DE3148985A1

DE3148985A1 - Rotorbaugruppe und dafuer vorgesehene verriegelungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3148985A1
Application number: DE19813148985
Authority: DE
Inventors: Robert Lee 06033 Glastonbury Conn. Rowley
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1982-07-22
Anticipated expiration: 2001-12-11
Also published as: JPS57126505A; BE891324A; GB2089900B; IT1142139B; US4444544A; JPH0240841B2; FR2501284A1; GB2089900A; FR2501284B1; IT8125689A0; DE3148985C2

Description

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Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 3	München 5	Dipl.-lng. Rolf Menges Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl	U	766
8000 München 5	Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München	10	.12.81
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	Datum/Date

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Rotorbaugruppe und dafür vorgesehene Verriegelungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen und betrifft insbesondere die Verwendung einer Verriegelungsvorrichtung zum Verriegeln einer Laufschaufel an einer Rotorscheibe .

Die Erfindung wurde zwar in der Gasturbinentriebwerksindustrie zum Verriegeln von Verdichter- und Turbinenlaufschaufeln an den Rotoren von solchen Triebwerken entwickelt, ihr Anwendungsbereich erstreckt sich jedoch auch auf Baugruppen mit ähnlicher Konfiguration.

Auf dem Gasturbinentriebwerksgebiet werden Rotorbaugruppen typischerweise aus axial benachbarten Rotorscheiben gebildet, von denen aus sich mehrere Laufschaufeln radial über den Weg der Arbeitsmediumgase erstrecken, die durch das Triebwerk strömen. Ein Beispiel für eine solche beschaufelte Rotorstufenbaugruppe findet sich in der US-PS 3 807 898. In die-

ser Baugruppe erstrecken sich mehrere Dichtplatten von der Rotorscheibe aus zu jeder LaufSchaufelplattform, um die Laufschaufeln in Vor- und Rückwärtsrichtung zu verriegeln und eine Leckage zwischen den Plattformen und der Scheibe zu blockieren. Eine weitere Verriegelungsvorrichtung ist in der US-PS 2 713 991 beschrieben. Bei dieser Konstruktion ist die Verriegelungsvorrichtung ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Zylinder. Die Laufschaufel hat eine L-förmige Lippe, die den Zylinder erfaßt, so daß der Zylinder zwei Scherebenen in dem Draht aufweist, um einer Bewegung der Laufschaufel in einer insgesamt axialen Richtung entgegenzuwirken. Diese Scherebenen sind quer zu der Längsachse des Zylinders orientiert.

Trotz der Verfügbarkeit der obigen Verriegelungsvorrichtungen suchen Wissenschaftler und Ingenieure weiterhin nach verbesserten Verriegelungsyorrichtungen, die ein geringes Gewicht haben und die Leckage von Arbeitsmediumgasen zwischen der Laufschaufel und der Rotorscheibe blockieren.

Gemäß der Erfindung erfaßt ein in seitlicher oder lateraler Richtung über einer Laufschaufelwurzel zwischen dem Fuß der Schaufelwurzel und einer Tragscheibe angeordneter Stift eine Nut an dem Fuß der Wurzel und eine entsprechende Nut an dem Umfang der Scheibe, um die Laufschaufel an der Scheibe zu verriegeln und die Leckage von Arbeitsmediumgasen an der Scheibe zwischen dem Fuß der Schaufelwurzel und der Scheibe zu blockieren.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist eine Rotorscheibe, die durch LaufSchaufelbefestigungsschlitze in der Lage ist, Laufschaufeln aufzunehmen. Die Rotorscheibe hat eine Nut, die sich in seitlicher Richtung über den Schaufelbefestigungsschlitz erstreckt. Die Nut weist in eine Richtung insgesamt nach außen. Die Laufschaufel hat einen Fuß, der in eine Richtung

