EP1867839A1 - Turbine wheel for a turbomaschine and assembly method therefor - Google Patents

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EP1867839A1
EP1867839A1 EP06012298A EP06012298A EP1867839A1 EP 1867839 A1 EP1867839 A1 EP 1867839A1 EP 06012298 A EP06012298 A EP 06012298A EP 06012298 A EP06012298 A EP 06012298A EP 1867839 A1 EP1867839 A1 EP 1867839A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impeller
blade root
blade
turbine wheel
mounting groove
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06012298A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Michael Dankert
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 EP06012298A priority Critical patent/EP1867839A1/en
Publication of EP1867839A1 publication Critical patent/EP1867839A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/326—Locking of axial insertion type blades by other means
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a turbine wheel for a turbomachine with an impeller and a blade.
  • the invention further relates to a method for mounting a turbine wheel for a turbomachine.
  • a flow medium is transported in a flow channel or energy is obtained from a flowing flow medium.
  • blades are arranged in the flow channel.
  • the vanes are mounted to a vane support forming a confining wall of the hot gas duct.
  • the vanes suitably direct the flow medium onto the blades, which are connected to a rotor and rotated so that kinetic energy of the flow medium is converted to rotational energy.
  • the EP 1 058 772 B1 shows a turbine blade mounting with locally bulging areas, which extend in the vicinity of the lower contact planes of the blade root with the running disk axially away from the disk surface.
  • the disadvantage is that the rotation system is added by the bulging areas of mass.
  • the turbine fretting occurs at the contact surfaces of blade root and impeller.
  • FIG. 12 shows rounded or convex surfaces of the mounting groove in the impeller and the blade root, whereby stresses on the groove or mecaniclijnszähnen be removed and distributed to shallower areas of the groove or the foot. Due to the design, a positive engagement of the long teeth of the teeth through the groove longitudinal teeth is not possible in all loading phases of the turbine wheel, which causes fretting wear, especially during load changes, at the contact surfaces of the groove and foot.
  • the object of the invention is the disclosure of a turbine wheel for a turbomachine, which has a particularly high mechanical strength, in particular with regard to long-term effects.
  • Another object of the invention is the disclosure of a method for mounting a turbine wheel for a Turbomachine, which leads to a mounting with a particularly high mechanical strength, especially with regard to long-term effects.
  • a turbine wheel for a turbomachine comprising an impeller having a peripheral surface which has a fastening groove, and comprising a blade having a blade root, wherein the blade is fastened to the peripheral surface of the impeller, wherein the blade root engages the attachment groove, the blade root being fitted with a transition fit or press fit into the attachment groove.
  • the ISO tolerance system includes a basic tolerance system, which includes the size of the tolerances, and a basic dimensioning system, which determines the position of the tolerances for external and internal dimensions.
  • Another positive effect of the selected fitting system relates to corrosion on the surfaces of the blade root and the fastening groove as a result of the hot gas flowing through the gaps between the blade root and the fastening groove during clearance.
  • the tightness achieved by the interference or interference fit makes a special coating of the surfaces superfluous to protect against corrosion.
  • the blade root and the fastening groove are configured such that at least 90% of the blade root surface facing the fastening groove bears against this fastening groove.
  • the design of the blade root is not fixed to a particular shape, such as Christmas tree profile, dovetail or hammer head profile. The larger the contact area, the stronger the desired improvements, such as more positive force transmission, more homogeneous load and less corrosion, resulting in longer service life.
  • the preferred fit is therefore a press fit with 100% contact between blade root surface and mounting groove.
  • a preferred embodiment of the invention has an axial orientation of the mounting groove in the impeller.
  • the Mounting groove is designed as a circumferential groove, the installation can be done faster in the axial variant, so that the necessary for the installation temperature difference between the blade root and impeller can be chosen as low as possible, which is reflected positively in the effort.
  • the impeller and blade materials have the same LCF values, which are the same cyclic fatigue properties. Further preferably, the service lives of the impeller and blade are about the same as, e.g. at the last compressor or turbine stage. Although a blade replacement with built-in turbine by local cooling or heating is possible, in practice, the turbine wheel must be removed.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for mounting a turbine wheel for a turbomachine, comprising an impeller having a peripheral surface having a mounting groove, and comprising a blade with a blade root, wherein a blade and the impeller of a turbine wheel, directly before they are put together, be brought to different temperatures.
  • the invention takes advantage of the effect that most materials expand when heated and contract on cooling.
  • the blade root is specifically provided with an oversize, so that at a reference temperature of blade root and mounting groove installation is not possible.
  • the blade is cooled prior to installation in the impeller. Changing the temperature of the smaller component requires the least amount of mechanical and energy expenditure and can be done most quickly.
  • the impeller is heated prior to installation of the blade.
  • the advantage of this method over the Cooling is that no condensation, as on the cooled blade foot without protective atmosphere, can form. More preferably, prior to installation of the blade into the impeller, the blade is cooled and the impeller is heated. The combination of both methods is particularly advantageous for small blades or wheels, since the highest temperature difference of about 300 ° C to 400 ° C must be achieved in order to achieve the necessary thermal expansions or volume decreases.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1.
  • the gas turbine 1 is directed along a turbine axis 10 and has a compressor 3, a combustion chamber 5 and a turbine part 7 successively along the turbine axis 10.
  • the compressor 3 and the turbine part 7 are arranged on a common turbine shaft 9.
  • a hot gas duct 12 is formed in the guide vanes 11 and blades 13, which are arranged on the turbine shaft 9, protrude into it.
  • ambient air 14 is sucked in by the compressor 3 and compressed to compressor air 15.
  • the compressor air 15 is burned with fuel in the combustion chamber 5 to hot gas 17, which flows through the hot gas channel 12. It puts it on the effect on the blades 13 the turbine shaft 9 in motion.
  • the rotational energy of the turbine shaft 9 can be used, for example, to generate electrical energy.
  • FIG. 2 shows a blade 31, comprising a blade root 32 with a Schaufelfußober Design 35, a blade platform 33, which forms the conclusion of the underlying blade root 32, and an airfoil 34. Furthermore, Figure 2 shows the detail of a view of an impeller 42 having a peripheral surface 43rd , Fastening grooves 44 and their surfaces 45.
  • FIG. 2 shows blade root 32 and impeller 42 prior to assembly at a reference temperature T R.
  • the blade root 32 has an oversize: d w (T R )> d B (T R ).
  • FIG. 3 shows a detail of a view of a turbine wheel 41 during the installation of the blade root 32 into the fastening groove 44 of a heated impeller 42.
  • the fastening groove 44 is widened due to the higher temperature T of the impeller 42 compared to the blade root 32: d W (T R ) ⁇ d B (T), T R ⁇ T.
  • the blade root 32 can be easily fitted in the fixing groove 44 (installation play).
  • Figure 4 shows a section of a view of a turbine wheel 41 after the blade root 32 has been fitted into the mounting groove 44 and blade root 32 and mounting groove 44 are already thermalized.
  • blade root 32 and mounting groove 44 are here thermalized to reference temperature T R and there is a interference fit with complete Contact between blade root surface 35 and mounting groove surface 45.

