EP1584793B1 - Turbinenschaufelarretiervorrichtung zur axialen Sicherung einer Turbinenschaufel - Google Patents

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EP1584793B1 EP05006648A EP05006648A EP1584793B1 EP 1584793 B1 EP1584793 B1 EP 1584793B1 EP 05006648 A EP05006648 A EP 05006648A EP 05006648 A EP05006648 A EP 05006648A EP 1584793 B1 EP1584793 B1 EP 1584793B1
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turbine
locking
turbine disk
blade
turbine blade
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Joana Negulescu
Peter Davison
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • 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
    • F01D5/326—Locking of axial insertion type blades by other means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49321—Assembling individual fluid flow interacting members, e.g., blades, vanes, buckets, on rotary support member

Definitions

  • the invention relates to a turbine disk with a turbine blade locking device for axial securing of a turbine blade on the turbine disk.
  • a fuse is required.
  • Such fuses show, for example, the EP 0 610 668 B1 , the US 5,135,354 , the US 5,518,369 , the US 3,986,779 or US 4,527,952 ,
  • Another disadvantage is that the overall construction has a higher weight and that the production and assembly are associated with not inconsiderable costs.
  • Another disadvantage is that the functionality and reliability is not always secured or that relatively expensive control measures are required to verify the correct installation.
  • the invention has for its object to provide a turbine blade locking device of the type mentioned, which has a high level of reliability and safety with a simple structure, simple cost manufacturability and ease of installation.
  • a locking groove is introduced, which passes through the groove for insertion of the blade root and which extends in the radial direction in the plane of the turbine disk.
  • a locking pin is inserted, which thus extends substantially in the circumferential direction of the turbine disk.
  • the locking pin is, due to the groove, displaceable in the radial direction.
  • On the underside of the blade a notch or a groove is made, into which at least a part of the locking pin (with respect to its length or with respect to its diameter) can be inserted.
  • an elastic element for insertion of the locking pin in the notch of the blade root after installation of the turbine blade is an elastic element, which is arranged below the locking pin and biases this radially outward.
  • the centrifugal forces cause a radially outwardly directed bias or movement of the locking bolt, so that it is securely positioned in the notch or groove of the underside of the blade root.
  • a tailor-made positioning of the blade root takes place relative to the turbine disk.
  • the axial positioning takes place in both axial directions. In this way, the present invention differs from the prior art, since there is often blocked an axial direction by stops, lugs or the like, while the other axial direction by the mentioned additional locking elements (sheets, etc.) takes place.
  • the forces are introduced in the axial direction of the blade root by the locking pin on the turbine disk. This ensures a safe power transmission.
  • the locking groove according to the invention preferably has a rectangular shape. Furthermore, it is advantageous if the locking pin is provided with a cylindrical cross section, since this is then inserted into a round cross section of the notch of the blade root. For a secure load transfer To ensure, it is advantageous if the end portions of the locking bolt have a substantially rectangular cross-section or are milled.
  • the elastic element may be designed in the form of a spring, which, after the insertion of the blade root into a corresponding groove of the turbine disk, is pushed under the locking bolt in order to push it upwards.
  • the Fig. 1 shows a turbine blade 1, which is integrally provided with a blade root 3. This is profiled fir-tree, as it is already known from the prior art.
  • a transversely extending notch 9 is formed, which may have a semi-circular cross-section matching a cylindrical cross-section of a locking pin 5.
  • the Fig. 1 further shows an elastic element 5, which is designed in the form of a spring and serves to introduce the locking pin 4 in the notch or groove 9.
  • the Fig. 2 shows the associated region of a turbine disk 6. This has a plurality of profiled, extending in the axial direction of grooves 10, which are each formed by lateral disk fingers 7. In the radial direction and in the plane of the turbine disk 6 each have a locking groove 8 is formed, in which the locking pin 4 is inserted, as in Fig. 2 is shown. On the representation of the elastic element 5 was in Fig. 2 omitted for clarity.
  • the Fig. 3 shows a schematic partial sectional view in the assembled state. It can be seen that the locking pin 4 is received with a majority of its cross section in the notch or groove 9. Furthermore, it is shown that the blade root 3 can usually be provided with at least one cooling channel 2. The design of the cooling channel 2 is not affected by the locking device according to the invention.
