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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gasturbinenläufer. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung einen Gasturbinenläufer, der
durch Zusammenbauen von mehreren Laufrädern gebaut ist.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDS
DER TECHNIK
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Bei
einer Gasturbine wird ein Verbrennungsgas auf hohem Druck und hoher
Temperatur, das durch Verbrennen von Brennstoff in Verbrennungsluft auf
hohem Druck erzeugt ist, zum Antreiben einer Turbine genutzt, über die
die Energie des Verbrennungsgases in eine mechanische Leistung umgewandelt
wird. Gewöhnlich
wird Verbrennungsluft durch einen Axialverdichter zugeführt, der
durch die Turbine angetrieben ist. Daher sind gewöhnlich die Läufer des
Axialverdichters und der Leistungsturbine zum Ausbilden eines einstöckigen Gasturbinenläufers miteinander
kombiniert. Ferner ist der Axialverdichterabschnitt des Gasturbinenläufers gewöhnlich durch
Anordnen einer Anzahl von Laufrädern
nebeneinander und durch Befestigen der Laufräder in der axialen Richtung
unter Verwendung von Durchgangsschrauben aufgebaut, wobei eine derartige Konstruktion
bzw. Baugruppe in Dokument
US-A-2 818 228 offenbart
ist. Laufschaufeln des Axialverdichters sind auf den äußeren Umfängen der
jeweiligen Laufräder
eingebettet. Anders gesagt ist ein zusammengebauter Gasturbinenläufer in
der Gasturbine genutzt.
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7 stellt einen allgemeinen
Aufbau eines zusammengebauten Läufers
einer Gasturbine dar. In 7 ist
ein Gasturbinenläufer 1 durch
eine Turbinenläuferbaugruppe
bzw. -konstruktion 20, die aus dem Verbrennungsgasstrom
mechanische Drehleistung erzeugt, und eine Verdichterläuferbaugruppe bzw.
-konstruktion 10 gebildet, die mit der Turbinenläuferbaugruppe 20 über eine
zwischenliegende Welle 25 verbunden und angetrieben ist.
Der Gasturbinenläufer 1 in 7 ist ein Cold-End-Antrieb,
bei dem mechanische Drehleistung zum Antreiben einer externen Last
vom Ende 15 der Verdichterläuferbaugruppenseite genommen
ist.
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Wie
aus 7 ersichtlich, sind
sowohl der Turbinenläufer 20 als
auch der Verdichterläufer 10 aus
Laufrädern
gebildet. Die Laufräder
sind nebeneinander in der axialen Richtung angeordnet und durch Durchgangsschrauben
aneinander befestigt. Zum Beispiel sind bei dem Verdichterläufer 10 Laufräder 50 mit
Laufschaufeln, die auf den äußeren Umfängen davon
eingebettet sind, nebeneinander in der axialen Richtung angeordnet,
und alle Laufräder 50 sind durch
Spindelschrauben 51 aneinander befestigt, die die Laufräder 50 in
der axialen Richtung durchdringen.
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Wie
später
erläutert,
sind auf den Seitenflächen
der jeweiligen Laufräder 50,
an den Abschnitten, an denen die Laufräder an benachbarte Laufräder angrenzen,
Nute 33 mit halbkreisförmigen
Querschnitten in der radialen Richtung ausgebildet. Wenn die benachbarten
Laufräder
so zusammengebaut sind, daß die
Nute 33 beider Laufräder aneinander ausgerichtet
sind, bilden die halbkreisförmigen
Nutpaare kreisförmige
Löcher 35,
die sich in radialen Richtungen erstrecken. Wie später erläutert, sind Drehmomentzapfen 40 in
die kreisförmigen
Löcher 35 eingefügt.
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8 ist eine Perspektivansicht,
die die Nute 33 und Drehmomentzapfen 40 des Verdichterlaufrads 50 im
Detail darstellt. Wie aus 8 ersichtlich, ist
auf jeder der Seitenflächen 50a des
Laufrads 50 ein ringförmiger
Vorsprung 53 ausgebildet, der mit der Mitte des Laufrads
konzentrisch ist. Der ringförmige
Vorsprung 53 weist einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt
auf. Der innere Umfang (d. h. die innere Seitenwand) 53a und
der äußere Umfang
(d. h, die äußere Seitenwand) 53b des
ringförmigen
Vorsprungs 53 sind als zylindrische Flächen ausgebildet, die mit der
Mitte des Laufrads 50 konzentrisch sind. Die obere Fläche 53c des
ringförmigen
Vorsprungs ist als flache Ebene ausgebildet, die senkrecht zur Mittelachse
des Laufrads 50 steht.
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Wenn
die Laufräder 50 zusammengebaut sind,
grenzt die obere Fläche 53c des
ringförmigen Vorsprungs 53 des
Laufrads 50 an die obere Fläche 53c des ringförmigen Vorsprungs
des benachbarten Laufrads an. Daher stehen die oberen Flächen 53c der
ringförmigen
Vorsprünge 53 der
benachbarten Laufräder
in engem Kontakt miteinander, wenn die Spindelschrauben 51 angezogen
sind. 51a in 8 bezeichnet
Schraublöcher,
die die jeweiligen Laufräder 50 zum
Aufnehmen der Spindelschrauben 51 durchdringen.
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Wie
in 8 gezeigt, sind die
Nute 33 mit halbkreisförmigem
Querschnitt auf den jeweiligen oberen Flächen 53a ausgebildet
und erstrecken sich in der radialen Richtung. Die Nute 33 bilden
zusammen mit den Nuten 33 auf der oberen Fläche 53a des ringförmigen Vorsprungs 53 des
benachbarten Laufrads kreisförmige
Drehmomentzapfenlöcher 35 aus, die
die ringförmigen
Vorsprünge 53 in
der radialen Richtung durchdringen, wenn die ringförmigen Vorsprünge der
benachbarten Laufräder
zusammengefügt
sind.
