EP2867478A1 - Schaufelkranz für eine turbomaschine - Google Patents

Schaufelkranz für eine turbomaschine

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EP2867478A1
EP2867478A1 EP13745035.9A EP13745035A EP2867478A1 EP 2867478 A1 EP2867478 A1 EP 2867478A1 EP 13745035 A EP13745035 A EP 13745035A EP 2867478 A1 EP2867478 A1 EP 2867478A1
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EP
European Patent Office
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blade
wedge
shaped clamping
groove
clamping element
Prior art date
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EP13745035.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2867478B1 (de
Inventor
Dimitri Zelmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2867478A1 publication Critical patent/EP2867478A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2867478B1 publication Critical patent/EP2867478B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/323—Locking of axial insertion type blades by means of a key or the like parallel to the axis of the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/322—Blade mountings

Definitions

  • Blade ring for a turbomachine The invention relates to a blade ring for an axial
  • Turbomachine comprising a blade carrier with a number of - holding flanks - holding grooves for blades and a corresponding number of blades whose corresponding to the retaining grooves blade feet are inserted into the retaining grooves, wherein the blades on one
  • Slot bottom of the retaining groove facing the blade root underside have a recess whose bottom is at least partially inclined relative to the groove bottom of the retaining and in each of which a wedge-shaped clamping element for pressing the blade root is arranged on the support flanks.
  • a generic object is known for example from EP 1 892 380 AI.
  • two wedges are provided between a blade root bottom and the groove bottom of the retaining groove for each rotor blade.
  • the inclinations of the two wedges are opposite.
  • the front side is in each case a clamping screw screwed into the wedges, with the one hand, a radial prestressed positioning of the blade roots on corresponding support flanks of the retaining grooves is possible.
  • the screw is also used for
  • Shovel also done under a bias.
  • the assembly under bias leads to unfavorable wear and galling on the support flanks, which increases the risk of cracking.
  • assembly or disassembly proves to be difficult in the case of servicing the blade.
  • the object of the invention is therefore to provide a blade ring for a turbomachine, in which a bias-free and thus playful assembly of blades in the retaining grooves of a blade carrier is enabled and still a sufficiently large bias is present in operation, the material-damaging wear - for example also by rattling - reliably avoids.
  • the blade ring according to the invention for an axial turbomachine comprising a blade carrier with a number of holding slots for blades and having a corresponding number of blades, which are connected to the holding elements.
  • at least one of the blades preferably all blades, has or have a recess on its base end facing the groove bottom, at least partially obliquely against the groove bottom of the retaining groove, and in each of which a wedge-shaped clamping element for pressing the blade root is arranged on the support flanks, it is provided that a spring element is provided in each recess, the spring force acts along the retaining groove on the relevant wedge-shaped clamping element, wherein the recess of a first side wall and one of the first side wall opposite the second wall is limited, wherein the
  • Spring element is supported on the one hand on the first side wall and on the other hand on a blunt end of the wedge-shaped clamping element and means are provided, with which the wedge-shaped clamping element for the bias-free mounting of the blade in the holding temporarily can be moved to a position in which the blade root bias sitting in the holding groove.
  • the spring element presses the wedge-shaped clamping element in the direction of its pointed end, which acts in conjunction with the inclined bottom of the recess, a force in the radial direction (relative to the installation position in an axial turbomachine) on the blade root, the latter to the support flanks of the retaining grooves presses.
  • This is a play-free and preloaded attachment of the rotor blade in the holding effected.
  • the spring element is thus supported on the one hand on a first side wall of the recess and on the other hand on the blunt end of the wedge-shaped clamping element.
  • Clamping element is closer to the first side wall, as in the assembled state.
  • the spring element is only compressed for the duration of disassembly or assembly as it is intended in the assembled state.
  • the displacement of the clamping element to the first side wall towards relieving the strain of the rotor blade on the supporting flanks of the retaining acts.
  • the spring element is designed as a plate spring or cup spring package.
  • an opening is provided in the first side wall.
  • a cylindrical pin is arranged at the blunt end of the wedge-shaped clamping element, which extends through both the plate spring and the disc spring package and into the opening or through the opening in the side wall.
  • the cylindrical pin may for example be hammered into a hole arranged on the clamping element or glued there.
  • the cylinder pin has in conjunction with the opening arranged in the side wall the function of a guide of the spring element and at the same time a backup of the wedge-shaped clamping element, so that it can not jump out of the recess unintentionally during assembly.
  • the means comprises a threaded hole arranged in the second side wall into which a mounting screw for displacing the wedge-shaped clamping element to the first side wall can be screwed from the outside. Consequently, the spring element is first slipped over the cylindrical pin of the wedge-shaped clamping element before assembly of the blade, after which the cylindrical pin is subsequently inserted into the opening arranged in the first side wall. At the same time, the wedge-shaped clamping element is inserted into the underside of the blade arranged on the blade root.
  • a mounting screw with a correspondingly long threaded shaft is temporarily screwed in from the outside by means of the threaded hole present in the second side wall, with which the wedge-shaped tensioning element can be displaced in the direction of the first side wall.
  • the displacement must be so large that the wedge-shaped clamping element is completely sunk in the recess and so a game-afflicted assembly of the blade with clamping element is possible.
