EP2514923A1

EP2514923A1 - Blendeneinrichtung, integral beschaufelter Rotorgrundkörper, Verfahren und Strömungsmaschine

Info

Publication number: EP2514923A1
Application number: EP11162771A
Authority: EP
Inventors: Frank Stiehler; Manuel Hein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-24

Abstract

Offenbart ist eine Blendeneinrichtung für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper einer Strömungsmaschine zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle, die zwischen benachbarten Laufschaufeln gebildet sind, mit einem ringartigen Blendenelement zur zumindest abschnittsweisen Abdeckung der Kanalquerschnitte, wobei das Blendenelement zwei Anlagedurchmesser zur Bildung eines radialinnen liegenden axialen Dichtbereiches und zur Bildung eines radial außenliegenden radialen Dichtbereiches hat, ein integral beschaufelter Rotorkörper mit einer derartigen Blendeneinrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartig integral beschaufelten Rotorgrundkörpers sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartig integral beschaufelten Rotorgrundkörper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blendeneinrichtung für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper mit einer derartigen Blendeneinrichtung, ein Verfahren zur Montage eines derartigen integral beschaufelten Rotorgrundkörpers sowie eine Strömungsmaschine.
Integral beschaufelte Rotorgrundkörper eines Rotors für Strömungsmaschinen, wie z.B. Flugzeugtriebwerke, mit einer Vielzahl von an einem scheiben- bzw. ringförmigen Grundkörper stoffschlüssig angebundenen und eine Schaufelreihe bildenden Laufschaufeln haben aus fertigungstechnischen Gründen regelmäßig zwischen Schaufelfüßen bzw. Schaufelschäften benachbarter Laufschaufeln einen kanalartigen Durchlass, durch den in axialer Richtung Kühlluft von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite strömen kann. Um einen Kühlluftstrom durch die Kanäle zu unterbinden bzw. zumindest zu reduzieren, wird in der DE 10 2009 007 468 A1 und in der DE 10 2009 011 965 A1 vorgeschlagen, die Kanäle auslassseitig, d.h. niederdruckseitig, durch eine Blendeneinrichtung zu verschließen. Die Blendeneinrichtung umfasst einen blechartigen Ring, der den Grundkörper umgreift und bspw. wie in der DE 10 2009 007 468 A1 gezeigt zwischen einer radial innenliegenden hakenförmigen Halterung und einer radial außenliegenden hakenförmigen Halterung angeordnet ist. Der Ring bewirkt zwar eine verlässliche Abdichtung der Kanäle bzw. eine verlässliche Reduzierung der Kanalquerschnitte, jedoch ist hierfür eine sehr präzise Fertigung notwendig, um bspw. ein Umströmen des Rings im Bereich der Halterungen zu verhindern.
Eine alternative ebenfalls in der DE 10 2009 007 468 A1 gezeigte Blendeneinrichtung weist eine Vielzahl von in den Kanälen angeordneten und sich über die Kanäle hinaus erstreckenden rohrartigen Blendenelementen auf, deren Lumen reduziert bzw. verschlossen sein kann. Die Sicherung der Blendenelemente erfolgt endseitig jeweils mittels eines umgebördelten Rohrkragens. Nachteilig an dieser alternativen Blendeneinrichtung sind jedoch der hohe Montage- und Demontageaufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Blendeneinrichtung für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper einer Strömungsmaschine zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigt und zudem eine gute Integrierbarkeit am Bauteil aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper für eine Strömungsmaschine mit einer optimierten Blendeneinrichtung, ein Verfahren zur Montage eines derartigen integral beschaufelten Rotorgrundkörpers sowie eine Strömungsmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Blendeneinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Eine erfindungsgemäße Blendeneinrichtung für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper einer Strömungsmaschine zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle, die zwischen benachbarten Laufschaufeln gebildet sind, hat ein ringartiges Blendenelement zur zumindest abschnittsweisen Abdeckung der Kanäle. Erfindungsgemäß hat das Blendenelement zwei Anlagedurchmesser zur Bildung eines radial innenliegenden sich axial erstreckenden Dichtbereiches und zur Bildung eines radial außenliegenden sich radial erstreckenden Dichtbereiches.
Vorteilhaft ist, dass keine vorerwähnten Halterungen notwendig sind, um das Blendenelement zu positionieren. Montage- und Bauteiltoleranzen können durch die Dichtbereiche in unterschiedlichen Ebenen ausgeglichen werden, ohne dass Bypassströmungen zu befürchten sind. Zudem zeichnet sich die erfindungsgemäße Blendeneinrichtung durch eine gute Integrierbarkeit am Rotorgrundkörper aus und kann optimale Materialeigenschaften aufweisen. Ferner ist sie aufgrund des Fehlens von bewegenden Komponenten sehr robust und lässt sich einfach montieren und demontieren.
Bevorzugterweise hat das Blendenelement einen L-förmigen Querschnitt mit einem axialen Profilabschnitt mit einer außenumfangsseitigen Anlagefläche zur Bildung des radial innenliegenden Dichtbereiches und mit einem radialen Profilabschnitt mit einer radialen Kontaktfläche zur Bildung des radial außenliegenden Dichtbereiches. Hierdurch wird das Blendenelement aufgrund der Fliehkraft im Betrieb in radialer Richtung selbstsichernd an einem entsprechenden Körperabschnitt des Rotorgrundkörpers gehalten.
