Verdichten des Pulvers sowie dessen anschließende Überführung in Oxidform anbelangt. Die hauptsächliche Schwierigkeit dürfte bei diesem Verfahren jedoch darin bestehen, daß die durch Quellung ausgeübten Druckspannungen infolge Alterung der oxidischen Verbindungen nur zeitlich begrenzt aufrecht­ erhalten werden können. Schaufeln werden in der Regel mehr­ mals aus dem Rotorkörper aus- und wieder eingebaut. Die Säuberung der Nuten von eventuell anhaftenden oxidischen Bestandteilen erfordert zusätzlichen Arbeitsaufwand. Ebenfalls ist mit einer Oberflächenkorrosion am Rotorkörper zu rechnen, deren Beseitigung wiederum eine Nachbearbeitung notwendig macht oder die sogar nach Überschreiten eines bestimmten Ausmaßes der Korrosion zur Unbrauchbarkeit des Rotorkörpers führen kann.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe einen Turbinenrotorkörper mit Schaufeln zu schaffen, bei dem die Schaufeln mit Spiel in die Nuten des Rotorkörpers eingesetzt bzw. entfernt werden können, jedoch die Bewegungsmöglichkeit der Schaufeln in jedem Betriebszu­ stand der Turbomaschine durch feste Einspannung der Schaufel­ füße in die Nuten des Rotorkörpers vermieden wird, indem zwischen dem Nutengrund und der Basisfläche der Schaufel­ füße wenigstens ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Spannstück angeordnet ist.

Diese Schaufeleinspannung weist folgende Vorteile auf:

• - Es wird eine feste, gleichmäßige und dauerhafte Einspannung der am Rotorumfang angeordneten Schaufeln in allen Drehzahlbereichen der Turbomaschinen erreicht, und zwar in einem Temperaturbereich der sich von Temperaturen bei Stillstand der Turbomaschine bis hin zu der Nennbe­ triebstemperatur erstreckt.
• - Die Schaufeln können mit Spiel in die Nuten des Rotorkörpers eingesetzt bzw. wieder aus diesen entfernt werden. Dadurch gestaltet sich die Montage bzw. Demontage sehr einfach.

Entsprechend Anspruch 2 besteht das Spannstück aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt auf Ni-Ti-Cu- Basis, oder Auf Cu-Al-Ni-Basis.

Die vorteilhafte Wirkung gemäß Anspruch 2 besteht darin, daß das Einspannen bzw. Lösen der Turbinenschaufeln in Abhängigkeit der Temperatur der Formgedächtnislegierung reversibel erfolgen kann.

Nach Anspruch 3 weist das Spannstück eine gewellte Aus­ bildungsform in Längsrichtung auf. Da dieser Formgedächtnis­ effekt bei den bekannten Legierungen und bei kompakten Körpern darin besteht, daß eine Ausdehnung des Körpers in eine Dimension, und zwar lediglich in einer Größen­ ordnung von wenigen Prozenten erfolgt, so werden hohe Anforderungen an die Bearbeitungstoleranzen, sowohl des Spann­ stückes als auch des Abstandes zwischen Nutengrund und Basisfläche des Schaufelfußes gestellt. Die Ausdehnung liegt im Bereich auszugleichender Resttoleranzen, denn sonst würde der Ausdehnungseffekt für die Fixierung der Schaufeln nicht wirksam werden und der Formgedächtniseffekt würde verpuffen. Gibt man hingegen dem Spannstück eine gebogene oder gewellte Form, so lassen sich wesentlich größere wirksame Dickenänderungen erzielen als bei kompakt ausgebildeten Spannstücken.

Gemäß Anspruch 4 ist die Höhe des Spannstückes in gewellter Ausbildungsform größer bemessen als der Abstand zwischen dem Nutengrund und der Basisfläche der Schaufelfüße im Nenndrehzahlbereich der Turbomaschine, wobei gemäß Anspruch 5 schon durch das Einsetzen der Turbinenschaufeln das Spannstück elastisch verformt wird und auf die Schaufel­ füße der Turbinenschaufeln, vor dem Wirksamwerden des Formgedächtniseffektes, eine Vorspannung ausgeübt werden, kann.

Der Vorteil gemäß Anspruch 4 und 5 ist darin zu sehen, daß die Schaufelfüße zwar mit Spiel in die Nuten einge­ setzt werden können, daß aber die erzielte Vorspannung sicherstellt, daß der nachfolgende Formgedächtniseffekt des Spannstückes vollständig für eine feste Einspannung der Turbinenschaufeln wirksam werden kann.

Entsprechend Anspruch 6 weist das Spannstück eine flache Ausbildungsform auf. Diese Ausbildungsform findet Verwen­ dung, wo sehr geringe Bearbeitungstoleranzen der Schaufel­ füße und Nuten vorliegen und sich deshalb eine wellenartige Verformung des Spannstückes erübrigt.

