EP1698758A2

EP1698758A2 - Axial getrennter Rotor-Schluss

Info

Publication number: EP1698758A2
Application number: EP20060110011
Authority: EP
Inventors: René Bachofner; Wolfgang Kappis; Kurt Rubischon
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: EP1698758A3; EP1698758B1; US20060188373A1; US7338258B2

Abstract

Ein Rotor-Schluss (1) für einen Rotor einer thermischen Turbomaschine mit zumindest einer Umfangsnut (3), in der Stauchschaufeln, Zwischenstücke und zwei Schlussschaufeln (4), zwischen denen ein Restspalt gebildet ist, montiert sind, wobei der Rotor-Schluss (1) zwei Schlusshälften (9, 9) und einen Keil (7) aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Klammer (8) in dem Restspalt angeordnet ist, welche die Kräfte der beiden Schlusshälften (9, 9) und zweier zwischen den Schlusshälften (9, 9) angeordneter und mit dem Keil (7) verspannten Beilagehälften (5, 6) aufnimmt. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und ein Rotor-Schluss zur Verfügung gestellt, welcher keine Axialkräfte auf den Rotor und keine Kräfte in Umfangsrichtung auf benachbare Schaufeln ausübt, so dass ein Auftreten störender Rotorvibrationen und Verklemmung von benachbarten Schaufeln wirksam vermieden wird. Ferner wird ein entsprechendes Montageverfahren angegeben.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der thermischen Turbomaschinen, insbesondere betrifft sie einen Rotor-Schluss für Rotoren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner wird ein Montageverfahren für einen erfindungsgemässen Rotor-Schluss angegeben.