Zur Sicherung des Blendenelementes an dem Rotorgrundkörper insbesondere in Umfangs-und/oder Axialrichtung kann zumindest ein Sicherungselement zur Sicherung des Blendenelements vorgesehen sein.
Um die Dichtigkeit im Bereich der Dichtbereiche durch das zumindest eine Sicherungselement nicht negativ zu beeinflussen, ist bzw. sind entsprechende Aufnahmen in dem Blendenelement bevorzugterweise in einem Körperschnitt außerhalb der Dichtbereiche ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßer integral beschaufelter Rotorgrundkörper für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von an einem scheiben― oder ringförmigen Grundkörper angebundenen Laufschaufeln hat eine Blendeneinrichtung mit einem Blendenelement zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle, die zwischen benachbarten Laufschaufeln gebildet sind, wobei das Blendenelement einen radial innenliegenden sich axial erstreckenden Dichtbereich und einen radial außenliegenden sich radial erstreckenden Dichtbereich bildet.
Ein derartiger integral beschaufelter Rotorgrundkörper zeichnet sich durch eine sehr gute strukturmechanische Integrität aus, da das Blendenelement sicher und rotationsachsennah gelagert ist. Zudem weist er eine gute Abgrenzung und Führung der Kühlluftströme und Heißgasströme bzw. des jeweiligen Kühlluftstroms und Heißgasstroms auf.
Bevorzugterweise ist das Blendenelement zur Bildung des radial innenliegenden Dichtbereiches mit seinem axialen Profilabschnitt an einem grundkörperseitigen Tragring gelagert und befindet sich zur Bildung des radial äußeren Dichtbereichs mit seinem radialen Profilabschnitt mittel-oder unmittelbar in Anlage mit einem laufschaufelseitigen Körperabschnitt. Hierdurch erfolgt zum einen aufgrund der Fliehkraft eine Selbstsicherung des Blendenelements im Betrieb und zum anderen eine hohe Dichtwirkung in den Dichtbereichen, da das Blendenelement bei entsprechender Gestaltung bei Fliehkraftbeaufschlagung ebenfalls mit seinem radialen Profilabschnitt gegen den laufschaufelseitigen Körperabschnitt wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Blendenelement mit seinem axialen Profilabschnitt durch einen in eine Innenumfangsnut des axialen Profilabschnitts und in eine Außenumfangsnut eines Grundkörperabschnitts eingesetzten Sicherungsring an dem Tragring gesichert. Eine derartige formschlüssige Verbindung lässt sich einfach montieren und ist in allen möglichen Freiheitsgraden ausführbar. Dabei wird durch den rotationsachsennahen und laufschaufelfernen Sicherungsring eine Rückwirkung auf das Schwingungsverhalten der Laufschaufeln verhindert.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Blendenelement mit seinem axialen Profilabschnitt durch einen Spannring, der formschlüssig mit dem axialen Profilabschnitt in Wirkeingriff steht und in Radialrichtung an einem Grundkörperabschnitt geführt ist, gegen den Tragring gedrückt. Die Montage dieser Ausführungsform ist verhältnismäßig einfach, da der Spannring in keine Nut, Kerbe und drgl. eingelegt werden muss, sondern sich durch den laufschaufelseitigen Formschluss und durch die radiale Führung am Grundkörperabschnitt selbsttätig in axialer Richtung sowie durch seine nach außen wirkende Vorspannung in radialer Richtung lagesichert, so dass der Spannring trotz seiner nutfreien Anordnung selbst nicht rotationsgesichert werden muss.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel ist das Blendenelement mit seinem axialen Profilabschnitt mittels Kraftschluss an dem Tragring angebunden. Der Kraftschluss kann beispielsweise durch einen Presssitz hergestellt sein und ermöglicht eine Sicherung des Blendenelementes sowohl in Umfangs- als auch in Axialrichtung am Rotorgrundkörper. Insbesondere ermöglicht der Kraftschluss prinzipiell eine Lagerung des Blendenelements ohne die Vorsehung von Belastungssprüngen bildenden Bauteilkonturen wie Nuten, Kerben und drgl. zur Aufnahme von entsprechenden Sicherungselementen. Ferner ist die Kraftschlussverbindung gewichtsneutral.
Um das Schwingverhalten des Blendenelement beim dritten Ausführungsbeispiel zu optimieren, können zur Sicherung des freien Körperabschnitts zusätzlich Sicherungsstifte vorgesehen sein, die durch Bohrungen des Blendenelementes geführt und fest in Bohrungen der Laufschaufeln abschnittsweise angeordnet sind. Der feste Sitz der Sicherungsstifte in den laufschaufelseitigen Bohrungen verhindert bei allen Betriebszuständen einen Verschleiß im laufschaufelseitigen Bohrungsbereich trotz Schaufelschwingungen.
