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Die
Erfindung betrifft beschaufelte Rotoranordnungen, insbesondere beschaufelte
Rotoranordnungen für
Gasturbinenmaschinen.
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Beschaufelte
Rotoranordnungen sind in der Technik bekannt, beispielsweise für Verdichter
und Turbinen von Gasturbinenmaschinen. Bei solchen Anordnungen ist
jede Laufschaufel häufig
an der Rotorscheibe mittels einer Wurzel angebracht, die integral
mit dem radial innersten Ende der Laufschaufel ist. Die Wurzel passt
eng in einen korrespondierenden Laufschaufelwurzelschlitz, der generell
axial durch den Scheibenrand geht, aber mit einem Winkel zur wahren
Richtung der Scheibenachse. Das Scheibenmaterial, welches umfangsmäßig zwischen
einem Paar benachbarter Schlitze ist, wird häufig als Scheibenlasche (disk
lug) bezeichnet. Die Laufschaufelwurzel weist radial nach außen gerichtete Reaktionsoberflächen auf,
die mit korrespondierenden radial nach innen gerichteten Reaktionsoberflächen eines
Laufschaufelwurzelschlitzes zusammen wirken. Während des Betriebs des Rotors
werden die Laufschaufellasten in die Scheibe und die Scheibenlaschen
durch diese zusammengebrachten Oberflächen übertragen. Typischerweise geht
eine Laufschaufelwurzel von der Vorderseite zu der Rückseite der
Scheibe; und die zusammengebrachten Lastreaktionsoberflächen gehen
auch von der Vorderseite zu der Rückseite der Scheibe (d.h. über die
gesamte Länge
des Schlitzes). Das trifft für
beschaufelte Scheiben mit konventionell ausgelegten, schwalbenschwanzförmigen Wurzeln
und Schlitzen sowie tannenbaumförmigen
Wurzeln und Schlitzen zu.
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Es
ist generell erwünscht,
Spannungen in der Scheibe und in den Laufschaufeln so niedrig wie möglich zu
halten, um die Teilelebensdauer zu verlängern. In Gasturbinentriebwerken,
die für
den Flug ausgelegt sind, ist es auch erwünscht, das Gewicht der Teile,
beispielsweise Scheiben und Laufschaufeln, zu minimieren, was mit
effizientem Betrieb, langer Lebensdauer und Sicherheit konsistent
ist. Leichtere Laufschaufeln erzeugen auch geringere Zentrifugalkräfte und
können
so Spannungen in der Scheibe verringern.
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DE-A-197
05 323 beschreibt eine Rotorscheibenanordnung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine beschaufelte Rotorscheibenanordnung gemäß Anspruch
1 bereitgestellt. Die beschriebene Anordnung weist eine Mehrzahl
von umfangsmäßig beabstandeten
Laufschaufelwurzelschlitzen auf, die durch die Scheibe mit einem
Winkel zu der Axialrichtung der Scheibe gehen und radial nach innen
gerichtete Lastreaktionsoberflächen
aufweisen, die sich kontinuierlich über weniger als die gesamte
Länge des
Schlitzes in Kontakt mit einer korrespondierenden radial nach außen gerichteten
Lastreaktionsoberfläche
einer in dem Schlitz angeordneten Laufschaufelwurzel erstrecken.
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Mit „Lastreaktionsoberfläche" sind die Oberflächen der
Laufschaufelwurzel und des Laufschaufelschlitzes gemeint, die während des
Betriebs des Motors einander berühren
oder zusammengebracht sind, um die Lasten von der Laufschaufel in
die Scheibe zu übertragen.
In Kontakt miteinander bilden diese Oberflächen eine „Lastübertragungszwischenfläche".
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Insbesondere
eliminiert die vorliegende Erfindung die Bereiche der Lastübertragungszwischenfläche, die
beim Stand der Technik den Enden des Laufschaufelwurzelschlitzes
benachbart sind, so dass die Lasten über die verbleibende Lastübertragungszwischenfläche zu einem
oder mehreren der folgenden führen:
eine symmetrischere Lastverteilung, was zu verringerten Drehmomentlasten
auf die Scheibenlaschen führt;
eine verringerte Gesamtlast an den Scheibenlaschen und Laufschaufelwurzeln; und
verringerte maximale Spannungsniveaus in den Scheibenlaschen und
Laufschaufelwurzeln.