Stand der Technik

Thermische Turbomaschinen mit Axialturbinen und Axialverdichtern, weisen einen mit Laufschaufeln bestückten Rotor und einen Stator auf, in den Leitschaufeln zur Strömungsführung eingehängt sind.
Die stationären Leitschaufeln haben die Aufgabe, den Strom des zu verdichtenden bzw. des zu entspannenden gasförmigen Mediums so auf die rotierende Laufbeschaufelung der jeweiligen Verdichterstufe bzw. der jeweiligen Turbinenstufe zu lenken, dass die Energieumwandlung mit bestmöglichem Wirkungsgrad erfolgt.
Sowohl Laufschaufeln als auch Leitschaufeln weisen im wesentlichen ein profiliertes Schaufelblatt und einen Schaufelfuss auf. Um die Laufschaufeln auf dem Rotor bzw. die Leitschaufeln im Stator befestigen zu können, sind im Stator und auf der Rotorwelle Nuten eingestochen. In diese Nuten werden die Füsse der Schaufeln eingeschoben und dort arretiert.
Es ist bekannt, dass Verdichterschaufelreihen von Gasturbinenrotoren in Umfangsnuten angeordnet sind, die häufig einen T-förmigen Querschnitt aufweisen. In der Regel wechseln sich hier Schaufeln und Zwischenstücke ab. Bei der Montage solcher Schaufelreihen muss für die letzten zu montierenden Schaufeln eine spezielle Lösung gefunden werden, da dann die verbleibende Einfüllöffnung für ein vollständiges Zwischenstück zu klein ist. Diese Restöffnung wird daher mit einem sogenannten Rotor-Schluss aufgefüllt.
Aus der DE 812 337 ist ein derartiger Rotor-Schluss bekannt. Der bekannte Rotorschluss besteht aus einem halbierten Zwischenstück, das heisst aus zwei in Bezug auf den Rotor in Umfangsrichtung geteilten Schlusshälften, und einem Keil, mit Hilfe dessen die Schlusshälften im Rotor in Umfangsrichtung verstemmt werden.
Die beiden Schlusshälften weisen bei dem bekannten Stand der Technik gemäss der DE 812 337 jeweils eine gerade ausgebildete Seitenfläche auf. Die genannten Seitenflächen stehen sich im eingebauten Zustand gegenüber, wobei sich dann zwischen ihnen der Keil befindet. Nachdem die beiden Schlusshälften und der Keil eingebaut sind, werden abschliessend die an der Oberseite des Keils ausgebildeten Lappen in entsprechede Hinterschneidungen in den Seitenflächen der Schlusshälften gebogen und der Keil und damit das gesamte Schlussstück gegen Herausfliegen gesichert.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass bei hohen Rotordrehzahlen Festigkeitsprobleme auf Grund des Kippmomentes der beiden Schlusshälften auftreten können, welches durch die Fliehkraft während des Betriebes bewirkt wird.
Ein weiterer Nachteil dieser technischen Lösungen besteht darin, dass die Schlussstücke einerseits durch die Fliehkraft während des Betriebes und anderseits durch das Verstemmen des Keiles Axialkräfte auf den Rotor ausüben. Bei der Suche nach den Ursachen für die häufig auftretenden Rotorvibrationen hat man festgestellt, dass diese Axialkräfte den Rotor verbiegen und dadurch nachteilig störende Schwingungen erzeugen können.
Die EP 1 215 367 A2 und die DE 103 10 432 A1 beschreiben Lösungsvorschläge, bei denen die Kräfte in die benachbarten Schaufeln, d.h. in Umfangsrichtung eingeleitet werden. Die hier vorgestellten Lösungen sind aufwändig und kostspielig in Montage und Herstellung. Ausserdem können auch durch die Einleitung der Kräfte in Umfangsrichtung Rotorvibrationen hervorgerufen werden.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, einen Rotor-Schluss zur Verfügung zu stellen, welcher möglichst keine Axialkräfte auf den Rotor ausübt, so dass dadurch ein Auftreten von durch Axialkräfte hervorgerufenen störenden Rotorvibrationen vermieden wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen Rotor-Schluss für Rotoren thermischer Turbomaschinen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemässes Montageverfahren wird in Anspruch 9 beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und ein Rotor-Schluss zur Verfügung gestellt, welcher keine Axialkräfte auf den Rotor und keine Kräfte in Umfangsrichtung auf benachbare Schaufeln ausübt, so dass ein Auftreten störender Rotorvibrationen und Verklemmung von benachbarten Schaufeln wirksam vermieden wird.
Der erfindungsgemässe Rotor-Schluss ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Klammer in dem Restspalt angeordnet ist, welche die Kräfte der beiden Schlusshälften und zweier zwischen den Schlusshälften angeordneter und mit dem Keil verspannten Beilagehälften aufnimmt. Hierdurch werden die bei den bekannten Rotor-Schluss Konstruktionen in axialer Richtung auf die Nut und in Umfangsrichtung auf benachbarte Schaufeln wirkenden Kräfte wirkungsvoll vermieden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass nunmehr die Klammer und nicht wie beim bekannten Stand der Technik der Rotor die durch die Fliehkraft und den aufgestemmten Keil verursachten Axialkräfte aufnehmen. Dadurch werden vorteilhaft störende Schwingungen vermieden.
Eine Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die sich gegenüberliegenden Beilagehälften jeweils eine Hinterschneidung aufweisen, in die an der Oberseite des Keils angeordnete Keillappen hineinspreizbar sind. Hierdurch wird der Keil im Paket gegen Herausfliegen aufgrund der Fliehkräfte gesichert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Beilagehälften über den Hinterschneidungen Beilagelappen aufweisen, die über die gespreizten Keillappen treibbar sind. Hierdurch erfolgt eine zusätzliche Sicherung des Keils, da ein Auseinanderdriften der Beilagehälften und damit verbundenes Freilegen der Keillappen sicher vermieden wird.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Paket aus den beiden Beilagen und dem Keil durch umgebördelte Schlusshälftenlappen gesichert ist. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine zusätzliche Sicherung, die bei Versagen einer der vorhergehenden Sicherungen greift.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Klammer als ein im wesentlichen rechteckförmige Platte mit einem Lägsschlitz und U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist. Dabei sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die U-Schenkel der Klammer in korrespondierende Nuten der Schlusshälften eingreifen. Dabei wird die Klammer in axialer, d.h. in Rotorlängsrichtung in der umlaufenden Nut montiert. Die Klammer steht sowohl mit den Beilagehälften als auch mit den Schlusshälften im Eingriff. Durch die Fliehkräfte werden die U-Schenkel in die korrespondierenden Nuten der Schlusshälften zusätzlich quasi hineingedrückt.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass entsprechende Vorsprünge der Beilegehälften in den Länsgschlitz der Klammer eingreifen. Alternativ können auch Nasen oder Stege an den Beilagehälften nach unten hervorstehen und in den Längsschlitz der Klammer eingreifen. Hierdurch erfolgt die Krafteinleitung der durch den Keil auseinandergetriebenen Beilagen in axialer Richtung in die Klammer. Eine Belastung des Nutgrunds in axialer Richtung wird hierdurch effektiv vermieden.
Schliesslich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Klammer aus einer Chrom-Molybdän-Legierung hergestellt ist. Hierdurch werden die Anforderungen an hohe Festigkeit bei geringem Gewicht des Bauteils vorteilhaft erfüllt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Montage eines axial geteilten Rotorschluss, der zwei Schlusshälften, zwei Beilagehälften, eine Klammer und einen Keil aufweist, weist folgende Schritte auf: Einbringen der Klammer in die umlaufende Nut; Montage der beiden Schlusshälften, wobei diese mit der Klammer in Eingriff gebracht werden; Montage der beiden Beilagehälften, wobei diese ebenfalls mit der Klammer in Eingriff gebracht werden; Verspannnen der beiden Beilagehälften in axialer Richtung durch Einbringen des Keils. Die Demontage erfolgt in ugekehrter Reihenfolge. Dabei werden die Keillappen aufgebohrt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zur Montage eines axial geteilten Rotorschluss, weist ferner folgende Schritte auf: Sichern des Keils durch Aufpreitzen der oberen Keillappen in Aussparungen der Beilagehälften und Umbörteln von Lappen der Beilagehälften; Sichern der Beilagehälften und umbörteln von Lappen der Schlusshälften. Bei der Demontage werden die umgebördelten Lappen in der Regel weggeschliffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt in Rotorlängsrichtung durch einen erfindungsgemässen Rotor-Schluss nach Einbau in einen Verdichterrotor;
Fig. 2 einen Schnitt in Umfangsrichtung etlang der Linie II - II aus Figur 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Schlusshälfte;
Fig. 4 eine Draufsicht auf zwei Schhlusshälften;
Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie V -V aus Figur 4;
Fig. 6 eine Seitenansicht zweier erfindungsgemässer Beilagen;
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Klammer;
Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie VIII - VIII aus Figur 7; und
Fig.9 - Fig 11 verschiedene Montagestufen des erfindungsgemässen Rotorschluss im Schnitt.

