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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Rotoren, die in Gasturbinenmaschinen
verwendet werden, und insbesondere Gasturbinenrotoren mit einer
hohlen Scheibe.
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Alternierende
Stator- und Rotorstufen bilden den Bläser, den Verdichter und die
Turbine in den meisten modernen Gasturbinenmaschinen. Die Statorstufen
erhöhen
die Effizienz der Maschine, indem sie eine Kerngasströmung in
die Rotorstufen oder aus diesen führen. Die Rotorstufen in dem
Bläser
und dem Verdichter geben der Kerngasströmung Arbeit zu, um Schub zu
erzeugen. Die Rotorstufen in der Turbine entziehen im Gegensatz
ein Teil dieser Arbeit, um den Bläser und den Verdichter abzutreiben. Jede
Rotorstufe weist eine Scheibe und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln
auf, die mechanisch (z. B. mit einer "Tannenbaum"- oder "Schwalbenschwanz"-Anordnung) an dem
Rand der Scheibe angebracht sind oder integral mit dieser verbunden
sind (d. h. "integral
mit Laufschaufeln versehener Rotor" oder "IBR – Integrally Bladed Rotor"). Der Rand der Scheibe
ist an einer Zentralnabe über
einen sich dazwischen erstreckenden Steg angebracht.
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Während des
Betriebs ist jede Rotorscheibe mechanisch und thermisch belastet.
Die thermische Belastung (und die sich ergebende Spannung) ist üblicherweise
während
einer Transientenperiode am höchsten,
wo die Scheibe in einer kurzen Zeitdauer einer signifikanten thermischen Änderung
ausgesetzt ist. Konventionelle massive Rotorscheiben mit einer massiven
Nabe sind für
thermisch induzierte Spannung besonders anfällig. Die äußeren Bereiche der massiven
Nabe kühlen
in Reaktion auf die thermische Änderung
relativ schnell ab oder heizen sich relativ schnell auf. Die inneren
Bereiche können
jedoch nicht so schnell reagieren und erzeugen so eine Ungleichheit
der thermischen Ausdehnung in der Nabe, was zu thermisch induzierter
Spannung führt.
Mechanische Belastung, die andere Hauptkomponente, die Stress induziert,
geht von dem Kerngas, welches auf die Rotorlaufschaufeln wirkt,
und der Zentrifugalkraft aus, die auf jedes Rotorstufenbauteil wirkt.
Die Zentrifugalkraft kann in einfachster Weise mit der folgenden
Gleichung beschrieben werden:
wobei gilt: F = Zentrifugalkraft,
die auf einen Körper wirkt;
m = Masse des Körpers;
v = Tangentialgeschwindigkeit des Körpers bei einem speziellen
radialen Abstand; r = radialer Abstand zwischen dem Körper und
der Rotationsachse; und ω =
Winkelgeschwindigkeit des Körpers.
Wie man aus der vorangegangenen Gleichung erkennen kann, steht die Zentrifugalkraft
in einer direkten Beziehung zu dem radialen Abstand des Körpers und
dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Körpers. Die Masse eines jeden
Rotorstufenbauteils und dessen Radialposition sind deshalb von überragender
Bedeutung bei Hochdrehzahlanwendungen (d. h. solchen über 20.000
rpm).
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Unter
idealen Bedingungen ist die mechanische Belastung gleichförmig über die
Länge der
Nabenbohrung verteilt, so dass belastungsinduzierte umfangsmäßige Spannung
(auch als "Ringspannung" bzw. "hoop stress" bezeichnet) in ähnlicher Weise
gleichförmig
verteilt und folglich minimiert ist. Konventionelle massive Rotorscheiben
lokalisieren jedoch tendenziell die mechanische Belastung in dem
Zentralbereich der Nabe (d. h. in dem Bereich, der radial im Wesentlichen
mit dem Steg und den Rotorlaufschaufeln ausgerichtet ist). Die Nabenbohrung der
konventionellen massiven Scheibe, welche schließlich die gesamte mechanische
Last trägt,
erfährt
folglich eine Konzentration der Ringspannung in dem Zentralbereich.