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

Abstract

The turbine wheel has an impeller (42) with a peripheral area (43) that includes an attachment groove (44). A rotor blade (31) is provided with a blade root (32), and fixed on that peripheral area of the impeller. The blade root intervenes into the attachment groove with a transition fit or press fit. Ninety percent of a blade root surface (35) fits to the attachment groove surface (45) with transition fit. An independent claim is also included for an assembly method of a turbine for a turbo-machine, involves cooling of blade root in relation to the temperature of the impeller.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine mit einem Laufrad und einer Laufschaufel. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage eines Turbinenrads für eine Strömungsmaschine.The invention relates to a turbine wheel for a turbomachine with an impeller and a blade. The invention further relates to a method for mounting a turbine wheel for a turbomachine.

In Strömungsmaschinen wird in einem Strömungskanal ein Strömungsmedium transportiert oder aus einem strömenden Strömungsmedium Energie gewonnen. Hierzu sind im Strömungskanal Schaufeln angeordnet. Zum Beispiel sind im Strömungskanal einer axialen Gasturbine in Strömungsrichtung aufeinander folgend abwechselnd aus Leitschaufeln gebildete Leitschaufelkränze und aus Laufschaufeln gebildete Laufschaufelkränze angeordnet. Die Leitschaufeln sind an einen Leitschaufelträger montiert, der eine begrenzende Wand des Heißgaskanals bildet. Die Leitschaufeln lenken in geeigneter Weise das Strömungsmedium auf die Laufschaufeln, die mit einem Rotor verbunden sind und in Rotation versetzt werden, so dass kinetische Energie des Strömungsmediums in Rotationsenergie umgewandelt wird.In turbomachines, a flow medium is transported in a flow channel or energy is obtained from a flowing flow medium. For this purpose, blades are arranged in the flow channel. For example, in the flow passage of an axial gas turbine in the flow direction sequentially alternately formed of vanes vane rings and rotor vanes formed from rotor blades are arranged. The vanes are mounted to a vane support forming a confining wall of the hot gas duct. The vanes suitably direct the flow medium onto the blades, which are connected to a rotor and rotated so that kinetic energy of the flow medium is converted to rotational energy.