Um einen Verschleiß der Sicherungsstifte im Bereich des Blendenelements zu verhindern und um die Berührungsbereiche zwischen den Sicherungsstiften und dem Blendenelement gering zu halten, können die Sicherungsstifte toleranzbehaftet in den Bohrungen des Blendenelementes geführt sein und mittels eines Halteelements mit dem Blendenelement in Wirkverbindung stehen.
Insbesondere ist es für das Schwingungsverhalten der Laufschaufeln vorteilhaft, wenn kein direkter Kontakt zwischen dem Blendenelement und der Laufschaufel gebildet ist, wenn das Blendenelement also ausschließlich mit dem Grundkörper im unmittelbaren Kontakt steht. Dieser laufschaufelseitige indirekte bzw. mittelbare Kontakt kann zum Beispiel durch ein Dichtelement im Bereich des zweiten Dichtbereichs erfolgen. Das Dichtelement dient dabei gleichzeitig als Dämpfungselement, so dass sich die Laufschaufeln und das Blendenelement gegenseitig dämpfen und schwingungstechnisch beruhigen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines bevorzugten integral beschaufelten Rotorgrundkörpers wird das Blendenelement an den Laufschaufeln positioniert und anschließend mittels eines Sicherungselementes lagefixiert. Dabei kann das Sicherungselement sowohl vor dem Blendenelement an dem Rotorgrundkörper positioniert werden oder nach dem Blendenelement. So wird zur Montage des ersten Ausführungsbeispiels zuerst das Blendenelement mit seiner Innenumfangsnut gegenüber einer Außenumfangsnut des Rotorgrundkörpers positioniert. Anschließend wird ein Sicherungsring in die Nuten eingesetzt. Zu Montage des zweiten Ausführungsbeispiels wird zuerst ein Spannring in einer rotorgrundkörperseitigen Umfangskammer am Rotorgrundkörper eingesetzt, dann das Blendenelement in die Umfangskammer eingesetzt und danach durch eine Entspannung des Spannrings das Blendenelement am Rotorgrundkörper positioniert. Zur Montage des dritten Ausführungsbeispiels werden zuerst Sicherungsstifte in Lauf schaufelbohrungen eingesetzt und dann das Blendenelement auf die Sicherungsstifte aufgeschoben und unter Kraftschluss an dem Rotorgrundkörper gelagert.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat zumindest einen erfindungsgemäßen integral beschaufelten Rotorgrundkörper und zeichnet sich durch eine hohe Abgrenzung seines Heißgasstromes bzw. seiner Heißgasströme von seinem Kühlluftstrom bzw. seiner Kühlluftströme, durch ein ruhiges Laufverhalten und durch eine hohe Wartungsfreundlichkeit bezüglich seiner laufschaufelseitigen axialen Blendeneinrichtung aus.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht schräg von hinten eines Abschnittes eines integral beschaufelten Rotorgrundkörpers im Bereich von zwei benachbarten Laufschaufeln mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Blendeneinrichtung,
Figur 2 einen Schnitt in einer Radialebene des integral beschaufelten Rotorgrundkörpers aus Figur 1,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht schräg von vorne der Blendeneinrichtung aus Figur 1,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht schräg von hinten eines Abschnittes eines integral beschaufelten Rotorgrundkörpers im Bereich einer Laufschaufel mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Blendeneinrichtung,
Figur 5 eine Detailansicht aus Figur 4,
Figuren 6, 7 und 8 Verfahrensschritte zur Montage der Blendeneinrichtung aus den Figuren 4 und 5,
Figur 9 einen Schnitt in Strömungsrichtung durch einen Abschnittes eines integral beschaufelten Rotorgrundkörpers im Bereich einer Laufschaufel mit einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Blendeneinrichtung,
Figur 10 eine perspektivische Ansicht schräg von vorne der montierten Blendeneinrichtung aus Figur 9,
Figur 11 Detailansicht aus Figur 9, und
Figur 12 eine perspektivische Ansicht schräg von hinten der montierten Blendeneinrichtung aus den Figuren 9, 10 und 11.

Figur 1 zeigt einen Abschnitt eines integral beschaufelten Rotorgrundkörpers 1 für eine Strömungsmaschine wie z.B. ein Flugzeugtriebwerk in Strömungsrichtung eines Heißgasstroms betrachtet in einer perspektivischen Ansicht schräg von hinten. Der Rotorgrundkörper 1 hat eine Vielzahl von eine Schaufelreihe bildenden benachbarten Laufschaufeln 2, die an einem turbinenseitigen ring- oder scheibenförmigen Grundkörper 4 angebunden sind.
Die Laufschaufeln haben jeweils einen Schaufelfuß 6, einen Schaufelhals 8, ein Schaufelblatt 10 (s. Figur 2) und eine zwischen dem Schaufelhals 8 und dem Schaufelblatt 10 angeordnete Plattform 12 mit einem in Strömungsrichtung betrachtet vorderen hochdruckseitigen Vorsprung 14 und einem hinteren niederdruckseitigen Vorsprung 16.
Der Schaufelfuß 6 ist entweder als ein integraler Bestandteil der Laufschaufel 2 oder als ein separat ausgebildetes und nachträglich mit der Laufschaufel 2 gefügtes Bauteil ausgebildet. Er ist mit seiner radial innenliegenden Umfangsfläche stoffschlüssig beispielsweise mittels eines Reibschweißverfahrens an einem Sockel des Grundkörpers 4 angebunden und hat zwei konkav ausgebildete Seitenwände 18, 20, die in eine grundkörperseitige sich über die Sockel erstreckende Umfangswandung 22 übergehen.
