DE69715331T2

DE69715331T2 - Befestigung von Bläserschaufeln bei einem Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE69715331T2
Application number: DE69715331T
Authority: DE
Inventors: David Sydney Knott
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1996-07-27
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: US5913660A; EP0821133A1; DE69715331D1; EP0821133B1; GB9615826D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung eines Schaufelfußes in einer entsprechenden Rotorscheibe. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Halterung von Fan-Laufschaufeln in einer Rotorscheibe eines Gasturbinentriebwerks derart, daß eine axiale und eine radiale Bewegung der Laufschaufeln relativ zur Rotorscheibe verhindert wird.
Herkömmliche Gasturbinentriebwerke sind mit einem Frontfan versehen, der Schub liefert und die Luft für den Gasgenerator des Kerntriebwerks liefert. Im typischen Fall haben derartige Fans eine Nabe mit mehreren allgemein axial verlaufenden Nuten am Umfang, die den Schaufelfuß der Fanschaufeln aufnehmen. Jede Fanschaufel hat einen Fuß mit allgemein schwalbenschwanzförmigem Querschnitt, der axial in einer entsprechend ausgebildeten Nut am Rand der Scheibe zu liegen kommt. Üblicherweise liegt die Basis eines jeden schwalbenschwanzförmigen Abschnitts in einer Ebene parallel zur Mittellinie des Triebwerks.
Es ist jedoch auch notwendig zu gewährleisten, daß jede Schaufel an einer axialen Bewegung innerhalb der Nut gehindert wird. Bei einem Gasturbinentriebwerk hat ein Rotor, beispielsweise ein Fanrotor, radial verlaufende Fanschaufeln, die in mehreren Nuten eingeschoben sind, welche in Umfangsrichtung rund um die Rotorscheibe herum angeordnet sind.
Bekannte Vorschläge zur axialen Festlegung von Fanschaufeln haben Halteringe benutzt, wie dies in der GB 1523422 beschrieben ist, oder es wurden Scheransätze angeordnet, wie dies in der GB 2287993 beschrieben ist. Die GB 1523422 beschreibt einen Fanschaufel-Aufbau, bei dem die Fanschaufeln axial mittels eines U-förmigen Bügels gehaltert werden. Der Bügel liegt in geeignet ausgerichteten Schlitzen im Schaufelfuß und in der Nabe, um eine axiale Festlegung zu bewirken. Die Schaufelfüße und ein Teil des Nabenrandes erstrecken sich teilweise in Richtung stromauf, so daß die U-förmigen Bügel angepaßt werden. Eine an der Vorderseite der Nabe vorgesehene Lippe arbeitet mit einem Ring zusammen, um die U-förmigen Bügel in ihrer Lage zu halten. Ein derartiges Verfahren der Fanschaufelhalterung ist wirksam, aber die Erstreckung des Nabenrandes und der Schaufelfüße in Richtung stromauf bewirkt eine unerwünschte Gewichtszunahme.
Außerdem ist diese spezielle Ausbildung ungeeignet zur Halterung von Schaufeln, die geneigt zu der relativen Rotorachse angeordnet sind.
Die GB 2287993 beschreibt drehbare Scheransätze, die zwischen jedem Fanschaufelfuß vorgesehen sind, um eine axiale Festlegung in Verriegelungsstellung zu bewirken. Jeder Scheransatz muß jedoch der gesamten axialen Belastung jeder Fanschaufel angepaßt sein, um eine Schaufelbewegung zu verhindern, so daß der Ansatz notwendigerweise eine gewisse Größe und Festigkeit besitzen muß, um die axialen Belastungen aufnehmen zu können.
Die JP-A-57210104 (Abstract) beschreibt Stifte, die zwischen den Schaufelfüßen und den jeweiligen Schaufelschlitzen ausgebildet sind. Die Stifte passen in geeignet ausgerichtete Öffnungen, die in einem Winkel vom Vorderende und Hinterende eines jeden Schaufelfußes nach dem Mittelteil in einem Winkel angestellt sind. Die axiale Festlegung wird durch auf die Stifte wirkenden Scherkräfte erreicht.
Die bekannten Vorschläge erfordern sämtlich eine Zahl von zusätzlichen Teilen, um die Fanschaufeln axial festzulegen, so daß die Gesamtkosten und das Gewicht des Triebwerks erhöht werden. Außerdem ist es schwieriger, die Fanschaufeln auszuwuchten, und die Abnutzung durch Reibung wird ein weiteres Problem.