Solche Schaufeln in Strömungsmaschinen sind häufig erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. In Gasturbinen entstehen bei der Verbrennung Gase mit Temperaturen von über 1500°C, die auf unter 1250°C abkühlen müssen, bevor sie mit hoher Geschwindigkeit auf die Schaufeln der Gasturbine treffen. Bei gleichzeitig hoher Temperatur und hoher Drehzahl kommt es zu einer hohen Materialbeanspruchung der Turbinenräder. Gerade an den Kontaktflächen zwischen Laufschaufel und Laufrad treten neben der Temperaturbelastung starke Belastungen durch Zentrifugalkräfte sowie Reibverschleiß auf. Abweichungen vom Nennwert bei der Fertigung von Laufschaufel und Laufrad müssen klein sein. Eine schlechte Passform erhöht die Gefahr der Materialermüdung. Es kann zum Versagen einer Laufschaufel kommen, wobei die Laufschaufel zerbricht oder Bruchstücke herausgelöst werden. Dies kann zu erheblichen Beschädigungen für in Strömungsrichtung nachfolgende Schaufeln oder zu einem Totalverlust der Gasturbine führen. Eine Materialermüdung ist somit zu überwachen. Je nach Geschwindigkeit der Prozesse kann es hierdurch zu einer signifikanten Reduzierung der Verfügbarkeit der Strömungsmaschine kommen, da regelmäßige Serviceintervalle zu Ausfallzeiten der Strömungsmaschine führen.Such blades in turbomachines are often exposed to considerable mechanical stress. In gas turbines, combustion produces gases with temperatures above 1500 ° C, which must cool to below 1250 ° C before hitting the blades of the gas turbine at high speed. At the same time high temperature and high speed it comes to a high material stress of the turbine wheels. Especially at the contact surfaces between the blade and impeller occur in addition to the temperature stress on heavy loads by centrifugal forces and fretting on. Deviations from the nominal value in the production of blade and impeller must be small. A bad fit increases the risk of material fatigue. It can cause a blade failure come, the blade shatters or fragments are removed. This can lead to considerable damage to downstream blades in the flow direction or to a total loss of the gas turbine. Material fatigue must therefore be monitored. Depending on the speed of the processes, this can lead to a significant reduction in the availability of the turbomachine, since regular service intervals lead to downtimes of the turbomachine.

Die EP 1 058 772 B1 zeigt eine Turbinenschaufelbefestigung mit lokal ausbauchenden Bereichen, die sich in der Nähe der unteren Berührungsebenen des Schaufelfußes mit der Laufscheibe axial von der Scheibenfläche weg erstrecken. Dadurch sollen Spannungen in der Turbinenscheibe und im Schaufelfuß, die durch eine hohe Zentripetalbeschleunigung hervorgerufen werden, reduziert werden.The EP 1 058 772 B1 shows a turbine blade mounting with locally bulging areas, which extend in the vicinity of the lower contact planes of the blade root with the running disk axially away from the disk surface. As a result, stresses in the turbine disk and in the blade root, which are caused by a high centripetal acceleration, are reduced.

Nachteilig ist, dass dem Drehsystem durch die ausbauchenden Bereiche Masse hinzugefügt wird. Insbesondere bei Lastwechseln der Turbine tritt Reibverschleiß an den Kontaktflächen von Schaufelfuß und Laufrad auf.The disadvantage is that the rotation system is added by the bulging areas of mass. In particular, during load changes of the turbine fretting occurs at the contact surfaces of blade root and impeller.

