DE2111995A1

DE2111995A1 - Stroemungsmaschinen-Laufrad

Info

Publication number: DE2111995A1
Application number: DE19712111995
Authority: DE
Inventors: Powell Leslie Francis; Gooding Raymond Michael; Guy Kenneth Ronald
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-03-14
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1971-10-14
Also published as: DE2111995B2; DE2111995C3; GB1291302A; FR2084523A5; US3807898A

Description

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R. 796

Augsburg, den 11. März 1971

Rolls-Royce Limited, Moor Lane, Derby, England,

Strömungsmaachinen-Laufrad

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmaschinen-Laufrad mit einer Vielzahl von Schaufeln, deren Schaufelfüße am Außenumfang einer Rotorscheibe in Nuten eingesetzt sind und welche jeweils radial außerhalb ihrer Schaufelfüße Fußplatten aufweisen, und mit einer Vielzahl von bogenförmigen pichtung-Ringscheibensegmenten, welche zusammen eine Dichtungs-Ringscheibe bilden, die sich zwischen den genannten Schaufel-Fußplatten und einem Teil der

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Rotoracheibe erstrecken, der radial innerhalb der genannten Nuten dieser Rotorscheibe liegt.

Im einzelnen betrifft die Erfindung die Sicherung der Schaufeln gegen Axialbewegungen auf der Rotorscheibe und die Abdichtung der Schaufeln an ihren Schaufelfaßen.

Bogenförmige Dichtungs-Ringscheibensegmente, die einerseits in Nuten von Fußplatten der Schaufeln und andererseits in Nuten am Umfang der Rotorscheibe eingesetzt sind, sind an sich bekannt, jedoch können in den meisten Fällen die Enden der Dichtungs-Ringscheibensegmente nicht so angeordnet werden, daß sie bei allen Betriebsbedingungen der betreffenden Strömungsmaschine, insbesondere bei der Auswirkung verschiedener Wärmeausdehnungen zwischen diesen Dichtungs-Ringscheibensegmenten und der Rotorscheibe, noch dicht anliegen, so daß hierbei zwischen den Enden der jeweils aneinander angrenzenden Dichtungs-Ringscheibensegmente unter bestimmten Betriebsbedingungen Spalte auftreten und unter hohem Druck stehende Luft durch diese Spalte hindurch entweicht.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Dichtungs-Ringscheibensegmente ist, daß sie normalerweise nur so montiert

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werden können, daß jede Schaufel jeweils einzeln in umfängliche Nuten der Rotoreeheibe eingesetzt wird und dann das betreffende Dichtungs-Ringscheibensegment hinzu-* gefügt wird, welch letzteres in miteinander fluchtenden Nuten der Schaufeln und der Rotorscheibe ruht. Jedes Dichtunge-Ringscheibensegment erstreckt sich jeweils über die Breite von mehreren Schaufeln. Schwierigkeiten treten dann auf, wenn das letzte Dichtungs-Ringecheibensegment befestigt werden muß. Bei bekannten Konstruktionen muß jeweils das letzte Dichtungs-Ringscheibensegment verformt werden, damit es überhaupt eingesetzt werden kann.

Außerdem kann das beschriebene Montageverfahren jeweils dann nicht angewendet werden, wenn die Schaufeln Deckbänder bzw. Deckplatten aufweisen und alle Schaufeln zusansn auf einmal auf den Rotor aufgesetzt werden müssen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, jeweils sowohl alle Schaufeln gleichzeitig zusammen mit eines Dichtungs-Ringscheibensegment auf eine Rotorscheibe aufsetzen su können, als auch Undichtigkeiten zwischen den Diehtungs-Ringscheibensegmenten im wesentlichen zu verhindern.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die jeweils aneinander angrenzenden Enden der Dichtungs-Ringscheibensegmente einander in Umfangsriehtung überlappen, daß ferner jedes Dichtungs-Ringscheibensegment an seinen radial inneren und äußeren Umfangen Halteteile aufweist, welche jeweils mit angrenzenden Halteteilen der genannten Schaufel-Fußplatten und der Rotorscheibe zusammenwirken, daß weiter die einen dieser Halteteile jeweils mit einer Ümfangsnut und die jeweils damit zusammenwirkenden angrenzenden anderen Halteteile mit einer entsprechenden Ümfangsnut versehen sind, welch letztere zusammen mit der vorgenannten Ümfangsnut einen in Umfangsriehtung verlaufenden ununterbrochenen Kanal bildet, in welchem ein sich im wesentlichen um den gesamten Rotorumfang herum erstreckendes Halteelement untergebracht ist.

