EP1507958A1 - Axialsicherung fuer laufschaufeln - Google Patents

Axialsicherung fuer laufschaufeln

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Publication number
EP1507958A1
EP1507958A1 EP03755068A EP03755068A EP1507958A1 EP 1507958 A1 EP1507958 A1 EP 1507958A1 EP 03755068 A EP03755068 A EP 03755068A EP 03755068 A EP03755068 A EP 03755068A EP 1507958 A1 EP1507958 A1 EP 1507958A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
securing
axial
blade
flow
securing body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03755068A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel KÄSTLI
Josef Bättig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Publication of EP1507958A1 publication Critical patent/EP1507958A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/323—Locking of axial insertion type blades by means of a key or the like parallel to the axis of the rotor

Definitions

  • the invention relates to an axial securing device for rotor blades of turbomachines through which axial flow flows, according to the preamble of patent claim 1.
  • axial lock is known from US-A-2,928,651.
  • a one-piece securing body made of sheet metal is used, the length of which is greater than the axial extension of the dovetail-shaped blade root or the opposite radial groove of the blade carrier.
  • the end regions of the sheet which act as securing elements serve to absorb the axial forces, which protrude axially beyond the end faces of the blade root or the blade carrier and are bent in the radial direction for holding purposes.
  • the first of the two protruding end regions is divided into two along the central longitudinal axis of the sheet.
  • the two tabs thus emerging from the end region are bent in opposite radial directions for holding purposes in such a way that a first tab engages behind an end face of the blade carrier, while the second tab engages behind a first end face of the blade root.
  • the second of the two protruding end regions is of this type in the assembled state bent over so that it engages behind a second end face of the blade carrier which is oriented opposite the first end face.
  • a tongue protruding from the sheet metal plane in the middle of the sheet metal engages in a wedge-shaped recess in the blade root and also serves to absorb forces acting axially on the blade.
  • the recess in the blade root is very complex and expensive to manufacture, since with the modern high-performance materials, such as nickel-based alloys or titanium alloys, which are used today for the manufacture of the blades, such recesses can only be produced by grinding or eroding.
  • assembly and disassembly of axial locks with recesses in the blade root or in the radial groove of the blade carrier, into which a protrusion of the locking body then engages is usually complex and time-consuming.
  • the end region protruding radially outwards, marked with 26, first has to be bent open.
  • the securing body is formed in one piece from a sheet metal and its end regions as well as the spike-like tongue are produced by bending the sheet metal accordingly.
  • the material of the sheet must be selected so that it can be bent into the required shape on the one hand and still absorb the forces that occur on the other.
  • Such a / rather securing body can therefore only be designed to a limited extent for the possible shear and shear forces, with additional bending of the material being introduced by the bending.
  • the known materials used may still barely meet the required properties, but at the high temperatures that occur in a high-speed turbomachine, such as in a turbocharger, it is hardly possible to find a material that is still at the high temperatures the necessary axial securing of the blades in the blade carrier is guaranteed. Furthermore, with such a fuse body, the end regions of the fuse bodies must be bent with high precision in order to fix the blades in their axial position exactly.
  • an axial securing device with the features of claim 1, in which rotor blades of an impeller are secured by means of a securing body belonging to the axial securing device.
  • the securing body has a first, axial end region and a second, axial end region, which are connected to one another via a connecting region.
  • the connection area is arranged in a gap formed between the blade root end and the radial groove base.
  • the first end region is designed such that it engages behind an end face of the blade root and the blade carrier on the flow outlet side.
  • the second end region is designed such that it engages behind the end face of the blade carrier on the opposite side of the flow inlet.
  • connection area has a spring element, with the aid of which, in the installed state, a radially acting force is introduced between the blade root and the radial groove base, which is sufficient to secure the rotor blade in its axial position against axial forces in the direction of flow entry.
  • This configuration makes it possible to design the blade root as well as the radial groove without a radial recess, which considerably reduces the manufacturing costs.
  • the securing body can simply be inserted into the radial groove and the blade can then be inserted into the radial groove with the blade root. Disassembly is just as easy in reverse order. No further manipulations such as bending or twisting the securing body or an end region of the securing body are necessary. This reduces the time required for assembly and disassembly.
  • the spring element can be designed very simply in the form of a shaft in the connection area.
  • the wave can be designed as a single solid wave, as a double or multiple wave, or as a half wave up or down. If the spring element is designed in the form of a wave-shaped bend in the connection area, the securing body is particularly easy to produce. But it is also possible to have the wave already when working out the fuse body from a block of material or when casting etc. into the fuse body so that subsequent bending is not necessary.
