EP2344722A2 - Schaufelcluster mit versetztem axialem montagefuss - Google Patents

Schaufelcluster mit versetztem axialem montagefuss

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EP2344722A2
EP2344722A2 EP09771688A EP09771688A EP2344722A2 EP 2344722 A2 EP2344722 A2 EP 2344722A2 EP 09771688 A EP09771688 A EP 09771688A EP 09771688 A EP09771688 A EP 09771688A EP 2344722 A2 EP2344722 A2 EP 2344722A2
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EP
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blade
blades
rotor
stage according
cluster
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EP09771688A
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Frank Stiehler
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
    • 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
    • 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
    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding

Definitions

  • the present invention relates to a blade cluster according to the preamble of patent claim 1.
  • Turbine stages which are built for turbines with higher loads, but also compressor stages are generally equipped with individual blades, which are each hung on a profiled foot in a disc with grooves and fixed therein.
  • the blade of a turbomachine is known, which is mounted on a rotor or stator via an axially aligned dovetail foot in the form of a Christmas tree.
  • the rotor in the form of a disc on its radial peripheral surface on a number of axially extending grooves forming a plurality of radially spaced undercuts in the direction of groove bottom in the above-mentioned form.
  • the foot consists of a fir-tree-shaped projection on which a number of circumferentially facing undercuts are formed, such that the foot in the axial direction of the rotor can be inserted into the groove and fixed therein.
  • a partial solution to the above-mentioned problem is provided by the rotors of compressor and turbine stages, which are constructed in accordance with the design principle of a BLISK. are built.
  • Basis of a BLISK is preferably a forged disc, from the outer contour, for example, by machining the blade profiles are worked out. That is, the disc and the blades are made of one part.
  • Blade clusters are according to the invention integral components consisting of at least two blades, which are equipped with a common (single) blade attachment for mounting the cluster on the rotor or stator.
  • a particularly high power transmission is ensured by the blade attachment is designed as an axially extending dovetail joint with at least one undercut (on each flank). This type of connection can be produced with high precision and can be mounted inexpensively.
  • the dovetail connection is decentralized between the
  • Blades preferably arranged offset in the circumferential direction. This allows the airfoil loads to be split into each instead of a centralized merge Dovetail contact surface are introduced, so that reduce the resulting high Kerblasten. This makes it possible to make the dovetail connection less massive, or to transmit higher forces. It has proved to be particularly favorable with respect to the introduction of force when the offset in the circumferential direction is about half a blade pitch.
  • the groove or the recess of the dovetail connection is formed on the side of the blade cluster and the foot or the projection on the side of the rotor or stator. This reduces the weight of the cluster and thus the load on the connection.
  • Fig. 1 shows the radially outer peripheral portion of a turbine or compressor disk mounted thereon blade cluster according to a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows the blade cluster in unmounted state.
  • a blade cluster 1 of a turbine or compressor stage consists of a pair of blades 2 which are connected at their radially inner ends to a single common blade root 3.
  • the radially outer ends are coupled to one another via a flat band 4 (referred to in the trade as "plainshroud").
  • the blade cluster 1 comprising the projecting components is of an integral design, for example by friction welding or inductive high frequency pressure welding and more preferably in one piece.
  • the blade root 3 consists of a base plate 5, at the radial top of the two radially inner blade ends are attached and at the radial bottom of a foot base 6 is formed, such that the base plate 5 is a strip-shaped overhang forms with respect to the base 6.
  • a groove 7 is worked out, which extends continuously in respect to the blade row axial direction of the step.
  • the groove 7 is made in the shape of a dovetail and thus forms an undercut on each groove flank.
  • the groove 7 is not centrally located centrally between the two blades 2 and the inner blade ends, but in the present case by about half a pitch in the circumferential direction, namely in accordance with the Fig. 1 in the force direction of the Blades 2 arranged offset.
  • a disk (rotor) 8 of the stage is shown in sections. Accordingly, the disc 8 is axially expanded at its radially outer periphery to form a so-called Filletinterface 9, on the radial outer side a number of spring-like strips 10 are formed integrally with the disc 8 in the axial direction of the step.
  • the springs 10 are equally spaced circumferentially.
  • the springs 10 have a dovetail shape in their cross-section and thus form the counterpart to the grooves 7 on the side of the blade cluster 1.
  • the dimensioning of the grooves 7 and springs 10 is selected such that when they are brought together a press connection is produced.
  • the blade feet 3 are pushed onto the disc-side springs 10 in the axial direction, until at the respective end faces a burr-free transition between disc 8 and 3 foot is formed.
  • the individual blade clusters 1 are assembled into a complete blade ring.
  • a blade cluster 1 can also have more than two blades, for example three blades.
  • the shape of the blade root 3 is not limited to a simple dovetail but may also, as is known in the art, be formed like a fir tree with a plurality of undercut edges per flank.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Stufe einer Turbine oder eines Verdichters mit einer Mehrzahl von Schaufeln, die an einem Rotor und/oder einem Stator der Stufe montiert sind. Die Schaufeln sind erfindungsgemäß zu einer Anzahl von Schaufelclustern als integrale Bauteile zusammengefasst, die jeweils aus zumindest zwei Schaufeln bestehen und die jeweils mit einer einzigen gemeinsamen Schaufelbefestigung zur Montage des Clusters am Rotor oder Stator ausgestattet sind.