Gemäß einer besonderen Ausbildungsform der Erfindung ist das Strömungsmaschinen-Laufrad dadurch gekennzeichnet, daß die radial inneren Umfange der Dichtungs-Ringscheibensegmente jeweils mit einer sich in Umfangsriehtung erstreckenden, im Querschnitt halbrunden Nut versehen sind, welche jeweils mit einer gleichartigen Nut des Rotorscheibenteiles zusammenwirkt und susajunen mit dieser das genannte

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Halteelement aufnimmt, welch letzteres die Porm eines im Querschnitt kreisrunden Drahtes hat, und daß die Halteteile zum Pesthalten der radial äußeren Umfange der Dichtungs-Ringscheibensegmente jeweils eine in den genannten Schaufel-Fußplatten gebildete Nut aufweisen, wobei diese einzelnen Nuten zusammen eine ununterbrochene, die Umfange der Dichtungs-Ringscheibensegmente aufnehmende Ringnut bilden.

Der genannte Haltedraht kann gemäß der Erfindung aus zwei Einzeldrähten bestehen, welche jeweils von Ausnehmungen in der Stirnfläche der Rotorscheibe her in den genannten Kanal eingeschoben sind und sich jeweils im wesentlichen über die halbe Kanallänge erstrecken.

Abweichend hiervon können die Mittel zum Pesthalten des radial äußeren Umfanges der Dichtungs-Ringscheibe gemäß der Erfindung eine Umfangsnut in jedem der Dichtungs-Ringscheibensegmente aufweisen, welche unter Bildung einer ununterbrochenen Umfangsnut am Umfang der Dichtungs-Ringscheibe aufeinander ausgerichtet sind, wobei diese Umfangsnut eine ununterbrochen· Umfangsrippe aufninmt, welche an den Fußplatten der Schaufeln gebildet let.

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Die Dichtungs-Ringscheibe kann einen sich axial erstreckenden Teil aufweisen, an welchem Labyrinthkämme vorgesehen sind, die mit einer angrenzenden, relativ dazu .feststehenden Konstruktion eine Radial- oder Axialdichtung bilden.

Das erfindungsgemäße Laufrad kann sowohl in Turbinen als auch in Verdichtern von Qasturbinenanlagen Anwendung finden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht

einer Gasturbine mit einem Laufrad nach der Erfindung, welches durch einen Gehäuseausschnitt hindurch ersichtlich ist,

Fig. 2 einen schematischen Axialschnitt

eines Teiles der Rotorscheibe der in Fig. 1 dargestellten Gasturbine,

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Fig. 3 eine schematische Stirnansicht

der in Fig. 2 dargestellten Rotorscheibe, und

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht

einer Dichtungs-Ringscheibe, in Richtung des in Fig. 3 dargestellten Pfeiles A gesehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbine weist einen Verdichter 1, einen Brennkammerkranz 2, eine Turbine 3 und eine Schubdüse 4 auf, welche alle in Strömungsrichtung hintereinandergeschaltet sind.

Der Verdichter und die Turbine weisen jeweils eine Vielzahl von Rotorstufen und Statorsturen auf, wobei die Erfindung die Rotorstufen betrifft.

