EP1650405A1 - Rotor einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbinenrotor - Google Patents

Rotor einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbinenrotor Download PDF

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EP1650405A1
EP1650405A1 EP05022065A EP05022065A EP1650405A1 EP 1650405 A1 EP1650405 A1 EP 1650405A1 EP 05022065 A EP05022065 A EP 05022065A EP 05022065 A EP05022065 A EP 05022065A EP 1650405 A1 EP1650405 A1 EP 1650405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
groove
blade
blades
circumferential direction
Prior art date
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Application number
EP05022065A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1650405B1 (de
Inventor
Hermann Klingels
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.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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 MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1650405A1 publication Critical patent/EP1650405A1/de
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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
    • F01D5/3023—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses
    • F01D5/303—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses in a circumferential slot
    • F01D5/3038—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of radial insertion type, e.g. in individual recesses in a circumferential slot the slot having inwardly directed abutment faces on both sides

Definitions

  • the invention relates to a rotor of a turbomachine, in particular a gas turbine rotor, according to the preamble of patent claim 1.
  • Rotors of a turbomachine such as gas turbine rotors
  • the blades can either be an integral part of the rotor body or be anchored via blade roots in one or more grooves of the rotor body.
  • Rotors with integral blading are referred to as blisk or bling, depending on whether a disk-shaped or an annular rotor body is present.
  • blisk or bling depending on whether a disk-shaped or an annular rotor body is present.
  • rotors in which the blades are anchored via blade roots in a groove a distinction is made between rotors in which the blade roots of the blades are mounted either in so-called axial grooves of the rotor body or in a circumferential groove thereof.
  • the present invention relates to a rotor of a turbomachine, in particular a gas turbine rotor, in which the rotor blades are fastened via their blade roots in a circumferential groove of the rotor base body, that is in a circumferential groove.
  • the circumferential grooves In rotors in which the blades are mounted with their blade roots in so-called circumferential grooves, the circumferential grooves have at least two diametrically opposed filler openings to introduce the blade roots of the blade in the corresponding circumferential groove.
  • the filling openings are formed in the state of the art by constrictions in the region of groove wall limbs of the circumferential groove, wherein in operation abut the blade roots with support flanks on the Nutwandschenkeln. Notches are formed on the groove wall limbs through the filling openings, which are exposed to a high voltage level during operation of the rotor. As a result, the life of the rotor is reduced.
  • the blade roots of the blades have circumferentially only approximately half the width of blade platforms of the blades.
  • the forces that can absorb the blade roots during operation of the rotor limited.
  • the field of application of the rotors known from the prior art, in which the blades are guided or fastened via their blade roots in so-called circumferential grooves, is accordingly limited.
  • the present invention based on the problem to provide a novel rotor of a turbomachine.
  • the groove and the blade roots have such a profile that the blade roots of the rotor blades can be inserted into the circumferentially extending groove of the rotor body via a tilting or pivoting movement, wherein a width of the blade root in the circumferential direction approximately or approximately one width of the Bucket platform of the respective blade corresponds.
  • a rotor of a turbomachine in which the blades are guided or fastened via their blade guide in a circumferential groove, in which, however, the groove or groove wall limbs of the groove have no force-minimizing filler openings. Rather, the groove and the blade feet have a profile that the blade roots can be introduced via a tilting movement in the groove.
  • the blade roots are further dimensioned such that in the circumferential direction a width of the blade roots approximately corresponds to the width of the blade platform of the respective blade.
  • the blade roots can accommodate greater forces in the circumferential direction due to their significantly greater extent. This expands the field of application of rotors in which the blades are guided in circumferential grooves.
  • a relative position between the blades and the rotor body is defined by spacers in the radial direction, the spacers being positioned between circumferentially extending groove wall legs of the groove and the blade platforms of the blades.
  • the spacers are formed as hump-like projections, wherein on both Nutwandschenkeln the groove in the circumferential direction a plurality of hump-like projections are positioned at a distance from each other, wherein in each case two opposite, positioned at different Nutwandschenkeln the groove projections each with two blades their blade platforms are mounted, and being in each case by two opposing, At different Nutwandschenkeln positioned, hump-like projections a fuse element extending, which defines a relative position between the blades and the rotor body in the circumferential direction.
  • a groove formed in the circumferential direction of the groove, formed in the radial direction projection is on a groove wall leg of the groove as an integral part of the Nutwandschenkels, wherein at the other Nutwandschenkel the groove as a spacer in a Circumferentially closed closure ring or a circumferentially segmented locking ring is positioned, which is insertable between the Nutwandschenkel and the platforms of the blades, and which is fixed by a retaining ring.
  • a Nutwandschenkel the groove as a spacer closed in the circumferential direction of the groove, extending in the radial direction projection formed which is an integral part of the Nutwandschenkels, wherein at the other Nutwandschenkel the groove as a spacer in a Circumferentially extending the groove extending, interrupted by at least one opening projection which is also an integral part of the Nutwandschenkels.
  • FIG. 1 Before describing the present invention in greater detail below with reference to FIGS. 2 to 9, it will be described in advance, with reference to FIG. 1, a prior art gas turbine rotor having blades guided in a circumferential groove.