Der Schaufelhals 8 ist gegenüber dem Schaufelfuß 6 in Umfangsrichtung betrachtet verbreitert ausgebildet. Er hat zwei seitlich entgegengesetzt zueinander ausgebildete Ausnehmungen 24, die von jeweils einer Seitenfläche 26, 28 umrandet sind. Die Seitenflächen 26, 28 erstrecken sich jeweils über die Vorsprünge 14, 16 und sind in einem plattformfernen und einem kanalnahen Bereich mit jeweils einer sich in axialer Richtung erstreckenden Zurückstufung 30 versehen. Im Bereich der hinteren Vorsprünge 16 sind die Seitenflächen 26, 28 mit jeweils einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Zurückstufung 32 zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen einem von den jeweils gegenüberliegenden Ausnehmungen 24 gebildeten Hohlraum 34 (s. Figur 2) und einer Niederdruckseite der Laufschaufeln 2 versehen.
Das Schaufelblatt 10 erstreckt sich ungefähr mittig von der Plattform 12 und ist herkömmlicher Art, so dass eine einzelne Erläuterung entfällt. Grundsätzlich kann es mit einem internen Kühlsystem versehen sein.
Die Plattform 12 wird von dem Schaufelhals 8 geformt und bildet mit Plattformen 12 benachbarter Laufschaufeln 2 einen radial äußeren heißgasstromseitigen Ringraum 38 und einen radial inneren kühlluftstromseitigen Kühlraum 40 aus. Hochdruckseitig erstreckt sich von dem vorderen Vorsprung 14 in Richtung des Grundkörpers 4 ein Plattenelement 41 zur einlassseitigen Führung eines Kühlluftstroms.
Wie in dem stark vereinfachten Radialebenenschnitt nach Figur 2 in Strömungsrichtung gezeigt, haben benachbarte Laufschaufeln 2 jeweils einen seitlichen Kontaktbereich 36. Dabei berühren sich die benachbarten Laufschaufeln 2 mit ihren gegenüberliegenden Seitenflächen 26, 28 und bilden so den Ringraum 38 und den Kühlraum 40 aus. Die gegenüberliegenden Seitenwände 28, 20 der Laufschaufeln 2 begrenzen in Umfangsrichtung jeweils einen Kanal 42, der über einen von den Zurückstufungen 30 gebildeten Spalt mit dem von den gegenüberliegenden Ausnehmungen 24 gebildeten Hohlraum 34 in radialer Fluidverbindung steht. Die Kanäle 42 sind, wie deutlich in Figur 1 zu erkennen ist, schräg zur Rotationsachse angestellt und haben jeweils einen hochdruckseitigen radial innenliegenden Einlass und einen niederdruckseitigen radial außenliegenden Auslass. Die jeweils gegenüberliegenden sich in Umfangsrichtung erstreckenden in der Schnittdarstellung nicht sichtbaren Zurückstufungen 32 der Laufschaufeln 2 bilden jeweils eine mit dem Kühlraum 40 in axialer Richtung kommunizierende niederdruckseitige Ausgangsöffnung.
Um einen Kühlluftstrom durch die Kanäle 42 in axialer Richtung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der Laufschaufeln 2 sowie in radialer Richtung zwischen dem Heißgasstrom und dem Kühlluftstrom durch die Kontaktbereiche 36 hindurch und dabei auch zwischen den Kanälen 42 und den Hohlräumen 34 durch die Spalte 44 einzustellen, d.h. zu unterbinden oder zu reduzieren, ist wie in den Figuren 1 und 3 gezeigt, niederdruckseitig eine erste erfindungsgemäße Blendeneinrichtung 46 mit einem ringartigen Blendenelement 48 vorgesehen.
Wie in der perspektivischen Ansicht schräg von vorne in Figur 3 dargestellt, hat das Blendenelement 48 einen L-förmigen Querschnitt mit einem axialen Profilabschnitt 50 und einem radialen Profilabschnitt 52. Zudem hat es zwei unterschiedliche Anlagedurchmesser d1, d2 zur Bildung eines radial innenliegenden axialen Dichtbereichs und zur Bildung eines radial außenliegenden radialen Dichtbereichs. Der axiale Dichtbereich wird von dem axialen Profilabschnitt 50 gebildet, der hierzu eine außenumfangsseitige Anlagefläche 54 hat. Der radiale Dichtbereich wird von dem radialen Profilabschnitt 52 gebildet, der hierzu eine sich radial erstreckende Kontaktfläche 56 hat. Um den radialen Dichtbereich radial möglichst weit nach außen legen zu können, hat der radiale Profilabschnitt 52 einen in Strömungsrichtung betrachtet angestellten Endabschnitt 58. Die Anstellung ist dabei entsprechend einem schaufelhalsseitigen Übergangsradius zum hinteren Vorsprung 16 ausgebildet. Zur Stabilisierung des Blendenelementes 48 ist zwischen der Anlagefläche 54 und der Kontaktfläche 56 im Bereich der Kanäle 42 eine radiale Stegfläche 60 vorgesehen.
