EP1703079A1 - Rotationskörper zum Befestigen von Laufschaufeln einer Strömungsmaschine - Google Patents

Rotationskörper zum Befestigen von Laufschaufeln einer Strömungsmaschine Download PDF

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EP1703079A1
EP1703079A1 EP05018594A EP05018594A EP1703079A1 EP 1703079 A1 EP1703079 A1 EP 1703079A1 EP 05018594 A EP05018594 A EP 05018594A EP 05018594 A EP05018594 A EP 05018594A EP 1703079 A1 EP1703079 A1 EP 1703079A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotary body
relief slot
tooth
rotor
relief
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Withdrawn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
EP05018594A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Ying Dr. Pan
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens 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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05018594A priority Critical patent/EP1703079A1/de
Publication of EP1703079A1 publication Critical patent/EP1703079A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type

Definitions

  • the invention relates to a rotary body for fastening rotor blades of a turbomachine, with an axis of rotation and with a provided between a first front side surface and a second end side surface peripheral surface and with uniformly distributed along the peripheral surface, extending between the two end side surfaces holding grooves, each retaining groove has at least one circumferentially extending undercut.
  • a generic device is for example from the WO 2003/036049 A1 known.
  • a rotor disk axially extending and in cross-section fir-tree-shaped retaining grooves for blades are distributed along the circumference.
  • Each blade has a corresponding to the retaining groove formed on the blade root, so that they can each be inserted and secured in one of the retaining grooves.
  • each retaining groove has at its two side walls in the circumferential direction extending teeth and intervening undercuts, which produce with the corresponding recesses and teeth of the blade root teeth, with which the blade is held on the rotor disk.
  • the rotor disk rotates as part of the rotor at a predetermined speed, so that the blades attached thereto strive under the action of centrifugal force to the outside and bear against the toothed disk formed by Nuthinterschneidungen on the rotor disk.
  • the object of the invention is to provide a rotary body for fastening blades of a turbomachine whose life is extended.
  • the object is achieved by a rotary body having the features of patent claim 1.
  • the invention proposes a generic rotary body in whose frontal side surface a relief slot arranged in the region of the tooth is provided.
  • the invention is based on the recognition that the position of the maximum occurring in the region of the tooth of the rotating body and caused by the outwardly aspiring blade during operation voltage can be displaced locally from a critical area in a non-critical area by a discharge slot.
  • This maximum stress was previously on each front side surface, on the contour of the tooth and thus on the contour of the retaining groove on which rests the blade root. Due to the relief slot, this maximum stress no longer occurs directly at the contour of the Tooth or the retaining groove, but in a second remote therefrom, in which the emergence or presence of a crack or defect for the operation of the turbomachine is not critical.
  • the crack inspection is substantially simplified, since an improved possibility of checking for cracks or other indications, for example defects, with known test methods is possible due to the relief slot machined into the rotary body.
  • a particularly advantageous reduction in stress in the material close to the surface near the surface of the rotational body can be achieved if the relief slot is provided only partially between the undercut and the peripheral surface when viewed in the radial direction.
  • the other part of the discharge slot is thus provided in a section which lies between two adjacent retaining grooves.
  • the discharge slot is kidney-shaped or U-shaped. It has been found that in particular the kidney shape and / or the U-shape in each case can bring about a particularly great reduction in the material tension and a significant local displacement of the maximum of the tension. Accordingly, the material of the rotary body can be effectively spared with such a relief slot.
  • the maximum material tension occurring is displaced out of the region immediately adjacent to the retaining groove and into the second region in which the relief slot is arranged, in a further advantageous development at least the material surrounding the two ends of the relief slot Surface-hardened rotating body.
  • a particularly durable rotary body can be produced, since in this case cracking is further reduced in the second area remote from the holding groove or the tooth and crack growth continues to be delayed.
  • the relief slot has a penetration depth of 1 mm to 25 mm, preferably from 5 mm to 20 mm. This penetration depth leads to a particularly effective relief of the material.
  • the retaining grooves may be formed in fir-tree cross section, hammer-shaped or dovetailed in cross section. In the case of a hammer or dovetail shape, each retaining groove has an undercut on both sides, ie in the circumferential direction, so that the rotational body has one tooth for each undercut, one provided on the respective side wall of the retaining groove and extending into it.
