DE2002465A1 - Abstandshalter fuer Turbinenschaufeln - Google Patents
Abstandshalter fuer TurbinenschaufelnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung für einen Abstandshalter für Turbinenschaufeln, um ein Schaufelblatt fest
in radialer Richtung in einer Aussparung der Rotorscheibe zu halten.
Turbinenschaufeln werden üblicherweise an der Rotorscheibe in einer Aussparung befestigt, die so eingerichtet ist, daß sie
die Schaufel bezüglich einer radialen Bewegung verriegelt. Wo die Laufschaufeln groß sind, beispielsweise im Falle von Lu fbkompressoren
mit hohem By-pass, werden im allgemeinen ineinander
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verzahnte Laufschaufelhüllen verwendet, um eine übermäßige
Durchbiegung der Schaufeln zu verhindern und die Vibration au
dämpfen. Um das Herausnehmen und das Wiedereinsetzen einer solchen mit einer Hülle versehenen Laufschaufel aus der zueanonengebauten
Rotorscheibe zu fördern, kann es notwendig sein, Jede Aussparung in radialer Richtung zu vergrößern, so daß eine Laufschaufel
genügend weit in radialer Richtung bewegt werden kann» um von der benachbarten Laufschaufelhülle freizukommen.
Wo solche in radialer Richtung verlängerten Aussparungen verwendet
werden, wird es notwendig, eine Vorrichtung vorzusehen, um Jede Schaufel radial fest in ihrer jeweiligen Aussparung zu
halten, um das Auswuchten des Rotors zu fördern und Klopfen und relative Bewegung zwischen aneinander stoßenden Oberflächen der
Schaufel und der Scheibe zu verhindern, welche den Verschleiß erhöhen können.
Obwohl zahlreiche Vorrichtungen als Abstandshalter für Laufschaufeln
vorgeschlagen wurden, sind solche Vorrichtungen gewöhnlich sehr kompliziert und kostspielig und werden aus einem metallischen
Material hergestellt, das im Betrieb ein Pressen erzeugen kann oder während der Installation und der Demontage die
Oberfläche der Laufschaufel und der Aussparung beschädigen kann. Weiterhin sind diese bekannten Vorrichtungen oft nur brauchbar
in einer Aussparung mit sehr engen Toleranzen, sie geben keine zufriedenstellende positive radiale Halterung für die Laufschaufeln
nach längerem Gebrauch und ergeben oft nur eine Unterstützung in einem beschränkten Bereich, was zu einer Konzentration
des Verschleißes neigt.
Ein Hauptziel der Erfindung ist es daher, einen wirtschaftlichen Abstandshalter für Laufschaufeln von Turbomaschinen mit vereinfachter
Konstruktion zu liefern, welcher die obigen Probleme überwindet.
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2Q02465
Kurz gesagt liefert die Erfindung einen Abstandshalter in Form
eines verlängerten Schaftes aus einem elastischen Material mit geringer Verformung (low-set material), der einen Querschnitt
besitzt, der sich an die Form des Hohlraums zwischen der unteren Oberfläche der Laufschaufel und der Aussparung anpaßt. Die ra
diale Dicke des Schaftes ist im Übermaß hergestellt relativ zu
der radialen Höhe der Aussparung, so daß nach dem Einfügen in
die Aussparung eine radial nach außen gerichtete Kraft Regen die
untere Oberfläche der Laufschaufelwurzel ausgeübt wird, die aus
reichend 1st, um die Laufschaufel so in radialer Richtung in der
Aussparung der Rotorscheibe zu verriegeln, daß sie an dieser Aussparung anliegt. Es sind Vorrichtungen vorgesehen, um den
Schaft in der Aussparung in eine vorbestimmte Lage zu bringen, sowie Vorrichtungen zur Förderung der Einführung und des Herausnehmens des Schaftes.