Entsprechend Anspruch 7 erstreckt sich das Spannstück über die gesamte Länge und Breite der Basisfläche der Schaufel­ füße zwischen Basisfläche der Schaufelfüße und Nutengrund.

Nach Anspruch 8 ist das Spannstück an den Enden der Schaufel­ füße zwischen der Basisfläche der Schaufelfüße und dem Nutengrund angeordnet.

Der Vorteil gemäß Anspruch 7 und 8 ist darin zu sehen, daß eine genaue Anpassung der Anpreßdrücke und Abstütz­ kräfte der Schaufeln an die Nutenwände des Rotorkörpers, hinsichtlich Größe und Verteilung, unter Berücksichtigung der Kontruktion der Turbomaschine erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils dieses Rotorkörpers mit teilweise eingesetzten Turbinen­ schaufeln,

Fig. 2 einen vergrößerten teilweisen Radialschnitt durch eine Nut und einen Schaufelfuß,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Formgedächtnis­ effektes bei einem Spannstück mit flacher Ausbildungs­ form,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Formgedächtnis­ effektes bei einem Spannstück mit gewellter Aus­ bildungsform.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines Rotorkörpers 1 mit zum Teil eingesetzten Turbinen­ schaufeln 3.

In Fig. 1 sind drei in einem Rotorkörper 1 eingefräste tannenbaumförmige Nuten 2 dargestellt, wobei in zwei Nuten 2 Turbinenschaufeln 3 mittels Schaufelfuß 4 befestigt sind, während eine Nut 2 leer gelassen wurde. Am Nutengrund 6 der Nuten 2 befinden sich je ein flaches Spannstück 5 aus einer Formgedächtnislegierung. In der leeren Nut 2 ist das Spannstück 5 über die gesamte Länge und Breite ersichtlich, während in den mit den Turbinenschaufeln 3 versehenen Nuten 2 lediglich die Stirnseite des Spannstückes 5 erkennbar ist.

In Fig. 1 ist die hintere Turbinenschaufel 3 durch die vordere 3 zum Teil verdeckt.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten teilweisen Radialschnitt durch eine Nut 2 und einen Schaufelfuß 4 in tannenbaum­ förmiger Ausbildungsform.

Fig. 2 veranschaulicht den Betriebszustand der Turbomaschine, wobei die Flanken 9 des Schaufelfußes 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 gepreßt wird, so daß die Turbinen­ schaufel 3 fest in den Rotorkörper 1 eingespannt ist. Diese Anpressung geschieht bereits im Stillstand durch den Formgedächtniseffekt, der eine Dickenvergrößerung des Spannstückes 5 in radialer Richtung zur Folge hat, wobei die begrenzende Fläche des Nutengrundes 6 und die begrenzende Basisfläche 7 des Schaufelfußes 4 einer Druck­ spannung ausgesetzt werden. Auf diese Weise ist die Turbinen­ schaufel 3 unabhängig von der Fliehkraft in jedem Betriebs­ zustand der Turbomaschine fest und dauerhaft mit dem Rotor­ körper 1 verbunden.

In Fig. 3 und 4 ist schematisch der Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5 dargestellt, und zwar in Fig. 3 in flacher- und in Fig. 4 in gewellter Ausbildungsform. Der Aus­ gangszustand der Spannstücke 5 ist jeweils mit der Bezugs­ ziffer 10 und der Zustand bei dem der Formgedächtniseffekt eingetreten ist, ist mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet. Der Formgedächtniseffekt beruht in den vorliegenden Beispielen gemäß Fig. 3 und 4 darauf, daß die Spannstücke 5 in vertikaler Richtung eine Vergrößerung und in horizontaler Richtung eine Verkleinerung erfahren.

Der Formgedächtniseffekt ist im wesentlichen abhängig von dem Legierungstyp, von der chemischen Zusammensetzung der Legierungsbestandteile und von den Verformungsbedingungen, denen die Formgedächtnislegierung bei ihrer Herstellung unterzogen wurde. In der Zeitschrift "Material und Technik" 1978, No. 2, Seite 59 bis 66, Herausgeber: Schweizerischer Verband für Materialtechnik (SVMT), c/o EMPA (Eidgenössische Material­ prüfungsanstalt), Überlandstraße 129, CH-8600 Dübendorf. Wird das Prinzip und die Wirkungsweise der in vorliegender Erfindung verwendeten Form­ gedächtnislegierung eingehend beschrieben.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen soll nachstehend die Verwendung von Formgedächtnislegierungen für das Ein­ spannen von Schaufelfüßen 4 in die Nuten 2 eines Rotor­ körpers 1 veranschaulicht werden.