  • each side wall of the Holding groove arranged teeth which protrude into the retaining groove and each one on the respective tooth radially inwardly adjacent (groove) undercut form, to which a correspondingly designed blade root can rest.
  • Each tooth formed on the retaining groove serves during operation of the turbomachine as an abutment for a correspondingly configured tooth provided on the blade root.
  • a plurality of radially spaced undercuts are provided, only the radially outer undercuts may have an associated relief slot and the radially inner undercuts not.
  • This embodiment is based on the knowledge that especially at the radially outer undercuts, the largest mechanical stress in the material of the rotating body, caused by the centrifugal force loads of the blade and the rotating body occur. According to the invention, these maximum mechanical stress loads are displaced out of the area directly forming the retaining groove by the relief slots. At the radially inner undercuts occur no unacceptable material stresses, so that, if necessary, can be dispensed with relief slots here.
  • the rotary body may be formed on the one hand as a rotor disk or as a welded rotor rotor, for example, are provided on the provided in a shaft collar, extending in the axial direction retaining grooves for turbine blades or compressor blades. Accordingly, the meaning of the invention is independent of the selected embodiment of the rotor and used for both embodiments.
  • a turbomachine equipped with this rotary body advantageously has an increased service life and reduced service life due to the extended service life.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. It has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 3 successive an intake 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with a plurality of rotationally symmetrical to each other arranged burners 7, a turbine unit 8 and an exhaust housing 9.
  • the annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 17 which communicates with an annular hot gas channel 18.
  • There four successive turbine stages 10 form the turbine unit 8. Each turbine stage 10 is formed of two blade rings.
  • vanes 13 Viewed in the flow direction of a hot gas 11 produced in the annular combustion chamber 6, follows in the hot gas channel 18 in each case one row of vanes 13 a formed of blades 15 row 14.
  • the vanes 12 are attached to the stator, whereas the blades 15 of a row 14 means a turbine disk are mounted on the rotor 3.
  • a generator or a working machine (not shown) is coupled.
  • FIG 2 shows a detail of a rotary body 30, which may be formed as a rotor disk 19 or as a shaft collar of a rotor rotor.
  • the rotary body 30 has two end-side side surfaces 32, which are connected to each other by a peripheral surface 36.
  • uniformly distributed retaining grooves 38 are provided, in which in the axial direction, based on the axis of rotation 34, not shown in FIG 2 blades for an axial flow machine, such as a gas turbine 1, a compressor 3 or a steam turbine, are inserted.
  • the retaining grooves 38 have a fir-tree-shaped contour in the illustrated cross-section. This results in each retaining groove 38 four circumferentially extending undercuts 20.
  • each undercut 20 each have a radially outwardly adjacent to the undercut 20 and also protruding in the circumferential direction tooth 22 whose radially inner part surface as an abutment for Blades not shown is used so that they are held by the rotary body 30 during operation of the turbomachine.
  • the invention proposes that in one or both front side surfaces 32 to the undercuts 20 adjacent relief slots 26, 28 are provided, the respective contour or contour describes, for example, a kidney shape or a U-shape.
  • the relief slot 26, 28 is located in the root region of the tooth 22, slightly displaced radially inwardly to the undercuts 20, into which projects the corresponding tooth 22 of the blade root, which transmits the load of the blade for each tooth 22.
  • the orientation of the slightly curved relief slot 26, 28 is chosen so that its ends preferably point away from the retaining groove 38.
  • the material directly surrounding the retaining grooves 38 of the rotating body 30 is thus still charged during operation of the turbomachine by the blades held in the retaining grooves 38, but occurs a lower maximum stress in the material at a displaced location in the vicinity of the discharge slot 26, thereby the life of the rotating body 30 improved in a decisive way. Accordingly, a more uniform loading of the material, seen both in the axial direction and in the radial and circumferential direction, is achieved overall.
  • the relief slots 26 are provided in the radial direction partially between the undercut 20 and the peripheral surface 36 and have an axially extending penetration depth E in the order of 1 mm to 25 mm, but preferably from 5 mm to 20 mm.