Ein Fachmann wird erkennen, dass eine ungleichförmige Belastungsverteilung
und eine sich daraus ergebende Ringspannung in unerwünschter
Weise die Bauteillebensdauer begrenzt.
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Höhere Rotorscheibenlasten
wurden historisch durch das Erhöhen
der Querschnittsfläche
der Scheibe aufgenommen, d. h. indem man die Scheibe robuster gemacht
hat. In der Theorie fördert
eine größere Querschnittsfläche die
Verteilung der Last in der Scheibe, was wiederum die Spannung an
irgendeinem speziellen Punkt minimiert. Wie man aus der vorangegangenen
Erklärung
der Zentrifugalkraft jedoch erwarten kann, hat dieser Ansatz Grenzen.
Das Erhöhen
des Scheibenquerschnitts hauptsächlich
in der Radialrichtung (siehe 3) liefert eine
eingeschränkte
Gegenleistung wegen der zusätzlichen Zentrifugalkraft,
die das erzeugt. Das Erhöhen
der Scheibenquerschnittsfläche
hauptsächlich
in der Axialrichtung (siehe 4) liefert
andererseits auch eine beschränkte
Gegenleistung wegen der vorangehend beschriebenen ungleichförmigen Belastung
in der Nabe.
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Das
Zugeben von Masse zu der Scheibe kann auch die Herstellung einer
Scheibe mit gleichförmigen
mechanischen Eigenschaften erschweren. Rotorscheiben, insbesondere
solche, die bei Hochdrehzahlanwendungen verwendet werden, sind häufig geschmiedet,
weil das Schmieden eine höhere
Toleranz für
Ringspannung schafft, als ein ähnlicher
gegossener Rotor. Nach dem maschinellen Bearbeiten wird die geschmiedete
Scheibe typischerweise erwärmt
und schnell abgekühlt,
um die Fähigkeit
der Scheibe für
die Aufnahme von Ringspannung zu erhöhen. In manchen Fällen verhindert
jedoch die thermische Trägheit,
die einer massiven Scheibennabe inhärent ist, dass der Innenbereich
der Nabe mit der gleichen Geschwindigkeit wie seine Außenbereiche abgekühlt wird.
Die Ungleichheit der Abkühlraten
erzeugt ein Kornstrukturprofil (und folglich ein Profil der Materialfestigkeit),
welches exakt invers zu dem ist, was in einer konventionellen massiven
Scheibe benötigt
wird, wo die lokalisierte Belastung durch den Zentralbereich der
Nabe geht.
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Die
Notwendigkeit, den Rotorlaufschaufeln Kühlluft zuzuführen, ist
eine weitere Konstruktionsüberlegung.
Turbinenrotorlaufschaufeln weisen beispielsweise interne Kühlluftpassagen
zu Wärmeübertragungszwecken
auf. Das Zuführen
der Kühlluft zu
den rotierenden Laufschaufeln ist schon immer eine Herausforderung.
Das US Patent Nr. 3,742,706 ('706),
welches der General Electric Company erteilt wurde, beschreibt,
dass eine Rotorscheibe zwei axial beabstandete Scheiben aufweisen
kann, die mit einer Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Leitelementen
verbunden sind, die radial nach außen ragen. Es wird behauptet,
dass die Leitelemente und die Passagen dazwischen Kühlluft radial
nach außen in
Richtung zu den Rotorlaufschaufeln zentrifugieren und pumpen. Das
US Patent Nr. 3,982,852 ('852), welches
auch der General Electric Company erteilt wurde, beschreibt, dass
verbindende Leitelemente, ähnlich
zu den in '706 beschriebenen,
kompressiv weit über
deren Materialeigenschaften belastet werden können. Ein Problem mit dem Bilden
von Passagen zwischen Scheibenhälften über eine
Mehrzahl von Leitelementen ist deshalb der Effekt, den die Passagen auf
die Belastbarkeit (und deshalb auf die Drehzahl) der Scheibe haben.
