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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Rotoraufbau
und insbesondere auf einen Rotoraufbau für ein Gasturbinentriebwerk.
Ganz besonders bezieht sich die Erfindung auf einen Fan-Rotoraufbau
für ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk.
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Turbofan-Gasturbinentriebwerke
weisen einen am stromaufwärtigen
Ende eines Kerngasgenerators angeordneten Fan-Rotoraufbau auf, der Schub
erzeugt und Luft dem Kerngasgenerator des Turbofan-Gasturbinentriebwerks
zuführt. Üblicherweise
besitzt der Fan-Rotoraufbau eine Rotornabe und mehrere von in Umfangsrichtung
im Abstand angeordneten radial verlaufenden Fan-Laufschaufeln. Die
Rotornabe besitzt mehrere allgemein axial verlaufende Nuten im Umfang,
und die Schaufelfüße der Fan-Laufschaufeln
werden in diesen Nuten gehalten. Allgemein haben die axial verlaufenden
Nuten einen Schwalbenschwanz-Querschnitt, und jede der Fanschaufeln
hat einen entsprechend schwalbenschwanzförmig ausgebildeten Schaufelfuß-Querschnitt.
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Üblicherweise
ist die Basis jeder axial verlaufenden Nut in einer Ebene parallel
zur Achse des Turbofan-Gasturbinentriebwerks angeordnet, und die
Basis eines jeden Fan-Schaufelfußes liegt ebenfalls in einer
Ebene parallel zur Achse des Turbofan-Gasturbinentriebwerks.
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Es
ist auch bekannt, die Basis einer jeden axial verlaufenden Nut schräg zur Achse
des Turbofan-Gasturbinentriebwerks anzuordnen, und die Basis eines
jeden Fan-Schaufelfußes liegt
ebenfalls schräg
zur Achse des Turbofan-Gasturbinentriebwerks.
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Im
Allgemeinen hat jede Fan-Laufschaufel einen einzigen Fuß, der in
einer entsprechend ausgebildeten einzigen Axialnut im Umfang des
Fan-Rotoraufbaus ruht.
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Es
ist außerdem
notwendig zu gewährleisten,
dass jede Fan-Laufschaufel an einer axialen Bewegung innerhalb der
entsprechenden Nut im Fan-Rotoraufbau gehindert wird. Es ist notwendig,
einen Haltering vorzusehen, wie dieser in der GB1523422 angeordnet
ist oder es werden einzelne Abscheransätze vorgesehen, wie dies in
der veröffentlichten
GB2287993A beschrieben ist.
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Diese
Anordnungen sind nicht befriedigend, weil zusätzliche Teile erforderlich
sind, um die Fan-Rotor-Laufschaufeln darin zu halten, was zusätzliche
Gesamtkosten verursacht und das Gewicht des Triebwerks erhöht. Wenn
die Basis des Fußes der
Fan-Laufschaufeln in einer Ebene parallel zur Achse des Turbofan-Gasturbinentriebwerks
angeordnet ist, ergibt sich eine parasitische Masse im Fan-Schaufelfuß. Wenn
die Basis des Schaufelfußes geneigt
zur Achse des Turbofan-Gasturbinentriebwerks
angeordnet ist, dann wird zwar die parasitische Masse des Fan-Schaufelfußes vermindert,
aber es ist eine zusätzliche
Halterung erforderlich, um eine Axialbewegung der Fanschaufel zu
verhindern.
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Es
ist aus der US-A-2751189 bekannt, jede Rotor-Laufschaufel mit mehreren
axial im Abstand zueinander angeordneten Schaufelfußabschnitten
zu versehen, die in mehreren axial beabstandeten Nutabschnitten
am Umfang einer einzigen Rotorscheibe angeordnet sind. Die Basis
einer jeden Nut liegt in einer Ebene parallel zur Achse des Gasturbinentriebwerks.
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Es
ist außerdem
aus der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0821133, die am 28. Januar 1998 veröffentlicht
wurde, bekannt, jede Fan-Laufschaufel mit zwei axial beabstandeten
Schaufelfußabschnitten
zu versehen, die in zwei axial beabstandeten Nutabschnitten am Umfang
einer einzigen Fanscheibe liegen. Die Basisabschnitte der beiden axial
beabstandeten Schaufelfußabschnitte
sind gegenüber
der Achse des Gasturbinentriebwerks schräg angestellt, aber mit entgegengesetzter
Steigung, so dass sie radial konvergent zur Achse des Gasturbinentriebwerks
liegen. Die Basisabschnitte der beiden axial verlaufenden Nuten
sind ebenfalls konvergent gegenüber
der Achse des Gasturbinentriebwerks.
