Schaufelfussbefestigung für eine Turbomaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaufelfussbefestigung für eine Turbomaschine, vorzugsweise für den Rotor einer Turbomaschine, gemäss dem Oberbegriff des un- abhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Turbomaschinen umfassen im wesentlichen einen Stator und einen Rotor, welche mit Reihen in einen Strömungskanal ragender Leit- bzw. Laufschaufeln ausgerüstet sind. In Abhängigkeit vom Verwendungszweck der Turbomaschine wird beim Durchströmen des Strömungskanals ein fluides Medium entweder komprimiert oder arbeitsleistend entspannt. Die Leit- und Laufschaufeln sind mit einem Schaufelfuss ausgestattet, welcher eine besondere Verankerungskontur besitzt, die tannenbaumförmig, hammer- kopfförmig, pilzförmig oder rhomboid ausgebildet ist. Am jeweiligen Schaufelträger, dem Stator oder Rotor, ist dann eine Verankerungsnut vorgesehen, die mit einer zur Verankerungskontur des Schaufelfusses komplementären zweiten Ver- ankerungskontur ausgestattet ist. Zur Montage wird der Schaufelfuss durch ein axial offenes Längsende der Verankerungsnut in dieselbe eingeführt. Dabei ge-
raten die komplementären Verankerungskonturen gegenseitig in Eingriff und bilden in einer senkrecht zur Längsrichtung der Verankerungsnut verlaufenden Auszugsrichtung einen Formschluss, durch den der Schaufelfuss sicher im Schaufel- träger verankert ist. Vor allem für den Fall, dass der Schaufelfuss zu einer Laufschaufel gehört und dementsprechend der Schaufelträger ein Rotor einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, ist, kommt es im Betrieb der Turbomaschine zu extremen Belastungen der Schaufelfussbefestigung. So können die auftretenden Kräfte zu plastischen Verformungen in den Verankerungskonturen führen, welche dann im Rahmen einer Rekonditionierung mit hohem Aufwand wieder beseitigt werden müssen.
Die Schrägstellung der Laufschaufeln und der eventuell zwischen diesen angeordneten Zwischenstücke in Relation zur Maschinenlängsachse bewirkt während des Betriebs ein Ausrichten der Schaufel in Richtung zur Maschinenachse. Die- ses als „Aufdrehen" bezeichnete Phänomen erzeugt auf den Schaufelträger ei n- wirkende axiale Kräfte. Diese axialen Kräfte können zu einer Deformation des Schaufelträgers führen, was im Falle eines Rotors erhöhte Rotorvibrationen nach sich zieht, welche den Betrieb der Turbomaschine in unerwünschter Weise beeinträchtigen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Schaufelfussbefestigung der eingangs genannten Art ein Mittel zur Verfügung zu stellen, welches die Entstehung auf den Schaufelträger einwirkender axialer Kräfte infolge eines „Aufdre- heπs" der Schaufel verhindert.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine Schaufelfussbefestigung der im unabhängigen Anspruch genannten Art gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung geben die abhängigen Ansprüche wieder.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Schaufelfüsse und, sofern vorhanden, die Füsse der Zwischenstücke mit zumindest einer Ausnehmung dergestalt auszurüsten, dass sich im Einbauzustand eine umlaufende Ausnehmung ausbildet, und dass in diese umlaufende Ausnehmung ein strangformiges Sicherungsmittel eingeführt ist, welches die im Betriebszustand von den Schaufelfü- ssen ausgehenden Aufdrehkräfte aufnimmt und damit die Einwirkung axialer Kräfte auf den Schaufelträger, insbesondere den Rotor, vermindert oder völlig beseitigt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Ausnehmung als eine Nut an der Unterseite des Schaufelfusses ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Variante besitzt diese Nut einen rechteckigen Querschnitt.
Nach einer ergänzenden Ausführungsvariante ist der Grund der Verankerungsnut des Schaufelträgers, korrespondierend zur Nut des Schaufelfusses, gleichfalls mit mindestens einer Nut ausgerüstet, welche mit der Nut an der Schaufelfussunter- seite eine gemeinsame umlaufende Ausnehmung bildet, in welche das strangför- mige Sicherungsmittel eingeführt ist.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass auf eine einfache und kostengünstige Weise ein „Aufdrehen" der Schaufeln und Zwischenstücke und dadurch vom Schaufelträger aufzunehmende Aufdrehkräfte wirksam unterbunden werden. So kann sicher vermieden werden, dass die Beschaufelung axiale Kräfte in den Schaufelträger einleitet. Das Einbringen der zusätzlichen Ausnehmungen in die Schaufel- und, sofern vorhanden, Zwischenstückfüsse sowie erforderlichenfalls in den Grund der Veranke-
rungsnut des Schaufelträgers sowie das Einziehen des oder der strangförmigen Sicherungsmittel bedingen nur einen sehr geringen Mehraufwand bei der Herstellung der Beschaufelung.