Wie vorangehend ausgeführt,
ist die Belastung bei konventionellen Scheiben axial in der Scheibe
zentriert. Passagen, die mit dem Lastweg ausgerichtet sind, können die
Lastkapazität
einer derartigen Scheibe beeinträchtigen.
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Ein
weiteres Problem bei einer Rotorscheibe mit einer Mehrzahl von Passagen
zwischen Scheibenhälften
ist die Schwierigkeit und sind die Kosten der Herstellung einer
solchen Scheibe. Eine geschmierte Verbindung zwischen metallischen
Elementen kann, vorausgesetzt, die zu verbindenden Elemente sind
passend erwärmt
und es steht ein hoher Druck zur Verfügung, um die Elemente zusammenzupressen,
in einer relativ kurzen Zeitdauer bewirkt werden. Ein Vorteil einer
geschmiedeten Verbindung ist, dass die Zeit bei einer Temperatur
normalerweise nicht groß genug
ist, um eine signifikante Verschlechterung mechanischer Eigenschaften
zu bewirken. Ein Nachteil einer Schmiedeverbindung ist, insbesondere
dann, wenn eine der Verbindungsflächen ein schmales Leitelement
ist, dass eine oder mehrere Leitelemente während des Verbindungsprozesses
ausbeulen können.
Wenn keines der Leitelemente ausbeult, besteht dennoch eine Wahrscheinlichkeit,
dass der Verbindungszwischenfläche
benachbart eine signifikante Menge an Materialversatz erzeugt wird.
Ein Fachmann wird erkennen, dass das Entfernen des Materialversatzes
von Radialpassagen in einer Rotorscheibe günstigstenfalls schwierig ist.
In der Passage verbleibender Materialversatz wird Strömung behindern
und unerwünschte
Spannungsspitzenbildner erzeugen. Eine Diffusionsverbindung zwischen
metallischen Elementen erfordert im Gegensatz eine relativ lange
Zeitdauer und eine geeignete Wärme,
um eine akzeptable Verbindung zu erzeugen, erfordert jedoch keinen
hohen Druck, um die Elemente zusammenzudrücken. Ein Vorteil des Diffusionsverbindens
ist, dass wenig oder kein Materialversatz der Verbindungszwischenfläche benachbart
gebildet wird. Ein Nachteil des Verwendens des Diffusionsverbindens
zum Verbinden der Rotorscheibenhälften
ist, dass die benötigte
Zeit bei der Temperatur normalerweise ausreicht, um eine signifikante
Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zu verursachen.
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Deshalb
wird eine Rotorscheibe für
eine Gasturbinenmaschine benötigt,
die eine hohe Belastbarkeit hat, eine, die in der Lage ist, ihre
Leistung bei einer Hochdrehzahlanwendung zu liefern, eine, die erfolgreich
wärmebehandelt
werden kann, eine, die einfach hergestellt werden kann, und eine,
die in der Lage ist, den daran angebrachten Rotorlaufschaufeln Kühlluft zu
liefern.
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US-A-3053437
beschreibt eine Rotorscheibe mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1. US-A-4102603 beschreibt auch eine Rotorscheibe mit
einem vorderen und einem hinteren Steg.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rotorscheibe
für eine
Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Vorzugsweise
ist eine Einrichtung zum Fördern
von Kühlluft
in angeschlossene Rotorlaufschaufeln vorgesehen.
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Ein
Vorteil der vorangegangenen Anordnung ist, dass die Doppelstege
und -naben der Rotorscheibe eine höhere Belastungsfähigkeit
geben als die von vergleichbaren konventionellen Gasturbinenmaschinenrotorscheiben.