Erfindungsgemäß wird ein Abstandhalter zur Verwendung in einer
Turbomaschine vorgesehen, die eine rotierende Scheibe mit min destens einer an ihrem Umfantr ausgebildeten Aussparung enthält,
wobei in der Aussparung der Wurzelteil einer Laufschaufel mit der Aussparung in Eingriff steht und die Laufschaufel sich im
allgemeinen in radialer Richtung von der Scheibe aus erstreckt und die Aussparung und der Wurzelteil so bemessen und ausge
bildet sind, daß die Laufschaufel gegen die Zentrifugalkraft so an der Scheibe befestigt 1st, daß sie an der Scheibe anliegt
und dabei die untere Oberfläche des Wurzelteils der Laufschaufel
einen Abstand'von der unteren Oberfläche der Aussparung bildet,
wobei ein freier Raum zwischen diesen beiden gebildet wird. Die
Anordnung weist erfindungsgemäß einen Abstandshalter für die
Laufschaufel auf, der durch seine Elastizität jede Laufschaufel in die in radialer Richtung verriegelte Stellung drängt. Der
Abstandshalter für die Laufschaufel ist dabei gekennzeichnet
durch einen verlängerten Schaft aus elastischem Material mit geringer Verformung und mit einer Querschnittsform, die im all
gemeinen der Querschnittsform dieses freien Durchlaßkanals ent- splcht. Die radiale Dicke des Schaftes weist dabei ein vorbe-
stlmmtes Übermaß bezüglich der radialen Höhe des freien Durch-
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-H-
laßweges auf. Dadurch wird eine radial ausgerichtete Kraft gegen die Laufschaufel ausgeübt,.wenn der Schaft in den freien Durchlaßweg
eingeführt wird.
Nachstehend wird eine lediglich als beispielhafte Ausführungsform zu betrachtende Form des erfindungsgemäßen Abstandshalters
im Zusammenhang mit den Abbildungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Teilschnitt einer beispielhaften Kompressorrotorscheibe,
welche den erfindungsgemäßen Abstandshalter für die Laufschaufel verwendet.
Fig. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1. Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2.
Fig. H ist eine perspektivische Ansicht des Abstandshalters
für die Laufschaufeln entsprechend Fig. 1.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht in vergrößertem Maßstab von dem Abstandshalter für Laufschaufeln nach Fig. H.
Fig. 6 ist eine Ansicht längs der Linie 6-6 der Fig. 5.
In der Fig. 1 ist der Kompressorteil eines Turbokompressortriebwerks
allgemein mit 10 bezeichnet. Der Kompressorteil umfaßt ein kreisringförmiges Scheibenteil 12, das an seinem Umfang
eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufenden Kompressorlaufschaufeln
IH trägt. Die Scheibe 12 ist in zweckmäßiger Weise zur Drehung über eine kurze Welle 16 mit einer
Welle 15 verbunden.
Wie am besten aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich, ist Jede Laufschaufel lH mit einem Profilteil 18, einem Plattformteil 20,
einem Wurzelteil 22 und einem Hüllenteil 2H versehen. Der Hüllenteil besteht aus einem sich am Umfang erstreckenden Sektor 26
mit einer im allgemeinen "S"-förmig oder "Z"-förmiK austrebil-
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deten radialen Kante 28, welche an der angrenzenden radialen Kante 28 des Hüllenteils jeder vorhergehenden und folgenden
Laufschaufel anliegt und mit ihr in Eingriff steht.
Die Kompressorscheibe 12 ist an ihrem Umfang mit einer Vielzahl von in Abständen am Umfang angeordneten und sich in einer allgemein
axialen Richtung erstreckenden Aussparungen 30 versehen,
die jeweils so beschaffen sind, daß sie den Wurzelteil 22 einer Laufschaufel^ axial aufnehmen können. Man erkennt am besten aus
Fig. 2, daß die Aussparungen 30 und die Wurzelteile 22 der Laufschaufeln
14 so ausgebildet sind und zusammenwirken, daß sie die
Laufschaufel 14 gegen die Zentrifugalkraft verriegeln. Obwohl, die Wurzelteile 22 der Laufschaufeln 14 und die Aussparungen 30
in Schwalbenschwanzform gezeigt werden, können selbstverständlich andere räumliche Ausgestaltungen, wie z. B. eine Tannenbaumform
oder ähnliche Formen verwendet werden.
Man wjrd verstehen, daß zum Einbau, zum Ausbau oder zum Auswechseln
einer einzelnen Laufschaufel 14 des gezeigten Typs mit ineinandergreifenden Hüllen 24 die Aussparungen 30 in radialer
Richtung mit Übermaß hergestellt werden müssen, so daß zwischen der unteren Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel 22 und der unteren
Oberfläche 36 der Aussparung 30 ein Durchlaß 32 mit einer radialen Höhe gebildet wird, die größer ist als die radiale
Dicke der Laufschaufelabschnitte 26, wenn die Laufschaufel, wie in Fig. 2 gezeigt, in der Stellung für radiale Verriegelung aufliegt.
