EP1726780B1 - Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zum Feinauswuchten des Rotors - Google Patents

Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zum Feinauswuchten des Rotors Download PDF

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EP1726780B1
EP1726780B1 EP06114120.6A EP06114120A EP1726780B1 EP 1726780 B1 EP1726780 B1 EP 1726780B1 EP 06114120 A EP06114120 A EP 06114120A EP 1726780 B1 EP1726780 B1 EP 1726780B1
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EP
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rotor
balancing
opening
bore
turbine engine
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Ingo Jahns
Moritz Wirth
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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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/28—Supporting or mounting arrangements, e.g. for turbine casing
    • F01D25/285—Temporary support structures, e.g. for testing, assembling, installing, repairing; Assembly methods using such structures
    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/027—Arrangements for balancing

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine engine with an arrangement for fine balancing the surrounded in the fully assembled state of an outer and an inner housing rotor.
  • the rotors of the compressors and turbines of a gas turbine engine are rotating at a very high speed. Incorrectly balanced rotors therefore cause the shaft to flex, which can lead to backlashes in the rotor and static contact with the rotor. However, the resulting high clearance gaps lead to a loss of efficiency. Furthermore, unwanted vibrations are caused resulting in premature bearing wear or acute bearing damage. The service life of the rotor components is considerably limited. The balancing is known to be done by adding weights or material removal to the rotating components.
  • the balancing of the high-speed rotating rotors of a gas turbine engine initially takes place during the production of the rotating individual parts of the engine by material removal from the individual drums. Subsequently, the rotor is balanced in the assembled state a second time. After the engine with the housed in an inner and an outer housing rotor is completely mounted, only minor corrections to the low pressure wave are possible while a Fine balancing, that is, the elimination of residual unbalance at the hard to reach in the assembled state of the gas turbine engine high pressure shaft with surrounded by an outer casing and an inner casing rotors is practically impossible or causes considerable difficulties. Even a residual imbalance on the high pressure shaft can still lead to significant vibration and the associated consequential damage.
  • the US 5,545,010 describes an apparatus for balancing a gas turbine engine, wherein the access to the rotating components with the required balancing weights in a surrounded by an outer casing state.
  • the device comprises a ring additionally attached to or integrally formed on an outer surface on the input side of the compressor with radially equidistant tapped holes for screwing in or out of balance weights.
  • the access to the ring with the threaded holes or balance weights takes place here via an opening provided in the wall of the air inlet channel to the compressor and aligned with the threaded bores.
  • the arrangement disclosed herein is disadvantageous in that the ring has a relatively high weight and accessibility via the gas path is possible only at the first rotor stage on the compressor.
  • the balance weights are located near the bearing and in a small diameter area. This is not very effective in terms of rotor dynamics and requires correspondingly large weights.
  • the invention is based on the object, an arrangement for fine balancing the fully assembled state of an outer and inner housing Specify surrounded rotor of a gas turbine engine, which allows for low net weight and only small balancing weights effective fine balancing of the rotor.
  • the gist of the invention is the regularly spaced array of insert bodies provided with an internally threaded through-bore in the circumferential groove of the rotor blades receiving blade roots of the compressor or turbine rear rotor writings.
  • the through hole of the respective insertion body is in alignment in a certain rotor position, each with a provided in the inner and outer housing of the rotor opening, followed by the balancing a guide tube for feeding and screwing a balancing screw and for guiding a tool to the through hole.
  • the balancing also takes place in a rotor dynamic optimal range, that is, it can - with little additional weight - far out on the rotor discs and in a central part of the rotor can be performed. Due to the use of the existing circumferential grooves, the balancing system can be installed with little effort into existing engines. Compared with known weight compensation systems, the cost and weight is low.
  • the insert body is formed so that the through hole is oriented perpendicular or at an acute angle to the rotor axis and the openings in the inner and outer housing are arranged vertically above the circumferential groove or offset accordingly to this.
  • an air extraction slot provided in the inner housing can also act as an opening.
  • the insert bodies consist of a base section adapted to the groove cross section and an adjoining threaded part for receiving the balancing screw.
  • the outer peripheral surface of the insert body is covered by the recesses of adjacent blade platforms.
  • the balancing screw is equipped with a self-locking device to prevent its loosening during operation.
