DE2927654A1

DE2927654A1 - Kragarmaufbau, insbesondere fuer deckbandabschnitte eines beschaufelten rotors von gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE2927654A1
Application number: DE19792927654
Authority: DE
Inventors: William Butler Wright
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-07-25
Filing date: 1979-07-09
Publication date: 1980-02-07
Also published as: FR2432134A1; IT7923634A0; US4243360A; GB2032535A; IT1121432B; JPS5519398A

Description

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PateniariwäKe D i ρ I.-1 η g. Curt Wallach

, Dipl.-Ing. Günther Koch

^ö Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9. Juli 1979

Unser Zeichen: 16 658 - K/Ap

Anmelder: Rolls Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Kragarmaufbau* insbesondere für

Deckbandabschnxtte eines beschaufelten Rotors von Gasturbinentriebwerken

909886/0653

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kragarmaufbau und insbesondere auf einen Aufbau, bei dem ein Spalt durch zwei Kragarme überbrückt wird, die auf je einer Seite des Spaltes eingespannt sind und sich mit ihren freien Enden treffen.

Es ist bekannt, einen Spalt dadurch zu überbrücken, daß ein Kragarm auf jeder Seite des Spaltes angeordnet wird, wobei die Kragarme gleiche Länge besitzen und sich an ihren freien Enden treffen. Es ist klar, daß beim Aufbringen einer Last auf die Kragarme die Beanspruchung an ihren Einspannstellen ansteigt. Wenn hohe Belastungen zu erwarten sind, müssen die Einspannstellen daher einen kräftigen Aufbau besitzen, um den resultierenden Beanspruchungen standhalten zu können. Derartige Aufbauten können jedoch zu unerwünschten Gewichtserhöhungen des betreffenden Aufbaus führen.

Eine typische Situation, wo diese Bedingungen auftreten, ist ein Gasturbinentriebwerk, bei dem die Rotorschaufeln mit Deckbändern versehen sind. Dabei ist jede Schaufel an ihrem radial äußeren Ende (bezüglich der Drehachse des Gasturbinentriebwerks) mit einem Deckbandabschnitt derart versehen, daß die Deckbandabsehnitte benachbarter Schaufeln einen Kanal definieren, der die Gase umschließt, welche im Betrieb durch das Triebwerk strömen. Die Deckbandabschnitte werden nur durch die Schaufeln getragen und bilden demgemäß Kragarme. Die auf die Deckbandabschnitte durch die Gase ausgeübten Kräfte sind hoch und infolgedessen muß die Befestigung der Deckbandabsehnitte an der Schaufel so widerstandsfähig sein, daß die auftretenden Beanspruchungen aufgenommen werden können. Ein solcher Aufbau, der eine genügende Festigkeit besitzt, führt jedoch gewöhnlich zu einer unerwünschten Gewichtserhöhung der mit Deckband versehenen Schaufel.

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-τ-

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Deckbandaufbau zu schaffen, mit dem der Spalt durch zwei Kragarme überbrückt wird, die beidseitig des Spalts eingespannt sind, wobei die Summe der Biegemomente an den Einspannstellen der Kragarme verwendet wird.

Gemäß der Erfindung weist der Kragarmaufbau zwei Kragarme auf, die den Spalt zwischen den Einspannstellen der Kragarme überbrücken, wobei die Anordnung des Aufbaus derart ist, daß ein Kragarm unter Last teilweise durch den anderen abgestützt wird, so daß eine Lastübertragung dazwischen stattfindet, wobei die Länge der Kragarme derart ist, daß die Wirkungslinie der Kraftübertragung so beschaffen ist, daß die Summe der Biegemomente an den Einspannstellen der Kragarme kleiner ist als es der Fall wäre, wenn keine Kraftübertragung zwischen den Kragarmen stattfindet.

Wenn die Kragarme das gleiche Elastizitätsmodul und die gleiche Querschnittsgestalt aufweisen, und wenn die gleiche Streckenlast aufgebracht wird, dann wird der Abstand zwischen der Wirkungslinie der Lastübertragung zwischen den Kragarmen und der Einspannstelle des Kragarmes, der den anderen Kragarm teilweise abstützt, vorzugsweise bis zu 24$ des Abstandes zwischen den Einspannstellen der Kragarme betragen.