  • the assembly thus produced is inserted into the retaining groove. After the assembly and thus the blade has assumed the predetermined position in the retaining groove, the mounting screw screwed in the second side wall can be released again, whereby the wedge-shaped clamping element is pressed by the spring element in the direction of the second side wall.
  • the wedge-shaped clamping element Due to the inclined surface of the wedge-shaped clamping element and the corresponding bottom of the recess, the wedge-shaped clamping element is pressed into the narrowing space between groove bottom and bottom and comes on both surfaces - the groove bottom and the floor - to concern. This then results in the tension of the blade root on the support flanks of the retaining.
  • a bayonet connection may be provided instead of a threaded connection in the second side wall.
  • the blades are each secured by means of a between a Schaufelfußunterseite and one of the Schaufelfußunterseite opposite groove bottom of the retaining groove arranged sheet-like securing element against displacement along the retaining grooves by the ends of the sheet-like securing element rest laterally on the blade carrier.
  • a Schaufelfußunterseite and one of the Schaufelfußunterseite opposite groove bottom of the retaining groove arranged sheet-like securing element against displacement along the retaining grooves by the ends of the sheet-like securing element rest laterally on the blade carrier.
  • the wedge-shaped clamping element is at least partially hollow.
  • the blade attachment becomes more elastic in the prestressing direction and additionally enables friction damping.
  • the blade ring gear is a blade ring, so that the blade carrier is designed as a rotor disk or shaft and the blade as a rotor blade. Nevertheless, the blade ring is also suitable for mounting vanes. Particularly preferred is the use of the blade ring in a compressor of an axially flowed stationary gas turbine.
  • FIG. 2 shows the longitudinal section through a blade ring in the region of a holding groove with a blade inserted therein according to a first embodiment
  • FIG 3 shows the side view of the detail according to FIG 2,
  • FIG. 4 shows a further side view of a holding groove with a blade inserted therein
  • FIG 5 shows a longitudinal section analogous to FIG 2 for a second
  • Embodiment of a blade ring Embodiment of a blade ring.
  • FIG. 1 shows a stationary gas turbine 10 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 10 has inside a rotatably mounted about an axis of rotation 12 rotor 14, which is also referred to as a turbine runner.
  • rotor 14 Along the rotor 14 follow one another an intake housing 16, a compressor 18, a toroidal annular combustion chamber 20 with a plurality of rotationally symmetrical mutually arranged burners 22, a turbine unit 24 and a turbine outlet housing 26.
  • the compressor 18 comprises an annularly shaped compressor duct with compressor stages and rotor blade rings 44 successively cascaded one after the other.
  • the rotor blades 14 are supported by rotor disks and face with their free-ending airfoil tips 29 an outer duct wall 42 of the compressor duct.
  • the compressor channel opens into a plenum 38 via a compressor outlet diffuser 36.
  • the annular combustion chamber 20 is provided with its combustion chamber 28, which communicates with an annular hot gas channel 30 of the turbine unit 24. In the turbine unit 24 four successive turbine stages 32 are arranged.
  • a generator or a working machine (each not shown) is coupled.
  • the compressor 18 sucks ambient air 34 through the intake housing 16 as a medium to be compressed and compresses it.
  • the compressed air is guided through the compressor outlet diffuser 36 into the plenum 38, from where it flows into the burner 22.
  • Fuel also passes into the combustion space 28 via the burners 22. There, the fuel is burned to a hot gas M with the addition of the compressed air.
  • the hot gas M then flows into the hot gas duct 30, where it relaxes to perform work on the turbine blades of the turbine unit 24.
  • the energy released during this time is absorbed by the rotor 14 and used on the one hand to drive the compressor 18 and on the other hand to drive a work machine or electric generator.
  • FIG. 2 shows a section through a rotor disk 19 of the rotor 14 of the gas turbine 10 in the region of a retaining groove 21 extending in the axial direction.
  • the rotor disk 19 thus represents a blade carrier 46 in which the retaining grooves 21 are distributed uniformly along its circumference and thereby engage in Axial direction of the gas turbine extend.
  • the retaining grooves 21 are designed in the form of a dovetail in cross-section (FIG. 3, FIG. 4) and thus each comprise two Supporting flanks 23 against which correspondingly designed contact surfaces 25 of a blade root 31 of the blades 27 abut.
  • the blades 27 are formed as blades.
  • a recess 37 is provided on a lower side 33 of the blade root 31, which faces a groove bottom 35 of the retaining groove 21, a recess 37 is provided.
  • the recess 37 is bounded by a first side wall 39 and a second side wall 41 opposite the first side wall 39.
  • the first side wall 39 is arranged on the inflow side and the second side wall 41 is arranged on the outflow side.
  • both a tab 45 both at the outside and also a tab 45 are bent inwards (FIGS. 3 and 4) at each end, whereby a displacement of the blade 27 inserted in the retaining groove 21 is blocked.
  • a wedge-shaped clamping element 47 is provided with a pointed end 49 and a blunt end 51.
  • a cylindrical pin 53 is arranged, on which in the illustrated embodiment, a total of four disc springs are threaded as a spring element 55.
  • the cylindrical pin 53 extends into an opening 57 arranged in the first side wall 39.
