DE4323705A1 - Turbine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbinen und insbesondere auf die Befestigung der Turbinen­ schaufeln. Sie betrifft eine Turbine, umfassend

• (a) eine um eine Rotorachse drehbar gelagerte Rotorscheibe;
• (b) auf dem Umfang der Rotorscheibe verteilt angeordnet eine Mehrzahl von in Achsenrichtung verlaufenden Schaufelnu­ ten, welche ein vorgegebenes, vorzugsweise tannenbaumar­ tiges Querschnittsprofil aufweisen und untereinander je­ weils durch einen Rotorzacken getrennt sind, welcher seitlich durch zwei erste Stirnflächen begrenzt ist; und
• (c) eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln, welche an ihrem un­ teren Ende jeweils einen Schaufelfuß zum Einschieben in eine der Schaufelnuten aufweisen, wobei der Schaufelfuß in seinem Querschnittsprofil der Schaufelnut angepaßt und seitlich durch zwei zweite Stirnflächen begrenzt ist.

Eine derartige Befestigung im Stand der Technik allgemein be­ kannt.

Stand der Technik

Wie aus dem in Fig. 1A-C dargestellten Stand der Technik her­ vorgeht (Fig. 1A zeigt ausschnittweise einen Längsschnitt durch eine Turbine, Fig. 1B einen Schnitt entlang der Linie X-X aus Fig. 1A und Fig. 1C zeigt einen Schnitt durch die Mittelebene der Rotorscheibe), werden bei Turbinen 1, insbe­ sondere Dampf oder Gasturbinen, auf einem in einem Turbinen­ gehäuse 2 untergebrachten Rotor, der üblicherweise eine Mehr­ zahl von in einer Rotorachse 8 hintereinanderliegenden Rotor­ scheiben 6 aufweist, eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 3 auswechselbar befestigt. Die Rotorscheiben 6 weisen dazu auf ihrem Umfang verteilt angeordnete Schaufelnuten 9 auf, in welche die Schaufeln 3 mit einem speziell ausgebildeten Schaufelfuß 4 eingeschoben und mittels eines Befestigungs­ keils 5 verkeilt oder anderweitig fixiert werden können. Die Schaufelnuten 9 sind untereinander durch Rotorzacken 13 ge­ trennt und haben vorzugsweise ein tannenbaumartiges Quer­ schnittsprofil (Fig. 1C), dem das Querschnittsprofil der Schaufelfüße 4 angepaßt ist. Die Schaufelnuten 9 verlaufen in Achsenrichtung, wobei sie gegen die Rotorachse 8 mehr oder weniger stark geneigt sein können (Fig. 1B).

Die zwischen den Schaufelnuten 9 liegenden Rotorzacken 13 werden seitlich durch plane erste Stirnflächen 10a, b be­ grenzt. Desgleichen werden die Schaufelfüße 4 seitlich durch plane zweite Stirnflächen 11a, b begrenzt. Im Stand der Tech­ nik ist es nun üblich, die ersten und zweiten Stirnflächen 10a, b und 11a, b bündig aus zuführen, d. h., die Stirnflächen 10a, b und 11a, b liegen alle in einer gemeinsamen Ebene. Diese Bündigkeit hat folgende Konsequenzen: Die Zuverlässigkeit von Schaufelfuß 4 und Rotorzacken 13 im Betrieb wird durch Bean­ spruchung, Materialwahl und lokale Materialtemperatur be­ stimmt. Diese Werte sind in der Regel für Schaufelfuß und Rotorzacken nicht gleich. Eine symmetrische Konstruktion mit bündigen Stirnflächen führt deshalb zu einer ungleichen Le­ bensdauer von Rotorzacken und Schaufelfuß. Zwar ist ein Hauptparameter der Optimierung ist die unterschiedliche Breite von Rotorzacken und Schaufelfuß in Umfangsrichtung. Die größten lokalen Spannungen treten jedoch an den Kanten von Schaufelfuß bzw. Rotorzacken auf, welche als Stirnkanten die Stirnflächen 10a, b bzw. 11a, b seitlich begrenzen. Dieser Effekt tritt dann verstärkt auf, wenn Schaufelfuß 4 und Rotorzacken 13 - wie in Fig. 1B gezeigt - eine Schrägstellung zur Rotorscheibe 6 aufweisen, wenn also die Mittelebene 7 des Schaufelfußes 4 mit der Rotorachse 8 einen Winkel ≠ 0 ein­ schließt.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, die Schaufelbefestigung so zu gestalten, daß sich für die am meisten belasteten Zonen von Schaufelfuß und Rotorzacken eine deutliche Entlastung ergibt und insbesondere Spannungsspitzen abgebaut werden.