Der Abstand zwischen der Wirkungslinie der Kraftübertragung zwischen den Kragarmen und der Einspannstelle des Kragarmes, der teilweise den anderen Kragarm abstützt, beträgt vorzugsweise bei gleicher Querschnittsgestalt und gleicher Streckenlast der Kragarme 21# des Abstandes zwischen den Einspannstellen der Kragarme.

Die Kragarme sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie sich teilweise überlappen, wodurch ein Kragarm teilweise durch den

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anderen derart abgestützt wird, daß eine Lastübertragung zwischen den Kragarmen stattfindet.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist eine Rotorstufe eines Gasturbinentriebwerks Schaufeln mit Deckbandabschnitten auf, die in Umfangsrichtung aneinander schließen und so angeordnet sind, daß ein Deckbandabschnitt teilweise von dem anderen getragen wird, so daß im Betrieb eine Lastübertragung zwischen benachbarten Deckbandabschnitten stattfindet, wobei die Umfangslängen der Deckbandabschnitte so angeordnet sind, daß die Lastübertragungslinie derart liegt, daß die Summe der Biegemomente an den Einspannstellen der Deckbandabschnitte geringer ist als es der Fall wäre, wenn keine Kraftübertragung zwischen den belasteten Deckbandabschnitten stattfände.

Wenn die benachbarten in Umfangsrichtung verlaufenden Deckbandabschnitte das gleiche Elastizitätsmodul und die gleiche Querschnittsgestalt aufweisen, und durch die gleiche Streckenlast belastet sind, dann beträgt der Abstand zwischen der Wirkungslinie der Kraftübertragung zwischen den Deckbandabschnitten und der Befestigungsstelle des Deckbandabschnitts, der den benachbarten Deckbandabschnitt abstützt, bis zu ~5\% des Abstandes zwischen den Befestigungsstellen benachbarter Deckbandabschnitte an ihren Schaufeln.

Der Abstand zwischen der Wirkungslinie der Lastübertragung zwischen benachbarten Deckbandabschnitten und der Befestigungsstelle des Deckbandabschnitts,der den benachbarten Deckbandabschnitt bei gleichem Elastizitätsmodul gleicher Querschnittsfläche und gleicher Streckenlast abstützt, vorzugsweise 21# des Abstandes zwischen den Befestigungsstellen der Deckbandabschnitte an den Schaufeln.

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Die benachbarten Deekbandabschnitte sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie sich teilweise überlappen, wodurch im Betrieb des Triebwerks ein Deckbandabschnitt teilweise von dem anderen abgestützt wird, so daß eine Lastübertragung zwischen den Deckbandabschnitten stattfindet.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen;

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Kragarmaufbaus gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Biegemomente der Kragarme unterschiedlicher Länge an der Einspannstelle angibt, wobei die Kragarme einen Spalt überdecken und so angeordnet sind, daß der längere Kragarm teilweise von dem kürzeren unterstützt wird;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teils einer Ringanordnung von stroralinienförmigen Arbeitsschaufeln mit Schaufelring in einem Aufbau gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird der Spalt L zwischen zwei festen Aufbauten IP und 11 durch zwei Kragarme 12 und I^ überbrückt, die den gleichen Elastizitätsmodul und die gleiche Querschnittsgestalt besitzen. Der Kragarm 12 ist am festen Aufbau 10 festgelegt, während der Kragarm 13 am festen Aufbau 11 angeordnet ist. Der Kragarm 12 ist länger als der Kragarm lj> und er überlappt diesen, so daß der längere Kragarm 12 teilweise von dem kürzeren Kragarm 12 abgestützt wird. Es besteht demgemäß eine Lastübertragung von W Gewichtseinheiten vom längeren Kragarm 12 nach

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-lO-

dem kürzeren Kragarm 13. Die Wirkungslinie der Lastübertragung W ist in Fig. 1 mit 14 gekennzeichnet, und der Abstand 1 vom festen Aufbau IO (und demgemäß ein Abstand (L-I) vom festen Aufbau 11). Jeder Kragarm 12 und 13 ist mit einer gleichförmig verteilten Last von W Gewichtseinheiten pro Längeneinheit belastet.