  • the wave-shaped bending corresponds in its axial extent to approximately two to ten times the radial thickness of the connection area, since the best force ratios are achieved in the gap between the radial groove base and the blade root end.
  • the force effect can be further improved.
  • the fuse body is made of a high-temperature steel, it can also be used in high-speed turbo machines without any problems.
  • the fuse body is made of a nickel-based alloy.
  • Solid noses in the first and second end regions of the securing body ensure particularly good hold in the axial direction, since these cannot be bent open.
  • Fig. 1 shows a part of a blade attached to a blade carrier and a
  • FIG. 2 in a representation analogous to the representation in Fig. 1, a second embodiment of the axial lock according to the invention
  • FIG. 3 in a representation analogous to the representations in Fig. 1 and 2, a third
  • FIG. 4 in a representation analogous to the representations in Fig. 1 to 3, a further embodiment of the axial lock according to the invention.
  • Figures 1 and 2 each show part of a moving blade 10 with a fir tree-shaped blade root 12, which is held in a fir tree-like radial groove 14 of a blade carrier 16.
  • a securing body 22 of the axial securing device 20 according to the invention is arranged in a gap 18 between the end 13 of the blade root 12 and a radial groove bottom 15 of the radial groove 14 and is formed in one piece in the examples shown.
  • the direction of flow of the working medium acting on the blades 10 is identified by an arrow A in each case. Contrary to this flow A, smaller axial forces act in direction B on the blades 10 in relation to the force acting through the flow A.
  • the axial securing device 20 according to the invention ensures a precise hold of the blades 10 in their axial position against both forces A, B.
  • the fuse body 22 which is preferably formed from a nickel-based alloy, such as Nimonic 90, has two end regions 26, 26 'and 28 with which the securing body 22 projects beyond the axial extent of the radial groove 14 of the blade carrier 16 or that of the blade root 12.
  • the first end region 26, 26 'of the securing body 22 is designed in the form of a solid double nose.
  • a second end region 28 is arranged which, in the assembled state, engages radially on the inside on an end face 34 of the blade carrier 12 on the flow inlet side.
  • the two end regions 26, 26 'and 28 are axially connected to one another by a connecting region 36.
  • the connecting region 36 has a rectangular cross section with dimensions that are approximately constant over its entire axial length. This enables a very simple manufacture of the securing body 22 and a simple machining of the blade carrier 16 and the blade root 12. However, all other types of cross sections, such as semicircular, polygonal shapes, etc., are also conceivable.
  • connection area 36 in FIG. 1 has a spring element 38 in the form of a simple shaft 40 of the connection area 36 on the flow outlet side.
  • This simple shaft 40 has approximately two and a half times the axial extent (not shown to scale) in relation to the radial thickness of the connecting region 36.
  • the shaft 40 can be produced from a block of material during casting or when punching out, milling out or cutting out with a laser but when using materials that allow bending or deep drawing, by appropriate deformation of the connection area. In the latter two methods, the cross section in the region of the shaft 40 can be somewhat reduced in relation to the otherwise approximately constant cross section of the connecting region 36.
  • the connecting area 36 of the securing body 22 shown in FIG. 2 also has a shaft as a spring element 38, which is designed as a half shaft 42 and, in contrast to the shaft 40 in FIG. 1, is arranged on the flow inlet side.
  • the gap 18, securing body 22 and spring element 38 are not shown to scale for better visibility.
  • the radial expansion of the gap 18 between the blade root end 13 and the radial groove base 15 corresponds approximately to the radial thickness of the connecting region 36.
  • the embodiments in FIGS. 3 and 4 differ from the previous ones in that the blade root 12 'and the radial groove 14' are dovetail-shaped.
  • the spring element 38 is in turn designed as a shaft on the flow exit side, in FIG.
  • FIGS. 3 and 4 are designed differently and show, by way of example, that the axial lock 20 according to the invention can be used in all conceivable blade root and radial groove shapes, as long as the blade root 12 and radial groove 14 have a groove.
  • Form a spring connection in such a way that a securing of the blade 10 in the radial direction and in the circumferential direction is ensured.
  • the axial lock 20 according to the invention corresponds in principle to that as shown in FIG. 1.
  • the end regions 26, 26 'and 28 are produced in a known manner by bending and instead of a simple shaft or a double shaft, a multiple shaft 48 is arranged approximately axially in the middle of the connecting region 36.