Im montierten Zustand liegt das Blendenelement 48 mit seiner Anlagefläche 54 an einer innenumfangsseitigen Lagerfläche 62 eines grundkörperseitigen Tragrings 64 und mit seiner Kontaktfläche 56 an einer schaufelseitigen Gegenfläche 66 an. Die Stegfläche 60 befindet sich in Anlage mit einer sichtbaren sich radial erstreckenden schaufelseitigen Widerfläche 68, die ausgehend von der Gegenfläche 66 jenseits des Kanals 42 nahe der Lagerfläche 62 angeordnet ist.
Zur Sicherung des Blendenelementes 48 in Axialrichtung und in Umfangsrichtung weist die Blendeneinrichtung 46 ein Sicherungselement 70 auf. Das Sicherungselement 70 ist als ein Sicherungsring bzw. ein entsprechender stabiler Sicherungsdraht ausgebildet und hat vorzugsweise einen prismatischen Querschnitt. Selbstverständlich kann der Sicherungsring 70 auch andere Querschnitte aufweisen und bspw. als ein C-Profil ausgebildet sein. Zur Aufnahme des Sicherungsrings 70 hat das Blendenelement 48 eine Innenumfangsnut 72, die in einer von der Anlagefläche 54 abgewandten Innenumfangsfläche 74 ausgebildet ist. Um eine Schwächung des Blendenelements 48 im Bereich seiner Innenumfangsnut 72 zu vermeiden, ist der axiale Profilabschnitt 50 rückwärtig über eine Verlängerung 76 zur Vergrößerung der Innenumfangsfläche 74 hinaus erweitert.
Im montierten Zustand ist das Blendenelement 48 mit seiner Innenumfangsnut 72 gegenüber einer korrespondierenden grundkörperseitigen Außenumfangsnut 78 angeordnet und der Sicherungsring 70 ist jeweils hälftig in die Nuten 72, 78 eingesetzt.
Zur Montage wird das Blendenelement 48 auf den Grundkörper 4 aufgeschoben. Dann wird das Blendenelement 48 umfangsseitig in seine Soll-Position gebracht. Anschließend wird der Sicherungsring 70 in die Nuten 72, 78 eingefädelt. Abschließend wird der Sicherungsring 70 zur Umfangsverriegelung endseitig umgebogen.
Bei einem in den Figuren 4 bis 8 erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Blendeneinrichtung 46 wird ein ringförmiges Blendenelement 48 mittels eines als Spannring 70 ausgebildeten Sicherungselements niederdruckseitig an einem grundkörperseitigen Tragring 64 gelagert.
Gemäß Figur 4 hat das Blendenelement 48 einen L-förmigen Querschnitt mit einem axialen Profilabschnitt 50 und einem radialen Profilabschnitt 52. Es hat zwei unterschiedliche Anlagedurchmesser d1, d2 zur Bildung eines radial innenliegenden axialen Dichtbereichs und zur Bildung eines radial außenliegenden radialen Dichtbereichs. Der axiale Dichtbereich wird von dem axialen Profilabschnitt 50 gebildet, der hierzu eine außenumfangsseitige Anlagefläche 54 hat. Der radiale Dichtbereich wird von dem radialen Profilabschnitt 52 gebildet, der hierzu eine sich radial erstreckende Kontaktfläche 56 hat, die im Bereich seines entgegen der Strömungsrichtung abgewinkelten Endabschnitts 58 angeordnet ist.
Zur Herstellung eines Formschlusses mit dem Spannring 70 ist eine von der Anlagefläche 54 abgewandte Innenumfangsfläche 74 vorgesehen, die durch eine Abwinklung eines Endabschnitts 80 des axialen Profilabschnitts 50 radial nach innen stufenförmig ausgebildet ist. Zur Stabilisierung des Blendenelementes 48 ist mittig zwischen der Anlagefläche 54 und der Kontaktfläche 56 im Bereich der Kanäle 42 eine radiale Stegfläche 60 vorgesehen.
Im montierten Zustand liegt das Blendenelement 48 mit seiner Anlagefläche 54 an einer innenumfangsseitigen Lagerfläche 62 des grundkörperseitigen Tragrings 64 und mit seiner Kontaktfläche 56 an einer schaufelseitigen Gegenfläche 66 an, die im schaufelhalsseitigen Übergangsbereich zum hinteren Vorsprung 16 gebildet ist. Die Stegfläche 66 befindet sich in Anlage mit einer nicht sichtbaren sich radial erstreckenden schaufelseitigen Widerfläche. Zur zusätzlichen Abdichtung des radial außenliegenden Dichtbereichs und zur Schwingungsdämpfung kann im Bereich dieses Dichtbereichs ein Dichtelement 82 angeordnet sein.