  • the bottom 59 of the recess 37 is inclined relative to the groove base 35 of the retaining groove 21, corresponding to the inclination of the upper surface 61 of the wedge-shaped clamping element 47 shown in FIG.
  • a threaded hole 63 is provided in the second side wall 41, which - as well as the opening 57 - extends parallel to the retaining groove 21.
  • a mounting screw 65 required for mounting the blade 27 can be screwed into the threaded hole 63, with the aid of which the wedge-shaped clamping element 47 in FIG. 2 is pushed so far to the left. can be pushed that its blunt end 51 is positioned comparatively close to the first side wall 39. This allows the wedge-shaped clamping element 47 completely sink in the recess 37.
  • the assembly of the blade 27 in the retaining groove 21 then takes place as follows: First, the prefabricated sheet-like securing element 43 is inserted into the retaining groove.
  • the sheet-like securing element 43 extends over the entire length of the retaining groove 21, wherein already two of the tabs 45 are already bent transversely to its longitudinal extent on the inflow or outflow side.
  • the outwardly bent tab 45 serves as a stop during the insertion of the blade 27 into the retaining groove 21.
  • At the other end of the sheet-like securing element 43 only one of the two tabs 45 is initially bent in the radial direction to the machine axis.
  • the spring member 55 is placed on the cylindrical pin 53 of the wedge-shaped clamping member 47 and inserted together into the opening 57 and the recess 37.
  • the cylinder pin 53 then engages in the opening 57 designed as a slot.
  • the mounting screw 65 is screwed into the threaded hole 63, so deep that the wedge-shaped clamping member 47 is pressed to the opposite side, ie in the direction of the first side wall 39 and so far, until the wedge base 67 is located within the recess.
  • a bias-free insertion of the blade 27 can be ensured.
  • the blade 27 is inserted with the prestressed wedge-shaped clamping element 47 in the retaining groove 21.
  • the mounting screw 65 is released and removed from the assembly.
  • the wedge-shaped clamping element 47 is relieved of the force of the mounting screw and can press the blade 27 in the retaining groove 21 against the support flanks 23 and thus bias by the action of the axial forces of the spring element 55.
  • the hitherto not bent tab 45 of the sheet-like securing element 43 bent in the radial direction away from the machine axis, which then secures the blade 27 against emigration from the retaining groove 21.
  • the wedge-shaped clamping element 47 may be at least partially hollow.
  • the cavity 69 causes a resilient bias and thus brings in addition a friction damping with it.
  • the invention relates to a blade ring 44 for an axial turbomachine, comprising a blade carrier 46 with a number of retaining grooves 21 and a corresponding number of blades 27, the blade roots 31 are inserted into the retaining grooves 21, wherein the blades 27 at its one groove bottom 35 of Garut 21 facing bottom 33 each have a recess 37, the bottom 59 is at least partially opposite the groove bottom 35 of the retaining groove 21 is inclined and in each of which a wedge-shaped clamping element 47 is arranged for pressing the blade root 31 to the support flanks 23.
  • a blade carrier 46 with a number of retaining grooves 21 and a corresponding number of blades 27, the blade roots 31 are inserted into the retaining grooves 21, wherein the blades 27 at its one groove bottom 35 of Garut 21 facing bottom 33 each have a recess 37, the bottom 59 is at least partially opposite the groove bottom 35 of the retaining groove 21 is inclined and in each of which a wedge-shaped clamping element 47 is arranged for pressing the blade root 31
  • Screw connection can be used in operation, it is provided that in each recess 37, a spring element 55 is provided, the spring force along the retaining groove 21 acts on the relevant wedge-shaped clamping element 47 and that means are provided with which the wedge-shaped clamping element 47 for the bias-free mounting of the blade 27 in the retaining groove 21 can be temporarily moved to a position in which the blade root 31 sits without bias in the retaining groove 21.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz (44) für eine axiale Turbomaschine, umfassend einen Schaufelträger (46) mit einer Anzahl von Haltenuten (21) und einer entsprechenden Anzahl an Schaufeln (27), deren Schaufelfüße in die Haltenuten (21) eingesetzt sind, wobei die Schaufeln (27) an ihrer einem Nutgrund (35) der Haltenut (21) zugewandten Unterseite (33) eine Ausnehmung (37) aufweisen, deren Boden (59) zumindest teilweise gegenüber dem Nutgrund (35) der Haltenut (21) schräg angestellt ist und in der jeweils ein keilförmiges Spannelement (47) zum Anpressen des Schaufelfußes an die Tragflanken (23) angeordnet ist. Um eine vorspannungsfreie Montage der Schaufel (27) in der Haltenut (21) zu ermöglichen und um einen Schaufelkranz (44) bereitzustellen, der ohne eine Schraubverbindung im Betrieb eingesetzt werden kann, ist vorgesehen, dass in jeder Ausnehmung (37) ein Federelement (55) vorgesehen ist, dessen Federkraft längs der Haltenut (21) auf das betreffende keilförmige Spannelement (47) einwirkt und dass Mittel vorgesehen sind, mit denen sich das keilförmige Spannelement (47) für die vorspannfreie Montage der Schaufel (27) in der Haltenut (21) temporär in eine Position verschieben lässt, in welcher der Schaufelfuß (31) spielbehaftet in der Haltenut (21) sitzt.