Description

Schaufelcluster mit versetztem axialem Montagefuß
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelcluster gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Turbinenstufen, die für Turbinen mit höheren Belastungen gebaut sind, aber auch Verdichterstufen werden im Allgemeinen mit Einzelschaufeln bestückt, die jeweils über einen profilierten Fuß in eine Scheibe mit Nuten eingehängt und darin fixiert sind.
Aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der DE 198 58 702 Al ist die Schaufel einer Turbomaschine bekannt, welche über einen axial ausgerichteten Schwalbenschwanzfuß in der Form eines Tannenbaums an einem Rotor oder Stator montiert ist. Hierfür weist der Rotor in Gestalt einer Scheibe an seiner radialen Umfangsfläche eine Anzahl von axial verlaufenden Nuten auf, die in Richtung Nutengrund eine Mehrzahl von radial beabstandeten Hinterschneidungen in vorstehend bezeichneter Form ausbilden. Dementsprechend besteht der Fuß aus einem tannenbaumförmigen Vorsprung, an dem eine Anzahl von in Umfangsrichtung weisenden Hinterschneidungen ausgebildet sind, derart, dass der Fuß in Axialrichtung des Rotors in die Nut eingeschoben und darin fixiert werden kann.
Zwar wird durch eine derartige Verbindung eine extrem hohe Kraftübertragung ermöglicht, jedoch stellt das Gewicht einer derart aufgebauten Verdichter- oder Turbinenstufe ein entscheidendes Manko für deren Tauglichkeit beispielsweise im Bereich der Luftfahrt dar. Insbesondere schnell laufende NDT 's (Niederdruckturbinen) weisen nach dem aktuellen Stand der Technik noch eine Überschreitung des vorgegebenen Gewichtszieles auf, was folglich eine konsequente optimale Gestaltung vor allem der Rotorbauteile erforderlich macht.
Eine teilweise Lösung des vorstehend genannten Problems stellen die Rotoren von Verdichter- und Turbinenstufen dar, die nach dem Konstruktionsprinzip einer BLISK auf- gebaut sind. Grundlage einer BLISK ist vorzugsweise eine geschmiedete Scheibe, aus deren Außenkontur beispielsweise durch spanende Bearbeitung die Schaufelprofile ausgearbeitet sind. D.h. die Scheibe und die Schaufeln sind aus einem Teil gefertigt.
Durch das Ersetzen von teilweise mehr als 120 einzelnen Schaufeln je Scheibe durch eine solche BLISK entfallen die Montagekosten für die Schaufeln, wodurch die Herstellung eines Neuteils insgesamt verringert wird. Des Weiteren wird durch dieses Verfahren eine erhebliche Gewichtsersparnis erreicht, was vor allem in der Luftfahrt von großem Interesse ist. Allerdings können derzeit im Wesentlichen nur weniger belastete Komponenten eines Triebwerks durch eine BLISK ersetzt werden, die nach dem vorstehend genannten Verfahren hergestellt ist. Auch ist das Erneuern einer BLISK im Gegensatz zum Ersetzen einzelner Schaufeln sehr aufwändig und teuer.
Angesichts dieser Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schau- felbefestigung bereitzustellen, die eine möglichst leichte Bauweise erlaubt und trotzdem hoch belastbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Schaufelcluster mit den Merkmalen der Patentanspruchs 1 gelöst.
Schaufelcluster sind erfindungsgemäß integrale Bauteile bestehend aus zumindest zwei Schaufeln, die mit einer gemeinsamen (einzigen) Schaufelbefestigung zur Montage des Clusters am Rotor oder Stator ausgestattet sind.