  • each undercut 20 at one or each end-side side surface 32 associated with it Relief slot 26, 28 have.
  • the retaining groove 38 is formed as a fir-tree shape, only only the radially outermost undercuts 22 can each have a discharge slot 28 assigned to them.
  • the stress maximum in the material displaced away from the contour profile 24 can advantageously lead to a life extension.
  • a particular advantage of the present invention is also due to the fact that the relief slots 26, 28 can act as a crack stopper. If defects occur in the form of cracks adjacent to the tearstoppers, they can possibly leak into the relief slots 26, 28 without these exceeding a critical crack length.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskörper (30) zum Befestigen von Laufschaufeln (15) einer Strömungsmaschine, mit einer Drehachse (34) und mit einer zwischen einer ersten stirnseitigen Seitenfläche (32) und einer zweiten stirnseitigen Seitenfläche(32) vorgesehenen Umfangsfläche (36) sowie mit entlang der Umfangsfläche (36) gleichmäßig verteilten, sich zwischen den beiden stirnseitigen Seitenfläche (32) ersteckenden Haltenuten (38),
wobei jede Haltenut (38) mindestens eine in Umfangsrichtung erstreckende Hinterschneidung (20) zur Bildung eines korrespondierenden Zahnes (22) aufweist. Um einen Rotationskörper (30) mit einer verlängerten Lebensdauer anzugeben, wird vorgeschlagen, dass in zumindest einer stirnseitigen Seitenfläche (32) ein Entlastungsschlitz (26, 28) vorgesehen ist, der im Bereich des Zahnes (22) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotationskörper zum Befestigen von Laufschaufeln einer Strömungsmaschine, mit einer Drehachse und mit einer zwischen einer ersten stirnseitigen Seitenfläche und einer zweiten stirnseitigen Seitenfläche vorgesehenen Umfangsfläche sowie mit entlang der Umfangsfläche gleichmäßig verteilten, sich zwischen den beiden stirnseitigen Seitenflächen erstreckenden Haltenuten, wobei jede Haltenut mindestens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Hinterschneidung aufweist.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2003/036049 A1 bekannt. In einer Rotorscheibe sind in Axialrichtung verlaufende und im Querschnitt tannenbaumförmige Haltenuten für Laufschaufeln entlang des Umfangs verteilt. Jede Laufschaufel weist einen zur Haltenut korrespondierend ausgebildeten Schaufelfuß auf, so dass diese jeweils in eine der Haltenuten einschoben und befestigt werden können. Zur Bildung der Tannenbaumform weist jede Haltenut an ihren beiden Seitenwänden sich in Umfangrichtung erstreckenden Zähne und dazwischen liegende Hinterschneidungen auf, die mit den dazu korrespondierenden Ausnehmungen und Zähnen des Schaufelfußes eine Verzahnung herstellen, mit der die Laufschaufel an der Rotorscheibe gehalten wird. Beim Betrieb der Turbine dreht sich die Rotorscheibe als Teil des Läufers mit einer vorbestimmten Drehzahl, so dass die daran befestigten Laufschaufeln unter Einwirkung der Zentrifugalkraft nach außen streben und an der durch Nuthinterschneidungen gebildeten Verzahnung an der Rotorscheibe anliegen.
  • Die beim Betrieb der Turbine in der Rotorscheibe auftretenden mechanischen Belastungen führen zu Materialspannungen, die sowohl in den stirnseitigen Seitenflächen der Rotorscheibenzähne oberflächennahe als auch tiefer im Material gelegene Risse erzeugen sowie deren Wachstum beschleunigen können. Dieser im Vorhinein unbestimmbare Verschleiß beeinträchtigt die Lebensdauer der Rotorscheibe, so dass diese zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes der Turbine nach einer vorbestimmten und ggf. unnötig kurz gewählten Betriebsdauer prophylaktisch auf vorgenannte Defekte untersucht werden muss. Zeigt der Befund einer überprüften Rotorscheibe einen Riss auf, der eine unzulässige Risslänge überschreitet, oder dessen Risslänge während des nächsten geplanten Betriebsintervalls auf die unzulässige Risslänge anwachsen könnte, so ist ein zuverlässiger und sicherer Betrieb der damit ausgestatteten Turbine nicht gewährleistet. Die in diesem Fall als defekt einzustufende Rotorscheibe muss durch eine fehlerfreie Rotorscheibe unter Aufwendung von zusätzlicher Reparaturdauer und weiteren Kosten ersetzt werden. Dies verringert die Verfügungsdauer der Gasturbine und erhöht somit deren Standzeiten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotationskörper zum Befestigen von Laufschaufeln einer Strömungsmaschine bereitzustellen, dessen Lebensdauer verlängert ist.