In den Figuren sind jeweils gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Schnitt in Rotorlängsrichtung durch einen erfindungsgemässen Rotor-Schluss 1 nach Einbau in einen Verdichterrotor. Fig. 2 zeigt einen Schnitt in Umfangsrichtung entlang der Linie II - II aus Figur 1.
Der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Ausschnitt stellt einen Teilabschnitt einer umlaufenden Rotornut 3 einer Verdichterstufe dar. In die Nut 3 sind bereits alle Stauchschaufeln und Zwischenstücke (in diesem Ausschnitt nicht gezeigt) und die beiden Schlussschaufeln 4, 4 montiert. Die Schlussschaufeln 4, 4 unterscheiden sich von den regulären Stauchschaufeln nur dadurch, dass die Stauchwulst auf der Ein- und Austrittseite entfernt ist. In die zwischen den beiden Schlussschaufeln 4, 4 verbleibende Restöffnung sind drei getrennte Schlüsse montiert. Der axial getrennte Rotorschluss weist zwei Schlusshälften 9, 9, eine erste Beilagehälfte 5, eine zweite Beilagehälfte 6, eine Klammer 8 und einen Keil 7 aus Chrom Nickel Stahl auf. Das aus den Beilagenhälften 5, 6 und dem Keil 7 gebildete Paket, die Klammer 8 und die Schlusshälften 9, 9 weisen zusammen eine etwa mit einem Zwischenstück vergleichbare Masse auf.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Schlusshälfte 9, 9 und Fig. 4 eine Draufsicht auf die beiden Schhlusshälften. Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V -V aus Figur 4. Die beiden Schlusshälften 9, 9 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Chrom-Nickel-Molybdän-Legierung hergestellt. Die Aussenkontur der Schlusshälfte 9 ist dabei so gestaltet, dass sie mit dem T-förmigen Querschnitt der umlaufenden Nut 3 der Rotorscheibe 2 korrespondiert. Ausserdem sind in den Figuren 3 bis 5 die länglichen Stege oder Lappen 10 am oberen Rand der Schlusshälfte 9 dargestellt, die am Ende der Montage umgebördelt werden.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht zweier erfindungsgemässer Beilagehälften 5, 6, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Chrom-Nickel-Molybdän-Legierung hergestellt sind. Die Klammer 8 ist das Bauelement, welches bei der vorliegenden Erfindung die axialen Kräfte aufnimmt und somit für die Entlastung der Rotornut sorgt. Die klammer 8 ist dabei ein in der Draufsicht im wesentlichen rechteckig ausgebildetes Metallprofil mit einem zentralen Längsschlitz bzw. einer zentralen länglichen Aussparung 12. Die Klammer 8 weist im Querschnitt ein U-Profil auf. Durch die Aussparung 12 und die U-Schenkel 13 steht die Klammer mit den Schlusshälften 9,9 und den Beilagehälften 5, 6 im Eingriff. Zusammen mit dem Keil 7 wird so ein Befestigungsverband gebildet.
Fig. 7 zeigte eine Detail-Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Klammer 8. Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch die Klammer 8 entlang der Linie VIII - VIII aus Figur 7. Die Klammer 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Chrom Molybdän Legierung hergestellt.
Fig.9 - Fig 11 zeigen verschiedene Montagestufen des erfindungsgemässen Rotorschluss 1 im Schnitt.
Dabei ist in einer Rotorscheibe 2 eine umlaufende Nut 3 mit im wesentlichen T-förmigem Querschnitt eingestochen. In diese Nut 3 sind abwechselnd Stauchschaufeln und Zwischenstücke 15 montiert, bis die beiden Schlussschaufeln 4 montiert sind, zwischen denen wegen des geringen Platzes im Restspalt kein reguläres Zwischenstück 15 mehr montiert werden kann.
Über den Restspalt werden zwei Schlusshälften 9, 9 zusammen mit einer Klammer 8 eingebaut. Die Schlusshälften 9, 9 werden in Umfangsrichtung auseinandergetrieben. Dann werden zwei Beilagenhälften 5, 6 montiert und ein Keil 7 eingeschoben.
Wie in Figur 10 gezeigt, werden die Keillappen 7 in die Beilageaussparungen 18, 18, die zusammen in der Seitenansicht eine Herzform ergeben, gespreizt. Die Beilagelappen 16, 16 an der Herzform werden dann, wie in Figur 10 gezeigt, über den gespreizten Keil 7 getrieben.
Das aus den Beilagenhälften 5, 6 und dem Keil 7 gebildete Paket wird zusätzlich durch das Umbiegen der Schlusshälftenlappen 10, 10 gesichert. Es entsteht der in Figur 1 gezeigte Rotor-Schluss.