Bei solch einer mit einem Übermaß versehenen Aussparung 30 kann eine einmal eingebaute Laufschaufel 14 bequem aus einer
vollständig zusammengebauten Kompressorseheibe 12 herausgenommen werden, indem die Laufschaufel 14 in radialer Richtung so
lange nach innen abgesenkt wird, bis aneinander angrenzende Hüllensektoren 26 außer Eingriff gebracht sind, um dann die
Laufschaufeln 14 in axialer Richtung aus der Aussparung 30 herauszuschieben. Die ursprüngliche Installation oder der Austausch
einer Laufschaufel können leicht durch Umkehrung der obigen Arbeitsschritte erreicht werden.
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Wenn sie einmal in den Aussparungen 30 in der Scheibe eingesetzt
sind, können die Laufschaufeln 14 in axialer Richtung gegen Bewegung nach außen und nach innen durch geeignete Nabenteile
gesichert werden, indem diese, wie bei 38 und bei 40 angedeutet, in geeigneter Weise an der Scheibe 12 befestigt werden,
wie es bei 42 bzw. 44 angegeben ist.
Das erfindungsgemäße Abstandsstück 46 ist vorgesehen, um Jede Laufschaufel4 in ihrer in radialer Richtung verriegelten Lage
bezüglich der zugehörigen Aussparung 30 zu erhalten, so daß die Auswuchtung der fertigen Rotorscheibe 12 gefördert wird und während
der Drehung des Kompressors ein Pressen oder Verschleiß durch Reibung verhindert wird. Wie am besten aus den Pig. 4,
und 6 ersichtlich, 1st der Laufschaufel-Abstandshalter 46 mit einem im allgemeinen kompakten schaftförmigen Teil 48 ausgebildet,
der einen Querschnitt besitzt, welcher allgemein an den axialen Querschnitt des Durchlasses 32 angepaßt ist. Der
Schaftteil 48 wird mit einem im allgemeinen Zentrum angeordneten Hohlraum 50 ausgebildet (die Funktion dieses Hohlraums
wird untenstehend erläutert), welcher vorzugsweise sich nicht durch den gesamten Schaftteil 48 erstreckt.
Die radiale Dicke "X" des Abstandshalter-Schaftteils 48 entsprechend
Fig. 5 ist um einen vorgegebenen Betrag größer als die radiale Höhe des Durchlaßweges 32. Wenn daher der Abstandshalter
46 in den Durchlaßweg 32, wie in Fig. 1 gezeigt, eingesetzt wird, wird er zwischen den Oberflächen 34 und 36 der
Laufschaufel bzw. der Scheibe radial zusammengepreßt. Dies wirkt dahingehend, daß die Laufschaufel 14 mit einer vorgegebenen
Kraft so radial nach außen gedrängt wird, daß sie an ' der Aussparung 30 anliegt. Selbstverständlich ändert sich die
Größe des Übermaßes in radialer Richtung in Abhängigkeit vom Gewicht der Laufschaufel 14, der radialen Höhe des Durchlaßweges
32 und der Eigenschaften des Materials, aus dem der Abstandshalber
46 gebildet 1st. Es wurde Jedoch beispielsweise gefunden, daß bei einem Gewicht der Laufschaufel 1Ί von etwa
5 kg (10 lbs) und einer radialen Höhe des DurchlaÄweges 32 von
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etwa |2 mm (0,5 Zoll) ein Übermaß von etwa 2,5 mm (0,1 Zoll) zufriedenstellende
Ergebnisse liefert.
Der Abstandshalter 46 wird vorzugsweise als Formteil aus einem
elastischen nicht-metallischen Material mit geringer Verformung hergestellt. Beispielsweise wurden mehrere handelsmäßig erhältliche
Polyurethanverbindungen zufriedenstellend verwendet.
Ein solches Material hat eine maximale Verformung (set) in der Größenordnung von 3 Xi es können jedoch Materialien mit einer
etwas höheren maximalen Verformung verwendet werden. Um die Einführung des Abstandsstücks 46 zu fördern, hat das Material
vorzugsweise einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Alternativ dazu können die äußeren Oberflächen des Schaftteils 48 geschmiert
werden oder mit einem dünnen Film von Material mit niedriger Reibung, wie Polytetrafluoräthylen, versehen werden. Als weiteres
Hilfsmittel zur Einführung des Abstandsstücks kann das vordere Ende 52, wie bei 54 gezeigt, verjüngt ausgebildet werden.
Es können positive Anschlagstücke vorgesehen werden, um den Abstandshalter
46 automatisch In der richtigen axialen Stellung in dem Durchlaß 32 anzubringen. Beispielswelse kann das hintere
Ende 56 des Schaftes 48 in Form eines Integralen Anschlagflansches
58 ausgebildet werden, der an der Scheibe 12 anliegt.
