EP2696034A1 - Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine sowie Strömungsmaschine - Google Patents

Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine sowie Strömungsmaschine Download PDF

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EP2696034A1
EP2696034A1 EP12179984.5A EP12179984A EP2696034A1 EP 2696034 A1 EP2696034 A1 EP 2696034A1 EP 12179984 A EP12179984 A EP 12179984A EP 2696034 A1 EP2696034 A1 EP 2696034A1
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EP
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rotor
blade assembly
blade
clamping
elements
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EP12179984.5A
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Erwin Bayer
Sven Hiller
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MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • 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
    • F01D5/3069—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers between two discs or rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/322—Blade mountings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/56—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations

Definitions

  • the invention relates to a blade assembly for a turbomachine and a turbomachine.
  • a blade assembly in which an integrally bladed rotor ring (bladed ring) is mechanically clamped between two rotor discs.
  • the rotor disk For radially inner support of the rotor ring in the radial direction, the rotor disk, which is viewed in the flow direction, has a multiplicity of integral axial support elements or an integral axial support ring.
  • the radial outer securing of the rotor ring takes place by means of positive engagement between the rotor ring and heads of the rotor disks.
  • the removal of a damaged blade and the insertion of a replacement blade are complex in terms of manufacturing due to the integral nature of the rotor ring.
  • the disk heads for holding the blades are projecting, so that it comes to a mass enrichment in this area.
  • the object of the invention is to provide a blade assembly which overcomes the aforementioned disadvantages, whose geometry is easy to manufacture and which is easy to repair. Furthermore, it is an object of the invention to provide a turbomachine whose blades changed at least one blade assembly with little effort can be.
  • a rotor blade assembly according to the invention for a turbomachine has a plurality of individual blades which are arranged side by side in the circumferential direction and which are clamped with their blade roots between two rotor disks, wherein clamping elements for clamping the blade roots engage the rotor disks.
  • the blades or blade segments are carried out individually and clamped releasably directly between the rotor discs, a blade exchange or a repair of the blade assembly compared to the integral design is easy to perform. Since the clamping or clamping forces (main forces) are introduced into the blade roots, there is a direct force flow of the main forces in the blade roots and the blades are firmly clamped between the rotor discs. A material abrasion of the blade roots or the rotor disks in the clamping area or fretting is excluded due to the lack of relative movements between the blade roots and the rotor disks.
  • the rotor discs do not require a complex and cantilevered geometry for holding the blades, so that the rotor discs can be formed thin-walled in the head area.
  • the clamping elements engage the outside, ie opposite to the blades, on the rotor disks and can be supported on a front rotor element and a rear rotor element.
  • the clamping elements are designed as pressure elements in this embodiment.
  • the rotor elements are, for example, with the blade assembly about a common axis of rotation rotating support discs. By supporting the clamping elements on adjacent rotor elements, the rotor disks and thus the rotor blade assembly are additionally stabilized.
  • the clamping elements are not designed as pressure elements, but as tension elements, which can be dispensed with the rotor elements.
  • the blade roots each have an end portion thickened on both sides in the axial direction, and the rotor disks each have a corresponding recess for receiving the end portions.
  • a positive connection between the blade roots and the rotor discs is created, whereby on the one hand a precise mounting position of the blades between the rotor discs is defined.
  • torques are better transmitted by the positive locking than in a contourless clamping range, so that a tightening torque or clamping or clamping torque can be limited.
  • the centrifugal forces are intercepted via the positive connection under the blades, so that only relatively small holding forces for holding the blades are necessary.
  • the thickened end portions may each have mutually opposite convex sinusoidal clamping surfaces.
  • the recesses of the rotor disks then each have a complementary sinusoidal inner contour.
  • the sinusoidal toothing further improves the transmission of the torques.
  • the sinusoidal contours are quick and easy to make example by non-round turning. Of course, however, other outer and inner contours are possible. However, rounded or rounded contours and thus contours without sharp edges are preferred.
  • the clamping elements may be formed integrally with the rotor disks and each having a web with an end-side contact head, each having a contact surface for engagement with the rotor elements. Due to the integral design of the pressure elements with the rotor discs, the number of parts of the blade assembly is reduced. As a result, the assembly can be further simplified and shortened in time. The contact surface thereby enables a large-scale contact with the rotor elements.
  • the clamping elements may be individual parts, each having a web with two end-side and mutually opposite contact heads, each having a contact surface for engagement with the rotor disks or rotor elements. Due to the separate design of the clamping elements and the rotor disks each of the rotor disks and each of the clamping elements can be identical parts, whereby the variety of parts is reduced. In addition, the manufacture of the rotor discs and the clamping elements is simplified compared to the integral design.
  • the contact surfaces each have an axial elevation and at least the rotor disks each have a corresponding axial recess for receiving the elevations.
  • a positive connection between the clamping elements and the rotor disks is created, whereby on the one hand a precise installation position of the clamping elements is defined on the rotor disks.
  • the torques are better transmitted by the positive locking than in a contourless design of the clamping elements and the rotor disks, so that the tightening torque can be limited.
  • the centrifugal forces are intercepted via the positive connection under the blades, so that only relatively small holding forces for holding the blades are necessary.
  • the elevations may each have a sinusoidal outer contour and the axial depressions each having a sinusoidal inner contour.
  • the introduction of sinusoidal depressions can be done by turning.
  • other outer and inner contours are possible.
  • rounded or rounded contours and thus contours without sharp edges are preferred.
