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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Verbindung von Laufschaufeln
mit einer Rotorscheibe einer Gasturbine.
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Bekanntermaßen sind
Gasturbinen Maschinen, welche aus einem Verdichter und einer Turbine mit
einer oder mehreren Stufen bestehen, wobei diese Komponenten miteinander über eine
drehbare Welle verbunden sind, und wobei zwischen dem Verdichter
und der Turbine eine Brennkammer vorgesehen ist. Das von der Brennkammer
ausgegebene Gas, welches eine hohe Temperatur und einen hohen Druck
aufweist, erreicht durch entsprechende Rohre die unterschiedlichen
Stufen der Turbine, welche die Enthalpie des Gases in für einen
Nutzer verfügbare mechanische
Energie umwandelt.
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In
Turbinen mit zwei Stufen wird das Gas in der ersten Stufe der Turbine
unter Temperatur- und Druckbedingungen verarbeitet, welche sehr
hoch sind, und durchläuft
hier eine erste Ausdehnung. Dann durchläuft es in der zweiten Stufe
der Turbine eine zweite Ausdehnung unter Temperatur- und Druckbedingungen,
welche niedriger als die in der vorhergehenden Stufe angewendeten
sind.
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Es
ist auch bekannt, dass es zum Erzielen der maximalen Leistung aus
einer spezifischen Gasturbine erforderlich ist, dass die Temperatur
des Gases so hoch wie möglich
ist. Jedoch sind die maximalen Temperaturwerte, welche bei einem
Einsatz der Turbine erreicht werden können, durch die Widerstandsfähigkeit
der derzeit verwendeten Materialien begrenzt.
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Es
ist auch bekannt, dass in Gasturbinen die Rotorlaufschaufeln keinen
einteiligen Körper
mit der Rotorscheibe bilden, sondern mittels ihrer Basisverlängerungen
in auf dem Umfang der Scheibe ausgebildeten geeigneten Sitzen festgehalten
werden. Insbesondere haben die derzeit verwendeten Sitze Seiten
mit einem mit Nuten versehenen Profil, in welchem der Endabschnitt
des Fußes
oder der Wurzel der entsprechenden Laufschaufel in Eingriff steht.
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Ein
Problem, welches in der derzeitigen Technik besonders signifikant
ist, ist daher, eine optimale Verbindung der Laufschaufeln auf der
Rotorscheibe in allen Funktionsbedingungen der Maschine zu garantieren.
Es sollte angemerkt werden, dass das Verfahren der Verbindung der
Laufschaufeln auf der Rotorscheibe einen entscheidenden Aspekt der Auslegung
jedes Rotors unter der Berücksichtigung des
Umstandes darstellt, dass die Scheibe zufrieden stellend und zuverlässig den
durch die Laufschaufeln erzeugten Belastungen widerstehen muss,
ohne dass es zu der Entstehung von Brüchen oder anderen Problemen
kommt. Es ist auch bekannt, dass die Rotorlaufschaufeln während des
Betriebs der Maschine hohen Zugspannungen sowohl in der radialen Richtung
als auch in einem kleineren Umfang in der axialen Richtung unterworfen
sind. Die radialen Zugspannungen werden durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit
der Turbine verursacht, während
die axialen Zugspannungen durch den durch die Strömung des
Gases auf die profilierten Oberflächen der Laufschaufeln erzeugten
Effekt verursacht werden. Dieselbe Gasströmung überträgt die Umfangskomponente der
Zugspannung auf die Laufschaufeln, was es ermöglicht, Nutzenergie an der
Antriebswelle zu gewinnen.
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Jedoch
muss das Verbindungsverfahren der Laufschaufeln die kleinstmöglichen
Abmessungen unter Belegung wirklich beschränkter Räume nutzen, um so die durch
die Rotorscheibe und die Laufschaufeln gebildete Anordnung auf die
kleinstmöglichen Abmessungen
zu reduzieren. Ferner besteht neuerdings der Trend darin, Gasturbinen
mit zunehmend hohen Leistungspegeln zu bekommen. Dieses bringt sowohl
eine Erhöhung
der Rotationsdrehzahl als auch der Verbrennungstemperatur mit sich.
