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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorscheibe einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, umfassend mehrere zwischen Rotorscheibenhöckern ausgebildete Längsprofile zur Aufnahme von Laufschaufelfüßen.
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Rotorscheiben von Strömungsmaschinen, insbesondere von Gasturbinen, sind die Trägerbauteile für Laufschaufeln. Rotorscheiben können als Rotorgrundkörper bezeichnet werden. Die Laufschaufelfüße der Laufschaufeln können mittels unterschiedlicher Ausführungsformen mit den Rotorscheiben verbunden werden. Eine bekannte Ausführungsform sind zahlreiche am radial äußeren Endbereich der Rotorscheiben angeordnete Rotorscheibenhöcker. Die Laufschaufelfüße weisen eine zu den Rotorscheibenhöckern passende formschlüssige Geometrie auf.
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Die Rotorscheiben mit den Rotorscheibenhöckern sollten möglich gewichtsreduziert optimiert konstruiert sein, um einen wirtschaftlichen Betrieb mit beispielsweise einem geringen Treibstoffverbrauch zu ermöglichen. Gleichzeitig muss eine hohe Betriebssicherheit gegen einen Ausfall durch Materialbruch oder Materialermüdung gewährleistet sein.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rotorscheibe mit Rotorscheibenhöckern vorzuschlagen, die gewichtsoptimiert ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Rotorscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Rotorscheibe für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen, die mehrere zwischen Rotorscheibenhöckern ausgebildete Längsprofile zur Aufnahme von Laufschaufelfüßen umfasst. Die Rotorscheibe kann ein Rotorgrundkörper sein oder als ein solcher bezeichnet werden. Die Strömungsmaschine kann ein Flugtriebwerk, insbesondere eine Gasturbine sein. Die Längsprofile können als Aufnahme für Laufschaufelfüße bezeichnet werden. Die Längsprofile können Nuten, Aussparungen oder eine Zahnprofilierung aufweisen.
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Die Aufnahme der Laufschaufelfüße in den Längsprofilen kann eine Befestigung oder Verankerung der Laufschaufelfüße in der Aufnahme umfassen.
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Die Rotorscheibenhöcker weisen Materialaussparungen zur Gewichtsreduktion der Rotorscheibe auf, die im Wesentlichen in Axialrichtung oder in eine zur Axialrichtung (a) geneigte Richtung ausgerichtet sind. Die Axialrichtung entspricht im Wesentlichen der Durchströmungsrichtung der Strömungsmaschine. Die Rotorscheibenhöcker - und entsprechend die Längsprofile oder Nuten - können in Axialrichtung (a) oder in eine zur Axialrichtung (a) geneigte Richtung verlaufen. Die Rotorscheibenhöcker umfassen alternativ oder zusätzlich zu den Materialaussparungen Erhebungen zur Stabilisierung Laufschaufelfüße und/oder zur Erhöhung der Dichtwirkung des durchströmenden Mediums der Strömungsmaschine. Die Erhebungen können Stege sein oder als solche bezeichnet werden.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.
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Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.
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Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.
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Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Materialaussparungen stirnseitig von den Rotorscheibenhöckern sacklochförmig ausgebildet. Eine sacklochförmige Ausbildung der Materialaussparung hat gegenüber axial einer durchgängigen Ausbildung den Vorteil, dass die Dichtwirkung nicht beeinträchtigt wird. Bei einer durchgängigen Ausbildung könnte das Durchströmungsmedium durch diese durchgängige Ausbildung hindurchströmen und beispielsweise zu Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten führen.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Erhebungen in zumindest bereichsweise ausgebildeten Nuten der Rotorscheibenhöcker angeordnet. Diese Nuten können dazu ausgebildet sein, um die Laufschaufelfüße formschlüssig aufzunehmen und stabil zu verankern. Die Nuten können lasttragende und nicht lasttragende Bereiche bei montierten Laufschaufelfüßen im Betrieb der Strömungsmaschine umfassen. In nicht lasttragenden Bereichen kann eine Profilierung der Oberfläche durch Materialentnahmen erfolgen, sodass eine oder mehrere Erhebungen, sozusagen als nicht entnommenes Material, das Profil ausbilden kann. Diese Erhebungen können vorteilhaft die Dichtwirkung aufrechterhalten, analog zu den bereits diskutierten vorteilhaften Sacklöchern gegenüber offenen Durchgangslöchern. Die Erhebungen können zusätzlich eine Versteilung der Verbindung der Laufschaufelfüße in den Profilen mit den Rotorscheibenkörpern bewirken.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind eine, zwei, drei oder mehr Erhebungen entlang einer Nut angeordnet. Je nach Anforderungen an die Dichtigkeit, an die Stabilität oder aber an eine Gewichtsreduktion können mehr oder weniger Erhebungen nach einer Materialentnahme in den Nuten verbleiben und entsprechend konstruktiv ausgestaltet werden.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Profile der Rotorscheibenhöcker als sogenannte Schwalbenschwanzprofile ausgebildet.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Erhebungen zumindest teilweise entlang eines radialen Endbereichs der Rotorscheibenhöcker angeordnet. Dieser Endbereich wird als Rotorscheibenhöckerdachbereich oder vereinfacht Höckerdachbereich der Rotorscheiben bezeichnet. Die oben genannten Vorteile der Erhebungen gelten analog für diesen Höckerdachbereich.
