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Die
Erfindung betrifft einen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbine, wobei Hohlräume
im Bereich der Schaufelhälse
zwischen benachbarten Schaufeln vorgesehen sind, die durch Ausnehmungen
in gegenüberliegenden
Seiten benachbarter Schaufelhälse
gebildet sind.
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Rotoren
mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt scheibenförmiger oder
ein im Querschnitt ringförmiger
Rotor bzw. Rotorträger
(im Folgenden Rotorgrundkörper
genannt) vorhanden ist, als Blisk bzw. Bling. Blisk ist die Kurzform
von Bladed Disk und Bling von Bladed Ring.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, bei Rotoren mit integraler
Beschaufelung Rotorgrundkörper
und Schaufeln separat herzustellen und anschließend durch Reibschweißen miteinander
zu verbinden. Um das Gewicht der Rotoren zu verringern, sind Leichtbauweisen
mit Hohlräumen
im Bereich der Schaufelhälse
vorgesehen. In separat hergestellten Schaufeln sind Ausnehmungen
in den in Umfangsrichtung weisenden Seiten vorgesehen. Bei der Herstellung
des Rotors werden die vorgefertigten Schaufeln zu einem Schaufelkranz
angeordnet, wobei die Ausnehmungen in den Schaufelhälsen benachbarter
Schaufeln gegenüber
liegen und somit zwischen benachbarten Schaufeln einen Hohlraum ausbilden,
der mit dem Anschweißen
des Rotorgrundkörpers
an die Schaufeln verschlossen und unzugänglich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen integral beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine
zu schaffen, der eine verbesserte Kontrollmöglichkeit bei Wartungsarbeiten
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen integral beschaufelten
Rotor für
eine Strömungsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbine, gelöst.
Im Bereich der Schaufelhälse
sind Hohlräume zwischen
benachbarten Schaufeln vorgesehen, die durch Ausnehmungen in gegenüberliegenden
Seiten benachbarter Schaufelhälse
gebildet sind. Von jedem Hohlraum verläuft eine Inspektionsöffnung radial
nach innen, die von außen
zugänglich
ist und eine Untersuchung des Hohlraums von außen ermöglicht. Auf diese Weise wird
eine Inspektion des Hohlraums ermöglicht, während der Hohlraum in den axialen Richtungen
und in der radial nach außen
verlaufenden Richtung möglichst
gut abgedichtet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die Inspektionsöffnungen
durch Dichtungselemente verschlossen. Nachdem eine Inspektion der Hohlräume, beispielsweise
nach der Herstellung des Rotors oder in Wartungsintervallen, durchgeführt wurde,
können
die Inspektionsöffnungen
somit verschlossen werden.
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Die
Dichtungselemente können
zylinderförmig
sein. Dies ermöglicht
eine einfache Geometrie der Dichtungselemente und der abzudichtenden
Inspektionsöffnung.
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Vorzugsweise
sind die Dichtungselemente aus einem Nickel-Basis-Werkstoff gefertigt.
Dies ermöglicht
eine temperaturbeständige
Ausführung
der Dichtungselemente.
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Die
Dichtungselemente können
beschichtet sein. Somit werden die Oberflächeneigenschaften der Dichtungselemente
verbessert und insbesondere auf die verwendeten Werkstoffe der Schaufeln
angepasst.
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Vorzugsweise
sind die Dichtungselemente separat hergestellte Teile, die durch
Pressverbindung, Formschluss und/oder Schweißen an den Schaufelhälsen angebracht
sind. Auf diese Weise wird eine gute Abdichtung der Inspektionsöffnungen durch
die Dichtungselemente sichergestellt und einem Verrutschen der Dichtungselemente
vorgebeugt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die Dichtungselemente entfernbar an den Schaufelhälsen angebracht.
Dies ermöglicht
eine Inspektion der Hohlräume
zu einem beliebigen Zeitpunkt.
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Die
Dichtungselemente erstrecken sich beispielsweise über die
gesamte axiale Länge
des zugeordneten Schaufelhalses. Somit wird eine Positionierung
des Dichtungselements in axialer Richtung vereinfacht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform mündet jede
Inspektionsöffnung
in einen in axialer Richtung verlaufenden Kanal. Dieser Kanal ermöglicht einen
einfachen Zugang zur Inspektionsöffnung.