  • the reference numeral 1 in an engine designate the outer housing, 2 the inner housing and 3 the rotor, here a rear rotor stage of the compressor.
  • the rotor blades 4 are inserted into a circumferential groove 6 provided on the outer circumference of the rotor disk 5.
  • the insert body 7 comprises a base part 8 adapted to the cross-sectional shape of the peripheral groove 6, a threaded part 9 which projects into opposite recesses of two adjoining platforms 10 of respectively adjacent rotor blades 4 is included, and a bore 11 with an internally threaded portion 12 a.
  • Part of the arrangement for fine balancing is further a first opening 13 in the inner housing 2 and a first opening 13 perpendicularly aligned second opening 14 in the outer housing 1.
  • the holes 11 are aligned with the first and second openings 13, 14, so that a penetrating guide tube 15 on the bore 11 of the respective insert body 7 can be placed.
  • the guide tube 15 is fixed in the opening 14 of the outer housing, for example via a fit or by fastening screws.
  • the insert body 7 ' with an obliquely arranged, on a in the inner housing 2 already existing air extraction slot 18 aligned bore 11' is formed.
  • the bore 11 ' In a certain position of the rotor 3 is the bore 11 'with the staggered air extraction slot 18 and the further offset second opening 14 in the outer housing 1 in alignment. In this case, can be dispensed with the above-mentioned first opening 13 in the inner housing.
  • the guide tube 15 is - guided in alignment with the angularly arranged bore 11 '- obliquely through the outer housing 1 and the inner housing 2 and placed on the insert body 7', then the balancing screw 16 supply and with the tool 17 in the female threaded portion of the bore 11 ' of the insert body 7 'screw.
  • imbalances or residual imbalances in the assembled state can be compensated.
  • the balancing takes place - optimally rotor rotor dynamic - in a far outboard diameter range of the rotor disk 5, so that the additional weight required for balancing is low.
  • the arrangement of the insert body 7, 7 'at a predetermined regular distance between two rotor blades 4 in the existing circumferential grooves 6 of rotor disks 5 of the compressor or the turbine is possible with little effort and at the same time low weight.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zum Feinauswuchten des in vollständig montiertem Zustand von einem Außen- und einem Innengehäuse umgebenen Rotors .
  • Die Rotoren der Kompressoren und Turbinen eines Gasturbinentriebwerks rotieren mit sehr hoher Geschwindigkeit. Nicht richtig ausbalancierte Rotoren verursachen daher ein Durchbiegen der Welle, das zu Spielüberbrückungen und zum Anstreifen des Rotors an feststehenden Teilen führen kann. Die damit entstehenden hohen Laufspalte führen jedoch zu einem Wirkungsgradverlust. Des Weiteren werden unerwünschte Vibrationen verursacht mit der Folge eines vorzeitigen Lagerverschleißes oder akuten Lagerschäden. Die Lebensdauer der Rotorkomponenten wird dadurch erheblich eingeschränkt. Das Auswuchten erfolgt bekanntermaßen durch Hinzufügen von Gewichten oder Materialentnahme an den rotierenden Bauteilen.
  • Das Ausbalancieren der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Rotoren eines Gasturbinentriebwerks erfolgt zunächst bei der Herstellung der rotierenden Einzelteile des Triebwerks durch Materialentnahme an den Einzeltrommeln. Anschließend wird der Rotor in zusammengebautem Zustand ein zweites Mal ausgewuchtet. Nachdem das Triebwerk mit dem in einem Innen- und einem Außengehäuse untergebrachten Rotor vollständig montiert ist, sind lediglich kleinere Korrekturen an der Niederdruckwelle möglich, während ein Feinauswuchten, das heißt, das Beseitigen von Restunwuchten an der in zusammengebautem Zustand des Gasturbinentriebwerks schwer zugänglichen Hochdruckwelle mit von einem Außengehäuse und einem Innengehäuse umgebenen Rotoren praktisch nicht möglich ist oder erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Auch eine Restunwucht an der Hochdruckwelle kann noch zu erheblichen Vibrationen und den damit verbundenen Folgeschäden führen.