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Ein
Grund, warum diese Vorteile auftreten können, ist, dass bei konventionellen
Wurzel- und Schlitzkontruktionen die höchsten und konzentriertesten
Reaktionslasten auf der Seite des Schlitzes einem Ende des Schlitzes
benachbart auftreten, wenn sich die Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberfläche entlang
einer Seite einer Laufschaufelwurzel über die gesamte Länge des
Schlitzes erstreckt, während
relativ niedrigere und weniger konzentrierte (d.h. gleichförmigere)
Reaktionslasten an der gleichen Seite des Schlitzes dem anderen
Ende des Schlitzes benachbart auftreten. Deshalb trägt das Scheibenlaschenmaterial
einen relativ kleinen Teil der Laufschaufellast pro Quadratinch
der Lasttransferoberfläche
an dem niedrigen, gleichförmigeren
Reaktionslastende des Schlitzes, während das Scheibenlaschenmaterial
an dem Ende mit hoher Reaktionslast einen viel größeren Teil
der Laufschaufellast pro Quadratinch der Lasttransferzwischenfläche trägt. Durch
das Eliminieren des Lasttransfer-Zwischenflächenbereichs an dem Ende niedriger
Last einer jeden Seite eines Schlitzes werden die Reaktionslasten über die
verbleibende Lasttransferzwischenfläche an jeder Seite des Schlitzes
ausgeglichener und führt
zu einer niedrigeren maximalen Belastung.
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In
der beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind Endbereiche der konventionellen
Laufschaufelwurzel, die normalerweise relativ niedrige Lasten in
die Scheibenlaschen übertragen,
entfernt, was den Vorteil von verringertem Laufschaufelgewicht zusätzlich zu
ausgeglicheneren Reaktionslasten über die verbleibende Länge einer kleineren
Lasttransferzwischenfläche
an jeder Seite der Laufschaufelwurzel schafft. Die Gesamtreaktionslasten,
Belastungen und/oder Drehmomente an den Scheibenlaschen können so
verringert sein. Verringerte Drehmomentlasten bedeutet weniger Verdrehen
der Laufschaufellaschen bei einem korrespondierend geringeren Verdrehen
der Laufschaufeln.
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Die
vorangegangenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Lichte der folgenden detaillierten beispielhafter Ausführungsformen
davon, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, deutlicher.
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1 ist
eine isometrische Rückansicht
eines Teils einer Rotoranordnung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei etwas von den Laufschaufeln entfernt
ist, um die Laufschaufelwurzelschlitze durch den Rand der Rotorscheibe
besser zu zeigen.
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2 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 von 1 durch
eine der Rotorscheibenlaschen genommen ist, wobei die Rotorscheibenachse in
der Zeichnungsebene ist.
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3 ist
eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie 3-3 von 2 genommen
ist und die Unterschiede bei den Reaktionslasten entlang der Länge des
Schlitzes zwischen einer Scheibenanordnung des Stands der Technik
und einer Scheibenanordnung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
eine Ansicht in der Richtung D von 3 parallel
zu der Laufschaufelwurzelschlitzlänge.
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5 und 6 sind
schematische Ansichten in den Richtungen 5-5 bzw. 6-6 von 4,
die für die
Ausführungsform
der 1 die Scheiben/Laufschaufel-Lastübertragzwischenflächen entlang
gegenüber
liegender Seiten eines Laufschaufelwurzelschlitzes zeigen.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die in der Richtung 7-7 von 2 genommen
ist und für
die Ausführungsform
der 1 die Querschnittsgestalt der Laufschaufelwurzel
und deren generelle Orientierung relativ zu der vorderen und der
hinteren Scheibenoberfläche
der Laufschaufelplattform zeigt.
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Es
wird auf die 1 und 2 Bezug
genommen. Eine Gasturbinenmaschinen-Rotoranordnung 100, die eine
beispielhafte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beinhaltet, weist eine Rotorscheibe 102 und
eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 104, von denen lediglich
eine gezeigt ist, auf. Jede Laufschaufel weist eine Wurzel 106,
eine Plattform 108 und ein Strömungsprofil 110 auf.
Die Scheibe 102 hat eine Rotationsachse 111, eine
Rückseite 112,
eine Vorderseite 114 und einen Rand 116. Eine
Mehrzahl von Laufschaufelwurzelschlitzen 118 geht durch
den Rand von der Rückseite
zu der Vorderseite in einer Richtung D (3). Jedes
Paar benachbarter Schlitze definiert eine Scheibenlasche 120 dazwischen.