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In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind die Rotorscheibenhöcker im Wesentlichen mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens, abgekürzt als ECM Verfahren (englisch: Electro Chemical Machining), hergestellt. Das ECM Verfahren kann gegenüber einem materialabtragenden Verfahren, z. B. dem Fräsen, aufgrund größerer konstruktiver Gestaltungsfreiheiten vorteilhaft sein. Beispielsweise ist bei der Anwendung des ECM Verfahrens keine Translationssymmetrie in Achsrichtung notwendig.
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Mittels der erfindungsgemäßen Rotorscheibe ist es vorteilhaft möglich, eine Gewichtsreduzierung gegenüber Rotorscheiben aus dem Stand der Technik zu erzielen. Die Gewichtsreduzierung wird im Wesentlichen durch eine Materialentnahme an spannungstechnisch unkritischen Stellen erzielt. Spannungstechnisch unkritische Stellen sind beispielsweise die beschriebenen Sackloch-Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
- 1 zeigt einen Ausschnitt einer Rotorscheibe einer Strömungsmaschine zur Aufnahme von Laufschaufelfüßen in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 zeigt einen Ausschnitt eines zwischen zwei Rotorscheibenhöckern ausgebildeten Längsprofils;
- 3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorscheibe mit zwei in Axialrichtung ausgerichteten Materialaussparungen in einem Rotorscheibenhöcker;
- 4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäße Rotorscheibe mit Erhebungen in zwei Nuten und auf einem Rotorscheibenhöckerdach;
- 5 zeigt drei Erhebungen eines Rotorscheibenhöckers in einer seitlichen Schnittebene; und
- 6 zeigt eine und zwei weitere optionale Erhebungen eines Rotorscheibenhöckers in einer seitlichen Schnittebene.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Rotorscheibe 100 einer Strömungsmaschine zur Aufnahme von Laufschaufelfüßen in einer perspektivischen Ansicht.
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Der Ausschnitt zeigt zwei Rotorscheibenhöcker 200, die am radial äußeren Rand der Rotorscheibe 100 angeordnet sind. Die weiteren Rotorscheibenhöcker 200 sind in Umfangsrichtung u gleichmäßig verteilt. Zwischen den Rotorscheibenhöckern 200 sind ausgebildete Längsprofile 300 zur Aufnahme der Schaufelfüße dargestellt. Diese Längsprofile 300 weisen seitliche Vertiefungen 1 auf, die als Nuten 1 bezeichnet werden können. Die erfindungsgemäße Form der Rotorscheibenhöcker 200 im Zusammenhang mit den Längsprofilen 300 zur Aufnahme der Laufschaufelfüße werden in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
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Die Laufschaufeln werden nach der Montage auf die Rotorscheibe 100 in Axialrichtung a durchströmt. Die Rotorscheibenhöcker 200 weisen einen vorderen Höcker-Stirnflächenbereich 3, in 1 links in Anströmungsrichtung, und einen hinteren Höcker-Stirnflächenbereich 5 auf.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines zwischen zwei Rotorscheibenhöckern 200 ausgebildeten Längsprofils 300. Insbesondere die beiden nicht lasttragenden Flanken 7 und der Rotorscheibenhöckerdachbereich 9, nachfolgend vereinfachend als Höckerdachbereich 9 bezeichnet, eignen sich bevorzugt für die erfindungsgemäßen Materialentnahmen an den Rotorscheibenhöckern 200. Die Materialentnahmen können als Materialaussparungen im Stirnbereich 3, 5, siehe 3, als Vertiefungen zwischen Erhebungen auf den nicht lasttragenden Flanken 7 oder als Vertiefungen zwischen Erhebungen auf dem Höckerdachbereich 9, siehe 4, ausgeführt werden. Die Bezeichnung „nicht lasttragend“ bezieht sich auf einen Betriebszustand einer exemplarischen Gasturbine mit montierten Laufschaufeln.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorscheibe 100 mit zwei in Axialrichtung a ausgerichteten Materialaussparungen 11 in einem Rotorscheibenhöcker 200. Die Materialaussparungen 11 sind als Sacklöcher 11 ausgeführt.
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Die beiden dargestellten Sacklöcher 11 sind rein exemplarische Ausführungsformen. Ebenso sind nur ein, in Radialrichtung betrachtet, oberes oder ein unteres Sackloch 11 möglich. Das Sackloch 11 kann am vorderen 3 und/oder am hinteren 5 Höcker-Stirnflächenbereich angeordnet sein.
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Die Tiefe des Sacklochs 11 kann rein exemplarisch 20 Prozent, 10 Prozent oder 5 Prozent der axialen Länge des Rotorscheibenhöckers 200 betragen. Die Mindesttiefe des Sacklochs 11 kann 1 Prozent, 2 Prozent oder 3 Prozent betragen. Ebenso sind andere Werte als die genannten Prozentzahlen möglich.