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Wenn
die Laufräder 50 zusammengebaut sind,
ist ein zylindrischer Zapfen (ein Drehmomentzapfen) 40 in
jedes der Drehmomentzapfenlöcher 35 eingepaßt. Die
Drehmomentzapfen 40 dienen als Schlüssel zum Übertragen des Drehmoments zwischen
den benachbarten Laufrädern 50 und
verhindern eine relative Winkelbewegung zwischen den Laufrädern.
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Wie
aus 7 ersichtlich, ist,
da die Anzahl der Laufräder 50 (d.
h. der Verdichtungsstufen) der Verdichterläuferbaugruppe 10 größer als
die Anzahl der Laufräder
der Turbinenbaugruppe 20 ist, die axiale Länge der
Verdichterläuferbaugruppe 10 größer als
die der Turbinenläuferbaugruppe 20.
Ferner ist bei dem Cold-End-Antriebsgasturbinenläufer in 7 ein Drehmoment von der
Turbinenläuferbaugruppe 20 über die
Verdichterläuferbaugruppe 10 auf eine
externe Last (wie einen Generator) übertragen. Daher muß das Drehmoment,
das zum Antreiben der externen Last erforderlich ist, neben dem
Drehmoment, das zum Antreiben der Verdichterbaugruppe 10 erforderlich
ist, beim Betrieb der Gasturbine von einem Laufrad auf das benachbarte
Laufrad übertragen
sein.
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Ferner
wird beim Betrieb der Gasturbine entlang der axialen Richtung ein
relativ steiles Temperaturgefälle
in der Verdichterläuferbaugruppe
erzeugt. Dies bewirkt, daß sich
die radialen Freiräume
der Schraubenlöcher 51a im Verhältnis zu
den Spindelschrauben 51 gemäß dem Temperaturgefälle ändern. Daher
sind die radialen Freiräume
der Schraubenlöcher 51a im
Verhältnis
zu den Spindelschrauben in den jeweiligen Laufrädern 50 verschieden.
Obwohl die Spindelschrauben 51 die Laufräder in der axialen
Richtung aneinander befestigen, können sie somit kein hohes Drehmoment
unter den Laufrädern übertragen.
Daher sind Drehmomentzapfen 40 zum Übertragen des Drehmoments zwischen
den Laufrädern
erforderlich.
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Beim
Betrieb der Gasturbine wird aufgrund der Drehung des Gasturbinenläufers eine
Zentrifugalkraft auf die Drehmomentzapfen 40 ausgeübt. Um zu
verhindern, daß sich
die Drehmomentzapfen 40 aufgrund der Zentrifugalkraft aus
den Drehmomentzapfenlöchern 35 herausbewegen,
ist ein Anlaufflansch an jedem der Drehmomentzapfen 40 an
deren innerem Ende (d. h. dem Ende des Drehmomentzapfens, das näher an der
Mitte des Laufrads angeordnet ist) ausgebildet. Um zu verhindern,
daß die Drehmomentzapfen 40 aufgrund
ihres Eigengewichts aus den Drehmomentzapfenlöchern 35 herausfallen,
wenn sich der Gasturbinenläufer
in Ruhestellung befindet, ist ferner ein weiterer Flansch 40b an
jedem der Drehmomentzapfen 40 an ihrem äußeren Ende (d. h. dem Ende
des Drehmomentzapfens, das entfernt von der Mitte des Laufrads angeordnet ist)
ausgebildet.
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Gewöhnlich ist
der Anlaufflansch 40a als Scheibe mit flachen Flächen auf
beiden Seiten davon ausgebildet, während die innere Seitenwand 53a als zylindrische
Oberfläche
ausgebildet ist. Um einheitlichen Kontakt zwischen den Flanschen 40a und
der inneren Seitenwand 53a zu gewährleisten, wenn die Zentrifugalkraft
auf die Drehmomentzapfen 40 ausgeübt wird, muß die Innenfläche 53a des
ringförmigen
Vorsprungs 53 daher maschinell flach hergestellt sein,
d. h. eine Plansenkung muß auf
der Oberfläche der
inneren Seitenwände 53a an
dem Abschnitt um die Drehmomentzapfenlöcher 35, wo die Flansche 40a die
Innenfläche
berühren,
ausgebildet sein.
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Jedoch,
da die Plansenkungen an den inneren Seitenwänden 53a beider ringförmiger Vorsprünge 53 der
benachbarten Laufräder
fortlaufend ausgebildet sein müssen,
erfordert die maschinelle Herstellung der Plansenkungen eine sorgfältige maschinelle Arbeit.
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Um
einheitlichen Kontakt zwischen dem Anlaufflansch 40a und
beiden inneren Seitenwänden 53a benachbarter
Laufräder
zu gewährleisten,
muß die
maschinelle Herstellung der Plansenkungen sehr präzise sein.
Um eine hohe Präzision
der maschinellen Bearbeitung zu erzielen, müssen die inneren Seitenwände 53a der
benachbarten Laufräder
so maschinell bearbeitet sein, daß Plansenkungen in dem Zustand,
in dem zwei benachbarte Laufräder
zusammengebaut sind, ausgebildet sind. Wenn zwei Laufräder zusammengebaut
sind, d. h. wenn die zwei Läufer
durch Angrenzen der oberen Flächen 53c der ringförmigen Vorsprünge 53 aneinander
zusammengefügt
sind, sind die inneren Seitenwände 53a der ringförmigen Vorsprünge jedoch
innerhalb der ringförmigen
Vorsprünge 53 angeordnet.