Wurzel 106 einer jeden Laufschaufel ist in einem Entsprechenden
der Schlitze angeordnet.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen. Jeder Schlitz
verläuft
in der Richtung D mit einem spitzen Winkel θ zu der Richtung der Scheibenachse 111. Generell
ist dieser Winkel zwischen etwa 10° und 30°. In diesem Beispiel beträgt θ 24° und, wie
am besten in 4 gezeigt, haben die Laufschaufelwurzeln 106 die
bekannte „Schwalbenschwanz"-Form, obwohl die
Erfindung nicht auf die Verwendung mit Laufschaufeln mit Schwalbenschwanzwurzeln
beschränkt
ist. Die Wurzel einer jeden Laufschaufel hat ein Paar von flachen,
radial nach außen
gerichteten Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B,
wobei sich eine entlang jeder Seite der Wurzel erstreckt. Die Oberflächen 122A, 122B grenzen
an korrespondierende flache, radial nach innen gerichtete Schlitzlastreaktionsoberflächen 124A bzw. 124B an.
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Die
von jedem dieser Paare von einander berührenden Oberflächen gebildeten
Zwischenflächen werden
nachfolgend als Lasttransferzwischenflächen bezeichnet, da während des
Betriebs des Rotors die Laufschaufellasten in die Scheibenlaschen über diese
Zwischenflächen übertragen
werden.
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Im
Stand der Technik haben die Laufschaufelwurzeln und die Scheibenschlitze
sowie die Lasttransferzwischenflächen
die gleiche Länge,
bei der es sich generell um die gesamte Länge L (3) des Schlitzes,
gemessen in der Richtung D des Schlitzes, handelt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist mindestens eine der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B,
und vorzugsweise beide, kürzer
als die Schlitzlänge.
Das sieht man am besten in 3, in der
die Laufschaufelwurzel 106, obwohl sie vollständig in
dem Schlitz 118 ist, entgegengesetzt gerichtete Endoberflächen 126, 128 hat,
die rechtwinklig zu der Schlitzrichtung D sind. Somit haben, wie
man am besten in den 5 und 6 erkennt,
die gestrichelten Lasttransferzwischenflächen 130A, 130B jeweilige
Längen
M und N, welche mit den entsprechenden Längen der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B korrespondieren. 7 liefert
eine Ansicht mit Blick radial nach außen der Laufschaufel 104,
welche die Orientierung und Position der Laufschaufelwurzel 106 relativ
zu der Laufschaufelplattform 108 und der Vorderseite und
der Rückseite 114 bzw. 112 der
Scheibe zeigt.
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Es
wird auch auf die 3, 5 und 6 für ein Verständnis bestimmter
Vorteile der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der
Technik, Bezug genommen. In der vorliegenden Erfindung berühren die
Wurzellastreaktionsoberflächen 122A, 122B die
Schlitzlastreaktionsoberflächen 124A, 124B zwischen
den Punkten Y und Z1 bzw. W und X1. Für
die Zwecke der Beschreibung sei angenommen, dass die Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen und
die Schlitzlastreaktionsoberflächen
sich über
die gesamte Länge
des Schlitzes erstrecken, beispielsweise über die radiale Erstreckung
(d.h. von R1 bis R2 in 4)
der Wurzellastreaktionsoberflächen
der Wurzelendoberflächen 126, 128,
im Wesentlichen in den Ebenen der Rückseite bzw. der Vorderseite 112, 114 der
Scheibe sind, wie das generell bei den Rotoranordnungen des Stands
der Technik der Fall ist (d.h. der Winkel α ist 0° und nicht gleich θ, wie in 3 gezeigt).
In einem solchen Fall werden die Laufschaufellasten in die Scheibenlaschen über die
gesamte Länge
L des Schlitzes von X2 bis W an einer Seite
des Schlitzes und von Z2 bis Y an der anderen
Seite übertragen.
Die Größe der Reaktionslasten
für eine
derar tige Konfiguration des Stands der Technik entlang der Länge L der
entsprechenden Laufschaufelwurzelschlitz-Reaktionsoberflächen ist durch
die Kurven 132, 134 repräsentiert, die durch ein Computermodell
einer derartigen Konfiguration erzeugt wurden. Die Kurven 136, 138 von 3 sind von
einem Computermodell der gleichen Rotoranordnung erzeugt, die gemäß der vorliegenden
Erfindung modifiziert ist (d.h. generell wie in 1 gezeigt),
und repräsentieren
die Größe der Reaktionslasten
entlang den gesamten Längen
M (von X1 bis W) und N (von Z1 bis
Y) der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberfläche 122A bzw. 122B.