  • the clamping of the blades can be further improved if the end sections and the clamping elements are arranged at the same radius. As a result, the end portions and the clamping elements are arranged in alignment with each other, so that no bending moments can occur in the clamping area.
  • a heat protection element can be arranged between the blade root and the rotor disks.
  • the heat protection element consists for example of a ceramic material and also causes a compensation of component inaccuracies.
  • a preferred turbomachine has at least one rotor blade arrangement according to the invention, which is clamped between two rotor elements. Since the blades or blade segments are clamped between the rotor discs, they can be easily replaced in the event of damage manufacturing technology.
  • FIG. 1 shows an axial section through a disc portion of a blade assembly according to the invention.
  • FIG. 1 a section of a rotor blade assembly 1 according to the invention for a turbomachine is shown.
  • the rotor blade assembly 1 can be arranged on the compressor side in an aircraft engine, for example, and thereby rotate about an axis of rotation 2 extending in the axial direction x. It has a plurality of circumferentially juxtaposed individual blades 4, each with its blade root 6 between a viewed in the axial direction x of the blade assembly 1 front rotor disk 8 and a rear rotor disk 10 by means of a front clamping member 12 and a rear clamping member 14 releasably clamped or are releasably clamped.
  • the blade assembly 1 is thus a tensioning rotor.
  • the rotor blades 4 each have, in addition to a blade root 6, an airfoil 16 and an inner shroud 18 disposed between the blade root 6 and the airfoil 16.
  • the inner shroud 18 is provided with a lateral sealing lip 20 and an opposite lateral sealing groove 22 in the axial direction x.
  • the sealing lip 20 engages each in a sealing groove of an adjacent blade and prevents inter alia a Schugaseinzug through a side gap between the adjacent blades through (not shown).
  • the sealing lip 20 is formed separately from the inner shroud 18 and thus a later to be installed sealing element strip.
  • Preferred sealing element strips consist of a textile material or a metallic material.
  • the blade root 6 has a shaft 24 which extends radially inwardly from the inner shroud 18 and has an enlarged end portion 26 relative to the shank 24.
  • the shank 24 has a parallelepipedal shape with two parallel and mutually opposite clamping surfaces (not visible) for engagement with the rotor discs 8 , 10 and with two parallel and mutually opposite side surfaces, of which in the FIG. 1 visible side surface is provided with the reference numeral 28.
  • the clamping surfaces and the side surfaces 28 are each formed plan or contourless.
  • the end portion 26 is viewed in the axial direction x formed on both sides of the shaft 24 thickened and has an approximately oval cross-section. It has two mutually opposite convex clamping surfaces 30, 32, which are each considered to be sinusoidal in the radial direction z. Thus, the end portion 26 has two sinusoidal outer contours facing away from each other. In addition, the end portion 26 is widened in the transverse direction y relative to the shaft 24, so that it protrudes laterally beyond the side surfaces 28.
  • the rotor disks 8, 10 are two identical disks with a circular cross section. They each have a the blade roots 6 facing and in abutment with these clamping surface 34 and one opposite to this and the clamping elements 10, 12 facing engagement surface 36. In their midst, the rotor discs 8, 10 each have a hub, not shown for positioning a rotor shaft rotating about the rotation axis 2 (not shown). For receiving the end portions 26 of the rotor blades 4, in each case a correspondingly formed axial annular recess 38, 40 is introduced with a sinusoidal inner contour in the clamping surfaces 34. For example, the annular recesses 38, 40 introduced by non-circular turning. In the assembled state of the rotor disks 8, 10, the annular recesses 38, 40 are arranged opposite one another.
  • the rotor discs 8, 10 in each case in the engagement surfaces 36 opposite to their respective annular recess 38, 40 axial annular recess 42, 44.
  • the annular recesses 42, 44 serve to receive axial elevations 46 of the clamping elements 12, 14 and are provided with a sinusoidal inner contour Mistake. They are smaller than the annular recesses 38, 40 formed.
  • the annular recesses 42, 44 are introduced by non-circular turning.
  • the annular recesses 38, 40 and the annular recesses 42, 44 viewed from the rotation axis 2 from the same radius r.
  • the end portion 26 and the clamping elements 12, 14 are arranged in alignment with each other.
  • the clamping elements 12, 14 are arranged in the axial direction x in front of and behind the moving blades 4 and distributed uniformly in the circumferential direction of the moving blade arrangement 1. As in the only one FIG. 1 For example, a moving blade 4 of two clamping elements 12, 14 is clamped between the rotor disks 8, 10. Thus, this blade assembly 1 twice as many clamping elements 12, 14 as blades 4.
  • the clamping elements 12, 14 are in the illustrated embodiment, pressure elements, which are supported on a front rotor element (not shown) and on a rear rotor element (not shown) and the rotor disks 8, 10 compress in the axial direction x.
  • the rotor elements are in particular support disks, which rotate with the rotor disks 8, 10 about the rotation axis 2 and of which one is arranged in front of the rotor blade assembly 1 and one behind the rotor blade assembly 1.
  • the rotor elements are preferably arranged opposite a row of guide vanes and provided on the head side with shrouds and / or inlet liners for sealing a radial gap between the guide blade tips and the shrouds.
  • the clamping elements 12, 14 are tension elements which contract the rotor disks 8, 10 in the axial direction x.
  • the clamping elements 12,14 are tension elements which contract the rotor disks 8, 10 in the axial direction x.
  • tension elements can be dispensed with the rotor elements for supporting the clamping elements 12, 14.