Ein Teil einer Turbinenrotorstufe 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Stufe besteht aus einer Vielzahl von tragflugelartigen Schaufeln 11, welche in Form eines Schaufelkranzes am Umfang einer Rotorscheibe 12 angebracht sind. Die Schaufeln können zu ihrer Befestigung beispiels-

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weise übliche Tannenbaumfüße 13 aufweisen, welche in entsprechend geformte Nuten eingesetzt sind, die am radial äußeren Umfang der Rotorscheibe 12 axial verlaufen.

Jede Schaufel 11 ist mit einem Fußband-Plattenteil versehen, in welchem jeweils eine in Umfangsrichtung verlaufende, nach innen weisende Nut 16 gebildet ist. In zusammengebautem Zustand bilden die einzelnen Nuten zusammen eine unterhalb der Fußband-Plattenteile 15 in Umfangsrichtung verlaufende ununterbrochene Umfangenut.

Ferner ist die Rotorscheibe 12 an ihrem radial äußeren Umfang mit einer nach außen weisenden Ringnut versehen, welche radial innerhalb der die Tannenbaumfüße aufweisenden Nuten liegt. Die Nuten 16 und 17 stellen Haltemittel zur Befestigung einer Dichtungsringscheibe dar.

Eine Vielzahl von Dichtungs-Ringscheibensegmenten liegt zwischen den Fußband-Plattenteilen 15 und der am Rotorumfang gebildeten Nut 17 und dichtet die Zwischenräume zwischen den Schaufelfüßen (unterhalb der genannten Fußband-Plattenteile) ab, so daß keine unter hohem Druck stehenden Oase entweichen können.

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Die radial äußeren Teile der Dichtungs«Ringscheibensegmente 20 sind so ausgebildet, daß sie Halteelemente bilden, welche in die in den genannten Fußband-Plattenteilen 15 gebildeten Nuten 16 eingepaßt sind, während die radial inneren Teile der einzelnen Dichtungs-Ringscheibensegmente jeweils mit Halteeleiraenten in Form einer im Querschnitt halbrunden Nut 21 versehen sind, welch letztere jeweils mit einer Nut 17 zusammenwirkt, die ebenfalls im Querschnitt halbrund ist, so daß diese Nuten zusammen einen ringförmigen Kanal 18 zur Aufnahme eines im Querschnitt kreisrunden Drahtes 22 bilden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Dichtungs-Ringscheibensegmente 20 in montiertem Zustand, jedoch sind in diesen Figuren die Schaufeln nicht dargestellt. Es ist ersichtlich, daß sechs Dichtungs-Ringscheibensegmente 20 vorgesehen sind, welche zusammen eine vollständige Dichtungs-Ringscheibe bilden. Die Dichtungs-Ringscheibensegmente 20 sind an ihren in Umfangsrichtung weisenden Enden jeweils auf halbe Dicke verkleinert, so daß sich diese Enden unter Eildung einer guten Dichtung einander überlappen können, während gleichzeitig zwischen den einzelnen Dichtungs-Ringscheibensegmenten Zwischenräume 2k vorhanden

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sind, die eine relative Wärmeausdehnung zwischen der Rotorscheibe und diesen Dichtungs-Ringscheibensegmenten ermöglichen.

Der Haltedraht 22 besteht beispielsweise aus zwei Teilen, welche sich jeweils im wesentlichen um den halben Umfang der Rotorscheibe erstrecken. Die Rotorscheibe 12 ist an einander diametral gegenüberliegenden Stellen mit Ausnehmungen 25 versehen, an welchen die Haltedrahtteile in den ringförmigen Kanal 18 eingeführt werden können, welch letzterer von den zusammenwirkenden Nuten 17 und am Rotorscheibenumfang und an den Schaufelplatten 15 gebildet ist. Von den beiden Drahtteilen ist jeweils ein Ende im wesentlichen radial nach innen gebogen, so daß ein zu weites Eindringen der Drahtteile in die Nuten verhindert wird, wobei jeder Drahtteil so lang ist, daß er bis zu der jeweils gegenüberliegenden Ausnehmung 25 reicht und dadurch nicht aus dem Kanal 18 herausrutschen kann.