Die Aufgabe wird bei einer Turbine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Entlastung des Schaufelfußes bzw. des Rotorzackens

• (d) die ersten und zweiten Stirnflächen in unterschiedlichen Ebenen liegen.

Der Kern der Erfindung besteht darin, durch eine nicht-bün­ dige Auslegung der seitlichen Begrenzungsflächen von Schau­ felfuß und Rotorzacken die empfindlichen Flächenkanten zu­ mindest teilweise so zu versetzen, daß sie nicht länger in Bereichen mit Krafteinleitung liegen. Mit dieser axialen Op­ timierung der Schaufelbefestigung kann eine gleiche Lebens­ dauer von Schaufelfuß und Rotorzacken trotz unterschiedli­ cher Beanspruchung und unterschiedlichen Materialfestigkeiten erreicht werden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß zur Entlastung der die zweiten Stirnflächen des Schaufelfußes begrenzenden zweiten Stirnkanten von der auf die Schaufel wirkenden Fliehkraft die zweiten Stirnflächen vollständig außerhalb der Schaufelnut liegen. Diese Weiter­ bildung der Erfindung bringt besondere Vorteile, wenn der Schaufelfuß einer zusätzlichen Biegewechselbeanspruchung ausgesetzt ist. Diese ist im Rotorzacken nicht mehr vorhan­ den. Der Schaufelfuß wird deshalb in axialer Richtung ver­ längert, so daß die zweiten Stirnflächen und deren Seiten­ kanten außerhalb der Rotorscheibe liegen. Die Kanten werden durch die Verlängerung von der Fliehkraft entlastet und damit nur noch den Biegewechselbeanspruchungen ausgesetzt.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Reduzierung der Kerbwirkung an den die ersten Stirnflächen des Rotorzackens begrenzenden ersten Stirnkanten die zweiten Stirnflächen vollständig innerhalb der Schaufelnut liegen. Diese Weiterbildung der Erfindung ist für den Fall von Vorteil, daß das Material der Rotorscheibe deutlich weniger Festigkeit aufweist als die Schaufel bzw. der Schaufelfuß. In diesem Fall wird an den Kanten der Ro­ torzacken die Kerbwirkung reduziert, weil die Fliehkraftspan­ nungen hauptsächlich im Mittelteil übertragen werden.

Eine dritte, besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung von Rotorzacken und Schaufelfuß die zweiten Stirnflächen teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Schaufelnut liegen. Diese Weiterbil­ dung stellt eine Kombination der beiden vorgenannten Ausfüh­ rungsformen dar: Im einen Teil (in welchem die zweiten Stirn­ flächen außerhalb der Nut liegen) werden dabei die Kanten des Schaufelfußes entlastet, im anderen Teil (in welchem die zweiten Stirnflächen innerhalb der Nut liegen) diejenigen des Rotorzackens.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1A im Längsschnitt einen Ausschnitt aus einer Turbine mit der Befestigung der Turbinenschaufel auf einer Rotorscheibe nach dem Stand der Technik;

Fig. 1B einen Schnitt durch die Rotorscheibe entlang der Ebene X-X aus Fig. 1A;

Fig. 1C einen Schnitt durch die Mittelebene der Rotorscheibe nach Fig. 1B;

Fig. 2A eine zu Fig. 1A entsprechende Darstellung eines er­ sten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Schaufelbefestigung mit außerhalb der Schaufelnut liegenden zweiten Stirnflächen;

Fig. 2B einen Schnitt durch die Rotorscheibe entlang der Ebene X-X aus Fig. 2A;

