DE3148985C2

DE3148985C2 - Rotorbaugruppe

Info

Publication number: DE3148985C2
Application number: DE3148985A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Rowley
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2001-12-11
Also published as: FR2501284A1; DE3148985A1; FR2501284B1; JPS57126505A; BE891324A; IT1142139B; JPH0240841B2; GB2089900A; US4444544A; GB2089900B; IT8125689A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Rotorbaugruppe ist bereits aus der FR 10 37 572 bekannt, auf die weiter unten noch näher eingegangen werden wird.

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

Bei Gasturbinentriebwerken werden Rotorbaugruppen typischerweise aus axial benachbarten Rotorscheiben gebildet, von denen aus sich mehrere Laufschaufeln radial über den Weg von Arbeitsgasen erstrecken, die durch das Triebwerk strömen. Ein Beipiel für eine solche beschaufelte Rotorbaugruppe findet sich in der US 38 07 898. In dieser Rotorbaugruppe erstrecken sich mehrere Dichtplatten von der Rotorscheibe aus zu Laufschaufelplattformen, um die Laufschaufeln in Vor- und Rückwärtsrichtung, d. h. in axialer Richtung zu verriegeln und eine Leckage zwischen den Plattformen und der Rotorscheibe zu blockieren. Eine weitere Vorrichtung zum Verriegeln einer Laufschaufel ist in der US 27 13 991 beschrieben, bei der die Vorrichtung ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Zylinder ist. Die Laufschaufel hat eine L-förmige Lippe, die den Zylinder erfaßt, so daß der Zylinder zwei Scherebenen aufweist, um einer axialen Bewegung der Laufschaufel entgegenzuwirken. Diese Scherebenen sind quer zu der Längsachse des Zylinders orientiert.

Eine ähnliche Vorrichtung zum Verriegeln einer Laufschaufel ist auch in der Rotorbaugruppe gemäß der FR 10 37 572 vorgesehen. Die Rotorscheibe und die daran zu fixierende Laufschaufel haben dabei jeweils eine Nut, in die bei eingebauter Laufschaufel ein Stift einführbar ist, der die Laufschaufel in axialer Richtung zu der Rotorscheibe fixiert. Bei dieser bekannten Rotorbaugruppe ist es jedoch nachteilig, daß es bei jeder Laufschaufel zu einer Leckage von Arbeitsgasen zwischen einer Schaufelwurzel und einem Befestigungsschlitz kommt. Die Schaufelwurzel ist dabei der radial innere Teil der Laufschaufel, die in einen sich axial durch die Rotorscheibe erstreckenden Befestigungsschlitz eingeführt wird und dadurch die Laufschaufel fixiert. Die Leckage ist im Bereich eines Fußes der Schaufelwurzel, d. h. zwischen der radial einwärts weisenden Fläche der Schaufelwurzel und der ihr zugeordneten Fläche des Befestigungsschlitzes besonders groß.

