EP3724456B1 - Rotor mit fliehkraft-optimierten kontaktflächen - Google Patents

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EP3724456B1
EP3724456B1 EP19720467.0A EP19720467A EP3724456B1 EP 3724456 B1 EP3724456 B1 EP 3724456B1 EP 19720467 A EP19720467 A EP 19720467A EP 3724456 B1 EP3724456 B1 EP 3724456B1
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EP
European Patent Office
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rotor
retaining
radius
width
component
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Harald Hoell
Kevin KAMPKA
Peter Schröder
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP3724456A1 publication Critical patent/EP3724456A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a rotor with a rotor disk and a plurality of rotor components attached to the circumference of the rotor disk, the rotor disk having a support surface pointing towards the rotor axis and the respective rotor component having a holding surface complementary to the support surface.
  • the EP 1944471 B1 a rotor with a rotor disk on which a plurality of sealing elements are arranged on one end.
  • the rotor disk has a plurality of blade retaining grooves distributed around the circumference, which are intended for receiving rotor blades.
  • To cover the blade retaining grooves on one end face of the rotor disk there are sealing elements distributed around the circumference. Under the action of centrifugal force during rotation of the rotor, the sealing elements are supported directly on the rotor disk at the end of the sealing elements pointing towards the rotor axis.
  • the rotor disk has a circumferential projection which extends axially in front of the end face and on which a fastening shoulder which extends on the sealing element towards the rotor disk is supported.
  • a supporting surface pointing towards the rotor axis is almost necessarily formed on the projection of the rotor disk by a surface of revolution rotating around the rotor axis.
  • the holding surface of the fastening shoulder that rests against the support surface is basically designed to be complementary to the support surface with a matching radius.
  • the object of the present invention is therefore to realize a fastening of rotor components to a rotor disk in the event of large centrifugal forces occurring, with the aim being to achieve as uniform a pressure as possible in the support of the rotor component.
  • the generic rotor is used in particular for use in a gas turbine. However, the embodiment can also be applied to other types of rotors, for example steam turbines come into use. At least the rotor has at least one rotor disk on which a plurality of rotor components are arranged distributed around the circumference. In this case, the rotor defines a rotor axis and thus an axial direction.
  • the rotor disk has a peripheral, axially extending fastening shoulder.
  • the circumferential fastening shoulder forms a support surface on the side facing the rotor axis.
  • the support surface is a surface of revolution running around the rotor axis. Viewed in the axial direction, the support surface extends over that length over which the rotor component bears against the fastening shoulder.
  • the support surface has a specific support radius as a distance from the rotor axis at a respective axial position.
  • a mean support radius of the support surface can be defined as that radius which is given in the center of the support surface in the axial direction.
  • the rotor components each have a retaining shoulder which extends in the circumferential direction and axially to the rotor disk and which is arranged on the side facing the rotor axis below the fastening shoulder.
  • the holding shoulder has a holding surface that is complementary to the support surface.
  • the holding surface is also a section of a surface of revolution. Accordingly, the holding surface is defined as that surface of the holding shoulder which comes into contact with the fastening shoulder of the rotor disk.
  • the holding surface as a surface of revolution has a holding radius analogously at a respective axial position. Furthermore, an average holding radius of the holding surface can be determined, which is given in the center of the holding surface in the axial direction.
  • the centrifugal forces occurring in the rotor component can at least partially be transferred via the retaining shoulder in the system of the holding surface on the support surface are transferred to the attachment paragraph.
  • the holding radius and the supporting surface are usually formed by a matching surface of revolution and insofar as the holding radius and the supporting radius match
  • the holding radius is now smaller than the supporting radius.
  • a holding radius with at least 0.99 times the support radius and at the same time with a maximum of 0.9995 times the support radius is particularly advantageous compared to the known designs from the prior art. This means that a deviation of the smaller support radius from the larger support radius by a maximum of 1% is permissible, with the difference being at least 0.5 ⁇ .
  • the rotor component has an opening that extends axially through the rotor component.
  • the opening is to be arranged radially outside of the holding shoulder, ie also of the holding surface.
  • the opening extends in the circumferential direction over approximately half the width of the rotor component. This is considered to be the case when the width of the opening is at least 0.25 times the width of the rotor component in the circumferential direction, but the width of the opening is not selected to be greater than 0.75 times the width of the rotor component in the circumferential direction. The width at the same radial position is considered here.
  • the inventive design of the rotor component with a holding radius, which is selected slightly smaller than the support radius, with the introduction of the opening leads in combination to the particular advantage of the high load capacity of the connection between the holding shoulder and the fastening shoulder according to the invention.
  • the breakthrough allows for greater deformation of the rotor component and, on the other hand, the deformation is compensated for by the different radii of the holding surface and the supporting surface.
  • a more uniform contact of the support surface with the holding surface can be achieved with uniform compressive stresses compared to trying to determine a suitable geometry without breaking through.
  • the design of the holding shoulder of the rotor component is particularly advantageous if the holding radius is chosen to be at least 0.999 times the support radius. This leads to an advantageous design, in particular when used in a rotor of a gas turbine.