Insbesondere schaffen die schrägen
Doppelstege und die Doppelnaben einen effizienten Lastweg zwischen
dem Rand und den Naben, der gleichförmig die Belastung in jeder
Nabe verteilt. Die gleichförmige
Lastverteilung verhindert Konzentrationen von Ringspannung, welche
die Belastbarkeit der Rotorscheibe begrenzen kann. Außerdem minimieren
die schrägen
Doppelstege und Doppelnaben auch die der Nabenbohrung benachbarte
Axialspannung. Konventionelle Scheiben mit einem einzigen Steg mit
breiter Nabe für
hohe Drehzahl mit einer hohen an den Zentralbereich der Nabe lokalisierten
Belastung erfahren eine signifikante Biegemomentkomponente in Axialrichtung,
was einen dreidimensionalen Spannungszustand in der Nabe der Bohrung
benachbart induziert. Die relativ schmalen Doppelnaben der vorliegenden
Erfindung erfahren weit weniger axiale Verbiegung, was wiederum
die Axialspannung der benachbarten Nabenbohrung minimiert und so
die Lebensdauer des Bauteils erhöht.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Naben
der vorliegenden Erfindung effektiv wärmebehandelt werden können, im
Gegensatz zu der massiven Nabe einer vergleichbaren konventionellen
massiven Rotorscheibe. Das Wärmebehandeln
optimiert die mechanischen Eigenschaften, was die Ringfestigkeit
und deshalb die Belastbarkeit der Rotorscheibe erhöht. Ein
wichtiger Vorteil, der von der erhöhten Belastungsfähigkeit
herrührt,
ist die Fähigkeit
der Rotorscheibe der vorliegenden Erfindung, einen Betrieb bei höheren als
konventionellen Drehzahlen auszuhalten.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie leicht
hergestellt werden kann. Manche Rotorscheibenkonstruktionen des
Stands der Technik verwenden Kühlpassagen,
die entlang der axialen Mittellinie der Rotorscheibe angeordnet sind.
Die Passagen sind zwischen benachbarten Leitelementen angeordnet,
die sich zwischen Abschnitten der Nabe, des Stegs und des Rands
der Scheibe erstrecken. Das Verbinden der Scheibenabschnitte miteinander
durch eine Schmiedeverbindung kann zu einer strukturellen Instabilität (Leitelement-Verbeulen)
und unerwünschtem
Materialversatz in den Passagen führen. Das Verbinden der Scheibenabschnitte
durch Diffusionsverbinden vermeidet substantielles Bilden von Materialversatz
in den Passagen, kann jedoch nachteilig die Ringfestigkeit der Scheibenabschnitte
beeinflussen. Die vorliegende Erfindung sorgt im Gegensatz dazu,
dass zwei geschmiedete Scheibenhälften
metallurgisch entlang des Rands zu einer einzigen Einheit mit einem
robusten Rand verbunden werden können.
Das Beginnen mit zwei geschmiedeten Hälften erlaubt es, die Innenoberflächen eines
jeden Stegs maschinell vor dem Zusammenbau zu bearbeiten, wo einfacher
Zugang besteht. Das metallurgische Verbinden der zwei Hälften miteinander
schafft auch einen robusten Rand, der für Verfahren zum Schaffen von
Ausnehmungen (mechanisch angeschlossene Rotorlaufschaufeln) oder
metallurgischer Verbindung (IBR) gut geeignet ist.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Einrichtung
zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer Rotorlaufschaufel, die an dem Scheibenrand angebracht ist,
einfach in die Rotorscheibe inkorporiert werden kann, ohne die Herstellbarkeit
oder die Belastbarkeit der Scheibe zu beeinträchtigen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine.
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2 ist
eine schematische Teilansicht einer Turbinenrotorstufe und von Statorstufen.
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3 ist
eine schematische Ansicht einer konventionellen massiven Rotorscheibe
mit einer radial verstärkten
Nabe.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer konventionellen Rotorscheibe mit
einer axial verstärkten
Nabe.
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Es
wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 10 kann
beschrieben werden als aufweisend einen Bläser 12, einen Verdichter 14,
einen Brenner 16, eine Turbine 18, einen Schubverstärker 20 und
eine Düse 22.
