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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Schaufelturbinenrad, das auf einen Rotor aufgesetzt ist,
mit einem umfangsseitig vorgesehenen Kranz, der mit in
axialer Richtung offenen Aufnahmen versehen ist, von denen
jede den Fuß einer Turbinenschaufel aufnimmt.
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Jede Turbinenschaufel ist, um dem Einfluß der
Zentrifugalkraft zu widerstehen, in ihrer Aufnahme unter
der Wirkung zueinander komplementärer Formen nach Art
eines Nutzapfens radial festgelegt, wobei die Formen in
einer Aussparung in zur Rotorachse paralleler Richtung
ausgerichtet sind; die Füße von jeder Turbinenschaufel
können in einem Schnitt durch eine radiale Ebene
insbesondere ein "Tannenfuß" genanntes Zahnprofil
aufweisen.
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Der Fuß jeder Turbinenschaufel ist axial in seiner
Aufnahme durch zwei Flansche immobilisiert, wobei die
Flansche auf den beiden sich gegenüberliegenden Seiten des
Rotors angeordnet sind und wenigstens teilweise die sich
gegenüberliegenden Enden der Aufnahmen für die Füße der
Turbinenschaufeln verschliessen und auf diese Weise die
Funktion von Abdeckungen dieser Aufnahmen übernehmen.
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Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in dem Dokument
EP-A-0 286 227 beschrieben.
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Bei der Gestaltung eines solchen Turbomaschinenrotors und
insbesondere bei einer Motorturbine für ein Flugzeug oder
einen Hubschrauber ist es allgemein bekannt, daß die
Turbinenschaufeln oder die Turbinenblätter zur Vermeidung
von Vibrationen so gut wie möglich in ihren Stellungen
gehalten werden müssen, insbesondere unter dem Einfluß der
Zentrifugalkraft, die besonders bei den für diese
Anwendungen üblichen hohen Drehgeschwindigkeiten wichtig
ist. Die Abdeckungen bildenden Flansche sichern so eine
für die Turbine wesentliche Funktion und müssen präzise
und zuverlässig auf dem Rotor fixiert sein, um die
Turbinenschaufeln direkt oder indirekt zu befestigen.
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Aus diesem Grund ist es wünschenswert, Befestigungsmittel
für die Flansche verwenden zu können, deren Gewicht auf
ein Minimum reduziert sein kann. Es ist gleichermaßen
wünschenswert, jede Verbindung in der Art eines Gewindes,
z.B. mit Schrauben, Bolzen und Muttern, vermeiden zu
können, da diese Befestigungsarten besonders schwer sind
und bedeutende Risiken hinsichtlich der zufälligen
Demontage unter der Wirkung von Vibrationen aufweisen.
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Es ist gleichermaßen notwendig, sicherzustellen, daß die
Befestigungsmittel ihre Funktion im besten Zustand und mit
der gesamten erforderlichen Zuverlässigkeit bei
verschiedenen Betriebstemperaturen der Turbomaschine,
deren Bestandteile bedeutenden thermischen Schocks
unterworfen sind, beibehalten.
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Die Erfindung hat daher als Aufgabe, eine Ausführung eines
Turbomaschinenrotors vorzuschlagen, deren
Befestigungsmittel der Flansche - um die Füße der
Turbinenschaufeln axial zu immobilisieren - eine oder
mehrere der vorher erwähnten Bedingungen erfüllen.