  • Die Aufgabe wird durch einen Rotationskörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schlägt einen gattungsgemäßen Rotationskörper vor, in dessen stirnseitiger Seitenfläche ein im Bereich des Zahnes angeordneter Entlastungsschlitz vorgesehen ist.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch einen Entlastungsschlitz die Position der maximalen, im Bereich des Zahnes des Rotationskörpers auftretenden und von der beim Betrieb nach außen strebenden Laufschaufel hervorgerufene Spannung aus einem kritischen Bereich in einen unkritischen Bereich örtlich verlagert werden kann. Dieses Spannungsmaximum lag bisher an jeder stirnseitigen Seitenfläche, an der Kontur des Zahnes und somit an der Kontur der Haltenut, an dem der Schaufelfuß anliegt. Durch den Entlastungsschlitz tritt dieses Spannungsmaximum nicht mehr unmittelbar an der Kontur des Zahnes bzw. der Haltenut auf, sondern in einem davon entfernten zweiten Bereich, in welchem das Entstehen oder Vorhandensein eines Risses oder Defektes für den Betrieb der Strömungsmaschine unkritischer ist.
  • Folglich werden aufgrund des Entlastungsschlitzes die an der Kontur der Haltenut im Bereich der stirnseitigen Seitenfläche entstehenden kritischen Spannungen abgesenkt, so dass an dieser Stelle das Material des Rotationskörpers weniger beansprucht wird. Gleichfalls treten die entstehenden Spannungen an dieser Stelle in einer für das verwendete Material unkritischen Größe auf. Rissbildung kann somit an dieser Stelle signifikant vermindert werden; Risswachstum läuft lediglich verzögert ab. Insbesondere kann dadurch die Kurzzeitschwingfestigkeit (Low-Cycle-Fatigue = LCF-Ermüdungsfestigkeit) des Rotationskörpers verbessert werden, wodurch sich dessen Lebensdauer insgesamt verlängert.
  • Darüber hinaus ist aufgrund des Entlastungsschlitzes die Rissüberprüfung wesentlich vereinfacht, da aufgrund des in den Rotationskörper hineingefrästen Entlastungsschlitzes eine verbesserte Überprüfungsmöglichkeit auf Risse oder auf weitere Anzeigen, beispielsweise Fehlstellen, mit bekannten Prüfverfahren möglich ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
  • Eine besonders vorteilhafte Spannungsreduzierung im stirnseitig oberflächennahen Material des Rotationskörpers kann erreicht werden, wenn der Entlastungsschlitz in Radialrichtung gesehen lediglich teilweise zwischen der Hinterschneidung und der Umfangsfläche vorgesehen ist. Der andere Teil des Entlastungsschlitzes ist somit in einem Abschnitt vorgesehen, der zwischen zwei benachbarten Haltenuten liegt. Durch diese Maßnahme werden die bisher besonders hohen mechanischen, an der Kontur der Haltenut auftretenden Spannungen auch in den Abschnitt verlagert, der zwischen zwei benachbarten Haltenuten liegt. Dadurch werden die unmittelbar an der Haltenut, d.h. in dem Zahn bzw. in den Zähnen auftretenden Materialspannungen gesenkt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Entlastungsschlitz nierenförmig oder U-förmig. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die Nierenform und/oder die U-Form jeweils eine besonders große Reduzierung der Materialspannung und eine deutliche örtliche Verlagerung des Maximums der Spannung herbeiführen können. Dementsprechend kann das Material des Rotationskörpers mit einem derartigen Entlastungsschlitz wirksam geschont werden.