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Demgemäß liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen
Rotoraufbau für
ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, der eine verbesserte Halterung
der Rotor-Laufschaufeln am Rotor bewirkt.
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung einen Rotoraufbau mit einem Rotor und
einer Nabe und mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten radial
verlaufenden Rotor-Laufschaufeln, wobei die Nabe eine Mehrzahl von
in Umfangsrichtung beabstandeten axial verlaufenden Nuten am Umfang aufweist
und jede Nut so angeordnet ist, dass sie den Schaufelfuß einer
entsprechenden Rotor-Laufschaufel
aufnimmt und jede Nut wenigstens drei axial beabstandete Nutabschnitte
besitzt und jede Rotor-Laufschaufel eine entsprechende Zahl von
axial beabstandeten Schaufelfußabschnitten
aufweist, wobei jeder Nutabschnitt derart ausgebildet ist, dass
er einen entsprechenden Schaufelfußabschnitt der entsprechenden
Rotor-Laufschaufel aufnimmt und jeder Nutabschnitt wenigstens zwei
in Umfangsrichtung verlaufende Flanken besitzt und jeder Schaufelfußabschnitt
wenigstens zwei in Umfangsrichtung verlaufende Flanken aufweist
und wenigstens die Flanken von zwei der Schaufelfußabschnitte
einer jeden Rotor-Laufschaufel gegenüber der Achse des Rotors in
einem Sinne schräg
angestellt sind, während
wenigstens die Flanken eines der Schaufelfußabschnitte einer jeden Rotor-Laufschaufel
gegenüber
der Achse des Rotors im Gegensinne schräg angestellt sind, und wobei
wenigstens die Flanken von zwei der Nutabschnitte einer jeden Nut
gegenüber
der Achse des Rotors in einem Sinne schräg angestellt sind und wenigstens
die Flanken eines der Nutabschnitte einer jeden Nut gegenüber der
Achse des Rotors im Gegensinne schräg angestellt sind und die Basisteile der
Nutabschnitte gegenüber
der Achse des Rotors derart schräg
angestellt sind, dass der Radius der Basis eines jeden Nutabschnitts
von dem ersten axialen Ende des Nutabschnitts nach dem zweiten axialen
Ende des Nutabschnitts vergrößert wird.
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Vorzugsweise
ist der Radius der Nabe an dem ersten Ende des Rotors kleiner als
an einem zweiten axialen Ende des Rotors, so dass sich die Radien
der Basisteile der Nutabschnitte progressiv von dem ersten axialen
Ende des Rotors nach dem zweiten axialen Ende des Rotors vergrößern.
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Vorzugsweise
sind wenigstens zwei der Basisteile der Schaufelfußabschnitte
einer jeden Rotor-Laufschaufel gegenüber der Achse des Rotors in einem
Sinne schräg
angestellt, und wenigstens eines der Basisteile der Schaufelfußabschnitte
einer jeden Rotor-Laufschaufel ist gegenüber der Achse des Rotors im
Gegensinne schräg
angestellt.
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Vorzugsweise
besitzt jede Nut eine gerade Zahl von axial beabstandeten Nutabschnitten,
und jede Rotor-Laufschaufel besitzt eine entsprechende Zahl von
axial beabstandeten Schaufelfußabschnitten.
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Vorzugsweise
besitzt jede Nut vier axial beabstandete Nutabschnitte, und jede
Rotorschaufel besitzt vier axial beabstandete Schaufelfußabschnitte.
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Vorzugsweise
besitzen sämtliche
Nutabschnitte eine gleiche Länge,
und die Hälfte
der Zahl von Nutabschnitten ist im gleichen Winkel in einem Sinn
gegenüber
der Achse des Rotors schräg
angestellt, und eine Hälfte
der Zahl der Nutabschnitte ist im gleichen Winkel, aber im entgegengesetzten
Sinne, schräg
angestellt.
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Vorzugsweise
sind alle Nutabschnitte unter einem Winkel zwischen 15° und 18° schräg angestellt.
Vorzugsweise stehen sämtliche
Nutabschnitte unter einem Winkel von 16,4°.
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Stattdessen
haben die Nutabschnitte unterschiedliche Längen, und die Hälfte der
Zahl der Nutabschnitte ist unter verschiedenen Winkeln in einem Sinne
gegenüber
der Achse des Rotors schräg
angestellt, und die Hälfte
der Zahl der Nutabschnitte ist unter verschiedenen Winkeln, aber
im Gegensinne, schräg
angestellt.
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Vorzugsweise
besitzt jede der axial verlaufenden Nutabschnitte einen Schwalbenschwanz-Querschnitt,
und jeder der Rotorabschnitte besitzt einen entsprechend gestalteten
schwalbenschwanzförmigen
Querschnitt.