Eine besonders hohe Kraftübertragung wird dadurch gewährleistet, indem die Schaufelbefestigung als axial verlaufende Schwalbenschwanzverbindung mit zumindest einer Hinterschneidung (auf jeder Flanke) ausgeführt ist. Diese Verbindungsart ist mit hoher Präzision herstellbar und kann kostengünstig montiert werden.
Vorteilhafter Weise ist die Schwalbenschwanzverbindung dezentral zwischen den
Schaufeln, vorzugsweise in Umfangsrichtung versetzt angeordnet. Hierdurch können die Schaufelblattlasten anstelle einer zentralen Zusammenführung aufgeteilt in jede Schwalbenschwanzanlagefläche eingeleitet werden, sodass sich die hierbei entstehenden hohen Kerblasten verringern. Dadurch wird es möglich, die Schwalbenschwanzverbindung weniger massiv auszugestalten, bzw. höhere Kräfte zu übertragen. Dabei hat es sich bzgl. Der Krafteinleitung als besonders günstig erwiesen, wenn der Versatz in Um- fangsrichtung etwa eine halbe Schaufelteilung beträgt.
Weiter vorzugsweise ist die Nut bzw. der Rücksprung der Schwalbenschwanzverbindung auf Seiten des Schaufelclusters und der Fuß bzw. der Vorsprung auf Seiten des Rotors bzw. Stators ausgebildet. Hierdurch verringert sich das Gewicht des Clusters und damit die Kraftbelastung der Verbindung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den radial äußeren Umfangsabschnitt einer Turbinen- oder Verdichterscheibe mit daran montiertem Schaufelcluster gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei- spiel der Erfindung und
Fig. 2 zeigt den Schaufelcluster in unmontiertem Zustand.
Gemäß der Fig. 1 und 2 besteht ein Schaufelcluster 1 einer Turbinen- oder Verdichter- stufe aus einem Paar Schaufeln 2, die an ihren radial inneren Enden mit einem einzigen gemeinsamen Schaufelfuß 3 verbunden sind. Die radial äußeren Enden sind über ein Flachband 4(in Fachkreisen als „plainshroud" bezeichnet) miteinander gekoppelt. Vorzugsweise ist der die vorstehenden Bestandteile aufweisende Schaufelcluster 1 in Inter- gralbauweise beispielsweise durch Reibschweißen oder induktives Hochfrequenz- Pressschweißen und weiter vorzugsweise einstückig ausgebildet. Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht der Schaufelfuß 3 aus einer Fußplatte 5, an deren radialer Oberseite die zwei radial inneren Schaufelenden angesetzt sind und an deren radialer Unterseite ein Fußsockel 6 ausgebildet ist, derart, dass die Fußplatte 5 einen leistenförmigen Überhang bezüglich des Sockels 6 formt. In diesen Fußsockel 6 ist vorliegend eine Nut 7 ausgearbeitet, welche sich durchgehend in bezüglich der Schaufelreihe axialer Richtung der Stufe erstreckt. Die Nut 7 ist in der Form eines Schwalbenschwanzes gefertigt und bildet so an jeder Nutflanke eine Hinter- schneidung.
Wie ferner in der Fig. 2 dargestellt ist, befindet sich die Nut 7 nicht zentral mittig zwischen den beiden Schaufeln 2 bzw. deren inneren Schaufelenden, sondern ist vorliegend um ca. eine halbe Teilung in Umfangsrichtung, nämlich gemäß der Fig. 1 in Kraftwirkungsrichtung der Schaufeln 2 versetzt angeordnet.
In der Fig. 1 ist nunmehr eine Scheibe (Rotor) 8 der Stufe abschnittsweise dargestellt. Demzufolge ist die Scheibe 8 an deren radial äußeren Umfang zu einem sogenannten Filletinterface 9 axial aufgeweitet, auf deren radialen Außenseite eine Anzahl von federartigen Leisten 10 in Axialrichtung der Stufe einstückig mit der Scheibe 8 ausgebildet sind. Die Federn 10 sind dabei in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet.