Der Hauptvorteil dieser Art von Dichtungs- und Halteanordnung ist vielleicht darin zu sehen, daß sie auch in Verbindung mit Schaufeln Anwendung finden kann, welche Deckbänder bzw. Deckplatten aufweisen, die jeweils gleichzeitig zusammen am Rotor angebracht werden müssen.

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Wenn der Schaufelkranz einmal zusammengebaut und die Deckplatten miteinander verbunden sind, können die Dichtungs-Ringscheibensegmente.20 in die Nuten 16 eingesetzt und der gesamte Ring an der Rotorscheibe 12 befestigt werden. Die Anordnung wird also dadurch an der Rotorscheibe 12 befestigt, daß der bzw. die Haltedrähte 22 eingesetzt werden. Das eine Ende des bzw. der Haltedrähte 22 ist jeweils abgeschrägt, um hierdurch das Einsetzen dieses bzw. dieser Haltedrähte in die Nuten zu erleichtern.

Ein weiterer durch die Erfindung erzielter Vorteil ist die Vermeidung einer Leckströmung um die Dichtungs-Ringscheibe herum.

Durch enges Einpassen der Dichtungs-Ringscheibe in die Hüten 16 werden die einander überlappenden Teile der Dichtungs-Ringscheibensegmente stark zusammengepreßt, so daß sich zwischen den aneinander angrenzenden Enden der einzelnen Segmente keine Leckströmung ausbilden kann, während gleichzeitig trotzdem genügend Raum für eine umfängliche Ausdehnung dieser Dichtungs-Ringscheibensegmente vorhanden ist, wenn sich diese während des Betriebes erwärmen.

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Während dee Betriebes wird durch die an der Dichtungs-Ringscheibe zur Wirkung kommende Zentrifugalkraft der radial äußere Umfangerand dieser Dichtungs-Ringscheibe in innige Berührung mit dem Grund der Ringnut 16 unterhalb der Schaufel-Fußplatten 15 gedrängt, so daß sich an dieser Stelle eine Abdichtung ergibt. Außerdem wird durch die an dem Haltedraht 22 zur Wirkung kommende Zentrifugalkraft dieser Haltedraht radial nach außen in dichte Anlage an die Nutfläche der am radial inneren Umfang der Dichtungs-Ringscheibe gebildeten Nut 21 gedrückt, so daß sich auch an dieser Stelle eine gute Abdichtung ergibt. Außerdem werden infolge der an den Schaufeln der Turbine zur Wirkung kommenden Qaskräfte die Schaufeln 11 und demzufolge auch die Dichtungs-Ringscheibe nach rückwärts gedrängt, so daß die stromauf gelegene Fläche der Dichtungs-Ringscheibe in der Nut 16 gasdicht an die Seitenwandung dieser Nut angedrückt wird, während der Haltedraht 22 dicht, an die stromab gelegene Fläche der Nut 17 am Rotor-Bcheibenumfang gedrückt wird. Demzufolge kann weder über den radial äußeren Umfang, noch unter dem radial inneren Umfang oder zwischen den umfänglichen Enden der Dichtungs-Ringscheibensegmente 20 ein Leckstrumungeweg auftreten.

Der mögliche Leckströmungsweg über den äußeren

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Umfang der Dichtungs-Ringscheibe kann durch eine abgewandelte Konstruktion dadurch vergrößert werden, daß an dem radial äußeren Umfang der Dichtunga-Ringscheibe eine Umfangsnut und an der Unterseite der Schaufel-Fußbandplatten 15 ein entsprechender ringförmiger Vorsprung gebildet ist.

In nochmals weiterer Abwandlung ist es im Rahmen der Erfindung beispielsweise möglich, die Querschnitte der Nuten 16 und 17 rechteckig oder polygonförmig oder anderweitig auszubilden. Die Dichtungs-Ringscheibe kann beispielsweise durch elektrochemische Bearbeitung mit Ausnehmungen versehen sein, um hierdurch eine Gewichtserleichterung zu erzielen.

