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Die vorliegende Erfindung betrifft
Gasturbinen-Rotoranordnungen im Allgemeinen und Rotoranordnungsscheiben
im Speziellen.
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Axial-Gasturbinenmaschinen weisen
generell einen Bläser-,
einen Verdichter-, einen Brennkammer- und einen Turbinen-Abschnitt
auf, die entlang einer Axialmittellinie angeordnet sind, die manchmal
als die "Rotationsachse" der Maschine bezeichnet
wird. Der Bläser-,
der Verdichter- und der Brennkammer-Abschnitt fügen der Luft (die auch als "Kerngas" bezeichnet wird),
welche durch die Maschine strömt,
Arbeit zu. Die Turbine entzieht der Kerngasströmung Arbeit, um den Bläser- und
den Verdichter-Abschnitt anzutreiben. Der Bläser-, der Verdichter- und der
Turbinen-Abschnitt weisen jeweils eine Reihe von Stator- und Rotoranordnungen auf.
Die Statoranordnungen, die nicht rotieren (aber Leitschaufeln mit
veränderbarer
Blattstellung haben können),
erhöhen
die Effizienz der Maschine, indem sie die Kerngasströmung in
die oder aus den Rotoranordnungen leiten.
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Die Rotoranordnungen weisen typischerweise
eine Mehrzahl von Laufschaufeln auf, die an dem Umfang einer Scheibe
angebracht sind und von diesen nach außen ragen. Es ist bekannt,
Rotorlaufschaufeln mit "Tannenbaum"-Laufschaufelwurzeln oder ähnlichen
aufgenommen in komplementär
geformten Ausnehmungen in der Scheibe, an der Scheibe zu befestigen.
Ein Nachteil eines Befestigungsschemas des "Tannenbaum"-Typs ist, dass die Scheibe relativ
groß bemessen
sein muss, um die von den Laufschaufeln erzeugten Belastungen, welche
auf die Scheibe wirken, aufzunehmen. Speziell muss die Scheibe zwischen
benachbarten Ausnehmungen eine ausreichende Fläche haben, um die von den zusammenpassenden
Wurzeln der Rotorlaufschaufeln auf die Ausnehmungen aufgebrachte Scherbelastung
aufzunehmen. Ein anderes Verfahren zur Befestigung der Rotorlaufschaufeln
ist in US-A- 4 098 559 beschrieben und beinhaltet die Verwendung
eines Stifts zum Halten der Rotorlaufschaufeln an der Scheibe. Bei
einer gestifteten Anwendung bildet die Laufschaufelwurzel einer
jeden Laufschaufel einen Hals nach unten zu einem Ansatz, der eine Öffnung zum
Aufnehmen eines Stifts hat. Der Ansatz ist zwischen Flanschen aufgenommen,
die von der Scheibe nach außen
ragen. Der Stift ragt durch die Scheibenflansche und den Laufschaufelansatz,
um die Laufschaufel an der Scheibe zu befestigen. Die gesamte Belastung
auf die Laufschaufel wird von dem Stift aufgenommen, der wiederum
die Belastung auf die Scheibenflansche überträgt. Um unerwünschte Spannungsniveaus
zu vermeiden, muss die Querschnittsfläche des Stifts substanziell
sein, und die Scheibe muss ein adäquates Stegmaterial zwischen benachbarten
Stiftöffnungen
haben. Typischerweise wird das adäquate Stegmaterial erzielt,
indem man die Stiftöffnungen
radial nach außen
bewegt. Der substanzielle Stiftdurchmesser und die radiale Position
der Stiftöffnungen
führen
häufig
zu einer Rotorscheibe mit einem größer als optimalen Gewicht und internen
Strömungswegdurchmessser.