Der rechtwinklige Abstand von den Kurven 132, 136 zu
der Linie X2-W und der rechtwinklige Abstand
von den Kurven 134, 138 zu der Linie Z2-Y repräsentieren
die Größe der Reaktionslast.
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Man
vergleiche die Kurven 132, 134 des „Stands
der Technik" mit
den Kurven 136, 138 für die vorliegende Erfindung.
Man beachte, dass bei der Konfiguration der Wurzelanordnung des
Stands der Technik die Größe der Last
entlang der Länge
einer jeden Seite des Schlitzes an einem Ende des Schlitzes hoch
ist und auf einen relativ niedrigen Wert an dem anderen Ende ausläuft. Andererseits
zeigen die Kurven, dass bei der Konfiguration der Rotoranordnung
der vorliegenden Erfindungen die Lasten über die Laufschaufelwurzellänge ausgeglichener
sind, wobei hohe Lasten in der Nähe
eines jeden Laufschaufelwurzelendes und relativ niedrige Lasten
zwischen den Enden auftreten. Zusätzlich ist die maximale Reaktionslast
an jeder Seite des Schlitzes bei der Rotoranordnung der vorliegenden
Erfindung niedriger. Die Computersimulation zeigt auch, dass die
maximale Spannungskonzentration in den Scheibenlaschen für die Rotoranordnung
der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, niedriger
ist.
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In
der vorangegangenen Ausführungsform sind
die Vorteile hauptsächlich
das Ergebnis des Verringerns des Gewichtes der Laufschaufel durch
das Verringern der Länge
der Laufschaufelwurzel. Das verringert die Gesamtlast an den Scheibenlaschen und
korrespondierende Spannungsniveaus und, indem man eine ausgeglichenere
Last über
die Länge der
Wurzel hat, sind die Spannungskonzentrationen noch weiter verringert.
Auf den ersten Blick mag es erscheinen, dass die verringerten Flächen der
Reaktionslastoberflächen
diese Vorteile zunichte machen. Doch ist der Verlust an Lastreaktionsoberflächen-Fläche nicht
besonders nachteilig, weil die eliminierten Bereiche der Reaktionsoberflächen des
Stands der Technik in der Nähe
der Enden der Schlitze (die nicht gestrichelten Bereiche der 5 und 6)
lediglich einen relativ kleinen Teil der Gesamtlast pro Einheitsoberflächen-Fläche, verglichen
mit der durchschnittlichen Last pro Einheitsoberflächen-Fläche, über die gesamte
Länge des
Schlitzes getragen haben.
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Obwohl
bei der vorangegangenen Ausführungsform
die Laufschaufelwurzelendoberflächen 126, 128 rechtwinklig
zu den Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B sind,
ist das keine Voraussetzung. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Laufschaufelwurzelendoberflächen parallel zueinander
sind, um die Symmetrie beizubehalten. Somit kann eine Parallelogramm-Querschnittsform (in
der Ansicht der 3) bei der Laufschaufelwurzel mit
irgendeiner Länge,
die kleiner ist als die Schlitzlänge
L (in der Richtung D) einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liefern,
indem das Laufschaufelgewicht verringert ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen
0° und θ. Obwohl
die Laufschaufelwurzelendoberflächen 126, 128 vorzugsweise
parallel sind, müssen
sie das nicht sein, und entsprechend muss M nicht gleich N sein,
wenngleich mindestens eines von diesen kleiner als L sein muss.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
war der „entfernte" Bereich der Lasttransferzwischenfläche des
Stands der Technik vorher dort positioniert, wo die Reaktionslasten
des Stands der Technik relativ niedrig waren. Außerdem sind die Lasten, die
entlang der Länge
der Lasttransferzwischenfläche übertragen
werden, ausgeglichener als die des Stands der Technik, was zu niedrigeren
Maximalbelastungen in den Laschen führt. Die Ausführungsform
von 1 hat den zusätzlichen
Vorteil eines verringerten Laufschaufelgewichts und korrespondierend
niedrigere Gesamtlaufschaufellasten, die in die Laschen übertragen
werden müssen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsformen
davon beschrieben und gezeigt wurde, sollten Fachleute verstehen, dass
die vorangegangenen und verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und
Hinzufügungen vorgenommen
werden können,
ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert
ist, abzuweichen.