EP1402151B1

EP1402151B1 - Befestigung von laufschaufeln

Info

Publication number: EP1402151B1
Application number: EP02732401A
Authority: EP
Inventors: Gerhard BRÜCKNER
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: DE50207310D1; WO2002103166A1; DE10128505A1; US20040184917A1; US7090468B2; EP1402151A1; DE10128505C2

Abstract

Befestigung von Laufschaufeln an einer Scheibe eines Turbomaschinenrotors, mit Laufschaufelfüssen, die einen spiegelsymmetrischen Querschnitt mit Vorsprüngen aufweisen, mit die Laufschaufelfüsse formschlüssig haltenden, axialen Scheibennuten sowie mit einer Nietverbindung pro Laufschaufel für deren axiale Fixierung. Jeder Schaufelfuss und die Scheibe im Bereich jedes Laufschaufelfusses weisen axiale Fortsätze auf, die Fortsätze von Laufschaufel und Scheibe stehen sich paarweise gegenüber, jeweils eine in einer Radialebene zur Scheibenachse liegende Bohrung ist zur Hälfte in den Fortsatz der Laufschaufel und zur Hälfte in den Fortsatz der Scheibe eingeformt, und in jede Bohrung ist ein Niet eingesetzt und durch plastische Verformung fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigung von Laufs,chaufeln an einer Scheibe eines Turbomaschinenrotors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist üblich, Turbinenlaufschaufeln von Gasturbinen mit gezahnten bzw. gewellten Füßen, häufig als "Tannenbaumfüße" bezeichnet, zu versehen und diese in axialen Scheibennuten formschlüssig zu halten. Die Kontaktflächen von Fuß und Nut nehmen die radialen Fliehkräfte sowie strömungs- und beschleunigungsinduzierte Umfangskräfte und Biegemomente auf. Die Axialkräfte müssen durch zusätzliche Elemente übertragen werden. Hierfür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie z.B. Anschlagflächen an einer Seite der Schaufelfüße und formschlüssig in Nuten auf der anderen Seite der Schaufelfüße einrastende Bleche, Ringe, Drähte etc.. Auch Schraubbefestigungen sind bekannt, wobei Schraubenlöcher und Gewinde in den hochbelasteten Scheiben festigkeitstechnisch sehr kritisch sind.
Aus der DE 195 16 694 A1 ist eine gattungsgemäße Befestigung bekannt, die eine Nietverbindung zur Aufnahme der Axialkräfte vorsieht. Pro Laufschaufel ist ein Niet vorhanden, der axial zwischen Laufschaufelfuß und Scheibennutgrund von einer bis zur gegenüberliegenden Scheibenstirnseite geführt ist. Die beiden Nietköpfe liegen auf Sitzplatten auf, die kleine Maßtoleranzen zwischen Schaufel und Scheibe ausgleichen können. Beim Schaufeltausch können die Nietköpfe z.B. durch Bohren entfernt werden, ohne die Gefahr, die Scheibe oder die Schaufel zu beschädigen. Die relativ billigen Sitzplatten werden ohnehin erneuert, so dass deren Beschädigung beim Entfernen des Niets keine Rolle spielt. Es wird zugestanden, dass diese Lösung relativ einfach, preiswert sowie montage- und reparaturfreundlich ist. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Scheibennuten in Relation zum Schaufelfuß tiefer sein müssen als ohne Niet bzw. dass nur ein Niet mit relativ kleinem Querschnitt Platz findet. Ein weiterer, gravierender Nachteil liegt darin, dass die Axialkräfte im Bereich der Sitzplatten in die Nietköpfe eingeleitet werden, wobei der gesamte Nietschaft unter Zugspannung steht. Durch die Kerbwirkung an den Übergängen Schaft/Kopf besteht unter Zugspannung akute Bruchgefahr. Zumindest können plastische Verformungen auftreten, die die Verbindung zunehmend lockern.
Aus den DE-A-3 148 985 ist eine Befestigung mittles Verriegelungsstifte bekannt. Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Laufschaufelbefestigung mit Nietverbindung bereitzustellen, die bei mäßigem konstruktivem Aufwand und hoher Montage- und Reparaturfreundlichkeit sowie geringem Platzbedarf festigkeitstechnisch deutlich besser und somit sicherer und zuverlässiger ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass jeder Niet in einer Radialebene bezüglich der Rotationsachse der Scheibe und somit quer zu den auftretenden Axialkräften angeordnet ist. Somit wird nur noch der Nietschaft auf Scherung belastet, die Nietköpfe sind weitestgehend lastfrei. Zugspannungen treten, falls überhaupt, nur noch in unproblematischer Größe auf, da sie nur aus Beschleunigungskräften und Fliehkräften aus der geringen Nietmasse resultieren. Es können Niete mit relativ großem Schaftdurchmesser, d.h. großer Dicke verwendet werden mit dem Vorteil geringer Oberflächenpressung und kleiner Scherspannungen im Schaft. Die "Bohrungshälften" in den Laufschaufelfuß- und Scheibenfortsätzen umschließen die Nietschäfte weitestgehend und sorgen für eine günstige Krafteinleitung.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Befestigung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Figur 1 eine räumliche Teilansicht des Befestigungsbereiches dreier Laufschaufeln an einer Scheibe, und
Figur 2 eine Teilansicht des Bereiches der Nietbefestigung in Längsrichtung des Niets.