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Benötigt wird deshalb eine Gasturbinen-Rotoranordnung
mit minimalem Gewicht, eine, die eine Scheibe hat, die leicht Rotorlaufschaufellasten
aufnehmen kann, und eine, die einen minimalen Durchmesser des inneren
Strömungswegs
hat.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Turbinen-Rotoranordnungsscheibe bereitgestellt, welche
die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind der erste und der zweite Stummelzapfen
spiralförmig
zwischen Stegen angeordnet.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, dass eine Rotoranordnungsscheibe vorgesehen ist, die einen
minimalen internen Strömungswegdurchmesser
hat. Die Anordnung aus Stummelzapfen und Steg der vorliegenden Erfindung
geht mit Spannung in den Stegen auf eine effiziente Weise um. In
der Folge ist weniger Stegmaterial erforderlich, und die Radialposition
der Zapfen ist enger an der Axialmittellinie, als das unter Verwendung
konventioneller Laufschaufelbefestigungssysteme möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass eine leichte Rotoranordnungsscheibe bereitgestellt
wird. Die Scheibe der vorliegenden Erfindung nutzt mechanisches
Hebelverhältnis
statt Materialmasse, um die Lastanforderungen zu erfüllen und
umgeht so das Bedürfnis
nach einer größeren, schwereren
Rotoranordnungsscheibe.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Zapfen, welche die Laufschaufeln an der
Scheibe halten, schräggestellt
und/oder spiralförmig
sein können,
um die Laufschaufelbelastungen aufzunehmen. Das Ausrichten der Stummelzapfen
mit der von der Laufschaufel übertragenen
Belastung minimiert Spannung in den Stummelzapfen und den Stegen
und erhöht
so die Lastkapazität
der Scheibe. Das Schrägstellen
und/oder spiralförmige Anordnen
der Zapfen erleichtert auch die Ausrichtung zwischen den Strömungsprofilen
und den Laufschaufelwurzelwänden.
Die Ausrichtung zwischen einem Strömungsprofil und einer Laufschaufelwurzelwand
erlaubt, dass sich die Radialzuglinien des Strömungsprofils in die Laufschaufel
fortsetzen und so Spannungen anderswo in dem Laufschaufelpaar minimieren. "Radialzuglinie" ist ein Technikbegriff,
der verwendet wird, um sich durch ein Strömungsprofil erstreckende Kraftvektoren
zu beschreiben. Im vorliegenden Fall kann die Anordnung aus Stummelzapfen
und Steg der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Laufschaufelwurzelgeometrien
aufnehmen, was wiederum eine größere Ausrichtung
zwischen Laufschaufelwurzel und Strömungsprofil erlaubt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für
die gilt:
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Bläserabschnitts einer Gasturbinenmaschine.
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Rotorlaufschaufelpaars,
welches bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird.
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3 ist
eine schematische Seitenansicht des in 2 gezeigten Rotorlaufschaufelpaars.
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4 ist
eine schematische Ansicht radial nach innen des in 3 gezeigten Laufschaufelpaars.
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5 ist
eine schematische Axialansicht des in 4 gezeigten
Laufschaufelpaars.
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6 ist
eine schematische Teilansicht eines Verbundmaterial-Rotorlaufschaufelpaars,
die erste und zweite Fasern zeigt.
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7 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer die vorliegende
Erfindung realisierende Rotorscheibe.
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8 ist
eine schematische perspektivische Ansicht mit Blick radial nach
innen in Richtung auf die Scheibe, die ein Paar von Stummelzapfen
zeigt, die von dem entsprechenden Steg nach außen ragen, die mit einem Befestigungselement
gekoppelt sind.
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9 ist
eine schematisch Teilansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die zum Teil weggebrochen gezeigt ist.
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Es wird auf 1 Bezug genommen. Eine Axial-Turbinenmaschine 10 weist
einen Bläserabschnitt 12 auf,
der eine Mehrzahl von Einlassführungsleitschaufeln 16,
eine erste Rotorstufe 18, eine erste Statorstufe 20,
eine zweite Rotorstufe 22, eine zweite Statorstufe 24 und
eine dritte Rotorstufe 26 aufweist, die entsprechend von
vorne nach hinten angeordnet sind. Vorne ist als strömungsaufwärts von hinten
definiert. Die Einlassführungsleitschaufeln 16 und
die Statorstufen 20, 24 führen Luft in die oder aus den
Rotorstufen 18, 22, 26. Die erste, zweite
und dritte Rotorstufe 18, 22, 26 rotieren
um die Axialmittellinie 28 der Maschine 10. Eine
Spule 30, die von einer (nicht gezeigten) strömungsabwärtigen Turbine
angetrieben ist, treibt die Bläserrotorstufen 18, 22, 26 an.
