EP2404037B1

EP2404037B1 - Integral beschaufelter rotor für eine strömungsmaschine

Info

Publication number: EP2404037B1
Application number: EP10713552.7A
Authority: EP
Inventors: Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: WO2010099783A1; DE102009011965A1; EP2404037A1

Description

Die Erfindung betrifft einen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, wobei Hohlräume im Bereich der Schaufelhälse zwischen benachbarten Schaufeln vorgesehen sind, die durch Ausnehmungen in gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schaufelhälse gebildet sind.
Rotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt scheibenförmiger oder ein im Querschnitt ringförmiger Rotor bzw. Rotorträger (im Folgenden Rotorgrundkörper genannt) vorhanden ist, als Blisk bzw. Bling. Blisk ist die Kurzform von Bladed Disk und Bling von Bladed Ring.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei Rotoren mit integraler Beschaufelung Rotorgrundkörper und Schaufeln separat herzustellen und anschließend durch Reibschweißen miteinander zu verbinden. Um das Gewicht der Rotoren zu verringern, sind Leichtbauweisen mit Hohlräumen im Bereich der Schaufelhälse vorgesehen. In separat hergestellten Schaufeln sind Ausnehmungen in den in Umfangsrichtung weisenden Seiten vorgesehen. Bei der Herstellung des Rotors werden die vorgefertigten Schaufeln zu einem Schaufelkranz angeordnet, wobei die Ausnehmungen in den Schaufelhälsen benachbarter Schaufeln gegenüber liegen und somit zwischen benachbarten Schaufeln einen Hohlraum ausbilden, der mit dem Anschweißen des Rotorgrundkörpers an die Schaufeln verschlossen und unzugänglich ist. Ein solcher Rotor ist aus dem Dokument DE-A-10 361 882 bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine zu schaffen, der eine verbesserte Kontrollmöglichkeit bei Wartungsarbeiten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, gelöst. Im Bereich der Schaufelhälse sind Hohlräume zwischen benachbarten Schaufeln vorgesehen, die durch Ausnehmungen in gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schaufelhälse gebildet sind. Von jedem Hohlraum verläuft eine Inspektionsöffnung radial nach innen, die von außen zugänglich ist und eine Untersuchung des Hohlraums von außen ermöglicht. Auf diese Weise wird eine Inspektion des Hohlraums ermöglicht, während der Hohlraum in den axialen Richtungen und in der radial nach außen verlaufenden Richtung möglichst gut abgedichtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Inspektionsöffnungen durch Dichtungselemente verschlossen. Nachdem eine Inspektion der Hohlräume, beispielsweise nach der Herstellung des Rotors oder in Wartungsintervallen, durchgeführt wurde, können die Inspektionsöffnungen somit verschlossen werden.
Die Dichtungselemente können zylinderförmig sein. Dies ermöglicht eine einfache Geometrie der Dichtungselemente und der abzudichtenden Inspektionsöffnung.
Vorzugsweise sind die Dichtungselemente aus einem Nickel-Basis-Werkstoff gefertigt. Dies ermöglicht eine temperaturbeständige Ausführung der Dichtungselemente.
Die Dichtungselemente können beschichtet sein. Somit werden die Oberflächeneigenschaften der Dichtungselemente verbessert und insbesondere auf die verwendeten Werkstoffe der Schaufeln angepasst.
Vorzugsweise sind die Dichtungselemente separat hergestellte Teile, die durch Pressverbindung, Formschluss und/oder Schweißen an den Schaufelhälsen angebracht sind. Auf diese Weise wird eine gute Abdichtung der Inspektionsöffnungen durch die Dichtungselemente sichergestellt und einem Verrutschen der Dichtungselemente vorgebeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtungselemente entfernbar an den Schaufelhälsen angebracht. Dies ermöglicht eine Inspektion der Hohlräume zu einem beliebigen Zeitpunkt.
Die Dichtungselemente erstrecken sich beispielsweise über die gesamte axiale Länge des zugeordneten Schaufelhalses. Somit wird eine Positionierung des Dichtungselements in axialer Richtung vereinfacht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mündet jede Inspektionsöffnung in einen in axialer Richtung verlaufenden Kanal. Dieser Kanal ermöglicht einen einfachen Zugang zur Inspektionsöffnung.
Der in axialer Richtung verlaufende Kanal kann ein Kühlfluidkanal sein. Dies schafft eine verbesserte Kühlung des Grenzbereichs zwischen Rotorgrundkörper und den Schaufelhälsen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte in axialer Richtung stromauf- und/oder stromabwärts des Kanals angeordnet. Die Abdeckplatte oder die Abdeckplatten können den Kanal ganz oder teilweise abdecken, wodurch beispielsweise eine axiale Bewegung der Dichtungselemente verhindert oder eingeschränkt wird.
Die Abdeckplatte kann eine Führung für das Kühlfluid bilden. Dies ermöglicht beispielsweise eine Umlenkung des Kühlfluidstroms aus der axialen Richtung des Kanals in eine radiale Richtung.
