DE69800296T2

DE69800296T2 - Beschaufelte Rotorscheibe mit dreifüssigen Schaufeln

Info

Publication number: DE69800296T2
Application number: DE69800296T
Authority: DE
Inventors: Jacky Naudet; Christophe Poy
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: EP0854268A1; DE69800296D1; FR2758364A1; JPH10205304A; CA2227521A1; EP0854268B1; US5919032A; FR2758364B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Schaufel-Rotorscheibe mit dreifüssigen Schaufeln.
Maschinen wie z. B. Gasturbinen weisen alle Schaufel-Rotorscheiben auf, die ihre Turbinen und ihre Kompressoren bilden. Wenn man einmal von den Rotorscheiben absieht, die einstückig mit ihren Schaufeln ausgeführt sind und die nicht sehr häufig verwendet werden, stellt man fest, daß es sehr unterschiedliche konkrete Ausführungen für die Befestigung der Schaufeln an der Scheibe gibt, sie aber in zwei deutlich voneinander unterschiedene Gruppen eingeordnet werden können: die der geräumten Rotorscheiben und die der Rotorscheiben mit Kreisnut.
Bei der ersten Gruppe werden mit einem Räumwerkzeug axialer oder schräger Richtung geradlinige oder kreisbogenförmige Nuten durch die Breite des Außenkranzes der Scheibe hindurch geräumt die Schaufeln werden um die Scheibe herum durch Schieben ihres Fußes entlang der Nuten eingesetzt, und das Einsetzen der Füße mit knollenförmigem Querschnitt in den ausgeräumten Nuten verhindern, daß die Schaufeln herausgerissen werden. In Fig. 6 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem Schaufeln 20 gebogene Füße aufweisen, die in komplementär geformten, geräumten Hohlräumen 22 sitzen, die über den Umfang eines Außenkranzes 23 der Rotorscheibe ausgeführt sind, der sich an einen schmaleren mittleren Teil 24 der Rotorscheibe anschließt. Bei der anderen Gruppe von Ausführungen erstreckt sich eine einzelne Nut über die Umfangslinie des Außenkranzes der Rotorscheibe und die Schaufelfüße greifen alle in sie ein.
Der Nachteil bei den Ausführungen der ersten Gruppe besteht darin, daß die sehr starken Kräfte, denen die Schaufeln 20 im Betrieb ausgesetzt sind, sich nicht gleichmäßig über die Rotorscheibe verteilen sie wirken auf die gesamte Breite des Außenkranzes ein, und nur ein kleiner Teil wird auf den schmaleren mittleren Teil 24 übertragen, während die ganze übrige Kraft auf die ausladenden Ränder des Kranzes einwirkt. Dies führt zu ungleichmäßigen starken Belastungen in der Rotorscheibe und insbesondere im Außenkranz, dessen Ränder sehr belastet werden, vor allem in den Bereichen 25, die sich an den Seiten des Außenkranzes 23 befinden, zwischen den geräumten Hohlräumen 22 und am Umfang des Kranzes. Die andere Gruppe von Ausführungen bietet hingegen eine ziemlich gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Rotorscheibe, wobei die Nut in der Ebene des mittleren Teils liegt, sie hat jedoch den Nachteil, daß die Schaufelfüße weniger ausgedehnte Nutabschnitte einnimmt als wenn sich ein geräumter Hohlraum in der Breite des Außenkranzes erstreckt, und sie müssen daher ein kleineres Volumen haben. Diese Gruppe von Ausführungen ist eher für kleine Schaufeln vorgesehen, die geringeren Kräften unterliegen.
Die Erfindung stellt eins Verbesserung des Einbaus von Schaufeln an einer Rotorscheibe im Rahmen der zweiten Gruppe dar. Der Vorteil einer guten Gleichmäßigkeit der Kräfte, der dieser Gruppe eigen ist wird erhalten und es wird dabei ermöglicht, wesentlich höhere Kräfte zu übertragen als mit den bekannten Ausführungen.
In der erfindungsgemäßen Schaufel Rotorscheibe sind drei kreisförmige Nuten ausgespart, in die jeweils einer der drei Füße jeder Schaufel eintaucht, wobei die Füße sich in verschiedenen Winkeln zur Rotorscheibe befinden, und zudem sind diese Füße zur Drehachse der Rotorscheibe hin gerichtete ferner haben die Nuten unterschiedliche Querschnitte und die Schaufelfüße haben ebenfalls unterschiedliche Querschnitte. Es kann von Vorteil sein, die nuten in unterschiedlichen Abständen von der Drehachse der Rotorscheibe anzuordnen, ebenfalls um entsprechend der (zylindrischen oder konischen) Form der Rotorscheibe eine Übertragung der hohen Kräfte zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können sich Stoßdämpfer zwischen den Schaufelfüßen und den Böden der Nuten befinden, um die Vibrationen zu verringern.
Es ist zu bemerken, daß in der Stift FR-A-2 375440 dreifüssige Schaufeln beschrieben sind, die aber in schraubenförmigen Nuten sitzen es handelt sich also um die erste Gruppe von Ausführungen. Die Vorrichtung der Schritt US A2 639119 gehört hingegen zur gleichen Gruppe von Ausführungen wie die Erfindung, und es werden dort Schaufeln mit mehreren Nuten (in den dargestellten Ausführungen mindestens vier) beschrieben, in denen sich jeweilige Füße der Schaufel in Eingriff befinden und durch Schmieden festen halt finden. Die Nuten und die Füße haben jedoch alle den gleichen Querschnitt, und ihre Anzahl ist beliebig und hängt von der Breite der Schaufeln und der Rotorscheibe ab. Bei einer solchen Anordnung können die Kräfte und Belastungen auf der Verbindungsfläche zwischen der Schaufel und der Scheibe nicht eingestellt werden, und die Anzahl der Füße bedeutet, daß sie alle einen kleinen Querschnitt haben. Dieser doppelte Nachteil verhindert, daß zwischen den Schaufeln und der Scheibe die gleichen Kräfte übertragen werden wie mit der Erfindung. Das gleiche gilt die Schrift US- A-1 638 639.