Description

Beschreibung
Schaufelkranz für eine Turbomaschine Die Erfindung betrifft einen Schaufelkranz für eine axiale
Turbomaschine umfassend einen Schaufelträger mit einer Anzahl von - Tragflanken aufweisenden - Haltenuten für Schaufeln und einer entsprechenden Anzahl an Schaufeln, deren zu den Haltenuten korrespondierend ausgeführte Schaufelfüße in die Halte- nuten eingesetzt sind, wobei die Schaufeln an ihrer einem
Nutgrund der Haltenut zugewandten Schaufelfußunterseite eine Ausnehmung aufweisen, deren Boden zumindest teilweise gegenüber dem Nutgrund der Haltenut schräg angestellt ist und in der jeweils ein keilförmiges Spannelement zum Anpressen des Schaufelfuß an die Tragflanken angeordnet ist.
Ein gattungsgemäßer Gegenstand ist beispielsweise aus der EP 1 892 380 AI bekannt. Gemäß der darin vorgeschlagenen Befestigung von Verdichterlaufschaufein an einem Rotor sind für jede Laufschaufei zwei Keile zwischen einer Schaufelfußunterseite und dem Nutgrund der Haltenut vorgesehen. Die Neigungen der beiden Keile sind dabei entgegengesetzt. Stirnseitig ist in die Keile jeweils eine Spannschraube eingeschraubt, mit der einerseits eine radiale vorgespannte Positionierung der Schaufelfüße an entsprechende Tragflanken der Haltenuten möglich ist. Andererseits dient die Verschraubung auch zur
Fixierung der Laufschaufein entlang der Haltenuten. Eine federnde Befestigung der Laufschaufein wird dadurch erreicht, dass unterhalb der Keile Tellerfedern vorgesehen sein können.
Es wird jedoch als Nachteil empfunden, dass eine Schraubverbindung eingesetzt wird. Aufgrund der vergleichsweise rauen Betriebsumgebung und den auftretenden Betriebstemperaturen können derartige Schraubverbindungen korrodieren, so dass eine problemlose Demontage nicht gewährleistet werden kann.
Weiter ist beispielsweise aus der EP 1 703 078 AI bekannt, die in axialen Haltenuten sitzenden Laufschaufein durch die Anwendung eines Sicherungsblechs gegen eine Verschiebung entlang der Haltenuten zu sichern. Dabei wird zwischen dem
Schaufelfuß und der Haltenut am Nutgrund ein Sicherungsblech platziert. Durch eine Wulst am Sicherungsblech greift dieses in eine fußseitig vorgesehene Öffnung ein. Nach dem Einschieben der Schaufel mit dem Sicherungsblech und dem Umbiegen der umstehenden Enden an den Eintritts- und Austrittsseiten des Fußes wird eine formschlüssige Sicherung erreicht. Um im Betrieb einen ausreichend vorgespannten Sitz der Schaufel in der Nut gewährleisten zu können, muss das Montieren der
Schaufel auch unter einer Vorspannung erfolgen. Die Montage unter Vorspannung führt zu einem ungünstigen Verschleiß und Fressen an den Tragflanken, was die Rissgefahr erhöht. Vor allem in den vorderen Stufen eines axial durchströmten Ver- dichters, also bei großen Schaufeln, wo besonders große Vorspannkräfte erforderlich sind, erweist sich die Montage bzw. Demontage im Servicefall der Schaufel als schwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher die Bereitstellung eines Schaufelkranzes für eine Turbomaschine, bei der eine vorspannfreie und somit spielbehaftete Montage von Schaufeln in den Haltenuten eines Schaufelträgers ermöglicht wird und im Betrieb dennoch eine ausreichend große Vorspannung vorhanden ist, die einen materialschädigenden Verschleiß - beispiels- weise auch durch Klappern - zuverlässig vermeidet.
Die auf den Schaufelkranz für eine axiale Turbomaschine gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Diese können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, sofern durch die in den
Patentansprüchen angegebenen RückbeZiehungen dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Schaufelkranz für eine axiale Turbomaschine, umfassend einen Schaufelträger mit einer Anzahl von - Tragflanken aufweisenden - Haltenuten für Schaufeln und einer entsprechenden Anzahl an Schaufeln, deren zu den Halte- nuten korrespondierend ausgeführte Schaufelfüße in die Haltenuten eingesetzt sind, wobei zumindest eine der Schaufeln, vorzugsweise alle Schaufeln, an ihrer einem Nutgrund der Haltenut zugewandten Schaufelfußunterseite eine Ausnehmung auf- weist bzw. aufweisen, deren Boden zumindest teilweise gegenüber dem Nutgrund der Haltenut schräg angestellt ist und in der jeweils ein keilförmiges Spannelement zum Anpressen des Schaufelfußes an die Tragflanken angeordnet ist, ist vorgesehen, dass in jeder Ausnehmung ein Federelement vorgesehen ist, dessen Federkraft längs der Haltenut auf das betreffende keilförmige Spannelement einwirkt, wobei die Ausnehmung von einer ersten Seitenwand und einer der ersten Seitenwand gegenüberliegenden zweiten Wand begrenzt ist, wobei das
Federelement sich einerseits an der ersten Seitenwand und andererseits an einem stumpfen Ende des keilförmigen Spannelements abstützt und dass Mittel vorgesehen sind, mit denen sich das keilförmige Spannelement für die vorspannfreie Montage der Schaufel in der Haltenut temporär in eine Position verschieben lässt, in welcher der Schaufelfuß vorspannfrei in der Haltenut sitzt.