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insgesamt einwärts weist. Die Laufschaufel hat eine Nut, die sich in seitlicher Richtung über den Fuß der Schaufel in einer Linie mit der Nut in der Scheibe erstreckt und dieser zugewandt ist. Ein weiteres Merkmal ist ein Verriegelungsstift/ der die Rotorscheibe und die Laufschaufel an der Scheibennut und der Schaufelnut erfaßt. In einerAusführungsform begrenzt ein radialer Vorsprung an der Laufschaufel die Nut in dem Fuß der Laufschaufel.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die geringe Baugröße der Schaufelverriegelung, die dadurch ermöglicht wird, daß der Vor- und Rückwärtsbewegung der Laufschaufel längs eines sich lateral erstreckenden Scherabschnittes durch die Verriegelung entgegengewirkt wird, im Vergleich zu Schaufelverriegelungen, bei denen der Bewegung der Schaufel längs Scherebenen entgegengewirkt wird, die sich in transversaler Richtung erstrecken. Ein weiterer Vorteil ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Blockieren der Leckage von Arbeitsmediumgasen an der Rotorscheibe zwischen der Wurzel der Laufschaufel und der Scheibe mit jedem Verriegelungsstift ergibt. Noch ein weiterer Vorteil ist der geringe Wert der Schaufelwurzelspannungen, der auf die seitliche Berührung der Schaufelwurzel an der Grenzfläche zwischen der Schaufel und der Scheibe zurückzuführen ist. Das einfache Zusammenbauen wird noch verbessert, indem die Schaufel gegen eine Bewegung in Vor- und Rückwärtsrichtung mit einem Verriegelungsstift festgehalten wird, der von einer Seite der Scheibe her völlig zugänglich ist. Das einfache Zerlegen wird dadurch verbessert, daß das Entfernen einer einzelnen Laufschaufel aus der Scheibennut durch Zurückziehen eines einzelnen Verriegelungsstiftes möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Teils

eines Verdichterabschnitts eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung benutzt wird,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2

von Fig 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische

Teildarstellung einer Rotorstufenbaugruppe von Fig. 1 und

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht der Ro

torstufenbaugruppe von Fig. 3 im zusammengebauten Zustand.

Die Erfindung wird am Beispiel des Verdichters eines Gasturbinentriebwerks beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Teil des Verdichters 10. Ein Strömungsweg 12 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch den Verdichter. Der Verdichter hat eine Statorbaugruppe 14 und eine Rotorbaugruppe 16. Die Rotorbaugruppe hat eine Drehachse Ar und enthält eine stromaufwärtige Rotorstufe 18 und eine stromabwärtige Rotorstufe Die stromabwärtige Rotorstufe ist in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rotorstufe angeordnet, so daß zwischen diesen Stufen sowohl ein axialer Teil des Strömungsweges als auch ein Hohlraum einwärts des Strömungsweges verbleiben. Die Statorbaugruppe enthält einen Kranz von Leitschaufeln 22, die sich über den Strömungsweg erstrecken und den axialen Teil des Strömungsweges in ein stromaufwärtiges Gebiet 24, das einen ersten Druck hat,und in ein stromabwärtiges Gebiet 26 unterteilen, dessen Druck höher ist als der erste Druck. Eine Ummantelung 30 berührt den Spitzenbereich jeder Leitschaufel und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um den Hohlraum zwischen den Rotorstufen in einen stromaufwärtigen

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Hohlraum 32 und einen stromabwärtigen Hohlraum 34 zu unterteilen. Der stromaufwärtige Hohlraum steht in Strömungsverbindung mit dem stromabwärtigen Hohlraum.

Die stromabwärtige Rotorstufe 20 hat eine Scheibe 36 mit einem Umfang, wie dem Randabschnitt 38, der sich über den Umfang der Scheibe erstreckt. Die Rotorbaugruppe hat mehrere Laufschaufeln, wie die einzelne Laufschaufel 40, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt. Der Randabschnitt 38 ist so ausgebildet, daß er die Laufschaufeln in mehreren LaufSchaufelbefestigungsschlitzen aufnimmt, was durch den einzelnen LaufSchaufelbefestigungsschlitz 42 dargestellt ist. Diese Schlitze erstrecken sich in einer insgesamt axialen Richtung. Der Umfang der Rotorscheibe hat eine Nut 44, die sich insgesamt in Umfangsrichtung (d.h. in lateraler oder seitlicher Richtung) über jeden Befestigungsschlitz erstreckt und insgesamt in Richtung nach außen weist. Jede Laufschaufel hat eine Wurzel 46, deren Form einem entsprechenden Schaufelbefestigungsschlitz angepaßt ist. Der Fuß 47 der Wurzel hat eine Nut 48. Die Nut in der Wurzel ist so ausgerichtet, daß sie der Nut in der Scheibe zugewandt ist, wenn die Schaufel eingebaut ist. Ein radialer Vorsprung 50 an der Wurzel erstreckt sich sowohl axial als auch radial, um die Nut in der Schaufel zu begrenzen, und ist den Arbeitsmediumgasen in dem stromabwärtigen Hochdruckhohlraum 34 zugewandt. Ein Verriegelungsstift 52, der sich sowohl in der Scheibennut als auch in einer entsprechenden Schaufelnut erstreckt, erfaßt die Scheibe und die Schaufel.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und vier Verriegelungsstifte 52 im Zusammenbauzustand sowie einen Verriegelungsstift 52a während des Zusammenbaus. Jeder Stift hat eine Längsachse L. Der Stift erstreckt sich lateral in der Umfangsnut 44 der Scheibe 36. Jeder Stift hat einen ersten Endteil 53, einen Mit-

telteil 54 und einen dünneren zweiten Endteil 56. Der erste Endteil hat ein L-Profil. Der Mittelteil besteht aus einem geraden Kreiszylinder. Der dünne Endteil weist einen abgestumpften geraden Kreiszylinder auf, dessen Querschnittsdicke zu dem zweiten Ende des Verriegelungsstiftes hin ständig abnimmt. Der dünner gemachte Endteil kann ohne zu brechen in einer Richtung gebogen werden, die zu der Längsachse L des Mittelabschnitts rechtwinkelig ist.