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Für diese Aufgabe ist ein Schaufelturbinenrad nach der
Erfindung insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß der
erste Flansch durch eine Vorrichtung in der Art eines
Bajonettverschlusses am Rotor befestigt ist, deren Haken
am Flansch angeformt und in Aussparungen aufgenommen sind,
die in den ringförmigen Kranz des Rotors eingeformt sind
und deren für die Einführung der Haken offenen Enden in
Querwände einmünden, die die Aufnahmen für die Füße der
Turbinenschaufeln begrenzen.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist vorgesehen,
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daß jede der Aussparungen Teil einer radialen Rille ist,
die in die äußere Zylinderfläche des ringförmigen Kranzes
des Rotors eingeformt ist, und daß jeder Haken einen
Endabschnitt, der sich radial in Richtung der Achse des
Rotors erstreckt und von der Rille aufgenommen ist, und
einen Verbindungsschenkel aufweist, der den Endabschnitt
mit dem Flansch verbindet;
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daß der erste seitliche Flansch einen Zentrierring
aufweist, der aus einer der Seitenflächen axial
heraussteht und mit einem entsprechenden Zentrierungsteil
zusammenwirkt, das gegenüberliegend in die erste
Seitenfläche des Rotors eingeformt ist;
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daß der zweite Flansch einen ringförmigen, ebenen Teil
aufweist, der sich an einem entsprechenden ebenen Teil an
der gegenüberliegenden, zweiten Seitenfläche des Rotors
axial abstützt, wobei die zwei ringförmigen, ebenen Teile
radial in Richtung zur Rotorachse hin von zwei sich
verjüngenden Innenrändern in der Form von Scheibenteilen
begrenzt sind, die durch einen Klemmring aneinander
gepreßt gehalten sind;
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daß die einander entgegengesetzten äußeren Seitenflächen
und beiden Scheibenteile Teile einer Kegelfläche mit
entgegengesetzten Winkeln sind, wobei der Klemmring ein
elastisch verformbarer, offener Ring ist, der eine radial
außenseitige Nut mit einem V-förmigen, den Kegelflächen
entsprechenden Querschnitt aufweist, und daß der Klemmring
radial vorgespannt ist, um auf die sich anliegenden
ringförmigen Teile eine axiale Klemmkraft auszuüben;
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daß der zweite Flansch einen Zentrierring aufweist, der
aus der einen Seitenfläche axial heraussteht, um mit einem
entsprechenden Zentrierteil zusammenzuwirken, das in der
gegenüberliegenden, zweiten Seitenfläche des Rotors
eingeformt ist;
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daß Feststellvorrichtungen vorgesehen sind, um ein Drehen
des zweiten Flansches gegenüber dem Rotor zu verhindern;
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daß die Feststellvorrichtungen wenigstens eine Klammer
aufweisen, die aus dem Flansch axial hervorsteht und mit
einem gegenüberliegenden Teil einer der Turbinenschaufeln
zusammenwirkt, um eine Drehung des Flansches gegenüber dem
Rotor zu verhindern.
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Die nachstehend aufgeführte Beschreibung verdeutlicht
unter Bezugnahme auf die nur als Ausführungsbeispiele ohne
Beschränkung geltenden Abbildungen die praktische
Ausführung der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Ansicht eines axialen Schnittes bei einem
Ausführungsbeispiel eines nur zur Hälfte
dargestellten Turbomaschinenrotors mit
Turbinschaufelbefestigung, welcher zwei
Flansche aufweist, die mit nach den Lehren dieser
Erfindung ausgebildeten Befestigungsmitteln
befestigt sind, wobei der Rotor in einer
zusammengesetzten Lage dargestellt ist,
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Fig. 2 eine Teilansicht des Rotors aus Fig. 1 als
Explosionszeichnung in vergrößertem Maßstab, in
der eine Turbinenschaufel und die dazugehörenden
Teile des Rotors sowie die zur Aufnahme und
Immobilisierung in dieser Stellung bestimmten
Flansche zu sehen sind.
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In den Abbildungen sind ein Rad oder Scheibe einer Turbine
einer Turbomaschine dargestellt, die im wesentlichen aus
einem Rotor 10 mit Rotorachse X - X und daran befestigten
Turbinenschaufeln 12 besteht. Der Rotor 10 weist einen
zentralen, die Nabe 14 bildenden Teil auf, der sich radial
nach außen zu einem mittleren, sich verjüngenden Teil 16
erstreckt und in einem umfangsseitigen, ringförmigen,
zylindrischen Kranz 18 endet.