Nachstehend wird die Verwendung, die Arbeitsweise und Funktion des erfindungegemößen Abstandsstückes für Laufschaufeln beschrieben.
Wenn die Laufschaufel 14, wie In den Flg. 1 und 2 gezeigt, in
die Jeweilige Aussparung 30 eingesetzt ist, kann der Abstandshalter 46 bequem dadurch in den Durchlaßweg 32 eingebracht werden,
daß ein geeignetes Einführungswerkzeug in den Hohlraum 50 so eingeführt wird, daß es an der Endfläche 60 des Hohlraums anliegt.
Die Endfläche 60 des Hohlraums 50 befindet sich vorzugsweise in der Nähe des Schaftendes 52. Wenn daher das Einführungswerkzeug mit einer entsprechenden Kraft gegen den Boden 60 des
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Hohlraums 50 gedrückt wird, treten in dem Schaft 48 Zugkräfte auf, welche eine geringe Verlängerung des Schaftes und eine
Verringerung der radialen Dickenabmessung "X" bewirken. Dieser Effekt zusammen mit der Verjüngung 54 und der geringen Reibung
der äußeren Oberfläche des Schaftteils 48 ermöglicht es, den Abstandshalter 46 leicht in seinen Durchlaß 32 einzuführen.
Durch das Vorhandensein einer Anschlagvorrichtung, wie des Anschlagflanschansatzes
58, stellt sich die richtige axiale Lage des Abstandhalters 46 in dem Durchlaßweg 32 automatisch ein,
wenn der Anschlagflansch an der Scheibe 12, wie in Fig. 1 gezeigt, anliegt. Zusätzlich dazu dient der Anschlagflansch 58,
wie nachstehend erörtert, als Hilfsmittel bei dem Herausziehen des Abstandshalters 46.
Wenn der Schiebedorn oder das Einführungswerkzeug aus"dem Hohlraum
50 entfernt wird, versucht der Schaftteil 48, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren und verursacht eine radial nach
außen gerichtete Kraft auf die untere Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel
und preßt dadurch die Laufschaufel in eine radial verriegelte Lage, in der sie an den Wandflächen der Aussparung
30 anliegt·
Durch die Verwendung eines elastischen Materials mit geringer
"Verformung und die richtige Auswahl der radialen Dicke I1X" des
Schaftteils 48 kann der Abstandshalter 46 in Durchlaßwegen 32 mit einer großen Schwankung der radialen Höhe verwendet werden,
wie man sie im allgemeinen bei Turbokompressortriebwerken mit großem Durchmesser antrifft, und dadurch wird die Notwendigkeit
zur Einhaltung enger Toleranzen für die Teile oder für Beilagsstücke beseitigt.
Besonders wenn Titanlegierungen für die Rotorscheibe und/oder die Laufschaufel verwendet werden, ist es bei Turbokompressoren
mit großem Durchmesser erwünscht, an den aneinanderliegenden Oberflächen der Laufschaufel und der Aussparung der Rotorscheibe
überzüge zur Verhinderung des Fressens bis zu einer Stärke von
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etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) oder sogar darüber hinaus vorzusehen. j
Obwohl der erfindungsgemäße Abstandshalter das Fressen oder den Verschleiß solcher überzüge beträchtlich verringert, stellt sich
bei längerem Gebrauch trotzdem eine gewisse Abtragung des Materials ein, welche dazu neigt, die radiale Höhe des Durchlaßweges
32 zu vergrößern. Ungeachtet eines solchen Materialverschleißes wird der erfindungsgemäße Abstandshalter 46 für die
Laufschaufel aurch richtige Auswahl der radialen Dicke "X" des Schaftteils 48 weiter eine genügend große Kraft gegen die untere
Oberfläche 34 der Laufschaufelwurzel ausüben, um die Laufschaufel
in radialer Richtung fest verriegelt zu halten, so daß sie fest an ihrer jeweiligen Aussparung 30 anliegt. Dadurch wird der beträchtliche
Verschleiß und das Pressen vermieden, welche sonst auftreten würden, wenn beispielsweise die Zentrifugalkraft infolge
der Drehung des Kompressorrades nicht ausreichend ist, um die Laufschaufel in radialer Richtung festzuhalten.
Ein tragendes Aneinanderliegen über im wesentlichen der ganzen Umfangsbreite der unteren Oberfläche 34 der Laufschaufel wird
dadurch bewerkstelligt, daß der Schaft 48 mit einem axialen Querschnitt ausgebildet wird, der sich im allgemeinen an den
axialen Querschnitt des Durchlaßweges 32 anpaßt, wie in Fig. 2
gezeigt. Dadurch wird eine Pendelbewegung der Laufschaufel erschwert.