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht einer Rotorscheibe 36, einer Laufschaufel 40 und eines VeirriegelungsStiftes 52. Die Nut 44 der Scheibe erstreckt sich in lateraler Richtung über jeden Schaufelbefestigungsschlitz 42. Die unterbrochenen Linien zeigen die Beziehung des Verriegelungsstiftes zu der Nut 44 der Scheibe und dem Blattbefestigungsschlitz 42 der Scheibe, wobei die Laufschaufel der Übersichtlichkeit halber entfernt dargestellt ist. Die Laufschaufel 40 wird mit der Scheibe vor dem Einführen des Verriegelungsstiftes zusammengebaut.

Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht der Rotorscheibe 36, der Laufschaufeln 40 und der Verriegelungsstifte 52 im zusammengebauten Zustand.

Während des Zusammenbaus werden jede Laufschaufel 40 und ein entsprechender Verriegelungsstift 52 in den Rand 38 der Scheibe 36 eingesetzt. Gemäß Fig. 3 wird eine Laufschaufel für das Einsetzen in einen entsprechenden Schaufelbefestigungsschlitz 42 ausgerichtet. Nach dem Einführen der Schaufel kann der Verriegelungsstift 52 verschoben werden, um ihn mit der Laufschaufel und der Scheibe in Eingriff zu bringen, damit er die Schaufeln an der Scheibe verriegelt. Gemäß Fig. wird dieser Eingriff hergestellt, indem der Verriegelungsstift 52a in die Nut 44 der Scheibe und die Nut 48 der Laufschaufel geschoben wird. Der Verriegelungsstift ist bis zu

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seiner Sicherung gegen laterale Bewegung in der Nut 44 in der Scheibe und in der Nut 48 in der Schaufel lateral verschiebbar, um das Einbauen von benachbarten Verriegelungsstiften zu erleichtern, wenn zusätzliche Schaufeln in die Scheibe eingesetzt werden.

Gemäß den Fig. 2 und 4 wird der Verriegelungsstift gegen eine laterale Bewegung gesichert, indem das dünn gemachte Ende des Stiftes in radialer Richtung, vorzugsweise nach außen, umgebogen wird. Zusätzlich können die Stifte durch Schweißen oder Hartlöten befestigt werden.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsmediumgase auf dem Strömungsweg 12 durch den Verdichter 10. Wenn die Gase auf dem Strömungsweg durch den Verdichter hindurchgehen, haben sie die Tendenz, aus dem Hochdruckhohlraum 34 über die Schneidendichtungen an der sich in ümfangsrichtung erstreckenden Ummantelung 30 zurück in den Niederdruckhohlraum 32 zu strömen. Dieses Zurückströmen verringert den Wirkungsgrad des Verdichters. Die radialen Vorsprünge 50 an dem Fuß jeder Laufschaufel bewirken das Pumpen der Arbeitsmediumgase in einer Richtung, die zu der des Zurückströmens entgegengesetzt ist, das Zurückströmen verringert und den Verlust an Verdichterwirkungsgrad verkleinert.

Wenn die Gase auf dem Strömungsweg 12 axial durch die Rotorstufe 20 des Verdichters gepumpt werden, üben sie eine Kraft entweder in der stromaufwärtigen Richtung (Vorwärtsrichtung) während des normalen Betriebes oder In stromabwärtiger Richtung (Rückwärtsrichtung) aus, wie es bei gestörter Verdichterförderung vorkommen könnte. Jeder Verriegelungsstift 52 erfaßt sowohl die Schaufel als auch die Scheibe, so daß der Bewegung der Schaufel sowohl in der Vor- als auch in der Rückwärtsrichtung die Scherfestigkeit des Stiftes entgegenwirkt, die in einem in Längsrichtung ausgerichteten Scher-

abschnitt , wie beispielsweise einer Längsebene oder einem lateralen Abschnitt in dem Stift, wirkt. Der Stift 52 bietet den Scherkräften einen größeren Scherquerschnitt dar als Stifte, die der Vor- und Rückwärtsbewegung der Schaufel mit einer Scherkraft entgegenwirken, die in dem Stift in einer Ebene gebildet wird, welche zu dem lateralen Abschnitt rechtwinkelig ist. Ein Stift 52 mit kleinerem Durchmesser kann benutzt werden, um die Schaufel gegen eine bestimmte Kraft festzuhalten, im Vergleich zu diesen Querscherstiften, wodurch das Gewicht der Baugruppe und die aerodynamischen Verluste aufgrund der Vorrichtungen zum Festhalten des Stiftes verringert werden.