Daher sind die folgenden Schritte zum maschinellen Bearbeiten der inneren
Seitenwände 53a erforderlich,
um Plansenkungen um die Drehmomentzapfenlöcher 35 auszubilden.
- a) Anordnen eines L-förmigen Bits, das zum maschinellen
Herstellen der Plansenkung gebraucht wird, in der Nut 33 von
einem der Laufräder,
bevor die zwei Laufräder
zusammengefügt
werden.
- b) Zusammenbauen der zwei Laufräder, so daß die Nute 33 beider
Laufräder
aneinander ausgerichtet sind und das L-förmige Bit in das Drehmomentzapfenloch 35 eindringt,
das durch die Nute gebildet ist, wobei der Schneideabschnitt des
L-förmigen
Bits innerhalb der ringförmigen Vorsprünge beider
Laufräder
angeordnet wird.
- c) Drehen des L-förmigen
Bits, während
die Laufräder
zusammengebaut erhalten sind, um eine kreisförmige Plansenkung um das Drehmomentzapfenloch 35 auszubilden.
- d) Auseinandernehmen der Laufräder 50 zum Entfernen des L-förmigen Bits
nach dem Fertigstellen der maschinellen Herstellung der Plansenkung.
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Die
obigen Schritte a) bis d) müssen
für alle Drehmomentzapfenlöcher 35 wiederholt
werden. Gewöhnlich
sind 10 bis 20 Drehmomentzapfenlöcher 35 für ein Laufrad
erforderlich, und eine Verdichterläuferbaugruppe umfaßt 10 bis
20 Laufräder.
Daher müssen
die Schritte a) bis d) nicht weniger als 400 Mal wiederholt werden,
bevor die maschinelle Herstellung der Plansenkungen eines gesamten
Verdichterläufers
fertiggestellt ist. Dies erhöht
die Herstellungskosten und -dauer des Gasturbinenläufers.
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Wenn
die Plansenkung an der inneren Seitenwand 53a maschinell
hergestellt werden könnte, ohne
die Laufräder
zusammenzubauen, könnte
theoretisch ein Großteil
des obengenannten Problems gelöst
werden. Wenn jedoch das maschinelle Herstellen der Plansenkung ausgeführt wird,
ohne zwei Laufräder
aneinanderzufügen,
muß das
L-förmige
Bit in der halbkreisförmigen
Nut 33 gedreht werden. Dies bewirkt diskontinuierliches
Schneiden, d. h. das L-förmige Bit
schneidet das Metall nur während
seiner halben Drehung und dreht während der verbleibenden halben
Drehung durch. Dies bewirkt, daß das Bit
bei jeder Drehung an die Kante der inneren Seitenwand 53a schlägt.
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In
diesem Falle ist daher die Schneidegeschwindigkeit auf eine bezeichnend
niedrige Ebene beschränkt,
um eine Beschädigung
des L-förmigen Bits
zu vermeiden. Daher ist die Zeit, die für die maschinelle Bearbeitung
erforderlich ist, nicht wesentlich reduziert.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Hinblick auf die oben ausgeführten
Probleme des Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Mittel zum wesentlichen Reduzieren von Zeit und Kosten,
die zum Herstellen des Gasturbinenläufers erforderlich sind, bereitzustellen,
während
eine einheitliche Berührung
zwischen den Flanschen der Drehmomentzapfen und den inneren Seitenwänden der
ringförmigen
Vorsprünge
der Laufräder
gewährleistet
ist.
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Die
oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung
durch einen Gasturbinenläufer
gelöst,
der eine Läuferkonstruktion
beinhaltet, welche aus einer Vielzahl von Laufrädern, die in der axialen Richtung
davon nebeneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von Spindelschrauben gefertigt
ist, die die Laufräder
durchdringen und die Laufräder
in der axialen Richtung aneinander befestigen, umfassend ringförmige Vorsprünge, die
auf beiden Seiten eines jeden der Laufräder und konzentrisch mit der
Mitte davon ausgebildet sind, wobei die ringförmigen Vorsprünge innere
Seitenwände,
die der Mitte des Laufrads zugekehrt sind, und äußere Seitenwände, die
den gegenüberliegenden
inneren Seitenwänden
zugekehrt sind, und flache obere Flächen aufweisen, wobei die Laufräder durch
Berühren der
oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge
mit den oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge von
benachbarten Laufrädern
aneinander angrenzen, eine Vielzahl von Nuten mit halbkreisförmigem Querschnitt,
die an den oberen Flächen
ausgebildet sind und sich in der radialen Richtung des Laufrads erstrecken,
wobei die halbkreisförmigen
Nute in Verbindung mit den Nuten an den benachbarten Laufrädern kreisförmige Löcher ausbilden,
die die ringförmigen
Vorsprünge
durchdringen, wenn die Laufräder zusammengebaut
sind, zylindrische Zapfen, die zum Übertragen eines Drehmoments
zwischen den Laufrädern
jeweils in die jeweiligen kreisförmigen
Löcher eingepaßt sind,
wobei jeder der zylindrischen Zapfen zumindest an dem Ende davon,
das sich in der Nähe der
Mitte des Laufrads befindet, mit einem Flansch versehen ist, wobei
die gesamte Oberfläche
der inneren Seitenwand eines ringförmigen Vorsprungs als kugelförmige Oberfläche ausgebildet
ist, deren Mitte auf der Mittelachse des Laufrads liegt, und die
Oberfläche
der Fläche
des Flanschs des zylindrischen Zapfens, die an die innere Seitenwand
des ringförmigen
Vorsprungs angrenzt, als kugelförmige
Oberfläche
ausgebildet ist, die mit der kugelförmigen Oberfläche der
inneren Seitenwand des ringförmigen
Vorsprungs zusammenpaßt.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung sind die Oberflächen der inneren Wände der
ringförmigen Vorsprünge als
kugelförmige
Oberflächen
statt als zylindrische Oberflächen
ausgebildet. Ferner sind die Flächen
der Flansche der zylindrischen Zapfen, die die inneren Seitenwände berühren, ebenfalls
als kugelförmige
Oberflächen
ausgebildet, die mit den kugelförmigen
Oberflächen
der inneren Seitenwände zusammenpassen.