Die EP 1 122 406 A2 zeigt gerundete bzw. konvexe Flächen der Befestigungsnut im Laufrad und des Schaufelfußes, wodurch Spannungen an den Nut- bzw. Fußlängszähnen weggenommen werden und auf flachere Bereiche der Nut bzw. des Fußes verteilt werden sollen. Konstruktionsbedingt ist ein formschlüssiges Hintergreifen der Fußlängszähne durch die Nutlängszähne nicht in allen Belastungsphasen des Turbinenrads möglich, was Reibverschleiß, vor allem beim Lastwechsel, an den Kontaktflächen von Nut und Fuß mit sich bringt.The EP 1 122 406 A2 FIG. 12 shows rounded or convex surfaces of the mounting groove in the impeller and the blade root, whereby stresses on the groove or Fußlängszähnen be removed and distributed to shallower areas of the groove or the foot. Due to the design, a positive engagement of the long teeth of the teeth through the groove longitudinal teeth is not possible in all loading phases of the turbine wheel, which causes fretting wear, especially during load changes, at the contact surfaces of the groove and foot.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Turbinenrades für eine Strömungsmaschine, das eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit, insbesondere hinsichtlich Langzeiteinwirkungen, aufweist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Montage eines Turbinenrades für eine Strömungsmaschine, welches zu einer Befestigung mit besonders hoher mechanischer Belastbarkeit, insbesondere hinsichtlich Langzeiteinwirkungen, führt.The object of the invention is the disclosure of a turbine wheel for a turbomachine, which has a particularly high mechanical strength, in particular with regard to long-term effects. Another object of the invention is the disclosure of a method for mounting a turbine wheel for a Turbomachine, which leads to a mounting with a particularly high mechanical strength, especially with regard to long-term effects.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Turbinenrad für eine Strömungsmaschine, umfassend ein Laufrad mit einer Umfangsfläche, die eine Befestigungsnut aufweist, und umfassend eine Laufschaufel mit einem Schaufelfuß, wobei die Laufschaufel an der Umfangsfläche des Laufrads befestigt ist, wobei der Schaufelfuß in die Befestigungsnut eingreift, wobei der Schaufelfuß mit einer Übergangspassung oder Presspassung in die Befestigungsnut eingepasst ist.According to the invention, the object directed to a turbine wheel for a turbomachine is achieved by a turbine wheel for a turbomachine, comprising an impeller having a peripheral surface which has a fastening groove, and comprising a blade having a blade root, wherein the blade is fastened to the peripheral surface of the impeller, wherein the blade root engages the attachment groove, the blade root being fitted with a transition fit or press fit into the attachment groove.

Das ISO-Toleranzsystem umfasst ein Grundtoleranzsystem, das die Größe der Toleranzen beinhaltet und ein Grundabmaßsystem, das die Lage der Toleranzen für Außen- und Innenmaße festlegt.The ISO tolerance system includes a basic tolerance system, which includes the size of the tolerances, and a basic dimensioning system, which determines the position of the tolerances for external and internal dimensions.

Durch Paarung von Außen- und Innenmaß-Toleranzen lassen sich Spielpassungen, Übergangspassungen und Presspassungen realisieren, wobei nur die beiden letztgenannten, die letztgenannte ausschließlich, "-Toleranzen", im Gegensatz zu "+Toleranzen", aufweisen, was bedeutet, dass ein mehr (Presspassung) oder weniger (Übergangspassung) ausgeprägtes Übermaß vorliegt.By matching outside and inside dimensional tolerances, play fits, transition fits and press fits can be realized, with only the latter two, the latter exclusively, having "tolerances" as opposed to "+ tolerances", meaning that one more ( Press fit) or less (transition fit) pronounced oversize present.

Im Gegensatz zur für die Montage von Schaufeln in Laufräder sonst üblichen Spielpassung wird hier ganz gezielt eine andere Passung gewählt, nämlich eine Übergangs- oder eine Presspassung. Beabsichtigt ist eine formschlüssigere Kräfteübertragung und infolgedessen eine homogenere Belastung an den Kontaktflächen von Laufschaufelfuß und Befestigungsnut des Laufrads.In contrast to the otherwise customary for the assembly of blades in wheels clearance fits here specifically a different fit is selected, namely a transition or a press fit. Intended is a more positive force transmission and consequently a more homogeneous load on the contact surfaces of the blade root and mounting groove of the impeller.

Bei Spielpassungen sind die Schaufeln unter Volllast durch die auftretenden Zentrifugalkräfte in ihrer Position fixiert. Bei Beschleunigung, Wiederbeschleunigung und Verzögerung jedoch tritt aufgrund von Spalten zwischen Schaufelfuß und Befestigungsnut Reibverschleiß an den Kontaktflächen auf. Bei der Übergangs- oder der Presspassung ist dies nicht so. Die Schaufel ist jederzeit in ihrer Position fixiert.In case of clearance adjustments, the blades are fixed under full load by the centrifugal forces occurring in their position. At acceleration, re-acceleration and deceleration however occurs due to gaps between blade root and mounting groove Reibverschleiß on the contact surfaces. This is not the case with the transition or interference fit. The bucket is always fixed in position.