Beispiel 1

Zur Fertigung der Spannstücke 5 wird eine Legierung unter Schutzgas und Vakuum mit folgender chemischer Zusammen­ setzung geschmolzen und in einer Kokille abgegoßen:

43 Gew.-% Ni,
46 Gew.-% Ti,
10 Gew.-% Cu,
 1 Gew.-% Fe.

Anschließend werden die Gußstücke zuerst einer Wärmebe­ handlung von 1,5 Std. bei 900°C unterzogen und anschließend bei einer Temperatur von 950°C durch Walzen warmver­ formt. Nach dem Warmverformen erfolgt das Kaltverformen durch Pressen in einer Matrizenform mit einer Zwischen­ glühung von 950°C bei 30 sec, wobei die Spannstücke 5 die gewellte und der Krümmung des Nutengrundes 6 ange­ paßte Ausbildungsform erhalten und z. B. eine Höhe von z. B. 3 mm von Wellenberg zu Wellental aufweisen. Diese Höhe ist größer bemessen als der maximale Abstand von Nutengrund 6 und Basisfläche 7 der Schaufelfüße 4 bei Nenndrehzahl der Turbomaschine, d. h. in dem Zustand, bei dem durch Fliehkraft die Flanken 9 der Schaufelfüße 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 des Rotorkörpers 1 gepreßt werden.

Der Abstand zwischen Nutengrund 6 und Basisfläche 7 der Schaufelfüße 4 kann variabel gestaltet werden und ist in erster Linie abhängig von der Höhe des Spannstückes 5 und der verwendeten Formgedächtnislegierung und vom Legierungstyp.

Wesentlich ist, daß die Dimensionierung des Abstandes von Nutengrund 6 und Basisfläche 7 sowie der Höhe der Spann­ stücke 5 derart bemessen ist, daß der Formgedächtniseffekt, der eine Vergrößerung der ursprünglichen Höhe der Spann­ stücke 5 um einige Zehntel Millimeter bewirkt, vollständig zur Einspannung der Schaufelfüße 4 genutzt werden kann.

Anschließend erfolgt der Arbeitsvorgang des Einlegens der Spannstücke 5 auf dem Nutengrund 6 und schließlich das Einschieben der Schaufelfüße 4 in die Nuten 2 des Rotorkörpers 1. Das Einsetzen der Schaufelfüße 4 erfolgt mit Spiel, jedoch werden bei diesem Arbeitsvorgang die Spannstücke 5 elastisch verformt, so daß die Schaufelfüße 4 bereits mit einer Vorspannung in den Rotorkörper einge­ setzt werden. Die Maßnahme erweist sich als vorteilhaft, da auf diese Weise der Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5 vollständig ausgenutzt werden kann. Das Einsetzen der Spannstücke 5 in den Nutengrund 6 und das Einschieben der Schaufelfüße 4 in die Nuten 2 erfolgt bei Temperaturen unterhalb 9°C, der sogenannten Schalttemperatur dieses Formgedächtnislegierungstyps. Zu diesem Zweck werden die Spannstücke 5 und der Nutengrund 6 einem kühlenden Medium, beispielsweise Kohlensäureschnee oder flüssigem Stickstoff, ausgesetzt. Beim Unterschreiten der Schalttemperatur flachen sich die Spannstücke 5 ab und nehmen eine Form an, wie sie in Fig. 4 strichliert dargestellt ist. Nach Über­ schreiten der Schalttemperatur setzt der Formgedächtnis­ effekt ein, wie er auf Fig. 4 schematisch mit Bezugsziffer 11 dargestellt ist und preßt die gegebenenfalls bereits unter Vorspannung stehenden Flanken 9 der Schaufelfüße 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 an, so daß die Turbinenschaufeln 3 über den gesamten Umfang des Rotorkörpers 1 fest, gleichmäßig und dauerhaft in allen Betriebsbe­ reichen der Turbomaschine eingespannt sind. Der Formge­ dächtniseffekt des unter Beispiel 1 aufgeführten Legie­ rungstyps bewirkt eine Ausdehnung der ursprünglichen Höhe der Spannstücke 5 um einige Prozente. Die mit dieser Ausdeh­ nung verbundene Anpreßkraft an die Basisfläche 7 der Schaufelfüße 4 bzw. der Flanken 9 der Schaufelfüße 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 ist für eine sichere Einspannung der Turbinenschaufeln 3 in den Rotorkörper 1 ausreichend. Zur Demontage der Turbinenschaufeln werden die Spannstücke 5 wiederum auf Temperaturen unterhalb 9°C abgekühlt und die Schaufeln können somit auf einfache Weise vom Rotorkörper entfernt werden.