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Vorzugsweise ist nur ein Sackloch 11 im radial oberen Bereich des vorderen Höcker-Stirnflächenbereichs 3 angeordnet, also bezogen auf 3 das obere Sackloch 11. Die Anordnung des oberen Sacklochs 11 kann beschrieben als Anordnung zwischen dem Höckerdachbereich 9 und der ersten Engstelle 13 des Rotorscheibenhöckers 200.
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In einer weniger bevorzugten Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ ein zweites, weiteres Sackloch 11 im unteren Bereich zwischen der ersten 13 und zweiten 15 Engstelle des Rotorscheibenhöckers 200 angeordnet sein.
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Die Querschnittsfläche des ersten, oberen Sacklochs 11 kann exemplarisch zwischen 40 Prozent und 90 Prozent oder zwischen 60 Prozent und 80 Prozent des oberen Höcker-Stirnflächenbereichs, begrenzt durch den Höckerdachbereich 9 und die erste Engstelle 13, betragen.
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Die Querschnittsfläche des zweiten, unteren Sacklochs 11 kann exemplarisch zwischen 40 Prozent und 90 Prozent oder zwischen 60 Prozent und 80 Prozent des unteren Höcker-Stirnflächenbereichs, begrenzt durch die erste Engstelle 13 und die zweite Engstelle 15, betragen.
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4 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorscheibe 200 mit Erhebungen 17 in zwei Nuten 1 und auf einem Höckerdachbereich 9. Die exemplarische Anordnung der Erhebungen 17, die als Stege 17 bezeichnet werden können, wird in den 5 und 6, die als seitliche Schnittebenen dargestellt sind, verdeutlicht.
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Die Erhebungen 17 entstehen durch einen Materialabtrag an den nicht lasttragenden Flanken 7, siehe 2, und/oder an dem Höckerdachbereich 9. Durch diesen Materialabtrag kann das Gewicht der Rotorscheibe 100 an spannungstechnisch unkritischen, im Sinne von nicht lastragenden Bereichen vorteilhaft reduziert werden. Diese Oberflächen-Profiländerung in Axialrichtung a des Rotorscheibenhöckers 200 kann als scallopiert bezeichnet werden.
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5 zeigt exemplarisch drei Erhebungen 17 eines Rotorscheibenhöckers 200 in einer seitlichen Schnittebene. Bezogen auf 4 können diese Erhebungen 17 an den nicht lasttragenden Flanken 7 in den Nuten 1 und/oder an dem Höckerdachbereich 9 angeordnet sein.
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Das Volumen des Materialabtrags zwischen den Erhebungen 17 kann als Prozentzahl angegeben werden, wobei hundert Prozent keinem Materialabtrag entspricht. Die Prozentzahl bezieht sich auf die gesamte Länge des Rotorscheibenhöckers 200. Der Materialabtrag kann zwischen zwanzig Prozent und fünfundneunzig Prozent, insbesondere zwischen dreißig und neunzig Prozent, weiter insbesondere zwischen siebzig und neunzig Prozent betragen.
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Die Tiefe 19 des Materialabtrags kann ebenfalls als Prozentzahl angegeben werden, wobei die Bezugsgröße mit hundert Prozent dem radialen Abstand zwischen der ersten 13 und der zweiten 15 Engstelle des Rotorscheibenhöckers 200 entspricht, siehe 3 und 4. Die Tiefe 19 des Materialabtrags kann maximal zwanzig Prozent, insbesondere maximal zehn Prozent, weiter insbesondere maximal fünf Prozent betragen. Die Tiefe 19 des Materialabtrags kann mindestens ein Prozent, insbesondere mindestens zwei Prozent, weiter insbesondere mindestens drei Prozent betragen.
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6 zeigt eine und zwei weitere optionale Erhebungen 17 eines Rotorscheibenhöckers 200 in einer seitlichen Schnittebene.
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Die Ausführungsformen in den 5 und 6 sind optional und rein exemplarisch, andere Ausführungsformen mit einer anderen Anzahl, einer anderen Ausgestaltung der Erhebungen oder des Materialabtrags sind ebenso möglich.
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Bezugszeichenliste
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- a
- Axial; Axialrichtung; Durchströmungsrichtung
- u
- Umfangsrichtung; Rotationsrichtung
- r
- radial; Radialrichtung
- 100
- Rotorscheibe
- 200
- Rotorscheibenhöcker
- 300
- Längsprofil zur Aufnahme der Schaufelfüße
- 1
- Nut; Vertiefung
- 3
- vorderer Höcker-Stirnflächenbereich
- 5
- hinterer Höcker-Stirnflächenbereich
- 7
- nicht lasttragende Flanke
- 9
- Rotorscheibenhöckerdachbereich; Höckerdachbereich
- 11
- Materialaussparung; Sackloch
- 13
- erste Engstelle des Rotorscheibenhöckers
- 15
- zweite Engstelle des Rotorscheibenhöckers
- 17
- Erhebung; Steg
- 19
- Tiefe des Materialabtrags