Des Weiteren weisen die Federn 10 in ihrem Querschnitt eine Schwalbenschwanzform auf und bilden somit das Gegenstück zu den Nuten 7 auf Seiten der Schaufel Cluster 1. Die Dimensionierung der Nuten 7 und Federn 10 ist so gewählt, dass bei deren Zusammenführung eine Pressverbindung entsteht.
Zur Montage der Schaufelcluster 1 und der Scheibe 8 werden die Schaufelfüße 3 auf die scheibenseitigen Federn 10 in Axialrichtung aufgeschoben, bis an den jeweiligen Stirnseiten ein gratloser Übergang zwischen Scheibe 8 und Fuß 3 entsteht. Auf diese Weise werden die einzelnen Schaufelcluster 1 zu einem kompletten Schaufelring zusammen- gesetzt. An dieser Stelle soll daraufhingewiesen werden, dass ein Schaufelcluster 1 auch mehr als zwei Schaufeln, beispielsweise drei Schaufeln aufweisen kann. Auch ist die Form des Schaufelfußes 3 nicht auf einen einfachen Schwalbenschwanz beschränkt sondern kann auch, wie im Stand der Technik bekannt ist, tannenbaumartig mit einer Mehrzahl von Hinterschneidungskanten je Flanke ausgebildet sein. Schließlich ist es nicht unbedingt erforderlich, die Nut 7 durchgehend auszuführen. Vielmehr kann diese einseitig geschlossen sein, wodurch ein vordefinierter Anschlag für die Montage der Schaufelcluster 1 gebildet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Stufe einer Turbine oder eines Verdichters mit Schaufeln (2), die an einem Rotor und/oder einem Stator der Stufe montiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2) zu einer Anzahl von Schaufel Clustern (1) als integrale
Bauteile zusammengefasst sind, die jeweils aus zumindest zwei Schaufeln (2) bestehen und die jeweils mit einer gemeinsamen Schaufelbefestigung (3) zur Montage des Clusters (1) am Rotor oder Stator ausgestattet sind.
2. Stufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelbefestigung (3) als axial verlaufende Schwalbenschwanzverbindung mit zumindest einer Hinterschneidung ausgeführt ist.
3. Stufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwalben- Schwanzverbindung (3) dezentral zwischen den Schaufeln (2), vorzugsweise in
Umfangsrichtung versetzt angeordnet.
4. Stufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz in Umfangsrichtung eine halbe Schaufelteilung beträgt, wobei die Versatzrichtung der Kraftwirkrichtung der Schaufeln (2) entspricht.
5. Stufe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) der Schwalbenschwanzverbindung auf Seiten des Schaufelclusters (1) und die Feder (10) auf Seiten des Rotors bzw. Stators ausgebildet ist.
6. Stufe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schaufelcluster (1) drei Schaufeln (2) hat.
7. Stufe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (10) einstückig mit dem Rotor oder dem Stator ausgebildet sind. Stufe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwalbenschwanzverbindung die Form eines Tannenbaums hat und mehrere radial beabstandete Hinterschneidungen je Flanke bildet.
EP09771688A 2008-11-13 2009-11-07 Schaufelcluster mit versetztem axialem montagefuss Withdrawn EP2344722A2 (de)

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