  • the width of the opening corresponding to approximately half the width of the rotor component is achieved particularly advantageously if the opening extends over at least 0.4 times the width of the rotor component in the circumferential direction. In this case, it is particularly advantageous if the opening extends over a maximum of 0.6 times the width of the rotor component.
  • An advantageous stress distribution is achieved when the breakdown increases with increasing radius.
  • the two sides lying opposite in the circumferential direction enclose an angle of approximately 45°.
  • the width should not increase too abruptly.
  • the support surface and the complementary holding surface can be designed differently when viewed in longitudinal section. In the simplest case, these are cylindrical surfaces. This simplifies production and ensures a defined position of the components relative to one another.
  • the disadvantage of this design is the distribution of stress in the fastening shoulder and the holding shoulder.
  • the supporting surface and the complementary holding surface can be crowned or curved (along the axial direction). In this case, however, the disadvantage is the production of the surfaces while maintaining the smallest tolerances. It has therefore turned out to be particularly advantageous if the supporting surface and the complementary holding surface are designed as a section of a conical surface, i.e. conically.
  • the opening angle of the defining cone is between 30° and 90°.
  • the angle between the support surface or the holding surface and the rotor axis is advantageously between 15° and 45°.
  • the design of the fastening shoulder with the support surface and the holding shoulder with is particularly advantageous of the holding surface if an opening angle of at least 45° is selected. Furthermore, it is particularly advantageous if the opening angle is a maximum of 75°.
  • the distance from the holding shoulder to the opening is not too large in relation to the width of the remaining web next to the opening. Based on a web width as the distance from the opening to the nearest side edge in the circumferential direction and a reference point in the center of the holding surface, it is therefore advantageous if the distance from the holding surface to the opening in the radial direction is not greater than the web width. It is particularly advantageous if the radial distance is between 0.25 and 0.75 times the web width.
  • the inventive design of the rotor component with a holding surface, which has a slightly smaller radius than the support surface, in combination with an opening can be used particularly advantageously when the rotor component has a substantially flat shape extending in the circumferential direction and radially.
  • the tensile stresses are at least twice as great as the bending stresses.
  • the retaining shoulder extends essentially in the axial direction.
  • the rotor component can be supported on the rotor opposite the holding shoulder with an inner edge section pointing towards the rotor axis.
  • the rotor disk optionally has a peripheral annular projection spaced apart from an end face of the rotor disk or from the fastening shoulder.
  • the corresponding annular projection is arranged on a second rotor disk adjacent to the rotor disk. At least the corresponding annular projection on the rotor disk or the second rotor disk forms a contact surface pointing towards the fastening shoulder, on which the inner edge section of the rotor components comes to rest and can be supported in the axial direction.
  • the embodiment according to the invention is suitable in a particularly advantageous manner in the case of a rotor disk on which a plurality of rotor blades arranged distributed over the circumference can be attached.
  • the rotor disk has a plurality of blade retaining grooves distributed over the circumference and axially penetrating the rotor disk.
  • the blade retaining grooves are covered at least in sections on an end face of the rotor disk by the rotor components which are distributed around the circumference.
  • the rotor disk 01 can be seen with a blade retaining groove 02 located on the radially outer circumference. This 02 is intended for receiving rotor blades (not shown here).
  • the rotor disk 01 has a fastening shoulder 04, which 04 extends in the circumferential direction and in the axial direction, and on the side facing the rotor axis, a support surface 05 having.
  • the supporting surface 05 is sketched slightly inclined and slightly crowned, purely as an example.
  • a conical shape of the support surface can be chosen as a simple suitable shape.
  • the rotor disk 01 has a circumferential, radially outwardly extending annular projection 07 at a distance from the fastening shoulder 04 .
  • a circumferential groove is formed below the fastening shoulder 04 and behind the annular projection 07 in this exemplary embodiment.
  • the rotor component 11 which is attached to the rotor disk 01 11 , can also be seen.
  • the rotor component 11 has a holding shoulder 14 which also extends in the circumferential direction and axially.
  • the holding shoulder 14 forms a holding surface 15 which is arranged on the side pointing radially outwards.
  • the holding surface 15 and the support surface 05 are listed as complementary to one another.
  • the retaining shoulder 14 is arranged near the end of the rotor component 11 facing the rotor axis, with an inner edge portion 17 being located at the end on the side facing the rotor axis. This 17 lies axially against the annular projection 07 of the rotor disk 01.
  • the geometries of the support surface 05 and the holding surface 15 are of essential importance, with these abutting one another over a bearing width 10 when viewed in the axial direction. That is to say, those surfaces of the fastening shoulder 04 or the holding shoulder 14 which abut one another over the bearing width 10 are regarded as the supporting surface 05 and the holding surface 15 .
  • the support surface 05 has a support radius 06 as a surface of rotation about the rotor axis.
  • the holding surface 15 of the rotor component 11 also designed as a section of a surface of revolution correspondingly has a holding radius 16 .
