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Diese
Erfindung betrifft Laufschaufeln für Rotoren in einer Gasturbinenmaschine
und insbesondere die Tannenbaumanordnung (englisch: firtree configuration)
der Laufschaufel, die an der Scheibe des Rotors in dem in dem Rand
der Scheibe ausgebildeten durch Räumen erzeugten Schlitz befestigt
ist.
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Wie
in der Gasturbinenmaschinentechnologie wohl bekannt ist, hat der
Fortschritt bei Hochleistungsflugzeugen der Turbine und den Kompressorrotoren
stärkere
Belastungen auferlegt. Es obliegt somit dem Design der Komponententeile
dieser Rotoren, dass die Spannungen nicht die strukturelle Unversehrtheit
des Rotors und der Rotorkomponenten beeinträchtigen. Eines der Probleme,
dass bei den Tannenbaumbefestigungen für Laufschaufeln nachgewiesen
wurde, ist, dass die Befestigungen ebene Oberflächen an den Anlageoberflächen an
der Berührungsfläche der
Laufschaufel und ihres durch Räumen
erzeugten Schlitzes in der Scheibe des Rotors haben. Da die Oberfläche eben
ist, ist der Winkel an der Anlageoberfläche derselbe Nominalwinkel über die
Anlageoberfläche
hin, wenn die Berührungsfläche versucht,
vollständigen
Kontakt herzustellen, bei allen Belastungsniveaus an dem Rotor.
Die Konsequenz beim Ausüben
einer starken Kraft auf diese ebene Oberfläche ist, dass dies hohe Anlage-
und Scherspannungen an den Kanten der Anlageoberfläche erzeugt.
Diese hohen Kantenbelastungen steigern die konzentrierte Spannung
in den Ausrundungen, die entweder an der Laufschaufel oder an der Scheibe
benachbart der Anlageoberfläche
sind, was die Langlebigkeit dieser Komponenten nachteilig beeinflussen
kann.
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Zusätzlich zu
diesen in dem direkt vorausgehenden Absatz genannten Problemen können, weil jede
Auflageoberfläche
ihre eigene Toleranz hat, Spannungen an einem Rand der Anlagefläche viel höher oder
viel geringer sein als am anderen Rand, was mehr Streuung bewirkt
und wiederum Lebensdauerbegrenzend ist. Um diese Anomalien auszugleichen,
muss der Designer der Befestigung die Hardware derart auslegen,
dass die zulässige
Spannung verringert ist, um die maximale Designlebensdauer zu erreichen.
Um die zulässige
Spannung zu erhalten und die zulässigen
Spannungen des Designs zu reduzieren, wird offensichtlich das Gewicht der
Befestigung erhöht.
Wie mit der Technik vertraute Fachleute erkennen, beeinflusst das
Gewicht der Komponenten der Maschine das Gewicht-zu-Schub-Verhältnis nachteilig
mit einem dementsprechenden Verlust bei der Maschinenleistung.
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Wir
haben herausgefunden, dass wir dieses Problem vermeiden können und
die Befestigungslebensdauer des Laufschaufeltannenbaums und/oder des
durch Räumen
erzeugten Schlitzes der Scheibe erhöhen können. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung
werden ausgewählte
Anlageoberflächen
an kritischen Stellen vernünftig
designt mit einer diskret-konvexen oder "ausgewölbten" (crowned) Anlageoberfläche.
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US-A-5
110 262 offenbart eine Gasturbinentannenbaumwurzel mit einer ausgewölbten Tannenbaumoberfläche gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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In
einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Laufschaufelbefestigung
vor, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist. In einem zweiten Aspekt
sieht die vorliegende Erfindung auch eine Laufschaufelbefestigung
vor, wie sie in Anspruch 2 beansprucht ist. In noch einem weiteren
Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren von
Spannungen vor, wie es in Anspruch 6 beansprucht ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun, lediglich beispielhaft, unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
Teilansicht in Perspektive ist, die einen herkömmlichen Turbinenrotor mit
einem Laufschaufeltannenbaum und einem komplementären durch
Räumen
erzeugten Schlitz im Rand der Scheibe veranschaulicht.