Im Einbauzustand presst das Federelement das keilförmige Spannelement in Richtung seines spitzen Endes, wodurch in Verbindung mit dem geneigten Boden der Ausnehmung eine Kraft in radialer Richtung (bezogen auf die Einbaulage in einer axialen Turbomaschine) auf den Schaufelfuß einwirkt, die diesen an die Tragflanken der Haltenuten anpresst. Hiermit wird eine spielfreie und zugleich vorgespannte Befestigung der Laufschaufei in der Haltenut bewirkt. Das Federelement stützt sich somit einerseits an einer ersten Seitenwand der Ausnehmung ab und andererseits an dem stumpfen Ende des keilförmigen Spannelements. Um nun eine vorspannfreie Demontage bzw. Montage der Schaufel in der Haltenut zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen sich das keilförmige Spannelement temporär in eine Position verschieben lässt, in welcher das stumpfe Ende des keilförmigen
Spannelements näher an der ersten Seitenwand ist, als im montierten Zustand. Mit anderen Worten: Das Federelement wird nur für die Dauer der Demontage bzw. Montage weiter zusammen- gepresst als es im montierten Zustand vorgesehen ist. Durch die entsprechenden Neigungen des Bodens der Ausnehmung und des keilförmigen Spannelements wirkt die Verschiebung des Spannelements zur ersten Seitenwand hin entlastend für die Verspannung der Laufschaufei an den Tragflanken der Haltenut. Es ergibt sich somit ein Spiel entlang der Achse vom Nutgrund der Haltenut in Richtung Boden der Ausnehmung, welches sowohl zur Montage als auch zur Demontage der Schaufel in bzw. aus der Haltenut besteht und welches die gewünschte vorspannfreie Handhabung der Schaufel währenddessen ermöglicht. Mithin werden auch keine aufwändigen Vorrichtungen zum Einpressen oder Herausschieben der Schaufel in die Nut bzw. aus der Nut benötigt .
Insgesamt ergibt sich dadurch ein einfacherer und schnellerer Montage- und Demontageprozess , der zudem eine hohe Arbeitssicherheit für die Monteure gewährleistet. Zugleich kann die Größe der Federkraft durch eine einfache Variation unter- schiedlicher Federelemente erreicht werden. Dies gibt besondere dann, wenn die Federelemente als Tellerfedern oder Tellerfederpakete ausgestaltet sind. Zugleich kann die Toleranz der Verbindung Schaufel mit Schaufelträger auf ein durchschnittliches Maß gesenkt werden, was eine vergleichsweise preiswerte Herstellung der Komponenten ermöglicht.
Während des Betriebs der mit einem solchen Schaufelkranz ausgestatteten axialen Turbomaschine erfolgt eine ständige Anpassung dieser Vorspanneinrichtung an die radiale Lage der Schaufel. Ausgestaltet aus Laufschaufelkränzen wird unter
Einwirkung der Zentrifugalkräfte im Betrieb die Schaufel ihre maximale radiale Lage in der Haltenut einnehmen. Parallel dazu wird das keilförmige Spannelement unter der Einwirkung der Federkraft des Federelements weiter unter die Schaufel eingedrückt. Somit bleibt auch bei Abnahme der Maschinendrehzahl eine besonders hohe Vorspannung der Schaufel erhalten. Dies schränkt die relativen Bewegungen auch von Vergleichs- weise großen Schaufeln ein und vermindert den Verschleiß in den Haltenuten.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das Feder- element als Tellerfeder oder Tellerfederpaket ausgebildet.