Fig. 3A eine zu Fig. 1A entsprechende Darstellung eines zwei­ ten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Schaufelbefestigung mit innerhalb der Schau­ felnut liegenden zweiten Stirnflächen;

Fig. 3b einen Schnitt durch die Rotorscheibe entlang der Ebene X-X aus Fig. 3A;

Fig. 4A eine zu Fig. 1A entsprechende Darstellung eines drit­ ten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Schaufelbefestigung mit teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Schaufelnut liegenden zweiten Stirnflächen;

Fig. 4B einen Schnitt durch die Rotorscheibe entlang der Ebene X-X aus Fig. 4A; und

Fig. 4C einen Schnitt durch die Rotorscheibe entlang der Ebene Y-Y aus Fig. 4A.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 2 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Schaufelbefestigung nach der Erfindung dargestellt. Fig. 2A zeigt dabei einen zu Fig. 1A vergleichbaren Längsschnitt, Fig. 2B ist analog zu Fig. 1B ein Schnitt durch die Rotor­ scheibe 6 entlang der in Fig. 2a eingezeichneten Ebene X-X (in diesen und in allen folgenden Figuren sind im übrigen dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen versehen).

Wie man aus Fig. 2 entnehmen kann, ist bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel der äußere Rand der Rotorscheibe 6, in welchem die Schaufelnuten 9 untergebracht sind, gegenüber Fig. 1 schmaler ausgeführt, während der Schaufelfuß 4 - abgesehen von einer leichten Verjüngung nach unten zu - in seiner Breite weitgehend gleich bleibt. Der Schaufelfuß 4 ist daher gegenüber dem Rotorzacken 13 axial verlängert. Dies hat zur Folge, daß die zweiten Stirnflächen 11a, b des Schaufelfußes 4 und die dazugehörenden zweiten Stirnkanten 15 außerhalb der Nut, d. h., außerhalb der Rotorscheibe 6 liegen. Da die an den Schaufeln 3 angreifende Fliehkraft nur an den Berüh­ rungsflächen zwischen Rotorzacken 13 und Schaufelfuß 4 in die Rotorscheibe 6 eingeleitet werden kann, ist der außerhalb liegende, empfindliche Kantenbereich des Schaufelfußes von dieser Kraft entlastet. Dies hat hinsichtlich der Lebens­ dauer Vorteile für den Fall, daß der Schaufelfuß 4 einer zusätzlichen Biegewechselbeanspruchung ausgesetzt ist.

Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Entlastung nicht den Schaufelfuß 4, sondern umgekehrt die Rotorzacken 13 betrifft, ist in Fig. 3 wiedergegeben. Wie aus den zu Fig. 2A und 2B analogen Darstellungen Fig. 3A und 3B entnommen werden kann, ist in diesem Fall der Rotorzacken 13 gegenüber dem Schaufelfuß 4 axial verlängert. Während die zweiten Stirnkanten 15 des Schaufelfußes 4 an der Kraftüber­ tragung voll beteiligt sind, liegen nun die ersten Stirnkan­ ten 14 der ersten Stirnflächen 10a, b frei. In diesem Fall ist an den ersten Stirnkanten 14 der Rotorzacken 13 die Kerbwir­ kung reduziert, da die Fliehkraftspannungen hauptsächlich im Mittelteil der Schaufelnut 9 übertragen werden. Günstig ist diese Ausführungsart, wenn das Material der Rotorscheibe 6 deutlich weniger Festigkeit aufweist, als das Material der Schaufel 3. Der durch den schmaleren Schaufelfuß 4 freiwer­ dende Platz in der Schaufelnut 9 kann im übrigen zweckmäßi­ gerweise mit geeigneten Zwischenstücken 12 überbrückt werden.

Eine Kombination der beiden Ausführungsbeispiele aus Fig. 2 und Fig. 3 führt zu der in Fig. 4 dargestellten Geometrie. Der Schaufelfuß 4 ist hier im oberen Teil gegenüber den Ro­ torzacken 13 axial verlängert, währen im unteren Teil die Verhältnisse genau umgekehrt sind. Die zweiten Stirnflächen 11a, b des Schaufelfußes liegen demnach teilweise innerhalb (Schnitt Y-Y in Fig. 4A und Fig. 4C) und teilweise außerhalb (Schnitt X-X in Fig. 2A und Fig. 4B) der Schaufelnut 9. Diese Geometrie führt dazu, daß im oberen Teil die Kanten des Schaufelfußes 4 und im unteren Teil die Kanten der Rotor­ zacken 13 entlastet werden.