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2 eine
fragmentarische Ansicht im Aufriss ist, die den durch Räumen erzeugten
Schlitz in der Scheibe und die Tannenbaumwurzelanordnung der Laufschaufel
und die Befestigung derselben veranschaulicht;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
der Anlageoberflächen
unter dem Kreis A aus 2 ist, die die Einzelheiten
der Erfindung veranschaulicht;
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4 ein
Graph von Kompressionskräften gegen
einen normierten Abstand von der Anlageoberfläche ist, der den Vergleich
zwischen der zuvor bekannten Befestigung und der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht; und
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5 eine
vergrößerte Ansicht
der Anlageoberflächen
unter dem Kreis B aus 2 ist, die die Einzelheiten
der Erfindung veranschaulicht.
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Diese
Figuren dienen lediglich dazu, die vorliegende Erfindung weiter
zu verdeutlichen und zu veranschaulichen und sind nicht dazu gedacht,
deren Umfang zu beschränken.
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Obwohl
diese Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform der Befestigung
einer Tannenbaumlaufschaufel, die in dem durch Räumen erzeugten Schlitz des
Randes einer Scheibe eines Turbinenrotors, der für die Verwendung für eine ein
Flugzeug antreibende Gasturbinenmaschine angepasst ist, gezeigt
ist, soll verstanden werden und werden mit dieser Technik vertraute
Fachleute erkennen, dass diese Erfindung auch bei anderen Tannenbaumbefestigungen
Nutzen hat. Außerdem
soll, obwohl die bevorzugte Ausführungsform
eine der vielen Auflageflächen
veranschaulicht, die in einer der Tannenbaumbefestigungen der Laufschaufel
sind, verstanden werden, dass die Erfindung darauf abzielt, diese
Lehren auf alle Anlageoberflächen
oder ausgewählte
Anlageoberflächen
anzuwenden, um so die über
die Laufschaufel und die Scheibe des Rotors hin auftretende Spannungen
so maßzuschneidern,
dass das optimierte Gewicht und die optimierte Lebensdauer des Rotors
erreicht wird.
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Bezugnehmend
auf die Teilansicht des herkömmlichen
Turbinenrotors in 1 ist der Turbinenrotor im Allgemeinen
durch die Bezugsziffer 10 veranschaulicht mit einer Mehrzahl
von umfangsmäßig beabstandeten
Turbinenlaufschaufeln 12, die durch die im Allgemeinen
durch die Bezugsziffer 14 veranschaulichte Tannenbaumbefestigung
befestigt sind. Die Befestigung weist die Tannenbaumanordnung 16 an
der Wurzel der Laufschaufel 12 und dem durch Räumen erzeugten
Schlitz 16 in dem Rand 18 der Turbinenscheibe 20 auf.
Obwohl diese herkömmliche Laufschaufel
ein Schaufelspitzenversteifungsband 22 aufweist, ist diese
Erfindung auch anwendbar auf Turbinenrotoren, die kein Schaufelversteifungsband aufweisen
oder ein Teilspannenschaufelversteifungsband aufweisen können.
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Als
Nächstes
wird Bezug genommen auf die 2 und 3,
die die Einzelheiten dieser Erfindung veranschaulichen. Wie in 2 angemerkt, veranschaulicht
die vergrößerte Ansicht
der Tannenbaumbefestigung 14 die Anlageoberflächen 26 der Tannenbaumbefestigung.