Der Spannring 70 zur Sicherung des Blendenelements 48 an dem Tragring 64 bzw. an den Laufschaufeln 2 ist radial nach außen vorgespannt und hat wie in Figur 5 beziffert eine entsprechend der Innenumfangsfläche 74 stufenförmig ausgebildete Spannfläche 84 und eine Axialfläche 86 zur radialen Führung. Die Axialfläche 86 wirkt mit einer sich in radialer Richtung erstreckenden Führungsfläche 88 eines Grundkörperabschnitts 90 zusammen, der sich radial nach außen erstreckt. Zudem bildet die Führungsfläche 88 einen axialen Anschlag für den Spannring 70, so dass dieser im montierten Zustand in Axialrichtung sicher zwischen dem abgewinkelten Endabschnitt 80 des axialen Profilabschnitts 50 des Blendenelements 48 und dem Grundkörperabschnitt 90 angeordnet ist. Ferner begrenzt der Grundkörperabschnitt 90 mit seiner Führungsfläche 88 eine Umfangskammer 92, die über einen nicht bezifferten Umfangsspalt geöffnet ist.
Wie in Figur 6 gezeigt, wird zur Montage der Blendeneinrichtung 48 zuerst der Spannring 70 durch den geöffneten Umfangsspalt in die Umfangskammer 92 eingeführt und gegen seine Vorspannung gegen dessen Grund 94 und gegen die Führungsfläche 88 des Grundkörperabschnitts 90 gedrückt. Dann wird wie in Figur 7 gezeigt, das Blendenelement 48 entgegen der Strömungsrichtung und somit von hinten nach vorne auf den Grundkörper 4 und in die Umfangskammer 92 geführt, bis es sich mit seiner Anlagefläche 54 in Anlage mit der Lagerfläche 62 befindet. Dann wird der Spannring 70 entlastet, so dass er wie in Figur 8 dargestellt aufgrund seiner radial nach außen wirkenden Vorspannung formschlüssig mit seiner Spannfläche 84 in Wirkeingriff mit der Innenumfangsfläche 74 tritt und den axialen Profilabschnitt 50 des Blendenelementes 48 gegen den Tragring 64 vorspannt. Der Spannring 70 ist nun von dem Grund 94 beabstandet und der Umfangsspalt der Umfangskammer 92 ist geschlossen, wobei durch den abgewinkelten Endabschnitt 80 des axialen Profilabschnittes 50 und durch den Grundkörperabschnitt 90 verhindert wird, dass weder das Blendenelement 48 noch der Spannring 70 im Betrieb oder im Stillstand aus der Umfangskammer 92 getrieben werden können.
Bei einem in den Figuren 9 bis 12 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Blendeneinrichtung 46 wird ein ringförmiges Blendenelement 48 mittels eines als eine Vielzahl von Sicherungsstiften 70 ausgebildetes Sicherungselements niederdruckseitig an einem grundkörperseitigen Tragring 64 lagefixiert.
Gemäß Figur 9 hat das Blendenelement 48 einen L-förmigen Querschnitt mit einem axialen Profilabschnitt 50 und einem radialen Profilabschnitt 52. Es hat zwei unterschiedliche Anlagedurchmesser d1, d2 zur Bildung eines radial innenliegenden axialen Dichtbereichs und zur Bildung eines radial außenliegenden radialen Dichtbereichs. Der axiale Dichtbereich wird von dem axialen Profilabschnitt 50 gebildet, der hierzu eine außenumfangsseitige Anlagefläche 54 hat. Der radiale Dichtbereich wird von dem radialen Profilabschnitt 52 gebildet, der hierzu eine sich radial erstreckende Kontaktfläche 56 hat, die im Bereich seines entgegen der Strömungsrichtung abgewinkelten Endabschnitts 58 angeordnet ist.
Im montierten Zustand ist das Blendenelement 48 mit seiner Anlagefläche 54 an einer innenumfangsseitigen Lagerfläche 62 des grundkörperseitigen Tragrings 64 mittels Kraftschluss, insbesondere einem Presssitz, gelagert. Um einen direkten Kontakt zwischen dem Blendenelement 48 und den Laufschaufeln 2 zu verhindern, ist zwischen der Kontaktfläche 56 und einer schaufelseitigen Gegenfläche 66 ein Dichtelement 82 angeordnet.
Zur Sicherung des Blendenelementes 48 mittels der Sicherungsstifte 70 weist dieses eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 96 auf. Die Durchgangsbohrungen 96 sind in einem in Richtung der Laufschaufeln 2 versetzten Profilbereich 98 des radialen Profilabschnittes 52 ausgebildet und im montierten Zustand fluchtend zu die Sicherungsstifte 70 aufnehmenden Laufschaufelbohrungen 100 angeordnet, die sich gemäß Figur 10 in den Hohlraum 34 erstrecken. Die Laufschaufelbohrungen 100 können jedoch auch als Sacklochbohrungen ausgebildet sein, die zur Vermeidung von Spannungen bodenseitig verrundet sind. Die Bohrungen 96, 100 sind jeweils schräg zur Rotationsachse angestellt und haben einen derartigen Durchmesser, dass die Sicherungsstifte 70 mit einem Körperabschnitt 102 unter Presspassung in den Laufschaufelbohrungen 100 fixiert sind und mit einem aus den Laufschaufelbohrungen 100 herausragenden Körperabschnitt 104 unter Spielpassung in den Durchgangsbohrungen 96 geführt sind.
Zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen dem Blendenelement 46 und den Sicherungsstift und somit zur Abstützung des Blendenelementes 48 an den in den Durchgangsbohrungen 96 toleranzbehaftet geführten Sicherungsstiften 70 sind im Bereich der Sicherungsstifte 70 blendenelementenseitige Halteelemente 106 vorgesehen. Die Halteelemente 106 sind durch die Durchgangsbohrungen 96 geführt und haben einen S-förmigen Querschnitt mit zwei in entgegengesetzte Richtungen abgewinkelten Endabschnitten 108, 110. Mit dem in Richtung der Rotationsachse abgewinkelten Endabschnitt 108 sind sie an dem Blendenelement 48 eingehakt. Wie in Figur 11 zu erkennen liegen sie im montierten Zustand mit ihrem in Gegenrichtung abgewinkelten Endabschnitt 110 an einer Stirnfläche 112 des jeweiligen Sicherungsstifts 70 an. Ferner ist in Figur 11 zu erkennen, dass die Durchgangsbohrungen 96 zur Aufnahme der Halteelemente 106 mit einer entsprechenden Umfangserweiterung 114 versehen sind und somit keinen kreisrunden Querschnitt haben.
Um zumindest einen reduzierten Kühlluftstrom durch die Kanäle 42 zu ermöglichen, sind wie in Figur 12 beziffert in dem Blendenelement 48 eine Vielzahl von Überströmöffnungen 116 ausgebildet.
Zusätzlich werden wie in Figur 12 gezeigt durch das Blendenelement 48 Dämpfungselemente 118 in axialer Richtung lagefixiert, die in den Kontaktbereichen 36 (s. Figur 2) in eine entsprechende Aufnahme 120 zwischen den Seitenflächen 18, 20 eingesetzt sind und zur gegenseitigen Laufschaufelstabilisierung und Dämpfung von Laufschaufelschwingungen dienen. Ebenso wirken die Dämpfungselemente 118 als Dichtungselemente, um einen Gasaustauch der Heißgas-und Kühlluftströme in radialer Richtung durch die Kontaktbereiche 36 zu verhindern. Die Aufnahmen 120 setzten sich wie in Figur 10 gezeigt aus jeweils zwei gegenüberliegenden einseitig, vorzugsweise niederdruckseitig, geöffneten bogenförmigen Vertiefungen benachbarter Laufschaufeln 2 zusammen, die jeweils in einem plattform- bzw. schaufelnahen Wandungsabschnitt des Hohlraums 34 eingebracht sind.
Bei der Montage werden zuerst die Sicherungsstifte 70 mittels Kraftschluss in den Laufschaufelbohrungen 100 eingesetzt. Dann wird das Blendenelement 48 auf die Sicherungsstifte 70 aufgeschoben und mittels Kraftschluss an dem Tragring 64 gelagert. Danach werden die Halteelemente 106 entsprechend umgeformt und dabei mit ihrem radial nach außen gerichteten Endabschnitt 110 gegen die Stirnfläche 104 des jeweiligen Sicherungsstifts 70 gedrückt. Abschließend wird das Dichtelement 82 im Bereich der Kontaktfläche 56 montiert.
Das Blendenelement 48 in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist jeweils bevorzugterweise einteilig ausgeführt und somit als eine über ihren Umfang geschlossene 360° Kreisringschale ausgebildet. Alternativ können die Blendenelemente 48 jedoch auch mehrteilig ausgeführt sein und aus zum Beispiel einzelnen Blendenelementenbögen bestehen, die zum jeweiligen ringartigen Blendenelement gefügt werden können.
Die Blendeneinrichtung 46 per se kann selbstverständlich auch hochdruckseitig bzw. einlassseitig, als in Strömungsrichtung des Heißgasstromes betrachtet vor den Kanälen 42 angeordnet sein.
Offenbart ist eine Blendeneinrichtung für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper einer Strömungsmaschine zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle, die zwischen benachbarten Laufschaufeln gebildet sind, mit einem ringartigen Blendenelement zur zumindest abschnittsweisen Abdeckung der Kanalquerschnitte, wobei das Blendenelement zwei Anlagedurchmesser zur Bildung eines radialinnen liegenden axialen Dichtbereiches und zur Bildung eines radial außenliegenden radialen Dichtbereiches hat, ein integral beschaufelter Rotorkörper mit einer derartigen Blendeneinrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartig integral beschaufelten Rotorgrundkörpers sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartig integral beschaufelten Rotorgrundkörper.