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Vorzugsweise
besteht der Rotor aus mehreren axial beabstandeten Scheiben, und
die Nabe einer jeden Scheibe hat einen der Schaufelfußabschnitte.
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Vorzugsweise
sind die Naben benachbarter Scheiben miteinander verbunden. Vorzugsweise
sind die Naben benachbarter Scheiben durch Verschweißung miteinander
verbunden.
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Stattdessen
kann der Rotor aus mehreren axial beabstandeten Scheiben bestehen,
und die Nabe einer jeden Scheibe hat wenigstens zwei der Schaufelfußabschnitte.
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Vorzugsweise
ist der Rotor ein Fan-Rotor, und die Schaufeln sind Fan-Laufschaufeln.
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Vorzugsweise
ist der Rotor ein Gasturbinen-Rotor, und die Schaufeln sind Gasturbinen-Laufschaufeln.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch eine Rotor-Laufschaufel, bestehend
aus einem Arbeitsprofil und einem Schaufelfuß, wobei das Arbeitsprofil
eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine konvexe Oberfläche und
eine konkave Oberfläche besitzt
und Vorderkante und Hinterkante sich in einer ersten Richtung längs der
Rotor-Laufschaufel erstrecken und der Schaufelfuß wenigstens drei Schaufelfußabschnitte
besitzt, die in einer zweiten Richtung längs der Sehnenrichtung distanziert
sind, die sich zwischen Vorderkante und Hinterkante des Arbeitsprofils
erstreckt, wobei jeder Schaufelfußabschnitt wenigstens zwei
Flanken besitzt, die sich quer zur ersten Richtung und quer zur
zweiten Richtung erstrecken, und wenigstens die Flanken von zwei
der Schaufelfußabschnitte
nach der zweiten Richtung in einem Sinne schräg angestellt sind, und wenigstens die
Flanken eines der Schaufelfußabschnitte
nach der zweiten Richtung im Gegensinne schräg angestellt sind.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch einen Rotor mit einer Nabe, die
mehrere in Umfangsrichtung beabstandete axial verlaufende Nuten
im Umfang aufweist, und jede Nut wenigstens drei axial beabstandete
Nutabschnitte besitzt, wobei jeder Nutabschnitt wenigstens zwei
in Umfangsrichtung verlaufende Flanken aufweist, und wenigstens
die Flanken von zwei der Nutabschnitte einer jeden Nut gegenüber der
Achse des Rotors in einem Sinne schräg angestellt sind, und wenigstens
die Flanken eines der Nutabschnitte einer jeden Nut gegenüber der
Achse des Rotors im Gegensinne schräg angestellt sind, wobei die
Basisabschnitte der Nutabschnitte nach der Achse des Rotors derart
schräg
angestellt sind, dass sich der Radius der Basisteile eines jeden
Nutabschnitts von dem ersten axialen Ende des Nutabschnitts nach
dem zweiten axialen Ende des Nutabschnitts vergrößert.
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Vorzugsweise
ist der Radius der Nabe am ersten axialen Ende des Rotors kleiner
als am zweiten axialen Ende des Rotors derart, dass der Radius der
Basisteile der Nutabschnitte sich progressiv von dem ersten axialen
Ende des Rotors nach dem zweiten axialen Ende des Rotors vergrößert.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung veranschaulicht.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ist eine Ansicht eines
Turbofan-Gasturbinentriebwerks mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Rotoraufbau;
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2 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch den Rotoraufbau gemäß 1, wobei der Rotor und der
Schaufelfuß einer
Rotor-Laufschaufel
erkennbar sind;
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3 ist eine Schnittansicht
durch den in 2 dargestellten
Rotor;
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4 ist eine Schnittansicht
durch den Schaufelfuß einer
Rotor-Laufschaufel
gemäß 2;
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5 ist eine Schnittansicht,
welche eine Stufe der Installation einer Rotor-Laufschaufel im Rotor veranschaulicht,
wodurch der Rotoraufbau gemäß 2 hergestellt wird;
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6 ist eine Schnittansicht,
die einen zweiten Schritt bei der Installation einer Rotor-Laufschaufel
im Rotor veranschaulicht, wodurch der Rotoraufbau gemäß 2 hergestellt wird;
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7 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Rotoraufbaus gemäß 1;
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8 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch ein anderes Ausführungsbeispiel
des Rotoraufbaus gemäß 1;
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9 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Rotoraufbaus gemäß 1;
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10 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Rotoraufbaus gemäß 1;
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11 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine
Längsschnittansicht
durch ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Rotoraufbaus gemäß 1;
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12 ist eine perspektivische
Ansicht des Schaufelfußes
der Rotor-Laufschaufel
gemäß 4.