Die horizontalen gestrichelten Linien B sind der Laufschaufel überlagert,
um die "Z"-Ebene anzugeben,
die, wie ein mit dieser Technik vertrauter Fachmann weiß, die Ebene
ist, die als eine Basislinie verwendet wird, um die Abmessungen
der Laufschaufel festzulegen. Die vertikalen gestrichelten Linien
C sind überlagert,
um die Orientierungslinie für
das Zentrum der Anlageoberflächen zu
veranschaulichen. Da alle Anlageoberflächen derart ausgebildet werden
können,
dass sie die Lehren dieser Erfindung aufweisen, ist nur eine Anlageoberfläche ausgewählt, um
die Einzelheiten dieser Erfindung zu beschreiben, und diese Anlageoberfläche ist diejenige
unter dem gestrichelten Kreis A. Wie am besten in 2 gesehen
werden kann, ist das Zentrum 28 der Anlageoberfläche 26 an
dem Punkt, wo die vertikale gestrichelte Linie C und die horizontale gestrichelte
Linie B sich unter dem gestrichelten Kreis A schneiden. Wie in den
obigen Absätzen
angemerkt wurde, hat die zuvor bekannte Tannenbaumbefestigung eine
hohe Spannung bewirkt, und diese hohe Spannung war besonders wahrnehmbar an
den Kanten der Anlageoberfläche.
Diese zuvor bekannten Anlageoberflächen waren eben, d.h. die Fläche der
Anlageoberfläche
ist eben. In den 2 und 3 wurde
die Zahnanlageoberfläche 26 des innenseitigen
Durchmessers (ID) des Laufschaufeltannenbaums, die unter der gestrichelten
Linie A dargestellt ist, in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung durch Konturieren der Oberfläche derart,
dass sie geringfügig "ausgewölbt" (crowned) mit einem
vorbestimmten Radius R ist, modifiziert. Offensichtlich wird der
Kontakt an der Berührungsfläche der
Anlageoberfläche
anfänglich
am Zentrum 30 gebildet (wie in 3 zu sehen,
der Linienkontakt ist in die Zeichenebene hinein und aus ihr heraus).
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ansteigt und der Tannenbaum
und der Zapfen sich unter der durch die Rotation und den Kontakt
mit dem Arbeitsmedium der Maschine ausgeübten Kraft deformiert, weitet
sich die Kontaktfläche
auf die Fläche
auf, die durch die mit 32 bezeichnete Abmessung zwischen
benachbarten Ausrundungen des Laufschaufeltannenbaums dargestellt
ist. Die Auswahl des Radius R wird bestimmt durch wohl bekannte
Analyse, so dass die Anlagefläche über die
gewünschte
Breite hin, die durch den Abstand der Linie 32 angegeben
ist, ausgebreitet wird, wenn der Rotor die maximale Belastung erfährt.
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In Übereinstimmung
mit dieser Erfindung kann die Breite der Anlageoberfläche 26 aufgrund des
Spalts 36, der durch die Auswölbung der Anlageoberfläche verursacht
ist, über
die herkömmliche
Befestigung hinaus vergrößert werden.
Dies tritt in dem Nicht-Belastungs-Zustand auf. Um die Breite der
Anlageoberfläche
zu vergrößern, wird
der anfängliche Kontaktpunkt 30 um
eine durch die Linie 38 angegebene Distanz von dem nominellen
Zentrum 40, das ansonsten in der herkömmlichen ebenen Auflagefläche auftreten
würde,
versetzt. Die geringfügige
Versetzung des anfänglichen
Kontaktpunkts 30 erhöht die
Anlagefläche,
um im Wesentlichen das Zweifache der Distanz, die durch die Linie 38 angegeben
ist. Die Folge aus dieser Änderung
führt zu
einer kleineren Befestigung für
dieselbe Belastungshaltefähigkeit, was
sich in dem Gewicht des Rotors und der gesamten Verbesserung der
Leistung der Maschine widerspiegelt.
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Ähnlich der
Auswölbung
der Zahnanlageoberfläche 26 des
Laufschaufeltannenbaums, wie in den 2 und 3 dargestellt,
wird die Anlageoberfläche 42 der
Wand, die den durch Räumen
erzeugten Schlitz 16 definiert, dargestellt unter der gestrichelten
Linie B, in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung durch Konturieren der Oberfläche derart, dass
sie geringfügig "ausgewölbt" bei einem vorbestimmten
Radius R ist, modifiziert. Offensichtlich wird der Kontakt an der
Berührungsfläche der
Anlageoberfläche
anfänglich
an dem Zentrum 44 gebildet (wie in 5 zu sehen,
der Linienkontakt ist in die Zeichenebene hinein und aus ihr heraus).