  • the support radius 06 and the holding radius 16 are determined at the same axial position. It is now of essential importance that the holding radius 16 is smaller than the support radius 06 and thus the axis of rotation of the holding surface 15 is positioned at a distance from the rotor axis.
  • the rotor component 11 has an opening 12 that penetrates the rotor component 11 in the axial direction, which is essential for the solution.
  • This 12 is arranged radially outside of the holding shoulder 14 .
  • the opening 12 is arranged at a specific mean distance 23 in the radial direction from the center of the holding surface 15 .
  • the 2 again the arrangement with the rotor disk 01 and the rotor component 11 in a section transverse to the rotor axis through the fastening shoulder 04 and the holding shoulder 14, viewed in the direction of the rotor disk 01 pointing away.
  • the rotor component 11 can be seen here with the inner edge section 17, which 17 rests axially on the annular projection 07.
  • This shape with the holding surface 15 not fully in contact with the support surface 05 initially viewed in the circumferential direction, leads to a uniform contact tension between the two surfaces 05, 15 in the event of high centrifugal forces due to a corresponding rotation of the rotor.
  • the opening 12 is located radially outside of the holding shoulder 14 , with two webs correspondingly remaining on the rotor component on both sides of the opening 12 .
  • the opening 12 in turn contributes to the uniform contact tension between the holding surface 15 and the support surface 05 .
  • the opening 12 has a width 22 in the circumferential direction, which corresponds approximately to half the width 21 of the rotor component 11 . Accordingly, webs with a web width of 24 remain on both sides.
  • the radial distance 23 from the center of the holding surface 15 to the opening 12 is not greater than the web width 24.
  • the opening 12 widens as the radius increases.
  • the angle between the side flank of the opening in the circumferential direction and the radial central axis is approximately 20°.
  • generous roundings are provided at the upper end of the side flank and at the lower end of the side flank.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor mit einer Rotorscheibe und einer Mehrzahl im Umfang an der Rotorscheibe befestigten Rotorbauteilen, wobei die Rotorscheibe eine zur Rotorachse weisende Stützfläche und das jeweilige Rotorbauteil eine zur Stützfläche komplementäre Haltefläche aufweist.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Möglichkeiten zur Anbringung von Rotorbauteilen an Rotorscheiben bekannt. So zeigt beispielsweise die EP 1944471 B1 einen Rotor mit einer Rotorscheibe, an der an einer Stirnseite eine Mehrzahl von Dichtelementen angeordnet ist. Hierbei weist die Rotorscheibe im Umfang verteilt eine Mehrzahl Schaufelhaltenuten auf, welche zur Aufnahme von Laufschaufeln bestimmt sind. Zur Abdeckung der Schaufelhaltenuten auf einer Stirnseite der Rotorscheibe befinden sich dort die im Umfang verteilt angeordneten Dichtelemente. Die Dichtelemente stützen sich hierbei unter Einwirkung von Fliehkraft bei Rotation des Rotors unmittelbar am zur Rotorachse weisenden Ende der Dichtelemente an der Rotorscheibe ab. Hierzu weist die Rotorscheibe einen umlaufenden sich axial vor der Stirnseite erstreckenden Vorsprung auf, an dem jeweils ein sich am Dichtelement zur Rotorscheibe erstreckender Befestigungsabsatz abstützt. Hierbei wird nahezu zwingend eine zur Rotorachse weisende Stützfläche am Vorsprung der Rotorscheibe von einer um die Rotorachse rotierenden Rotationsfläche gebildet. Die an der Stützfläche anliegende Haltefläche des Befestigungsabsatzes wird grundsätzlich komplementär zur Stützfläche mit übereinstimmendem Radius ausgeführt.
  • Weitere analoge Ausführungen sind auch aus der EP 2344723 B1 , der EP 2414641 B1 , der EP 3077627 B1 , der EP 3090135 B1 , der EP 3129599 , der EP 3129600 , der EP 3167163 und der EP 3227532 bekannt, wobei weiterhin alternative Befestigungen an der Rotorscheibe in der der EP 2399004 B1 , der EP 2426315 B1 , der US 9109457 B2 , der EP 3071795 , der EP 3019706 , der WO 2017174355 und der WO 2017174723 offenbart werden.
  • Wenngleich sich die Befestigung der Dichtelemente an der Rotorscheibe über die Anlage des Befestigungsabsatzes der Dichtelemente am Haltevorsprung an den Rotorscheiben bewährt hat, so treten bei Strömungsmaschinen mit hohen Leistungen Belastungen an dem Haltevorsprung und dem Befestigungsabsatz nahe den zulässigen Materialkennwerten auf.