Den Bläser 12 verlassende
Luft wird auf Kerngasluft und Bypassluft aufgeteilt. Kerngas folgt
einem Weg durch den Verdichter 14, den Brenner 16,
die Turbine 18, den Schubverstärker 20 und die Düse 22 in
dieser Reihenfolge. Kerngas kann deshalb als einem im Wesentlichen
zur Achse 24 der Maschine 10 parallelen Weg folgend
beschrieben werden. Bypassluft folgt auch einem Weg parallel zur
Achse 24 der Maschine 10 und geht durch einen
Ringraum 26, der sich entlang dem Umfang der Maschine 10 erstreckt.
Der Bläser 12,
der Verdichter 14 und die Turbine 18 weisen jeweils
eine Mehrzahl von Statorstufen 28 und Rotorstufen 30 auf.
Nun wird auf die 2 Bezug genommen. Jede Statorstufe 28 weist
eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 32 auf, die sich
zwischen einer inneren Radialplattform 34 und einer äußeren Radialplattform 36 erstrecken.
Die innere und die äußere Radialplattform 34, 36 erstrecken
sich umfangsmäßig, um
die Kerngasweggrenzen zu bilden. Bei manchen Anwendungen weisen
Statorleitschaufeln 32 Passagen 38 auf, durch
die Bypassluft in Bereiche 40 radial in dem Kerngasströmungsweg
gelenkt werden können.
Jede Rotorstufe 30 weist eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 42 auf,
die von einer Scheibe 44 radial nach außen ragen. Die Rotorlaufschaufeln 42 können an
der Scheibe 44 mittels mechanischer Befestigungsmethoden
(z. B. Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzwurzel) befestigt sein oder
sie können
integral als ein Teil eines integral mit Laufschaufeln versehenen
Rotors (IBR – Integrally
Bladed Rotor) angebracht sein. Eine Auskleidung 46, die radial
außerhalb
der Rotorstufe 30 angeordnet ist, kann eine äußere Laufschaufelluftdichtung 47 oder ähnliches
zum Abdichten an der Spitze der Rotorlaufschaufel 42 aufweisen.
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Die
Rotorscheibe 44 weist einen Rand 48, einen vorderen
Steg 50 und einen hinteren Steg 52 und eine vordere
Nabe 54 und eine hintere Nabe 56 auf. Die vordere
Nabe 54 ist mit dem Rand 48 durch den vorderen
Steg 50 verbunden und die hintere Nabe 56 ist
mit dem Rand 48 durch den hinteren Steg 52 verbunden.
Die Naben 54, 56 sind voneinander beabstandet
und jede weist eine Bohrung 58 auf, die an der Rotationsachse 24 der
Scheibe zentriert ist (die vorangehend als die Achse der Maschine
bezeichnet wurde). Die Stege 50, 52 und die Naben 54, 56 sind relativ
zur Axialmittellinie 60 der Scheibe 44, die von der
Rotationsachse 24 in Radialrichtung rechtwinklig nach außen ragt,
im Wesentlichen symmetrisch positioniert. Jeder Steg 50, 52 ist
ein Stück
gegen die Axialmittellinie 60 schräggestellt, was nachfolgend
als "Schrägwinkel
des Stegs" oder "a" bezeichnet wird. Wie man in der 2 erkennen
kann, gehen die Stege 50, 52 von der Axialmittellinie 60 schräg weg, wenn
man sich radial von dem Rand 48 zu jeder Nabe 54, 56 nach
innen bewegt. Die schrägen
Stege 50, 52 und die getrennten Naben 54, 56 formen
einen Hohlraum 62 in der Scheibe 44. In der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Nabenabstandselement 64 zwischen den Naben 54, 56 positioniert,
um bei allen Belastungszuständen
einen gewünschten
Separationsabstand beizubehalten. Das Nabenabstandselement 64 ist
vorzugsweise ein segmentierter Ring mit Passagen 66, um
ein Strömen
von Luft in den Scheibenhohlraum 62 zu erlauben.