  • Die US 5 545 010 beschreibt eine Vorrichtung zum Auswuchten eines Gasturbinentriebwerks, bei der der Zugang zu den rotierenden Komponenten mit den erforderlichen Ausgleichsgewichten in einem von einem Außengehäuse umgebenen Zustand erfolgt. Die Vorrichtung umfasst einen an einer Außenfläche an der Eingangsseite des Kompressors zusätzlich angebrachten oder integral angeformten Ring mit radial in gleichmäßigem Abstand ausgebildeten Gewindebohrungen zum Ein- oder Ausschrauben von Auswuchtgewichten. Der Zugang zu dem Ring mit den Gewindebohrungen bzw. Ausgleichsgewichten erfolgt hier über eine in der Wand des Lufteinlasskanals zum Kompressor vorgesehene, zu den Gewindebohrungen ausgerichtete Öffnung. Die hier offenbarte Anordnung ist insofern nachteilig, als der Ring ein relativ hohes Gewicht aufweist und die Zugänglichkeit über den Gaspfad nur an der ersten Rotorstufe am Kompressor möglich ist. Die Auswuchtgewichte sind nahe dem Lager und in einem Bereich geringen Durchmessers angebracht. Das ist rotordynamisch wenig effektiv und erfordert entsprechend große Gewichte.
  • Ferner offenbart die US 6279420 ein Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zum Feinauswuchten gemäß dem Stand der Technik.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Feinauswuchten des in vollständig montiertem Zustand von einem Außen- und Innengehäuse umgebenen Rotors eines Gasturbinentriebwerks anzugeben, die bei geringem Eigengewicht und mit nur kleinen Auswuchtgewichten ein effektives Feinauswuchten des Rotors ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Anordnung gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Der Kern der Erfindung besteht in der regelmäßig beabstandeten Anordnung von mit einer Durchgangsbohrung mit Innengewindeabschnitt versehenen Einsetzkörpern in der die Schaufelfüße der Rotorschaufeln aufnehmenden Umfangsnut der hinteren Rotorschreiben des Kompressors oder der Turbine. Die Durchgangsbohrung des jeweiligen Einsetzkörpers liegt in einer bestimmten Rotorposition in einer Flucht mit jeweils einer im Innen- und im Außengehäuse des Rotors vorgesehenen Öffnung, über die beim Auswuchten ein Führungsrohr zum Zuführen und Einschrauben einer Auswuchtschraube und zum Führen eines Werkzeugs an die Durchgangsbohrung anschließt. Dadurch ist es mit geringem Aufwand möglich, in zusammengebautem Zustand des Triebwerks, das heißt, nach der Endmontage oder nach Reparaturen, verbleibende Restunwuchten zu beseitigen und somit die Lebensdauer des Triebwerks zu verlängern. Das Auswuchten erfolgt zudem in einem rotordynamisch optimalen Bereich, das heißt, es kann - mit geringem zusätzlichen Gewicht - weit außen an den Rotorscheiben und in einem mittleren Teil des Rotors durchgeführt werden. Aufgrund der Nutzung der vorhandenen Umfangsnuten kann das Auswuchtsystem mit geringem Aufwand in vorhandene Triebwerke eingebaut werden. Im Vergleich mit bekannten Gewichtsausgleichssystemen ist der Kosten- und Gewichtsaufwand gering.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Einsetzkörper so ausgebildet, dass die Durchgangsbohrung senkrecht oder in spitzem Winkel zur Rotorachse ausgerichtet ist und die Öffnungen im Innen- und Außengehäuse senkrecht über der Umfangsnut oder entsprechend versetzt zu dieser angeordnet sind. Bei schräger Ausrichtung der Durchgangsbohrung kann auch ein im Innengehäuse vorhandener Luftentnahmeschlitz als Öffnung fungieren.
  • In Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Einsetzkörper aus einem an den Nutquerschnitt angepassten Basisteil und einem daran anschließenden Gewindeteil zur Aufnahme der Auswuchtschraube.