Die erste Rotorstufe 18 weist eine Rotorscheibe 32 und
eine Mehrzahl von Ro torlaufschaufelpaaren 34 auf, die um
den Umfang der Scheibe 32 angeordnet sind.
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I. Die Rotorlaufschaufeln
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Es wird auf die 2 bis 6 Bezug
genommen. Jedes Rotorlaufschaufelpaar 34 weist ein erstes
Strömungsprofil 36,
ein zweites Strömungsprofil 38,
eine Plattform 40 und eine Wurzel 42 auf. Die Plattform 40 hat
einen vorderen Rand 44, einen hinteren Rand 46,
eine äußere radiale
Oberfläche 48 und
eine innere radiale Oberfläche 50.
Strömungsprofile 36, 38 sind
voneinander beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander
und ragen von der äußeren radialen
Oberfläche 48 der
Plattform 40 nach außen.
Die Wurzel 42 eines jeden Laufschaufelpaars 34 weist
eine erste 52 und eine zweite 54 Wurzelwand auf,
die integral aneinander angebracht sind und von der inneren radialen
Oberfläche 50 der Plattform 40 weg
ragen. Der zwischen den Laufschaufelwurzelwänden 52, 54 gebildete
Hohlraum 56 hat eine Querschnittsgeometrie ähnlich zu
der der Rotorscheiben-Stummelzapfen 86, 98 (die
nachfolgend detaillierter beschrieben werden).
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Es wird auf die 4 und 5 Bezug
genommen. Aus aerodynamischen Gründen
sind die Strömungsprofile 36, 38 von
der Axialmittellinie 28 um einen Winkel "α" schräg gestellt, der zwischen der
Profilsehnenlinie der Strömungsprofile 36, 38 und
der Axialmittellinie 28 ist. Außerdem verlaufen die Laufschaufelpaar-Strömungsprofile 36, 38 in
einer Verbundweise spiralförmig
zwischen der Basis 58 und der Spitze 60 und zwischen
der Vorderkante 62 und der Hinterkante 64 eines
jeden Strömungsprofils 36, 38.
An der Basis 58 eines jeden Strömungsprofils 36, 38 verläuft das
Strömungsprofil
spiralförmig
fast ausschließlich
um eine Achse, welche sich zwischen der Vorderkante 62 und
der Hinterkante 64 erstreckt. Die Komponente von Basis 58 zu
Spitze 60 des Strömungsprofil-Spiralverlaufs
nimmt mit Radialposition weg von der Basis 58 zu und ist
deshalb an der Basis 58 weniger signifikant. Als Ergebnis
des Spiralverlaufs schneiden die Strömungsprofile 36, 38 die
Plattform 40 nicht entlang einer konstanten Ebene. Der Fachmann
wird erkennen, dass Überlegungen
ae rodynamischer, herstellungstechnischer und spannungsbezogener
Art die exakte Kontur der meisten Rotorlaufschaufel-Strömungsprofile
beeinflussen und dass die Strömungsprofilkontur
geringe Anomalitäten
haben kann, die von der Symmetrie des Strömungsprofils abweichen.
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Eine jede Laufschaufelwurzelwand 52, 54 ist im
wesentlichen mit einem der Strömungsprofile 36, 38 ausgerichtet
und verläuft
folglich spiralförmig
in einer Weise gleich oder annähernd
gleich der des Strömungsprofils 36, 38.