  • FIG. 1 shows a detail of a gas turbine rotor 10 according to the prior art, the gas turbine rotor 10 being formed by a rotor main body 11 and a plurality of rotor blades 12.
  • the rotor blades 12 each have an airfoil 13 and a blade root 14, wherein a blade platform 15 is formed between the airfoil 13 and the blade root 14.
  • the rotor blades 12 are fastened or guided in a circumferentially extending groove 16 of the rotor base body 11 via their blade roots 14.
  • the circumferentially extending groove 16 is open radially on the outside and is bounded by two mutually opposite groove wall limbs 17 and 18, respectively.
  • the entire set of blades 12 is displaced by half a blade pitch in the circumferential direction, so that all contact surfaces of the blade roots 14 below the supporting Nutwandschenkel 17th and 18 are therefore not in the region of a recess or notch 19 of the groove wall legs 17, 18. It follows immediately that the blade roots 14 seen in the circumferential direction have only approximately half the width of the blade platforms 15.
  • FIG. 2 to 4 show a first embodiment of a gas turbine rotor 20 according to the invention, which has a rotor base body 21 and a plurality of rotor blades 22.
  • the blades 22 in turn each have an airfoil 23, a blade root 24 and a between the Paddle blade 23 and the blade root 24 arranged blade platform 25.
  • the rotor body 21 has a circumferentially extending groove 26 which is bounded by lateral Nutwandschenkeln 27 and 28, wherein the blades 22 with their blade roots 24 in the circumferentially extending groove 26th are guided.
  • the blade roots 24 bear on the groove wall limbs 27 and 28, forming so-called support flanks 29.
  • the circumferential groove 26 and the blade roots 24 have such a profile that the blade roots 24 of the blades 22 can be inserted into the circumferential groove 26 of the rotor base body 21 by means of a tilting or pivoting movement, without Strength-minimizing constrictions or indentations in the groove wall legs 27 and 28 are required.
  • Fig. 3 visualizes the tilting or pivoting movement of the blade 22 during insertion of the blade root 24 thereof in the circumferential groove 26 with a double arrow 30.
  • the profile of the blade roots 24 of the blades 22 is dimensioned such that in the circumferential direction, a width of the blade roots 24 in about or approximately one width of the respective blade platform 25 of the respective blade 22 corresponds.
  • the blades 22 are aligned relative to the rotor body 21 so that the blade roots 24 forming the support flanks 29 on the Nutwandschenkeln 27 and 28 of Groove 26 abut.
  • a relative position between the blades 22 and the rotor body 21 is defined by spacers, wherein the spacers between the circumferentially extending Nutwandschenkeln 27 and 28 and the blade platforms 25 of the blades 22 are positioned.
  • the spacers are formed as a hump-like projections 31 which extend on both sides of the groove 26 and are therefore positioned in the region of both Nutwandschenkel 27 and 28. Seen in the circumferential direction are on both sides of the circumferential groove 26 at a distance from each other more hump-like projections 31st educated. Accordingly, in each case a recess 32 is formed between two circumferentially adjacent, hump-shaped projections 31. In the area of both groove wall limbs 27 and 28, a plurality of hump-like projections 31 are thus positioned at a distance from one another in the circumferential direction.
  • each blade 22 is mounted at one end via its platform 25 to two bump-like projections 31 which are positioned at different Nutwandschenkeln 27 and 28.
  • the opposite ends of the blade platforms 25 they are not mounted on the bump-like projections 31, but rather extend in the region of a recess 32 between circumferentially spaced-apart projections 31st
  • the spacers formed in the embodiment of FIGS. 2 to 4 as hump-like projections 31 accordingly define, in the mounted state of the rotor blades 22, a radial relative position of the rotor blades 22 relative to the rotor main body 21 in such a way that a radially inward displacement of the rotor blades 22 is prevented.
  • the hump-like projections 31 are each an integral part of the corresponding Nutwandschenkels 27 and 28 and extend from the respective Nutwandschenkel 27 and 28 radially outward.
  • the relative position between the blades 22 and the base body 21 of the gas turbine rotor 20 is defined by securing elements 33 which extend through two opposing, at different Nutwandschenkeln 27 and 28 positioned, hump-shaped projections 31.
  • the securing elements 33 are formed as rivets, which are guided in bores 34 of the hump-like projections 31.
  • the securing element 33 formed as a rivet is thereby fixed in its position that a tip 35 of the securing element 33 is bent in the direction of the arrow 36.
  • each blade 22 has on the side at which it is adjacent to the securing element 33, via a recess or recess 37 through which the fuse element 33 can be inserted, and on the other hand, the mounting position of the blades 22 in the rotor body 21 pretends ,
  • the gas turbine rotor according to the invention has a guide of the blade roots of the rotor blades in a circumferential groove of the rotor main body, in which no strength-minimizing indentations in the Nutwandschenkeln the circumferential groove are required. Rather, the circumferential groove and the blade roots are profiled in such a way that the blade roots can be introduced into the peripheral groove via a tilting movement, and that the width of the blade roots in the circumferential direction approximately corresponds to the width of the respective blade platform and thus compared to the prior art significantly larger support flanks between the Shovel feet and the Nutwandschenkeln be enabled.
  • the relative position between the blades and the rotor disc body is defined by spacers formed as hump-like projections, which in the preferred embodiment are an integral part of the groove wall limbs.