Daher berühren
die Flächen
der Flansche der Zapfen die inneren Seitenwände der ringförmigen Vorsprünge einheitlich,
wenn die Zentrifugalkraft auf die Zapfen ausgeübt wird, ohne daß es nötig ist,
die Plansenkungen an den Oberflächen
der inneren Seitenwände
auszubilden.
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Da
die kugelförmigen
Oberflächen
der inneren Seitenwände
der ringförmigen
Vorsprünge
leicht und präzise
maschinell herstellbar sind, ohne die Laufräder zusammenzubauen, sind ferner
Zeit und Kosten, die zum Herstellen des Gasturbinenläufers erforderlich
sind, in hohem Maße
reduzierbar.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gasturbinenläufer bereitgestellt,
der eine Läuferkonstruktion
beinhaltet, welche aus einer Vielzahl von Laufrädern, die in der axialen Richtung
davon nebeneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von Spindelschrauben
gefertigt ist, die die Laufräder
durchdringen und die Laufräder
in der axialen Richtung aneinander befestigen, umfassend ringförmige Vorsprünge, die
auf beiden Seiten eines jeden der Laufräder und konzentrisch mit der
Mitte davon ausgebildet sind, wobei die ringförmigen Vorsprünge innere
Seitenwände,
die der Mitte des Laufrads zugekehrt sind, und äußere Seitenwände die den
gegenüberliegenden
inneren Seitenwänden
zugekehrt sind, und flache obere Flächen aufweisen, wobei die Laufräder durch
Berühren
der oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge
mit den oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge
von benachbarten Laufrädern
aneinander angrenzen, eine Vielzahl von Nuten mit halbkreisförmigem Querschnitt, die
an den oberen Flächen
ausgebildet sind und sich in der radialen Richtung des Laufrads
erstrecken, wobei die halbkreisförmigen
Nute in Verbindung mit den Nuten an den benachbarten Laufrädern kreisförmige Löcher ausbilden,
die die ringförmigen
Vorsprünge durchdringen,
wenn die Laufräder
zusammengebaut sind, zylindrische Zapfen, die zum Übertragen
eines Drehmoments zwischen den Laufrädern jeweils in die jeweiligen
kreisförmigen
Löcher
eingepaßt
sind, wobei jeder der zylindrischen Zapfen zumindest an dem Ende
davon, das sich in der Nähe
der Mitte des Laufrads befindet, mit einem Flansch versehen ist, wobei
die Oberfläche
der inneren Seitenwand eines ringförmigen Vorsprungs als zylindrische
Oberfläche ausgebildet
ist, deren Mitte auf der Mittelachse des Laufrads liegt, und die
Oberfläche
der Fläche
des Flanschs des zylindrischen Zapfens, die an die innere Seitenwand
des ringförmigen
Vorsprungs angrenzt, als zylindrische Oberfläche ausgebildet ist, die mit
der zylindrischen Oberfläche
der inneren Seitenwand des ringförmigen
Vorsprungs zusammenpaßt.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung ist die Oberfläche der inneren Seitenwand
des ringförmigen Vorsprungs
als zylindrische Oberfläche
wie im Stand der Technik ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist
jedoch die Fläche
des Flanschs des Zapfens, die die innere Seitenwand berührt, ebenfalls
als eine zylindrische Oberfläche
ausgebildet, die mit der zylindrischen Fläche der inneren Seitenwand
zusammenpaßt.
Daher berühren
die Flächen
der Flansche des Zapfens die inneren Seitenwände der ringförmigen Vorsprünge einheitlich,
wenn die Zentrifugalkraft auf die Zapfen ausgeübt ist, ohne daß es nötig wird,
die Plansenkungen an den Oberflächen
der inneren Seitenwände
auszubilden.
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Ferner
ist gemäß einem
wiederum anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Gasturbinenläufer bereitgestellt,
der eine Läuferkonstruktion
beinhaltet, welche aus einer Vielzahl von Laufrädern, die in der axialen Richtung
davon nebeneinander angeordnet sind, und einer Vielzahl von Spindelschrauben
gefertigt ist, die die Laufräder
durchdringen und die Laufräder
in der axialen Richtung aneinander befestigen, umfassend ringförmige Vorsprünge, die
auf beiden Seiten eines jeden der Laufräder und konzentrisch mit der
Mitte davon ausgebildet sind, wobei die ringförmigen Vorsprünge innere
Seitenwände,
die der Mitte des Laufrads zugekehrt sind, und äußere Seitenwände, die
den gegenüberliegenden
inneren Seitenwänden
zugekehrt sind, und flache obere Flächen aufweisen, wobei die Laufräder durch
Berühren der
oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge
mit den oberen Flächen
der ringförmigen
Vorsprünge von
benachbarten Laufrädern
aneinander angrenzen, einer Vielzahl von Nuten mit halbkreisförmigem Querschnitt,
die an den oberen Flächen
ausgebildet sind und sich in der radialen Richtung des Laufrads erstrecken,
wobei die halbkreisförmigen
Nute in Verbindung mit den Nuten an den benachbarten Laufrädern kreisförmige Löcher ausbilden,
die die ringförmigen
Vorsprünge
durchdringen, wenn die Laufräder zusammengebaut
sind, zylindrische Zapfen, die zum Übertragen eines Drehmoments
zwischen den Laufrädern
jeweils in die jeweiligen kreisförmigen
Löcher eingepaßt sind,
wobei jeder der zylindrischen Zapfen zumindest an dem Ende davon,
das sich in der Nähe der
Mitte des Laufrads befindet, mit einem Flansch versehen ist, wobei
die Oberfläche
der Fläche
des Flanschs, die den inneren Seitenwänden der ringförmigen Vorsprünge zugekehrt
ist, die innere Seitenwand von nur einem der Laufräder, die
aneinander angrenzen, berührt.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung berührt die
Fläche
des Flanschs die innere Seitenwand des ringförmigen Vorsprungs von nur einem
der Laufräder,
die aneinander angrenzen. Wenn die innere Seitenwände des
ringförmigen
Vorsprungs maschinell bearbeitet werden, ohne die benachbarten Laufräder zusammenzubauen,
muß die
Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung verhältnismäßig hoch sein, so daß die inneren
Seitenwände
der ringförmigen Vorsprünge der
benachbarten Laufräder
eine fortlaufende Oberfläche
ausbilden, um eine einheitliche Berührung zwischen der Fläche des
Flanschs und den inneren Seitenwänden
der ringförmigen
Vorsprünge der
benachbarten Laufräder
zu gewährleisten.