  • Da aufgrund des Entlastungsschlitzes die maximal auftretende Materialspannung aus dem unmittelbar an die Haltenut angrenzenden Bereich heraus und in den zweiten Bereich, in dem der Entlastungsschlitz angeordnet ist, hinein verlagert wird, ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zumindest das die beiden Enden des Entlastungsschlitzes umgebende Material des Rotationskörpers oberflächengehärtet. Hierdurch kann ein besonders langlebiger Rotationskörper hergestellt werden, da in diesem Fall in dem von der Haltenut bzw. dem Zahn entfernten, zweiten Bereich Rissentstehung weiter vermindert und Risswachstum weiter verzögert auftritt.
  • Zweckmäßigerweise weist der Entlastungsschlitz eine Eindringtiefe von 1 mm bis 25 mm, vorzugsweise von 5 mm bis 20 mm auf. Diese Eindringtiefe führt zu einer besonders wirksamen Entlastung des Materials. Außerdem können die Haltenuten im Querschnitt tannenbaumförmig, hammerförmig oder schwalbenschwanzartig ausgebildet sein. Bei einer Hammer- oder Schwalbenschwanzform weist jede Haltenut beidseitig, d.h. in Umfangsrichtung gesehen, jeweils eine Hinterschneidung auf, so dass der Rotationskörper für jede Hinterschneidung jeweils einen, an der betreffenden Seitenwand der Haltenut vorgesehenen und sich in diese hineinerstreckenden Zahn aufweist. Je nach Anzahl der Verästelungen einer tannenbaumförmigen Haltenut weist diese zwei, drei oder vier an jeder Seitenwand der Haltenut angeordnete Zähne auf, die in die Haltenut hineinragen und jeweils eine an dem betreffenden Zahn radial innen angrenzende (Nut-)Hinterschneidung bilden, an der ein dazu korrespondierend ausgebildeter Schaufelfuß anliegen kann. Jeder an der Haltenut ausgebildeter Zahn dient beim Betrieb der Strömungsmaschine als Widerlager für einen am Schaufelfuß vorgesehenen, korrespondierend ausgestalteten Zahn.
  • Da in dem die Haltenut umgebenden Material des Rotationskörpers im an die Hinterschneidung angrenzenden Bereich, d.h. im Zahn, an beiden stirnseitigen Seitenflächen mechanische Spannungsspitzen auftreten können, kann für jeden Zahn bzw. jede Hinterschneidung ein ihm zugeordneter bzw. ihr zugeordneter Entlastungsschlitz an jeder Seitenfläche vorgesehen sein. Die auf die Laufschaufel wirkenden Fliehkraftbelastungen werden über die Verzahnung des Laufschaufelfußes mit der Haltenut in die Zähne des Rotationskörpers übertragen und aufgrund der in beiden Seitenflächen angeordneten Entlastungsschlitze in den von der Kontur der Haltenut entfernten zweiten Bereich verlagert.
  • Alternativ dazu, sofern mehrere radial zueinander beabstandete Hinterschneidungen vorgesehen sind, können lediglich die radial äußeren Hinterschneidungen einen ihnen zugeordneten Entlastungsschlitz aufweisen und die radial weiter innen liegenden Hinterschneidungen nicht. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere an den radial äußeren Hinterschneidungen die größte mechanische Spannung im Material des Rotationskörpers, hervorgerufen von den Fliehkraftbelastungen der Laufschaufel und des Rotationskörpers, auftreten kann. Diese maximalen mechanischen Spannungsbelastungen werden erfindungsgemäß durch die Entlastungsschlitze aus dem die Haltenut unmittelbar bildenden Bereich verlagert. An den radial weiter innen liegenden Hinterschneidungen treten keine unzulässigen Materialspannungen auf, so dass ggf. hier auf Entlastungsschlitze verzichtet werden kann.
  • Der Rotationskörper kann einerseits als eine Rotorscheibe ausgebildet sein oder als beispielsweise geschweißter Rotorläufer, auf dem in einem Wellenbund vorgesehene, sich in dessen Axialrichtung erstreckende Haltenuten für Turbinenschaufeln oder Verdichterschaufeln vorgesehen sind. Demnach ist die Bedeutung der Erfindung unabhängig von der gewählten Ausführungsvariante des Rotors und für beide Ausgestaltungen einsetzbar.