  • the relative position is defined by securing elements which extend through two opposite, positioned on different Nutenwandschenkeln, hump-like projections.
  • the main advantage of this embodiment of a gas turbine rotor according to the invention over the prior art is that the filling holes required in the prior art in the groove wall limbs, which reduce the strength and the life of the blade-rotor connection, can be dispensed with.
  • Another major advantage is that significantly larger support flanks are made possible between the blade roots and the groove wall limbs, whereby the surface pressure in the region of the wings and thus the so-called Frettinggefahr is reduced.
  • the gas turbine rotor according to the invention can absorb significantly higher forces during operation than the rotors known from the prior art, which prolongs its service life and widens its range of application.
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a gas turbine rotor 38 according to the invention.
  • the embodiment of FIG. 5 largely corresponds to the embodiment of FIGS. 2 to 4, so that the same reference numerals are used to avoid unnecessary repetitions for the same components.
  • the embodiment of FIG. 5 differs from the embodiment of FIGS. 2 to 4 only by the configuration of the securing element 33, which is designed in the embodiment of FIG. 5 as a symmetrical rivet.
  • FIG. 6 A third embodiment of a gas turbine rotor 39 according to the invention is shown in FIG. 6.
  • the same reference numerals are used for the same components and it will be discussed below only the details that distinguishes the embodiment of FIG. 6 from the embodiment of FIGS.
  • the embodiment of Fig. 6 differs from the embodiment of Figs. 2 to 4 by the configuration of the spacers which define the relative position of the blades 22 to the rotor disc main body 21 in the radial direction.
  • a first spacer is formed on a groove wall limb 27 of the circumferential groove 26 as a projection 40 closed in the circumferential direction of the groove 26.
  • the projection 40 is an integral part of the Nutwandschenkels 27 and extending from the Nutwandschenkel 27 radially outward toward the platform 25 of the blade 22. As already mentioned, the projection 40 is closed in the embodiment of FIG. 6 in the circumferential direction. In the region of the opposite groove wall leg 28 serves as a spacer also closed in the circumferential direction or a circumferentially segmented locking ring 41 which is inserted between the Nutwandschenkel 28 and the platforms 25 of the blade 22 and is fixed in this position via a locking ring 42. The locking ring 41 provides an anti-rotation and tilt protection for the blades 22 ready.
  • FIGS. 7 to 9 show a fourth exemplary embodiment of a gas turbine rotor 39 according to the invention.
  • the same reference numerals are used for the same components and only the details will be discussed below, which illustrate the embodiment of FIGS. 7 to 9 of the embodiment of FIGS. 2 to 4 different.
  • the embodiment of FIGS. 7 to 9 differs from the embodiment of FIGS. 2 to 4 again by the configuration of the spacers which define the relative position of the blades 22 to the rotor disc main body 21 in the radial direction.
  • a first spacer is formed on a groove wall limb 27 of the circumferential groove 26 as a projection 43 which is closed in the circumferential direction of the groove 26.
  • the projection 43 is an integral part of the Nutwandschenkels 27 and extending from the Nutwandschenkel 27 radially outward toward the platform 25 of the blade 22. As already mentioned, the projection 43 is closed in the embodiment of FIGS. 7 to 9 in the circumferential direction. In the region of the opposite groove wall leg 28 serves as a spacer in the circumferential direction of the groove 26 extending, interrupted by at least one opening 45 projection 44, which is an integral part of the Nutwennschenkels 28. In the area of every opening 45, the relative position in the circumferential direction between the blades 22 and the main body 21 of the gas turbine rotor 20 is defined by a securing element 46.
  • the securing elements 46 are formed by a rivet 47 and a closure member 48 cooperating with the rivet 47 for the opening 45.
  • the securing elements 46 extend according to FIGS. 7 and 8 through the projections 43 and 44 in the region of the groove wall limbs 27 and 28.
  • the projection 44 is preferably interrupted by two or four openings 45, two being in each case Openings 45 are diametrically opposed, and wherein each opening 45 is closed by a closure element 48 of a securing element 46.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einen Gasturbinenrotor, mit einem Rotorgrundkörper (21), wobei der Rotorgrundkörper (21) eine sich in Umfangsrichtung des Rotorgrundkörpers (21) erstreckende Nut (26) aufweist, und mit mehreren Laufschaufeln (22), wobei jede Laufschaufel (22) ein Schaufelblatt (23), einen Schaufelfuß (24) und eine zwischen dem Schaufelblatt (23) und dem Schaufelfuß (24) positionierte Schaufelplattform (25) aufweist, und wobei die Laufschaufeln (22) über ihre Schaufelfüße (24) in der Nut (26) des Rotorgrundkörpers (21) verankert sind. Erfindungsgemäß weisen die Nut (26) und die Schaufelfüße (24) ein derartiges Profil auf, dass die Schaufelfüße (24) der Laufschaufeln (22) über eine Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (26) des Rotorgrundkörpers (21) einführbar sind, wobei in Umfangsrichtung eine Breite des Schaufelfußes (24) annähernd einer Breite der Schaufelplattform (25) der jeweiligen Laufschaufel (22) entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einen Gasturbinenrotor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Rotoren einer Turbomaschine, wie zum Beispiel Gasturbinenrotoren, verfügen über einen Rotorgrundkörper sowie über mehrere mit dem Rotorgrundkörper rotierende Laufschaufeln. Die Laufschaufeln können entweder integraler Bestandteil des Rotorgrundkörpers sein oder über Schaufelfüße in einer oder mehreren Nuten des Rotorgrundkörpers verankert sein. Rotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man als Blisk oder Bling, abhängig davon, ob ein scheibenförmiger oder ein ringförmiger Rotorgrundkörper vorliegt. Bei Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln über Schaufelfüße in einer Nut verankert sind, unterscheidet man zwischen Rotoren, bei welchen die Schaufelfüße der Laufschaufeln entweder in sogenannten Axialnuten des Rotorgrundkörpers oder in einer Umfangsnut desselben befestigt sind. Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einen Gasturbinenrotor, bei welchem die Laufschaufeln über ihre Schaufelfüße in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut des Rotorgrundkörpers, also in einer Umfangsnut, befestigt sind.