  • the locking pins 4 are inserted into the associated locking grooves 8. It is a matter of definition whether two lateral locking grooves 8 are provided in each groove 10 or whether a single locking groove 8 corresponding to the length of the locking bolt 4 is formed.
  • the invention relates to both such Ausmonys- and definition variants. After inserting the locking pin 4, this is at the bottom the locking groove 8, so that the blade root 3 is inserted into the groove 10 of the turbine disk 6. Subsequently, the elastic member 5 is inserted together with the blade (since it is attached to the blade root), so that the locking pin is pressed in the radial direction outwardly into the notch or groove 9 of the blade root 3.
  • a device for disassembly or removal of the turbine blade, a device is used by means of which the locking pins 4 are expressed radially downwards from the notch 9 of the blade root 3, so that it can be pushed out in the axial direction.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenscheibe mit einer Turbinenschaufelarretiervorrichtung zur axialen Sicherung einer Turbinenschaufel an der Turbinenscheibe.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Schaufelfüße von Turbinenschaufeln zu profilieren, um dabei die radial gerichteten Kräfte während des Betriebs einer Gasturbine zu übernehmen.
  • Um eine axiale Bewegung des Schaufelfußes relativ zu der Turbinenscheibe zu verhindern, ist eine Sicherung erforderlich. Derartige Sicherungen zeigen beispielsweise die EP 0 610 668 B1 , die US 5,135,354 , die US 5,518,369 , die US 3,986,779 oder US 4,527,952 .
  • Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen werden üblicherweise blechartige Elemente eingelegt, die zusammen mit Anschlägen an den Schaufelfüßen oder den Turbinenscheiben die axiale Fixierung bewirken. Als nachteilig erweist sich dabei der hohe Montageaufwand sowie die Gefahr, dass sich diese Arretierungen lösen oder dass diese nicht passgenau montiert sind, sodass sich zumindest geringfügige axiale Verschiebungen zwischen dem Schaufelfuß und der Turbinenscheibe ergeben können.
  • Im Einzelnen werden beim Stand der Technik Deckplatten, Arretierungsringe oder Arretierungsbleche oder eine Kombination von diesen verwendet, die bei der Montage verformt, beispielsweise gebogen werden müssen.
  • Als weiterer Nachteil ergibt sich, dass die Gesamtkonstruktion ein höheres Gewicht aufweist und dass die Herstellung und die Montage mit nicht unerheblichen Kosten verbunden sind.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit nicht immer gesichert ist bzw. dass relativ aufwendige Kontrollmaßnahmen erforderlich sind, um die korrekte Montage zu überprüfen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufelarretiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau, einfacher kostengünstiger Herstellbarkeit und einfacher Montage ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in die Turbinenscheibe eine Arretierungsnut eingebracht ist, welche die Nut zum Einschieben des Schaufelfußes durchgreift und welche sich in radialer Richtung in der Ebene der Turbinenscheibe erstreckt. In die Nut ist ein Arretierungsbolzen eingelegt, welcher sich somit im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Turbinenscheibe erstreckt. Der Arretierungsbolzen ist, bedingt durch die Nut, in radialer Richtung verschiebbar. An dem Schaufelfuß ist an seiner Unterseite eine Kerbe oder eine Nut eingebracht, in welche zumindest ein Teil des Arretierungsbolzens (bezüglich seiner Länge bzw. bezüglich seines Durchmessers) einschiebbar ist. Zum Einschieben des Arretierungsbolzens in die Kerbe des Schaufelfußes nach erfolgter Montage der Turbinenschaufel dient ein elastisches Element, welches unterhalb des Arretierungsbolzens angeordnet ist und diesen radial nach außen vorspannt.
  • Beim Betrieb der Gasturbine bewirken die Zentrifugalkräfte eine radial nach außen gerichtete Vorspannung oder Bewegung des Arretierungsbolzens, sodass dieser sicher in der Kerbe oder Nut der Unterseite des Schaufelfußes positioniert ist. Während des Betriebs erfolgt somit eine passgenaue Positionierung des Schaufelfußes relativ zu der Turbinenscheibe. Dabei erfolgt die axiale Positionierung in beiden Axialrichtungen. Hierdurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik, da dort vielfach eine Axialrichtung durch Anschläge, Nasen oder Ähnliches blockiert wird, während die andere Axialrichtung durch die erwähnten zusätzlichen Arretierungselemente (Bleche etc.) erfolgt.
  • Erfindungsgemäß werden die Kräfte in axialer Richtung vom Schaufelfuß durch den Arretierungsbolzen auf die Turbinenscheibe eingeleitet. Hierdurch ist eine sichere Kraftübertragung gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich somit der Vorteil, dass die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Gasturbine ganz erheblich gesteigert werden können. Es erfolgt zudem eine einfache Montage ohne zusätzliche kritische Bauteile. Weiterhin kann die sichere Montage in einfacher Weise überprüft werden. Zusätzliche Abdeckbleche oder Rückhalteelemente werden überflüssig.
  • Insgesamt ergibt sich somit eine Reduzierung des Turbinengewichts und damit der Kosten zur Herstellung der Gasturbine.