Bezugszeichenliste

1: Rotor-Schluss
2: Rotorscheibe
3: Umlaufende Nut
4: Schlussschaufel
5: Erste Beilagehälfte
6: Zweite Beilagehälfte
7: Keil
8: Klammer
9: Schlusshälfte
10: Schlusshälftenlappen
11: Beilagevorsprung
12: Klammeraussparung
13: U-Schenkel
14: Schlusshälftennut
15: Zwischenstück
16: Beilagelappen
17: Keillappen
18: Beilageaussparung

Claims

Rotor-Schluss (1) für einen Rotor einer thermischen Turbomaschine mit zumindest einer Umfangsnut (3), in der Laufschaufeln, Zwischenstücke und zwei Schlussschaufeln (4), zwischen denen ein Restspalt gebildet ist, montiert sind, wobei der Rotor-Schluss (1) zwei Schlusshälften (9, 9) und einen Keil (7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Klammer (8) in dem Restspalt angeordnet ist, welche die Kräfte der beiden Schlusshälften (9, 9) und zweier zwischen den Schlusshälften (9, 9) angeordneter und mit dem Keil (7) verspannten Beilagehälften (5, 6) aufnimmt.
Rotor-Schluss (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sich gegenüberliegenden Beilagehälften (5, 6) jeweils eine Hinterschneidung (18) aufweisen, in die an der Oberseite des Keils (7) angeordnete Keillappen (17) hineinspreizbar sind.
Rotor-Schluss (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beilagehälften (5, 6) über den Hinterschneidungen (18) Beilagenlappen (16) aufweisen, die über die gespreizten Keillappen (17) treibbar sind.
Rotor-Schluss nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Paket aus den beiden Beilagehälften (5, 6) und dem Keil (7) durch umgebördelte Schlusshälftenlappen (10) gesichert ist.
Rotor-Schluss (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Klammer (8) als ein im wesentlichen rechteckförmige Platte mit einer Aussparung (12) und U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist.
Rotor-Schluss nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die U-Schenkel (13) der Klammer (8) in korrespondierende Nuten (14) der Schlusshälften eingreifen.
Rotor-Schluss nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
entsprechende Vorsprünge (11) der Beilegehälften (5, 6) in die Aussparungen (12) der Klammer (8) eingreifen.
Rotor-Schluss nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Klammer (8) aus einer Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierung hergestellt ist.
Verfahren zur Montage eines axial getrennten Rotorschluss, der zwei Schlusshälften, zwei Beilegehälften, eine Klammer und einen Keil aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Einbringen der Klammer in die umlaufende Nut;

- Montage der beiden Schlusshälften, wobei diese mit der Klammer in Eingriff gebracht werden;

- Montage der beiden Beilegehälften, wobei diese ebenfalls mit der Klammer in Eingriff gebracht werden;

- Verspannnen der beiden Beilegehälften in axialer Richtung durch Einbringen des Keils.
Verfahren zur Montage eines axial getrennten Rotorschluss nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist:
- Sichern des Keils durch Aufpreitzen der oberen Keillappen in Aussparungen der Beilegehälften und Umbörteln von Lappen der Beilegehälften;

- Sichern der Beilegehälften und umbörteln von Lappen der Schlusshälften.