Demzufolge liegt auch eine Zunahme in der Temperatur der Gase vor,
welche sich in den Stufen der Turbine gegenüber den Laufschaufeln ausdehnen.
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Dieses
führt zu
einer Erhöhung
der Zugspannungen auf die Verbindung zwischen den Laufschaufeln
und den Rotorscheiben der Turbine mit einer zunehmend großen Schwierigkeit,
eine angemessene Betriebslebensdauer der Laufschaufeln und Rotorscheiben
zu garantieren.
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Derzeit
ist die am häufigsten
eingesetzte Verbindung die, welche allgemein als "Tannenbaum"-Typ bekannt ist.
Sie besteht in einer Ausformung der Wurzel oder des Fußes der
Laufschaufel derart, dass deren Querschnitt eine charakteristische Form
annimmt, welche an einen umgedrehten Tannenbaum erinnert. In dieser
speziellen Form weisen die Seiten der Wurzel ein mit nuten versehenes
Profil dergestalt auf, dass sie eine Reihe von Zähnen mit einem abgerundeten
Profil ausbilden; ansonsten ist die Wurzel an ihrem unteren Ende
durch die Verbindung der zwei unteren Zähne der zwei Seiten ausgebildet.
Diese Wurzeln sind mit Sitzen oder dazu komplementären Kopplungsschlitzen
verbunden, welche auf dem Umfang der Rotorscheibe derart vorgesehen
sind, dass Nuten in den Seiten des Sitzes den Zähnen der Wurzel entsprechen
und eine Nut an der Basis des Sitzes dem unteren Ende der Wurzel
entspricht. In herkömmlichen
Ausführungsformen
erstrecken sich diese Sitze für
die Wurzeln der Laufschaufeln in einer Richtung, welche im Wesentlichen parallel
zur Achse der Rotorscheibe ist.
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GB 677,142 beschreibt eine
Befestigung für Turbinenlaufschaufeln,
in welcher Zacken auf der Laufschaufelwurzel und deren Sitzaussparung
jeweils symmetrisch um eine Ebene senkrecht zu den geneigten Seiten
der Laufschaufelwurzel bzw. der Aussparung sind.
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Andererseits
erstrecken sich in unterschiedlichen Ausführungsformen die Sitze für die Wurzeln im
Wesentlichen in einer Richtung, welche in Bezug auf die Achse der
Scheibe selbst geneigt ist.
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Dieser
Verbindungstyp weist Bereiche einer besonderen Konzentration von
Zugspannungen auf, welche genauer als am Boden der Nut, auf der
Basis des Sitzes und auf der Basis der Nuten jedes Zahnes, welcher
das tatsächliche
Verbindungsprofil darstellt, sich befindend, ermittelt werden können.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Beseitigung
der vorstehend beschriebenen Nachteile und insbesondere in der Schaffung
einer verbesserten Verbindung für
Laufschaufeln auf einer Rotorscheibe einer Gasturbine, welche es
ermöglicht,
die Zugspannungskonzentrationen zu reduzieren, um es somit zu ermöglichen,
die Rotationsgeschwindigkeit der Maschinen oder die Temperatur des
Fluids oder eine geeignete Kombination dieser Faktoren zu erhöhen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer verbesserten Verbindung von Laufschau feln einer Rotorscheibe
einer Gasturbine, welche eine leichte Montage und Demontage, gemäß den Anforderungen,
der Laufschaufeln der unterschiedlichen Stufen der Turbine ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer verbesserten Verbindung von Laufschaufeln auf einer Rotorscheibe
einer Gasturbine, welche auch sehr zuverlässig ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Erzielung
einer Betriebslebensdauer der Komponenten, welche weitaus länger als die
ist, welche mit den derzeit verwendeten Verbindungen erreicht werden
kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer verbesserten Verbindung von Laufschaufeln auf einer Rotorscheibe
einer Gasturbine, welche besonders einfach und funktionell ist,
die relativ niedrige Kosten hat und mittels herkömmlicher Verarbeitung produziert
werden kann.
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Diese
Aufgaben und weitere gemäß der vorliegenden
Erfindung werden durch die Schaffung einer verbesserten Verbindung
der Laufschaufeln auf einer Rotorscheibe einer Gasturbine gemäß Beschreibung
in Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
Eigenschaften werden in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellt.