In allen beschriebenen Fällen ist es gleichzeitig möglich, im jeweiligen axial längeren Bauteil die freiliegenden Kanten an den Stirnseiten abzurunden. Damit kann die Kerbempfindlich­ keit des jeweiligen Bauteils vermindert werden, ohne daß die tragenden Flächen durch die Rundungsradien verkleinert wür­ den. Schließlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denk­ bar, anstelle der hier beschriebenen planen Stirnflächen an­ dere Flächenformen vorzusehen, oder anstelle beider Kanten einer Stirnfläche nur eine Kante zu entlasten.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung durch die axiale Op­ timierung eine Schaufelbefestigung, bei der mit einfachen Mitteln eine gleiche Lebensdauer von Schaufelfuß und Rotor­ zacken trotz unterschiedlicher Beanspruchung und verschiede­ nen Materialfestigkeiten erreicht werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Turbine
2 Turbinengehäuse
3 Schaufel
4 Schaufelfuß
5 Befestigungskeil
6 Rotorscheibe
7 Mittelebene (Scheibenfuß)
8 Rotorachse
9 Schaufelnut
10a, b Stirnseite (Rotorzacken)
11a, b Stirnseite (Schaufelfuß)
12 Zwischenstück
13 Rotorzacken
14 Stirnkante (Rotorzacken)
15 Stirnkante (Schaufelfuß)
16 Mittelebene (Rotorscheibe)

Claims (8)

1. Turbine (1), umfassend

• (a) eine um eine Rotorachse (8) drehbar gelagerte Rotor­ scheibe (6);
• (b) auf dem Umfang der Rotorscheibe (6) verteilt angeordnet eine Mehrzahl von in Achsenrichtung verlaufenden Schau­ felnuten (9), welche ein vorgegebenes, vorzugsweise tan­ nenbaumartiges Querschnittsprofil aufweisen und unterein­ ander jeweils durch einen Rotorzacken (13) getrennt sind, welcher seitlich durch zwei erste Stirnflächen (10a, b) begrenzt ist; und
• (c) eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln (3), welche an ihrem unteren Ende jeweils einen Schaufelfuß (4) zum Einschie­ ben in eine der Schaufelnuten (9) aufweisen, wobei der Schaufelfuß (4) in seinem Querschnittsprofil der Schau­ felnut (9) angepaßt und seitlich durch zwei zweite Stirnflächen (11a, b) begrenzt ist;

dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung des Schaufelfu­ ßes (4) bzw. des Rotorzackens (13)

• (d) die ersten und zweiten Stirnflächen (10a, b bzw. 11a, b) in unterschiedlichen Ebenen liegen.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung der die zweiten Stirnflächen (11a, b) des Schaufel­ fußes (4) begrenzenden zweiten Stirnkanten (15) von der auf die Schaufel (3) wirkenden Fliehkraft die zweiten Stirnflä­ chen (11a, b) vollständig außerhalb der Schaufelnut (9) lie­ gen.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Stirnkanten (15) zur Verringerung der Kerbempfind­ lichkeit gerundet sind.

4. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der Kerbwirkung an den die ersten Stirnflächen (10a, b) des Rotorzackens (13) begrenzenden ersten Stirnkanten (14) die zweiten Stirnflächen (11a, b) vollständig innerhalb der Schaufelnut (9) liegen.

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Stirnkanten (14) zur Verringerung der Kerbempfindlich­ keit gerundet sind.

6. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung von Rotorzacken (13) und Schaufelfuß (4) die zweiten Stirnflächen (11a, b) teilweise innerhalb und teil­ weise außerhalb der Schaufelnut (9) liegen.

7. Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils frei liegenden Stirnkanten (14 bzw. 15) zur Verringe­ rung der Kerbempfindlichkeit gerundet sind.