DE19828817C2 - Rotor für eine Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Turbomaschine, mit wenigstens zwei be­ schaufelten Stufen, deren Scheiben lösbar miteinander verbunden sind.

Rotoren von Turbomaschinen weisen im allgemeinen mehrere, mit Schaufeln verse­ hene Stufen auf, deren Scheiben auf unterschiedliche Weise, z. B. durch Schweißen oder lösbar durch Verschrauben, miteinander verbunden sind. Vorliegend werden lediglich lösbar miteinander verbundene Stufen betrachtet.

Bei einem bekannten Rotor weisen die Scheiben sich im wesentlichen in Axialrich­ tung erstreckende, zylindrische oder kegelförmige Schalen auf, an deren Endab­ schnitten jeweils scheibenringförmige Flansche vorgesehen sind, an welchen be­ nachbarte Scheiben mit Schrauben, Stehbolzen od. dgl. verbunden sind. Sofern eine Zwischenstufendichtung nicht in den Schalen integriert ist, wird sie jeweils zwischen den Flanschen eingeklemmt. Eine derartige Verbindungsart läßt sich lediglich bei Komponenten mit verhältnismäßig niedriger Umfangsgeschwindigkeit, wie z. B. lang­ sam laufende Niederdruckturbinen, einsetzen, da die auftretenden Fliehkräfte bei für hohe Umfangsgeschwindigkeiten ausgelegten Scheiben zu hohe Umfangsspannun­ gen in der Flanschverbindung erzeugen. Die Bohrungen in den Flanschen stellen lo­ kale Spannungserhöhungen verursachende Kerbstellen dar und schränken die zykli­ sche Lebensdauer des Bauteils stark ein.

Die DE 196 27 386 A1 offenbart eine Verbindungs-Anordnung für zwei Turbinen- Laufradscheiben, die jeweils Scheiben-Verbindungsarme mit Durchsteckbohrungen aufweisen, in welche besonders ausgestaltete Gewindebolzen zur Verbindung der Laufradscheiben eingesetzt werden. Insbesondere bei hohen Umfangsgeschwindig­ keiten erweist sich als nachteilig, daß eine radiale Aufweitung der Flanschverbindung infolge der Fliehkraftwirkung auftritt.

Aus der DE 34 44 586 A1 ist eine Laufradanordnung in einer Gasturbine bekannt, bei der die Scheiben zweier benachbarter beschaufelter Stufen durch eine Flanschver­ bindung mit Gewindebolzen lösbar miteinander verbunden sind, wobei in den Flan­ schen Bohrungen zur Aufnahme der Gewindebolzen vorgesehen sind. Nachteilig da­ bei ist, dass die Bohrungen in den Flanschen Kerbstellen darstellen, die zu lokalen Spannungserhöhungen und einer Lebensdauerbegrenzung führen.

Bei schnellaufenden Niederdruckturbinen sind bspw. an den Zwischenstufendichtun­ gen zusätzliche, sich radial nach innen erstreckende Scheiben vorgesehen worden. Auf diese Weise soll die radiale Aufweitung so begrenzt werden, daß die entstehen­ den Umfangsspannungen infolge der Fliehkraftwirkungen auf einem niedrigen Niveau gehalten werden und die geforderte zyklische Lebensdauer erreicht wird. Die zusätz­ lichen Scheiben führen jedoch zu erheblichen Gewichtsnachteilen und Problemen bei der Montage.

Bei einem weiteren bekannten Rotor weist eine Scheibe Bohrungen auf, durch wel­ che sie mit benachbarten Scheiben, die zylindrische oder kegelförmige Schalen mit Flanschen aufweisen, durch Verschrauben verbunden wird. Der Scheibenkörper be­ grenzt die radiale Aufweitung der Verbindungsstelle infolge von Fliehkraftwirkung. Problematisch ist jedoch, daß die Bohrungen in dem hochbelasteten Scheibenkörper lebensdauerbegrenzende Kerbstellen darstellen.