Schließlich muß die Schrift FR A 2 078 097 erwähnt werden, in der eine gebogene Feder beschrieben wird, die dem Stoßdämpfer der Erfindung gleicht, aber nicht an der gleichen Stelle angeordnet ist, und die im übrigen lediglich dazu dient, die aufeinanderfolgenden Schaufeln in der Nut gegen Winkelverschiebungen festzuhalten und sie daran zu hindern, die Verbreiterung der Nut zu erreichen, durch die sie beim Einbau eingesetzt werden.
Die Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Figuren näher hervor, wobei
Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung in einem diametralen Schnitt zeigt,
Fig. 2 eine weitere Ansicht dieser Ausführungsform zeigt, wobei die Rotorscheibe von außen in radialer Richtung gesehen wird.
Fig. 3 die Schaufelfüße und die Rotorscheibe in einer dreifachen Querschnittansicht gemäß der Linie III-III von Fig. 2 zeigt,
Fig. 4 eine Art des Einsetzens der Schaufeln zeigt,
Fig. 5 ein Element des Einbaus zeigt, und
Fig. 6 eine Ansicht nach dem bisherigen Stand der Technik zeigt.
Die erfindungsgemäße Rotorscheibe trägt in den Figuren die Bezugszahl 1; an ihr ist ein schmaler und flacher mittlerer Teil 2 zu erkennen, an dessen Rand sich der Außenkranz 3 anschließt, in dem eine mittlere Nut 4 und zwei diese erstere flankierende seitliche Nuten 5 and 6 ausgespart wurden, die alle drei kreisförmig sind und sich von dem Kranz 3 nach außen öffnen.
Die drei Nuten 4, 5 und 6 sind in ihrem Öffnungsabschnitt eng, um drei wulstförmige Füße 7, 8 bzw. 9 von Schaufeln 10 festzuhalten. Wenn sich die Rotorscheibe dreht und dabei den Kranz von Schaufeln 10 mitnimmt, werden diese letzteren unter der Einwirkung von Zentrifugalkräften, aerodynamischen Kräften und Vibrationskräften hauptsächlich radialen Kräften ausgesetzt, die durch drei Komponenten EL F8 und F9, die jeweils durch die Füße mit der entsprechenden Nummer verlaufen, an die Scheibe 1 übertragen werden. Auf diese Weise können die Kräfte in der Scheibe 1 besser verteilt werden, als wann nur die mittlere Nut 4 und der entsprechende Fuß 7 vorhanden wäre, wie in den älteren Konzepten. Die Kräfte F7, F8 und F9 werden über drei paare Kontaktflächen S zwischen den Seitenflächen der Nuten 4 bis 6 und den Füßen 7 bis 9 auf den Kranz 3 und von dort auf die übrige Scheibe 1 übertragen, und durch optimierte Positionierung dieser Flächen und ihrer Oberflächen lassen sich in der Scheibe 1 und insbesondere im Kranz 3 niedrige Belastungskonzentrationen erreichen. Es ist nämlich zu erkennen, daß die Querschnitte der Nuten 4, 5 und 6 wie auch die der Füße Z, S und unterschiedlich sind. Sie sind ferner in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse der Rotorscheibe angeordnet, deren Umfang je nach den üblichen Anforderungen der Dimensionierung der Maschinen zylindrisch oder konisch geformt sein kann. Dadurch, daß nur drei Füße 7, 8 und 9 vorhanden sind (ein mittlerer und zwei seitliche), können die durchs verlaufenden Kräfte F7, PS bzw. F9 exakt vorgesehen werden, was bei einer höheren Anzahl von Füßen nicht unbedingt der Fall wäre; es müßten dann auch die Nuten enger beieinander liegen und schmaler sein wodurch die Querschnitte der Füße und damit ihre Festigkeit geringer würden. Da eine solche Arbeit jedoch empirisch ist und nur aus Laborversuchen oder aus Computersimulationen hervorgeht und ihr Resultat stark von den konkreten Formen dar Schaufeln 10 (insbesondere von ihrer Wölbung) und der Rotorscheibe 1 abhängt, ist es nicht möglich, allgemeine Regeln anzugeben.
Fig. 2 zeigt, daß die Wölbung der Schaufeln 10 bedeutet, daß die Füße 7, 8 und 9 in verschiedenen Winkeln des Umfangs der Scheibe 1 angeordnet werden. Wie an Fig. 3 gut zu erkennen ist, sind die Füße 7, 8 und 9 dabei jedoch nicht parallel, sondern auf die Drehachse X der Scheibe 1 ausgerichtet, was die Belastungen gleichmäßiger macht.
Fig. 4 zeigt eine Form des Einbaus der Schaufeln 10 an dem Außenkranz 3 sind Einschnitte 11 mit radialer Richtung so ausgeführt, daß sie die Nuten 4, 5 und 6 stellenweise verbreitern, um sie breiter als die Füße 7, 8 und 9 zu machen und es zu ermöglichen, diese einzusetzen. Die Einsetzbewegung der Schaufeln kann rein radial sein oder kann, wie hier dargestellt, durch eine Drehung der Schaufel 10 um einen Scharnierpunkt 12 erfolgen, welcher durch den Kontakt einer Kante der Schaufel 10 mit dem Kranz 3 entsteht. In allen Fällen erfolgt die Verriegelung der Schaufeln 10 indem die Füße 7, 8 und 9 nach ihrem Einsetzen in ihre Nut 4, 5 und 6 geschoben werden, so daß sie den Kreisausschnitt der Einschnitte 11 verlassen.
Fig. 5 zeigt eine Stoßdämpferelement 13 aus elastischem Material mit gebogener Form, dessen Enden 14 auf dem Boden 15 einer beliebigen Nut 4, 5 oder 6 ruhen und dessen Mittelabschnitt 16 sich unter dem Fuß einer Schaufel 10 in Eingriff befindet und trotz der möglichen Bewe gung des Elements 13 entlang der Nut durch zwei aufgebogene Kanten 17, die den Schaufelfuß einklemmen, unter diesem Fuß festgehalten wird. Die radial gerichteten Vibrationen, denen die Schaufel 10 ausgesetzt wird, bewirken, daß das Element 13 zusammengedrückt und wieder gelockert wird, und daß es auf diese Weise Energie abführen kann. Unter dem Mittelabschnitt 16 ist vorteilhafterweise ein Vorsprung 18 vorgsehen, um an dem Boden 15 der Nut in Anschlag zu kommen, wenn das Zusammendrücken des Elements 13 eine gewünschte Grenze erreicht hat, die nicht überschritten werden soll.