Aus der DE-AS 21 11 995 ist es bekannt, zusätzliche Ringsegmentplatten vorzusehen, die eine Leckage im Bereich der Schaufelwurzel verhindern sollen. Diese zusätzlichen Ringsegmentplatten sind zwischen einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Haltedraht und einem radial äußeren Teil der Schaufelwurzel angeordnet und überdecken in radialer und in Umfangsrichtung die gesamte Schaufelwurzel. Die Ringsegmentplatten sind jedoch aufwendig und erhöhen das Gewicht der Rotorbaugruppe unnötig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotorbaugruppe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß mit der Verriegelung der Laufschaufeln gleichzeitig auch die Leckage von Arbeitsgasen durch die Befestigungsschlitze verhindert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Stifte, die Zylinder oder die Befestigungsdrähte stets radial versetzt zu dem Fuß der Schaufelwurzel angeordnet sind, liegt bei der Rotorbaugruppe gemäß der Erfindung der Stift in der Ebene des Fußes. Das heißt, der Stift erfaßt in lateraler oder Umfangsrichtung eine Nut an dem Fuß der Schaufelwurzel und eine entsprechende Nut, die sich am Umfang der Rotorscheibe durch den Befestigungsschlitz erstreckt. Damit wird einerseits die Laufschaufel an der Rotorscheibe verriegelt und andererseits eine Leckage von Arbeitsgasen zwischen dem Fuß der Schaufelwurzel und dem Befestigungsschlitz blockiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die geringe Baugröße des Stiftes, der es ermöglicht, daß der axialen Bewegung der Laufschaufel längs eines sich lateral erstreckenden Scherabschnittes durch den Stift entgegengewirkt wird, im Vergleich zu bekannten Verriegelungsvorrichtungen, bei denen der Bewegung der Laufschaufel längs Scherebenen entgegengewirkt wird, die sich in transversaler Richtung erstrecken. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem Blockieren der Leckage von Arbeitsgasen ergibt. Das einfache Zusammenbauen der Rotorbaugruppe wird verbessert, indem die Laufschaufel mit einem Stift festgehalten wird, der von einer Seite der Rotorscheibe her völlig zugänglich ist. Das einfache Zerlegen wird dadurch verbessert, daß das Entfernen einer einzelnen Laufschaufel aus der Nut in der Rotorscheibe durch Zurückziehen eines einzelnen Stiftes 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 Rotorstufenbaugruppe von Fig. 3 im zusammengebauten Zustand.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Verdichters 10. Ein Strömungsweg 12 für Arbeitsgase erstreckt sich axial durch den Verdichter 10. Der Verdichter 10 hat eine Statorbaugruppe 14 und eine Rotorbaugruppe 16. Die Rotorbaugruppe 16 hat eine Drehachse Ar und enthält eine stromaufwärtige Rotorstufe 18 und eine stromabwärtige Rotorstufe 20. Die stromabwärtige Rotorstufe 20 ist in axialem Abstand von der stromaufwärtigen Rotorstufe 18 angeordnet, so daß zwischen diesen Rotorstufen 18, 20 sowohl ein axialer Teil des Strömungsweges 12 als auch ein Hohlraum einwärts des Strömungsweges 12 verbleiben. Die Statorbaugruppe 14 enthält einen Kranz von Leitschaufeln 22, die sich über den Strömungsweg 12 erstrecken und den axialen Teil des Strömungsweges 12 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 einen Spitzenbereich jeder Leitschaufel 22 und erstreckt sich in Umfangsrichtung, um den Hohlraum zwischen den Rotorstufen 18, 20 in einen stromaufwärtigen Hohlraum 32 und einen stromabwärtigen Hohlraum 34 zu unterteilen. Der stromaufwärtige Hohlraum 32 steht in Strömungsverbindung mit dem stromabwärtigen Hohlraum 34.

Die stromabwärtige Rotorstufe 20 hat eine Rotorscheibe 36 mit einem Randabschnitt 38, der sich über den Umfang der Rotorscheibe 36 erstreckt. Die Rotorbaugruppe 16 hat mehrere Laufschaufeln 40, die sich nach außen über den Strömungsweg 12 der Arbeitsgase erstreckt. Der Randabschnitt 38 ist so ausgebildet, daß er die Laufschaufeln 40 in mehreren Befestigungsschlitzen 42 aufnimmt. Diese Befestigungsschlitze 42 erstrecken sich in einer insgesamt axialen Richtung. Der Umfang der Rotorscheibe 36 hat eine erste Nut 44, die sich insgesamt in Umfangsrichtung (d. h. in lateraler oder seitlicher Richtung) durch jeden Befestigungsschlitz 42 erstreckt und insgesamt in Richtung nach außen weist. Jede Laufschaufel 40 hat eine Schaufelwurzel 46, deren Form dem entsprechenden Befestigungsschlitz 42 angepaßt ist. Ein Fuß 47 der Schaufelwurzel 46 hat eine zweite Nut 48. Die Nut 48 in der Schaufelwurzel 46 ist so ausgerichtet, daß sie der Nut 44 in der Rotorscheibe 36 zugewandt ist, wenn die Laufschaufel 40 eingebaut ist. Ein radialer Vorsprung 50 an der Schaufelwurzel 46 erstreckt sich sowohl axial als auch radial, um die Nut 48 in der Laufschaufel 40 zu begrenzen, und ist den Arbeitsgasen in dem stromabwärtigen Hohlraum 34 zugewandt. Ein Stift 52, der sich sowohl in der Nut 44 als auch in der entsprechenden Nut 48 erstreckt, erfaßt die Rotorscheibe 36 und die Laufschaufel 40 und verriegelt die Laufschaufel 40.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht nach der Linie 2-2 von Fig. 1 und vier Stifte 52 im Zusammenbauzustand sowie einen Stift 52a während des Zusammenbaus. Jeder Stift 52 hat eine Längsachse L und erstreckt sich lateral in der Nut 44 der Rotorscheibe 36. Jeder Stift 52 hat einen ersten Endteil 53, einen Mittelteil 54 und einen dünneren zweiten Endteil 56. Der erste Endteil 53 hat ein L-Profil. Der Mittelteil 54 besteht aus einem geraden Kreiszylinder. Der dünne zweite Endteil 56 weist einen abgestumpften geraden Kreiszylinder auf, dessen Querschnittsdicke zu dem Ende des Stiftes 52 hin ständig abnimmt. Der dünne Endteil 56 kann ohne zu brechen in einer Richtung gebogen werden, die zu der Längsachse L des Mittelteils 54 rechtwinklig ist.