Gleichzeitig ist in der ersten Seitenwand eine Öffnung vorgesehen. Zugleich ist am stumpfen Ende des keilförmigen Spannelements ein Zylinderstift angeordnet, welcher sich sowohl durch die Tellerfeder bzw. das Tellerfederpaket als auch in die Öffnung oder durch die Öffnung in der Seitenwand hindurch erstreckt. Der Zylinderstift kann beispielsweise in eine am Spannelement angeordnete Bohrung eingeschlagen oder dort festgeklebt sein. Der Zylinderstift hat in Verbindung mit der in der Seitenwand angeordneten Öffnung die Funktion einer Führung des Federelements und gleichzeitig eine Sicherung des keilförmigen Spannelements, damit dieses während der Montage nicht aus der Ausnehmung ungewollt herausspringen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Mittel ein in der zweiten Seitenwand angeordnetes Gewindeloch, in welches von außen eine Montageschraube zum Verschieben des keilförmigen Spannelements zur ersten Seitenwand hin einschraubbar ist. Folglich wird vor der Montage der Schaufel zuerst über den Zylinderstift des keilförmigen Spannelements das Federelement gestülpt, wonach anschließend der Zylinderstift in die in der ersten Seitenwand angeordnete Öffnung eingeführt wird. Gleichzeitig wird das keilförmige Spannelement in die schaufelfußunterseitig angeordnete Ausnehmung eingelegt. Anschließend wird durch das in der zweiten Seiten- wand vorhandene Gewindeloch eine Montageschraube mit einem entsprechend langem Gewindeschaft von außen temporär eingeschraubt, mit welcher das keilförmige Spannelement in Richtung der ersten Seitenwand verschoben werden kann. Die Verschiebung muss dabei derartig groß sein, dass das keilförmige Spannelement vollständig in der Ausnehmung versenkt ist und so eine spielbehaftete Montage der Schaufel mit Spannelement möglich ist. Anschließend wird die so hergestellte Baugruppe in die Haltenut eingeschoben. Nachdem die Baugruppe und somit die Schaufel die vorgegebene Position in der Haltenut eingenommen hat, kann die in der zweiten Seitenwand eingeschraubte Montageschraube wieder gelöst werden, wodurch das keilförmige Spannelement durch das Federelement in Richtung der zweiten Seitenwand gepresst wird. Aufgrund der geneigten Fläche des keilförmigen Spannelements und des dazu korrespondierenden Bodens der Ausnehmung wird das keilförmige Spannelement in den enger werdenden Raum zwischen Nutgrund und Boden eingedrückt und kommt an beiden Flächen - dem Nutgrund und dem Boden - zum Anliegen. Hierdurch erfolgt dann die Verspannung des Schaufelfußes an den Tragflanken der Haltenut.
Anstelle einer Gewindeverbindung in der zweiten Seitenwand kann beispielsweise auch eine Bajonett-Verbindung vorgesehen sein.
Nach einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die Schaufeln jeweils mittels eines zwischen einer Schaufelfußunterseite und einem der Schaufelfußunterseite gegenüberliegendem Nutgrund der Haltenut angeordneten blechförmigen Sicherungs- element gegen ein Verschieben längs der Haltenuten gesichert, indem die Enden des blechförmigen Sicherungselements seitlich am Schaufelträger anliegen. Bei der Verwendung einer derartigen Axialsicherung ist das blechförmige Sicherungselement zwischen Nutgrund und dem keilförmigen Spannelement angesiedelt .
Weiter bevorzugt ist das keilförmige Spannelement zumindest teilweise hohl ausgebildet. Dadurch wird die Schaufelbefesti- gung in Vorspannrichtung elastischer und ermöglicht zusätzlich eine Reibdämpfung.
Weiter besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Schaufel - kränz um einen Laufschaufelkranz , so dass der Schaufelträger als Rotorscheibe oder Welle und die Schaufel als Laufschaufel ausgebildet ist. Dennoch eignet sich der Schaufelkranz auch zur Befestigung von Leitschaufeln. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Schaufelkranzes in einem Verdichter einer axial durchströmten stationären Gasturbine . Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand weiterer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden in der Figurenbeschreibung weitere Merkmale und Vorteile angegeben. Es zeigen: FIG 1 eine stationäre Gasturbine in einem Längs-Teilschnitt ,
FIG 2 den Längsschnitt durch einen Schaufelkranz im Bereich einer Haltenut mit einer darin eingesetzten Schaufel gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
FIG 3 die Seitenansicht auf den Ausschnitt gemäß FIG 2,
FIG 4 eine weitere Seitenansicht auf eine Haltenut mit darin eingesetzter Schaufel und
FIG 5 einen Längsschnitt analog zu FIG 2 für ein zweites
Ausführungsbeispiel eines Schaufelkranzes.
In allen Figuren sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gleichwohl die Erfindung nachfolgend anhand eines Laufschaufelkranzes eines Gasturbinen-Verdichters detailliert beschrieben wird, kann die Erfindung auch in anderen Turbomaschinen eingesetzt werden. Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Verdichter 18, eine torusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Turbinenausgangsgehäuse 26. Der Verdichter 18 umfasst einen ringförmig ausgebildeten Verdichterkanal mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufei - und Leitschaufelkränzen 44. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 17 werden von Rotorscheiben getragen und liegen mit ihren frei endenden Schaufelblattspitzen 29 einer äußeren Kanalwand 42 des Verdichterkanals gegenüber. Der Verdichterkanal mündet über einen Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vor- gesehen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. In der Turbineneinheit 24 sind vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.
Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Verdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungs- luft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 ge- führt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt . Das Heißgas M strömt anschließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt.
Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 aufgenommen und einerseits zum Antrieb des Verdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators genutzt.
FIG 2 zeigt einen Schnitt durch eine Rotorscheibe 19 des Rotors 14 der Gasturbine 10 im Bereich einer sich in Axialrichtung erstreckenden Haltenut 21. Die Rotorscheibe 19 stellt somit einen Schaufelträger 46 dar, bei dem entlang seines Umfangs die Haltenuten 21 gleichmäßig verteilt sind und sich dabei in Axialrichtung der Gasturbine erstrecken. Die Haltenuten 21 sind im Querschnitt (FIG 3, FIG 4) schwal- benschwanzförmig ausgeführt und umfassen somit jeweils zwei Tragflanken 23, an denen korrespondierend ausgeführte Anlageflächen 25 eines Schaufelfußes 31 der Schaufeln 27 anliegen. Die Schaufeln 27 sind als Laufschaufeln ausgebildet. An einer Unterseite 33 des Schaufelfußes 31, welche einem Nutgrund 35 der Haltenut 21 zugewandt ist, ist eine Ausnehmung 37 vorgesehen. Die Ausnehmung 37 wird von einer ersten Seitenwand 39 und einer der ersten Seitenwand 39 gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 41 begrenzt. In Strömungsrich- tung eines den Verdichter 18 durchströmenden Mediums ist die erste Seitenwand 39 anströmseitig angeordnet und die zweite Seitenwand 41 abströmseitig angeordnet.