  • Die Außenumfangsfläche des Einsetzkörpers wird von den Ausnehmungen benachbarter Schaufelplattformen umfasst. Die Auswuchtschraube ist, um deren Lösen im Betrieb zu verhindern, mit einer Selbstsicherung ausgestattet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine detaillierte Schnittansicht einer von einem Innen- und Außengehäuse umgebenen hinteren Rotorstufe des Kompressors eines Gasturbinentriebwerks während des Einsetzens eines Auswuchtgewichtes;
    Fig. 2
    eine Ansicht nach Fig. 1, jedoch im Betriebszustand des Triebwerks nach Abschluss des Auswuchtens;
    Fig. 3
    eine vergrößerte Darstellung eines in die Umfangsnut einer Rotorscheibe des Kompressors eingefügten Einsetzkörpers;
    Fig. 4
    einen Längsschnitt mit einem zwischen zwei Rotorschaufeln in der Umfangsnut angeordneten Einsetzkörper; und
    Fig. 5
    eine Schnittdarstellung einer anderen Rotorstufe, bei der das Auswuchtgewicht über einen im Innengehäuse vorhandenen Schlitz in einen schräg angeordneten Einsetzkörper eingebracht wird.
  • In den Zeichnungsfiguren bezeichnen bei einem Triebwerk die Bezugszeichen 1 das Außengehäuse, 2 das Innengehäuse und 3 den Rotor, hier eine hintere Rotorstufe des Kompressors. In dieser hinteren Rotorstufe sind die Rotorschaufeln 4 in eine am Außenumfang der Rotorscheibe 5 vorgesehene Umfangsnut 6 eingesetzt. In der Umfangsnut 6 befinden sich weiterhin mehrere, in regelmäßigem Abstand am Umfang verteilt angeordnete Einsetzkörper 7. Der Einsatzkörper 7 umfasst ein der Querschnittsform der Umfangsnut 6 angepasstes Basisteil 8, ein Gewindeteil 9, das in gegenüberliegende Ausnehmungen von zwei aneinander grenzenden Plattformen 10 jeweils benachbarter Rotorschaufeln 4 eingeschlossen ist, und eine Bohrung 11 mit einem Innengewindeabschnitt 12a. Bestandteil der Anordnung zum Feinauswuchten ist ferner eine erste Öffnung 13 im Innengehäuse 2 und eine zur ersten Öffnung 13 senkrecht ausgerichtete zweite Öffnung 14 im Außengehäuse 1. In einer bestimmten Drehstellung des Rotors 3 fluchten die Bohrungen 11 mit den ersten und zweiten Öffnungen 13, 14, so dass ein diese durchdringendes Führungsrohr 15 auf die Bohrung 11 des jeweiligen Einsetzkörpers 7 aufgesetzt werden kann. Das Führungsrohr 15 wird in der Öffnung 14 des Außengehäuses fixiert, z.B. über eine Passung oder durch Befestigungsschrauben. Über das Führungsrohr 15 kann nun zum Zwecke des Feinauswuchtens des vollständig montierten, von dem Innen- und dem Außengehäuse 1, 2 umgebenen Rotors 3 eine Auswuchtschraube 16 zu der jewieligen Bohrung 11 im Einsatzkörper 7 geleitet und mit einem in das Führungsrohr 15 eingeführten Werkzeuges 17 in den Einsatzkörper 7 eingeschraubt werden.
  • In einer anderen - in Fig. 5 gezeigten - Ausführungsform sind die Einsatzkörper 7' mit einer schräg angeordneten, auf einen im Innengehäuse 2 ohnehin vorhandenen Luftentnahmeschlitz 18 ausgerichteten Bohrung 11' ausgebildet. In einer bestimmten Position des Rotors 3 liegt die Bohrung 11' mit dem versetzt angeordneten Luftentnahmeschlitz 18 und der noch weiter versetzt angeordneten zweiten Öffnung 14 im Außengehäuse 1 in einer Flucht. In diesem Fall kann auf die oben erwähnte erste Öffnung 13 im Innengehäuse verzichtet werden. Das Führungsrohr 15 wird - fluchtend mit der winklig angeordneten Bohrung 11' - schräg durch das Außengehäuse 1 und das Innengehäuse 2 geführt und auf den Einsetzkörper 7' aufgesetzt, um dann die Auswuchtschraube 16 zuzuführen und mit dem Werkzeug 17 in den Innengewindeabschnitt der Bohrung 11' des Einsetzkörpers 7' einzuschrauben.
  • Nach dem Einschrauben der Auswuchtschraube 16 wird das Werkzeug 17 und das Führungsrohr 15 herausgezogen und die erste und zweite Öffnung im Innen- und im Außengehäuse werden mit einem - in Fig. 2 dargestellten - Doppelstöpsel 19, der am Außengehäuse 1 verschraubt ist, verschlossen.
  • Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen können nach der vollständigen Montage oder nach Reparaturen des Triebwerks Unwuchten bzw. Restunwuchten in zusammengebautem Zustand ausgeglichen werden. Das Auswuchten erfolgt - rotordynamisch optimal - in einem weit außen liegenden Durchmesserbereich der Rotorscheibe 5, so dass das zum Auswuchten erforderliche zusätzliche Gewicht gering ist. Die Anordnung der Einsetzkörper 7, 7' in einem vorgegebenen regelmäßigen Abstand jeweils zwischen zwei Rotorschaufeln 4 in den vorhandenen Umfangsnuten 6 von Rotorscheiben 5 des Kompressors oder der Turbine ist mit geringem Aufwand und bei gleichzeitig niedrigem Gewicht möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Außengehäuse
    2
    Innengehäuse
    3
    Rotor
    4
    Rotorschaufel
    5
    Rotorscheibe
    6
    Umfangsnut
    7, 7'
    Einsetzkörper
    8
    Basisteil v. 7, 7'
    9
    Gewindeteil v. 7, 7'
    10
    Plattform v. 4
    11, 11'
    Bohrung v. 7
    12a
    Innengewindeabschnitt v. 11, 11'
    12b
    erweiterter Durchmesserbereich v. 11, 11'
    13
    erste Öffnung in 2
    14
    zweite Öffnung in 1
    15
    Führungsrohr
    16
    Auswuchtschraube
    17
    Werkzeug
    18
    Luftentnahmeschlitz
    19
    Doppelstöpsel

Claims (4)

  1. Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zum Feinauswuchten des in vollständig montiertem Zustand von einem Außengehäuse (1) und einem Innengehäuse (2) umgebenen Rotors (3), wobei die Anordnung (4) fixierte Einsetzkörper (7,7') mit jeweils einer einen Innengewindeabschnitt (12a) aufweisenden radialen Bohrung (11, 11') umfasst, wobei die jeweilige Bohrung (11, 11') in einer bestimmten Drehstellung des Rotors (3) in einer Flucht mit einer ersten Öffnung (13) im Innengehäuse (2) und einer zweiten Öffnung (14) im Außengehäuse (1) liegt und zur Führung eines Werkzeugs (17) ein vorübergehend angeordnetes Führungsrohr (15) die beiden Öffnungen (13, 14) bis zur Bohrung (11, 11') hin durchgreift, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsetzkörper (7, 7') zur Aufnahme einer Auswuchtschraube (16) in regelmäßigem Abstand in die zum Anbringen der Rotorschaufeln (4) vorgesehene Umfangsnut (6) von mindestens einer der Rotorscheiben (5) des Kompressors oder der Turbine eingefügt und zwischen aneinander grenzenden Plattformen (10) der Rotorschaufeln (4) fixiert sind, wobei die Einsetzkörper (7, 7') jeweils ein an die Querschnittsform der Umfangsnut (6) angepasstes Basisteil (8) und ein von Ausnehmungen in den aneinander grenzenden Plattformen (10) der Rotorschaufeln (4) umfasstes Gewindeteil (9) aufweisen und wobei das Führungsrohr (15) auch zur Zuführung der Auswuchtschraube (16) dient.
  2. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste und die zweite Öffnung (13, 14) senkrecht übereinander und fluchtend mit einer der Bohrungen (11) angeordnet sind und die Öffnungen (13, 14) nach dem Auswuchten durch einen Doppelstöpsel (19) verschließbar sind.
  3. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bohrung (11') in spitzem Winkel zur Axialrichtung und in einer Flucht mit einem versetzt angeordneten, als erste Öffnung fungierenden Luftentnahmeschlitz (18) im Innengehäuse und einer noch weiter versetzt angeordneten zweiten Öffnung (14) im Außengehäuse (1) ausgerichtet ist, wobei die im Außengehäuse (1) vorgesehene zweite Öffnung (14) durch einen Einfachstöpsel verschließbar ist.
  4. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bohrung (11, 11') im Einsetzkörper (7, 7') einen Innengewindeabschnitt(12a) aufweist.
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EP1726780A2 EP1726780A2 (de) 2006-11-29
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