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Ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 weist in axialer Strömungsrichtung
hintereinander einen Einlass 12, einen Fanabschnitt 14,
einen Kompressorabschnitt 16, einen Brennkammeraufbau 18,
einen Turbinenabschnitt 20 und einen Auslass 22 auf.
Der Turbinenabschnitt 20 treibt den Fanabschnitt 14 und
den Kompressorabschnitt 16 über eine oder mehrere nicht
dargestellte Wellen. Die Arbeitsweise des Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 ist
die übliche
und wird deshalb nicht im Einzelnen beschrieben.
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Der
Fanabschnitt 14 besteht, wie im Einzelnen deutlicher aus
den 2, 3 und 4 ersichtlich
ist, aus einem Fan-Rotoraufbau 30, aus einem Fan-Rotor 32 und
mehreren im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten radial
verlaufenden Fan-Laufschaufeln 34.
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Der
Fan-Rotor 32 weist mehrere axial beabstandete Rotorscheiben 36, 38, 40 und 42 auf,
und benachbarte Rotorscheiben 36, 38, 40 und 42 sind miteinander
verbunden, um einen Fan-Rotor 32 zu bilden. Der Fan-Rotor 32 besitzt
eine Nabe 44, die durch die Naben 46, 48, 50 und 52 der
Rotorscheiben 36, 38, 40 bzw. 42 definiert
ist. Die benachbarten Rotorscheiben 36, 38, 40 und 42 sind
miteinander durch Laserverschweißung oder Elektronenstrahl-Schweißpunkte
an der Nabe 44 verbunden, um den Fan-Rotor 32 zu
bilden. Die Nabe 44 ist mit mehreren im gleichen Umfangsabstand
angeordneten axial verlaufenden Nuten 54 versehen. Jede
der axial verlaufenden Nuten 54 besteht aus mehreren axial
beabstandeten Nutabschnitten 56, 58, 60 und 62.
Die Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62 befinden
sich in den Naben 46, 48, 50 und 52 der
Rotorscheiben 36, 38, 40 bzw. 42.
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Jede
Fan-Laufschaufel 34 weist ein Arbeitsprofil 33 und
einen Schaufelfuß 64 auf.
Jedes Arbeitsprofil 33 besitzt eine Vorderkante 35,
eine Hinterkante 37, eine konvexe Oberfläche 39 und
eine konkave Oberfläche 41.
Die Vorderkante 35 und die Hinterkante 37 jeder
Fan-Laufschaufel 34 erstrecken sich in Längsrichtung
der Fan-Laufschaufel 34. Jeder Schaufelfuß 64 besteht
aus mehreren axial beabstandeten Schaufelfußabschnitten 66, 68, 70 und 72, deren
Zahl gleich der Zahl der Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62 ist.
Der axiale Abstand zwischen benachbarten Schaufelfußabschnitten 66, 68, 70 und 72 ist der
gleiche wie der entsprechende axiale Abstand zwischen benachbarten
Nutabschnitten 56, 58, 60 und 62.
Die Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 sind
demgemäß im Abstand
zueinander in der geraden Linie angeordnet, die die Vorderkante 35 mit
der Hinterkante 37 des Arbeitsprofils 33 verbindet,
und diese Linie wird im Allgemeinen als Sehnenlinie bezeichnet.
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Jeder
Nutabschnitt 56, 58, 60 und 62 besitzt einen
Schwalbenschwanz-Querschnitt, und deshalb besitzt jeder Nutabschnitt 56, 58, 60 und 62 zwei
in Umfangsrichtung verlaufende Flanken 74, 76, 78 bzw. 80.
Jeder Nutabschnitt 56, 58, 60 und 62 besitzt eine
Basis 86, 88, 90 bzw. 92. Die
Flanken 74, 76, 78 und 80 schneiden
die Basisteile 86, 88, 90 und 92, um
die Schwalbenschwanz-Querschnitts-Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62 zu
definieren.
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Die
Flanken 74 und 78 der beiden Nutabschnitte 56 und 60 einer
jeden Nut 54 sind gegenüber der
Achse X des Rotors 32 unter einem Winkel α in einem
Sinn so schräg
angestellt, dass die Flanken 74 und 78 der Nutabschnitte 56 bzw. 60 sich
im Radius von dem ersten axialen stromaufwärtigen Ende des jeweiligen
Nutabschnitts 56 und 60 nach dem zweiten axialen
stromabwärtigen
Ende des jeweiligen Nutabschnitts 56 und 60 vergrößern. Die
Flanken 76 und 80 der beiden Nutabschnitte 58 und 62 jeder
Nut 54 sind gegen die Achse X des Rotors 32 unter
einem Winkel α im
Gegensinn schräg
angestellt, derart, dass die Flanken 76 und 80 der
Nutabschnitte 58 bzw. 62 sich jeweils im Radius
vom zweiten axialen stromabwärtigen
Ende nach dem jeweiligen Nutabschnitt 58 und 62 des
ersten axialen stromaufwärtigen
Endes des jeweiligen Nutabschnitts 58 und 62 vergrößern.