Obwohl sich die obige Beschreibung auf eine Gasturbine bezieht, ist die Erfindung selbstverständlich in gleicher Weise auch auf Verdichter anwendbar und im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, an einem sich axial erstreckenden Teil der Dichtungs-Ringscheibe Labyrinthkämme vorzusehen, welche so angeordnet sind, daß sie mit einer stromauf oder stromab der Dichtungs-Ringscheibe angeordneten, relativ dazu feststehenden Konstruktion entweder eine Axial- oder eine Radialdichtung bilden.

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Selbstverständlich braucht der Haltedraht 22 nicht in der beschriebenen Weise zweiteilig zu sein, sondern er kann auch aus einem einzigen Teil bestehen.

Ferner braucht der Haltedraht nicht notwendigerweise in der Rotorscheibe 12 untergebracht zu sein, sondern er kann auch in die Schaufel-Fußplatten 15 eingelassen sein. Dies bedeutet lediglich, daß der radial äußere Umfang der Dichtungs-Ringscheibe mit einer im Querschnitt halbrunden Nut und die Schaufel-Fußplatten mit einer entsprechenden, im Querschnitt halbrunden Nut versehen sind.

Claims

Patentansprüche

Strömungsmaschinen-Laufrad mit einer Vielzahl von Schaufeln, deren SchaufelfUße am Außenumfang einer Rotorscheibe in Nuten eingesetzt sind und welche jeweils radial außerhalb ihrer Schaufelfüße Fußplatten aufweisen, und mit einer Vielzahl von bogenförmigen Dichtungs-Ringscheibensegmenten, welche zusammen eine Dichtungs-Ringscheibe bilden, die sich zwischen den genannten Schaufel-Fußplatten und einem Teil der Rotorscheibe erstrecken, der radial innerhalb der genannten Nuten dieser Rotorscheibe liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aneinander angrenzenden Enden (23) der Dichtungs-Ringscheibensegmente (20) einander in Umfangsrichtung überlappen, daß ferner jedes Dichtunge-Ringscheibensegment an seinen radial inneren und äußeren Umfangen Halteteile (19, 21) aufweist, welche jeweils mit angrenzenden Halteteilen (16, 17) der genannten-Schaufel-Fußplatten (15) und der Rotorscheibe (12) zusammenwirken, daß weiter die einen (19, 21) der Halteteile jeweils mit einer Umfangsnut und die jeweils damit zusammenwirkenden angrenzenden anderen Halteteile (16 bzw. 17) mit einer entsprechenden Umfangsnut versehen sind, welch

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letztere zusammen mit der vorgenannten Uafangsnut einen in Umfangsrichtung verlaufenden ununterbrochenen Kanal (18) bildet, in welchem ein sich im wesentlichen um den gesamten Rotorumfang erstreckendes Halteelement (22) untergebracht ist.
2. Laufrad nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die radial inneren Umfange der Dichtungs-Ringscheibensegmente (20) jeweils mit einer sich in Ujfifangsrichtung erstreckenden, im Querschnitt halbrunden Nut (21) versehen sind, welche jeweils mit einer gleichartigen Nut (17) des Rotorscheibenteiles (12) zusammenwirkt und zusammen mit dieser das genannte Halteelement (22) aufnimmt, welch letzteres die Fons eines im Querschnitt kreisrunden Drahtes hat.
3. Laufrad nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile zum Festhalten der radial äußeren Umfange der DichtungsHRlngscheibensegmente (20) jeweils eine in den genannten Fußplatten (15) der Schaufeln gebildete Nut (16) aufweisen, wobei diese einzelnen Nuten zusammen eine ununterbrochene, die Umfange der Dichtungs-Ringseheibensegmente aufnehmende Ringnut bilden.

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4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Halteelement aus zwei Haltedrähten (22) besteht, von welchen sich jeder innerhalb des genannten Kanäles (18) jeweils im wesentlichen über die halbe Länge dieses Kanales erstreckt.
5. Anwendung eines Laufrades nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf Läufer von Gasturbinen.

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