Die DE-A-4 108 930 beschreibt einen gekrümmten und verdrillten Scheibenschlitz und einen Schaufelfuß, wodurch der Massenmittelpunkt der Rotorschaufel an eine maximale radiale Stelle verlegt wird, wo die Schaufel in ihrer richtigen Lage in der Scheibe angeordnet wird. Die US-A 3 378 203 beschreibt eine Anpassung konvexer und konkaver Flächen am Schaufelfuß und einem entsprechenden Scheibenschlitz, zusammen mit einem Scheibenschlitz, der radial tiefer ist als der Schaufelfuß, so daß der Schaufelfuß in den Scheibenschlitz gleitet und dann radial nach außen bewegt werden kann, so daß die aufeinander angepaßten konkaven und konvexen Flächen in gegenseitige Berührung gebracht werden.
Die beiden bekannten Vorschläge haben den Nachteil, daß keine formschlüssige Lokalisierung des Schaufelfußes in der richtigen Stellung vorhanden ist, weil Schaufelfuß und Schaufelschlitz kontinuierliche Formen besitzen. Es besteht demgemäß die Tendenz, daß sich die Schaufel axial gemäß relativ kleinen axialen Belastungen verschiebt, die auftreten können infolge Fluktuation in den Gasbelastungen, denen die Schaufeln im Betrieb ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fanschaufel- Festlegungssystem zu schaffen, wodurch die dem Stand der Technik zugeordneten Probleme vermieden werden und wodurch allgemeine Verbesserungen erzielt werden.
Die Erfindung geht aus von einem Fan für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Rotorscheibe, die eine ringförmige Anordnung radial verlaufender Fanschaufeln trägt, wobei jede Fanschaufel einen Schaufelfuß aufweist, der radial innerhalb einer allgemein axial verlaufenden Nut innerhalb des Randes der Rotorschaufel festgelegt ist und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß zwei Basisabschnitte aufweist, die radial konvergierend bezüglich der Drehachse der Scheibe sind, und daß die axial verlaufende Nut zwei Basisabschnitte aufweist, von denen jeder Abschnitt in entsprechender Weise radial konvergierend ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise wird die axiale Festlegung der Schaufel innerhalb der Nut durch die Zentrifugalkomponente der Schaufelbelastung bewirkt, die in einer Gegenrichtung zu jeder aufgebrachten Axialbelastung in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung aufgebracht wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben Schaufelfuß und Nut entsprechende schwalbenschwanzförmige Querschnitte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Basis der Schaufel mit wenigstens einem vorstehenden Element versehen, das derart positioniert ist, daß dann, wenn die Schaufel in die Nut eingeführt ist, das vorstehende Element an der Basis der Nut anstößt und die Schaufel außen in der schwalbenschwanzförmigen Nut hält.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische axiale Schnittansicht eines Fan-Mantelstrom- Gasturbinentriebwerks, dessen Vortriebsfan gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Schaufelfußes;
Fig. 3 ist ein Schnitt einer Rotorscheibennut mit einem darin festgelegten Schaufelfuß;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Schaufelfußes während des Einbaus in die zugeordnete Rotorscheibe;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Schaufelfußes, aufgenommen von einer Rotorscheibennut und mit einer integralen Abdichtung;
Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 5, woraus die Schwalbenschwanzform der Rotorscheibennut erkennbar ist.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 herkömmlicher Konstruktion. Das Triebwerk weist einen Lufteinlaß 11, einen in einem Mantel umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Verbrennungseinrichtung 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Schubdüse 19 auf. Die Kompressoren 13 und 14, die Verbrennungseinrichtung 15 und die Turbinen 16, 17 und 18 bilden zusammen ein Kerntriebwerk, das den Fan antreibt, um einen Vortriebsschub zu erzeugen.
Der Fanschaufel-Aufbau 12 besteht aus einer ringförmigen Anordnung von radial verlaufenden Fanschaufeln 20, die in einer Nabe 21 festgelegt sind.