Ein weiterer positiver Effekt des gewählten Passsystems betrifft Korrosion an den Oberflächen von Schaufelfuß und Befestigungsnut infolge des bei Spielpassung durch Spalte zwischen Schaufelfuß und Befestigungsnut strömenden Heißgases. Die durch die Übergangs- oder Presspassung erzielte Dichtigkeit macht eine spezielle Beschichtung der Oberflächen zum Schutz vor Korrosion überflüssig.Another positive effect of the selected fitting system relates to corrosion on the surfaces of the blade root and the fastening groove as a result of the hot gas flowing through the gaps between the blade root and the fastening groove during clearance. The tightness achieved by the interference or interference fit makes a special coating of the surfaces superfluous to protect against corrosion.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Schaufelfuß und Befestigungsnut so ausgestaltet, dass mindestens 90% der der Befestigungsnut zugewandten Schaufelfußoberfläche an dieser Befestigungsnut anliegen. Die Ausgestaltung des Schaufelfußes ist hierbei nicht auf eine bestimmte Form, wie Tannenbaumprofil, Schwalbenschwanz- oder Hammerkopfprofil, festgelegt. Je größer die Kontaktfläche ist, desto stärker fallen die gewünschten Verbesserungen, wie formschlüssigere Kräfteübertragung, homogenere Belastung und geringere Korrosion aus, wodurch sich längere Standzeiten ergeben. Die bevorzugte Passung ist daher eine Presspassung mit 100% Kontakt zwischen Schaufelfußoberfläche und Befestigungsnut.In a preferred embodiment, the blade root and the fastening groove are configured such that at least 90% of the blade root surface facing the fastening groove bears against this fastening groove. The design of the blade root is not fixed to a particular shape, such as Christmas tree profile, dovetail or hammer head profile. The larger the contact area, the stronger the desired improvements, such as more positive force transmission, more homogeneous load and less corrosion, resulting in longer service life. The preferred fit is therefore a press fit with 100% contact between blade root surface and mounting groove.

Vorteilhaft ist, dass eine Befestigung der Laufschaufel in Richtung des Verlaufs der Befestigungsnut im Laufrad nicht erforderlich ist. Der Wegfall einer solchen Arretierung, z.B. einer Axialfixierung bei einer Axialnut, führt, neben einer Reduzierung der Anzahl der Produktionsschritte und somit einer Reduzierung der Herstellkosten, sowie einer geringen Reduzierung der Masse des Drehsystems zu größerer Stabilität für Laufschaufel und Laufrad.It is advantageous that an attachment of the blade in the direction of the course of the mounting groove in the impeller is not required. The omission of such a lock, e.g. Axialfixierung in an axial groove leads, in addition to a reduction in the number of production steps and thus a reduction in manufacturing costs, and a small reduction in the mass of the rotary system for greater stability of the blade and impeller.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist eine axiale Orientierung der Befestigungsnut im Laufrad auf. Gegenüber einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Befestigungsnut als Umfangsnut ausgeführt ist, kann der Einbau bei der axialen Variante schneller erfolgen, so dass der für den Einbau notwendige Temperaturunterschied zwischen Schaufelfuß und Laufrad so gering wie möglich gewählt werden kann, was sich positiv im Aufwand niederschlägt.A preferred embodiment of the invention has an axial orientation of the mounting groove in the impeller. Compared to a further embodiment of the invention, in which the Mounting groove is designed as a circumferential groove, the installation can be done faster in the axial variant, so that the necessary for the installation temperature difference between the blade root and impeller can be chosen as low as possible, which is reflected positively in the effort.