Bezugszeichenliste

1: Rotorgrundkörper
2: Laufschaufel
4: Grundkörper
6: Schaufelfuß
8: Schaufelhals
10: Schaufelblatt
12: Plattform
14: vorderer Vorsprung
16: hinterer Vorsprung
18: Seitenwand
20: Seitenwand
22: Umfangswandung
24: Ausnehmung
26: Seitenfläche
28: Seitenfläche
30: Zurückstufung
32: Zurückstufung
34: Hohlraum
36: Kontaktbereich
38: Ringraum
40: Kühlraum
41: Plattenelement
42: Kanal
44: Spalt
46: Blendeneinrichtung
48: Blendenelement
50: axialer Profilabschnitt
52: radialer Profilabschnitt
54: Anlagefläche
56: Kontaktfläche
58: Endabschnitt
60: Stegfläche
62: Lagerfläche
64: Tragring
66: Gegenfläche
68: Widerfläche
70: Sicherungselement
72: Innenumfangsnut
74: Innenumfangsfläche
76: Vorsprung
78: Außenumfangsnut
80: Endabschnitt
82: Dichtelement
84: Spannfläche
86: Axialfläche
88: Führungsfläche
90: Grundkörperabschnitt
92: Umfangskammer
94: Grund
96: Durchgangsbohrung
98: Profilbereich
100: Laufschaufelbohrung
102: Körperabschnitt
104: Körperabschnitt
106: Halteelement
108: Endabschnitt
110: Endabschnitt
112: Stirnfläche
114: Umfangserweiterung
116: Überströmöffnung
118: Dämpfungselement
120: Aufnahme
d1: Anlagedurchmesser
d2: Anlagedurchmesser

Claims

Blendeneinrichtung (46) für einen integral beschaufelten Rotorgrundkörper (1) einer Strömungsmaschine zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle (42), die zwischen benachbarten Laufschaufeln (2) gebildet sind, mit einem ringartigen Blendenelement (48) zur zumindest abschnittweisen Abdeckung der Kanäle (42), dadurch gekennzeichnet, dass das Blendenelement (46) zwei Anlagedurchmesser (d1, d2) zur Bildung eines radial innenliegenden sich axial erstreckenden Dichtbereiches und zur Bildung eines radial außenliegenden sich radial erstreckenden Dichtbereiches hat.
Blendeneinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Blendenelement (48) einen axialen Profilabschnitt (50) mit einer außenumfangsseitigen Anlagefläche (54) zur Bildung des radial innenliegenden Dichtbereichs und einen radialen Profilabschnitt (52) mit einer radialen Kontaktfläche (56) zur Bildung des radial außenliegenden Dichtbereichs hat.
Blendeneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Sicherungselement (70) zur Sicherung des Blendenelements (48) vorgesehen ist.
Blendeneinrichtung nach Anspruch 3, wobei das Blendenelement (48) in einem Körperabschnitt außerhalb der Dichtbereiche zumindest eine Aufnahme zur Aufnahme des zumindest einen Sicherungselements (70) hat.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper (1) für eine Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von an einem Grundkörper (4) angebundenen Laufschaufeln (2) und mit einer Blendeneinrichtung (46) nach Anspruch 1 mit einem Blendenelement (48) zur Einstellung eines Kühlluftstroms von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite durch Kanäle (42), die zwischen benachbarten Laufschaufeln (2) gebildet sind, wobei das Blendenelement (48) einen radial innenliegenden sich axial erstreckenden Dichtbereich und einen radial außenliegenden sich radial erstreckenden Dichtbereich bildet.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 5, wobei das Blendenelement (48) zur Bildung des innenliegenden Dichtbereichs mit seinem axialen Profilabschnitts (50) an einem grundkörperseitigen Tragring (64) gelagert ist und sich zur Bildung des radial äußeren Dichtbereichs mit seinem radialen Profilabschnitt (52) in Anlage mit einem laufschaufelseitigen Körperabschnitt (6) befindet.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 6, wobei das Blendenelement (48) mit seinem axialen Profilabschnitt (50) durch einen in eine Innenumfangsnut (72) des axialen Profilabschnitts (50) und in eine Außenumfangsnut (78) eines Grundkörperabschnitts eingesetzten Sicherungsring (70) gesichert ist.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 6, wobei das Blendenelement (48) mit seinem axialen Profilabschnitt (50) durch einen Spannring (70), der formschlüssig mit dem axialen Profilabschnitt (50) in Wirkeingriff steht und in Radialrichtung an einem Grundkörperabschnitt (90) geführt ist, gegen den Tragring (64) gedrückt ist.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 6, wobei das Blendenelement (48) mit seinem axialen Profilabschnitt (50) mittels Kraftschluss an dem Tragring (64) gelagert ist.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 10, wobei das Blendenelement (48) durch Sicherungsstifte (70) gesichert ist, die durch Bohrungen (96) des Blendenelementes (48) geführt und fest in Bohrungen (100) der Laufschaufeln (2) angeordnet sind.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 11, wobei die Sicherungsstifte (70) toleranzbehaftet in den Bohrungen (96) des Blendenelementes (48) geführt sind und mittels eines Halteelements (106) mit dem Blendenelement (48) in Wirkverbindung stehen.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei ein mittelbarer Kontakt zwischen dem Blendenelement (48) und den Laufschaufeln (2) gebildet ist.
Integral beschaufelter Rotorgrundkörper nach Anspruch 12, wobei das Blendenelement (48) im Bereich zumindest einer der Dichtbereiche mittels eines Dichtelements (82) an den Laufschaufeln (2) anliegt.
Verfahren zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotorgrundkörpers (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, mit den Schritten:
- Positionieren des Blendenelementes (48) an den Laufschaufeln (2), und

- Lagefixieren des Blendenelementes (48) mittels zumindest eines Sicherungselements (70).
Strömungsmaschine mit einem integral beschaufelten Rotorgrundkörper (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13.