  • Um eine gleichmäßige Anlage des Dichtelements an der Rotorscheibe zu bewirken wird in der US 4,304,523 vorgeschlagen, die Radien der Anlagefläche an der Rotorscheibe geringfügig größer auszuführen, als die Radien der komplementären Anlagefläche an den Dichtelementen. Aufgrund der Zentrifugalkraft würde sich eine vorteilhafte gleichmäßige Druckbelastung ergeben. Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch die abgewinkelte Gestalt der vorgeschlagenen Lösung, welche zu einer höheren Flexibilität führt. Sofern das Dichtelement jedoch relativ geradlinig ausgeführt ist, fehlt es an der notwendigen Flexibilität, so dass ein gegenteiliger Effekt mit einer höheren Belastung in der Mitte des Bauteils ergeben kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befestigung von Rotorbauteilen an einer Rotorscheibe bei großen auftretenden Fliehkräften zu realisieren, wobei eine möglichst gleichmäßige Pressung in der Abstützung des Rotorbauteils anzustreben ist.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Rotorbauteil zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Rotor ist im Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der gattungsgemäße Rotor dient insbesondere zur Verwendung bei einer Gasturbine. Die Ausführungsform kann jedoch ebenso bei anderen Arten von Rotoren, beispielsweise bei Dampfturbinen zum Einsatz kommen. Zumindest weist der Rotor zumindest eine Rotorscheibe auf, an der im Umfang verteilt eine Mehrzahl Rotorbauteile angeordnet sind. Der Rotor definiert hierbei eine Rotorachse und somit eine axiale Richtung.
  • Hierzu weist die Rotorscheibe einen umlaufenden, sich axial erstreckenden Befestigungsabsatz auf. Dabei bildet der umlaufende Befestigungsabsatz auf der zur Rotorachse weisenden Seite eine Stützfläche. Bei der Stützfläche handelt es sich um eine um die Rotorachse umlaufende Rotationsfläche. In axialer Richtung betrachtet erstreckt sich die Stützfläche in über diejenige Länge, auf der eine Anlage des Rotorbauteils am Befestigungsabsatz gegeben ist. Entsprechend der Ausführung als Rotationskörper weist die Stützfläche an einer jeweiligen axialen Position einen bestimmten Stützradius als Abstand zur Rotorachse auf. Weiterhin kann ein mittlere Stützradius der Stützfläche definiert werden, als derjenige Radius, welcher in der Mitte der Stützfläche in axialer Richtung gegeben ist.
  • Demgegenüber besitzen die Rotorbauteile jeweils einen sich in Umfangsrichtung und zur Rotorscheibe axial erstreckenden Halteabsatz, welcher auf der zur Rotorachse weisenden Seite unterhalb des Befestigungsabsatz des angeordnet ist. Dabei weist der Halteabsatz eine zur Stützfläche komplementäre Haltefläche auf. Analog zur Stützfläche stellt sich ebenso die Haltefläche als Abschnitt einer Rotationsfläche dar. Entsprechend definiert sich die Haltefläche als diejenige Fläche des Halteabsatzes, welche am Befestigungsabsatz der Rotorscheibe zur Anlage kommt. Die Haltefläche als Rotationsfläche weist hierbei analog an einer jeweiligen axialen Position einen Halteradius auf. Weiterhin kann ein mittleren Halteradius der Haltefläche bestimmt werden, welcher in der Mitte der Haltefläche in axialer Richtung gegeben ist.
  • Bestimmungsgemäß können somit die im Rotorbauteil auftretenden Fliehkräfte zumindest anteilig über den Halteabsatz in der Anlage der Haltefläche an der Stützfläche auf den Befestigungsabsatz übertragen werden.
  • Während im Stand der Technik üblicherweise die Haltefläche und die Stützfläche von einer übereinstimmenden Rotationsfläche gebildet werden und insofern der Halteradius und der Stützradius übereinstimmen, wird erfindungsgemäß nunmehr der Halteradius kleiner als der Stützradius ausgeführt. Dabei hat es sich hinsichtlich der Erzielung höchster Belastungsfähigkeit gezeigt, dass ein Halteradius mit mindestens dem 0,99-fachen Stützradius und zugleich mit maximal dem 0,9995-fachen Stützradius erfindungsgemäß von besonderem Vorteil gegenüber den bekannten Ausführungen aus dem Stand der Technik ist. D.h. zulässig ist eine Abweichung des kleineren Halteradius gegenüber dem größeren Stützradius um maximal 1% wobei demgegenüber die Abweichung zumindest 0,5‰ beträgt.
  • Die Gegenüberstellung von Stützradius und Halteradius erfolgt jeweils an gleicher axialer Position, d.h. entsprechend der Anlage der Haltefläche an der Stützfläche.
  • Um eine in radialer Richtung und in Umfangsrichtung mehr oder weniger geradlinige Ausführung des Rotorbauteils zu ermöglichen ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rotorbauteil einen sich axial durch das Rotorbauteil erstreckenden Durchbruch erhält. Dabei ist der Durchbruch radial außerhalb des Halteabsatzes, d.h. somit auch der Haltefläche, anzuordnen. Weiterhin ist vorgesehen, dass sich der Durchbruch in Umfangsrichtung ungefähr über die halbe Breite des Rotorbauteils erstreckt. Dies wird als gegeben angesehen, wenn die Breite des Durchbruchs zumindest der 0,25-fachen Breite des Rotorbauteils in Umfangsrichtung beträgt, demgegenüber jedoch die Breite des Durchbruchs nicht größer als die 0,75-fachen Breite des Rotorbauteils in Umfangsrichtung gewählt ist. Betrachtet wird hierbei die Breite an gleicher radialer Position.