Bevorzugtermaßen weisen die Materialien von Laufrad und Laufschaufel dieselben LCF-Werte, also dieselben Eigenschaften hinsichtlich Materialermüdung bei zyklischer Beanspruchung, auf. Weiterhin bevorzugt sind die Standzeiten von Laufrad und Laufschaufel in etwa gleich, wie z.B. bei der letzten Verdichter- oder Turbinenstufe. Obwohl ein Schaufeltausch bei eingebautem Turbinenrad durch lokales Kühlen bzw. Erwärmen möglich ist, wird in der Praxis das Turbinenrad ausgebaut werden müssen.Preferably, the impeller and blade materials have the same LCF values, which are the same cyclic fatigue properties. Further preferably, the service lives of the impeller and blade are about the same as, e.g. at the last compressor or turbine stage. Although a blade replacement with built-in turbine by local cooling or heating is possible, in practice, the turbine wheel must be removed.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Turbinenrades für eine Strömungsmaschine, umfassend ein Laufrad mit einer Umfangsfläche, die eine Befestigungsnut aufweist, und umfassend eine Laufschaufel mit einem Schaufelfuß, wobei eine Laufschaufel und das Laufrad eines Turbinenrades, unmittelbar bevor sie zusammengefügt werden, auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden.The object directed to a method is achieved according to the invention by a method for mounting a turbine wheel for a turbomachine, comprising an impeller having a peripheral surface having a mounting groove, and comprising a blade with a blade root, wherein a blade and the impeller of a turbine wheel, directly before they are put together, be brought to different temperatures.

Die Erfindung macht sich den Effekt zu nutze, dass sich die meisten Materialien bei Erwärmung ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen. Der Schaufelfuß wird gezielt mit einem Übermaß versehen, so dass bei einer Referenztemperatur von Schaufelfuß und Befestigungsnut ein Einbau nicht möglich ist.The invention takes advantage of the effect that most materials expand when heated and contract on cooling. The blade root is specifically provided with an oversize, so that at a reference temperature of blade root and mounting groove installation is not possible.

Vorzugsweise wird die Laufschaufel vor dem Einbau in das Laufrad gekühlt. Die Temperatur der kleineren Komponente zu ändern erfordert den geringsten mechanischen und energetischen Aufwand und kann am schnellsten durchgeführt werden.Preferably, the blade is cooled prior to installation in the impeller. Changing the temperature of the smaller component requires the least amount of mechanical and energy expenditure and can be done most quickly.

Weiter bevorzugt wird das Laufrad vor dem Einbau der Laufschaufel erwärmt. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Kühlen ist, dass sich kein Kondenswasser, wie am gekühlten Schaufelfuß ohne Schutzatmosphäre, bilden kann.
Weiter bevorzugt wird vor dem Einbau der Laufschaufel in das Laufrad, die Laufschaufel gekühlt und das Laufrad erwärmt. Die Kombination beider Methoden ist vor allem bei kleinen Schaufeln bzw. Laufrädern vorteilhaft, da hier die höchste Temperaturdifferenz von etwa 300°C bis 400°C erzielt werden muss, um die notwendigen thermischen Ausdehnungen bzw. Volumenabnahmen zu erzielen.More preferably, the impeller is heated prior to installation of the blade. The advantage of this method over the Cooling is that no condensation, as on the cooled blade foot without protective atmosphere, can form.
More preferably, prior to installation of the blade into the impeller, the blade is cooled and the impeller is heated. The combination of both methods is particularly advantageous for small blades or wheels, since the highest temperature difference of about 300 ° C to 400 ° C must be achieved in order to achieve the necessary thermal expansions or volume decreases.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

FIG 1
eine Gasturbine,
FIG 2
eine Laufschaufel und einen Ausschnitt einer Ansicht eines Laufrads vor der Montage,
FIG 3
einen Ausschnitt einer Ansicht eines Turbinenrads während der Montage und
FIG 4
einen Ausschnitt einer Ansicht eines Turbinenrads nach der Montage.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawing. They show partly schematically and not to scale:
FIG. 1
a gas turbine,
FIG. 2
a blade and a section of a view of an impeller before assembly,
FIG. 3
a section of a view of a turbine wheel during assembly and
FIG. 4
a section of a view of a turbine wheel after assembly.
Like reference numerals have the same meaning in the various figures.

Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 ist entlang einer Turbinenachse 10 gerichtet und weist entlang der Turbinenachse 10 aufeinander folgend einen Verdichter 3, eine Brennkammer 5 und ein Turbinenteil 7 auf. Der Verdichter 3 und das Turbinenteil 7 sind auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 9 angeordnet. Im Turbinenteil 7 ist ein Heißgaskanal 12 gebildet, in den Leitschaufeln 11 und Laufschaufeln 13, die auf der Turbinenwelle 9 angeordnet sind, hinein ragen.FIG. 1 shows a gas turbine 1. The gas turbine 1 is directed along a turbine axis 10 and has a compressor 3, a combustion chamber 5 and a turbine part 7 successively along the turbine axis 10. The compressor 3 and the turbine part 7 are arranged on a common turbine shaft 9. In the turbine part 7, a hot gas duct 12 is formed in the guide vanes 11 and blades 13, which are arranged on the turbine shaft 9, protrude into it.