  • the front and rear clamping elements 12, 14 are identical. They have an elongated extension with a greater constant extent in the transverse direction y (width) than in the radial direction z (height). In order not to hinder a lateral contact of the rotor blades 4 or an engagement of the sealing lips 20 in the sealing grooves 22 by the clamping elements 12, 14, they have a smaller width than the inner shrouds 18.
  • the clamping elements 12, 14 are to their longitudinal axis and their Transverse axis formed mirror-symmetrical and thus interchangeable with each other during assembly.
  • the clamping elements 12, 14 each have an elongated web 48 and two end-side and opposite bearing heads 50, 52.
  • a contact head 50 each have a support head, with which the clamping elements 12, 14 are supported on the respective rotor element.
  • the other contact head 52 is in this embodiment in each case a print head, with which the clamping elements 12, 14 engage the respective rotor disk 8, 10.
  • the clamping elements 12, 14 with their printheads 52nd are integrated into the rotor disks 8, 10
  • the clamping elements 12, 14 only each have a support head 50 for supporting on the rotor elements.
  • the contact heads 50, 52 are thickened relative to the web 48 in the radial direction z. They each have one of the rotor elements and the rotor disks 8, 10 facing contact surface 54, 56 and support surface 54 and pressure surface 56.
  • the contact heads 50, 52 each have an axial elevation 46, 58 on.
  • the elevations 46, 58 are each a web-like bulge of the support surface 54 and the pressure surface 56 with a sinusoidal outer contour.
  • the elevations 46, 58 extend in the transverse direction y and are arranged in the radial direction z of the center of the support surface 54 and the pressure surface 56.
  • the rotor blades 4 are arranged with their blade roots 6 between the rotor disks 8, 10, wherein their end portions 26 are arranged in the annular recesses 38, 40 in a form-fitting manner.
  • the blades 4 are interlocked with the rotor discs 8, 10 by sinusoidal pass contours.
  • the clamping surfaces 34 of the rotor disks 8, 10 are in contact with the clamping surfaces of the shank 24.
  • the clamping elements 12, 14 are aligned in the axial direction x parallel to the axis of rotation 2 and are supported with their support heads 50 on the rotor elements.
  • a blade 4 is clamped by two clamping elements 12, 14.
  • the clamping elements 12, 14 with the rotor discs 8, 10 are each toothed by a sinusoidal contour, so that in combination all interlocking teeth (clamping elements 12, 14 each with rotor element and rotor disk 8, 10, blade 4 with rotor disks 8, 10) the centrifugal forces are virtually intercepted under the blades 4 and only relatively small holding forces for holding the blades 4 are necessary.
  • the support surfaces 54 and the pressure surfaces 56 are flat against the rotor elements or the engagement surfaces 36 of the rotor disks 8, 10.
  • the clamping elements 12, 14 and the end portions 26 are now aligned with each other aligned (see dash-dotted auxiliary line 60), so that the clamping forces are each introduced directly into the respective end portion 26 and bending stresses in the clamping area can be avoided.
  • the blades 4 are fixedly releasably clamped between the rotor discs 8, 10, wherein relative movements between their blade roots and the rotor discs 8, 10 are excluded.
  • a high-temperature material or heat protection element can be inserted in the blade root area or clamping area.
  • the high-temperature material is ceramic, for example, and prevents or reduces a heat transfer from the rotor blades 4 to the rotor disks 8, 10, so that the rotor disks 8, 10 are virtually thermally insulated and their temperature is lowered. As a result, the rotor disks 8, 10 are formed relatively thin.
  • the high-temperature material allows compensation of geometrical component inaccuracies.
  • the rotor disks 8, 10 and rotor elements may also have a plurality of each arranged to a ring pockets into which the clamping elements 12, 14 with their contact heads 50, 52 engage individually. For example, it would then be possible to dispense with the elevations 46, 58, since then a positive connection between the clamping elements 12, 14 and the rotor disks 8, 10 or the rotor elements is already formed by the pockets.
  • a blade assembly for a turbomachine with a plurality of individual blades which are arranged side by side in the circumferential direction and which are clamped with their blade roots between two rotor disks, wherein act on the rotor disks clamping elements for clamping the blade roots, and a turbomachine.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Offenbart ist eine Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von einzelnen Laufschaufeln, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und die mit ihren Schaufelfüßen zwischen zwei Rotorscheiben eingespannt sind, wobei an den Rotorscheiben Spannelemente zum Einspannen der Schaufelfüße angreifen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine und eine Strömungsmaschine.
  • Moderne Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerke weisen häufig zumindest eine integral beschaufelte Rotorscheibe auf. Die Herstellung dieser als sogenannte Blisk (Bladed Disk) bezeichnete Rotorscheibe ist jedoch aufgrund der integralen Bauweise anspruchsvoll. Zudem ist eine Reparatur einer derartigen Rotorscheibe komplex, da beispielsweise das Heraustrennen einer beschädigten Laufschaufel und das Einsetzen einer Ersatzschaufel aufgrund der integralen Bauweise fertigungstechnisch anspruchsvoll sind. Ein beispielhaftes Reparaturverfahren zum Austauschen einer Laufschaufel ist in der Patentschrift US 7,458,844 B1 . In der Patentanmeldung DE 10 2008 057 160 A1 ist beispielsweise ein Reparaturverfahren zum Austauschen eines integralen Scheibenelements beschrieben.
  • Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 392 773 A2 ist eine Laufschaufelanordnung bekannt, bei der ein integral beschaufelter Rotorring (Bladed Ring) zwischen zwei Rotorscheiben mechanisch eingeklemmt ist. Zu radial inneren Stützung des Rotorrings in radialer Richtung weist die in Strömungsrichtung betrachtet hintere Rotorscheibe eine Vielzahl von integralen axialen Stützelementen bzw. einen integralen axialen Stützring auf. Die radiale äußere Sicherung des Rotorrings erfolgt mittels Formschluss zwischen dem Rotorring und Köpfen der Rotorscheiben. Wie bei der Blisk-Bauweise sind jedoch das Heraustrennen einer beschädigten Laufschaufel und das Einsetzen einer Ersatzschaufel aufgrund der integralen Bauweise des Rotorrings fertigungstechnisch komplex. Zudem sind die Scheibenköpfe zum Halten der Laufschaufeln auskragend auszubilden, so dass es zu einer Masseanreicherung in diesem Bereich kommt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufschaufelanordnung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigt, deren Geometrie einfach herzustellen ist und die einfach zu reparieren ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine zu schaffen, deren Laufschaufeln zumindest einer Laufschaufelanordnung mit geringem Aufwand gewechselt werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laufschaufelanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
  • Eine erfindungsgemäße Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine hat eine Vielzahl von einzelnen Laufschaufeln, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und die mit ihren Schaufelfüßen zwischen zwei Rotorscheiben eingespannt sind, wobei an den Rotorscheiben Spannelemente zum Einspannen der Schaufelfüße angreifen.
  • Da die Laufschaufeln bzw. Schaufelsegmente einzeln ausgeführt und direkt zwischen den Rotorscheiben lösbar geklemmt werden, ist ein Schaufeltausch bzw. eine Reparatur der Laufschaufelanordnung im Vergleich zur integralen Bauweise einfach durchzuführen. Da die Spann- bzw. Klemmkräfte (Hauptkräfte) in die Schaufelfüße eingeleitet werden, erfolgt ein direkter Kraftfluss der Hauptkräfte in die Schaufelfüße und die Laufschaufeln sind fest zwischen den Rotorscheiben eingespannt. Ein Materialabrieb der Schaufelfüße oder der Rotorscheiben im Spannbereich bzw. Fretting ist aufgrund von fehlenden Relativbewegungen zwischen den Schaufelfüßen und den Rotorscheiben ausgeschlossen. Die Rotorscheiben benötigen keine aufwendige und auskragende Geometrie zum Halten der Laufschaufeln, so dass die Rotorscheiben im Kopfbereich dünnwandig ausgebildet sein können. Zudem erfolgt eine gute thermische Isolierung zwischen den Laufschaufeln und den Rotorscheiben, so dass die Laufschaufelanordnung nur einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel greifen die Spannelemente außen, d.h. entgegengesetzt zu den Laufschaufeln, an den Rotorscheiben an und sind an einem vorderen Rotorelement und einem hinteren Rotorelement abstützbar. Die Spannelemente sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Druckelemente ausgeführt. Die Rotorelemente sind beispielsweise mit der Laufschaufelanordnung um eine gemeinsame Drehachse rotierende Stützscheiben. Durch das Abstützen der Spannelemente an benachbarten Rotorelementen werden die Rotorscheiben und somit die Laufschaufelanordnung zusätzlich stabilisiert. Alternativ sind die Spannelemente nicht als Druckelemente, sondern als Zugelemente ausgeführt, wodurch auf die Rotorelemente verzichtet werden kann.
  • Bevorzugterweise haben die Schaufelfüße jeweils einen in Axialrichtung beidseits verdickten Endabschnitt und die Rotorscheiben haben jeweils eine entsprechende Ausnehmung zur Aufnahme der Endabschnitte. Hierdurch wird ein Formschluss zwischen den Schaufelfüßen und den Rotorscheiben geschaffen, wodurch zum einen eine genaue Einbaulage der Laufschaufeln zwischen den Rotorscheiben definiert wird. Zum anderen werden durch den Formschluss Drehmomente besser übertragen als bei einem konturlosen Spannbereich, so dass ein Anzugmoment bzw. Klemm- oder Spannmoment begrenzt werden kann. Die Fliehkräfte werden über den Formschluss unter den Laufschaufeln abgefangen, so dass nur verhältnismäßig geringe Haltekräfte zum Halten der Laufschaufeln notwendig sind.
  • Die verdickten Endabschnitte können jeweils zueinander entgegengesetzte konvexe sinusförmige Einspannflächen haben. Die Ausnehmungen der Rotorscheiben haben dann jeweils eine komplementäre sinusförmige Innenkontur. Durch die sinusförmige Verzahnung wird die Übertragung der Drehmomente weiter verbessert. Ferner sind die sinusförmigen Konturen schnell und einfach beispielsweise durch unrundes Drehen herzustellen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Außen- und Innenkonturen möglich. Bevorzugt werden jedoch abgerundete bzw. verrundete Konturen und somit Konturen ohne scharfe Körperkanten.
  • Die Spannelemente können integral mit den Rotorscheiben ausgebildet sein und jeweils einen Steg mit einem endseitigen Anlagekopf aufweisen, der jeweils eine Anlagefläche zur Anlage an den Rotorelementen hat. Durch die integrale Ausbildung der Druckelemente mit den Rotorscheiben wird die Teilezahl der Laufschaufelanordnung reduziert. Hierdurch kann die Montage weiter vereinfacht und zeitlich verkürzt werden. Die Anlagefläche ermöglicht dabei eine großflächige Anlage an den Rotorelementen.