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Die
Zentrifugalkraft, die auf den zylindrischen Zapfen ausgeübt wird,
ist jedoch verhältnismäßig gering.
Wenn die Fläche
der Flansch des zylindrischen Zapfens die inneren Seitenwände der
ringförmigen
Vorsprünge
von einem der benachbarten Laufräder
einheitlich berührt,
treten daher keine Probleme auf. Anders gesagt braucht die Fläche des Flanschs
nicht beide der inneren Seitenwände
des ringförmigen
Vorsprungs der benachbarten Laufräder zu berühren. Daher weisen bei diesem
Aspekt der Erfindung die inneren Seitenwände des ringförmigen Vorsprungs,
die aneinander angrenzen, verschiedene Abmessungen auf, so daß nur eine
von ihnen die Fläche
des Flanschs des zylindrischen Zapfens berührt. Wenn beispielsweise die
Oberflächen der
inneren Seitenwände
der ringförmigen
Vorsprünge
als kugelförmige
oder zylindrische Oberflächen ausgebildet
sind, deren Mitte auf der Mittelachse der Laufräder liegt, sind die Oberflächen der
inneren Seitenwände
der ringförmigen
Vorsprünge,
die aneinander angrenzen, so maschinell bearbeitet, daß der Durchmesser
einer der Seitenwände
kleiner als der Durchmesser der anderen inneren Seitenwand wird, so
daß nur
die innere Seitenwand, die einen kleineren Radius aufweist, die
Fläche
des Flanschs des zylindrischen Zapfens berührt. Dadurch kann die Genauigkeit
der maschinellen Bearbeitung der inneren Seitenwände herabgesetzt werden, auch
wenn die inneren Seitenwände
maschinell bearbeitet werden, ohne die benachbarten Laufräder zusammenzufügen, wodurch
Zeit und Kosten für
die Herstellung eines Läufers
weiter reduziert werden.
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Ferner
kann, wenn die Fläche
des Flanschs nur eine der inneren Seitenwände berührt, ein Flansch mit flacher
Fläche
genutzt werden. In diesem Falle müssen die Plansenkungen um die
halbkreisförmigen
Nute maschinell hergestellt sein, um eine einheitliche Berührung zwischen
den flachen Flächen
der Flansche und der gekrümmten
Oberfläche der
inneren Seitenwände
zu gewährleisten.
In diesem Falle ist das Plansenken jedoch nur für eine der Oberflächen der
inneren Seitenwände
der benachbarten Laufräder
erforderlich. Daher ist der maschinelle Arbeitsbetrag nur halb so
groß wie
in dem Fall, in dem die inneren Seitenwände beider benachbarten Laufräder zum
Ausbilden von Plansenkungen maschinell bearbeitet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist aus der im folgenden ausgeführten Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich,
in denen:
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1 eine Teilschnittansicht
eines Laufrads ist, das in dem Gasturbinenläufer gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung genutzt ist;
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2 eine Längsschnittansicht eines Drehmomentzapfens
ist, der in der ersten Ausführungsform
genutzt ist;
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3 eine Teilschnittansicht
eines Laufrads ist, das in dem Gasturbinenläufer gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung genutzt ist;
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4A eine Seitenansicht eines
Drehmomentzapfens ist, der in der zweiten Ausführungsform genutzt ist;
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4B eine Ansicht aus der
Richtung B-B in 4A ist;
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5 eine schematische Teilschnittansicht von
Laufrädern
gemäß einer
dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist, die aneinander angrenzen, wenn die Laufräder zusammengebaut
sind;
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6 eine schematische Teilschnittansicht von
Laufrädern
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die aneinander angrenzen, wenn die
Laufräder
zusammengebaut sind;
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7 eine Längsschnittansicht ist, die
den Aufbau eines herkömmlichen
Gasturbinenläufers darstellt;
und
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8 eine Teilperspektivansicht
ist, die die Form eines ringförmigen
Vorsprungs und eines Drehmomentzapfens der Laufräder in 7 zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf 1 bis 6 Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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(1) Erste Ausführungsform
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1 und 2 sind Schnittansichten eines Laufrads 50 bzw.
eines Drehmomentzapfens 40 entlang einer Ebene, die die
Mittelachse des Laufrads einschließt, gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In 1 und 2 repräsentieren dieselben Bezugszeichen
wie in 7 und 8 gleiche Elemente.