Vorzugsweise sind die Kanäle und die Öffnungen so aufeinander abgestimmt, dass von außen in die Hohlräume hineingesehen werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Inspektion der Hohlräume mit dem Auge oder einem Gerät.
Jede Schaufel kann über ein aus einem anderen Material hergestelltes Zwischenstück an dem Rotorgrundkörper angeschweißt sein, und die Kanäle können zumindest zwischen benachbarten Zwischenstücken vorgesehen sein. Durch die Zwischenstücke lässt sich das Fügen der Schaufeln an den Rotorgrundkörper vereinfachen, insbesondere wenn die Schaufeln und der Rotorgrundkörper aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, beispielsweise bei einkristallinen Schaufeln und polykristallinem Rotorgrundkörper oder bei unterschiedlichen Legierungen, bei denen ein Schmelzschweißverfahren nicht anwendbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Schaufelhälse durch einen schmalen axial und radial verlaufenden Spalt voneinander getrennt und die Inspektionsöffnung durch eine lokale Vergrößerung des Spaltes gebildet. Dies kann beispielsweise auch bei einkristallinen Schaufeln der Fall sein, bei denen die Schaufeln nicht durch Schmelzschweißverfahren verbunden werden können.
Vorzugsweise weisen die Schaufelhälse Fortsätze auf, die gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes Deckband bilden, wobei das Deckband mit benachbarten Rotoren und Deckbändern einen in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum bildet, welcher mit Kühlfluid durchströmt wird. Somit wird eine Kühlung der Rotoren ermöglicht.
Ein in axialer Richtung vorderer Zwischenraum und ein hinterer Zwischenraum können vorgesehen sein, wobei die in axialer Richtung verlaufenden Kanäle den vorderen Zwischenraum mit dem hinteren Zwischenraum verbinden. Auf diese Weise ergibt sich eine Strömung von Kühlfluid vom vorderen Zwischenraum in den hinteren Zwischenraum.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen Sektor eines erfindungsgemäßen, integral beschaufelten Rotors mit Inspektionsöffnungen;
Figur 2 eine Detailansicht des in Figur 1 gezeigten Rotors;
Figur 3 den Sektor des Rotors aus Figur 1 in einer veränderten Perspektive;
Figur 4 den Sektor des Rotors gemäß Figur 3 mit eingesetzten Dichtungselementen; und
Figur 5 den Sektor des Rotors gemäß Figur 1 mit eingesetzten Dichtungselementen.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen Sektor eines integral beschaufelten Rotors 10. Der Rotor 10 weist einen Rotorgrundkörper 12 auf, der in der gezeigten Ausführungsform eine Rotorscheibe ist. Der Rotorgrundkörper 12 kann aber beispielsweise auch ringförmig sein.
Der integral beschaufelte Rotor 10 ist für eine Gasturbine ausgelegt, wobei er im Turbinenabschnitt oder im Verdichterabschnitt angeordnet sein kann. Die Erfindung lässt sich natürlich auch auf integral beschaufelte Rotoren anderer Strömungsmaschinen anwenden.
Am Außenradius des Rotorgrundkörpers 12 sind mehrere Schaufeln 14 vorgesehen, die z.B. über separate Zwischenstücke 16 mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden sind.
Die Schaufeln 14 sind beispielsweise aus einkristallinen Nickel-Basis-Werkstoffen gefertigt, die keine Schmelzschweißverfahren erlauben. Eine Schaufel 14 wird zuerst durch Reibschweißen, insbesondere Linearreibschweißen, mit einem Zwischenstück 16 verbunden. Das Zwischenstück 16 ist dabei aus einem anderen Material als die Schaufel 14 gefertigt, beispielsweise aus einem polykristallinen Material. Die Schaufel 14 kann dann über das Zwischenstück 16 mit verschiedenen Verfahren am Rotorgrundkörper 12 befestigt werden.
Eine Schaufel 14 ist wie folgt aufgebaut: radial innen liegend ist ein Schaufelhals 18 vorgesehen, vom Schaufelhals 18 erstreckt sich das Schaufelblatt 20 radial nach außen, am äußeren Ende des Schaufelblatts 20 ist ein äußeres Deckband 22 vorgesehen.
Der Aufbau des Schaufelhalses 18 ist in den Figuren 3 und 4 besser zu erkennen. Um das Gewicht des Rotors 10 möglichst gering zu halten, ist eine Leichtbauweise für den Schaufelhals 18 vorgesehen. In den Schaufelhälsen 18 sind dabei auf den in Umfangsrichtung liegenden Seiten Ausnehmungen 24 vorgesehen. Zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 werden durch die Ausnehmungen 24 in gegenüberliegenden Seiten der Schaufelhälse 18 Hohlräume 26 gebildet (siehe Figur 2). Von jedem Hohlraum 26 verläuft eine Inspektionsöffnung 28 radial nach innen und mündet in einen in axialer Richtung verlaufenden Kanal 30. Jeder Inspektionsöffnung 28 ist dabei ein Kanal 30 zugeordnet. Die Kanäle 30 sind im Wesentlichen zwischen benachbarten Zwischenstücken 16 vorgesehen.