  • Alternativ können die Spannelemente Einzelteile sein, die jeweils einen Steg mit zwei endseitigen und zueinander entgegengesetzten Anlageköpfen aufweisen, die jeweils eine Anlagefläche zur Anlage an den Rotorscheiben bzw. Rotorelementen haben. Durch die getrennte Ausbildung der Spannelemente und der Rotorscheiben können jeweils die Rotorscheiben und jeweils die Spannelemente identische Teile sein, wodurch die Teilevielfalt reduziert wird. Zudem wird die Fertigung der Rotorscheiben und der Spannelemente gegenüber der integralen Bauweise vereinfacht.
  • Bevorzugterweise haben die Anlageflächen jeweils eine axiale Erhebung und zumindest die Rotorscheiben jeweils eine entsprechend axiale Vertiefung zur Aufnahme der Erhebungen. Hierdurch wird ein Formschluss zwischen den Spannelementen und den Rotorscheiben geschaffen, wodurch zum einen eine genaue Einbaulage der Spannelemente an den Rotorscheiben definiert wird. Zum anderen werden durch den Formschluss die Drehmomente besser übertragen als bei einer konturlosen Ausbildung der Spannelemente und der Rotorscheiben, so dass das Anzugmoment begrenzt werden kann. Die Fliehkräfte werden über den Formschluss unter den Laufschaufeln abgefangen, so dass nur verhältnismäßig geringe Haltekräfte zum Halten der Laufschaufeln notwendig sind.
  • Zur weiteren Verbesserung der Drehmomentenübertragung können die Erhebungen jeweils eine sinusförmige Außenkontur und die axialen Vertiefungen jeweils eine sinusförmige Innenkontur aufweisen. Die Einbringung der sinusförmigen Vertiefungen kann durch Drehen erfolgen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Außen- und Innenkonturen möglich. Bevorzugt werden jedoch abgerundete bzw. verrundete Konturen und somit Konturen ohne scharfe Körperkanten.
  • Die Einspannung der Laufschaufeln lässt sich weiter verbessern, wenn die Endabschnitte und die Spannelemente auf einem gleichen Radius angeordnet sind. Hierdurch sind die Endabschnitte und die Spannelemente fluchtend zueinander angeordnet, so dass im Spannbereich keine Biegemomente auftreten können.
  • Zur zusätzlichen thermischen Isolierung kann zwischen dem Schaufelfuß und den Rotorscheiben ein Hitzeschutzelement angeordnet ist. Das Hitzeschutzelement besteht beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff und bewirkt zudem einen Ausgleich von Bauteilungenauigkeiten.
  • Eine bevorzugte Strömungsmaschine hat zumindest eine erfindungsgemäße Laufschaufelanordnung, die zwischen zwei Rotorelementen eingespannt ist. Da die Laufschaufeln bzw. Schaufelsegmente zwischen den Rotorscheiben eingeklemmt sind, können sie im Falle einer Beschädigung fertigungstechnisch einfach ausgetauscht werden.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer stark vereinfachten schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Scheibenbereich einer erfindungsgemäßen Laufschaufelanordnung.
  • In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Laufschaufelanordnung 1 für eine Strömungsmaschine gezeigt. Die Laufschaufelanordnung 1 kann beispielsweise verdichterseitig in einem Flugzeugtriebwerks angeordnet werden und dabei um eine sich in Axialrichtung x erstreckende Drehachse 2 rotieren. Sie hat eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten einzelnen Laufschaufeln 4, die jeweils mit ihrem Schaufelfuß 6 zwischen einer in Axialrichtung x der Laufschaufelanordnung 1 betrachtet vorderen Rotorscheibe 8 und einer hinteren Rotorscheibe 10 mittels eines vorderen Spannelements 12 und eines hinteren Spannelement 14 lösbar eingespannt bzw. lösbar eingeklemmt sind. Die Laufschaufelanordnung 1 ist somit ein Spannrotor.
  • Die Laufschaufeln 4 haben jeweils neben einem Schaufelfuß 6 ein Schaufelblatt 16 sowie ein zwischen dem Schaufelfuß 6 und dem Schaufelblatt 16 angeordnetes Innendeckband 18. Das Innendeckband 18 ist in Axialrichtung x betrachtet mit einer seitlichen Dichtlippe 20 sowie mit einer entgegengesetzten seitlichen Dichtnut 22 versehen. Die Dichtlippe 20 greift jeweils in eine Dichtnut einer benachbarten Laufschaufel ein und verhindert unter anderem einen Heizgaseinzug durch einen Seitenspalt zwischen den benachbarten Laufschaufeln hindurch (nicht gezeigt). Alternativ ist die Dichtlippe 20 getrennt von dem Innendeckband 18 ausgebildet und somit ein nachträglich zu installierender Dichtelementstreifen. Bevorzugte Dichtelementstreifen bestehen aus einem textilen Werkstoff oder einem metallischen Werkstoff.
  • Der Schaufelfuß 6 hat einen sich von dem Innendeckband 18 radial nach innen erstreckenden Schaft 24 mit einem gegenüber dem Schaft 24 vergrößerten Endabschnitt 26. Der Schaft 24 hat eine quaderartige Gestalt mit zwei parallelen und zueinander entgegengesetzten Einspannflächen (nicht sichtbar) zur Anlage an den Rotorscheiben 8, 10 sowie mit zwei parallelen und zueinander entgegengesetzten Seitenflächen, von denen die in der Figur 1 sichtbare Seitenfläche mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Die Klemmflächen und die Seitenflächen 28 sind jeweils plan bzw. konturlos ausgebildet.