  • Bei Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln mit ihren Schaufelfüßen in sogenannten Umfangsnuten befestigt sind, verfügen die Umfangsnuten über mindestens zwei sich diametral gegenüberliegende Einfüllöffnungen, um die Schaufelfüße der Laufschaufel in die entsprechende Umfangsnut einzuführen. Die Einfüllöffnungen werden nach dem Stand der Technik durch Einschnürungen im Bereich von Nutwandschenkeln der Umfangsnut gebildet, wobei im Betrieb die Schaufelfüße mit Tragflanken an den Nutwandschenkeln anliegen. Durch die Einfüllöffnungen werden Kerbstellen an den Nutwandschenkel gebildet, die im Betrieb des Rotors einem hohen Spannungsniveau ausgesetzt sind. Hierdurch wird die Lebensdauer des Rotors reduziert. Weiterhin verfügen nach dem Stand der Technik aufgrund des obigen Konstruktionsprinzips von in Umfangsnuten geführten Laufschaufeln die Schaufelfüße der Laufschaufeln in Umfangsrichtung gesehen lediglich über in etwa die halbe Breite wie Schaufelplattformen der Laufschaufeln. Hierdurch werden die Kräfte, welche die Schaufelfüße im Betrieb des Rotors aufnehmen können, begrenzt. Der Einsatzbereich der aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln über ihre Schaufelfüße in sogenannten Umfangsnuten geführt bzw. befestigt sind, ist demnach begrenzt.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Rotor einer Turbomaschine zu schaffen.
  • Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der eingangs genannte Rotor einer Turbomaschine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß weisen die Nut und die Schaufelfüße ein derartiges Profil auf, dass die Schaufelfüße der Laufschaufeln über eine Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut des Rotorgrundkörpers einführbar sind, wobei in Umfangsrichtung eine Breite des Schaufelfußes in etwa bzw. annähernd einer Breite der Schaufelplattform der jeweiligen Laufschaufel entspricht.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird ein Rotor einer Turbomaschine vorgeschlagen, bei welchem die Laufschaufeln über ihre Schaufelfü-βe in einer Umfangsnut geführt bzw. befestigt sind, bei welchem jedoch die Nut bzw. die Nutwandschenkel der Nut keine festigkeitsminimierenden Einfüllöffnungen aufweisen. Vielmehr verfügen die Nut sowie die Schaufelfüße über ein Profil, dass die Schaufelfüße über eine Kippbewegung in die Nut eingeführt werden können. Die Schaufelfüße sind des weiteren derart bemessen, dass in Umfangsrichtung eine Breite der Schaufelfüße annähernd der Breite der Schaufelplattform der jeweiligen Laufschaufel entspricht. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden demnach einerseits festigkeitsminimierende Einfüllöffnungen im Bereich der Nut vermieden, andererseits können die Schaufelfüße aufgrund ihrer deutlich größeren Erstreckung in Umfangsrichtung größere Kräfte aufnehmen. Hierdurch wird der Einsatzbereich von Rotoren, bei welchen die Laufschaufeln in Umfangsnuten geführt sind, erweitert.
  • Vorzugsweise wird in Radialrichtung eine Relativposition zwischen den Laufschaufeln und dem Rotorgrundkörper durch Abstandhalter definiert, wobei die Abstandhalter zwischen in Umfangsrichtung verlaufenden Nutwandschenkeln der Nut und den Schaufelplattformen der Laufschaufeln positioniert sind.
  • Nach einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Abstandhalter als höckerartige Vorsprünge ausgebildet, wobei an beiden Nutwandschenkeln der Nut in Umfangsrichtung mehrere höckerartige Vorsprünge mit Abstand voneinander positioniert sind, wobei an jeweils zwei sich gegenüberliegenden, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln der Nut positionierten Vorsprüngen jeweils zwei Laufschaufeln mit ihren Schaufelplattformen gelagert sind, und wobei sich durch jeweils zwei sich gegenüberliegende, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln positionierte, höckerartige Vorsprünge ein Sicherungselement erstreckt, welches in Umfangsrichtung eine Relativposition zwischen den Laufschaufeln und dem Rotorgrundkörper definiert.