Mehrere Vorteil ergeben sich aus der spezifischen Lage des Verriegelungsstiftes 52 in bezug auf die beschriebene Scheibe und die beschriebene Schaufel. Der Stift erfaßt die Wurzel der Schaufel und die Scheibe an dem Fuß der Schaufel. Die Schaufelspannungen sind in diesem Gebiet niedrig, verglichen mit den Spannungen in der Schaufel, die sich dadurch ergeben, daß die Schaufel radial außerhalb von diesem Punkt erfaßt wird, wo die ümfangsbreite der Schaufel kleiner als der Fußbereich ist. Darüber hinaus bewirkt gemäß Fig. 2 der Verriegelungsstift, daß die Leckage von Arbeitsmedlumgasen über den Schaufelbefestigungsschlitz an der Scheibe blockiert wird. Darüber hinaus ermöglicht der Aufbau, daß die Scheibennut während der Fertigung zugänglich ist, was ermöglicht, die Ränder der Scheibe fertigzubearbeiten, um die Spannungskonzentration an dem Rand des Schaufelbefestigungsschlitzes zu verkleinern. Während des Zerlegens wird der Verriegelungsstift entfernt, indem das dünn gemachte Ende des Stiftes in radialer Richtung gebogen und der Stift lateral aus den Nuten 44, 48 herausgeschoben wird. Das gestattet das Demontieren der einzelnen Schaufel, die durch den Stift verriegelt wird.

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Die Querschnittsform des Stiftes ist, ebenso wie die der Nuten, kreisförmig, wodurch die Spannungskonzentrationen in der Scheibe und in der Schaufel verringert werden. Andere Querschnittsformen können im Rahmen der Erfindung benutzt werden.

Claims

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche :

ill Rotorbaugruppe mit einer Rotorscheibe (36) , die mehrere Schaufelbefestigungsschlitze (42) hat, welche sich in insgesamt axialer Richtung über die Scheibe erstrecken, und eine entsprechende Anzahl von Laufschaufeln (40) , von denen sich jeweils eine von jedem Befestigungsschlitz aus erstreckt, dadurch gekennzeichnet,

daS die Rotorscheibe (36) eine erste Nut (44) hat, die sich in einer lateralen Richtung über jeden Befestigungsschlitz 142) erstreckt und in Richtung insgesamt nach außen weist; daß jede Laufschaufel (40) eine zweite Nut (46) hat, die sich in lateraler Richtung über den Fuß (47) der Laufschaufel in einer Linie mit der Nut (44) in der Scheibe (36) erstreckt und dieser Nut zugewandt ist; und daß ein Stift (52) die Rotorscheibe (36) und jeweils eine Laufschaufel (40) in der ersten bzw. zweiten Nut erfaßt, um die Laufschaufel an der Scheibe (36) festzuhalten.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß (47) jeder Laufschaufel (40) einen radialen Vorsprung (50) hat, der sich sowohl radial als auch axial erstreckt, um die Nut (46) in der Laufschaufel (40) zu begren-

zen, und der den Arbeitsmediumgasen benachbart ist, um die Arbeitsmediumgase an dem Rotorgebilde zu pumpen.
3. Verriegelungsvorrichtung zur Verwendung in einer Axialströmungsmaschine, um die Vor- und Rückwärtsbewegung einer einzelnen Laufschaufel (40) in bezug auf eine Rotorscheibe (36) zu verhindern, gekennzeichnet durch:

einen Verriegelungsstift (52) mit einem ersten Endteil (53), mit einem Mittelteil (54) und mit einem dünn gemachten zweiten Endteil (56) , wobei der erste Endteil (53) einen Zylinder aufweist, der zu einem L-Profil verformt ist, wobei der Mittelteil (54) einen geraden Kreiszylinder aufweist, wobei der dünn gemachte Endteil (56) einen abgestumpften geraden Kreiszylinder aufweist, dessen Querschnittsdicke zu dem zweiten Ende des Verriegelungsstiftes hin ständig abnimmt ,und wobei der dünn gemachte Endteil (56) in einer zu der Längsachse des Mittelsteils (56) rechtwinkeligen Richtung ohne zu brechen biegbar ist.