  • Der Endabschnitt 26 ist in Axialrichtung x betrachtet beidseits des Schaftes 24 verdickt ausgebildet und hat einen in etwa ovalen Querschnitt. Er hat zwei zueinander entgegengesetzte konvexe Einspannflächen 30, 32, die jeweils in Radialrichtung z betrachtet sinusförmig ausgebildet sind. Somit hat der Endabschnitt 26 zwei voneinander abgewandte sinusförmige Außenkonturen. Zudem ist der Endabschnitt 26 in Querrichtung y gegenüber dem Schaft 24 verbreitert, so dass er seitlich über den Seitenflächen 28 hervorsteht.
  • Die Rotorscheiben 8, 10 sind zwei identische Scheiben mit einem kreisförmigen Querschnitt. Sie haben jeweils eine den Schaufelfüßen 6 zugewandte und sich mit diesen in Anlage befindende Spannfläche 34 und jeweils eine zu dieser entgegengesetzte und den Spannelementen 10, 12 zugewandte Angriffsfläche 36. In ihrer Mitte haben die Rotorscheiben 8, 10 jeweils eine nicht gezeigte Nabe zur Positionierung auf einer um die Drehachse 2 rotierenden Rotorwelle (nicht gezeigt). Zur Aufnahme der Endabschnitte 26 der Laufschaufeln 4 ist in den Spannflächen 34 jeweils eine entsprechend ausgebildete axiale Ringausnehmung 38, 40 mit einer sinusförmigen Innenkontur eingebracht. Beispielsweise werden die Ringausnehmungen 38, 40 durch unrundes Drehen eingebracht. Im montierten Zustand der Rotorscheiben 8, 10 sind die Ringausnehmungen 38, 40 gegenüberliegend angeordnet.
  • Zudem haben die Rotorscheiben 8, 10 jeweils in den Angriffsflächen 36 eine zu ihrer jeweiligen Ringausnehmung 38, 40 entgegengesetzte axiale Ringvertiefung 42, 44. Die Ringvertiefungen 42, 44 dienen zur Aufnahme von axialen Erhebungen 46 der Spannelemente 12, 14 und sind mit einer sinusförmigen Innenkontur versehen. Sie sind kleiner als die Ringausnehmungen 38, 40 ausgebildet. Beispielsweise werden die Ringvertiefungen 42, 44 durch unrundes Drehen eingebracht.
  • Zur Vermeidung von Biegemomenten im Spannbereich der Laufschaufelanordnung 1 befinden sich die Ringausnehmungen 38, 40 und die Ringvertiefungen 42, 44 von der Drehachse 2 aus betrachtet auf dem gleichen Radius r. Hierdurch sind der Endabschnitt 26 sowie die Spannelemente 12, 14 fluchtend zueinander angeordnet.
  • Die Spannelemente 12, 14 sind in Axialrichtung x vor und hinter den Laufschaufeln 4 angeordnet und gleichmäßig in Umfangsrichtung der Laufschaufelanordnung 1 verteilt. Wie in der einzigen Figur 1 gezeigt, ist beispielsweise eine Laufschaufel 4 von zwei Spannelementen 12, 14 zwischen den Rotorscheiben 8, 10 eingespannt. Somit weist diese Laufschaufelanordnung 1 doppelt so viele Spannelemente 12, 14 wie Laufschaufeln 4 auf. Die Spannelemente 12, 14 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel Druckelemente, die sich an einem vorderen Rotorelement (nicht gezeigt) bzw. an einem hinteren Rotorelement (nicht gezeigt) abstützen und die Rotorscheiben 8, 10 in Axialrichtung x zusammendrücken. Die Rotorelemente sind insbesondere Stützscheiben, die mit den Rotorscheiben 8, 10 um die Drehachse 2 rotieren und von denen eine vor der Laufschaufelanordnung 1 und eine hinter der Laufschaufelanordnung 1 angeordnet ist. Die Rotorelemente sind bevorzugterweise gegenüber einer Leitschaufelreihe angeordnet sein und kopfseitig mit Deckbändern und/oder Einlaufbelägen zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen den Leitschaufelspitzen und den Deckbändern versehen.
  • Alternativ sind die Spannelemente 12, 14 Zugelemente, die die Rotorscheiben 8, 10 in Axialrichtung x zusammenziehen. Bei Ausbildung der Spannelemente 12,14 als Zugelemente kann auf die Rotorelemente zum Abstützen der Spannelemente 12, 14 verzichtet werden.