  • Die erfindungsgemäße Ausführung des Rotorbauteils mit einem Halteradius, welcher geringfügig kleiner als der Stützradius gewählt ist, unter Einbringung des Durchbruchs führt in der Kombination zu dem besonderen Vorteil der hohen Belastungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem Halteabsatz und dem Befestigungsabsatz. Einerseits ermöglicht der Durchbruch eine stärke Verformung des Rotorbauteils und anderseits wird die Verformung durch die unterschiedlichen Radien von Haltefläche und Stützfläche kompensiert. Dieses führt im Ergebnis dazu, dass eine gleichmäßigere Anlage der Stützfläche an die Haltefläche mit gleichmäßigen Druckspannungen erzielt werden kann gegenüber dem Versuch ohne Durchbruch eine passende Geometrie zu ermitteln.
  • Die Realisierung eines erfindungsgemäßen Rotors mittels erfinderischer Gestaltung des Rotorbauteils mit einem Halteabsatz mit einem abweichenden, kleineren Radius gegenüber der Stützfläche des Befestigungsabsatzes an der Rotorscheibe und unter Einbringung eines Durchbruchs wird zugleich ein neuartiges erfindungsgemäßes Rotorbauteil geschaffen, welches die zuvor definierten Eigenschaften aufweist.
  • Besonders vorteilhaft ist die Gestaltung des Halteabsatzes des Rotorbauteils, wenn der Halteradius mit zumindest dem 0,999-fachen des Stützradius gewählt wird. Dieses führt zu einer vorteilhaften Auslegung insbesondere in der Verwendung bei einem Rotor einer Gasturbine.
  • Die Breite des Durchbruchs entsprechend ungefähr der halben Breite des Rotorbauteils wird besonders vorteilhaft erzielt, wenn sich der Durchbruch über zumindest der 0,4-fachen Breite des Rotorbauteils in Umfangsrichtung erstreckt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei analog, wenn sich der Durchbruch über maximal die 0,6-fache Breite des Rotorbauteils erstreckt.
  • Eine vorteilhafte Spannungsverteilung wird erzielt, wenn sich der Durchbruch mit zunehmendem Radius vergrößert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer Ansicht in axialer Richtung auf das Rotorbauteil die beiden in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten einen Winkel von ungefähr 45° einschließen. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn sich die Breite von einer ersten radialen Position zu einer zweiten größeren radialen Position um zumindest dem 0,75-fachen der Differenz des zweiten Radius und des ersten Radius vergrößert, d.h. B2 >= B1 + 0,75 x (R2 - R1). Demgegenüber sollte sich die Breite jedoch nicht zu abrupt vergrößern. Hierzu sollte sich die Breite von einer ersten radialen Position zu einer zweiten größeren radialen Position um höchstem dem 1,25-fachen der Differenz des zweiten Radius und des ersten Radius vergrößern, d.h. B2 <= B1 + 1,25 x (R2 - R1). Bei dieser Betrachtung sind großzügige Abrundungen in den Ecken des Durchbruchs zu vernachlässigen.
  • Die Stützfläche und die komplementäre Haltefläche können im Längsschnitt betrachtet unterschiedlich ausgeführt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich jeweils um zylindrische Flächen. Dieses erleichtert die Fertigung und sichert eine definierte Lage der Bauteile relativ zueinander. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch die Spannungsverteilung im Befestigungsabsatz und dem Halteabsatz. Weiterhin ist es denkbar, die Stützfläche und die komplementäre Haltefläche ballig oder (entlang der axialen Richtung) kurvenförmig auszuführen. Nachteilig ist in diesem Fall jedoch die Herstellung der Flächen bei Einhaltung geringster Toleranzen. Daher hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Stützfläche und die komplementäre Haltefläche als Abschnitt einer Kegelfläche, d.h. konisch ausgeführt werden.
  • Bei Verwendung einer konischen Stützfläche sowie einer konischen Haltefläche ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel des definierenden Kegels zwischen 30° und 90° beträgt. D.h. der Winkel zwischen der Stützfläche bzw. der Haltefläche und der Rotorachse beträgt vorteilhaft zwischen 15° und 45°. Besonders vorteilhaft ist die Gestaltung des Befestigungsabsatzes mit der Stützfläche und des Halteabsatzes mit der Haltefläche, wenn ein Öffnungswinkel von zumindest 45° gewählt wird. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel maximal 75° beträgt.
  • Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Abstand vom Halteabsatz zum Durchbruch im Verhältnis zur Breite des verbleibenden Steges neben dem Durchbruch nicht zu groß wird. Ausgehend von einer Stegbreite als Abstand vom Durchbruch bis zum nächstliegenden Seitenrand in Umfangsrichtung und einem Bezugspunkt in der Mitte der Haltefläche ist es daher vorteilhaft, wenn der Abstand von der Haltefläche bis zum Durchbruch in radialer Richtung nicht größer ist als die Stegbreite. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der radiale Abstand zwischen dem 0,25-fachen und dem 0,75-fachen der Stegbreite beträgt.