  • Nach einer zweiten, alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an einem Nutwandschenkel der Nut als Abstandhalter ein in Umfangrichtung der Nut geschlossener, sich in radialer Richtung erstreckender Vorsprung ausgebildet, der integraler Bestandteil des Nutwandschenkels ist, wobei an dem anderen Nutwandschenkel der Nut als Abstandhalter ein in Umfangrichtung geschlossener Verschlussring oder ein in Umfangsrichtung segmentierter Verschlussring positioniert ist, der zwischen den Nutwandschenkel und die Plattformen der Laufschaufeln einführbar ist, und der durch einen Sicherungsring fixiert ist.
  • Nach einer weiteren, alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an einem Nutwandschenkel der Nut als Abstandhalter ein in Umfangrichtung der Nut geschlossener, sich in radialer Richtung erstreckender Vorsprung ausgebildet, der integraler Bestandteil des Nutwandschenkels ist, wobei an dem anderen Nutwandschenkel der Nut als Abstandhalter ein in Umfangrichtung der Nut verlaufender, durch mindestens eine Öffnung unterbrochener Vorsprung ausgebildet, der ebenfalls integraler Bestandteil des Nutwandschenkels ist.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenrotor nach dem Stand der Technik in perspektivischer Seitenansicht;
    Fig. 2
    einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor in perspektivischer Seitenansicht;
    Fig. 3
    einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor der Fig. 2 mit einer Laufschaufel bei der Montage derselben an einem Rotorgrundkörper des Gasturbinenrotors;
    Fig. 4
    einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor der Fig. 2 mit einer montierten Laufschaufel;
    Fig. 5
    einen Querschnitt durch einen alternativen, erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor mit einer montierten Laufschaufel;
    Fig. 6
    einen Querschnitt durch einen alternativen, erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor mit einer montierten Laufschaufel;
    Fig. 7
    einen Querschnitt durch einen weiteren alternativen, erfindungsgemäßen Gasturbinenrotor mit einer montierten Laufschaufel;
    Fig. 8
    einen weiteren Querschnitt durch die Anordnung der Fig. 7; und
    Fig. 9
    ein Verschlusselement der Anordnung gemäß Fig. 7 und 8.
  • Bevor nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 9 die hier vorliegende Erfindung in größerem Detail beschrieben wird, soll vorab unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein aus dem Stand der Technik bekannter Gasturbinenrotor mit in einer Umfangsnut geführten Laufschaufeln beschrieben werden.
  • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenrotor 10 nach dem Stand der Technik, wobei der Gasturbinenrotor 10 von einem Rotorgrundkörper 11 und mehreren Laufschaufeln 12 gebildet ist. Gemäß Fig. 1 verfügen die Laufschaufeln 12 jeweils über ein Schaufelblatt 13 sowie einen Schaufelfuß 14, wobei zwischen dem Schaufelblatt 13 und dem Schaufelfuß 14 eine Schaufelplattform 15 ausgebildet ist. Die Laufschaufeln 12 sind in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut 16 des Rotorgrundkörpers 11 über ihre Schaufelfüße 14 befestigt bzw. geführt. Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 16 radial außen offen und wird von zwei sich gegenüberliegenden Nutwandschenkeln 17 bzw. 18 begrenzt. Um die Laufschaufel 12 über ihre Schaufelfüße 14 in die Umfangsnut 16 einführen zu können, sind nach dem Stand der Technik in die Nut 16 bzw. die Nutwandschenkel 17, 18 Ausnehmungen bzw. Einkerbungen 19 eingebracht, die Einfüllöffnungen für die Schaufelfüße 14 bilden. Um die Laufschaufeln 12 in die Umfangsnut 16 einzuführen, werden demnach die Laufschaufeln 12 über ihre Schaufelfüße 14 im Bereich der Einkerbungen 19 in die Umfangsnut 16 eingefädelt und sodann in Umfangsrichtung verschoben. Nachdem die letzte Laufschaufel 12 bei dem aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 bekannten Gasturbinenrotor 10 eingesetzt worden ist, wird der gesamte Satz aus Laufschaufeln 12 um eine halbe Schaufelteilung in Umfangsrichtung verschoben, sodass sich alle Kontaktflächen der Schaufelfüße 14 unterhalb der tragenden Nutwandschenkel 17 und 18 befinden und demnach nicht im Bereich einer Ausnehmung bzw. Einkerbung 19 der Nutwandschenkel 17, 18. Daraus folgt unmittelbar, dass die Schaufelfüße 14 in Umfangsrichtung gesehen nur in etwa die halbe Breite der Schaufelplattformen 15 aufweisen.