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

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

Während des Zusammenbaus werden jede Laufschaufel 40 und ein entsprechender Stift 52 in den Randabschnitt 38 der Rotorscheibe 36 eingesetzt. Gemäß Fig. 3 wird eine Laufschaufel 40 für das Einsetzen in einen entsprechenden Befestigungsschlitz 42 ausgerichtet. Nach dem Einführen der Laufschaufel 40 kann der Stift 52 verschoben werden, um ihn mit der Laufschaufel 40 und der Rotorscheibe 36 in Eingriff zu bringen, damit er die Laufschaufel 40 an der Rotorscheibe 36 verriegelt. Gemäß Fig. 2 wird dieser Eingriff hergestellt, indem der Stift 52a in die Nut 44 der Rotorscheibe 36 und die Nut 48 der Laufschaufel 40 geschoben wird. Der Stift 52a ist bis zu seiner Sicherung gegen laterale Bewegung in der Nut 44 in der Rotorscheibe 36 und in der Nut 48 in der Laufschaufel 40 lateral verschiebbar, um das Einbauen von benachbarten Verriegelungsstiften 52 zu erleichtern, wenn zusätzliche Laufschaufeln 40 in die Rotorscheibe 36 eingesetzt werden.

Gemäß den Fig. 2 und 4 wird der Stift 52 gegen eine laterale Bewegung gesichert, indem das dünne Endteil 56 des Stiftes 52 in radialer Richtung, vorzugsweise nach außen, umgebogen wird. Zusätzlich können die Stifte 52 durch Schweißen oder Hartlöten befestigt werden.

Wenn die Arbeitsgase im Betrieb auf dem Strömungsweg 12 durch den Verdichter 10 hindurchgehen, haben sie die Tendenz, aus dem Hohlraum 34 über Schneidendichtungen an der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ummantelung 30 zurück in den Hohlraum 32 zu strömen. Dieses Zurückströmen verringert den Wirkungsgrad des Verdichters 10. Die radialen Vorsprünge 50 an dem Fuß 47 jeder Laufschaufel 40 bewirken das Pumpen der Arbeitsgase in einer Richtung, die zu der des Zurückströmens entgegengesetzt ist, die das Zurückströmen verringert und die den Wirkungsgradverlust verkleinert.

Wenn die Arbeitsgase auf dem Strömungsweg 12 axial durch die Rotorstufe 20 des Verdichters 10 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 Stift 52 erfaßt aber sowohl die Laufschaufel 40 als auch die Rotorscheibe 36, so daß der Bewegung der Laufschaufel 40 sowohl in der Vor- als auch in der Rückwärtsrichtung die Scherfestigkeit des Stiftes 52 entgegenwirkt, die in einem in Längsrichtung ausgerichteten Scherabschnitt, wie beispielsweise einer Längsebene oder einem lateralen Abschnitt in dem Stift 52 wirkt. Der Stift 52 bietet den Scherkräften einen größeren Scherquerschnitt dar als Querscherstifte, die der axialen Bewegung der Laufschaufel 40 mit einer Scherkraft entgegenwirken, die in dem Querscherstift in einer Ebene gebildet wird, welche zu dem lateralen Abschnitt rechtwinklig ist. Ein Stift 52 mit kleinerem Durchmesser kann benutzt werden, um die Laufschaufel 40 gegen eine bestimmte Kraft festzuhalten, im Vergleich zu den Querscherstiften, wodurch das Gewicht der Rotorbaugruppe 16 und die aerodynamischen Verluste aufgrund der Stifte 52 verringert werden.