  • Die erfindungsgemäße Ausführung des Rotorbauteils mit einer Haltefläche, welche eine gegenüber der Stützfläche geringfügig kleineren Radius aufweist, in Kombination mit einem Durchbruch kann besonders vorteilhaft angewendet werden, wenn das Rotorbauteil eine im Wesentlichen flache sich in Umfangsrichtung und radial erstreckende Gestalt aufweist. Insofern treten im Rotorbauteil bei einwirkender Fliehkraft innerhalb des Rotorbauteils vorwiegend Zugspannungen und nur untergeordnete Biegespannungen auf. Beispielsweise sind die Zugspannungen in diesem Fall zumindest doppelt so groß wie die Biegespannungen. Dabei erstreckt sich der Halteabsatz im Wesentlichen in axialer Richtung.
  • Zur Befestigung des Rotorbauteils am Rotor über Abstützung der Fliehkräfte vom Halteabsatz auf den Befestigungsabsatz ist es weiterhin von Vorteil, wenn sich das Rotorbauteil gegenüberliegend zum Halteabsatz mit einem inneren, zur Rotorachse weisenden Randabschnitt am Rotor abstützen kann. Hierzu weist wahlweise die Rotorscheibe einen umlaufenden, von einer Stirnseite der Rotorscheibe bzw. vom Befestigungsabsatz beabstandeten Ringvorsprung auf. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der entsprechende Ringvorsprung an einer zur Rotorscheibe benachbarten zweiten Rotorscheibe angeordnet ist. Zumindest bildet der entsprechende Ringvorsprung an der Rotorscheibe bzw. der zweiten Rotorscheibe eine zum Befestigungsabsatz weisende Anlagefläche auf, an der der innere Randabschnitt der Rotorbauteile zur Anlage kommt und sich in axialer Richtung abstützen kann.
  • Die erfindungsgemäße Ausführungsform eignet sich in besonders vorteilhafter Weise bei einer Rotorscheibe, an der eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete Laufschaufeln angebracht werden können. Hierzu weist die Rotorscheibe im Umfang verteilt eine Mehrzahl die Rotorscheibe axial durchdringende Schaufelhaltenuten auf. Die Schaufelhaltenuten werden hierbei auf einer Stirnseite der Rotorscheibe durch die im Umfang verteilt angeordneten Rotorbauteile zumindest abschnittsweise abgedeckt.
  • In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausführungsform für einen Rotor im Bereich der Verbindung zwischen Rotorbauteil und Rotorscheibe skizziert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    In der Fig. 1 wird im Längsschnitt abschnittsweise die Rotorscheibe sowie das daran befestigte Rotorbauteil skizziert;
    Fig. 2
    die Fig. 2 zeigt die Anordnung mit der Rotorscheibe und dem Rotorbauteil in einem Schnitt quer zur Rotorachse.
  • In der Fig. 1 wird schematisch in einem Längsschnitt durch die Rotorachse durch die Rotorscheibe 01 und das Rotorbauteil 11 im Bereich der Verbindung zwischen dem Rotorbauteil 11 und der Rotorscheibe 01 skizziert. Zu erkennen ist die Rotorscheibe 01 mit einer sich am radial äußeren Umfang befindlichen Schaufelhaltenut 02. Diese 02 ist bestimmt zur Aufnahme von Laufschaufeln (hier nicht dargestellt). Die Rotorscheibe 01 weist hierbei einen Befestigungsabsatz 04 auf, welcher 04 sich in Umfangsrichtung und in axialer Richtung erstreckt und auf der zur Rotorachse weisenden Seite eine Stützfläche 05 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird rein exemplarisch die Stützfläche 05 leicht geneigt und leicht ballig ausgeführt skizziert. In der Regel kann als einfache taugliche Gestalt eine konische Form der Stützfläche gewählt werden. Weiterhin weist die Rotorscheibe 01 beabstandet vom Befestigungsabsatz 04 einen umlaufenden, sich radial auswärts erstreckenden Ringvorsprung 07 auf. Insofern bildet sich in diesem Ausführungsbeispiel unterhalb des Befestigungsabsatzes 04 und hinter dem Ringvorsprung 07 eine umlaufende Nut.
  • Weiter zu erkennen ist das Rotorbauteil 11, welches 11 an der Rotorscheibe 01 befestigt ist. Hierzu weist das Rotorbauteil 11 einen Halteabsatz 14 auf, welcher 14 sich ebenso in Umfangsrichtung und axial erstreckt. Analog bildet der Halteabsatz 14 eine Haltefläche 15, welche 15 auf der radial auswärts weisenden Seite angeordnet ist. Hierbei ist sind die Haltefläche 15 sowie die Stützfläche 05 komplementär zueinander aufgeführt. Der Halteabsatz 14 ist nahe dem zur Rotorachse weisenden Ende des Rotorbauteils 11 angeordnet, wobei sich am Ende auf der zur Rotorachse weisenden Seite ein innerer Randabschnitt 17 befindet. Dieser 17 liegt hierbei axial an dem Ringvorsprung 07 der Rotorscheibe 01 an. Bei entsprechenden Fliehkräften aufgrund der Rotation des Rotors führt die Abstützung des Rotorbauteils 11 über den Halteabsatz 14 mit der Haltefläche 15 an der Stützfläche 05 des Befestigungsabsatzes 04 zu einem Moment im Rotorbauteil 11, welches über die Anlage des inneren Randabschnitts 17 am Ringvorsprung 07 abgestützt wird.