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In
dieser Ausführungsform
sind ringförmige Vorsprünge 53 auf
beiden Seitenflächen 53a des Laufrads 50 vorgesehen.
Die oberen Flächen 53c der ringförmigen Vorsprünge 53 sind
als flache Ebenen ausgebildet, die senkrecht zur Mittelachse CL
des Laufrads stehen. Wenn die Laufräder zusammengebaut sind, grenzen
die oberen Flächen 53c der
benachbarten Laufräder
aneinander an. Ferner sind halbkreisförmige Nute 33, die
sich in der radialen Richtung erstrecken, an der oberen Fläche 53c der ringförmigen Vorsprünge 53 ausgebildet.
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Beim
herkömmlichen
Laufrad in 8 ist die Oberfläche der
inneren Seitenwand 53a des ringförmigen Vorsprungs als zylindrische
Oberfläche
ausgebildet, deren Mittelachse mit der Mittelachse (8, CL) des Laufrads 50 übereinstimmt.
Die Abschnitte der Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a um die Nute 33 sind
maschinell bearbeitet, so daß sie flache
Ebenen ausbilden, d. h. es sind Plansenkungen auf der Oberfläche der
inneren Seitenwand 53a um die Nut 33 ausgebildet.
Im Gegensatz zum herkömmlichen
Laufrad ist die Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a als kreisförmige Oberfläche ausgebildet,
deren Mitte in dieser Ausführungsform
auf der Mittelachse CL des Laufrads 50 liegt. Ferner sind
keine Plansenkungen auf der Oberfläche der inneren Seitenwand 53a um
die Nute 33 ausgebildet.
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In
dieser Ausführungsform
stimmt die Mitte der kreisförmigen
Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a mit dem Punkt überein,
an dem die Ebene der flachen oberen Fläche 53c des ringförmigen Vorsprungs 53 die
Mittelachse CL des Laufrads 50 schneidet. Der Radius R
der inneren Seitenwand 53a ist gemäß Standort, Stärke und
Höhe des
ringförmigen
Vorsprungs angemessen festgelegt.
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Ferner
weist in dieser Ausführungsform
der Drehmomentzapfen 40 eine zylindrische Form mit Flanschen
an beiden Enden auf. Die Oberfläche
der Fläche 401a des
Flanschs 40a des Drehmomentzapfens, die die innere Seitenwand 53a berührt, ist
als kugelförmige
Oberfläche
mit einem Radius ausgebildet, der gleich dem Radius der inneren
Seitenwand 53a ist. Die Mitte O der kugelförmigen Oberfläche der Fläche 401a liegt
auf der Mittelachse des zylindrischen Zapfens 40. Wenn
der Drehmomentzapfen 40 in die radiale halbkreisförmige Nut 33 eingepaßt ist, paßt daher
die Krümmung
der Fläche 401a des Flanschs 40a mit
der Krümmung
der inneren Seitenwand 53a zusammen, und dadurch berührt die
Fläche 401a die
innere Seitenwand 53a einheitlich.
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Da
die Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a des ringförmigen Vorsprungs 53 als
kugelförmige
Oberfläche
ausgebildet ist, deren Mitte auf der Mittelachse des Laufrads 50 liegt,
kann die innere Seitenwand 53a leicht mit hoher Präzision maschinell bearbeitet
werden, ohne die benachbarten Läufer
zusammenzubauen. Die innere Seitenwand 53a kann nämlich durch
Drehen des Laufrads 50 um die Mittelachse davon, während das
Schneidebit an die innere Seitenwand 53a in der radialen
Richtung angrenzt, maschinell in eine gewünschte kugelförmige Form gebracht
werden. Die Fläche 401a des
Flanschs 40a des Drehmomentzapfens 40 kann ebenfalls
leicht und präzise
auf ähnliche
Weise wie die innere Seitenwand 53a maschinell in eine
gewünschte
kugelförmige
Form gebracht werden.
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Daher
ist gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
ein einheitlicher Kontakt zwischen der Flanschfläche 401a und der inneren
Seitenwand 53a möglich,
ohne die Plansenkungen an der inneren Seitenwand 53a auszubilden.
Daher sind in dieser Ausführungsform
Zeit und Kosten, die zur maschinellen Herstellung einer großen Anzahl
von Plansenkungen an der inneren Seitenwand 53a nötig sind, nicht
erforderlich, und dadurch sind Zeit und Kosten, die zur Herstellung
des Gasturbinenläufers
erforderlich sind, in hohem Maße
reduzierbar.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Fläche 401a des
Flanschs 40a als kugelförmige
Form ausgebildet, so daß der
gesamte Bereich der Fläche 401a die
innere Seitenwand 53a einheitlich berührt. Da die Zentrifugalkraft,
die beim Betrieb der Gasturbine auf den Drehmomentzapfen 40 ausgeübt ist, verhältnismäßig gering
ist, kann die Fläche 401a als konische
Form statt als kreisförmige
Form maschinell hergestellt werden, so daß die Flanschfläche 401a die
innere Seitenwand 53a nur an ihrem Außenumfang berührt.
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Obwohl
die Flanschfläche 401a die
inneren Seitenwände 53a der
ringförmigen
Vorsprünge 53 beider
benachbarten Laufräder 50 vorzugsweise
einheitlich berührt,
wenn die Laufräder
zusammengebaut sind, treten praktisch auch dann keine Probleme auf,
wenn die Flanschfläche 401a die
innere Seitenwand 53a einer der ringförmigen Vorsprünge 53 berührt, solange
die Berührung
einheitlich ist. Daher bilden die inneren Seitenwände 53a der
benachbarten Laufräder 50 nicht
notwendigerweise eine fortlaufende kreisförmige Oberfläche, wenn
die ringförmigen Vorsprünge 53 von
benachbarten Laufrädern
zusammengefügt
sind. Anders gesagt, selbst wenn die zwei inneren Seitenwände 53a nicht
bündig
sind, wenn die ringförmigen
Vorsprünge 53 zusammengefügt sind, treten
praktisch keine Probleme auf, solange die Flanschfläche 401a eine
der inneren Seitenwände 53a einheitlich
berührt.