Aus der US 4,844,694 ist eine Verbindung von Rotorelementen einer Gasturbine bekannt, bei der die an der Verbindungsstelle liegende Scheibe eine Bohrung zum Einsetzen eines Bolzens aufweist, wobei die Bohrungen in dem hochbelasteten Scheibenkörper lebensdauerbegrenzende Kerbstellen darstellen. Letztgenannter Nachteil ist auch bei der in der US 5,052,891 offenbarten Bolzenverbindung zwi­ schen Rotorelementen einer Gasturbine gegeben, bei welcher in der an der Verbin­ dungsstelle liegenden Scheibe eine Bohrung für die Bolzenverbindung vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Turbomaschine der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem die Scheiben lösbar miteinan­ der verbunden werden, ohne daß extreme Spannungserhöhungen durch Kerbstellen in der Scheibe auftreten.

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine er­ ste Scheibe an wenigstens einer ihrer beiden Seitenflächen einen ersten Flansch aufweist, der mit einem zweiten Flansch einer benachbarten Scheibe durch Bolzen verbunden bzw. verspannt ist.

Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, daß die radiale Aufweitung der Flanschverbindung durch den Scheibenkörper begrenzt wird, die Scheibe selbst jedoch keine Bohrungen bzw. Kerbstellen aufweist, welche die zum Teil extrem ho­ hen, lokalen Spannungserhöhungen verursachen.

Bevorzugt erstreckt sich der erste Flansch mit axialem Abstand zur Seitenfläche der ersten Scheibe unter Bildung eines Zwischenraums radial nach innen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Flansch als Scheibenring ausgebil­ det, der entlang seiner inneren Stirn- bzw. Umfangskante Aussparungen aufweist.

Bevorzugt sind die Aussparungen nach innen geöffnet, damit die durch die Bolzen erzeugte Fliehkraft durch die Randfläche der Aussparungen aufgenommen werden kann.

Ferner ist vorteilhaft, daß die Aussparungen äquidistant entlang der Umfangskante angeordnet sind.

Zur Reduzierung der Kerbwirkung kann zwischen den Aussparungen jeweils eine Bohrung, ein Langloch oder eine weitere Aussparung vorgesehen werden.

Höchst bevorzugt ist ein Flanschabschnitt einer Zwischenstufendichtung jeweils zwi­ schen dem ersten und zweiten Flansch eingeklemmt, wobei der Flanschabschnitt der Zwischenstufendichtung bevorzugt zu den Aussparungen des ersten Flansches fluchtende Bohrungen aufweist, welche die Bolzen in Radialrichtung bei der Montage fixieren.

Es ist ferner zweckmäßig, daß die Bolzen an ihren der ersten Scheibe zugewandten Enden einen sich rechtwinklig zu ihrer Längsachse erstreckenden Querabschnitt aufweisen, mit dem sie sich an einer inneren Seitenfläche des ersten Flansches ab­ stützen. Bevorzugt sind die Bolzen T-Kopf-Bolzen.

Bevorzugt ist der Abstand des ersten Flansches zur Seitenfläche der ersten Scheibe möglichst gering, jedoch größer als die Stärke des Querabschnitts des Bolzens, um eine Druckstelle an der hochbelasteten, ersten Scheibe zu vermeiden.

Höchst bevorzugt weist der Flansch einer benachbarten Scheibe an seinem radial inneren Ende einen sich im wesentlichen in Axialrichtung erstreckender Stützab­ schnitt auf, an dem sich der Querabschnitt der Bolzen abstützt, um so eine Verdreh­ sicherung der Bolzen zu schaffen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Scheibe an beiden Seitenflächen einen ersten Flansch auf, so daß sich auf diese Weise auch die Scheiben von Roto­ ren mit mehr als zwei Stufen lösbar verbinden lassen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht im Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungs­ gemäßen Rotors, die zur besseren Übersicht keine Schraffur aufweist.

Fig. 2 eine gebrochene Querschnittsansicht gemäß Linie II-II aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine gebrochene Ansicht im Längsschnitt eines weiteren Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Rotors.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors für eine Turbomaschine, der drei Stufen aufweist. Die Stufen sind jeweils mit einer Schaufel 1, 2 und 3 sowie einer ersten Scheibe 4 und zwei benachbarten Scheiben 5, 6 versehen. Die erste Scheibe 4 weist an ihren beiden Seitenflächen 7, 8 jeweils einen Flansch 9 bzw. 10 auf. Die Flansche 9, 10 erstrecken sich mit einem axialen Abstand A von ihren inneren Seitenflächen 11, 12 zu den Seitenflächen 7, 8 der ersten Scheibe 4. Auf diese Weise ist zwischen der ersten Scheibe 4 und den Flanschen 9, 10 ein Zwischenraum Z, der in Radialrichtung nach innen geöffnet ist. Der Abstand A ist möglichst klein zu halten, um die radiale Aufweitung der Flansche 9, 10 bzw. der Flanschverbindung durch den Körper der Scheibe 4 zu begrenzen.