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Der
in axialer Richtung verlaufende Kanal kann ein Kühlfluidkanal sein. Dies schafft
eine verbesserte Kühlung
des Grenzbereichs zwischen Rotorgrundkörper und den Schaufelhälsen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
eine Abdeckplatte in axialer Richtung strom-auf- und/oder stromabwärts des Kanals angeordnet.
Die Abdeckplatte oder die Abdeckplatten können den Kanal ganz oder teilweise
abdecken, wodurch beispielsweise eine axiale Bewegung der Dichtungselemente verhindert
oder eingeschränkt
wird.
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Die
Abdeckplatte kann eine Führung
für das Kühlfluid
bilden. Dies ermöglicht
beispielsweise eine Umlenkung des Kühlfluidstroms aus der axialen Richtung
des Kanals in eine radiale Richtung.
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Vorzugsweise
sind die Kanäle
und die Öffnungen
so aufeinander abgestimmt, dass von außen in die Hohlräume hineingesehen
werden kann. Dies ermöglicht
eine einfache Inspektion der Hohlräume mit dem Auge oder einem
Gerät.
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Jede
Schaufel kann über
ein aus einem anderen Material hergestelltes Zwischenstück an dem Rotorgrundkörper angeschweißt sein,
und die Kanäle
können
zumindest zwischen benachbarten Zwischenstücken vorgesehen sein. Durch
die Zwischenstücke
lässt sich
das Fügen
der Schaufeln an den Rotorgrundkörper
vereinfachen, insbesondere wenn die Schaufeln und der Rotorgrundkörper aus
unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, beispielsweise bei
einkristallinen Schaufeln und polykristallinem Rotorgrundkörper oder
bei unterschiedlichen Legierungen, bei denen ein Schmelzschweißverfahren nicht
anwendbar ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind benachbarte Schaufelhälse
durch einen schmalen axial und radial verlaufenden Spalt voneinander
getrennt und die Inspektionsöffnung
durch eine lokale Vergrößerung des
Spaltes gebildet. Dies kann beispielsweise auch bei einkristallinen
Schaufeln der Fall sein, bei denen die Schaufeln nicht durch Schmelzschweißverfahren
verbunden werden können.
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Vorzugsweise
weisen die Schaufelhälse Fortsätze auf,
die gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes Deckband bilden,
wobei das Deckband mit benachbarten Rotoren und Deckbändern einen
in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum bildet, welcher mit
Kühlfluid
durchströmt
wird. Somit wird eine Kühlung
der Rotoren ermöglicht.
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Ein
in axialer Richtung vorderer Zwischenraum und ein hinterer Zwischenraum
können
vorgesehen sein, wobei die in axialer Richtung verlaufenden Kanäle den vorderen
Zwischenraum mit dem hinteren Zwischenraum verbinden. Auf diese
Weise ergibt sich eine Strömung
von Kühlfluid
vom vorderen Zwischenraum in den hinteren Zwischenraum.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Sektor eines erfindungsgemäßen, integral
beschaufelten Rotors mit Inspektionsöffnungen;
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2 eine
Detailansicht des in 1 gezeigten Rotors;
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3 den
Sektor des Rotors aus 1 in einer veränderten
Perspektive;
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4 den
Sektor des Rotors gemäß 3 mit
eingesetzten Dichtungselementen; und
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5 den
Sektor des Rotors gemäß 1 mit
eingesetzten Dichtungselementen.
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Die 1 bis 5 zeigen
einen Sektor eines integral beschaufelten Rotors 10. Der
Rotor 10 weist einen Rotorgrundkörper 12 auf, der in
der gezeigten Ausführungsform
eine Rotorscheibe ist. Der Rotorgrundkörper 12 kann aber
beispielsweise auch ringförmig
sein.
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Der
integral beschaufelte Rotor 10 ist für eine Gasturbine ausgelegt,
wobei er im Turbinenabschnitt oder im Verdichterabschnitt angeordnet
sein kann. Die Erfindung lässt
sich natürlich
auch auf integral beschaufelte Rotoren anderer Strömungsmaschinen anwenden.
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Am
Außenradius
des Rotorgrundkörpers 12 sind
mehrere Schaufeln 14 vorgesehen, die z. B. über separate
Zwischenstücke 16 mit
dem Rotorgrundkörper 12 verbunden
sind.
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Die
Schaufeln 14 sind beispielsweise aus einkristallinen Nickel-Basis-Werkstoffen
gefertigt, die keine Schmelzschweißverfahren erlauben. Eine Schaufel 14 wird
zuerst durch Reibschweißen,
insbesondere Linearreibschweißen,
mit einem Zwischenstück 16 verbunden.