Die Laufschaufelwurzelwände 52, 54 können, ähnlich wie
die Strömungsprofile 36, 38,
geringe Anomalitäten
haben, die von der Symmetrie der Laufschaufelwurzelwände 52, 54 abweichen. Der
in der 5 gezeigte Winkel "β" illustriert das Maß an Spiralverlauf in der Laufschaufelwurzel 42 zwischen
dem vorderen Rand 66 und dem hinteren Rand 68 der
Laufschaufelwurzel 42.
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Es wird auf die 2 und 6 Bezug
genommen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Laufschaufelpaare 36 aus
Verbundmaterialien hergestellt, die eine Mehrzahl von ersten Fasern 72 und zweiten
Fasern 73 aufweisen, die in einer Verbundmatrix angeordnet
sind. Die ersten Fasern 72 erstrecken sich von der oder
von nahe der Spitze 60 eines Strömungsprofils 36, 38 nach
unten durch die Plattform 40 in eine Laufschaufelwurzelwand 52, 54,
nach oben durch die andere Laufschaufelwurzelwand 54, 52,
zurück
durch die Plattform 40 und in das andere Strömungsprofil 38, 36 und
enden an oder nahe bei der Spitze 60. Die zweiten Fasern 73 sind
den ersten Fasern 72 benachbart positioniert und erstrecken sich
entlang der Strömungsprofile 36, 38 und
der Wurzel 42. Die zweiten Fasern 73 erstrecken
sich auch durch die Plattform 40. Beispielsweise können sich
die zweiten Fasern 73 von einem Abschnitt der Plattform 40 in
eine Laufschaufelwurzelwand 52, 54 oder von der
Plattform 40 in ein Strömungsprofil 36, 38 oder
von einem Strömungsprofil 36, 38 durch
den Zwischenlaufschaufelbereich 70 der Plattform und in das
andere Strömungsprofil 38, 36 erstrecken.
Die ersten Fasern 72 haben einen Elastizitätsmodulwert, der
höher ist
als der der zweiten Fasern 73, und sie sind deshalb "steifer" als die zweiten
Fasern 73. Die zweiten Fasern 73 haben jedoch
einen höheren
Prozentsatz an Längung
bei Versagen als die ersten Fasern 72.
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Die Verteilung der ersten Fasern 72 und
der zweiten Fasern 73 in dem Laufschaufelpaar 34 und die
mechanischen Eigenschaften der ersten Fasern 72 und der
zweiten Fasern 73 geben dem Laufschaufelpaar 34 wünschenswerte
Leistungseigenschaften. Die Ausrichtung zwischen den Strömungsprofilen 36, 38 und
den Laufschaufelwurzelwänden 52, 54 ermöglicht es
den ersten Fasern 72, sich in einer kontinuierlichen Weise über das
Laufschaufelpaar 34 zu erstrecken. In der Folge verlaufen
die Radialzuglinien linear oder annähernd linear durch jedes Strömungsprofil 36, 38 und
der damit ausgerichteten Laufschaufelwurzelwand 52, 54,
was wiederum die Belastungsfähigkeit
des Laufschaufelpaars 34 optimiert. Die Verteilung der
weniger kräftigen
zweiten Fasern 73, insbesondere in dem Zwischenlaufschaufelbereich 70 der
Plattform gibt dem Laufschaufelpaar 34: 1) adäquate Scher-
und Biegesteifigkeit, um schwingungsbezogene Ermüdungsprobleme zu vermeiden;
und 2) die Fähigkeit,
Energie, welche von einem Fremdkörper übertragen
wurde, der auf eines oder beide Strömungsprofile auftrifft, zu
verteilen. Fremdkörperaufprall
niedriger Energie wird aufgenommen, indem man ein Übertragen
der Aufprallenergie in die Plattform 40 und ein Verteilen
darin zulässt,
um so die Beschädigung
des/der Strömungsprofile) 36, 38 und
der Wurzel 42 zu vermindern. Fremdkörperaufprall höherer Energien
wird auch aufgenommen, indem die Aufprallenergie in die Plattform 40 übertragen
wird. Wenn die Aufprallenergie groß genug wird, wird sich jedoch
die Plattform teilweise oder vollständig wellen und versagen, während sie
die Aufprallenergie verteilt. Die Plattform 40 wird, falls
erforderlich, geopfert, um die Strömungsprofile 36, 38 angeschlossen
zu halten, was wiederum weitere Beschädigung in der Maschine 10 vermindert.