Die Schaufelhälse 18 weisen jeweils einen in axialer Richtung vorderen und hinteren Fortsatz 32 auf. Die Fortsätze 32 bilden gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes inneres Deckband 34. Das innere Deckband 34 bildet mit benachbarten Rotoren und gegebenenfalls axialen Deckbändern einen in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum. Ein solcher Zwischenraum bildet sich in axialer Richtung vor und hinter dem Rotorgrundkörper 12 aus, wobei dieser vordere und hintere Zwischenraum mit Kühlfluid durchströmt wird, um den Rotor 10 und insbesondere den Rotorgrundkörper 12 zu kühlen.
Die Kanäle 30 verbinden den vorderen Zwischenraum mit dem hinteren Zwischenraum und ermöglichen somit einen Fluss von Kühlfluid zwischen den beiden Zwischenräumen. Auf der in axialer Richtung hinteren (stromabwärtigen) Seite des Rotors 10 ist eine Abdeckplatte 36 angeordnet und am Rotorgrundkörper 12 befestigt. Die Abdeckplatte 36 bildet eine Führung für das Kühlfluid, wobei das Kühlfluid in der vorliegenden Ausführungsform nach dem Durchströmen der in axialer Richtung verlaufenden Kanäle 30 in radialer Richtung nach außen umgelenkt wird. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte 36 auf der hinteren Seite des Rotorgrundkörpers 12 vorgesehen. Eine Abdeckplatte 36 kann natürlich auch auf der vorderen Seite des Rotorgrundkörpers oder auf beiden Seiten vorgesehen sein.
Aufgrund der Konstruktion der Schaufeln 14 und des Rotors 10 ist es möglich, dass zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 schmale axial und radial verlaufende Spalte 38 (siehe Figur 2) vorkommen. Die Spalte 38 sind möglichst schmal ausgebildet, um die Leistungsfähigkeit der Strömungsmaschine nicht zu verringern. Die Spalte 38 bilden daher keinen Zugang zum Hohlraum 26, durch den eine Inspektion des Hohlraums 26 möglich wäre.
Der radial innen verlaufende Spalt 38 kann eine lokale Vergrößerung aufweisen, die die Inspektionsöffnung 28 bildet. Die Inspektionsöffnung 28 ist gegenüber dem Spalt 38 bezüglich ihrer Breite um einen Faktor von mindestens drei vergrößert.
Die in Figur 2 gezeigte Detailansicht des Schaufelhalsabschnitts des Rotors 10 zeigt den Hohlraum 26 und die Inspektionsöffnung 28 vergrößert. Die Inspektionsöffnung 28 und der Kanal 30 sind dabei so angeordnet und dimensioniert, dass von außen in die Hohlräume 26 hineingesehen werden kann und somit eine visuelle Inspektion durchgeführt werden kann. Alternativ können Inspektionswerkzeuge, beispielsweise eine Lampe, Lichtleiter oder eine Kamera, durch die Kanäle 30 und die Inspektionsöffnungen 28 in die Hohlräume 26 geführt werden.
In den Figuren 4 und 5 sind die Inspektionsöffnungen 28 durch Dichtungselemente 40 verschlossen. Die Dichtungselemente 40 sind zylinderförmig und aus einem Nickel-Basis-Werkstoff gefertigt, sie können auch beschichtet sein, beispielsweise mit einer Pulverbeschichtung.
Die Dichtungselemente 40 liegen formschlüssig an den Schaufelhälsen 18 an und verschließen die Inspektionsöffnung 28. Um ein Verrutschen der Dichtungselemente 40 zu verhindern, sind sie z.B. durch eine Pressverbindung, Formschluss, Stoffschluss oder Befestigungsmittel an den Schaufelhälsen 18 befestigt. Diese Pressverbindung ist lösbar, sodass die Dichtungselemente 40 von den Schaufelhälsen 18 entfernbar sind, insbesondere um einen Zugang zur Inspektionsöffnung 28 zu ermöglichen.
Die Dichtungselemente 40 erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des Schaufelhalses 18 und der angrenzenden Zwischenstücke 16. Die Anordnung der Dichtungselemente 40 und der Abdeckplatte 36 ist so aufeinander abgestimmt, dass eine Bewegung der Dichtungselemente 40 in axialer Richtung durch die Abdeckplatte 36 beschränkt wird.
Die Herstellung des integral beschaufelten Rotors 10 erfolgt beispielsweise nach dem im Folgenden beschriebenen Verfahren. Die Schaufeln 14 werden einstückig hergestellt, beispielsweise durch ein Gussverfahren. Die Zwischenstücke 16 werden beispielsweise durch Linearreibschweißen mit den Schaufeln 14 verbunden. Die Schaufeln 14 werden nun zu einem Schaufelkranz zusammengefügt, wobei die Ausnehmungen 24 in gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schaufelhälse 18 jeweils einen Hohlraum 26 bilden. Die Ausnehmungen 24 sind dabei so ausgeführt, dass aus der radial innen liegenden Seite eine Inspektionsöffnung 28 in den Hohlraum 26 gebildet wird. Der Schaufelkranz wird nun mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden, und die Kanäle 30 werden ausgebildet.
Die Hohlräume 26 des integral beschaufelten Rotors 10 werden nach der Verbindung von Rotorgrundkörper 12 und Schaufeln 14 bzw. Schaufelkranz über die Inspektionsöffnungen 28 befundet. Nach erfolgter Inspektion werden die Dichtungselemente 40 an den Schaufelhälsen 18 angebracht und verschließen die Inspektionsöffnungen 28.
Falls weitere Inspektionen der Hohlräume 26 zu späteren Zeitpunkten möglich sein sollen, so werden die Dichtungselemente 40 entfernbar angebracht.
Die Abdeckplatte 36 wird zur Führung eines Kühlfluidstroms durch die Kanäle 30 und zur Beschränkung einer axialen Bewegung des Dichtungselements 40 montiert.