Jede Fanschaufel 20 weist einen stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt 22 und einen Schaufelfuß 23 auf. Der Schaufelfuß 23 hat eine im Querschnitt gesehen schwalbenschwanzförmige Ausbildung. Die Basis jedes Schaufelfußes besteht aus zwei Abschnitten 24, 25, die in Gegenrichtung geneigt sind, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. In der Basis des Schaufelfußes ist ein Schlitz 26 angeordnet, der eine Änderung in der Form der Neigung zuläßt.
Mehrere allgemein axial verlaufende Nuten 27 entsprechender Querschnittsgestalt sind in der Nabe 21 vorhanden, um die Schaufelfüße 23 aufzunehmen. Jeder geneigte Abschnitt 24, 25 der Schaufelfüße 23 trifft auf entsprechend geneigte innere Abschnitte 28, 29 des Nabenrandes 30, wenn die Schaufelfüße in die Nuten eingesetzt sind. Die Nabe weist außerdem zwei geneigte Abschnitte 31, 32 auf.
Die Basis der Schwalbenschwanznuten innerhalb der Nabe weist zwei entsprechend geneigte Abschnitte 31, 32 und einen Schlitz zwischen den geneigten Abschnitten 28, 29 auf. Dieser Schlitz ist vorgesehen, um die Herstellung eines jeden geneigten Abschnitts 28, 29 der Nabe zu ermöglichen (d. h. der Einschneidpfad für jede Neigung 28, 29 läuft in die Nut derart ein, daß keine Störung mit dem Profil der gegenüberliegenden Neigung erfolgt). Jeder Schaufelfuß 23 und die entsprechende Scheibennut besitzen daher die Form eines axial verlaufenden invertierten V. Ein radialer Zwischenraum ist zwischen der Basis eines jeden Schaufelfußes 23 und seiner entsprechenden Nut vorgesehen, um einen Zusammenbau und eine Demontage zu ermöglichen.
An der Basis des Schaufelfußes 23 an einem Ende des geneigten Abschnitts 25 ist ein abgerundetes vorspringendes Element 33 vorgesehen, und am Ende des anderen geneigten Abschnitts 24 ist ein abnehmbarer Ansatz 34 vorgesehen, derart, daß in Einbaulage beide geneigte Abschnitte 24, 25 an den inneren entsprechend geneigten Abschnitten 28, 29 des Nabenrandes 30 anstoßen. Der abnehmbare Abschnitt 34 wird durch einen Flansch 35 gehalten.
Nunmehr wird auf Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Wenn die Fanschaufel 20 in ihrer Lage innerhalb der Nut 27 befindlich ist, dann ergibt sich ein Zwischenraum zwischen der Basis des Schaufelfußes 23 und der Basis der Nut 27. Hierdurch wird gewährleistet, daß die Schaufel leicht eingesetzt und entfernt werden kann, indem der Ansatz 34 und der Flansch 35 entfernt werden und indem die Schaufel axial nach außen aus der Nut gedreht wird.
Nachdem die Schaufel sich einmal in ihrer Lage befindet, wird sie gegen den Rand 30 der Rotorscheibe durch den Ansatz 34 und das abgerundete vorspringende Element 33 gehalten. Während der Drehung der Nabe werden die auf die Schaufel 20 wirkenden Zentrifugalkräfte sowohl in radiale als auch in axiale Kraftkomponenten (in bezug auf die Drehung der Scheibe) übertragen, da die Schaufel 20 mit einer Doppelneigung montiert ist. Die Schaufel 20 wird durch die Schwalbenschwanznut 23 gegen radiale Kräfte gesichert. Die axiale Festlegung der Schaufel 20 wird durch die axiale Zentrifugalkomponente der Schaufelbelastung bewirkt, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und axiale nach vorn und hinten gerichtete Belastungskräfte bilden. Wenn die Axialbelastung in einer Richtung derart ansteigt, daß die gesamte Schaufelbelastung auf den vorderen Rand 28 oder den hinteren Rand 29 übertragen wird, dann wird die Bewegung in den Rand oder längs des Randes durch den Ansatz 34 oder das abgerundete vorstehende Element 33 verhindert.
Die Anordnung hat den Vorteil, daß das Gewicht infolge der wirksamen Materialgestaltung des Schaufelfußes verringert wird. Ein Reibungsverschleiß wird durch die Gegenwirkung von Kraft und Belastung infolge der entgegengesetzten Neigung erreicht. Auch die Zahl der Teile zur Schaufelfestlegung wird vermindert, da kein Abscherkeil oder Abscherring erforderlich ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine integrale Abdichtung 37 vorgesehen, um die Schaufel und einen nicht dargestellten benachbarten Wandabschnitt abzudichten. Dieses Ausführungsbeispiel ist für eine Anordnung relevant, wo benachbarte Fanschaufeln keine Plattformen besitzen und der dazwischenliegende Raum durch Wandelemente und zugeordnete Dichtungen überbrückt wird.