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Der
Radius der Nabe 44 ist an einem zweiten axialen stromabwärtigen Ende 82 des
Rotors 32 größer als
an einem ersten axialen stromaufwärtigen Ende 84 des
Rotors 32, derart, dass die Radien R1, R2, R3, R4 der Basisteile 86, 88, 90 und 92 der
Nutabschnitte 56, 58, 60 bzw. 62 sich
jeweils progressiv von dem ersten axialen stromaufwärtigen Ende 82 des
Rotors 32 nach dem zweiten axialen stromabwärtigen Ende 84 des
Rotors 32 vergrößern.
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Die
Basisteile 86, 88, 90 und 92 der
Nutabschnitte 56, 58, 60 bzw. 62 sind
gegenüber
der Achse X des Rotors 32 ebenfalls unter einem Winkel α derart schräg angestellt,
dass der Radius der Basisteile 86, 88, 90 und 92 eines
jeden Nutabschnitts 56, 58, 60 und 62 vom
ersten axialen stromaufwärtigen
Ende des jeweiligen Nutabschnitts 56, 58, 60 und 62 sich nach
dem zweiten axialen stromabwärtigen
Ende des jeweiligen Nutabschnitts 56, 58, 60 und 62 vergrößert.
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Jeder
Schaufelfußabschnitt 66, 68, 70 und 72 besitzt
einen schwalbenschwanzförmigen
Querschnitt, und daher hat jeder Schaufelfußabschnitt 66, 68, 70 und 72 zwei
in Umfangsrichtung verlaufende Flanken 94, 96, 98 bzw. 100.
Jeder Schaufelfußabschnitt 66, 68, 70 und 72 besitzt
eine Basis 102, 104, 106 bzw. 108.
Die Flanken 94, 96, 98 und 100 schneiden
die Basisteile 102, 104, 106 und 108,
um den schwalbenschwanzförmigen
Querschnitt der Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 zu
definieren.
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Die
Flanken 94 und 98 der beiden Schaufelfußabschnitte 66 und 70 einer
jeden Rotor-Laufschaufel 34 sind gegenüber der Achse X des Rotors 32 unter
einem Winkel α in
einem Sinne derart schräg angestellt,
dass die Flanken 94 und 98 der Schaufelfußabschnitte 66 und 70 sich
im Radius von dem ersten axialen stromaufwärtigen Ende des jeweiligen Schaufelfußabschnitts 66 bzw. 70 nach
dem zweiten axialen stromabwärtigen
Ende des jeweiligen Schaufelfußabschnitts 66 und 70 vergrößern. Die
Flanken 96 und 100 der beiden Schaufelfußabschnitte 68 und 70 einer
jeden Rotor-Laufschaufel 34 sind gegenüber der Achse X des Rotors 32 unter
einem Winkel α im Gegensinn
schräg
angestellt, so dass sich die Flanken 96 und 100 der
Schaufelfußabschnitte 68 und 72 jeweils
im Radius vom zweiten axialen stromabwärtigen Ende des jeweiligen
Schaufelfußabschnitts 68 und 72 nach
dem ersten axialen stromaufwärtigen Ende
der jeweiligen Schaufelfußabschnitte 68 und 72 vergrößern.
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Die
Basisteile 102 und 106 der beiden Schaufelfußabschnitte 66 und 70 einer
jeden Rotor-Laufschaufel 34 sind gegenüber der Achse X des Rotors 32 unter
einem Winkel α in
einem Sinne derart schräg
angestellt, dass sich die Basisabschnitte 102 und 104 der
Schaufelfußabschnitte 66 bzw. 70 im
Radius vom ersten axialen stromaufwärtigen Ende des jeweiligen
Schaufelfußabschnitts 66 und 70 nach dem
zweiten axialen stromabwärtigen
Ende der jeweiligen Schaufelfußabschnitte 66 und 70 vergrößern. Die
Basisteile 104 und 108 der beiden Schaufelfußabschnitte 68 und 72 einer
jeden Rotor-Laufschaufel 34 sind gegenüber der Achse X des Rotors 32 unter
einem Winkel α im
entgegengesetzten Sinn schräg
angestellt, derart, dass die Basisabschnitte 104 und 108 der
Schaufelfußabschnitte 68 bzw. 72 im
Radius vom zweiten axialen stromabwärtigen Ende des jeweiligen
Schaufelfußabschnitts 68 und 72 nach
dem ersten axialen stromaufwärtigen
Ende der jeweiligen Schaufelfußabschnitte 68 und 72 vergrößert sind.