Demgemäß ist die Auslenkung Sam freien Ende des Kragarmes,der eine Last W trägt, wie folgt:

3EI

dabei ist S die freie Länge des Kragarmes, E das Elastizitätsmodul,
I das Massenträgheitsmoment.

In gleicher Weise beträgt die Auslenkung Sam freien Ende des Kragarmes,auf dem eine gleichförmig verteilte Last w lastet,

WS*

8ε ι

dabei ist wiederum: S = freie Länge des Kragarmes,

E = Elastizitätsmodul, I = Massenträgheitsmoment.

Es soll nunmehr der längere Kragarm 12 betrachtet werden, d.h.

- wl⁴-8EI

Das gleiche gilt für den kürzeren Kragarm 13 ( (L-I)<C 1/2L)

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- 11 .- + W(L-I)⁵

Da der längere Kragarm 12 teilweise von dem kürzeren Kragarm 13 abgestützt wird, ist die Auslenkung S beiden Kragarmen gemeinsam. Infolgedessen gilt:

vl⁴ wl⁵	■_m W(L-I]	>⁴ ₊ W (L-	■I)⁵
8EI " 3EI	8EI	5EI
3wl⁴ - 8Wl⁵ e	3w (L-I)⁴	+ 8W(L-I)⁵
8W ((L-I)⁵ + 1⁵)	= 3w (1⁴	-(L-I)⁴)
Demgemäß istI

W= — w
8

I⁴ - (L-I)⁴ (L-I)³ + I³

(D

Nunmehr wird das Biegemoment an der Einspannstelle I5 des längeren Kragarmes 12:

wl'

- Wl

Infolge dessen ergibt sich aus der Gleichung Nr. 1), daß das Biegemoment wie folgt ist:

- - wl
8

I⁴ - (L-D⁴ I³ + (L-I)³

C2)

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In gleicher Weise wird das Biegemoment an der Einspannstelle 16 des kürzeren Kragarmes IJ:

^W (L-¹)² 4 W (L-I)

Infolgedessen ergibt sich aus der Gleichung (1), daß das Biegemoment durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben werden kann:

(3)

w (L-I)² ₊	3	W	(L-I)	_χ4	-	(L-D⁴
2	8			I³	+	(L-I)³

Die Kurven der beiden Gleichungen (2) und (3) ergeben sich aus Fig. 2, welche eine graphische Darstellung des Biegemomentes an der Einspannstelle geteilt durch w in Abhängigkeit von 1 geteilt durch L wiedergibt. Die Kurve der Gleichung (2), die das Biegemoment an der Einspannstelle 15 des längeren Kragarms 12 kennzeichnet, ist voll ausgezogen dargestellt, während die Kurve der Gleichung^), die das Biegemoment an der Einspannstelle 16 des kürzeren Kragarms 1J> angibt, strichliert dargestellt ist.

Die Punkte gleicher Biegemomente in den Kragarmen 12 und 13 sind durch jene Punkte gekennzeichnet, an denen sich die beiden Kurven in Fig. 2 überkreuzen, d.h. an den Punkten A und B. Der Punkt B liegt bei ^= 0,5, und dies ist die Mitte zwischen den beiden festen Aufbauten 10 und 11. Punkt A befindet sich jedoch an der Stelle ^ = 0,21. Es ist extrem wichtig festzustellen, daß am Punkt A die Biegemomente der Kragarme 12 und 13 an ihren Einspannstellen beträchtlich kleiner sind als am Punkt B. Außer? dem ist festzustellen, daß für alle Werte j_ bis zu 0,^4 die

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Biegemomente an den Einspannstellen beider Kragarme 12 und 13 niedriger sind als wenn 1 = 0,5 ist, d.h. zwischen den beiden

^L
festen Aufbauten 10 und 11 in der Mitte liegt.

Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, daß für zwei Kragarme 12 und 13 mit gleichem Querschnitt und gleichem Elastizitätsmodul,aber mit ungleichen Längen bei gleicher Streckenlast zur Überspannung des Spaltes L, bei denen ein längerer Kragarm 12 teilweise von einem kürzeren Kragarm 13 gestützt wird, die Summe der Biegemomente beider Kragarme 12 und 13 an den jeweiligen Einspannstellen 15 und 16 niedriger ist als wenn es der Fall wäre, wenn beide Kragarme gleiche Länge hätten, wenn der Abstand (L-I) der Wirkungslinie 14 der Lastübertragung zwischen den Kragarmen und der Einspannstelle 16 des kürzeren Kragarmes 13 bis zu 34$ des Abstandes L zwischen den festen Aufbauten 10 und 11 beträgt. Die Biegemomente an den Einspannstellen 15 und 16 haben die niedrigsten gleichen Werte, wenn der Abstand zwischen der Wirkungslinie 14, der Lastübertragung zwischen den Kragarmen 12 und 13 und der Einspannstelle des kürzeren Kragarms 13, 21$ des Abstandes L zwischen den festen Aufbauten 10 und 11 beträgt.

Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist ein Teil eines ringförmigen Aufbaus von mit Schaufelring versehenen stromlinienförmigen Schaufeln 17 dargestellt, die in einem nicht dargestellten Gasturbinentriebwerk montiert sind. Jede Schaufel 18 weist einen Arbeitsteil 19 auf, dessen radial äußeres Ende mit einem Deckbandabschhitt 20 versehen ist. Jedes Deckband 20 weist in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte 21 und 22 auf, die mit zwei benachbarten in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitten 21 und 22 benachbarter Schaufeln 17 zusammenwirken.

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Der in Umfangsrichtung verlaufende Deckbandabschnitt 21 ist mit einer Lippe 2J> versehen, die an dem benachbarten Deckbandabschnitt 22 der benachbarten Schaufel 18 angreift. Die Anordnung ist derart, daß der Druck der Gase, die im Betrieb über den Arbeitsabschnitt 19 strömen, die Ränder des Deckbandabschnitts 22 in Eingriff mit der Lippe 23 bringen. Der Deckbandabschnitt 21 ist kürzer als der Deckbandabschnitt 22, so daß der Abstand von der Wirkungslinie 24 der Lastübertragung vom Deckbandabschnitt 22 nach dem Deckbandabschnitt 21 von der Befestigungsstelle des Schaufeldeckbandabschnitts 21 eine Länge von 21$ des Abstandes L zwischen den Befestigungspunkten der Deckbandabschnitte 21 und 22 mit den jeweiligen Arbeitsteilen 19 der Schaufel aufweist.

Diese Anordnung nutzt die Vorteile ungleich langer Kragarme aus, wie sie vorstehend beschrieben wurden, und demgemäß ist die Summe der Biegemomente an den Einspannstellen der Deckbandabschnitte 21 und 22 geringer als es der Fall wäre, wenn die Deckbandabschnitte 21 und 22 gleiche Länge hätten. Die Beanspruchungen an der Befestigungsstelle der Deckbandabschnitte 21 und 22 sind infolgedessen niedriger.

Ein weiterer Vorteil dieser Deckbandanordnung besteht darin, daß durch Überlappung des einen Deckbandabschnitts durch den benachbarten Deckbandabschnitt eine Dichtung erhalten wird, die einen unerwünschten Leckstrom der Gase verhindert, die im Betrieb über die Arbeitsabschnitte 19 der Schaufeln abströmen.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Deckbändern von Schaufeln eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Es ist jedoch klar, daß eine solche Anordnung auch bei anderen Kragarmaufbauten möglich ist.

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L e e r s e i t e

Claims

7? -Patentansprüche :

Kragarmaufbau mit zwei Kragarmen, die einen Spalt zwischen Einspannsteilen dieser Kragarme überbrücken,

dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau derart getroffen ist, daß unter Belastung der Kragarme (12,13) ein Kragarm (12) teilweise durch den anderen (13) derart abgestützt wird, daß eine Lastübertragung dazwischen- stattfindet, wobei die Längen der Kragarme (12,130 derart bemessen sind, daß die Wirkungslinie (14) der Lastübertragung so liegt, daß die Summe der Biegemomente an den Einspannstellen (15,16) der Kragarme (12,13) niedriger ist als es der Fall wäre, wenn keine Lastübertragung zwischen den belasteten Kragarmen (12,13) stattfinden würde.
2. Kragarmaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragarme (12,13) das gleiche Elastizitätsmodul und die gleiche Quersehnittsgestalt aufweisen, und eine gleiche Streckenlast auf ihnen ruht, und daß der Abstand zwischen der Wirkungslinie der Lastübertragung zwischen den Kragarmen (12,13) und den Einspannstellen (l6) des Kragarmes (13)>der teilweise den anderen Kragarm (12) trägt, bis zu ~*>^% des Abstands (L) zwischen den Einspannstellen (15,16) der Kragarme (12,13) beträgt.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Kragarmaufbau nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Wirkungslinie (14) der Lastübertragung zwischen den Kragarmen (12,13) und der Einspannstelle (16) des Kragarmes (13) j der teilweise den anderen Kragarm (12) abstützt, 21$ des Abstandes (L) zwischen den Einspannstellen der Kragarme (12,13) beträgt.
4. Kragarmaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Kragarme (12,13) so angeordnet sind, daß sie sich teilweise überlappen, so daß ein Kragarm (12) teilweise von dem anderen Kragarm (13) so abgestützt wird, daß eine Lastübertragung zwischen den Kragarmen (12,13) stattfindet.
5. Rotorstufe für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Kragarmaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5» wobei die Kragarme von den Schaufeldeckbandabschnitten gebildet ist,

dadurch gekennzei chnet, daß die benachbarten im Umfangsrichtung aufeinander folgenden Abschnitte (21,22) der Deckbandabschnitte (20) benachbarter Schaufeln (18) derart angeordnet sind, daß ein Deckbandabschnitt (22) teilweise von dem anderen Deckbandabschnitt (21) derart getragen wird, daß unter Belastung eine Lastübertragung zwischen benachbarten Deckbandabschnitten (21,22) stattfindet, wobei die Umfangslängen der Deckbandabschnitte (21,22) so ausgebildet sind, daß die Wirkungslinie (24) der Lastübertragung so angeordnet ist, daß die Summe der Biegemomente an den Befestigungsstellen der Schaufelbandabschnitte (21,22) an den

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jeweiligen Schaufeln (18) kleiner ist als es sein würde, wenn keine Lastübertragung zwischen den belasteten Schaufelabschnitten (21,22) stattfindet.
6. Rotorstufe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Deckbandabschnitte (21,22) das gleiche. Elastizitätsmodul und die gleiche Querschnittsgestalt aufweisen, und daß die gleiche Streckenlast auf ihnen ruht, wobei der Abstand zwischen der Wirkungslinie (24) der Lastübertragung zwischen den Deckbandabschnxtten (21,22) und der Befestigungsstelle der Schaufel(18)des Deckbandabschnitts (21),der teilweise den benachbarten Deckbandabschnitt (22) abstützt, bis zu 3W des Abstandes (L) zwischen den Einspannstellen benachbarter Schaufelabschnitte (21,22) beträgt.
7. Rotorstufe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung benachbarten Deckbandabschnitte (21,22) das gleiche Elastizitätsmodul und die gleiche Quersehnittsgestalt aufweisen, und durch die gleiche Streckenlast belastet sind, und daß der Abstand zwischen der Wirkungslinie (24) der Lastübertragung zwischen den Deckbandabschnitten (21,22) und der Einspannstelle an der Schaufel (18) des Deekbandabschnitts (21),der teilweise das andere Deckband abstützt, 34$ des Abstandes (L) zwischen den Einspannstellen (21,22) der Schaufeln (18) beträgt.

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- ν
8. Rotorstufe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungslinie (24) der Lastübertragung zwischen benachbarten Deckbandabschnitten (21,22) und der Befestigungsstelle an der jeweiligen Schaufel (18) des Deckbandabschnitts (21),der den benachbarten Deckbandabschnitt (22) trägt, 2l# des Abstandes (L) zwischen der Befestigungsstelle der benachbarten Schaufelabschnitte (21,22) an den Schaufeln (18) beträgt.
9. Rotorstufe nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Deckbandabschnitte (21,22) so angeordnet sind, daß sie sich teilweise überlappen, derart daß unter Last ein Deckbandabschnitt (22) teilweise durch den anderen (21) getragen wird, derart daß eine Lastübertragung zwischen den Deckbandabschnitten (21,22) stattfindet.

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