Figur 1 ist die Kopie einer räumlichen Computergrafik, welche am Beispiel dreier Laufschaufeln 1 an einer Scheibe 6 die erfindungsgemäße Befestigung darstellt. Von den Laufschaufeln 1 sind jeweils nur die scheibennahe Plattform, d.h. die innere Ringraumbegrenzung, und der Laufschaufelfuß 2 erkennbar. Das jeweilige Schaufelblatt liegt oberhalb der Darstellung. Jeder Laufschaufelfuß 2 ist im Querschnitt tannenbaumähnlich mit zwei spiegelsymmetrischen Vorsprüngen 3,4 auf jeder Seite ausgeführt und wird von einer Scheibennut 7 formschlüssig gehalten. Die Scheibennuten 7 verlaufen in der Regel axial, sie können aber auch durch definierte Drehung um eine gedachte Radialachse, z.B. die Auffädelachse der Schaufelprofile, in einem kleinen Winkel zur Axialrichtung stehen. Dies ist für das Prinzip der Erfindung jedoch unerheblich.
Die Laufschaufelfüße 2 und die Scheibe 6 weisen axiale Fortsätze 5,8 auf, welche sich jeweils paarweise gegenüberstehen. In ein Paar von Fortsätzen 5,8 ist eine gemeinsame Bohrung 9 eingeformt, in die ein Niet 10 gesteckt und durch plastische Verformung fixiert wird. In Figur 1 sind als Beispiel Niete 10 mit Senkkopf 11 in noch unverformtem Zustand dargestellt. Die Achsen X der Bohrungen 9 und somit der Niete 10 liegen tangential an einem gedachten, zur Rotationsachse der Scheibe 6 konzentrischen, nicht dargestellten Kreis. Der kleinste Abstand A in Umfangsrichtung zwischen den Fortsätzen 8 an benachbarten Schaufelpositionen ist größer als die Länge L eines unverformten Niets 10, um letzteren montieren und vernieten zu können. Hierbei ist auch der Platzbedarf des Nietwerkzeugs zu berücksichtigen. Abweichend von der dargestellten, tangentialen Orientierung der Bohrungs- und Nietachsen X können diese in ihrer gemeinsamen Radialebene auch in jeder beliebigen Winkelposition zwischen tangential und radial sowie in rein radialer Position orientiert sein. Dabei müssten ggf. auch die Fortsätze in ihrer Lage angepasst werden. Schräge bis radiale Anordnungen können montagetechnische Vorteile bringen, allerdings wirken dann auch Fliehkraftkomponenten in Nietlängsrichtung sowie Seitenkräfte auf die Laufschaufelfüße. Entscheidend für die Aufnahme der axialen Schaufelkräfte ist aber letztlich, dass die Bohrungs- und Nietachsen in einer gemeinsamen Radialebene bezüglich der Scheibenachse verbleiben. Natürlich soll die Achsorientierung relativ zur örtlichen Tangential- bzw. Radialrichtung bei jedem Niet am Scheibenumfang gleich sein.
Figur 2 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Teilansicht in Richtung der Achse X der Bohrung 9 und somit des Niets 10. Vertikal strichpunktiert ist die Radialebene R angedeutet, welche quer zur Rotationsachse der Scheibe 6 steht, und in der die Achsen X aller Bohrungen 9 und Niete 10 liegen sollen, hier wie in Figur 1 mit tangentialer Orientierung. Man erkennt, dass sich der axiale Fortsatz 5 des Laufschaufelfußes 2 und der axiale Fortsatz 8 der Scheibe 6 in geringem radialem Abstand gegenüberstehen. Man erkennt auch, dass die Bohrung 9 etwa je zur Hälfte in beide Fortsätze 5 und 8 eingeformt ist, wobei der Niet 10 weitestgehend umschlossen wird. Der Senkkopf 11 des Niets 10 ist hier strichpunktiert angedeutet. Es wurde bereits erwähnt, dass Niete mit verschiedenen Kopfformen verwendbar sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Niete entfernbar/austauschbar sein müssen, ohne Schaufeln und Scheibe zu beschädigen. Senkkopfähnlich Nietenden sind dabei wahrscheinlich leichter zu greifen und abzutrennen als Köpfe mit großen, ebenen Auflageflächen.