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Der
axiale Abstand zwischen den Rotorscheiben 36 und 38 ist
größer als
die axiale Länge der
Schaufelfußabschnitte 68,
und der axiale Abstand zwischen den Rotorscheiben 38 und 40 ist
größer als
die axiale Länge
der Schaufelfußabschnitte 70,
und der axiale Abstand zwischen den Rotorscheiben 40 und 42 ist
größer als
die axiale Länge
der Schaufelfußabschnitte 72.
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Jede
Fan-Laufschaufel 34 ist in den Fan-Rotor 32 eingesetzt,
wie dies aus den 5 und 6 deutlich ersichtlich ist,
indem zuerst die Fan-Laufschaufel 34 radial nach innen
in die entsprechende Nut 54 derart eingeschoben wird, dass
der Schaufelfußabschnitt 66 axial
stromauf des Nutabschnitts 56 der Rotorscheibe 36 liegt,
und die Schaufelfußabschnitte 68, 70 und 72 werden
axial zwischen die benachbarten Nutabschnitte 58, 60 und 62 der
Rotorscheiben 38, 40 bzw. 42 eingeschoben.
Dann wird zweitens die Fan-Laufschaufel 34 axial in Richtung
stromab mit einer Komponente in einer radial nach außen weisenden
Richtung bewegt, so dass die Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 sich
axial in die entsprechenden Nutabschnitte 56, 58, 60 bzw. 62 bewegen.
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Die
schräg
angestellten Basisabschnitte 86, 88, 90 und 92 der
Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62 ermöglichen
das axiale Einschieben der in Gegenrichtung schräg angestellten Flanken 94, 96, 98 und 100 der
Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 bzw. 72 in
die entsprechenden Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62.
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Jede
Fan-Laufschaufel 34 wird vom Fan-Rotor 32 zum
Ersatz oder zur Reparatur ausgebaut, indem zuerst die Fan-Laufschaufel 34 axial
in Richtung stromauf mit einer Komponente radial nach innen gerichtet
derart bewegt wird, dass die Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 sich
aus den entsprechenden Nutabschnitten 56, 58, 60, 60 bzw. 62 heraus
bewegen. Dann wird zweitens die Fan-Laufschaufel 34 radial
nach außen
aus der entsprechenden Nut 54 heraus bewegt.
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Die
Schaufelfüße 44 der
Fan-Laufschaufeln 34 liegen in der Nut 54 des
Fan-Rotors 32 durch die Ausbildung der vier Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 und
der entsprechenden vier Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62.
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Wenn
sich im Betrieb der Fan-Rotor 32 dreht, dann erzeugen die
Fan-Laufschaufeln 34 Reaktionsbelastungen zwischen den
Flanken 94, 96, 98 und 100 der
Schaufelfußabschnitte 66, 68, 70 und 72 und
den Flanken 74, 76, 78 und 80 der
Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62.
Die acht Flanken sind so angeordnet, dass gleiche und entgegengesetzte
Kräfte
in allen Richtungen erzeugt werden, so dass keine resultierende
Kraft verbleibt, die die Fan-Laufschaufeln 34 zu einer
Bewegung veranlassen würde.
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Alle
Kräfte,
die auf die Fan-Laufschaufeln 34 durch aerodynamische Belastung,
durch Fremkörperaufschlag
und Situationen mit Fanschaufelstörungen aufgeprägt werden,
versetzen die Fan-Laufschaufeln 34 nicht aus ihrer zusammengebauten
Lage, weil die Fan-Laufschaufeln 34 nur durch Bewegung
in einer Richtung axial stromauf mit einer Komponente einer radial
nach innen gerichteten Bewegung ausgebaut werden können. Die
Zentrifugalkraft, die im Betrieb auf die Fan-Laufschaufeln 34 aufgeprägt wird,
ist sehr viel größer als
die aufgelöste
radiale Komponente der vorher erwähnten Kräfte, so dass es sehr schwierig
ist, die Fan-Laufschaufel 34 ohne
Bruch des Schaufelfußes
zu bewegen. Es ist möglich,
dass sich die Fan-Laufschaufeln 34 unter sehr großen Belastungen
bewegen, jedoch wird die Distanz, über die sich die Schaufeln
bewegen, relativ klein sein, weil die Energie der Belastung in der
Bewegung gegen die Zentrifugalkraft absorbiert wird.