Claims

Integral beschaufelter Rotor (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, wobei Hohlräume (26) im Bereich der Schaufelhälse (18) zwischen benachbarten Schaufeln (14) vorgesehen sind, die durch Ausnehmungen (24) in gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schaufelhälsen (18) gebildet sind, wobei von jedem Hohlraum (26) eine Inspektionsöffnung (28) radial nach innen verläuft, die von außen zugänglich ist und eine Untersuchung des Hohlraums (26) von außen ermöglicht, und wobei die Inspektionsöffnungen (28) durch Dichtungselemente (40) verschlossen sind.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (40) zylinderförmig sind.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (40) aus einem Nickel-Basis-Werkstoff gefertigt sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (40) beschichtet ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (40) separat hergestellte Teile sind, die durch Pressverbindung, Formschluss und/oder Schweißen an den Schaufelhälsen (18) angebracht sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (40) entfernbar an den Schaufelhälsen (18) angebracht sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtungselemente (40) über die gesamte axiale Länge des zugeordneten Schaufelhalses (18) erstrecken.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Inspektionsöffnung (28) in einen in axialer Richtung verlaufenen Kanal (30) mündet.
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in axialer Richtung verlaufende Kanal (30) ein Kühlfluidkanal ist.
Rotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckplatte (36) in axialer Richtung stromauf- und/oder stromabwärts des Kanals (30) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (36) eine Führung für das Kühlfluid bildet.
Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (30) und die Inspektionsöffnungen (28) so aufeinander abgestimmt sind, dass von außen in die Hohlräume (26) hineingesehen werden kann.
Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (14) über ein aus einem anderen Material hergestelltes Zwischenstück (16) an dem Rotorgrundkörper (12) angeschweißt ist und dass die Kanäle (30) zumindest zwischen benachbarten Zwischenstücken (16) vorgesehen sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhälse (18) Fortsätze (32) aufweisen, die gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes Deckband bilden, wobei das Deckband mit benachbarten Rotoren und Deckbändern einen in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum bildet, welcher mit Kühlfluid durchströmt wird.
Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 13 und nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein in axialer Richtung vorderer Zwischenraum und ein hinterer Zwischenraum vorgesehen sind, wobei die in axialer Richtung verlaufenden Kanäle (30) den vorderen Zwischenraum mit dem hinteren Zwischenraum verbinden.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schaufelhälse (18) durch einen schmalen axial und radial verlaufenden Spalt (38) voneinander getrennt sind und die Inspektionsöffnung (28) eine lokale Vergrößerung des Spaltes (38) bildet.