Das Zwischenstück 16 ist
dabei aus einem anderen Material als die Schaufel 14 gefertigt,
beispielsweise aus einem polykristallinen Material. Die Schaufel 14 kann
dann über
das Zwischenstück 16 mit
verschiedenen Verfahren am Rotorgrundkörper 12 befestigt
werden.
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Eine
Schaufel 14 ist wie folgt aufgebaut: radial innen liegend
ist ein Schaufelhals 18 vorgesehen, vom Schaufelhals 18 erstreckt
sich das Schaufelblatt 20 radial nach außen, am äußeren Ende
des Schaufelblatts 20 ist ein äußeres Deckband 22 vorgesehen.
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Der
Aufbau des Schaufelhalses 18 ist in den 3 und 4 besser
zu erkennen. Um das Gewicht des Rotors 10 möglichst
gering zu halten, ist eine Leichtbauweise für den Schaufelhals 18 vorgesehen.
In den Schaufelhälsen 18 sind
dabei auf den in Umfangsrichtung liegenden Seiten Ausnehmungen 24 vorgesehen.
Zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 werden
durch die Ausnehmungen 24 in gegenüberliegenden Seiten der Schaufelhälse 18 Hohlräume 26 gebildet
(siehe 2). Von jedem Hohlraum 26 verläuft eine
Inspektionsöffnung 28 radial
nach innen und mündet
in einen in axialer Richtung verlaufenden Kanal 30. Jeder
Inspektionsöffnung 28 ist
dabei ein Kanal 30 zugeordnet. Die Kanäle 30 sind im Wesentlichen
zwischen benachbarten Zwischenstücken 16 vorgesehen.
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Die
Schaufelhälse 18 weisen
jeweils einen in axialer Richtung vorderen und hinteren Fortsatz 32 auf.
Die Fortsätze 32 bilden
gemeinsam ein in Umlaufrichtung verlaufendes inneres Deckband 34.
Das innere Deckband 34 bildet mit benachbarten Rotoren und
gegebenenfalls axialen Deckbändern
einen in Umfangsrichtung verlaufenden Zwischenraum. Ein solcher
Zwischenraum bildet sich in axialer Richtung vor und hinter dem
Rotorgrundkörper 12 aus,
wobei dieser vordere und hintere Zwischenraum mit Kühlfluid
durchströmt
wird, um den Rotor 10 und insbesondere den Rotorgrundkörper 12 zu
kühlen.
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Die
Kanäle 30 verbinden
den vorderen Zwischenraum mit dem hinteren Zwischenraum und ermöglichen
somit einen Fluss von Kühlfluid
zwischen den beiden Zwischenräumen.
Auf der in axialer Richtung hinteren (stromabwärtigen) Seite des Rotors 10 ist
eine Abdeckplatte 36 angeordnet und am Rotorgrundkörper 12 befestigt.
Die Abdeckplatte 36 bildet eine Führung für das Kühlfluid, wobei das Kühlfluid
in der vorliegenden Ausführungsform
nach dem Durchströmen
der in axialer Richtung verlaufenden Kanäle 30 in radialer
Richtung nach außen
umgelenkt wird. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Abdeckplatte 36 auf
der hinteren Seite des Rotorgrundkörpers 12 vorgesehen.
Eine Abdeckplatte 36 kann natürlich auch auf der vorderen
Seite des Rotorgrundkörpers
oder auf beiden Seiten vorgesehen sein.
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Aufgrund
der Konstruktion der Schaufeln 14 und des Rotors 10 ist
es möglich,
dass zwischen benachbarten Schaufelhälsen 18 schmale axial
und radial verlaufende Spalte 38 (siehe 2)
vorkommen. Die Spalte 38 sind möglichst schmal ausgebildet,
um die Leistungsfähigkeit
der Strömungsmaschine
nicht zu verringern. Die Spalte 38 bilden daher keinen
Zugang zum Hohlraum 26, durch den eine Inspektion des Hohlraums 26 möglich wäre.
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Der
radial innen verlaufende Spalt 38 kann eine lokale Vergrößerung aufweisen,
die die Inspektionsöffnung 28 bildet.
Die Inspektionsöffnung 28 ist gegenüber dem
Spalt 38 bezüglich
ihrer Breite um einen Faktor von mindestens drei vergrößert.