Zur lösbaren Verbindung benachbarter Scheiben 5, 6 greift ein Querabschnitt 13 ei­ nes (Schrauben-)Bolzens 14 in den Zwischenraum Z ein und stützt sich nach dem Verspannen/Verschrauben jeweils an der inneren Seitenfläche, wie z. B. 12, des Flansches 10 ab.

Die zur mittleren, ersten Scheibe 4 benachbarten Scheiben 5, 6 weisen jeweils sich im wesentlichen in Axialrichtung erstreckende, zylindrische Schalen 16 auf, die auch kegelförmig ausgebildet sein können. Die Schalen 16 besitzen an Ihren zu den Scheiben 5, 6 entfernten Enden jeweils einen zweiten Flansch 17, der jeweils mit den Flanschen 9, 10 der ersten Scheibe 4 durch (Schrauben-)Bolzen 14 od. dgl. fest ver­ spannt wird. An die zweiten Flansche 17 der Scheiben 5, 6 schließt sich jeweils ein im wesentlichen in Axialrichtung verlaufender Stützabschnitt 18 an, an dem sich die Querabschnitte 13 der Bolzen 14 abstützen können, wodurch ein Verdrehen der Bol­ zen 14 verhindert wird. So wird sichergestellt, daß beim Montieren bzw. Anziehen der (Schrauben-)Bolzen 14 keine Druckstellen an den hochbelasteten, ersten Schei­ ben 4 auftreten.

Zwischen den Flanschen 9, 10 der ersten Scheibe 4 und den Flanschen 17 der bei­ den benachbarten Scheiben 5, 6 ist jeweils eine Zwischenstufendichtung 19 mit ih­ rem Flanschabschnitt 20 eingespannt und lösbar befestigt. Die Zwischenstufendich­ tungen 19 können alternativ auch integral an den Scheiben 5, 6 oder deren Schalen 16 angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt eine ausgeschnittene und gebrochene Querschnittsansicht gemäß Linie II-II aus Fig. 1, in deren oberem Teilausschnitt der Flansch 9 in einer Draufsicht dar­ gestellt ist. Der Flansch 9 ist als Scheibenring ausgebildet, an dessen innerer Stirn­ fläche bzw. Umfangskante 21 in Radialrichtung nach innen geöffnete, schlitzartige Aussparungen 15 vorgesehen sind. In eine Aussparung 15 ist ein (Schrauben-)Bolzen 14 eingesetzt, dessen Querabschnitt 13 gestrichelt dargestellt ist. Nach dem Mon­ tieren stützt sich dieser an der inneren Seitenfläche 11 des Flansches 9 ab. Um ein Verdrehen des (Schrauben-)Bolzens 14 bei der Montage zu verhindern, stützt sich dessen Querabschnitt 13 zudem an dem Stützabschnitt 18 der Schale 16 der be­ nachbarten Scheibe 5 ab. Zwischen den Aussparungen 15 ist jeweils eine Bohrung 22 zur Entlastung vorgesehen, welche den Kerbfaktor infolge der Aussparung 15 herabsetzt. Alternativ können die Bohrungen 22 auch als Langlöcher, weitere Aus­ sparungen od. dgl. ausgebildet sein.

In dem unteren Teilausschnitt aus Fig. 2 ist der scheibenringförmig ausgebildete Flanschabschnitt 20 der Zwischenstufendichtung 19 dargestellt, der Bohrungen 23 aufweist. Die Bohrungen 23 fluchten mit den Aussparungen 15 in den Flanschen 9, 10 der ersten Scheibe 4 ebenso wie entsprechende Bohrungen 24 in den zweiten Flanschen 17 von den zur ersten Scheibe 4 benachbarten Scheiben 5, 6. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Bohrungen 23 in dem Flanschabschnitt 20 der Zwischenstu­ fendichtung 19 radial nach innen geöffnet, wobei ihr Öffnungsmaß kleiner als ihr Durchmesser ist, um so eine radiale Fixierung der (Schrauben-)Bolzen 14 bei der Montage zu gewährleisten. Alternativ können die Bohrungen 23 auch als geschlos­ sene Bohrungen ausgebildet sein.