  • Die vorderen und hinteren Spannelemente 12, 14 sind identisch ausgebildet. Sie haben eine längliche Erstreckung mit einer größeren konstanten Erstreckung in Querrichtung y (Breite) als in Radialrichtung z (Höhe). Um eine seitliche Anlage der Laufschaufeln 4 bzw. einen Eingriff der Dichtlippen 20 in die Dichtnuten 22 durch die Spannelemente 12, 14 nicht zu behindern, haben sie eine geringere Breite als die Innendeckbänder 18. Die Spannelemente 12, 14 sind zu ihrer Längsachse und zu ihrer Querachse spiegelsymmetrisch ausgebildet und somit bei der Montage beliebig untereinander austauschbar.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist im Folgenden lediglich das in der Figur rechte und somit das hintere Spannelement 14 mit Bezugszeichen versehen. Insbesondere haben die Spannelemente 12, 14 jeweils einen länglichen Steg 48 und zwei endseitige und zueinander entgegengesetzte Anlageköpfe 50, 52. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Spannelemente 12, 14 körperlich getrennt von den Rotorscheiben 8, 10 ausgebildet sind, ist der eine Anlagekopf 50 jeweils ein Stützkopf, mit dem sich die Spannelemente 12, 14 an dem jeweiligen Rotorelement abstützen. Der andere Anlagekopf 52 ist bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils ein Druckkopf, mit dem die Spannelemente 12, 14 an der jeweiligen Rotorscheibe 8, 10 angreifen. Wenn jedoch die Spannelemente 12, 14 mit ihren Druckköpfen 52 in die Rotorscheiben 8, 10 integriert sind, haben die Spannelemente 12, 14 lediglich jeweils einen Stützkopf 50 zum Abstützen an den Rotorelementen.
  • Die Anlageköpfe 50, 52 sind gegenüber dem Steg 48 in Radialrichtung z verdickt. Sie haben jeweils eine den Rotorelementen sowie den Rotorscheiben 8, 10 zugewandte Anlagefläche 54, 56 bzw. Stützfläche 54 und Druckfläche 56. Zudem weisen die Anlageköpfe 50, 52 jeweils eine axiale Erhebung 46, 58 auf. Die Erhebungen 46, 58 sind jeweils eine stegartige Auswölbung der Stützfläche 54 bzw. der Druckfläche 56 mit einer sinusförmigen Außenkontur. Die Erhebungen 46, 58 erstrecken sich in Querrichtung y und sind in Radialrichtung z mittig der Stützfläche 54 und der Druckfläche 56 angeordnet.
  • Im montierten Zustand sind die Laufschaufeln 4 mit ihren Schaufelfüßen 6 zwischen den Rotorscheiben 8, 10 angeordnet, wobei ihre Endabschnitte 26 in den Ringausnehmungen 38, 40 formschlüssig angeordnet sind. Somit sind die Laufschaufeln 4 mit den Rotorscheiben 8, 10 durch sinusförmige Passkonturen verzahnt. Ebenfalls befinden sich die Spannflächen 34 der Rotorscheiben 8, 10 in Anlage mit den Klemmflächen des Schaftes 24. Die Spannelemente 12, 14 sind in Axialrichtung x parallel zur Drehachse 2 ausgerichtet und stützen sich mit ihren Stützköpfen 50 an den Rotorelementen ab. Bevorzugterweise wird eine Laufschaufel 4 von zwei Spannelementen 12, 14 eingespannt. Dabei greifen sie mit ihren Erhebungen 58 formschlüssig in jeweils eine entsprechende Ringnut der Rotorelemente ein und sind so mit den Rotorelementen ebenfalls mittels einer sinusförmigen Passkontur verzahnt. Sie drücken mit ihren Druckköpfen 50 gegen die Rotorscheiben 8, 10 und greifen mit ihren Erhebungen 46 in die Ringvertiefungen 40, 42 ein. Somit sind auch die Spannelemente 12, 14 mit den Rotorscheiben 8, 10 jeweils durch eine sinusförmige Passkontur verzahnt, so dass in Kombination sämtlicher formschlüssiger Verzahnungen (Spannelementen 12, 14 jeweils mit Rotorelement und Rotorscheibe 8, 10, Laufschaufel 4 mit Rotorscheiben 8, 10) die Fliehkräfte quasi unter den Laufschaufeln 4 abgefangen werden und nur verhältnismäßig geringe Haltekräfte zum Halten der Laufschaufeln 4 notwendig sind. Die Stützflächen 54 und die Druckflächen 56 liegen plan an den Rotorelementen bzw. den Angriffsflächen 36 der Rotorscheiben 8, 10 an. Die Spannelemente 12, 14 und die Endabschnitte 26 sind nun fluchtend zueinander ausgerichtet (siehe strichpunktierte Hilfslinie 60), so dass die Spannkräfte jeweils unmittelbar in den jeweiligen Endabschnitt 26 eingeleitet werden und Biegespannungen im Spannbereich vermieden werden. Die Laufschaufeln 4 sind fest zwischen den Rotorscheiben 8, 10 lösbar eingespannt, wobei Relativbewegungen zwischen ihren Schaufelfüßen und den Rotorscheiben 8, 10 ausgeschlossen sind.
  • Um den thermischen Übergangswiderstand zwischen den Schaufelfüßen 6 und den Rotorscheiben 8, 10 zu erhöhen, kann im Schaufelfußbereich bzw. Spannbereich ein Hochtemperaturmaterial bzw. Hitzeschutzelement eingelegt werden. Das Hochtemperaturmaterial ist beispielsweise keramisch und verhindert bzw. reduziert einen Wärmeübergang von den Laufschaufeln 4 auf die Rotorscheiben 8, 10, so dass die Rotorscheiben 8, 10 quasi thermisch isoliert sind und deren Temperatur abgesenkt wird. Hierdurch können die Rotorscheiben 8, 10 verhältnismäßig dünn ausgebildet werden. Zudem ermöglicht das Hochtemperaturmaterial einen Ausgleich von geometrischen Bauteilungenauigkeiten.