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Die
in 2 gezeigte Detailansicht des Schaufelhalsabschnitts
des Rotors 10 zeigt den Hohlraum 26 und die Inspektionsöffnung 28 vergrößert. Die
Inspektionsöffnung 28 und
der Kanal 30 sind dabei so angeordnet und dimensioniert,
dass von außen
in die Hohlräume 26 hineingesehen
werden kann und somit eine visuelle Inspektion durchgeführt werden
kann. Alternativ können
Inspektionswerkzeuge, beispielsweise eine Lampe, Lichtleiter oder
eine Kamera, durch die Kanäle 30 und
die Inspektionsöffnungen 28 in
die Hohlräume 26 geführt werden.
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In
den 4 und 5 sind die Inspektionsöffnungen 28 durch
Dichtungselemente 40 verschlossen. Die Dichtungselemente 40 sind
zylinderförmig
und aus einem Nickel-Basis-Werkstoff gefertigt, sie können auch
beschichtet sein, beispielsweise mit einer Pulverbeschichtung.
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Die
Dichtungselemente 40 liegen formschlüssig an den Schaufelhälsen 18 an
und verschließen
die Inspektionsöffnung 28.
Um ein Verrutschen der Dichtungselemente 40 zu verhindern,
sind sie z. B. durch eine Pressverbindung, Formschluss, Stoffschluss
oder Befestigungsmittel an den Schaufelhälsen 18 befestigt.
Diese Pressverbindung ist lösbar,
sodass die Dichtungselemente 40 von den Schaufelhälsen 18 entfernbar
sind, insbesondere um einen Zugang zur Inspektionsöffnung 28 zu
ermöglichen.
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Die
Dichtungselemente 40 erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des
Schaufelhalses 18 und der angrenzenden Zwischenstücke 16.
Die Anordnung der Dichtungselemente 40 und der Abdeckplatte 36 ist
so aufeinander abgestimmt, dass eine Bewegung der Dichtungselemente 40 in
axialer Richtung durch die Abdeckplatte 36 beschränkt wird.
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Die
Herstellung des integral beschaufelten Rotors 10 erfolgt
beispielsweise nach dem im Folgenden beschriebenen Verfahren. Die
Schaufeln 14 werden einstückig hergestellt, beispielsweise
durch ein Gussverfahren. Die Zwischenstücke 16 werden beispielsweise
durch Linearreibschweißen
mit den Schaufeln 14 verbunden. Die Schaufeln 14 werden nun
zu einem Schaufelkranz zusammengefügt, wobei die Ausnehmungen 24 in
gegenüberliegenden Seiten
benachbarter Schaufelhälse 18 jeweils
einen Hohlraum 26 bilden. Die Ausnehmungen 24 sind
dabei so ausgeführt,
dass aus der radial innen liegenden Seite eine Inspektionsöffnung 28 in
den Hohlraum 26 gebildet wird. Der Schaufelkranz wird nun mit
dem Rotorgrundkörper 12 verbunden,
und die Kanäle 30 werden
ausgebildet.
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Die
Hohlräume 26 des
integral beschaufelten Rotors 10 werden nach der Verbindung
von Rotorgrundkörper 12 und
Schaufeln 14 bzw. Schaufelkranz über die Inspektionsöffnungen 28 befundet. Nach
erfolgter Inspektion werden die Dichtungselemente 40 an
den Schaufelhälsen 18 angebracht
und verschließen
die Inspektionsöffnungen 28.
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Falls
weitere Inspektionen der Hohlräume 26 zu
späteren
Zeitpunkten möglich
sein sollen, so werden die Dichtungselemente 40 entfernbar
angebracht.
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Die
Abdeckplatte 36 wird zur Führung eines Kühlfluidstroms
durch die Kanäle 30 und
zur Beschränkung
einer axialen Bewegung des Dichtungselements 40 montiert.
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- 10
- Rotor
- 12
- Rotorgrundkörper
- 14
- Schaufel
- 16
- Zwischenstück
- 18
- Schaufelhals
- 20
- Schaufelblatt
- 22
- äußeres Deckband
- 24
- Ausnehmungen
- 26
- Hohlräume
- 28
- Inspektionsöffnung
- 30
- Kanal
- 32
- Fortsätze
- 34
- inneres
Deckband
- 36
- Abdeckplatte
- 38
- Spalt
- 40
- Dichtungselement