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Jeder
Steg 50, 52 weist einen Innenoberfläche 68 und
eine Außenoberfläche 70 auf.
An ihrem äußeren Radialende 24 weist
jede Innenoberfläche 68 eine Übergangsoberfläche 74 auf,
die sich gekrümmt
in Richtung zu der anderen Innenoberfläche 68 dreht. Gemeinsam
schaffen die zwei Übergangsoberflächen 74 einen
glatten Übergang
zwischen den Innenoberflächen 68 des
Stegs. An ihrem inneren Radialende 75 weist jede Innenoberfläche 68 einen Übergangsoberfläche 76 auf,
die gekrümmt
in Richtung zu der anderen Innenoberfläche 68 dreht und so einen
glatten Übergang
in die jeweilige Nabe 54, 56 schafft. Bei einer
Ausführungsform
weisen die Innenoberflächen 68 ferner
eine Einrichtung 78 zum Fördern von Kühlluft, die in den Hohlraum 62 gelangt ist,
radial nach außen
und in die Passagen 80 in dem Rand 48 zu Kühlzwecken
für die
Rotorlaufschaufel 42 auf. Die Einrichtung 78 zum
Fördern
von Kühlluft kann
beispielsweise eine Mehrzahl von umfangsmäßig verteilten Leitelementen 82 aufweisen,
die ein Stück
von jeder Innenoberfläche 68 wegragen.
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Die
Rotorscheibe 44 ist anfangs zu zwei Hälften 84, 86 hergestellt.
Die vordere Hälfte 84 weist einen
Teil des Rands 48, den vorderen Steg 50 und die
vordere Nabe 54 auf und die hintere Hälfte 86 weist den
anderen Teil des Rands 48, den hinteren Steg 52 und
die hintere Nabe 86 auf. Für Hochlastanwendungen, wie
beispielsweise einen Hochdrehzahlturbinenscheibe kann jede Scheibenhälfte 84, 86 aus einer
Nickellegierung geschmiedet sein und maschinell zu der angenäherten Endgestalt
bearbeitet sein. Die Innenoberflächen 68 werden
anschließend
fertig bearbeitet, einschließlich
des Bearbeitens der Kühl-Leitelemente 82 in
die (und/oder Anbringen der Kühl-Leitelemente 82 an
den) Innenoberflächen 68 einer
jeden Scheibenhälfte 84, 86,
falls erforderlich. Die Randbereiche 48 einer jeden Hälfte 84, 86 sind maschinell
bearbeitet, um den metallurgischen Verbindungsschritt zu ermöglichen,
wo die zwei Hälften 84, 86 verbunden
werden, um die Scheibe 44 zu bilden. Das bevorzugte Verbindungsverfahren
beinhaltet eine Verbindung vom Schmiedetyp, welches ein örtliches
Erhitzen und eine diffundierbare Zwischenfolie (nicht gezeigt) verwendet.
Die relativ kurze Zeit, die für
die Schmiedeverbindung benötigt
wird, und das lokalisierte Erhitzen minimieren die Auswirkung des
Verbindeprozesses auf die metallurgischen Eigenschaften einer jeden
Schmiedehälfte 84, 86 und den
bei dem Verfahren gebildeten Materialversatz. Nach dem Verbinden
der Scheibenhälften 84, 86 wird das
abschließende
Bearbeiten des Äußeren abgeschlossen
und die Scheibe 44 wird wie erforderlich wärmebehandelt.
Der Wärmebehandlungsprozess ist
infolge der Doppelstege 50, 52 und der Doppelnaben 54, 56 deutlich
vereinfacht. Wie vorangehend angegeben, sind konventionelle massive
solide Scheiben (siehe 3 und 4) schwierig
durchgehend wärmezubehandeln
ohne die Ringfestigkeit der Scheibe zu beeinträchtigen. Die weniger massiven Doppelstege 50, 52 und
Doppelnaben 54, 56 der Scheibe der vorliegenden
Erfindung können
effektiv wärmebehandelt
werden, um optimale metallurgische Eigenschaften mit minimalen oder
keinen unerwünschten
Konsequenzen zu etablieren.