Claims

Befestigung von Laufschaufeln an einer Scheibe eines Turbomaschinenrotors, insbesondere von Turbinenlaufschaufeln an einer Scheibe eines Gasturbinenrotors, mit Laufschaufelfüßen, die zumindest über den Großteil ihrer axialen Länge einen konstanten Querschnitt mit spiegelsymmetrischen, zahn- oder wellenartigen Vorsprüngen aufweisen, mit die Laufschaufelfüße in Radial- und in Umfangsrichtung formschlüssig haltenden, zumindest vorwiegend axial verlaufenden Scheibennuten sowie mit jeweils einer Nietverbindung pro Laufschaufel für deren axiale Fixierung an der Scheibe, dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl jeder Laufschaufelfuß (2) als auch die Scheibe (6) im Bereich jedes Laufschaufelfußes (2) jeweils einen axialen, integralen Fortsatz (5,8) aufweisen,
dass sich die Fortsätze (5,8) von Laufschaufel (1) und Scheibe (6) in geringem Abstand oder in gegenseitigem Kontakt paarweise gegenüberstehen,
dass jeweils eine mit ihrer Achse (X) in einer Radialebene (R), d.h. in einer Querebene zur Rotationsachse der Scheibe (6) liegende Bohrung (9) etwa zur Hälfte in den Fortsatz (5) des Laufschaufelfußes (2) und etwa zur Hälfte in den Fortsatz (8) der Scheibe (6) eingeformt ist, und
dass in jede Bohrung (9) ein Niet (10) eingesetzt und durch plastische Verformung fixiert ist.
Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle in die Fortsätze (5) der Laufschaufelfüße (2) und in die Fortsätze (8) der Scheibe (6) eingeformten Bohrungen (9) mit ihren Achsen (X) bezüglich der Rotationsachse der Scheibe (6) in gleicher Weise entweder tangential oder definiert schräg mit tangentialer und radialer Komponente oder radial ausgerichtet sind.
Befestigung nach Anspruch 2 mit tangential ausgerichteten Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass die paarweise angeordneten Fortsätze (5,8) der Laufschaufelfüße (2) und der Scheibe (6) von einer Schaufelposition zu einer benachbarten Schaufelposition einen minimalen Abstand (A) in Umfangsrichtung aufweisen, der definiert größer ist als die Länge (L) eines unverformten Nietes (10).
Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Niete mit Halbrundkopf und ebener Kopfauflagefläche oder Niete (10) mit Senkkopf (11) verwendet werden, wobei in letzterem Fall die Bohrungen (9) nietkopfseitig mit einer passenden Ansenkung versehen sein können.
Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass handelsübliche Standardniete zur Anwendung kommen.
Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietwerkstoff eine geringere mechanische Festigkeit und Härte aufweist als der Laufschaufelwerkstoff und der Scheibenwerkstoff jeweils im Bereich der Fortsätze (5,8).