Zwischen der Unterseite 33 und dem Nutgrund 35 ist ein blech- förmiges Sicherungselement 43 in der Haltenut 21 eingelegt, dessen Enden längsgeschlitzt sind. Bei den sich dadurch beid- endseitig ergebenden Laschenpaaren sind am jeden Ende sowohl eine Lasche 45 sowohl nach außen als auch eine Lasche 45 nach innen (FIG 3 und 4) umgebogen, wodurch eine Verschiebung der in der Haltenut 21 eingesetzten Schaufel 27 blockiert.
In der Ausnehmung 37 ist ein keilförmiges Spannelement 47 mit einem spitzen Ende 49 und einem stumpfen Ende 51 vorgesehen. Am stumpfen Ende 51 ist ein Zylinderstift 53 angeordnet, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Tellerfedern als Federelement 55 aufgefädelt sind. Der Zylinderstift 53 erstreckt sich in eine in der ersten Seitenwand 39 angeordnete Öffnung 57. Der Boden 59 der Ausnehmung 37 ist gegenüber dem Nutgrund 35 der Haltenut 21, entsprechend der Neigung der in FIG 2 dargestellten oberen Fläche 61 des keilförmigen Spannelements 47 geneigt.
Des Weiteren ist in der zweiten Seitenwand 41 ein Gewindeloch 63 vorgesehen, welches sich - ebenso wie die Öffnung 57 - pa- rallel zur Haltenut 21 erstreckt. In das Gewindeloch 63 kann eine für die Montage der Schaufel 27 benötigte Montageschraube 65 eingeschraubt werden, mit deren Hilfe das keilförmige Spannelement 47 in FIG 2 derart weit nach links ver- schoben werden kann, dass dessen stumpfes Ende 51 vergleichsweise nah an der ersten Seitenwand 39 positioniert ist. Damit lässt sich das keilförmige Spannelement 47 vollständig in der Ausnehmung 37 versenken.
Die Montage der Schaufel 27 in der Haltenut 21 erfolgt dann wie folgt: Zuerst wird das vorgefertigte blechförmige Sicherungselement 43 in die Haltenut eingefügt. Das blechförmige Sicherungselement 43 erstreckt sich über die gesamte Länge der Haltenut 21, wobei anströmseitig oder abströmseitig bereits zwei der Laschen 45 quer zu seiner Längserstreckung bereits umgebogen sind. Die nach außen gebogene Lasche 45 dient als Anschlag bei dem Einschieben der Schaufel 27 in die Haltenut 21. An dem anderen Ende des blechförmigen Sicherungs- elements 43 ist vorerst nur eine der beiden Laschen 45 in radialer Richtung zu der Maschinenachse hin vorgebogen. Als nächstes wird das Federelement 55 auf den Zylinderstift 53 des keilförmigen Spannelements 47 aufgesetzt und zusammen in die Öffnung 57 und die Ausnehmung 37 eingesetzt. Der Zylin- derstift 53 greift dann in die als Langloch ausgeführte Öffnung 57 ein. Nachdem die geneigte Fläche 61 des keilförmigen Spannelements 47 am geneigten Boden 59 anliegt, wird anschließend die Montageschraube 65 in das Gewindeloch 63 eingeschraubt, derartig tief, dass das keilförmige Spannelement 47 zur gegenüberliegenden Seite, d. h. in Richtung zur ersten Seitenwand 39 gedrückt wird und zwar so weit, bis sich der Keilgrund 67 innerhalb der Ausnehmung befindet. Hiermit kann ein vorspannungsfreies Einschieben der Schaufel 27 gewährleistet werden. Anschließend wird die Schaufel 27 mit dem vorgespannten keilförmigen Spannelement 47 in die Haltenut 21 eingeschoben. Nach dem Ausrichten der Schaufel 27 in der Haltenut 21 wird die Montageschraube 65 gelöst und der Baugruppe entnommen. Dadurch wird das keilförmige Spannelement 47 von der Kraft der Montageschraube entlastet und kann durch die Einwirkung der axialen Kräfte des Federelements 55 die Schaufel 27 in der Haltenut 21 gegen deren Tragflanken 23 anpressen und somit vorspannen. Abschließend wird die bis dahin nicht gebogene Lasche 45 des blechförmigen Sicherungselements 43 in radiale Richtung von der Maschinenachse weg umgebogen, was dann die Schaufel 27 gegen Auswandern aus der Haltenut 21 sichert. Für den Fall, dass die so befestigte Schaufel 27 der Haltenut 21 entnommen werden muss, sind die Arbeitsschritte in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen. Nach dem Wegbiegen einer der Laschen 45 ist die Montageschraube 65 in das Gewindeloch 63 einzuschrauben. Dadurch wird die Vorspannung gelöst und die Schaufel 27 entlastet, wonach sie dann leicht aus der Haltenut 21 geschoben werden kann.