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Gemäß der Erfindung
war auch die Feststellung möglich,
dass die Reduzierung der Maximalwerte der Zugspannungen in den Konzentrationsbereichen
der Kräfte
zu einer erheblichen Erhöhung
in der Lebensdauer der Komponenten führt.
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Die
Eigenschaften und Vorteile einer verbesserten Verbindung der Laufschaufeln
auf einer Rotorscheibe einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachstehenden Beschreibung, die im Rahmen eines nicht
einschränkenden Beispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, ersichtlich. In den Zeichnungen ist:
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1 ein
Querschnitt, welcher eine Verbindung zwischen einer Wurzel einer
Laufschaufel und einem Sitz oder Endschlitz einer Rotorscheibe des "Tannenbaum"-Typs gemäß der bekannten
Technik darstellt;
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2 ein
Querschnitt, welcher das Teilprofil einer Wurzel einer gemäß der Beschreibung
der vorliegenden Erfindung hergestellten Laufschaufel darstellt
ist; und
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3 ein
Querschnitt, welcher das Teilprofil eines Sitzes oder Endschlitzes
einer Rotorscheibe darstellt, in welchen die Wurzel der Laufschaufel
in 2 eingeführt
wird.
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1 stellt
eine Verbindung gemäß der bekannten
Technik zwischen einer Wurzel oder einem Fuß 10 einer Laufschaufel 12 und
einem Sitz oder Endschlitz 20 einer Rotorscheibe 22 einer
Gasturbine dar. Die Wurzel oder der Fuß 10 der Laufschaufel 12 besitzt
eine charakteristische Form im Wesentlichen eines umgedrehten gleichschenkligen
Dreieckes, wobei dessen zwei Seiten an der Basis konvergieren. Diese
Form ist in Bezug auf die Achse Y der Wurzel 10 symmetrisch.
Die zwei Seiten oder Flanken besitzen ein mit Nuten versehenes Profil
derart, dass sie eine Reihe von Zähnen (14) mit einem
abgerundeten Profil ausbilden. In dem in 1 dargestellten
Beispiel sind drei Zähne 14 auf
jeder Seite der Wurzel 10 vorgesehen.
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Ein
unteres Ende 16 der Wurzel 10 wird durch die Verbindung
der zwei unteren Zähne 14 der zwei
Seiten der Wurzel 10 selbst ausgebildet. Diese Wurzeln 10 sind
mit den Sitzen oder zu ihnen komplementären Verbindungsschlitzen 20,
welche auf einem Umfang einer Rotorscheibe 22 vorgesehen sind,
so verbunden, dass Nuten 24 auf den Seiten des Sitzes 20 den
Zähnen 14 der
Wurzel 10 entsprechen, und eine innere Endnut 26 an
der Basis des Sitzes 20 dem unteren Ende 16 der
Wurzel 10 entspricht.
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2 und 3 stellen
jeweils Teilprofile der Wurzel 10 und des dazu komplementären Sitzes 20 einer
Verbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. In dem dargestellten Beispiel hat die Wurzel 10 vier
Zähne 14 auf
jeder Seite. Ein weiterer Zahn 14, welcher an einem unteren
Ende der Seite der Wurzel 10 vorhanden ist, ist mittels
einer Verbindung mit dem ähnlichen
Zahn 14 verbunden, welcher auf der anderen Seite vorhanden
ist, um das untere Ende 16 der Wurzel 10 auszubilden.
Demzufolge besitzt der Sitz 20 vier Nuten 24 für jede Seite.
Eine weitere Nut 24, welche an einem unteren Ende der Seite des
Sitzes 20 vorhanden ist, ist mittels einer Verbindung mit
der ähnlichen
Nut 24 verbunden, welche auf der anderen Seite vorhanden
ist, um die Nut 26 des inneren Endes des Sitzes 20 auszubilden.
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3 stellt
die geometrischen Variablen dar, welche das Profil des Sitzes 20 kennzeichnen
und demzufolge auch das der Wurzel 10, welche zu dem Sitz 20 selbst
komplementär
ist. Die Serie der Nuten 24 erstreckt sich entlang einer
Linie X, welche in Bezug auf die Achse Y des Sitzes 20 in
einem Winkel β1 geneigt ist. Demzufolge erstreckt sich
die Seite des Sitzes 20 ebenfalls gemäß dieser Neigung.