  • Eine mit diesem Rotationskörper ausgestattete Strömungsmaschine weist vorteilhaft aufgrund der verlängerten Lebensdauer eine erhöhte Verfügungsdauer und reduzierte Standzeiten auf.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt und
    FIG 2
    einen Rotationskörper mit Haltenuten und einem Entlastungsschlitz.
  • FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.
  • Die FIG 2 zeigt einen Ausschnitt eines Rotationskörpers 30, welcher als Rotorscheibe 19 oder als Wellenbund eines Rotorläufers ausgebildet sein kann. Der Rotationskörper 30 weist zwei stirnseitige Seitenflächen 32 auf, welche von einer Umfangsfläche 36 miteinander verbunden werden. Entlang des Umfangs sind gleichmäßig verteilte Haltenuten 38 vorgesehen, in denen in Axialrichtung, bezogen auf die Drehachse 34, in FIG 2 nicht dargestellte Laufschaufeln für eine axial durchströmte Strömungsmaschine, beispielsweise eine Gasturbine 1, einen Verdichter 3 oder auch eine Dampfturbine, einschiebbar sind. Die Haltenuten 38 weisen im dargestellten Querschnitt eine tannenbaumförmige Kontur auf. Dadurch ergeben sich für jede Haltenut 38 vier in Umfangsrichtung erstreckende Hinterschneidungen 20. Dementsprechend weist der Rotationskörper 30 zur Bildung jeder Hinterschneidung 20 jeweils einen zur Hinterschneidung 20 radial außen benachbarten und sich ebenfalls in Umfangsrichtung herausragenden Zahn 22 auf, dessen radial innere Teiloberfläche als Widerlager für die nicht dargestellten Laufschaufeln dient, damit diese beim Betrieb der Strömungsmaschine vom Rotationskörper 30 gehalten werden.
  • In den Zähnen 22 und in den darin angrenzenden Bereichen, d. h. deren Wurzelbereiche, treten aufgrund der auf die Laufschaufel einwirkenden Fliehkräfte Belastungen in Form von mechanischen Spannungen auf, die das Material des Rotationskörpers 30 an dieser Stelle durch Rissbildung und Risswachstum verschleißen lassen können. Bisher traten die maximalen mechanischen Belastungen und Spannungen M oberflächennah - bezogen auf die Seitenflächen 32 - entlang des Konturverlaufs 24 der Haltenuten 38 im Bereich der Hinterschneidungen 20 auf.
  • Um diese maximale Belastung von der Haltenut 38 bzw. der Kontur 24 weg zu verlagern, schlägt die Erfindung vor, dass in einer oder beiden stirnseitigen Seitenflächen 32 zu den Hinterschneidungen 20 benachbarte Entlastungsschlitze 26, 28 vorgesehen sind, deren jeweilige Kontur oder Umriss beispielsweise eine Nierenform oder eine U-Form beschreibt.
  • Der Entlastungsschlitz 26, 28 liegt im Wurzelbereich des Zahnes 22, etwas radial nach innen zu den Hinterschneidungen 20 verlagert, in die der korrespondierende Zahn 22 des Schaufelfußes hineinragt, welcher für den jeweiligen Zahn 22 die Belastung der Laufschaufel überträgt. Die Orientierung des leicht gekrümmten Entlastungsschlitzes 26, 28 ist so gewählt, dass dessen Enden vorzugsweise von der Haltenut 38 weg zeigen.
  • Aufgrund des, ggf. auch mit einem weichen Material aufgefüllten, Entlastungsschlitzes 26 wird die maximal auftretende Spannung N im Material des Rotationskörpers 30 vom Konturverlauf 24 zu dem Entlastungsschlitz 26 verlagert.
  • Das die Haltenuten 38 unmittelbar umgebende Material des Rotationskörpers 30 wird somit beim Betrieb der Strömungsmaschine zwar weiterhin von den in den Haltenuten 38 gehaltenen Laufschaufeln belastet, jedoch tritt eine geringere maximale Spannung im Material an verlagerter Stelle in der näheren Umgebung des Entlastungsschlitzes 26 auf, wodurch sich die Lebensdauer des Rotationskörpers 30 in entscheidender Weise verbessert. Dementsprechend wird insgesamt eine gleichmäßigere Belastung des Materials, sowohl in Axialrichtung als auch in Radial- und Umfangsrichtung gesehen, erzielt.