Weist ein Rotor mehr als drei Stufen auf, so wird jede zweite Stufe mit einer wenig­ stens einen Flansch 9 bzw. 10 aufweisenden ersten Scheibe 4 versehen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors, bei dem der Radius R an dem Übergang zwischen der inneren Seitenfläche 8 der ersten Scheibe 4 und dem Flansch 10 bzw. dessen innerer Seitenfläche 12 aus Festigkeits­ gründen vergrößert ist. Da als Folge der Abstand A zwischen der Seitenfläche 8 der ersten Scheibe 4 und der inneren Seitenfläche 12 des Flansches 10 größer ist, weist der (Schrauben-)Bolzen 14 einen Scherungsring oder Bund 25 auf, der auf einer äu­ ßeren Seitenfläche 26 des Flansches 10 aufliegt und eine axiale Verschiebung des (Schrauben-)Bolzens 14 verhindert, damit die Querabschnitte 13 bei der Montage nicht gegen die erste Scheibe 4 gedrückt werden und ihre Sicherung gegen Verdre­ hen verlieren.

Claims (13)

1. Rotor für eine Turbomaschine, mit wenigstens zwei beschaufelten Stufen, deren Scheiben (4, 5, 6) lösbar miteinander verbunden sind, wobei eine erste Scheibe (4) wenigstens an einer Seitenfläche (7, 8) einen mit seiner inneren Seitenfläche (11, 12) möglichst gering dazu beabstandeten, ersten Flansch (9, 10) aufweist, der mit einem zweiten Flansch (17) einer benachbarten Scheibe (5, 6) durch jeweils einen Querabschnitt (13) aufweisende Bolzen (14) verbunden ist, und wobei sich die Querabschnitte (13) nach dem Montieren an der inneren Seitenfläche (11, 12) des ersten Flansches (9, 10) abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flansch (9, 10) der ersten Scheibe (4) als Scheibenring ausgebildet ist, der entlang seiner inneren Umfangskante (21) radial nach innen geöffnete Aussparungen (15) aufweist und der zweite Flansch (17) an der benachbarten Scheibe (5, 6) einen sich im wesentlichen in Axialrichtung erstreckenden Stützabschnitt (18) aufweist, an dem sich die Querabschnitte (13) der Bolzen (14) abstützen.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Flansch (9, 10) mit axialem Abstand (A) zur Seitenfläche (7, 8) der ersten Scheibe (4) radial nach innen erstreckt.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (15) äquidistant angeordnet sind.

4. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Scheibenring zwischen den Aussparungen (15) je­ weils eine Bohrung oder Aussparung (22) aufweist.

5. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der zweite Flansch (17) einer benachbarten Scheibe (5, 6) zu den Aussparungen (15) des ersten Flansches (9, 10) fluchtende Bohrungen (24) aufweist.

6. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Flanschabschnitt (20) einer Zwischenstufendichtung (19) jeweils zwischen dem ersten und zweiten Flansch (9, 10 bzw. 17) eingeklemmt ist.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschabschnitt (20) der Zwischenstufendichtung (19) zu den Aussparungen (15) des ersten Flansches (9, 10) fluchtende Bohrungen (23) aufweist.

8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (23) die Balzen (14) in Radialrichtung fixieren.

9. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Bolzen (14) an ihren der ersten Scheibe (4) zugewandten Enden einen sich rechtwinklig zu ihrer Längsachse erstreckenden Querabschnitt (13) aufweisen.

10. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Bolzen (14) T-Kopfbolzen sind.

11. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der axiale Abstand (A) des ersten Flansches (9, 10) zur Seitenfläche (7, 8) der ersten Scheibe (4) größer als die Stärke des Querabschnitts (13) ist.

12. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Bolzen (14) einen Bund (25) aufweist, der sich an eine äußere Seitenfläche (26) des ersten Flansches (9, 10) abstützt.

13. Rotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die erste Scheibe (4) an beiden Seitenflächen (7, 8) einen er­ sten Flansch (9, 10) aufweist.