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Die
vier Nuten 24 besitzen gerade Seiten mit Neigungswinkeln α1 und α2 in
Bezug auf die Achse Y des Sitzes 20, wobei α1 der
Winkel der der Außenseite
der Rotorscheibe 20 gegenüberliegenden Seite ist. Die
zwei Seiten der Nut 24 bilden somit einen Nutwinkel αg,
welcher gleich dem von α1 subtrahierten α2 ist. Die
Nut 24 ist an ihrer Basis über einen Bogen einer Kreislinie
mit einem Radius R4 verbunden. Zusätzlich sind
zwischen den vier Nuten 24 und zwischen der unteren Nut 24 und
der inneren Endnut 26 vier Verbindungen einen Bogen einer
Kreislinie mit einem Radius R4 vorhanden.
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Die
Seite des Winkels α1 der oberen Nut 24 ist mit der
Außenseite
der Rotorscheibe 22 über
einen Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R3 verbunden.
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Die
innere Endnut 26 liegt in der Form eines umgedrehten Omega
vor, wobei die zwei symmetrischen oberen Seiten in Winkeln α1 in
Bezug auf die Achse Y des Sitzes 20 angeordnet sind. Diese
Seiten sind miteinander über
vier Bögen
von vier Kreislinien verbunden, welche in Bezug zueinander in Paaren symmetrisch
sind. Insbesondere ist deren obere Seite zu Beginn über einen
Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R1 und
einem Mittelpunkt, der durch eine Höhe H1 in
Bezug auf die Basis der inneren Endnut 26 und durch einen
Abstand D1 in Bezug auf die Achse Y des
Sitzes 20 bestimmt ist, verbunden.
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Diesem
Bogen einer Kreislinie folgt ein Bogen einer Kreislinie mit einem
Radius R2 und einem Mittelpunkt, der durch
eine Höhe
H2 in Bezug auf die Basis der inneren Endnut 26 und
durch einen Abstand D2 in Bezug auf die
Achse Y des Sitzes 20 bestimmt ist.
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Komplementär dazu hat,
wie es in 2 zu sehen ist, der Zahn 14 der
Wurzel 10 ebenfalls gerade Seiten mit Neigungen in Bezug
auf die Achse Y der Wurzel 10 mit denselben Winkeln α1 und α2,
wobei α1 der Winkel der Seite ist, welche der Laufschaufel 12 gegenüberliegt.
Die zwei Seiten des Zahnes 14 bilden somit einen Zahnwinkel
ad, welcher gleich dem von α1 subtrahierten α2 und
somit gleich dem Nutwinkel αg ist. Der Zahn 14 ist über einen
Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R4 verbunden.
Zusätzlich
sind zwischen den vier Zähnen 14 und
zwischen dem unteren Zahn 14 und dem unteren Ende 14 der
Wurzel vier Verbindungen über
einen Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R4 vorhanden.
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Die
Seite mit dem Winkel α1 des oberen Zahnes 14 ist mit der
Laufschaufel 12 über
einen Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R3 verbunden.
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Das
untere Ende 16 liegt in der Form eines umgedrehten Omegas
vor, wobei die zwei symmetrischen oberen Seiten in zweiten Winkeln α1 in
Bezug auf die Achse Y der Wurzel 10 angeordnet sind. Diese
Seiten sind miteinander über
vier Bögen
von vier Kreislinien verbunden, welche in Bezug zueinander in Paaren
symmetrisch sind. Insbesondere ist deren obere Seite zu Beginn über einen
Bogen einer Kreislinie mit einem Radius R1 und
einem Mittelpunkt, der durch eine Höhe H1 in
Bezug auf das untere Ende 16 der Wurzel 10 und
durch einen Abstand D1 in Bezug auf die
Achse Y der Wurzel 10 selbst bestimmt ist, verbunden.
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Diesem
Bogen einer Kreislinie folgt ein Bogen einer Kreislinie mit einem
Radius R2 und einem Mittelpunkt, der durch
eine Höhe
H2 in Bezug auf das untere Ende 16 der
Wurzel 10 und durch einen Abstand D2 auf
die Achse Y der Wurzel 10 selbst bestimmt ist.