  • the blade root 12 is in frictional contact with the connecting region 36 of the securing body 22 in the case of the spring elements 38 configured as simple shafts 40, double shaft 45 or multiple shafts 48 on both sides of the shafts 40, 45, 48.
  • the spring elements 38 configured as simple shafts 40, double shaft 45 or multiple shafts 48 on both sides of the shafts 40, 45, 48.
  • the design of the spring element 38 as a half-shaft 42 or a half-shaft 44 means that the blade root 12 is in frictional contact with the connecting region 36 of the securing body 22 only on one side of the shaft 42, 44 and, if necessary, with several shaft arches with one or a plurality of wave arches 46, as shown in FIG. Instead of half waves and one and a half times waves, two and a half, three and a half times, etc. waves can be provided.
  • the axial extent of the shaft irrespective of how it is designed in detail, whether as a half-wave, a simple shaft or a multiple shaft, can be in the range from approximately two to ten times the radial thickness of the connecting region 36.
  • the securing body 22 is inserted into the radial groove 14 in such a way that the end regions 26 'and 28 engage behind the two end faces 30, 34 of the blade carrier 16.
  • the rotor blade 10 is then inserted radially above the securing body 22 into the radial groove 14, the radially acting force introduced by the spring element 38, which is noticeable as frictional resistance, having to be overcome.
  • the rotor blade is pushed into the radial groove 14 until its end 32 on the flow outlet side is brought into abutment with the radially outer nose 26 'of the first end region 26, 26'.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Vorgestellt wird eine Axialsicherung für Laufschaufeln (10) axial durchströmter Turbomaschinen, bei denen die Laufschaufeln (10) radial und in Umfangsrichtung mittels eines in eine Radialnut (14) eines Schaufelträgers (16) axial eingeschobenen Schaufelfusses (12), gesichert sind. Die Axialsicherung (20) weist einen Sicherungskörper (22) mit einem ersten, axialen Endbereich (26, 26‘) und einem zweiten, axialen Endbereich (28) auf, die mittels eines Verbindungsbereiches (30) miteinander verbunden sind, und wobei der erste Endbereich (26,26‘) eine Stirnseite (32) des Schaufelfuss (12) und eine Stirnseite (30) des Schaufelträgers (16) auf der Strömungsaustrittsseite hintergreift und der zweite Endbereich (28) eine Stirnseite (34) des Schaufelträgers (16) auf der Stömungseintrittseite hintergreift. Mit Hilfe der Endbereiche (26, 26‘, 28) ist die Schaufel (10) gegenüber den von der Strömung herrührenden axialen Kräften welche von der Strömungseintrittsseite in Richtung des Pfeiles (A) wirken gesichert. Im Verbindungsbereich (36) ist ein Federelement (38) ausgebildet, mit Hilfe dessen in eingebautem Zustand eine radial wirkende Kraft zwischen Schaufelfuss (12) und Radialnutboden (15) eingebracht wird, die ausreicht, die Laufschaufel (10) in ihrer axialen Position gegen axiale Kräfte in Richtung Strömungseintritt (B) zu sichern.

Description

Axialsicherung für Laufschaufeln
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialsicherung für Laufschaufeln axial durchströmter Turbomaschinen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Auf die Laufschaufeln von axial durchströmten Turbomaschinen wirken auf Grund der Rotation Zentrifugalkräfte. Diese Kräfte werden in der Regel durch tannenbaum- bzw. schwalbenschwanzförmige Ausgestaltung von radial angeordneten, formschlüssigen Nut- Federverbindung zwischen Laufschaufel und Schaufelträger aufgefangen. Die durch die axiale Strömungsrichtung des Strömungsmediums auftretenden axialen Kräfte müssen dagegen mittels einer gesonderten Axialsicherung aufgefangen werden.
Stand der Technik
Ein Beispiel für eine solche Axialsicherung ist aus der US-A-2,928,651 bekannt. Zur Sicherung der Laufschaufel in axiafer Richtung wird ein einstückig gebildeter Sicherungskörper aus Blech verwendet, dessen Länge grösser ist als die axiale Ausdehnung des schwalbenschwanzförmigen Schaufelfusses bzw. der gegengleich ausgebildeten RadiaJnut des Schaufeltragers. Zur Aufnahme der axialen Kräfte dienen unter anderem die als Sicherungselemente wirkenden Endbereiche des Bleches, welche axial über die Stirnseiten des Schaufelfusses bzw. des Schaufelträgers hinausragen und zu Haltezwecken in radialer Richtung umgebogen sind. Der erste der beiden überstehenden Endbereiche ist entlang der Mittellängsachse des Bleches zweigeteilt. Die beiden so aus dem Endbereich entstehenden Laschen sind zu Haltezwecken derart in entgegengesetzte radiale Richtungen umgebogen, dass eine erste Lasche eine Stirnseite des Schaufelträgers hintergreift, während die zweite Lasche eine erste Stirnseite des Schaufelfusses hintergreift. Der zweite der beiden überstehenden Endbereiche ist in montiertem Zustand derart umgebogen, dass er eine der ersten Stirnseite entgegengesetzt ausgerichtete zweite Stirnseite des Schaufelträgers hintergreift. Eine in der Mitte des Bleches dornartig aus der Blechebene vorstehender Zunge greift in eine keilförmige, Ausnehmung im Schaufelfuss ein und dient ebenfalls der Aufnahme axial auf die Schaufel einwirkender Kräfte.