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors steigt und sich der
Tannenbaum und der durch Räumen
erzeugte Schlitz unter der durch die Rotation und den Kontakt mit
dem Arbeitsmedium der Maschine ausgeübten Kraft deformiert, weitet
sich die Kontaktfläche
auf die Fläche
aus, die durch die mit 46 bezeichnete Abmessung zwischen
den benachbarten Anwendungsradien des Laufschaufeltannenbaums dargestellt
ist. Die Auswahl des Radius R wird durch wohl bekannte Analyse bestimmt,
so dass die Anlagefläche
sich über
die gewünschte
Breite ausbreitet, die durch die Distanz der Linie 46 angegeben
ist, wenn der Rotor die maximale Kraft erfährt.
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In Übereinstimmung
mit dieser Erfindung, und ähnlich
der in 3 dargestellten Ausführungsform, kann die Breite
der Anlageoberfläche 48 aufgrund
des Spalts 50, der durch die Auswölbung der Anlageoberfläche verursacht
ist, über
die der herkömmlichen
Befestigung hinaus vergrößert werden. Dies
tritt in dem Nicht-Belastungs-Zustand auf. Um die Breite der Anlageoberfläche zu vergrößern, wird der
anfängliche
Kontaktpunkt 58 um eine vorbestimmte Distanz, die durch
die durch Linie 38 gezeigte Abmessung angedeutet ist, von
dem nominellen Zentrum 44, das ansonsten bei der herkömmlichen, ebenen
Anlageoberfläche
auftreten würde,
versetzt. Die geringfügige
Versetzung des anfänglichen
Kontaktpunkts 44 vergrößert die
Auflagefläche
um im Wesentlichen das Doppelte der durch die Linie 52 angegebenen
Distanz.
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Obwohl
diese Erfindung die Auswölbung durch
Auswählen
eines gegebenen Radius R für
die Anlageoberfläche
beschreibt, kann durch Vorsehen einer Reihe von ebenen Oberflächen entlang
der Breite der Anlage, um die durch den Radius R erhaltene Krümmung anzunähern, derselbe
Effekt erreicht werden, und es wird als innerhalb des Umfangs dieser
Erfindung liegend angesehen, oder er kann durch die Kombination
von ebenen Segmenten und Radien erreicht werden.
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4 ist
ein Graph, der einen Vergleich der vorliegenden Erfindung mit zuvor
bekannten Tannenbaumbefestigungen veranschaulicht. Der Graph ist eine
Auftragung von Kompressionskraft in pounds und der normierten Distanz,
und die Kurve E gibt die herkömmlichen
ebenen Anlageoberflächen
wieder, und die Kurve G gibt die ausgewölbten Anlageoberflächen wieder,
und jede Kurve zeigt die Variation der Kontaktdruckverteilung entlang
der Distanz 32 aus 3. Durch
Betrachtung der Kurven E und G ist ersichtlich, dass die Kompressionskräfte an den
Rändern
der Anlageoberfläche
als ein Ergebnis der Auswölbung
der Anlageoberfläche
stark reduziert ist und dass eine gleichmäßigere Kraftverteilung über die gesamte
Breite realisiert wird. Da eine elastische Verbiegung der Oberflächen beim
Ausbreiten der Anlagefläche
auftritt, wird eine Federrate eingeführt, die durch die letztendliche,
von der Oberfläche
getragene Kraft dividiert durch den Betrag der Auswölbung, angegeben
durch den Spalt 36 in 3, angenähert werden
kann.
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Durch
Auswölben
aller Zähne
des Tannenbaums minimiert diese Federrate die Kraftaufteilungsvariation
zwischen einzelnen Zähnen,
die durch die Toleranz zwischen einzelnen Anlageoberflächen bewirkt
wird. Weil die Kontaktkraft am Rand der Anlageoberfläche reduziert
ist, wird die konzentrierte Spannung in der benachbarten Ausrundungsoberfläche reduziert
mit einem daraus folgenden direkten Nutzen für die Langlebigkeit des Rotors.