  • Die Entlastungsschlitze 26 sind in Radialrichtung gesehen teilweise zwischen der Hinterschneidung 20 und der Umfangsfläche 36 vorgesehen und weisen eine sich in Axialrichtung erstreckende Eindringtiefe E in einer Größenordnung von 1 mm bis 25 mm, vorzugsweise jedoch von 5 mm bis 20 mm, auf.
  • Dabei kann alternativ jede Hinterschneidung 20 an einer oder jeder stirnseitigen Seitenfläche 32 einen ihr zugeordneten Entlastungsschlitz 26, 28 aufweisen. Alternativ dazu, wenn die Haltenut 38 als Tannenbaumform ausgebildet ist, können auch lediglich nur die radial äußersten Hinterschneidungen 22 jeweils einen ihnen zugeordneten Entlastungsschlitz 28 aufweisen.
  • Insbesondere, wenn mindestens das die beiden Enden 31 der Entlastungsschlitze 26 umgebende Material des Rotationskörpers 30 mit einer Oberflächenhärtung versehen worden ist, kann das von dem Konturverlauf 24 wegverlagerte Spannungsmaximum im Material eine Lebensdauerverlängerung vorteilhaft herbeiführen.
  • Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt auch darin begründet, dass die Entlastungsschlitze 26, 28 als Rissstopper fungieren können. Treten benachbart zu den Rissstoppern Defekte in Form von Rissen auf, so können diese ggf. in den Entlastungsschlitzen 26, 28 auslaufen, ohne dass diese eine kritische Risslänge überschreiten.

Claims (9)

  1. Rotationskörper (30) zum Befestigen von Laufschaufeln (15) einer Strömungsmaschine,
    mit einer Drehachse (34) und
    mit einer zwischen einer ersten stirnseitigen Seitenfläche (32) und einer zweiten stirnseitigen Seitenfläche (32) vorgesehenen Umfangsfläche (36) sowie
    mit entlang der Umfangsfläche (36) gleichmäßig verteilten, sich zwischen den beiden stirnseitigen Seitenflächen (32) erstreckenden Haltenuten (38),
    wobei jede Haltenut (38) mindestens eine in Umfangsrichtung erstreckende Hinterschneidung (20) zur Bildung eines korrespondierenden Zahnes (22) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in zumindest einer der beiden stirnseitigen Seitenflächen (32) ein Entlastungsschlitz (26, 28) vorgesehen ist, der im Bereich des Zahnes (22) angeordnet ist.
  2. Rotationskörper (30) nach Anspruch 1,
    bei der der Entlastungsschlitz (26, 28) in Radialrichtung gesehen teilweise zwischen der Hinterschneidung (20) und der Umfangsfläche (36) vorgesehen ist.
  3. Rotationskörper (30) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der der Entlastungsschlitz (26, 28) nierenförmig oder u-förmig ist.
  4. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei der zumindest das die beiden Enden (31) des Entlastungsschlitzes (26, 28) umgebende Material des Rotationskörpers (30) oberflächengehärtet ist.
  5. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem der Entlastungsschlitz (26, 28) eine Eindringtiefe (E) von 1 mm bis 25 mm, vorzugsweise von 5 mm bis 20 mm aufweist.
  6. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Haltenuten (38) im Querschnitt tannenbaumförmig, hammerförmig oder schwalbenschwanzartig ausgebildet sind.
  7. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jeder Zahn (22) einen ihm zugeordneten Entlastungsschlitz (26, 28) aufweist.
  8. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der radial äußere vorgesehene Zahn (22) einen ihm zugeordneten Entlastungsschlitz (26, 28) aufweist.
  9. Rotationskörper (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher als Rotorscheibe (19) oder als Rotorläufer ausgebildet ist.
EP05018594A 2005-08-26 2005-08-26 Rotationskörper zum Befestigen von Laufschaufeln einer Strömungsmaschine Withdrawn EP1703079A1 (de)

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