  • Anstelle der Ringvertiefungen 42, 44 bzw. der Ringnuten können die Rotorscheiben 8, 10 und Rotorelemente auch eine Vielzahl von jeweils zu einem Ring angeordnete Taschen haben, in die die Spannelemente 12 ,14 mit ihren Anlageköpfen 50, 52 einzeln eingreifen. Beispielsweise könnte dann auf die Erhebungen 46, 58 verzichtet werden, da dann bereits durch die Taschen ein Formschluss zwischen den Spannelementen 12, 14 und den Rotorscheiben 8, 10 bzw. den Rotorelementen gebildet ist.
  • Selbstverständlich sich auch insbesondere andere verrundete Kontierungen als sinusförmige Konturierungen der Erhebungen 46, 58, der Ringausnehmungen 38, 40 und der Ringvertiefungen 42, 44 möglich.
  • Offenbart ist eine Laufschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von einzelnen Laufschaufeln, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und die mit ihren Schaufelfüßen zwischen zwei Rotorscheiben eingespannt sind, wobei an den Rotorscheiben Spannelemente zum Einspannen der Schaufelfüße angreifen, sowie eine Strömungsmaschine.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laufschaufelanordnung
    2
    Drehachse
    4
    Laufschaufel
    6
    Schaufelfuß
    8
    vordere Rotorscheibe
    10
    hintere Rotorscheibe
    12
    vorderes Spannelement
    14
    hinteres Spannelement
    16
    Schaufelblatt
    18
    Innendeckband
    20
    Dichtlippe
    22
    Dichtnut
    24
    Schaft
    26
    Endabschnitt
    28
    Seitenfläche
    30
    vordere Einspannfläche
    32
    hintere Einspannfläche
    34
    Spannfläche
    36
    Angriffsfläche
    38
    Ringausnehmung
    40
    Ringausnehmung
    42
    Ringvertiefung
    44
    Ringvertiefung
    46
    axiale Erhebung
    48
    Steg
    50
    Stützkopf (Anlagekopf)
    52
    Druckkopf (Anlagekopf)
    54
    Stützfläche (Anlagefläche)
    56
    Druckfläche (Anlagefläche)
    58
    axiale Erhebung
    60
    Hilfslinie
    r
    Radius
    x
    Axialrichtung
    y
    Querrichtung
    z
    Radialrichtung

Claims (11)

  1. Laufschaufelanordnung (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von einzelnen Laufschaufeln (4), die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und die mit ihren Schaufelfüßen (6) zwischen zwei Rotorscheiben (8, 10) eingespannt sind, wobei an den Rotorscheiben (8, 10) Spannelemente (12, 14) zum Einspannen der Schaufelfüße (6) angreifen.
  2. Laufschaufelanordnung nach Anspruch 1, wobei die Spannelemente (12, 14) außen an den Rotorscheiben (8, 10) angreifen und an einem vorderen Rotorelement und einem hinteren Rotorelement abstützbar sind.
  3. Laufschaufelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaufelfüße (6) jeweils einen in Axialrichtung beidseits verdickten Endabschnitt (26) haben und die Rotorscheiben (8, 10) jeweils mit einer entsprechenden Ausnehmung (38, 40) zur abschnittsweisen Aufnahme des Endabschnitts (26) versehen sind.
  4. Laufschaufelanordnung nach Anspruch 3, wobei der Endabschnitt (26) zwei zueinander entgegengesetzte sinusförmige Einspannflächen (30, 32) hat und die Ausnehmungen (38, 40) jeweils eine sinusförmige Innenkontur haben.
  5. Laufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannelemente (12, 14) integral mit den Rotorscheiben (8, 10) ausgebildet sind und jeweils einen Steg (48) mit einem endseitigen Anlagekopf (50) aufweisen, der jeweils eine Anlagefläche (56) zur Anlage an den Rotorelementen haben.
  6. Laufschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannelemente (12, 14) Einzelteile sind, die jeweils einen Steg (48) mit zwei endseitigen und zueinander entgegengesetzten Anlageköpfen (50, 52) aufweisen, die jeweils eine Anlagefläche (54, 56) zur Anlage an den Rotorscheiben (8, 10) bzw. Rotorelementen haben.
  7. Laufschaufelanordnung nach der Anspruch 5 oder 6, wobei die Anlageflächen (54, 56) jeweils eine axiale Erhebung (46, 58) aufweisen und zumindest die Rotorscheiben (8, 10) jeweils mit einer entsprechenden axialen Vertiefung (42, 44) zur Aufnahme der Erhebungen (46, 58) versehen sind.
  8. Laufschaufelanordnung nach Anspruch 7, wobei die Erhebungen (46, 58) jeweils eine sinusförmige Außenkontur aufweisen und die axialen Vertiefungen (42, 44) jeweils eine sinusförmige Innenkontur haben.
  9. Laufschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Endabschnitte (26) und die Spannelemente (12, 14) auf einem gleichen Radius (r) angeordnet sind.
  10. Laufschaufelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Schaufelfuß (6) und den Rotorscheiben (8, 10) ein Hitzeschutzelement angeordnet ist.
  11. Strömungsmaschine mit zumindest einer Laufschaufelanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zwischen zwei Rotorelementen eingespannt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB763261A (en) * 1954-01-28 1956-12-12 Power Jets Res & Dev Ltd Bladed rotors for compressors, turbines and like fluid flow machines
DE1082459B (de) * 1957-03-13 1960-05-25 Raymond Emile Georges Laeufer fuer Stroemungsmaschinen, insbesondere fuer Gasturbinen
US5743713A (en) * 1995-09-21 1998-04-28 Ngk Insulators, Ltd. Blade, turbine disc and hybrid type gas turbine blade

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