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(2) Zweite Ausführungsform
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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3 ist eine Teilschnittansicht
des Laufrads 50 der vorliegenden Ausführungsform, die 1 ähnelt. In dieser Ausführungsform
sind ähnlich
wie beim herkömmlichen
Laufrad in 8 die inneren
Seitenwände 53a der
ringförmigen
Vorsprünge 53 des
Laufrads 50 als zylindrische Oberflächen ausgebildet, die einen
Radius R aufweisen und konzentrisch mit dem Laufrad 50 sind.
Es sind jedoch keine Plansenkungen an den inneren Seitenwänden 53a um
die radialen, halbkreisförmigen
Nute 33 ausgebildet.
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4A ist eine Seitenansicht
des zylindrischen Drehmomentzapfens 40, der in dieser Ausführungsform
genutzt ist, und 4B ist
eine Ansicht desselben von Richtung B-B in 4A aus gesehen. Wie aus 4A und 4B ersichtlich,
ist die Oberfläche der
Flanschfläche 401a des
Flanschs 40a des Drehzapfens 40 als eine zylindrische
Oberfläche
mit demselben Radius wie der Radius der inneren Seitenwand 53a ausgebildet.
Da die Flanschfläche 401a mit den
inneren Seitenflächen 53a der
ringförmigen
Vorsprünge 53 zusammenpassen,
wenn die benachbarten Laufräder 50 zusammengefügt sind,
berührt
in dieser Ausführungsform
die Flanschfläche 401a die inneren
Seitenwände 53a der
benachbarten Laufräder 50 einheitlich,
ohne daß es
notwendig ist, die Plansenkungen an den inneren Seitenwänden 53a um
die Nute 33 auszubilden.
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In
dieser Ausführungsform
kann die innere Seitenwand 53a des ringförmigen Vorsprungs 53 auf dieselbe
Weise wie die des herkömmlichen
Laufrads in 8 maschinell
hergestellt sein. Da jedoch die maschinelle Herstellung der Plansenkungen
an der inneren Seitenwand 53a nicht erforderlich ist, ist sorgfältige maschinelle
Arbeit in dem Zustand, in dem zwei benachbarte Laufräder zusammengebaut sind,
nicht erforderlich. Es ist richtig, daß zum Ausbilden von zylindrischen
Oberflächen
an den Flanschflächen 401a der
Drehzapfen 40 verhältnismäßig komplizierte
maschinelle Arbeit erforderlich ist. Da der Drehzapfen 40 jedoch
viel kleiner als das Laufrad 50 ist, sind Zeit und Kosten,
die zur maschinellen Bearbeitung der Flanschflächen 401a erforderlich
sind, viel geringer als Zeit und Kosten, die zum Ausbilden von Plansenkungen
an den inneren Seitenflächen 53a des
Laufrads erforderlich sind. Daher sind in dieser Ausführungsform
Zeit und Kosten, die zum Herstellen des Gasturbinenläufers erforderlich
sind, insgesamt in hohem Maße
reduziert.
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(3) Dritte Ausführungsform
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 5 eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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5 ist eine schematische
Schnittansicht der Laufräder 50 im
zusammengebauten Zustand. In 5 sind
zwei benachbarte Laufräder 50 durch
Angrenzen der oberen Flächen 53c (nicht
gezeigt) der ringförmigen
Vorsprünge 53 aneinander
zusammengefügt.
In diesem Zustand sind die radialen, halbkreisförmigen Nute (33 in 1) an beiden ringförmigen Vorsprüngen 53 aneinander
gefügt
und bilden kreisförmige
Drehmomentzapfenlöcher 35 aus.
In 5 sind die Oberflächen der
inneren Seitenwände (53a in 1) der ringförmigen Vorsprünge 53 als kreisförmige Oberflächen ausgebildet,
deren Mitte auf der Mittelachse der Laufräder 50 liegt.
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Obwohl
die inneren Seitenwände
von beiden benachbarten Laufrädern
kugelförmige
Oberflächen aufweisen,
ist jedoch in dieser Ausführungsform
der Radius R1 der kugelförmigen
Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a1 eines der benachbarten Laufräder kleiner
als der Radius R2 der kugelförmigen
Fläche der
inneren Seitenwand 53a2 des anderen der benachbarten Laufräder. Die
Oberfläche
der Flanschfläche 401a des
Drehmomentzapfens 40 ist als kugelförmige Oberfläche mit
einem Radius R1 ausgebildet, der gleich dem kleineren Radius R1
der inneren Seitenwand 53a1 ist. Daher berührt die
Flanschfläche 401a des
Drehmomentzapfens 40, wie in 5 gezeigt,
nur die innere Seitenwand 53a1 mit einem Radius R1, wenn
die Laufräder
zusammengebaut sind. Anders gesagt ist die Zentrifugalkraft, die beim
Betrieb der Gasturbine auf den Drehmomentzapfen 40 ausgeübt wird,
nur durch die Berührung zwischen
der Flanschfläche 401a und
der inneren Seitenwand 53a1 aufgenommen.
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Wie
oben erläutert
treten, da die Zentrifugalkraft, die auf den Drehmomentzapfen 40 ausgeübt wird, verhältnismäßig gering
ist, praktisch keine Probleme auf, auch wenn die Flanschfläche 401a des Flanschs 40 nur
eine der inneren Seitenwände (53a1)
berührt,
solange die Flanschfläche 401a die innere
Seitenwand 53a1 einheitlich berührt.