Mehrere Vorteile ergeben sich aus der spezifischen Lage des Stiftes 52 in bezug auf die Rotorscheibe 36 und die Laufschaufel 40. Der Stift 52 erfaßt den Fuß 47 der Schaufelwurzel 46 und die Rotorscheibe 36 an dem Befestigungsschlitz 42. Die Schaufelspannungen sind in diesem Gebiet niedrig, verglichen mit den Spannungen in der Laufschaufel 40, die sich dadurch ergeben, daß die Laufschaufel 40 radial außerhalb von diesem Gebiet erfaßt wird, wo die Umfangsbreite der Laufschaufel 40 kleiner als die Breite des Fußes 47 ist. Darüber hinaus bewirkt gemäß Fig. 2 der Stift 52, daß die Leckage von Arbeitsgasen über den Befestigungsschlitz 42 an der Rotorscheibe 36 blockiert wird. Darüber hinaus ermöglicht der Aufbau, daß die Nut 44 während der Fertigung zugänglich ist, was ermöglicht, Ränder der Rotorscheibe 36 fertigzubearbeiten, um die Spannungskonzentration an den Rändern des Befestigungsschlitzes 42 zu verkleinern. Während des Zerlegens wird der Stift 52 entfernt, indem das Endteil 56 des Stiftes 52 in radialer Richtung gebogen und der Stift 52 lateral aus den Nuten 44, 48 herausgeschoben wird. Das gestattet das Demontieren der Laufschaufel 40, die durch den Stift 52 verriegelt wird.

Die Querschnittsform des Stiftes 52 ist, ebenso wie die der Nuten 44, 48 kreisförmig, wodurch die Spannungskonzentrationen in der Rotorscheibe 36 und in der Laufschaufel 40 verringert werden. Andere Querschnittsformen können jedoch ebenfalls benutzt werden.

Claims

1. Rotorbaugruppe mit einer Rotorscheibe (36), an der Laufschaufeln (40) in am Umfang angeordneten, axial durchgehenden Befestigungsschlitzen (42) befestigt sind, wobei jede Laufschaufel (40) eine der Form des Befestigungsschlitzes (42) angepaßte Schaufelwurzel (46) mit einem radial einwärts gewandten Fuß (47) hat, wobei die Rotorscheibe (36) eine über ihrem Umfang nach außen offene erste Nut (44) hat, die sich in Umfangsrichtung lateral zu jedem Befestigungsschlitz (42) erstreckt, wobei in jeder Laufschaufel (40) eine zweite Nut (48) an der Schaufelwurzel (46) gebildet ist, die sich in Umfangsrichtung lateral zu der Schaufelwurzel (46) in einer Linie mit der ersten Nut (44) in der Rotorscheibe (36) erstreckt und dieser ersten Nut (44) zugewandt ist, und wobei ein Stift (52) die Rotorscheibe (36) und jeweils eine Laufschaufel (40) in der ersten bzw. zweiten Nut erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nut (44) der Rotorscheibe (36) durch den Befestigungsschlitz (42) erstreckt und daß sich die Nut (48) der Schaufelwurzel (46) derart in dem Fuß (47) der Schaufelwurzel (46) erstreckt, daß der in den Nuten (44, 48) aufgenommene Stift (52) die Leckage von Arbeitsgasen an der Rotorscheibe (36) zwischen dem Fuß (47) und der Rotorscheibe (36) blockiert.

2. Rotorbaugruppe 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 und in dem die zweite Nut (48) gebildet ist.

3. Rotorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (52) einen Mittelteil (54) in Form eines geraden Kreiszylinders, einen ersten Endteil (53) in Form eines zu einem L-Profil verformten Zylinders und einen zweiten Endteil (56) in Form eines abgestumpften geraden Kreiszylinders, dessen Querschnittsdicke zum Ende hin ständig abnimmt, aufweist.