  • Fig. 2 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors 20, der einen Rotorgrundkörper 21 sowie mehrere Laufschaufeln 22 aufweist. Die Laufschaufeln 22 verfügen wiederum jeweils über ein Schaufelblatt 23, einen Schaufelfuß 24 und eine zwischen dem Schaufelblatt 23 und dem Schaufelfuß 24 angeordnete Schaufelplattform 25. Der Rotorgrundkörper 21 verfügt über eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 26, die von seitlichen Nutwandschenkeln 27 bzw. 28 begrenzt wird, wobei die Laufschaufeln 22 mit ihren Schaufelfüßen 24 in der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut 26 geführt sind. In montiertem Zustand (siehe Fig. 4) liegen die Schaufelfüße 24 unter Ausbildung sogenannter Tragflanken 29 an den Nutwandschenkel 27 und 28 an.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass die Umfangsnut 26 sowie die Schaufelfüße 24 ein derartiges Profil aufweisen, dass die Schaufelfüße 24 der Laufschaufeln 22 über eine Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung in die Umfangsnut 26 des Rotorgrundkörpers 21 einführbar sind, und zwar ohne dass festigkeitsminimierende Einschnüren bzw. Einkerbungen in den Nutwandschenkeln 27 bzw. 28 erforderlich sind. Fig. 3 visualisiert die Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung der Laufschaufel 22 beim Einführen des Schaufelfußes 24 derselben in die Umfangsnut 26 mit einem Doppelpfeil 30. Weiterhin ist das Profil der Schaufelfüße 24 der Laufschaufeln 22 derart bemessen, dass in Umfangsrichtung eine Breite der Schaufelfüße 24 in etwa bzw. annähernd einer Breite der jeweiligen Schaufelplattform 25 der jeweiligen Laufschaufel 22 entspricht. Durch die erfindungsgemäße Profilierung der Umfangsnut 26 sowie der Schaufelfüße 24 wird erzielt, dass einerseits festigkeitsminimierende Einkerbungen in den Nutwandschenkeln 27 und 28 entfallen können, und dass andererseits die Umfangserstreckung der Tragflanken 29 gegenüber dem Stand der Technik deutlich vergrößert ist. Hierdurch kann die Lebensdauer des Gasturbinenrotors 20 erhöht werden.
  • Wie bereits erwähnt, werden nach dem Einschwenken der Laufschaufeln 22 über die Schaufelfüße 24 in die Umfangsnut 26 im Sinne des Doppelpfeils 30 die Laufschaufeln 22 derart relativ zum Rotorgrundkörper 21 ausgerichtet, dass die Schaufelfüße 24 unter Ausbildung der Tragflanken 29 an den Nutwandschenkeln 27 und 28 der Nut 26 anliegen. In Radialrichtung wird dabei eine Relativposition zwischen den Laufschaufeln 22 und dem Rotorgrundkörper 21 durch Abstandhalter definiert, wobei die Abstandhalter zwischen den in Umfangsrichtung verlaufenden Nutwandschenkeln 27 und 28 sowie den Schaufelplattformen 25 der Laufschaufeln 22 positioniert sind.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 sind die Abstandhalter als höckerartige Vorsprünge 31 ausgebildet, die sich zu beiden Seiten der Nut 26 erstrecken und demnach im Bereich beider Nutwandschenkel 27 und 28 positioniert sind. In Umfangsrichtung gesehen sind zu beiden Seiten der Umfangsnut 26 mit Abstand voneinander mehrere höckerartige Vorsprünge 31 ausgebildet. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten, höckerartigen Vorsprüngen 31 ist demnach jeweils eine Ausnehmung 32 ausgebildet. Im Bereich beider Nutwandschenkel 27 und 28 sind demnach in Umfangsrichtung mehrere höckerartige Vorsprünge 31 mit Abstand voneinander positioniert. An jeweils zwei sich gegenüberliegenden, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln 27 und 28 positionierten, höckerartigen Vorsprüngen 31 sind jeweils zwei Laufschaufeln 22 mit ihren Schaufelplattformen 25 gelagert. So zeigt Fig. 2, dass jede Laufschaufel 22 an einem Ende über ihre Plattform 25 an zwei höckerartigen Vorsprüngen 31 gelagert ist, die an unterschiedlichen Nutwandschenkeln 27 und 28 positioniert sind. An den gegenüberliegenden Enden der Schaufelplattformen 25 sind dieselben nicht an den höckerartigen Vorsprüngen 31 gelagert, sondern erstrecken sich vielmehr im Bereich einer Ausnehmung 32 zwischen in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Vorsprüngen 31.
  • Die im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 als höckerartige Vorsprünge 31 ausgebildeten Abstandhalter definieren demnach in montiertem Zustand der Laufschaufeln 22 eine radiale Relativposition der Laufschaufeln 22 zum Rotorgrundkörper 21 derart, dass ein nach radial innen Verschieben der Laufschaufeln 22 verhindert wird. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 sind die höckerartigen Vorsprünge 31 jeweils integraler Bestandteil des entsprechenden Nutwandschenkels 27 bzw. 28 und erstrecken sich ausgehend vom jeweiligen Nutwandschenkel 27 bzw. 28 nach radial außen.
  • In Umfangsrichtung wird die Relativposition zwischen den Laufschaufeln 22 und dem Grundkörper 21 des Gasturbinenrotors 20 durch Sicherungselemente 33 definiert, die sich durch jeweils zwei sich gegenüberliegende, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln 27 und 28 positionierte, höckerartige Vorsprünge 31 erstrecken. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 sind die Sicherungselemente 33 als Niete ausgebildet, die in Bohrungen 34 der höckerartigen Vorsprünge 31 geführt sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird das als Niet ausgebildete Sicherungselement 33 dadurch in seiner Position fixiert, dass eine Spitze 35 des Sicherungselements 33 im Sinne des Pfeils 36 umgebogen wird. Der Schaufelfuß 24 einer jeden Laufschaufel 22 verfügt an der Seite, an welcher derselbe an das Sicherungselement 33 angegrenzt, über eine Einbuchtung bzw. Ausnehmung 37, durch die das Sicherungselement 33 eingeführt werden kann, und die andererseits die Montageposition der Laufschaufeln 22 im Rotorgrundkörper 21 vorgibt.
