NO155159B - Skovl, rotorskive og rotorskive-skovlenhet. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en skovl, en rotorskive og en rotorskive-skovlenhet av den i innledningen til henholdsvis krav 1, 2 og 3 angitte art.

Moderne gassturbinmotorer er den hovedklasse av roterende maskiner hvor den foreliggende oppfinnelse vil bli anvendt. I en gassturbinmotor komprimeres arbeidsmediumgasser i en komprimer-ingsseksjon av motoren og ledes til en forbrenningsseksjon hvor brennstoff blandes med gasser og brennes, hvorved det tilføres energi til det strømmende medium. Høyenergimediet ledes deretter til en turbinseksjon hvor en del av energien trekkes ut og anvendes for drift av motorens kompressor.

Turbinene omfatter et antall alternerende rekker av skovler og statorskovler. Hver rekke av statorskovler leder arbeids-mediumgassene i en foretrukket innfallsvinkel inn i nedstrøms-rekken av skovler. Skovlene trekker i sin tur energi ut av mediumgassene for drift av motorens kompressor. Hver rekke av skovler er montert langs omkretsen av en sirkelformet rotorskive. Kombinasjonene av skovler og rotorskive er kjent som en hjul-enhet. Når en gassturbinmotor er i drift er hjulomløps-hastigheter på over sjutusenfemhundre omløp pr. minutt vanlig.

Hver skovl i hjulenheton har et fotparti som står i inngrep med et festespor i skiven med tilsvarende omriss. Innviklete fotgeometrier er blitt foreslått for overføring av sentripetal-innspenningsbelastninger fra skiven til hver skovl. En mye nyttet geometri beskrives treffende som "grantre"-festing (fir tree attachment). En slik festing er vist i fig. 1, og den foreliggende oppfinnelse vil nedenfor bli beskrevet under henvisning til denne.

En faktor som begrenser levetiden for skovler og rotor-skiver er lavsyklus-utmattingslevetid for materialet som de respektive komponenter er fremstilt av. Hver driftssyklus belaster komponentene til et visst spenningsnivå. Etter at dette har forekommet gjentatte ganger, vil det i hver komponent som har gjennomgått syklusene til sist utvikles utmattings-sprekker. På meget lave spenningsnivåer er antall sykluser før det opptrer sprekker nesten uendelig. På høye spenningsnivåer begrenses antallet sykluser sterkt. Utmattingslevetiden for hver del benevnes dens LCF-levetid (LCF life).

Festingen slik den utføres i de fleste moderne maskiner i dag er vist i fig. 3 (kjent teknikk) som viser en del av en "grantre"-festing. Tennene på skovlfoten står i inngrep med motsvarende fordypninger i. festesporet i rotorskiven. Hver fordypning i skiven er utformet med samme radius. Tilsvarende står tennene i skivesporet i inngrep med tilsvarende fordypninger i skovlfoten. Hver fordypning i foten er utformet med én radius. Den foreliggende oppfinnelse avviker fra den viste kjente teknikk på den måte som vil bli beskrevet nedenfor.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å frembringe tilstrekkelig lav sykluslevetid for turbinskovlføtter og deres tilhørende festespor i rotorskiven. Et biformål er å minimalisere dybden av hver fot og dens motsvarende festespor. Det søkes reduksjoner i nivået av kombinert bøye- og skjærespenning, og et spesifikt mål for å muliggjøre økte radier i området hvor både bøyebelast-ningene og skjærebelastningene bringer materialet ved omkretsen under strekk.

Ifølge oppfinnelsen er dette formål oppnådd med de kjenne-tegnende trekk i henholdsvis krav 1 og 2.