Die Ausnehmung im Schaufelfuss ist sehr aufwendig und teuer in der Herstellung, da bei den modernen Hochleistungswerkstoffen, wie z.B. Nickelbasislegierungen oder Titanlegierungen, die heute für die Herstellung der Schaufeln zum Einsatz kommen, solche Ausnehmungen nur mehr durch Schleifen oder Errodieren hergestellt werden können. Ausserdem sind Montage und Demontage bei Axialsicherungen mit Ausnehmungen Schaufelfuss bzw. in der Radialnut des Schaufelträgers in die dann ein Vorsprung des Sicherungskörpers eingreift, meist aufwendig und zeitintensiv. Bei dem in US-2,928,651 gezeigten Beispiel muss z.B. für die Demontage erst der radial nach aussen abstehende Endbereich, gekennzeichnet mit 26, aufgebogen werden. Ausserdem ist der Sicherungskörper einstückig aus einem Blech geformt und seine Endbereiche wie auch die dornartige Zunge sind durch entsprechendes Verbiegen des Bleches erzeugt. Das Material des Bleches muss hierfür so gewählt werden, dass es zum einen in die geforderte Form gebogen werden kann und zum anderen dennoch die auftretenden Kräfte aufnehmen kann. Ein so/eher Sicherungskörper kann daher nur bedingt auf die möglichen Schub- und Scherkräfte ausgelegt werden, wobei durch das Biegen eine zusätzliche Materialschwächung eingebracht wird. Unter normalen Bedingungen mögen die bekannten eingesetzten Materialien die geforderten Eigenschaften noch knapp erfüllen, bei den hohen Temperaturen, die in einer schnelllaufenden Strömungsmaschine, wie beispielsweise in einem Turbolader auftreten, ist es jedoch kaum möglich ein Material zu finden, dass auch bei den hohen Temperaturen noch die nötige axiale Sicherung der Laufschaufeln im Schaufelträger gewährleistet. Weiter müssen bei einem solchen Sicherungskörper die Endbereiche der Sicherungskörper mit hoher Präzision gebogen werden, um die Schaufeln in ihrer axialen Lage genau zu fixieren. Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Axialsicherung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach und kostengünstig in Herstellung und Montage ist, und die Laufschaufeln zuverlässig in ihrer axialen Position sichert.
Diese Aufgabe löst eine Axialsicherung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , bei der Laufschaufeln eines Laufrades mittels eines zur Axialsicherung gehörenden Sicherungskörpers gesichert sind. Der Sicherungskörper weist einen ersten, axialen Endbereich und einem zweiten, axialen Endbereich auf, die über einen Verbindungsbereich miteinander verbunden sind. In montiertem Zustand ist der Verbindungsbereich in einem zwischen Schaufelfussende und Radialnutboden gebildeten Spalt angeordnet. Der erste Endbereich ist derart ausgebildet, dass er eine Stirnseite des Schaufelfusses und des Schaufelträgers auf der Strömungsaustrittsseite hintergreift. Der zweite Endbereich ist derart ausgebildet, dass er die Stirnseite des Schaufelträgers auf der entgegengesetzten Stömungseintrittseite hintergreift. Erfindungsgemäss weist der Verbindungsbereich ein Federelement auf, mit dessen Hilfe im eingebauten Zustand eine radial wirkende Kraft zwischen Schaufelfuss und Radialnutboden eingebracht wird, die ausreicht die Laufschaufel in ihrer axialen Position gegen axiale Kräfte in Richtung Strömungseintritt zu sichern. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich den Schaufelfuss wie auch die Radialnut ohne radiale Ausnehmung auszubilden, was die Herstellungskosten erheblich reduziert. Ausserdem kann mit Hilfe der erfindungsgemässen Axialsicherung der Sicherungskörper einfach in die Radialnut eingelegt und anschliessend die Schaufel mit dem Schaufelfuss in die Radialnut eingeschoben werden. Die Demontage erfolgt ebenso einfach in umgekehrter Reihenfolge. Weitere Handgriffe wie ein Umbiegen oder verdrehen des Sicherungskörpers bzw. eines Endbereiches des Sicherungskörpers sind nicht nötig. Dies verringert den Zeitaufwand für die Montage und die Demontage.