  • Bei dem unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 4 beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel verfügt der erfindungsgemäße Gasturbinenrotor über eine Führung der Schaufelfüße der Laufschaufeln in einer Umfangsnut des Rotorgrundkörpers, bei welcher keine festigkeitsminimierenden Einkerbungen in den Nutwandschenkeln der Umfangsnut erforderlich sind. Vielmehr sind die Umfangsnut sowie die Schaufelfüße derart profiliert, dass die Schaufelfüße über eine Kippbewegung in die Umfangsnut eingeführt werden können, und dass die Breite der Schaufelfüße in Umfangsrichtung annähernd der Breite der jeweiligen Schaufelplattform entspricht und damit gegenüber dem Stand der Technik deutlich größere Tragflanken zwischen den Schaufelfüßen und den Nutwandschenkeln ermöglicht werden. In Radialrichtung wird die Relativposition zwischen den Laufschaufeln und dem Rotorscheibengrundkörper durch als höckerartige Vorsprünge ausgebildete Abstandhalter definiert, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel integraler Bestandteil der Nutwandschenkel sind. In Umfangsrichtung wird die Relativposition durch Sicherungselemente definiert, die sich durch zwei gegenüberliegende, an unterschiedlichen Nutenwandschenkeln positionierte, höckerartige Vorsprünge erstrecken.
  • Der Hauptvorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung eines Gasturbinenrotors gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass auf die nach dem Stand der Technik erforderlichen Einfüllöffnungen in den Nutwandschenkeln, welche die Festigkeit und die Lebensdauer der Schaufel-Rotor-Verbindung reduzieren, verzichtet werden kann. Ein weiterer Hauptvorteil liegt darin, dass deutlich größere Tragflanken zwischen den Schaufelfüßen und den Nutwandschenkeln ermöglicht werden, wodurch die Flächenpressung im Bereich der Tragflächen und damit die sogenannte Frettinggefahr verringert wird. Der erfindungsgemäße Gasturbinenrotor kann im Betrieb deutlich höhere Kräfte aufnehmen als die aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren, wodurch dessen Lebensdauer verlängert und dessen Einsatzbereich erweitert wird.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors 38 zeigt Fig. 5. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 entspricht größtenteils dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Nachfolgend wird nur auf die Details eingegangen, die das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 unterscheidet. So unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 lediglich durch die Ausgestaltung des Sicherungselements 33, welches im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 als symmetrischer Niet ausgeführt ist. Hinsichtlich der übrigen Details wird auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 verwiesen.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors 39 zeigt Fig. 6. Auch hier werden für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet und es wird nachfolgend lediglich auf die Details eingegangen, die das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 unterscheidet. So unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 durch die Ausgestaltung der Abstandhalter, welche die Relativposition der Laufschaufeln 22 zum Rotorscheibengrundkörper 21 in Radialrichtung definieren. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist an einem Nutwandschenkel 27 der Umfangsnut 26 ein erster Abstandhalter als in Umfangsrichtung der Nut 26 geschlossener Vorsprung 40 ausgebildet. Der Vorsprung 40 ist integraler Bestandteil des Nutwandschenkels 27 und erstreckt sich ausgehend vom Nutwandschenkel 27 nach radial außen in Richtung auf die Plattform 25 der Laufschaufel 22. Wie bereits erwähnt, ist der Vorsprung 40 im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 in Umfangsrichtung geschlossen. Im Bereich des gegenüberliegenden Nutwandschenkels 28 dient als Abstandhalter ein ebenfalls in Umfangsrichtung geschlossener oder ein in Umfangsrichtung segmentierter Verschlussring 41, der zwischen den Nutwandschenkel 28 und die Plattformen 25 der Laufschaufel 22 eingeschoben wird und in dieser Position über einen Sicherungsring 42 fixiert ist. Der Verschlussring 41 stellt eine Verdrehsicherung sowie Kippsicherung für die Laufschaufeln 22 bereit.
  • Ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors 39 zeigen Fig. 7 bis 9. Auch hier werden für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet und es wird nachfolgend lediglich auf die Details eingegangen, die das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 unterscheidet. So unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 wiederum durch die Ausgestaltung der Abstandhalter, welche die Relativposition der Laufschaufeln 22 zum Rotorscheibengrundkörper 21 in Radialrichtung definieren. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 ist an einem Nutwandschenkel 27 der Umfangsnut 26 ein erster Abstandhalter als in Umfangsrichtung der Nut 26 geschlossener Vorsprung 43 ausgebildet. Der Vorsprung 43 ist integraler Bestandteil des Nutwandschenkels 27 und erstreckt sich ausgehend vom Nutwandschenkel 27 nach radial außen in Richtung auf die Plattform 25 der Laufschaufel 22. Wie bereits erwähnt, ist der Vorsprung 43 im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 in Umfangsrichtung geschlossen. Im Bereich des gegenüberliegenden Nutwandschenkels 28 dient als Abstandhalter ein in Umfangsrichtung der Nut 26 verlaufender, durch mindestens eine Öffnung 45 unterbrochener Vorsprung 44, der integraler Bestandteil des Nutwändschenkels 28 ist. Im Bereich jeder Öffnung 45 wird die Relativposition in Umfangsrichtung zwischen den Laufschaufeln 22 und dem Grundkörper 21 des Gasturbinenrotors 20 durch ein Sicherungselement 46 definiert. Die Sicherungselemente 46 werden von einem Niet 47 und einem mit dem Niet 47 zusammenwirkenden Verschlusselement 48 für die Öffnung 45 gebildet. Die Sicherungselemente 46 erstrecken sich gemäß Fig. 7 und 8 durch die Vorsprünge 43 und 44 im Bereich der Nutwandschenkel 27 und 28. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 9 ist der Vorsprung 44 vorzugsweise durch zwei oder vier Öffnungen 45 unterbrochen, wobei sich jeweils zwei Öffnungen 45 diametral gegenüberliegen, und wobei jede Öffnung 45 von einem Verschlusselement 48 eines Sicherungselements 46 verschlossen wird.