Beispiel 2

Zur Fertigung der Spannstücke 5 wird eine Legierung unter Schutzgas und Vakuum mit folgender chemischer Zusammen­ setzung geschmolzen und in einer Kokille abgegossen:

81,7 Gew.-% Cu,
14,3 Gew.-% Al,
 3,0 Gew.-% Ni,
 1,0 Gew.-% Fe.

Anschließend werden die Gußstücke zuerst bei einer Tempe­ ratur von 780°C 2 Std. gesintert und danach heiß-isosta­ tisch in einer Matrizenform gepreßt, wobei die Spannstücke 5 die gewellte und der Krümmung des Nutengrundes 6 ange­ paßte Ausbildungsform erhalten.

Die Dimensionen der Spannstücke sind die gleichen wie in Beispiel 1.

Das Einlegen der Spannstücke 5 auf dem Nutengrund 6 und das Eindrehen der Schaufelfüße 4 in die Nuten 2 des Rotorkörpers 1 erfolgt auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch diesmal bei Temperaturen, die ober­ halb 180°C liegen. Der Rotorkörper 1 mit eingelegten Spann­ stücken 5 die Turbinenschaufeln 3 werden vor dem Eindrehen der Schaufelfüße 4 in die Nuten 2 des Rotor­ körpers 1 bei Temperaturen von 220°C 5 Std. erwärmt. Nach Unterschreiten der Schalttemperatur von 180°C werden die Turbinschaufeln 3 durch den Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5, d. h., durch eine Vergrößerung der ursprüng­ lichen Höhe der Spannstücke 5 fest und gleichmäßig in den Rotorkörper 1 eingespannt und der Formgedächtniseffekt wird in allen Betriebsbereichen der Turbomaschine dauerhaft aufrechterhalten. Zur Demontage der Turbinenschaufeln werden die Spannstücke 5 wiederum auf Temperaturen oberhalb 180°C erwärmt und können somit auf einfache Weise vom Rotorkörper entfernt werden.

Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere für Turbo­ rotoren mit mittleren oder kleinem Durchmesser. Bei der Verwendung flacher Spannstücke können diese in Abweichung von Beispiel 1 oder 2 auch nach dem Einsetzen der Schaufeln zwischen Nutengrund 6 und Schaufelfuß eingeschoben werden, wobei zur Erleichterung die Schaufeln angehoben werden können.

Die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zum Einspannen von Turbinenschaufeln 5 ist selbstverständlich nicht auf die in den Beispielen aufgeführten Legierungstypen beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Legierungs­ kombinationen zur Anwendung kommen. Die Brauchbarkeit der Formgedächtnislegierungen für den erfindungsgemäßen Anmel­ dungsgegenstand hängt in erster Linie davon ab, ob der Formgedächtniseffekt in allen Betriebstemperaturbereichen vom Stillstand bis zum Nenndrehzahlbereich der Turbomaschinen aufrechterhalten kann.

Darüber hinaus ist Form der Spannstücke 5 den jeweiligen konstruktiven Ausbildungen der Schaufelfüße 4 angepaßt. Es können gleichermaßen prismaförmig flache und/oder prisma­ förmig in Längsrichtung gewellte Formen der Spannstücke 5 zur Anwendung kommen.

Claims (7)

1. Turbinenrotorkörper (1) mit Schaufeln (3), deren Füße (4) mit Spiel in Nuten (2) des Turbinenrotorkörpers (1) eingesetzt sind, wobei zwischen dem Nutengrund (6) und der Basisfläche (7) der Schaufelfüße (4) wenigstens ein Spannstück (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannstück (5) aus einer Form­ gedächtnislegierung mit einer Schalttemperatur außerhalb des Arbeitstemperaturbereiches der Turbine besteht.

2. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannstück (5) aus einer Form­ gedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt auf Ni-Ti-Cu- Basis oder auf Cu-Al-Ni-Basis besteht.

3. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannstück (5) prismaförmig aus­ gebildet und in Nutlängsrichtung gebogen oder gewellt ist.

4. Turbinenrotorkörper (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Spannstückes (5) im Arbeitstemperaturbereich der Turbine geringfügig größer bemessen ist als der Abstand zwischen dem Nutengrund (6) und der Basisfläche (7) der Schaufelfüße (4) im Arbeitsdrehzahlbereich der Turbine.

5.Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Spannstückes (5) bereits außerhalb des Arbeitstemperaturbereiches der Turbine geringfügig größer ist als der genannte Abstand bei Stillstand der Turbine.

6. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannstück (5) prismaförmig und flach ist.

7. Turbinenrotorkörper (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Nut (2) sich das oder die Spannstücke (5) jeweils annähernd über die ganze Länge und Breite der Basisfläche (7) der Schaufelfüße (4) erstrecken.