Gemäß einer zweiten, in FIG 5 dargestellten Ausführungsform kann das keilförmige Spannelement 47 zumindest teilweise hohl ausgebildet sein. Der Hohlraum 69 bewirkt eine elastische Vorspannung und bringt somit zusätzlich eine Reibdämpfung mit sich.
Insgesamt betrifft die Erfindung einen Schaufelkranz 44 für eine axiale Turbomaschine, umfassend einen Schaufelträger 46 mit einer Anzahl von Haltenuten 21 und einer entsprechenden Anzahl an Schaufeln 27, deren Schaufelfüße 31 in die Haltenuten 21 eingesetzt sind, wobei die Schaufeln 27 an ihrer einem Nutgrund 35 der Haltenut 21 zugewandten Unterseite 33 jeweils eine Ausnehmung 37 aufweisen, deren Boden 59 zumindest teilweise gegenüber dem Nutgrund 35 der Haltenut 21 schräg angestellt ist und in der jeweils ein keilförmiges Spannelement 47 zum Anpressen des Schaufelfußes 31 an die Tragflanken 23 angeordnet ist. Um eine vorspannungsfreie Montage der Schaufel 27 in der Haltenut 21 zu ermöglichen und um einen Schaufelkranz 44 bereitzustellen, der ohne eine
Schraubverbindung im Betrieb eingesetzt werden kann, ist vorgesehen, dass in jeder Ausnehmung 37 ein Federelement 55 vorgesehen ist, dessen Federkraft längs der Haltenut 21 auf das betreffende keilförmige Spannelement 47 einwirkt und dass Mittel vorgesehen sind, mit denen sich das keilförmige Spann- element 47 für die vorspannfreie Montage der Schaufel 27 in der Haltenut 21 temporär in eine Position verschieben lässt, in welcher der Schaufelfuß 31 vorspannfrei in der Haltenut 21 sitzt .

Claims

Patentansprüche
1. Schaufelkranz (44) für eine axiale Turbomaschine,
umfassend einen Schaufelträger (46) mit einer Anzahl von - Tragflanken (23) aufweisenden - Haltenuten (21) für Schaufeln (27) und einer entsprechenden Anzahl an Schaufeln (27) , deren zu den Haltenuten (21) korrespondierend ausgeführte Schaufelfüße (31) in die Haltenuten (21) eingesetzt sind,
wobei zumindest eine der Schaufeln (27) , vorzugsweise alle Schaufeln (27) , an ihrer einem Nutgrund (35) der Haltenut (21) zugewandten Schaufelfußunterseite (33) eine Ausnehmung (37) aufweist bzw. aufweisen, deren Boden (59) zumindest teilweise gegenüber dem Nutgrund (35) der Haltenut (21) schräg angestellt ist und in der jeweils ein keilförmiges Spannelement (47) zum Anpressen des Schaufelfuß (31) an die Tragflanken (23) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Ausnehmung (37) ein Federelement (55) vorgesehen ist, dessen Federkraft längs der Haltenut (21) auf das betreffende keilförmige Spannelement (47) einwirkt, dass die Ausnehmung (37) von einer ersten Seitenwand (39) und einer der ersten Seitenwand (39) gegenüberliegenden zweiten Seitenwand (41) begrenzt ist,
wobei das Federelement (55) sich einerseits an der ersten Seitenwand (39) und andererseits an einem stumpfen Ende (51) des keilförmigen Spannelements (47) abstützt und dass Mittel vorgesehen sind, mit denen sich das keilförmige Spannelement (47) für die vorspannfreie Montage der Schaufel (27) in der Haltenut (21) temporär in eine Position verschieben lässt, in welcher der Schaufelfuß (31) vorspannfrei in der Haltenut (21) sitzt. Schaufelkranz (44) nach Anspruch 1,
bei dem das Federelement (55) als Tellerfederpaket ausgebildet und in der ersten Seitenwand (39) eine Öffnung (57) vorgesehen ist, durch welche beide sich ein am stumpfen Ende (51) des keilförmigen Spannelements (47) angeordneter Zylinderstift (53) hindurch erstreckt.
Schaufelkranz (44) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem das Mittel ein in der zweiten Seitenwand (41) angeordnetes Gewindeloch (63) umfasst, in welche von außen eine Montageschraube (65) zum Verschieben des keilförmigen
Spannelements (47) zur ersten Seitenwand (39) hin
einschraubbar ist.
Schaufelkranz (44) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schaufeln (27) jeweils mittels eines zwischen einer Schaufelfußunterseite (33) und einem der Schaufelfußunterseite (33) zugewandten Nutgrund (35) der Haltenut (21) angeordneten blechförmigen Sicherungselement (43) gegen ein Verschieben längs der Haltenut (21) gesichert sind, indem dessen Enden seitlich am Schaufelträger (46) anliegen.
Schaufelkranz (44) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das keilförmige Spannelement (47) zumindest teilweise hohl ausgebildet ist.
Verdichter (18) für eine stationäre Gasturbine (10) mit zumindest einem Schaufelkranz (44) nach einem der vorangehenden Ansprüche .
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