Im Betrieb der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 3 Umgebungsluft 14 angesaugt und zu Verdichterluft 15 komprimiert. Die Verdichterluft 15 wird mit Brennstoff in der Brennkammer 5 zu Heißgas 17 verbrannt, welches durch den Heißgaskanal 12 strömt. Dabei versetzt es über die Wirkung auf die Laufschaufeln 13 die Turbinenwelle 9 in Bewegung. Die Rotationsenergie der Turbinenwelle 9 kann z.B. zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.During operation of the gas turbine 1, ambient air 14 is sucked in by the compressor 3 and compressed to compressor air 15. The compressor air 15 is burned with fuel in the combustion chamber 5 to hot gas 17, which flows through the hot gas channel 12. It puts it on the effect on the blades 13 the turbine shaft 9 in motion. The rotational energy of the turbine shaft 9 can be used, for example, to generate electrical energy.

Figur 2 zeigt eine Laufschaufel 31, bestehend aus einem Schaufelfuß 32 mit einer Schaufelfußoberfläche 35, einer Schaufelplattform 33, die den Abschluss des darunterliegenden Schaufelfußes 32 bildet, und einem Schaufelblatt 34. Ferner zeigt Figur 2 den Ausschnitt einer Ansicht eines Laufrads 42 mit einer Umfangsfläche 43, Befestigungsnuten 44 und deren Oberflächen 45.2 shows a blade 31, comprising a blade root 32 with a Schaufelfußoberfläche 35, a blade platform 33, which forms the conclusion of the underlying blade root 32, and an airfoil 34. Furthermore, Figure 2 shows the detail of a view of an impeller 42 having a peripheral surface 43rd , Fastening grooves 44 and their surfaces 45.

In Anlehnung an das ISO-Passsystem wird die Stelle maximaler Breite des Schaufelfußes 32 mit dW (W für Welle) und die Stelle maximaler Breite der Befestigungsnut 44 mit dB (B für Bohrung) bezeichnet.Based on the ISO-Passsystem the point of maximum width of the blade root 32 with d W (W for shaft) and the point of maximum width of the mounting groove 44 with d B (B for hole) is called.

Figur 2 zeigt Schaufelfuß 32 und Laufrad 42 vor der Montage bei einer Referenztemperatur TR. Der Schaufelfuß 32 weist ein Übermaß auf: dw(TR) > dB(TR) .FIG. 2 shows blade root 32 and impeller 42 prior to assembly at a reference temperature T R. The blade root 32 has an oversize: d w (T R )> d B (T R ).

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht eines Turbinenrads 41 während des Einbaus des Schaufelfußes 32 in die Befestigungsnut 44 eines erwärmten Laufrads 42. Die Befestigungsnut 44 ist wegen der im Vergleich zum Schaufelfuß 32 höheren Temperatur T des Laufrads 42 aufgeweitet: dW(TR) < dB(T), TR < T. Der Schaufelfuß 32 kann problemlos in die Befestigungsnut 44 eingepasst werden (Einbauspiel).FIG. 3 shows a detail of a view of a turbine wheel 41 during the installation of the blade root 32 into the fastening groove 44 of a heated impeller 42. The fastening groove 44 is widened due to the higher temperature T of the impeller 42 compared to the blade root 32: d W (T R ) <d B (T), T R <T. The blade root 32 can be easily fitted in the fixing groove 44 (installation play).

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt einer Ansicht eines Turbinenrads 41 nachdem der Schaufelfuß 32 in die Befestigungsnut 44 eingepasst worden ist und Schaufelfuß 32 und Befestigungsnut 44 bereits thermalisiert sind. Der vormalige Spalt zwischen Schaufelfußoberfläche 35 und Befestigungsnutoberfläche 45 ist aufgrund der Thermalisierung verschwunden: dW(TR) = dB(TR). Wie dargestellt sind Schaufelfuß 32 und Befestigungsnut 44 hier auf Referenztemperatur TR thermalisiert und es liegt eine Übergangspassung bzw. Presspassung vor mit vollständigem Kontakt zwischen Schaufelfußoberfläche 35 und Befestigungsnutoberfläche 45.Figure 4 shows a section of a view of a turbine wheel 41 after the blade root 32 has been fitted into the mounting groove 44 and blade root 32 and mounting groove 44 are already thermalized. The former gap between blade root surface 35 and mounting groove surface 45 has disappeared due to the thermalization: d W (T R ) = d B (T R ). As illustrated, blade root 32 and mounting groove 44 are here thermalized to reference temperature T R and there is a interference fit with complete Contact between blade root surface 35 and mounting groove surface 45.