Claims (13)

  1. Rotor einer Turbomaschine, insbesondere Gasturbinenrotor, mit einem Rotorgrundkörper (21), wobei der Rotorgrundkörper (21) eine sich in Umfangsrichtung des Rotorgrundkörpers (21) erstreckende Nut (26) aufweist, und mit mehreren Laufschaufeln (22), wobei jede Laufschaufel (22) ein Schaufelblatt (23), einen Schaufelfuß (24) und eine zwischen dem Schaufelblatt (23) und dem Schaufelfuß (24) positionierte Schaufelplattform (25) aufweist, und wobei die Laufschaufeln (22) über ihre Schaufelfüße (24) in der Nut (26) des Rotorgrundkörpers (21) verankert sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nut (26) und die Schaufelfüße (24) ein derartiges Profil aufweisen, dass die Schaufelfüße (24) der Laufschaufeln (22) über eine Kippbewegung bzw. Schwenkbewegung in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (26) des Rotorgrundkörpers (21) einführbar sind, und dass in Umfangsrichtung eine Breite des Schaufelfußes (24) annähernd einer Breite der Schaufelplattform (25) der jeweiligen Laufschaufel (22) entspricht.
  2. Rotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in Radialrichtung eine Relativposition zwischen den Laufschaufeln (22) und dem Rotorgrundkörper (21) durch Abstandhalter definiert wird.
  3. Rotor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abstandhalter zwischen in Umfangsrichtung verlaufenden Nutwandschenkeln (27, 28) der Nut (26) und den Schaufelplattformen (25) der Laufschaufeln (22) positioniert sind.
  4. Rotor nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abstandhalter als höckerartige Vorsprünge (31) ausgebildet sind, die zumindest auf einer Seite der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (26) positioniert sind.
  5. Rotor nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest an einem Nutwandschenkel (27, 28) der Nut (26) in Umfangsrichtung mehrere höckerartige Vorsprünge (31) mit Abstand voneinander positioniert sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten, höckerartigen Vorsprüngen eine Ausnehmung (32) ausgebildet ist.
  6. Rotor nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an beiden Nutwandschenkeln (27, 28) der Nut (26) in Umfangsrichtung mehrere höckerartige Vorsprünge (31) mit Abstand voneinander positioniert sind, wobei an jeweils zwei sich gegenüberliegenden, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln (27, 28) der Nut positionierten Vorsprüngen (31) jeweils zwei Laufschaufeln (22) mit ihren Schaufelplattformen (25) gelagert sind.
  7. Rotor nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich durch jeweils zwei sich gegenüberliegende, an unterschiedlichen Nutwandschenkeln (27, 28) der Nut (26) positionierte, höckerartige Vorsprünge (31) ein Sicherungselement (33) erstreckt, welches in Umfangsrichtung eine Relativposition zwischen den Laufschaufeln (22) und dem Rotorgrundkörper (21) definiert.
  8. Rotor nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sicherungselemente (33) als Niete ausgebildet sind.
  9. Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die höckerartigen Vorsprünge (31) integraler Bestandteil der jeweiligen Nutwandschenkel (27, 28) sind und sich ausgehend von dem jeweiligen Nutwandschenkel (27, 28) nach radial außen erstrecken.
  10. Rotor nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einem Nutwandschenkel (27) der Nut (26) als Abstandhalter ein in Umfangrichtung der Nut (26) geschlossener, sich in radialer Richtung erstreckender Vorsprung (40; 43) ausgebildet ist, der integraler Bestandteil des Nutwandschenkels (27) ist.
  11. Rotor nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem anderen Nutwandschenkel (28) der Nut (26) als Abstandhalter ein in Umfangrichtung geschlossener oder ein in Umfangsrichtung segmentierter Verschlussring (41) positioniert ist, der zwischen die Nutwandschenkel (28) und die Plattformen (25) der Laufschaufeln (22) einführbar ist, und der durch einen Sicherungsring (42) fixiert ist.
  12. Rotor nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem anderen Nutwandschenkel (28) der Nut (26) als Abstandhalter ein in Umfangrichtung der Nut (26) verlaufender, durch mindestens eine Öffnung (45) unterbrochener Vorsprung (44) ausgebildet ist, der integraler Bestandteil des Nutwandschenkels (28) ist.
  13. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens einem Rotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
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