Das Grundmaterial der ersten Fasern 72 und der zweiten
Fasern 73 wird von der vorliegenden Anwendung abhängen. Kohlefasern
und Glasfasern sind Beispiele für
erste bzw. zweite Fasermaterialien.
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II. Die Rotorscheibe
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Es wird auf die 1 und 7 bis 9 Bezug genommen. Die Rotorscheibe 32 weist
einen vorderen Steg 74 und einen hinteren Steg 76 auf.
Der vordere Steg 74 weist eine innere Oberfläche 78,
ein vorderes Spulenbefestigungselement
80, einen vorderen Flansch 82,
eine Zentralnabe 84 und eine Mehrzahl erster Stummelzapfen 86 auf.
Die innere Oberfläche 78 ist
mit einem Winkel "ϕ" relativ zu einer
Radiallinie 81 rechtwinklig zu der Axialmittellinie 28 angeordnet. Die
ersten Stummelzapfen 86 sind um den Umfang des vorderen
Stegs 74 verteilt und ragen von der inneren Oberfläche 78 nach
außen
weg. Jeder erste Stummelzapfen 86 verläuft in Längsrichtung zwischen einem
Axialende 88 und einem Stegende 90. Das Stegende 90 eines
jeden ersten Stummelzapfens 86 ist vorzugsweise integral,
beispielsweise durch eine metallurgische Verbindung an der inneren Oberfläche 78 des
vorderen Stegs 74 angebracht.
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Der hintere Steg 76 weist
eine innere Oberfläche 92,
ein hinteres Spulenbefestigungselement 24, eine Zentralnabe 96 und
eine Mehrzahl von zweiten Stummelzapfen 98 auf. Die innere
Oberfläche 92 des
hinteren Stegs 76 ist mit einem Winkel "λ" relativ zu einer
Radiallinie 100 rechtwinklig zur Axialmittellinie 28 angeordnet.
Die zweiten Stummelzapfen 98 sind um den Umfang des hinteren
Stegs 76 verteilt und ragen von der inneren Oberfläche 92 weg.
Jeder zweite Stummelzapfen 98 verläuft in Längsrichtung zwischen einem
Axialende 102 und einem Stegende 104. Das Stegende 104 eines
jeden zweiten Stummmelzapfens 98 ist vorzugsweise integral,
beispielsweise mit einer metallurgischen Verbindung, an der inneren
Oberfläche 92 des
hinteren Stegs 76 angebracht.
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Die ersten und die zweiten Stummelzapfen 86, 98 sind
gleich in ihrer Anzahl und ähnlich
um die Axialmittellinie 28 beabstandet. Jeder erste Stummelzapfen 86 ist
mit einem zweiten Stummelzapfen 98 ausgerichtet und umgekehrt.
Eine Mehrzahl von Befestigungselementen 106, beispielsweise
Schrauben- und Mutternpaare, befestigen den ersten und den zweiten
Stummelzapfen 86, 98 und somit Stege 74, 76 aneinander.
In der bevorzugten Ausführungsform
weist jeder erste und zweite Stummelzapfen 86, 98 einen
Flansch 108 dem Axialende 88, 102 benachbart
auf, der von der äußeren radialen
Oberfläche 110 des
Stummelzapfens 86, 98 nach außen ragt. Die Flansche 108 der
ausgerichteten Stummelzapfen 86, 98 sind miteinander
ausgerichtet, und die Befestigungselemente 106 koppeln
die ausrerichteten Stummelzapfen 86, 98 durch
die Flansche 108. Der erste und der zweite Stummelzapfen 86, 98 können auch
Pass flächen 112 aufweisen,
die in dem Axialende 88, 102 eines jeden Zapfens 86, 98 angeordnet
sind. 1 und 9 zeigen eine Ausführungsform der
Passflächen 112,
wobei jeder erste und jeder zweite Stummelzapfen 86, 98 eine
Zunge 114 aufweist, die in den anderen Zapfen 98, 86 ragt.