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Der Kranz 18 weist eine Reihe von Aufnahmen 20 auf, die
dazu vorgesehen sind, den Fuß jeder befestigten
Turbinenschaufel 12 aufzunehmen. Die Aufnahme 20 und der
Fuß 22 haben komplementäre Profile, die "Tannenfuß"
genannt werden.
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Der bei der Konstruktion von Turbinen üblicherweise
verwendete Aufbau nach Art des Schloß-Schlüssel-Prinzips
erlaubt eine sehr genaue Justierung der Lage der
Turbinenschaufel 12 auf dem Rotor 10 und ihre
Immobilisierung in radialer Richtung, um den von der
Zentrifugalkraft herrührenden Wirkungen zu widerstehen,
die von den Flanken der Zähne 25 des Tannenfußes
aufgenommen werden.
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Jede Aufnahme 20 ist eine axial offene Aufnahme, d.h. sie
mündet beiderseits in die Seitenflächen 24 und 26 des
Kranzes 18 des Rotors 10.
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Die Montage der Turbinenschaufel 12 vollzieht sich in an
sich bekannter Weise, indem man den Fuß 22 axial in
seine korrespondierende Aufnahme 20 einführt.
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Im weiteren werden jetzt die Mittel zur axialen
Immobilisierung der Füße 22 in montierter Lage in ihren
jeweiligen Aufnahmen 20 beschrieben.
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Die Turbinenschaufeln 12 werden in dieser Lage mittels
eines ersten seitlichen, eine Abdeckung bildenden
Flansches 28 und mittels eines zweiten, eine Abdeckung
bildenden Flansches 30 axial immobilisiert.
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Nach der in den Abbildungen gezeigten Ausführung ist der
Flansch 28 der stromaufwärts gelegene Flansch, während der
Flansch 30 der stromabwärts gelegene Flansch ist, wenn man
sich auf die Strömungsrichtung des flüssigen oder
gasförmigen Mediums bezieht.
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Die Befestigung des Flansches 28 in seiner gegen die erste
Seitenfläche 24 des Kranzes 18 gewandten Position wird
mittels einer Befestigungseinrichtung in der Art eines
Bajonettverschlusses durch eine Reihe von Haken 32, die an
einer Seitenfläche 34 des Flansches 28 angeordnet sind,
sichergestellt, wobei der Flansch 28 mit einer ersten
Seitenfläche 24 des Rotors 10 zusammenwirkt.
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Jeder Haken 32 hat in einem Schnitt durch eine axiale
Ebene die Form eines umgedrehten "L" und weist einen
Endabschnitt 36 auf, der sich in radialer Richtung in
Richtung der Rotorachse X - X erstreckt. Der
Endabschnitt 36 ist mit einer Seitenfläche 34 des
Flansches 28 durch einen Verbindungsschenkel 38 verbunden,
der genau parallel zur Rotorachse X - X ist.
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Die Ausklinkungen der Vorrichtung des Bajonettverschlusses
sind durch radiale Rillen 40 gebildet, die in der äußeren
Zylinderfläche 42 des ringförmigen Kranzes 18 gebildet
sind.
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Der Abschnitt der Rille 40 ist zum Einsetzen des
Endabschnitts 36 der Haken 32 vorgesehen, die dort durch
die äußeren Öffnungen 44 der Rille 40 eingeführt sein
können, wobei die offenen Enden 44 in die Querwände
münden, die die Aufnahmen 20 der Füße 22 der
Turbinenschaufeln 12 begrenzen.
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Nach der klassischen Ausbildung eines Bajonettverschlusses
erfolgt die Montage des Flansches 28 durch eine Drehung
des Flansches 28 relativ zum Rotor 10, die die Haken 32 in
den Rillen 40 in Eingriff bringen und die Wirkung einer
axialen Klemmung des Flansches 28 gegen die erste
Seitenfläche des Kranzes 18 erzeugt, insbesondere durch
ein zum Endabschnitt 36 korrespondierendes Profil.