Sehr einfach kann das Federelement in Form einer Welle im Verbindungsbereich ausgebildet sein. Die Welle kann als einfache Vollwelle, als Doppel- oder Mehrfachwelle, oder auch als Halbwelle nach oben oder nach unten ausgestaltet sein. Ist das Federelement in Form einer wellenförmigen Verbiegung des Verbindungsbereiches ausgebildet, so ist der Sicherungskörper besonders einfach herstellbar. Es ist aber auch möglich, die Welle bereits beim Herausarbeiten des Sicherungskörpers aus einem Materialblock oder beim Giessen etc. in den Sicherungskörper einzubringen, so dass ein nachträgliches Verbiegen nicht nötig ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die wellenförmige Verbiegung in ihrer axialen Ausdehnung etwa zweimal bis zehnmal der radialen Dicke des Verbindungsbereiches entspricht, da so die besten Kraftverhältnisse im Spalt zwischen Radialnutboden und Schaufelfussende erreicht werden.
Steht der Schaufelfuss über wenigstens die Hälfte seiner axialen Länge mit dem Verbindungsbereich des Sicherungskörpers in Reibkontakt, so kann die Kraftwirkung noch weiter verbessert werden.
Ist der Sicherungskörper aus einem hochwarmfesten Stahl gefertigt, so ist er auch in schnelllaufenden Turbomaschinen problemlos einsetzbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sicherungskörper aus einer Nickelbasislegierung gefertigt.
Besonders einfach für die Herstellung ist es, den Sicherungskörper einstückig auszubilden.
Einen besonders guten Halt in axialer Richtung gewähren massiv ausgebildete Nasen im ersten und zweiten Endbereich des Sicherungskörpers, da diese nicht aufgebogen werden können. Denkbar ist aber auch die Ausgestaltung der Endbereiche in Form von umbiegbaren Blechenden. Egal wie die Enden des Sicherungskörpers ausgestaltet sind, durch Giessen, durch Erodieren, durch Ausstanzen aus einem Blech und/oder mit Hilfe eines Lasers lässt sich der Sicherungskörper sehr einfach herstellen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängigen Patentansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen rein schematisch: Fig. 1 einen Teil einer an einem Schaufelträger befestigten Schaufel sowie einen
Teil des Schaufelträgers mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Axialsicherung im axialen Schnitt entlang eines Radialnutbodens des Schaufelträgers;
Fig. 2 in analoger Darstellung zur Darstellung in Fig. 1 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Axialsicherung;
Fig. 3 in analoger Darstellung zu den Darstellungen in Fig. 1 und 2 eine dritte
Ausführungsform der erfindungsgemässen Axialsicherung; und
Fig. 4 in analoger Darstellung zu den Darstellungen in Fig. 1 bis 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Axialsicherung.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Die beschriebenen Ausführungsformen steht beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils einen Teil einer Laufschaufel 10 mit einem tannenbaumartig ausgestalteten Schaufelfuss 12, der in einer gegengleich tannenbaumartig ausgestalteten Radialnut 14 eines Schaufelträgers 16 gehalten ist. In einem Spalt 18 zwischen dem Ende 13 des Schaufelfusses 12 und einem Radialnutboden 15 der Radialnut 14 ist ein Sicherungskörper 22 der erfindungsgemässen Axialsicherung 20 angeordnet, der in den gezeigten Beispielen einstückig ausgebildet ist. Die Strömungsrichtung des die Laufschaufeln 10 beaufschlagenden Arbeitsmediums ist jeweils mit einem Pfeil A gekennzeichnet. Entgegen dieser Strömung A wirken - im Verhältnis zu der durch die Strömung A einwirkenden Kraft - geringere axiale Kräfte in Richtung B auf die Laufschaufeln 10. Gegenüber beiden Kräften A, B gewährleistet die erfindungsgemässe Axialsicherung 20 einen präzisen Halt der Laufschaufeln 10 in ihrer axialen Position.