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Bei
Betrieb ist eine Rotorscheibe beträchtlicher Spannung ausgesetzt,
welche die Nutzungslebensdauer der Scheibe verringern kann. Sich
aus Wärmebelastung
ergebende Spannung ist während Transientenperioden
am höchsten,
wo die Scheibe infolge einer signifikanten thermischen Änderung
expandiert oder sich zusammenzieht. Die vorliegenden Doppelnaben 54, 56,
die jeweils weniger massiv als eine konventionelle Nabe (siehe 3 und 4) ist,
liefern einen minimalen thermischen Nachlauf und folglich minimale
thermische Spannung. Sich aus mechanischer Belastung ergebende Spannung nimmt
andererseits mit der Drehzahl zu. 4 zeigt eine
schematische Darstellung einer Ringspannung 88, die in einem
axialen Zentralbereich 90 infolge einer ungleichförmigen,
axial zentrierten mechanischen Belastung (wie vorangehend beschrieben) konzentriert
ist. Die vorliegende Rotorscheibe 44 minimiert mechanisch
induzierte Spannung durch symmetrisches Verteilen der Zentrifugallast
auf die Doppelstege 50, 52 und Doppelnaben 54, 56.
Die gekrümmte Übergangsoberfläche 74 an
dem äußeren Radialende 72 einer
jeden inneren Stegoberfläche 68 erleichtert
den Lastübergang
in die Stege 50, 52 und minimiert so Spannungskonzentration
an dem Übergang
der Stege 50, 52. Die Stege 50, 52 wiederum
treffen zentral auf die Naben 54, 56 und weiten sich
axial in diese auf. Der glatte Übergang
zwischen den Stegen 50, 52 und den Naben 54, 56 und
die minimale axiale Expansion, die von dem Steg 50, 52 zur Nabe 54, 56 erforderlich
ist, fördern
eine gleichförmige
Lastverteilung und minimiert Ringspannungskonzentration in jeder
Nabenbohrung 58. Außerdem können die
Doppelnaben 54, 56 einfach durch und durch wärmebehandelt
werden, um eine optimale Ringfestigkeit zu liefern, mit wenig oder
keinen der negativen Konsequenzen, die wahrscheinlich sind, wenn
eine massive solide Rotorscheibennabe wärmebehandelt wird (siehe 3 und 4).
Zusammengefaßt
ergibt sich, dass mehrere Vorteile Ausfluss der vorliegenden Erfindung
sind, einschließlich: (1)
eine erhöhte
Belastbarkeit (höheres
Drehzahlpotential) für
einen vorgegebene Anwendung und ein vorgegebenes Rotorscheibenmaterial;
(2) eine erhöhte
zulässige
Lebenszyklusdauer für
ein vorgegebenes Rotorscheibenmaterial; und (3) die Fähigkeit, alternative
Rotorscheibenmaterialien für
eine vorgegebene Anwendung zu verwenden.
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Aus
dem Vorangegangenen erkennt man, dass bei der beschriebenen Ausführungsform
die vorliegende Erfindung eine Rotorscheibe mit hoher Belastungsfähigkeit
für eine
Gasturbinenmaschine, eine Rotorscheibe mit einer höheren Rotationsdrehzahlfähigkeit
als konventionelle solide Gasturbinenmaschinenrotorscheiben, eine
Gasturbinenrotorscheibe, die effektiv wärmebehandelt werden kann, eine
Gasturbinenmaschinenrotorscheibe, die einfach hergestellt werden
kann, und eine Gasturbinenmaschinenrotorscheibe mit einer Einrichtung
zum Zuführen
von Kühlluft
zu einer an deren Rand angebrachten Rotorscheibe bereitstellt.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf die detaillierten 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, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.