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Der seitliche Flansch 28 verlängert sich mit seinem
inneren Teil, d.h. des beim Betrachten von Fig.1 unterhalb
des Niveaus der Turbinenschaufelfüße gelegenen Abschnitts,
zu einem Teil 46, an dem Flügel 48 zur Abkühlung gebildet
sind, die sich in einer radialen Ebene ausbreiten oder mit
dieser Ebene einen Winkel bilden können.
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Diese Flügel 48 sind an ihrem radialen äußeren Rand durch
einen Zentrierring 50 begrenzt, der in der Gestalt eines
hervorstehenden, sich axial zur Seitenfläche 34 in
Richtung des Rotors 10 erstreckenden ringförmigen Teils
gebildet ist, wobei der Zentrierring 50 mit einem
komplementären Profilteil 52 des sich verjüngenden
Teils 16 des Rotors zusammenwirkt. Auf diese Weise sichert
man die Zentrierung des Flansches 28 bezüglich des
Rotors 10 bei seiner Montage auf dem Rotor 10.
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Die Seitenfläche 34 des Flansches 28 weist gleichfalls
einen hervorstehenden axialen ringförmigen Rand 54 auf,
der sich gegen die erste Seitenfläche 24 des Kranzes 18
und gegen die äußeren axialen Flächen der Füße 22 der
Turbinenschaufeln 12 abstützt.
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Wie im folgenden erklärt wird, ist der Flansch 28 gegen
Verdrehung relativ zum Rotor 10 durch die Füße der
Turbinenschaufeln 12 gesichert, die in der
zusammengesetzten Lage die offenen Enden 44 der Rille 40,
in denen die Haken 32 eingesetzt werden, verschließen und
daher auf diese Weise den ganzen Auslaß sperren und die
zufällige Zerlegung verhindern.
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Der zweite, stromabwärts gelegene seitliche Flansch 30
weist auf seiner zur zweiten Seitenfläche 26 des
Kranzes 18 gewandten Fläche 60 einen gegen die
gegenüberliegenden Teile der Turbinenschaufeln 12
gerichteten axial oberen Stützrand 62 auf.
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Die Befestigung des Flansches 30 in dieser Lage auf dem
Rotor 10 wird durch die folgenden Mittel sichergestellt.
Zwei ringförmige Stützteile 64 und 66 sind auf zwei
Scheibenteilen 68 bzw.70 des Kranzes 18 und des
Flansches 30 gebildet.
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Jedes der Scheibenteilen 68, 70 ist ein als Kranz einer
Scheibe geformtes Teil, welches sich radial in Richtung
zur Rotorachse X - X erstreckt.
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Die äußeren Seitenflächen 72 und 74 der Scheibenteile 68
und 70 sind zwei Teile mit Kegelflächen mit
entgegengesetzten Winkeln, die sich in einer Weise
gegenüberliegen, daß in der zusammengebauten Position, wie
sie in Fig. 1 abgebildet ist, sich die Einheit mit einem
äußeren Profil in Form eines "V" darbietet.
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Die zwei Scheibenteile 68 und 70 werden von einer äußeren
radialen Nut 76 eines axialen Klemmrings 78 aufgenommen.
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Die Nut 76 zeigt zugleich einen Abschnitt mit einer
axialen Ebene und ein zu den Oberflächen 72 und 74
komplementäres "V"-förmiges Profil.
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Die Nut 76 ist ausreichend tief, um sicherzustellen, daß
die radialen inneren Ränder der Scheibenteile 68 und 70
nicht auf dem Boden der Nut 76 aufstoßen.
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Der Klemmring 78 ist ein elastisch verformbarer und
offener Ring, nach Art eines elastischen Rings oder
Sicherungsrings, der sich in einer radialen inneren Furche
einer Bohrung befindet.