Claims

1. Schaufel-Rotorscheibe (1) mit einem Außenkanz von Schaufeln Schaufeln (10),

dadurch gekennzeichnet, daß in ihr drei kreisförmige Nuten (4, 5, 6) ausgeführt sind, in die drei Schaufelfüße (7, 8 bzw. 9) jeder Schaufel (10) eintauchen, die sich in verschiedenen Winkeln zur Rotorscheibe befinden und zu einer Drehachse (X) der Rotorscheibe hin gerichtet sind und daß die Nuten (4, 5, 6) unterschiedliche Querschnitte haben und die Schaufelfüße (7, 8, 9) ebenfalls unterschiedliche Querschnitte haben.

2. Schaufel Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten sich in unterschiedlichen Abständen von der Drehachse der Rotorscheibe befinden.

3. Schaufel-Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßdämpfer (13) sich zwischen den Schaufelfüßen (10) und den Nutböden (15) binden.

4. Schaufel-Rotorscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßdämpfer ausgebogenen und federnden Plättchen, deren Enden auf den Nutböden ruhen und deren Mittelabachnitt (16) unter den Schaufelfüßen (10) liegt, und aus einem Federungsanschlag- Vorsprung (18), der unter dem Mittelabschnitt (16) angebracht ist und zu den Nutböden bin gerichtet ist, bestehen.