  • Von wesentlicher Bedeutung sind die Geometrien der Stützfläche 05 sowie der Haltefläche 15, wobei diese in axialer Richtung betrachtet über eine Auflagebreite 10 aneinander anliegen. D.h., diejenigen Flächen des Befestigungsabsatzes 04 bzw. des Halteabsatzes 14, welche über die Auflagebreite 10 aneinander anliegen werden als Stützfläche 05 sowie die Haltefläche 15 betrachtet. Hierbei weist die Stützfläche 05 als Rotationsfläche um die Rotorachse einen Stützradius 06 auf. Demgegenüber wird die Haltefläche 15 des Rotorbauteils 11 ebenso als Abschnitt einer Rotationsfläche ausgeführt weist entsprechend einen Halteradius 16 auf. Zur jeweiligen Gegenüberstellung wird der Stützradius 06 und der Halteradius 16 an gleicher axialer Position bestimmt. Von wesentlicher Bedeutung ist es nun, dass der Halteradius 16 kleiner ist als der Stützradius 06 und somit die Rotationsachse der Haltefläche 15 beabstandet zur Rotorachse positioniert ist.
  • Weiterhin weist das Rotorbauteil 11 als wesentlich für die Lösung einen das Rotorbauteil 11 in axialer Richtung durchdringenden Durchbruch 12 auf. Dieser 12 ist radial außerhalb des Halteabsatzes 14 angeordnet. Vorteilhaft wird dabei der Durchbruch 12 in einem bestimmten mittleren Abstand 23 in radialer Richtung von der Mitte der Haltefläche 15 angeordnet.
  • Hierzu skizziert die Fig. 2 nochmals die Anordnung mit der Rotorscheibe 01 und dem Rotorbauteil 11 in einem Schnitt quer zur Rotorachse durch den Befestigungsabsatz 04 und dem Halteabsatz 14, betrachtet in Richtung von der Rotorscheibe 01 wegweisend. Zu erkennen ist hierbei das Rotorbauteil 11 mit dem inneren Randabschnitt 17, welcher 17 axial am Ringvorsprung 07 anliegt.
  • Wesentlich für die Erfindung ist nunmehr die Betrachtung der auf der zur Rotorachse weisenden Seite an dem Befestigungsabsatz 04 angeordneten Stützfläche 05 mit dem hier dargestellten Stützradius 06 in Verbindung mit dem Halteabsatz 14, welcher 14 radial auswärts weisend die Haltefläche 15 mit dem Halteradius 16 aufweist. Zu erkennen ist (übertrieben dargestellt), dass hier vorgesehen ist, dass der Halteradius 16 einen geringeren Wert aufweist als es dem gegenüberliegenden entsprechenden Stützradius 06 entspricht.
  • Diese Gestalt, mit der zunächst in Umfangsrichtung betrachtet nicht vollflächigen Anlage der Haltefläche 15 an der Stützfläche 05 führt bei hohen Fliehkräften aufgrund einer entsprechenden Rotation des Rotors zu einer gleichmäßigen Auflagespannung zwischen den beiden Flächen 05, 15.
  • Radial außerhalb des Halteabsatzes 14 befindet sich der Durchbruch 12, wobei entsprechend beidseitig des Durchbruchs 12 zwei Stege am Rotorbauteil verbleiben. Der Durchbruch 12 trägt seinerseits zur gleichmäßigen Auflagespannung zwischen Haltefläche 15 und Stützfläche 05 bei. Dazu ist vorgesehen, dass der Durchbruch 12 eine Breite 22 in Umfangsrichtung aufweist, welche ungefähr der halben Breite 21 des Rotorbauteils 11 entspricht. Entsprechend verbleiben beidseitig Stege mit einer Stegbreite 24. Hinsichtlich der Positionierung des Durchbruchs ist dabei vorteilhaft zu berücksichtigen, dass der radiale Abstand 23 von der Mitte der Haltefläche 15 bis zum Durchbruch 12 nicht größer ist als die Stegbreite 24.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass sich der Durchbruch 12 bei zunehmendem Radius aufweitet. Zur optimalen Spannungsverteilung ist es vorteilhaft, wenn der Winkel zwischen der Seitenflanke des Durchbruchs in Umfangsrichtung und der radialen Mittelachse ungefähr 20° beträgt. Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass am oberen Ende der Seitenflanke und am unteren Ende der Seitenflanke großzügige Abrundungen vorgesehen werden.