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Zusammengefasst
werden die acht Zähne 14 der
zwei Seiten der Wurzel 10 und das untere Ende 16 der
Wurzel 10 selbst jeweils in acht Nuten 24 in den
zwei Seiten des Sitzes 20 und die innere Endnut 26 des
Sitzes 20 selbst eingeführt.
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Zusätzlich sind
die zwei Verbindungen mit einem Radius R3 der
Wurzel 10 und des Sitzes 20 ebenfalls so ausgebildet,
dass sie zusammen gleichzeitig mit der Einführung der Wurzel 10 in
den Sitz 20 passen, was ausgeführt wird, indem man die Wurzel 10 entlang
einer axialen Richtung in den entsprechenden Sitz 20 schiebt.
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Durch
ihre Anwendung mit einer Analyse der Zuspannungen hat es die vorliegende
Erfindung möglich
gemacht, die Zugspannungskonzentrationen zu reduzieren und eine
geeignete Geometrie für
die Kontaktprofile zwischen den Wurzeln 10 der Laufschaufeln 12 und
den Sitzen 20 der Rotorscheibe 22 anzugeben.
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Die
Verhältnisse
zwischen den Radien R1, R2,
R3 und R4, den Höhen H1 und H2, den Abständen D1 und D2 und den
Winkeln α1, α2 und β1 müssen
als fundamental betrachtet werden. Tatsächlich bestimmen diese Verhältnisse
die Form der Zähne 14 sowie des
unteren Endes 16 der Wurzel 10, welche zu einer verbesserten
Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
führen.
Unter Verwendung des Radius R4 als Bezugswert
wurde gemäß der vorliegenden
Erfindung ermittelt, dass die Verbindung optimiert wird, wenn die
nachstehenden Verhältnisse
vorliegen:
das Verhältnis
zwischen R3 und R4 zwischen
1,8 und 2,2 einschließlich
der Extremwerte liegt;
das Verhältnis zwischen R1 und
R4 zwischen 1,8 und 2,2, einschließlich der
Extremwerte liegt;
das Verhältnis
R2 und R4 zwischen
5,5 und 6 einschließlich
der Extremwerte liegt.
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Gleichzeitig
müssen
die nachstehenden Verhältnisse
für die
Winkel vorliegen:
der Winkel α1 liegt
zwischen 42° und
48° einschließlich der
Extremwerte;
der Winkel α2 liegt zwischen 94° und 100° einschließlich der Extremwerte;
der
Winkel β1 liegt zwischen 17° und 23° einschließlich der Extremwerte.
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Mit
diesen Verhältnissen
liegt der Nutwinkel αg, welcher gleich dem Zahnwinkel ad ist,
zwischen 46° und
58° einschließlich der
Extremwerte.
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Die
Höhen H1 und H2 und die
Abstände
D1 und D2 werden
als eine direkte Folge der allgemeinen Abmessungen der Wurzel 10 ermittelt,
d.h., im Wesentlichen nach der Ermittlung der Höhe der Wurzel 10.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung hat es sich herausgestellt, dass die besten Ergebnisse durch
Verwendung von Wurzeln 10 mit vier Zähnen 14 gemäß der in
den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform
oder Wurzeln 10 mit fünf
Zähnen 14 erzielt
werden.
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Die
erfolgte Beschreibung macht die Eigenschaften der verbesserten Verbindung
gemäß der vorliegenden
Erfindung für
Laufschaufeln auf einer Rotorscheibe einer Gasturbine sowie deren
Vorteile ersichtlich, welche wie angemerkt umfassen sollten:
- – Erhöhung der
Betriebslebensdauer der Komponenten;
- – Erhöhung der
Rotationsdrehzahl der Maschinen, oder Erhöhung der Fluidtemperatur oder
einer angemessenen Kombination der zwei Aspekte;
- – Kosten,
welche im Vergleich zu der bekannten Technik niedrig sind, da die
Profile immer mittels Räumen
erhalten werden können,
wie es bereits der Fall für
die Verbindungen nach der bekannten Technik ist.