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Die
Hauptvorteile des Fan-Rotoraufbaus bestehen darin, dass die Benutzung
von zwei Paaren von Schaufelfußabschnitten
der Fan-Laufschaufeln und zwei Paaren von Nutabschnitten im Rotor
mit entgegengesetzt schräg
angestellten Flanken an den Schaufelfußabschnitten und den Nutabschnitten
eine noch bessere formschlüssige
axiale Festlegung der Fan-Laufschaufeln bewirken, als dies in der
europäischen
Patentanmeldung EP-A-0821133 beschrieben ist. Im Betrieb sind die
Fan-Laufschaufeln vollständig axial
in Umfangsrichtung und radial formschlüssig durch die Schaufelfußabschnitte
und die Nutabschnitte bei sämtlichen
Triebwerksgeschwindigkeiten über
etwa 40 U/min abgestützt,
ohne dass die herkömmlichen
Schaufelverriegelungsmittel erforderlich wären. Hierdurch wird an Gewicht
und Kosten gegenüber
herkömmlichen
Schaufelverriegelungsmaßnahmen
gespart. Im Betrieb bei etwa 40 U/min wird die Abstützung der
Fan-Laufschaufeln durch herkömmliche
Fan-Laufschaufel-Einbaustücke
bewirkt.
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Ein
weiterer Vorteil des Fan-Rotoraufbaus besteht darin, dass das Verfahren
zum Zusammenbau die Möglichkeit
schafft, das Volumen des Raumes in zwei der Nutabschnitte 56 und 60 in
einem größeren Ausmaß zu vermindern,
als dies bei herkömmlichen
Schaufelfuß-
und Nutanordnungen möglich
ist, was eine weitere Gewichtsverminderung mit sich bringt.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Schaufelfußabschnitte
in einem sich vergrößernden
radialen Abstand von der Drehachse befinden, und dies vermindert
das Gewicht der Fan-Laufschaufeln und bringt den zusätzlichen
Vorteil einer verminderten Fanschaufelenergie, wenn die Fan-Laufschaufel
abbrechen sollte, und es ergibt sich eine verminderte Vibration
des Fan-Rotors, wenn sich so eine Fan-Laufschaufel lösen sollte. Die verminderte Fanschaufelenergie
beim Lösen
der Schaufel vom Fan-Rotor ermöglicht
es, dass das Fanschaufelhaltesystem im Fangehäuse leichter und billiger hergestellt
werden kann.
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Der
Fan-Rotor kann aus mehreren geschmiedeten Fanscheiben hergestellt
werden, was eine weitere Verminderung an Gewicht und Kosten mit
sich bringt.
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Ein
weiterer Vorteil der Tatsache, dass sich die Schaufelfußabschnitte
mit erhöhten
radialen Abständen
von der Drehachse erstrecken, besteht darin, dass die Nutabschnitte
ebenfalls in einem sich vergrößernden
radialen Abstand angeordnet sind, und dies schafft die Möglichkeit,
die Umfangsweite der Nutabschnitte und der Schaufelfußabschnitte
zu vergrößern, wobei
die axiale Länge
der Nutabschnitte und der Schaufelfußabschnitte vermindert werden kann,
wenn der radiale Abstand sich vergrößert.
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Die
axialen Längen
der einzelnen Schaufelfußabschnitte
brauchen nicht notwendigerweise gleich zu sein, und die Anstellwinkel
brauchen nicht notwendigerweise die gleichen zu sein. Die Längen der
einzelnen Schaufelfußabschnitte
können
so zugeschnitten werden, dass die auf die Fan-Laufschaufeln einwirkenden Kräfte die
Fan-Laufschaufeln positionieren. Die Längen und die Anstellwinkel
der Flanken werden so gewählt,
dass gleiche und entgegengesetzte Kräfte in allen Richtungen erzeugt
werden, so dass keine resultierende Kraft vorhanden ist. Die Anstellwinkel
der Flanken gegenüber
der Achse werden vorzugsweise so gewählt, dass sie gleich dem Anstellwinkel
der Innenwand der Strömung
durch den Fanabschnitt sind.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 7 dargestellt,
welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
nach 2 entspricht, und
deshalb sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen,
aber die benachbarten Rotorscheiben 36, 38, 40 und 42 sind
durch Laserverschweißung
oder Elektronenstrahl-Schweißpunkte
in einem gewissen radialen Abstand von der Nabe 44 verbunden,
um den Fan-Rotor 32 zu bilden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 8 dargestellt,
das dem Ausführungsbeispiel
nach 2 entspricht, und
deshalb sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen,
aber der Rotor 32 besteht aus zwei Rotorscheiben 36B und 38B,
und die Rotorscheibe 36B besitzt zwei Naben 46 und 48,
die die Nutabschnitte 56 und 58 haben, und die
Rotorscheibe 38B besitzt zwei Naben 50 und 52,
die die Nutabschnitte 60 und 62 aufweisen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 9 dargestellt,
und dieses entspricht dem Ausführungsbeispiel
nach 2, und gleiche Bezugszeichen
sind hier für
gleiche Teile verwendet, aber der Rotor 32 besteht aus
einer einzigen Rotorscheibe 36C, und die Rotorscheibe 36C besitzt
alle vier Naben 46, 48, 50 und 52,
die die Nutabschnitte 56, 58, 60 und 62 aufweisen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 10 dargestellt,
und dieses entspricht dem Ausführungsbeispiel
nach 2, wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile bezeichnen, aber der Rotor 32 besteht nur
aus drei Rotorscheiben 38, 40 und 42,
und die Rotorscheiben 38, 40 und 42 besitzen
Naben 48, 50 und 52, die Nutabschnitte 58, 60 und 62 besitzen.