Claims

1. Fan (12) für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Rotorscheibe (21), die in ringförmiger Anordnung radial vorstehende Fanschaufeln trägt, wobei jede Fanschaufel (20) einen Schaufelfuß (23) aufweist, der in Radialrichtung innerhalb einer allgemein axial verlaufenden Nut (27) innerhalb des Rotorscheibenrandes festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfuß (23) zwei Basisabschnitte (24, 25) aufweist, die radial bezüglich der Drehachse der Rotorscheibe (21) konvergieren, und daß die axial verlaufende Nut zwei Basisabschnitte (31, 32) aufweist, wobei jeder Basisabschnitt entsprechend radial konvergierend ausgebildet ist.

2. Fan (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fanschaufelfuß (23) und die Nut (27) beide entsprechende schwalbenschwanzförmig gestaltete Querschnittsgestalten haben.

3. Fan (12) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelfußabschnitt (23) und seine entsprechende Schaufelnut eine axial verlaufende invertierte V-Gestalt aufweisen.

4. Fan (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (27) der Schwalbenschwanznut in Axialrichtung in bezug auf die Drehachse der Scheibe (21) gekrümmt ist.

5. Fan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein vorspringendes Element (33, 34) an der Basis der Schaufel derart vorgesehen ist, daß dann, wenn die Schaufel in der Schaufelnut sitzt, das vorstehende Element an der Basis der Nut derart anstößt, daß die Schaufel von der Basis der Nut distanziert wird.

6. Fan nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vorspringende Element einen Ansatz (34) aufweist, der radial bezüglich der Drehachse der Rotorscheibe verläuft.

7. Fan nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein entfernbares Halteelement (33) vorgesehen ist, um den Schaufelfuß (23) innerhalb der Nut (27) festzulegen.

8. Fan nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement aus einem L-förmig gestalteten Keil (34) besteht, der zwischen der Basis des Schaufelfußes (23) und der Basis der Nut derart angeordnet ist, daß der Schaufelfuß an dem inneren Abschnitt des Rotorscheibenrandes anstößt.

9. Fan nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein axial bezüglich der Drehachse der Rotorscheibe (21) verlaufender Schlitz zwischen den beiden Basisabschnitten (31, 32) vorgesehen ist.