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In
dieser Ausführungsform
ist daher der Radius der inneren Seitenwand eines der benachbarten Laufräder absichtlich
auf einen Wert eingestellt, der kleiner als der Radius der inneren
Seitenwand des anderen der benachbarten Laufräder ist, so daß nur eine
der inneren Seitenwände
die Flanschfläche 401a berührt, wenn
die benachbarten Laufräder
zusammengebaut sind. Wenn die inneren Seitenwände der Laufräder ohne
Zusammenbauen der benachbarten Laufräder maschinell bearbeitet sind,
ist eine verhältnismäßig hohe
maschinelle Bearbeitungspräzision
erforderlich, wenn die Oberflächen
der inneren Seitenwände
der Laufräder,
die einander benachbart sind, fortlaufend zusammengefügt sein
müssen
(d. h. ohne Ausbilden einer Stufe an der Fuge von zwei Oberflächen). Daher
kann in dieser Ausführungsform durch
absichtliches Ausbilden einer Stufe an der Fuge von inneren Seitenwänden der
benachbarten Laufräder
die Präzision
der maschinellen Bearbeitung der inneren Seitenwände auf ein bestimmtes Ausmaß herabgesetzt
sein, während
der einheitliche Kontakt zwischen der Flanschfläche 401a und einer der
inneren Seitenwände
beibehalten bleibt. Daher sind gemäß dieser Ausführungsform
Zeit und Kosten, die zum Herstellen der Gasturbine erforderlich sind,
weiterhin reduzierbar.
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Obwohl
die vorliegende Ausführungsform unter
Bezugnahme auf das Beispiel, in dem die Oberflächen der inneren Seitenwände 53a als
kreisförmige
Oberflächen
ausgebildet sind, erläutert
wurde, kann die Oberfläche
der inneren Seitenwände 53a als
zylindrische Oberflächen
ausgebildet sein. In diesem Fall kann, wenn der Radius der Oberfläche der inneren
Seitenwand von einem der benachbarten Laufräder auf einen kleineren Wert
als die innere Seitenwand des anderen der benachbarten Laufräder eingestellt
ist, dieselbe vorteilhafte Wirkung erzielt sein.
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(4) Vierte Ausführungsform
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6 ist eine Teilschnittansicht,
die 5 gleicht und eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In
dieser Ausführungsform
ist die Oberfläche der
inneren Seitenwände 53a der
ringförmigen
Vorsprünge 53 der
Laufräder 50 als
zylindrische Oberflächen
ausgebildet, die mit den Laufrädern
konzentrisch sind. Ferner ist, ähnlich
der dritten Ausführungsform,
der Radius R1 der inneren Seitenwand 53a1 von einem der
benachbarten Laufräder
kleiner als der Radius R2 der inneren Seitenwand 53a2 des
anderen der benachbarten Laufräder.
Deshalb berührt die
Flanschfläche 401a des
Drehmomentzapfens 40 auch in dieser Ausführungsform
nur die innere Seitenwand 53a1 mit dem kleineren Radius
R1.
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Die
Oberfläche
der Flanschfläche 401a des Drehmomentzapfens 40 ist
in dieser Ausführungsform
jedoch als flache Ebene ausgebildet. Daher ist eine Plansenkung 54 (eine
flache Oberfläche)
an der Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a1 ausgebildet, um einheitlichen
Kontakt zwischen der Flanschfläche 401a in
der inneren Seitenwand 53a1 zu erzielen. Die Plansenkung 54 ist
jedoch nur an der Oberfläche
der inneren Seitenwand 53a1 mit einem kleineren Radius
R1 ausgebildet. Ferner ist die Tiefe der Plansenkung 54 so
festgelegt, daß die
Flanschfläche 401a die
innere Seitenwand 53a2 mit einem größeren Radius R2 nicht berührt, wenn
die Flanschfläche 401a die
untere Ebene der Plansenkung 54 berührt. In dieser Ausführungsform
kann ein Drehmomentzapfen 40 mit einer flachen Flanschfläche 401a durch Ausbilden
einer Plansenkung 54 an der inneren Seitenwand 53a1 genutzt
werden, die die Flanschfläche 401a berührt. Daher
kann gemäß dieser
Ausführungsform
ein einheitlicher Kontakt zwischen der Flanschfläche 401a und der inneren
Seitenwand 53a1 erzielt werden, obwohl ein Drehmomentzapfen 40 mit
einer flachen Flanschfläche 401a benutzt
wird.
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Es
ist richtig, daß die
maschinelle Bearbeitung der inneren Seitenwand 53a1 zum
Ausbilden von Plansenkungen 54 in dieser Ausführungsform
erforderlich ist. Die maschinelle Herstellung der Plansenkungen
ist jedoch nur für
eine der inneren Seitenwände,
die einander benachbart sind, erforderlich, und die maschinelle
Herstellung kann ausgeführt werden,
ohne die benachbarten Laufräder
zusammenzubauen. Da die Anzahl der maschinell herzustellenden Plansenkungen
die Hälfte
von denen des herkömmlichen
Laufrads in 8 beträgt, sind
ferner Zeit und Kosten für
die maschinelle Herstellung der Plansenkungen in hohem Maße reduziert,
obwohl die Schneidegeschwindigkeit des Bits herabgesetzt sein muß, wenn
die Plansenkungen maschinell hergestellt werden, ohne die benachbarten
Laufräder
zusammenzubauen. Daher sind Zeit und Kosten für die Herstellung des Gasturbinenläufers in
hohem Maße reduzierbar.