Claims (16)

  1. Rotor mit einer Rotorachse und mit einer Rotorscheibe (01), welche (01) einen umlaufenden Befestigungsabsatz (04) mit einer zu einer Rotorachse weisenden um die Rotorachse rotierenden Stützfläche (05) aufweist, und mit mehreren im Umfang verteilt angeordneten Rotorbauteilen (11), welche (11) jeweils einen Halteabsatz (14) mit einer zur Stützfläche (05) komplementären einem Abschnitt einer Rotationsfläche bildenden Haltefläche (15) aufweisen, wobei in jedem Querschnitt senkrecht zur Rotorachse die Stützfläche (05) einen Stützradius (06) und die Haltefläche (15) ein Halteradius (16) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Halteradius (16) mindestens dem 0,99-fachen und maximal dem 0,9995-fachen Stützradius (06) entspricht, wobei das Rotorbauteil (11) radial außerhalb der Haltefläche (15) einen Durchbruch (12) aufweist, welcher (12) eine Breite (22) von zumindest dem 0,25-fachen und maximal dem 0,75-fachen der Breite (21) des Rotorbauteils (11) in Umfangsrichtung aufweist.
  2. Rotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Halteradius (16) mindestens dem 0,999-fachen Stützradius (06) entspricht.
  3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Breite (22) des Durchbruchs (12) zumindest der 0,4-fachen und/oder maximal der 0,6-fachen Breite (21) des Rotorbauteils (11) in Umfangsrichtung entspricht.
  4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Durchbruch (12) mit zunehmendem Radius verbreitert, wobei die Differenz der Breite in Umfangsrichtung zwischen dem 0,75-fachem und dem 1,25-fachen der Differenz in radialer Richtung beträgt.
  5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stützfläche (05) und die Haltefläche (06) konisch ausgeführt sind, wobei der Öffnungswinkel zwischen 30° und 90° beträgt.
  6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Abstand (23) in radialer Richtung von der Mitte der Haltefläche (15) bis zum Durchbruch (12) maximal dem Abstand (24) vom Durchbruch (12) bis zum Rand in Umfangsrichtung des Rotorbauteils (11) entspricht.
  7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Rotorbauteil (11) eine sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung und radial erstreckende Gestalt aufweist, wobei sich der Halteabsatz (14) in axialer Richtung erstreckt.
  8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rotorscheibe (01) und/oder eine zur Rotorscheibe (01) benachbarte zweite Rotorscheibe einen von der Stirnseite der Rotorscheibe (01) beabstandeten umlaufenden Ringvorsprung aufweist und dass das Rotorbauteil (11) auf der zur Rotorachse weisenden Seite einen inneren Randabschnitt (17) aufweist, wobei sich der innere Randabschnitt (17) gegenüberliegend zum Halteabsatz (14) am Ringvorsprung (07) axial abstützt.
  9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rotorscheibe (01) eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete axial durchdringende Schaufelhaltenuten (02) aufweist und die Rotorbauteile (11) die Schaufelhaltenuten (02) auf einer Stirnseite der Rotorscheibe zumindest abschnittsweise abdecken.
  10. Rotorbauteil (11) zur Verwendung bei einem Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend einen Halteabsatz (14) mit einer zur Stützfläche (05) der Rotorscheibe (01) komplementären einem Abschnitt einer Rotationsfläche bildenden Haltefläche (15), wobei in jedem Querschnitt senkrecht zur Rotorachse die Haltefläche (15) ein Halteradius (16) aufweist,
    gekennzeichnet durch
    einen radial außerhalb der Haltefläche (15) angeordneten Durchbruch (12), welcher (12) eine Breite (22) von zumindest dem 0,25-fachen und maximal dem 0,75-fachen der Breite (21) des Rotorbauteils (11) in Umfangsrichtung aufweist,
    wobei der Halteradius (16) mindestens dem 0,99-fachen und maximal dem 0,9995-fachen des bestimmungsgemäßen Stützradius (06) entspricht.
  11. Rotorbauteil (11) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Halteradius (16) mindestens dem 0,999-fachen des bestimmungsgemäßen Stützradius (06) entspricht.
  12. Rotorbauteil (11) nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Breite (22) des Durchbruchs (12) zumindest der 0,4-fachen und/oder maximal der 0,6-fachen Breite (21) in Umfangsrichtung entspricht.
  13. Rotorbauteil (11) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich der Durchbruch (12) mit zunehmendem Radius verbreitert, wobei die Differenz der Breite in Umfangsrichtung zwischen dem 0,75-fachem und dem 1,25-fachen der Differenz in radialer Richtung beträgt.
  14. Rotorbauteil (11) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Haltefläche (06) konisch ausgeführt ist, wobei der Öffnungswinkel zwischen 30° und 90° beträgt.
  15. Rotorbauteil (11) nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Abstand (23) in radialer Richtung von der Mitte der Haltefläche (15) bis zum Durchbruch (12) maximal dem Abstand (24) vom Durchbruch (12) bis zum Rand in Umfangsrichtung entspricht.
  16. Rotorbauteil (11) nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Rotorbauteil (11) eine sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung und radial erstreckende Gestalt aufweist, wobei sich der Halteabsatz (14) in axialer Richtung erstreckt.
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