Das Abstandsstück 46 und damit die Laufschaufeln 14 können dadurch
herausgenommen werden, daß ein Zug auf den Anschlagflansch 58 ausgeübt wird und in einigen Fällen eine Zugkraft
auf den Schaftteil 48 mit dem Einführungswerkzeug. Wenn der Abstandshalter auf diese Weise entfernt wurde, kann die Laufschaufel
14 in radialer Richtung soweit nach innen abgesenkt werden, daß ihre Hüllenabschnitte 26 von den benachbarten
Hüllenabschnitten freikommen und die Laufschaufel kann dann in axialer Richtung aus der Aussparung herausgenommen werden.
Die Ausbildung von Kratzern oder Riefen in der Rotorscheibe
oder dem Laufschaufelwurzelteil, welche die Lebensdauer jedes
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der Teile ernsthaft beeinträchtigen könnte, tritt während der Einführung oder des Herausnehmens des Abstandshalters 46 nicht
auf, da der Schaft aus einem elastischen nicht-metallischen Material
ausgebildet ist. Zusätzlich dazu wird hierdurch irgendein Verschleiß infolge einer geringfügigen relativen Bewegung
zwischen dem Abstandsstück und der Laufschaufel oder der Rotorscheibe beträchtlich verringert.
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße
Abstandshalter für Laufschaufeln ein relativ einfaches und wirtschaftliches Mittel liefert, um eine Laufschaufel einer
Turbomaschine fest in radialer Richtung in der Aussparung in der Rotorscheibe zu halten, so daß ein Fressen und ein Verschleiß
verringert werden, sotrar wenn die Aussparung große Toleranzabweichungen
aufweist oder sich nach längerem Gebrauch vergrößert.
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Claims (1)
- Ansprücheί 1.JLaufechaufel-Abstandshalter zur Verwendung In Turbomaschinen, welche eine sich drehende Scheibe mit mindestens einer an ihrem Umfang ausgebildeten Aussparung und eine Laufschaufel mit einem in die Aussparung eingreifenden Wurzelteil enthalten, welche sich in im allgemeinen radialer Richtung von der Scheibe aus erstreckt, wobei die Aussparung und der Wurzelteil solche Abmessungen und eine solche Form aufweisen, daß sie die an der Scheibe anliegende Laufschaufel in radialer Richtung gegen die Zentrifugalkraft an der Scheibe festhalten, wobei die untere Oberfläche des Wurzelteils einen Abstand von der unteren Oberfläche der Aussparung aufweist und dadurch ein Durchlaßwep; zwischen diesen beiden Flächen gebildet wird, wobei der Abstandshalter dazu dient, die Laufschaufel in die in radialer Richtung verriegelte Lage zu drücken, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufechaufel-Abstandshalter (46) einen verlängerten Schaft (48) aus elastischem Material mit geringer Verformung (low-set) enthält und einen Querschnitt besitzt, der eich im allgemeinen an den Querschnitt des Durchlaßweges (32) anpaßt, und die radiale Dicke (X) des Schaftes (-48) um ein vorgegebenes Maß größer ist als die radiale Höhe des Durchlaßweges (32), wodurch gegen die Laufschaufel (I1O eine radial nach außen gerichtete Kraft ausgeübt wird, wenn der Schaft (48) in den Durchlaßweg (32) eingeführt wird.2. Laufschaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaft (48) mit einem in axialer Richtung verlaufenden, an einem Ende des Schaftes offenen Hohlraum (50) ausgebildet ist, wobei dieser Hohlraum (50) in einer Stellung (60) in geringem Abstand vom anderen Ende des Schaftes (48) endet, wodurch der Schaft (48) leicht dadurch in den Durchlaßweg (32) eingeführt werden kann, daß auf die Endwand (60) des Hohlraums (50) eine axial gerichtete Kraft ausgeübt wird.009831/1132.3· Laufechaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ende (52) des Schaftee (48) eine Verjüngung (54) aufweist, um das Einführen des Schaftes in den Durchlaßweg (32) zu fördern.4. Laufschaufel-Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Anschlagvorrichtung (58) zur Einstellung der axialen Lage des Schaftes (48) in dem Durchlaßweg (32) aufweist.5. Laufechaufel-Abetandshalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlagvorrichtung (58) einen Anschlagflansch umfaßt, der so beschaffen ist, daß er an der Scheibe (12) anliegt und einen integralen Beetandteil des Schaftes (48)"an einem Ende (56) bildet.6. Laufechaufel-Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er die in der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten Merkmale enthalt.009831/1132
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