Andere Passflächen 112 können alternativ
verwendet werden.
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Die Stummelzapfen 86, 98 erstrecken
sich zwischen dem vorderen Steg 74 und dem hinteren Steg 76,
sind schräg
zu der Axialmittellinie 28 und verlaufen spiralförmig zwischen
den Stegen 74, 76 in einer Weise ähnlich zu
der der Laufschaufelwurzeln 42, die vorangehend beschrieben
wurde. Das Maß an
Schrägstellung
zwischen den Stummelzapfen 86, 98 und der Axialmittellinie 28 ist
im wesentlichen gleich zu der Schrägstellung zwischen den Profilsehnenlinien
der Strömungsprofile 36, 38 und
der Axialmittellinie 28 und wird deshalb durch den gleichen Winkel "α" repräsentiert. Das Maß an Spiralverlauf (oder "Verdrehung") über die
Länge der
kombinierten Stummelzapfen 86, 98 ist entsprechend
als Winkel "β" gezeigt, der vorangehend
aus das Maß des
Spiralverlaufs der Laufschaufelpaar-Wurzel 42 beschrieben
wurde. Die Größe des Schräg-Winkels "α" und des Spiral-Winkels "β" wird von der vorliegenden Anwendung
abhängen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Vielzahl von
Schräg-Winkeln und Maß an Spiralverlauf
bewältigt
werden kann und somit der vorliegenden Erfindung beträchtliche
Vielfältigkeit
gibt.
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Es wird auf 9 Bezug genommen. Der Bläserabschnitt 12 wird
zusammengebaut, indem die ersten Stummelzapfen 86 in die
Laufschaufelwurzel-Hohlräume 56 einer
geeigneten Anzahl von Rotorlaufschaufelpaaren 34 aufgenommen
werden. Als Nächstes
werden die zweiten Stummelzapfen 98 in die Hohlräume 56 eingesetzt
und mit den ersten Stummelzapfen 86 ausgerichtet. An diesem
Punkt halten die inneren Oberflächen 78, 92 des
vorderen Stegs 74 und des hinteren Stegs 76, die
mit Winkeln "ϕ" bzw. "λ" angeordnet sind, die Laufschaufelpaare 34 in
Position und erleichtern so den Zusammenbau. Die Befestigungselemente 106 werden
anschließend in
die Flansche 108 an der äußeren radialen Oberfläche 110 der
Stummelzapfen 86, 98 eingesetzt und angezogen,
um die Stummelzapfen 86, 98 und somit die Stege 74, 76 aneinander
zu befestigen.
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Aus der vorangegangenen Beschreibung wird
man erkennen, dass die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten
Ausführungsform
eine Axial-Turbinenmaschinen-Rotoranordnung liefert, die einen minimalen
internen Strömungswegdurchmesser
hat, die Verbundmateriallaufschaufeln verwendet und die minimales
Gewicht aufweist. Sie liefert auch eine Scheibe für eine Axial-Turbinenmaschine,
die Rotorlaufschaufelbelastungen aufnehmen kann.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Erfindung abzuweichen. Vorzugsweise ist die vorliegende Erfindung
hier als eine Bläserrotoranordnung
beschrieben. Die Rotoranordnung der vorliegenden Erfindung kann
jedoch alternativ in Verdichter- und/oder Turbinenanwendungen verwendet werden.
Als ein zweites Beispiel sind die Laufschaufelpaare 34 vorangehend
als Verbundmaterialstrukturen beschrieben. Die Laufschaufelpaare
sind jedoch nicht auf Verbundmaterialien beschränkt. Ein Legierungs-Laufschaufelpaar 34 mit
einer zum Absorbieren von Energie in der vorangehend beschriebenen
Weise ausgelegten Plattform könnte
alternativ verwendet werden.