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Einer
der Vorteile der Lehren dieser Erfindung ist, dass bei den herkömmlichen,
ebenen Auflageoberflächen
die Toleranzen einen anfänglichen Kontakt
an einer Seite der Anlageoberfläche
oder der anderen bewirken können,
mit einem sich ergebenden Spalt an dem entgegengesetzten Ende. Wenn der
anfängliche
Kontakt an dem Laufschaufelausrundungsende auftritt, wird die Laufschaufellebensdauer reduziert;
anfänglicher
Kontakt an dem Scheibenausrundungsende reduziert hingegen die Scheibenbefestigungslebensdauer.
Dies bewirkt mehr Streuung bei den Lebensdauerdaten. Es folgt daher,
dass ein erfahrungsbasiertes Lebensdauervorhersagesystem, basierend
auf dem ausgewölbten
Befestigungszahn dieser Erfindung, größere Designzulässigkeiten ermöglicht und
zu einem leichteren Tannenbaumdesign für dieselbe Lebensdauererwartung
führt.
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In Übereinstimmung
mit dieser Erfindung und innerhalb deren Umfang kann die Auswölbung sowohl
an dem in 3 gezeigten Laufschaufeltannenbaum,
der in 5 gezeigten Scheibenausräumung oder an beiden vorgesehen
sein. Der Designer ist in der Lage, einige oder alle der Anlageoberflächen auszuwählen und
sie mit einer Auswölbung
zu konturieren, um die Spannungen wie oben diskutiert zu minimieren
sowie das Kontaktzentrum zu versetzen, um die Abmessung der Anlageoberfläche zu vergrößern, um
so die Belastung über
eine weitere Fläche
zu verteilen und eine kleinere Befestigung zu erhalten und die Maschinenleistung
zu verbessern. Obwohl die bevorzugte Konfiguration in dieser Ausführungsform
offenbart ist, ist die Auswölbung
an der Laufschaufel aufgrund von Herstellungsbetrachtungen platziert.
Das Ausräumwerkzeug
ist teurer und anfälliger
für Abnutzung.
Der Laufschaufeltannenbaum wird hingegen überlicherweise mittels eines
Diamantrades geschliffen, wobei das Schleifrad mit der Form des
Tannenbaums geschliffen ist. Abnutzung an diesem Werkzeug, verglichen
mit dem Ausräumwerkzeug,
ist ein geringfügiges
Problem und wird normalerweise bestimmt durch Eigenschaften kleinerer
Radien an anderen Stellen.
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Aus
dem Obigen ist zu ersehen, dass diese Erfindung die Befestigung
der Laufschaufel der Scheibe eines Rotors in einer Tannenbaumbefestigung
verbessert.
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Ein
Merkmal dieser Erfindung ist, die Anlageoberfläche der Befestigung in einem
Laufschaufeltannenbaum und einer ausräumend geschlitzten Scheibe
zu konfigurieren, um Spannungen in der Befestigung zu reduzieren.
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Ein
weiteres Merkmal dieser Erfindung ist das Vorsehen einer Konturierung
entweder der Anlageoberfläche
des Scheibenschlitzes oder der Anlageoberfläche des Laufschaufeltannenbaums,
um die Lebensdauer des Rotors zu verbessern. Durch Konturieren entweder
der Scheibenausräumung und/oder
des Laufschaufeltannenbaums wird das Gewicht der Befestigung verringert,
und die Leistung der Maschine wird gesteigert.
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Ein
weiteres Merkmal dieser Erfindung ist die vernünftige Auswahl von Anlageoberflächen, die
entweder in der Scheibenausräumung
und/oder dem Laufschaufeltannenbaum konturiert sind, um die Gesamtlebensdauer
der Rotors zu begünstigen,
und das Verfahren, um selbige zu fertigen. Diese Erfindung ist besonders
wirksam für
einen Turbinenrotor in einer Gasturbinenmaschine, um ein Flugzeug
anzutreiben.
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Obwohl
diese Erfindung in Bezug auf deren detaillierte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, soll von den mit der Technik vertrauten Fachleuten
erkannt und verstanden werden, dass verschiedene Änderungen
in deren Form und deren Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.