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Der Ring ist auf den Scheibenteilen 68 und 70 elastisch
vorgespannt angeordnet, d.h. mit einer inneren Spannung
festgespannt, um den Durchmesser in einer Weise zu
vergrößern, die die axiale Preßwirkung der Stützflächen 64
und 66 sicherstellt, die durch die Keilwirkung der
zusammengesetzten geneigten Flanken der Nut 76 mit den
Kegelflächen 72 und 74 erzeugt wird.
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Die auf den Rotor 10 bezogene Zentrierung des Flansches 30
wird mittels eines vorstehenden Zentrierrings 82
sichergestellt, der in einem zum Rotor 10 gehörenden
Zentrierungsteil 80 aufgenommen wird.
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Zur Sicherung des Flansches 30 gegen Verdrehungen
bezüglich des Rotors 10 kann die Seitenfläche 60 des
Flansches 30 ein oder mehrere Befestigungsteile 84
aufweisen, die axial in Richtung des Rotors 10 vorstehen
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und die vorgesehen sind, um mit den betreffenden Teilen
der Turbinenschaufeln 12 zusammenzuwirken.
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Der Zusammenbau einer nach den Lehren der Erfindung
gebildeten Turbomaschine geschieht in folgender Weise.
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Der Techniker beginnt mit der Montage der stromaufwärts
gelegenen Abdeckung oder Flansches 28 mit seinem
Bajonettverschluß. Eine Drehung um einen Winkel von
2π/2N rad, wobei N die Anzahl der Turbinenschaufeln 12
ist, erlaubt die Einführung der Haken 32 in die Rille 40.
Als Ergebnis dieser Handlung ist der Flansch 28 axial
fixiert und bezüglich des Rotors 10 zentriert.
Anschließend montiert der Techniker die
Turbinenschaufeln 12, indem er deren Füße 22 in die
Aufnahmen 20 einführt, dies hat zur Folge, daß die offenen
Enden 44 der Rillen 40 verschlossen werden und damit
jegliche Demontage des Flansches 28 verhindert wird.
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Der Techniker zentriert und plaziert anschließend den die
stromabwärts gelegene Abdeckung bildenden Flansch 30 gegen
die zweite Seitenfläche 26 des Rotors 10 und fixiert ihn
axial, indem er den Klemmring 78 einsetzt.
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Als Ergebnis dieser Handlungen sind die Füße 22 der
Turbinenschaufeln 12 durch die die Abdeckungen bildenden
Flansche 28 und 30 axial fixiert, die die offenen Enden
der Aufnahmen 20 verschließen.
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Beim Betrieb, wenn sich das Turbinenrad mit hoher
Geschwindigkeit dreht, ist keine zufällige Demontage des
ersten Flansches 28 durch den wie beim Bajonett
erfolgenden Zusammenbau möglich und die auf den Ring 78
wirkende Zentrifugalkraft hat eine Erhöhung der Wirkung
der axialen Einspannung des zweiten stromabwärts gelegenen
Flansches 30 gegen die Seitenfläche 26 des Rotors 10 zur
Folge.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weisen die beiden stromaufwärts und
stromabwärts gelegenen Flansche 28 und 30 Teile auf, die
sie axial in Richtung des Luftstroms verlängern, um die
Dichtigkeit des inneren Hohlraums der Turbomaschine
sicherzustellen.
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Im Falle, daß die Turbinenschaufeln der Turbine einen
internen Luftstrom zur Sicherung der Kühlung besitzen,
kann die in der stromaufwärts gelegenen Abdeckung 28
komprimierte kühlende Luft durch den Durchlaß 86 strömen,
der im Gebiet des Zentrierrings 50 angeordnet ist. Die
komprimierte Luft durchströmt dann die Turbinenschaufel 12
der Turbine, entweder durch auf der stromaufwärts
gelegenen Fläche der Turbinenschaufel 12 angeordnete
Öffnungen, oder durch deren unteren Teil. Im letzteren
Fall muß ein Durchlaß im unteren Teil des letzten Zahns
des Tannenfusses von jeder Turbinenschaufel vorgesehen
sein.