  • Die Arretierungsnut weist erfindungsgemäß bevorzugter Weise eine rechteckige Form auf. Weiterhin ist es günstig, wenn der Arretierungsbolzen mit einem zylindrischen Querschnitt versehen ist, da dieser dann in einen runden Querschnitt der Kerbe des Schaufelfußes einlegbar ist. Um eine sichere Lastübertragung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn die Endbereiche des Arretierungsbolzens einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen oder eben gefräst sind.
  • Das elastische Element kann erfindungsgemäß in Form einer Feder ausgebildet sein, die nach dem Einschieben des Schaufelfußes in einer entsprechenden Nut der Turbinenscheibe unter den Arretierungsbolzen geschoben wird, um diesen nach oben zu drücken.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine vereinfachte, isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel mit Schaufelfuß,
    Fig. 2
    eine vereinfachte, isometrische Teil-Ansicht einer Turbinenscheibe mit Arretierungsnut und zugeordnetem Arretierungsbolzen, und
    Fig. 3
    eine schematische Schnittansicht im montierten Zustand.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Turbinenschaufel 1, welche einstückig mit einem Schaufelfuß 3 versehen ist. Dieser ist tannenbaumartig profiliert, so wie dies aus dem Stand der Technik vorbekannt ist.
  • Am unteren Endbereich des Schaufelfußes 3 ist eine sich quer erstreckende Kerbe 9 ausgebildet, welche passend zu einem zylindrischen Querschnitt eines Arretierungsbolzens 5 einen halbrunden Querschnitt aufweisen kann.
  • Die Fig. 1 zeigt weiterhin ein elastisches Element 5, welches in Form einer Feder ausgebildet ist und dazu dient, den Arretierungsbolzen 4 in die Kerbe oder Nut 9 einzubringen.
  • Die Fig. 2 zeigt den zugeordneten Bereich einer Turbinenscheibe 6. Diese weist mehrere profilierte, sich in Axialrichtung erstreckende Nuten 10 auf, welche jeweils von seitlichen Scheibenfingern 7 gebildet sind. In radialer Richtung und in der Ebene der Turbinenscheibe 6 ist jeweils eine Arretierungsnut 8 ausgebildet, in welche der Arretierungsbolzen 4 einlegbar ist, so wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Auf die Darstellung des elastischen Elements 5 wurde in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
  • Die Fig. 3 zeigt eine schematische Teil-Schnittansicht im montierten Zustand. Dabei ist ersichtlich, dass der Arretierungsbolzen 4 mit einem Großteil seines Querschnitts in der Kerbe oder Nut 9 aufgenommen ist. Weiterhin ist dargestellt, dass der Schaufelfuß 3 in üblicherweise mit zumindest einem Kühlkanal 2 versehen sein kann. Die Ausgestaltung des Kühlkanals 2 wird durch die erfindungsgemäße Arretiervorrichtung nicht beeinträchtigt.
  • Weiterhin zeigt die Fig. 3 das zur radialen Vorspannung des Arretierungsbolzens 4 dienende elastische Element 5.
  • Zur Montage werden die Arretierungsbolzen 4 in die zugeordneten Arretierungsnuten 8 eingeschoben. Es ist dabei eine Frage der Definition, ob bei jeder Nut 10 jeweils zwei seitliche Arretierungsnuten 8 vorgesehen sind oder ob eine einzige, der Länge des Arretierungsbolzens 4 entsprechende Arretierungsnut 8 ausgebildet ist. Die Erfindung bezieht sich auf beide derartige Ausgestaltungs- und Definitionsvarianten. Nach dem Einlegen des Arretierungsbolzens 4 befindet sich dieser am Grund der Arretierungsnut 8, sodass der Schaufelfuß 3 in die Nut 10 der Turbinenscheibe 6 einschiebbar ist. Nachfolgend wird das elastische Element 5 zusammen mit der Schaufel (da es am Schaufelfuß befestigt ist) eingeschoben, sodass der Arretierungsbolzen in radialer Richtung nach außen in die Kerbe oder Nut 9 des Schaufelfußes 3 eingedrückt wird.
  • Zur Demontage bzw. zum Ausbau der Turbinenschaufel wird eine Vorrichtung eingesetzt, mittels derer die Arretierungsbolzen 4 radial nach unten aus der Kerbe 9 des Schaufelfußes 3 ausgedrückt werden, sodass dieser in axialer Richtung herausschiebbar ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbinenschaufel
    2
    Kühlkanal
    3
    Schaufelfuß
    4
    Arretierungsbolzen
    5
    Elastisches Element
    6
    Turbinenscheibe
    7
    Scheibenfinger
    8
    Arretierungsnut
    9
    Kerbe
    10
    Axiale Nut am Scheibenkranz

Claims (3)

  1. Turbinenscheibe mit einer Turbinenschaufelarretiervorrichtung zur axialen Sicherung einer Turbinenschaufel (1), welche in einer sich axial erstreckenden profilierten Nut (10) einer Turbinenscheibe (6) eingeschoben ist,
    wobei die Turbinenscheibe (6) mit einer die Nut (10) durchgreifenden, sich radial in der Ebene der Turbinenscheibe (6) erstreckenden, eine rechteckige Form aufweisenden Arretierungsnut (8) versehen ist,
    wobei in der Arretierungsnut (8) ein Arretierungsbolzen (4) eingelegt ist, der mit einem zylindrischen Querschnitt versehen ist,
    der Schaufelfuß (3) an seiner Unterseite mit einer mit der Arretierungsnut (8) im montierten Zustand fluchtenden Kerbe (9) versehen ist, und
    in radialer Richtung unterhalb des Arretierungsbolzens (4) ein diesen radial nach außen vorspanhendes elastisches Element (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (5) am Schaufelfuß befestigt ist.
  2. Turbinenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche des Arretierungsbolzens (4) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  3. Turbinenscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (5) in Form einer Feder ausgebildet ist.
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