Claims (8)

Turbinenrad (41) für eine Strömungsmaschine (1), umfassend ein Laufrad (42) mit einer Umfangsfläche (43), die eine Befestigungsnut (44) aufweist, und umfassend eine Laufschaufel (31) mit einem Schaufelfuß (32), wobei die Laufschaufel (31) an der Umfangsfläche(43) des Laufrads (42) befestigt ist, wobei der Schaufelfuß (32) in die Befestigungsnut (44) eingreift,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuß (32) mit einer Übergangspassung oder Presspassung in die Befestigungsnut (44) eingepasst ist.A turbine wheel (41) for a turbomachine (1), comprising an impeller (42) having a peripheral surface (43) having a mounting groove (44), and comprising a blade (31) having a blade root (32), said blade (16) 31) is secured to the peripheral surface (43) of the impeller (42), the blade root (32) engaging the mounting groove (44),
characterized in that the blade root (32) is fitted with a transition fit or interference fit into the attachment groove (44). Turbinenrad (41) nach Anspruch 1, bei dem mindestens 90% einer Schaufelfußoberfläche (35) an einer Befestigungsnutoberfläche (45) mit mindestens Übergangspassung anliegen.A turbine wheel (41) according to claim 1, wherein at least 90% of a blade root surface (35) abuts a mounting groove surface (45) of at least transition fit. Turbinenrad (41) nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Befestigungsnut (44) axial verläuft.Turbine wheel (41) according to one of claims 1 and 2, wherein the fastening groove (44) extends axially. Turbinenrad (41) nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Befestigungsnut (44) als Umfangsnut ausgeführt ist.Turbine wheel (41) according to one of claims 1 and 2, wherein the fastening groove (44) is designed as a circumferential groove. Turbinenrad (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Materialien von Laufrad (42) und Laufschaufel (31) dieselben LCF-Werte aufweisen.A turbine wheel (41) according to any one of claims 1 to 4, wherein the impeller (42) and blade (31) materials have the same LCF values. Verfahren zur Montage eines Turbinenrads für eine Strömungsmaschine, umfassend ein Laufrad (42) mit einer Umfangsfläche (43), die eine Befestigungsnut (44) aufweist, und umfassend eine Laufschaufel (31) mit einem Schaufelfuß (32),
dadurch gekennzeichnet, dass - der Schaufelfuß (32) gegenüber der Temperatur des Laufrads (42) abgekühlt und/oder das Laufrad (42) gegenüber der Temperatur des Schaufelfußes (32) erwärmt wird, wobei der Schaufelfuß (32) bei einer Referenztemperatur TR, bezogen auf die Befestigungsnut (44) im Laufrad (42), ein Übermaß aufweist, - der Schaufelfuß (32) in die Befestigungsnut (44) im Laufrad (42) eingepasst wird und - Schaufelfuß (32) und Laufrad (42) thermalisieren, so dass eine Übergangspassung oder eine Presspassung erzielt wird. A method of assembling a turbine wheel for a turbomachine comprising an impeller (42) having a peripheral surface (43) having a mounting groove (44) and comprising a blade (31) having a blade root (32),
characterized in that - The blade root (32) relative to the temperature of the impeller (42) is cooled and / or the impeller (42) against the temperature of the blade root (32) is heated, wherein the blade root (32) at a reference temperature T R , with respect to the fastening groove (44) in the impeller (42), has an oversize, - The blade root (32) in the mounting groove (44) in the impeller (42) is fitted and - Thermalize blade root (32) and impeller (42), so that a transition fit or a press fit is achieved. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schaufelfuß (32) gekühlt wird, bis eine Einpassung in die Befestigungsnut (44) erreicht wird.The method of claim 6, wherein the blade root (32) is cooled until a fit into the mounting groove (44) is achieved. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Laufrad (42) erwärmt wird, bis eine Einpassung des Schaufelfußes (32) in die Befestigungsnut (44) des Laufrads (42) erreicht wird.The method of claim 6, wherein the impeller (42) is heated until a fit of the blade root (32) in the mounting groove (44) of the impeller (42) is achieved.
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