En hovedfordel ved en utførelsesform av oppfinnelsen er forbedret lavsyklus-utmattingslevetid (LCF) ved en ekvivalent fotpartidybde. økning av den første radius og minskning av den andre radius ifølge oppfinnelsen muliggjør en reduksjon av maksimumsspenningen uten tilsvarende økning av fotpartidybden. I andre utførelsesformer kan skivevekten reduseres uten en tilsvarende reduksjon av lavsyklus-utmattingslevetiden. Reduksjon av dybden på fotpartiet minsker mengden materiale i skiven over skivens ledekant.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende ble nærmere forklart ved beskrivelse av den foretrukne utførelsesform under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et forenklet riss av en del av en skovl-rotorskiveenhet. Fig. 2 viser et forstørret riss av en del av festet for fotpartiet av skovlen i fig. 1 utformet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et tilsvarende riss som fig. 2 av et konvensjonelt, kjent fotpartifeste. Fig. 4 viser et forstørret riss av en del av "grantre"-, festet og viser de to krumningsradier i skovlen ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser en del av et turbinhjul 10. Hjulet omfatter en rotorskive 12 og et antall skovler 14 som rager utad fra skiven. Hver skovl har et fotparti 16 og et boreflateparti 18. Hvert fotparti er av "grantre"-typen. Fotpartiet på hver skovl står i inngrep med et tilsvarende formet festspor 20 ved skivens omkrets. Hvert spor i skiven rager nedenfor skovlens fotparti og danner et fothulrom 2 2 mellom skovlen og rotorskiven. Minst én sideplate 24 ligger an mot skiven for opptakelse av skovlene i de tilsvarende spor i skiven. Et antall nagler 26 som løper gjenom tilsvarende fothulrom fester hver sideplate til skiven. "Grantre"-festingen er vist mer detaljert i fig. 2 og 4. Skovlens fotparti 16 er utstyrt med et antall tenner 28 som står i inngrep med skiven. Skivens festespor er på tilsvarende måte utstyrt med et antall tenner 30 som står i inngrep med skovlens fotparti. En motsvarende fordypning 32 i skivesporet opptar hver bladtann. Hver skivetann er opptatt i en motsvarende fordypning 34 i skovlen. Hver fordypning i skiven er utformet med et øvre, eller radialt ytre område 3 6 med en første radius R, og med et nedre, eller radialt indre område 38 med en andre radius P^. Hver skovelfordypning er utformet med et nedre, eller radialt indre område 40 med en første radius R, og med et øvre, eller radialt ytre område 4 2 med en andre radius . Radiene R^ er større enn radiene R2- Fig. 4 viser forholdet mellom radiene R-^ og R2 som danner omrisset av en skiveforskyvning og av en skovlfordypning. Under rotasjon av hjulet tvinger sentrifugalkrefter skovlen radialt utover fra skiven. Sentripetalkrefter utøves av skiven via "grantre"-festingen på skovlen. Tennene på skovlen og rotorskiven utsettes for kombinerte skjær- og bøyekrefter. I de flvre områder 36 av skivefordypningene 32 og i de nedre områder 40 av skovlfordypningene 34 er skjær- og bøyespenningene additative. I de nedre området 3 8 av skivefordypningene og i de øvre områder 12 av skovlfordypningene er bøye- og skjærspenningene motsatte. Sora resultat opptrer maksimale, kombinerte spenninger i områdene "> 6 og 40, nærmere, bestemt nær stedene S. "Grantre"-festingen ifølge den foreliggende oppfinnelse er vist i sammenlikning med en kjent "grantre"-festing i fig, 2 og <7>. Maksimal spenning ved omkretsen av skovlmaterialet og ved omkretsen av skivematerialet i områdene med høyest konsentrasjon S er nesten like. Det er derfor vist en utførelsesform av oppfinnelsen som muliggjør redusert fotpartidybde D. Den ?eduserte fotpartidybde er muliggjort ved anvendelse av de kombinerte radier som danner skivefordypningene 32 og skovlfordypningene 34. Fordypningene er dannet med større radier R^ i områdene med høy spenningskonsentrasjon S. De mindre radier anvendes i områdene med lavere spenningskonsentrasjon. Mengden dødt materiale over rotorskivens ledekant er direkte proporsjonal med fotens dybde D. Reduksjon av fotdybden muliggjør konstruksjon av en rotorskive med lavere vekt. deduksjon av fotdybden muliggjør også økt skovlbelastning i -kiven ved utførelseformer som krever et stort antall skovler på •-••n rotorskive med forholdsvis liten diameter. Skovlene kan være anordnet nærmere hverandre mens det likevel bibeholdes tilstrekkelig materiale ved skivens omkrets.

I andre utførelsesformer resulterer oppfinnelsen i reduserte maksimalspenninger ved samme skovldybde D. I en slik ut førelseform økes radiene i forhold til de som er vist i fig. 2, mens radiene R_ holdes konstant.

Claims (3)

1. Skovl med et bæreflateparti (18), et fotparti (16) og et antall fordypninger (34) som hver har et krummet basisparti i fotpartiet for inngrep med et skovlinnspenningsorgan, karakterisert ved at det krummete basisparti er utformet i et første område (40) med en første krummingsradius (R^) og i et andre område (42) med en andre, mindre krummingsradius (R2) i et område, på fordypningenes krummete basisparti som er nærmere skovlens bæreflateparti (18) enn det første området (40).

2. Rotorskive. (12), omfattende et skovlfestespor (20) i omkretsens randoverflate for inngrep med skovlens fotparti (16), hvor skovlfestesporene (20) innbefatter et antall fordypninger (32) som hver har et krummet basisparti, karakterisert ved at det krummete basisparti er utformet i et første område (36) med en første krumningsradius (R-^) og i et andre område (38) med en andre mindre krummingsradius (R2) hvor det første området (36) er nærmere rotorskiveomkretsens randoverflate enn det andre området (38).

3. Rotorskive-skovlenhet omfattende en rotorskive (12) og et antall skovler (14) som rager radialt utad fra rotorskiven, hvor hver skovl (14) har et bæreflateparti (18) og et fotparti (16), hvor fotpartiet (16) er utstyrt med et antall tenner (28) og et antall fordypninger (34) hver med et krummet basisparti, og rotorskiven (12) har et antall skovlfestespor 2 0 i rotorskivens omkretsrand, hvert skovlfestespor (20) har et antall tenner (30) som rager i inngrep med korresponderende fordypninger (34), i skovlfotpartiet (16) og et antall fordypninger (32), hver med et krummet basisparti, innrettet for å motta korresponderende skovltenner (28), karakterisert ved at det krummete basisparti til hver skovlfotseksjonsfordypning (34) er utformet i et første område (40) med en første krummingsradius (R-^) og i et andre område (42) med en andre, mindre krummingsradius (R2) i et område av fordypningens (34) krummete basisparti som er nærmere skovlens bæreflateparti (18) enn det første området (40), og hver av festesporfordypningenes krummete basisparti er utformet i et første område (36) med en første krummingsradius (R-^) og et andre område med en andre, mindre krummingsradius (R2K hvor det første området (36) er nærmere rotorskiveomkretsens randflate enn det andre området.