Der Sicherungskörper 22, der vorzugsweise aus einer Nickelbasislegierung, wie beispielsweise Nimonic 90 geformt ist, weist zwei Endbereiche 26, 26' und 28 auf, mit welchen der Sicherungskörper 22 die axiale Ausdehnung der Radialnut 14 des Schaufelträgers 16 bzw. die des Schaufelfusses 12 überragt. Der erste Endbereich 26, 26' des Sicherungskörpers 22 ist in Form einer massiven Doppelnase ausgestaltet. Die radial innere Nase 26 hintergreift, in den hier gezeigten Beispielen formschlüssig, eine Schaufelträgerstirnseite 30 auf der Strömungsaustrittsseite, die radial äussere Nase 26' hintergreift ebenfalls formschlüssig eine Schaufelfussstimseite 32 auf der Strömungsaustrittsseite. In axialer Richtung beabstandet vom ersten Endbereich 26, 26' ist ein zweiter Endbereich 28 angeordnet, der in montiertem Zustand, radial innen eine Stirnseite 34 des Schaufelträgers 12 auf der Strömungseintrittsseite hintergreift. Die beiden Endbereiche 26, 26' und 28 sind durch einen Verbindungsbereich 36 axial miteinander verbunden. Der Verbindungsbereich 36 weist einen rechteckigen Querschnitt mit über seine gesamte axiale Länge etwa konstanten Abmessungen auf. Dies ermöglicht eine sehr einfache Herstellung des Sicherungskörpers 22 sowie eine einfache Bearbeitung des Schaufelträgers 16 und des Schaufelfusses 12. Denkbar sind aber auch alle anderen Arten von Querschnitten, wie Halbkreis-, Polygonformen etc..
Der Verbindungsbereich 36 in Fig.1 weist strömungsaustrittsseitig ein Federelement 38 in Form einer einfachen Welle 40 des Verbindungsbereiches 36 auf. Diese einfache Welle 40 weist etwa die zweieinhalbfache axiale Ausdehnung auf (nicht massstabsgetreu dargestellt), im Verhältnis zur radialen Dicke des Verbindungsbereiches 36. Die Welle 40 kann bereits beim Giessen oder beim Ausstanzen, Ausfräsen bzw. Ausschneiden mit dem Laser aus einem Materialblock hergestellt werden oder aber bei Verwendung von Materialien, die ein Verbiegen bzw. Tiefziehen erlauben, durch entsprechende Verformung des Verbindungsbereiches. Bei den beiden letzteren Verfahren kann der Querschnitt im Bereich der Welle 40 etwas reduziert sein im Verhältnis zum sonst etwa konstanten Querschnitt des Verbindungsbereiches 36.
Der Verbindungsbereich 36 des in Fig. 2 dargestellten Sicherungskörpers 22 weist ebenfalls eine Welle als Federelement 38 auf, die als Halbwelle 42 ausgebildet ist und im Gegensatz zur Welle 40 in Fig. 1 auf der Strömungseintrittsseite angeordnet ist. Wie in allen Figuren, so sind auch hier zur besseren Erkennbarkeit Spalt 18, Sicherungskörper 22 und Federelement 38 nicht massstabsgetreu dargestellt. Die radiale Ausdehnung des Spaltes 18 zwischen Schaufelfussende 13 und Radialnutboden 15 entspricht aber etwa der radialen Dicke des Verbindungsbereiches 36. Die Ausführungsformen in den Fig. 3 und 4 unterscheiden sich von den vorhergehenden dadurch, dass der Schaufelfuss 12' und die Radialnut 14' schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind. Das Federelement 38 ist wiederum strömungsaustrittsseitig als Welle ausgebildet, wobei es sich in Fig. 3 um eine eineinhalbfache Welle 44 und in Fig. 4 um eine Doppelwelle 45 handelt. Die Schwalbenschwanzform des Schaufelfusses 12' und der Radialnut 14' in den Fig. 3 und 4 sind unterschiedlich ausgestaltet und zeigen beispielhaft, dass die erfindungsgemässe Axialsicherung 20 bei allen denkbaren Schaufelfuss- und Radialnutformen eingesetzt werden kann, solange Schaufelfuss 12 und Radialnut 14 eine Nut-Federverbinung in der Art bilden, dass eine Sicherung der Schaufel 10 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung gewährleistet ist.
Die erfindungsgemässe Axialsicherung 20, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, entspricht prinzipiell derjenigen wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die Endbereiche 26, 26' und 28 in bekannter Weise durch Umbiegen erzeugt und statt einer einfachen Welle oder einer Doppelwelle ist eine Mehrfachwelle 48 etwa axial in der Mitte des Verbindungsbereiches 36 angeordnet.