Die Fan-Laufschaufeln 34 haben nur drei Schaufelfußabschnitte 68, 70 und 72.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 11 dargestellt,
und dieses entspricht dem Ausführungsbeispiel
nach 10, wobei gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, aber der Rotor 32 besteht
nur aus drei Rotorscheiben 36, 38 und 40,
und die Rotorscheiben 36, 38 und 40 besitzen
Naben 46, 48 und 50, die Nutabschnitte 56, 58 und 60 besitzen.
Die Fan-Laufschaufeln 34 haben nur drei Schaufelfußabschnitte 66, 68 und 70.
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Obgleich
die Erfindung in Verbindung mit Schaufelfußabschnitten 68 und 72 beschrieben
wurde, die Basisabschnitte 104 und 108 aufweisen,
die in Gegenrichtung zu den Basisabschnitten 102 und 106 der
Schaufelfußabschnitte 66 und 70 angestellt sind,
so kann es auch möglich
sein, die Winkelanstellung in der gleichen Richtung vorzunehmen.
Dies hat jedoch den Nachteil eines zusätzlichen Gewichtes der Fan-Laufschaufeln 34.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass
die Flanken 102 und 104 radial konvergieren und
die Flanken 106 und 108 radial ebenfalls konvergieren.
Außerdem sind
die Basisteile 102 und 104 radial konvergent, und
die Basisteile 106 und 108 sind radial konvergent.
Aus 3 ist ersichtlich,
dass die Flanken 74 und 76 der Nutabschnitte 56 und 58 radial
konvergent sind, und die Flanken 78 und 80 der
Nutabschnitte 60 und 62 sind radial konvergent.
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Die
Erfindung wurde in Verbindung mit einem Rotor beschrieben, bei dem
sich die Nabe von einem ersten axialen stromaufwärtigen Ende nach einem zweiten
axialen stromabwärtigen
Ende vergrößert. Es
ist jedoch auch möglich,
die Erfindung bei einem Rotor zu benutzen, der einen gleichen Radius
der Nabe von einem ersten axialen stromaufwärtigen Ende bis zu einem zweiten
axialen stromabwärtigen Ende
des Rotors besitzt, wobei die Fan-Laufschaufeln entsprechend geändert sind.
In diesem Fall besitzen die Nutabschnitte am Rotor im Wesentlichen den
gleichen radialen Abstand von der Achse des Rotors, und die Schaufelfußabschnitte
der Fan-Laufschaufeln haben im Wesentlichen den gleichen radialen
Abstand von der Achse des Rotors.
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Die
Erfindung ist auch anwendbar für
andere Rotoraufbauten, beispielsweise für Kompressorschaufeln und Turbinenschaufeln
oder für
Propellerschaufeln. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die
Benutzung von vier Schaufelfußabschnitten und
vier Nutabschnitten beschrieben, aber die Erfindung ist auch anwendbar
für drei
oder mehrere Schaufelfußabschnitte
und Nutabschnitte. Die Erfindung wurde in Verbindung mit Schaufelfüßen und Nutabschnitten
mit Schwalbenschwanz-Querschnitt beschrieben. Es ist jedoch auch
möglich,
andere Querschnitte für
Schaufelfüße und Nutabschnitte
zu wählen,
beispielsweise einen Tannenbaum-Querschnitt.
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Es
muss festgestellt werden, dass die Fan-Schaufelfußabschnitte
und die Rotornutabschnitte nur durch eine axiale Komponente distanziert
sein können,
oder sie können
durch axiale und in Umfangsrichtung verlaufende Komponenten distanziert
sein, um bogenförmige
Fan-Schaufelfüße oder
Rotornuten zu definieren.