Wie in Fig. 1 und 2 gut zu erkennen steht der Schaufelfuss 12 bei den als einfache Wellen 40, Doppelwelle 45 oder Mehrfachwelle 48 ausgestalteten Federelementen 38 beiderseits der Welle 40, 45, 48 mit dem Verbindungsbereich 36 des Sicherungskörpers 22 in Reibkontakt. Dies ist besonders vorteilhaft, da während des Betriebes zusätzlich zu den mittels des Federelementes 38 zwischen Schaufelf ussende 13 und Radialnutboden 15 eingebrachten radialen Kraft Fliehkräfte auf Sicherungskörper 22 und Schaufel 10 wirken, die bei einer Ausgestaltung des Federelementes 38 als einfache Welle 40, 45, 48 die beiderseits des Federelementes wirkende Reibkraft verstärken. Im Gegensatz dazu führt die Ausgestaltung des Federelementes 38 als Halbwelle 42 oder eineinhalbfache Welle 44 dazu, dass der Schaufelfuss 12 nur auf der einen Seite der Welle 42, 44 in Reibkontakt mit dem Verbindungsbereich 36 des Sicherungskörpers 22 steht und allenfalls bei mehreren Wellenbögen mit einem oder mehreren Wellenbogen 46, wie dies in Fig. 3 der anhand der eineinhalbfachen Welle 44 gezeigt ist. Statt Halbwellen und eineinhalbfachen Wellen können auch zweieinhalb- , dreieinhalbfache, etc. Wellen vorgesehen sein. Die Axiale Ausdehnung der Welle unabhängig davon wie sie im einzelnen ausgestaltet ist, ob als Halbwelle, einfache Welle bis hin zur Mehrfachwelle, kann im Bereich von etwa dem Zweifachen bis zum Zehnfachen der radialen Dicke des Verbindungsbereiches 36 liegen. Vorteilhaft ist es, wenn insgesamt wenigstens auf etwa der Hälfte der axialen Ausdehnung des Schaufelfusses 12, dieser im Reibkontakt mit dem Sicherungskörper 22 steht, da dann die Wirkung der Fliehkräfte besser ausgenutzt werden kann. Die Ausgestaltung des Federelementes 38 als Halbwelle, einfache, Welle etc., seine axiale Ausdehnung, wie auch seine Anordnung im Verhältnis zur Axialerstreckung des Verbindungsbereiches 36 im Spalt 18 ist abhängig von den einwirkenden Kräften und der Geometrie des Rotors, der Schaufeln 10 und des Schaufelträgers 16.
Egal wie die Detailausgestaltung der Sicherungsvorrichtung 20 aussieht, Montage und Demontage verlaufen immer gleich einfach und schnell: Zur Montage wird der Sicherungskörper 22 in die Radialnut 14 so eingelegt, dass die Endbereiche 26' und 28 die beiden Stirnseiten 30, 34 des Schaufelträgers 16 hintergreifen. Dann wird die Laufschaufel 10 radial über dem Sicherungskörper 22 in die Radialnut 14 eingeschoben, wobei die durch das Federelement 38 eingebrachte radial wirkende Kraft, die sich als Reibwiderstand bemerkbar macht, überwunden werden muss. Die Laufschaufel wird soweit in die Radialnut 14 eingeschoben, bis sie mit ihrer strömungsaustrittsseitigen Stirnseite 32 mit der radial äusseren Nase 26' des ersten Endbereichs 26, 26' in Anschlag gebracht ist. Zur Demontage wird umgekehrt verfahren. Die in Strömungsrichtung A wirkenden grossen axialen Kräfte werden durch die Endbereiche 26, 26' und 28 aufgenommen während den viel geringeren in Gegenrichtung B wirkenden axialen Kräften die Reibkraft entgegenwirkt, die aus der mittels des Federelementes 38 eingebrachten radialen Verspannung des Schaufelfusses 12 in der Radialnut 14 resultiert.
Bezugszeichenliste
A Richtung der Strömung von der
Strömungseintrittsseite her B Kraftrichtung von der
5 Strömungsaustrittsseite her
10 Lauf schaufei
12 Schaufelfuss
13 Schaufelfussende
10 14 Radialnut
15 Radialnutboden
16 Schaufelträger
18 Radialspalt
20 Axialsicherung
15 22 Sicherungskörper
26, 26' erster Endbereich
28 zweiter Endbereich
30 Stirnseite Schaufelträger
Strömungsaustrittsseitig
20 32 Stirnseite Schaufelfuss
Strömungsaustrittsseitig
34 Stirnseite Schaufelträger
Strömungseintittsseitig
36 Verbindungsbereich
25 38 Federelement
40 einfache Welle
42 Halbwelle
44 eineinhalbfache Welle
45 Doppelwelle
30 46 Wellenbogen
48 Mehrfachwelle

Claims

PATENTANSPRUECHE
1. Axialsicherung für Laufschaufeln (10) axial durchströmter Turbomaschinen, bei der die Laufschaufeln (10) radial und in Umfangsrichtung mittels eines in eine Radialnut (14) eines Schaufelträgers (16) axial eingeschobenen Schaufelfusses (12), gesichert sind, wobei die Axialsicherung (20) einen Sicherungskörper (22) umfasst, welcher
Mittel zum Sichern des Sicherungskörpers (22) bezüglich des Schaufelträgers (16) entgegen der Strömungsrichtung, Mittel zum Sichern der Laufschaufel (10) bezüglich des Sicherungskörpers (22) in Strömungsrichtung, Mittel zum Sichern des Sicherungskörpers (22) bezüglich des Schaufelträgers (16) in Strömungsrichtung, sowie Mittel zum Sichern der Laufschaufel (10) bezüglich des Sicherungskörpers (22) entgegen der Strömungsrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Mittel zum Sichern aus einer reibschlüssigen Verbindung zwischen dem Sicherungskörper (22) und der Laufschaufel (10) beziehungsweise dem Sicherungskörper (22) und dem Schaufelträger (16) besteht, und dass die reibschlüssige Verbindung mit einer radial gerichteten Federkraft beaufschlagt ist.
2. Axialsicherung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungskörper (22) einen ersten, axialen Endbereich (26, 26') und einen zweiten, axialen Endbereich (28) umfasst, welche mittels eines Verbindungsbereiches (36) miteinander verbunden sind, wobei der Verbindungsbereich (36) in montiertem Zustand des Sicherungskörpers (22) in einem zwischen Schaufelfussende (12) und Radialnutboden (15) gebildeten Spalt
(18) angeordnet ist, dass als Mittel zum Sichern des Sicherungskörpers (22) bezüglich des Schaufelträgers (16) entgegen der Strömungsrichtung der erste Endbereich (26, 26') eine Stirnseite (30) des Schaufelträgers (16) auf der Strömungsaustrittsseite hintergreift, dass als Mittel zum Sichern der Laufschaufel (10) bezüglich des Sicherungskörpers (22) in Strömungsrichtung der erste Endbereich (26, 26') eine Stirnseite (32) des
Schaufelfusses (12) auf der Strömungsaustrittsseite hintergreift, dass als Mittel zum Sichern des Sicherungskörpers (22) bezüglich des Schaufelträgers (16) in Strömungsrichtung der zweite Endbereich (28) eine Stirnseite (34) des Schaufelträgers (16) auf der Strömungseintrittsseite hintergreift, und dass als Mittel zum Sichern der Laufschaufel (10) bezüglich des Sicherungskörpers (22) entgegen der
Strömungsrichtung der Sicherungskörper (22) im Verbindungsbereich (36) ein radial wirkendes Federelement (38) umfasst, welches mit dem Schaufelfuss (12) die reibschlüssige Verbindung bildet.
3. Axialsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (38) in Form einer Welle (40, 42, 44, 45, 48) des Verbindungsbereiches (36) ausgebildet ist.
4. Axials/cherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (40, 42, 44, 45, 48) in ihrer axialen Ausdehnung etwa zweimal bis zehnmal der radialen Dicke des Verbindungsbereiches (36) entspricht.
5. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung des Spaltes (18) zwischen Schaufelf ussende (13) und
Radialnutboden (15) etwa der radialen Dicke des Verbindungsbereiches (36) entspricht.
6. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuss (12) in eingebautem Zustand über wenigstens die Hälfte seiner axialen Länge mit dem Verbindungsbereich (36) des Sicherungskörpers (22) in Reibkontakt steht.
7. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Sicherungskörpers (22) ein hochwarmfester Stahl und insbesondere eine Nickelbasislegierung ist.
8. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungskörper (22) einstückig ausgebildet ist.
9. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Endbereich (26, 26') und der zweite Endbereich (28) in Form von massiven Nasen ausgebildet sind.
10. Axialsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungskörper (22) durch Ausstanzen aus einem Blech, Erodieren, Fräsen und/oder mit Hilfe eines Lasers hergestellt ist.
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