Auch bereits in Betrieb stehende Turbomaschinen können mit geringem Aufwand mit einer erfindungsgemässen Schaufelfussbefestigung ausgestattet werden, indem im Zusammenhang mit einer Überholung, beispielsweise des Rotors, die Fusse der Schaufeln und Zwischenstücke einfach mit einer Ausnehmuπg versehen werden und im Rahmen des Einbaus der Beschaufelung der Sicherungsstraπg mit eingebaut wird. Als besonders einfache und kostengünstige Variante hat sich in diesem Zusammenhang eine zum Schaufelträger hin offene Nut an der Schaufel- fussunterseite herausgestellt.
Weitere günstige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü- chen wiedergegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung am Beispiel einer Rotorbeschaufelung näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Rotorbeschaufelung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Rotorbeschaufelung; Fig. 3 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemässen Rotorbeschaufelung entlang Linie III - III in Fig. 2;
Fig. 4 einen Teilquerschnitt der erfindungsgemässen Rotorbeschaufelung; Fig. 5 einen Teilquerschnitt einer ergänzenden Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Rotorbeschaufelung.
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist schematisch ein Teil eines Rotors 1 einer Turbomaschine mit einer Verankerungsnut 2 und einer in der Verankerungsnut 2 angeordneten Rotorbeschaufelung, umfassend Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4, dargestellt. Die Laufschaufeln 3 und die Zwischenstücke 4 sind dabei mittels ihres nicht darge- stellten Rhombussfusses in der Verankerungsnut 2 fixiert und darin schräg gestellt. Während des Betriebs der Turbomaschine kommt es durch die Rotationsbewegung des Rotors 1 zu einem Aufdrehen der in der Verankerungsnut 2 fixierten schräg gestellten Rotorbeschaufelung 3, 4 entsprechend der Drehrichtung 5. Dieses Aufdrehen erzeugt zwischen der führenden Kontur der Verankerungsnut 2 und dem Laufschaufel- 8 respektive dem Zwischenstuckfuss 14 in den Kontaktbereichen 6 axiale Kräfte auf den Rotor 1. Diese axialen Kräfte können dazu führen, dass sich der Rotor 1 deformiert und es infolge dieser Deformationen zu erhöhten Rotorvibrationen kommt.
In den Fig. 2 bis 4 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaufelfussbefestigung an einem Rotor schematisch dargestellt. Die Laufschaufel 3, bestehend aus Schaufelblatt 7, Schaufelfuss 8 und Plattform 9, ist in der Verankerungsnut 2 angeordnet. In den vom Schaufelblatt 7 abgewandten Teil des Schaufelfusses 8 sind an dessen Unterseite zwei zum Grund 11 der Veranke- rungsnut 2 hin offene und parallel zur Umlaufrichtung ausgerichtete Nuten eingebracht. Indem diese Nuten fluchtend in die weiteren in der Verankerungsnut 2 an-
geordneten aber nicht dargestellten Schaufelfüsse 8 und Zwischenstückfüsse 14 eingebracht sind, bilden sie zwei an den Schaufelfussunterseiten umlaufende, zum Verankerungsnutgrund 11 hin offene nutförmige Ausnehmungen 10, deren Querschnitt in vorzugsweiser Ausgestaltung rechteckförmig ausgebildet ist. In je- der dieser umlaufenden Ausnehmungen 10 wird nun ein dem Querschnitt der Ausnehmung 10 angepasstes, strangformiges Sicherungsmittel 12 eingeschoben. Dieses Sicherungsmittel 12 ist elastisch und im wesentlichen von Stab oder drahtförmiger Struktur und weist hier beispielhaft einen rechteckigen Querschnitt auf. Nach der hier in den Fig.2-4 dargestellten Ausführungsvariante ist der Siche- rungsstrang 12 nicht mit dem Rotor verbunden.
Der Formschluss zwischen Ausnehmung 10 und Sicherungsstrang 12 verhindert ein Aufdrehen der in der Verankerungsnut 2 fixierten Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4. Die im Betrieb der Turbomaschine aufkommenden Aufdrehkräfte 5 werden nicht mehr als axiale Kraft in die Kontur der Verankerungsnut 2 eingeleitet, sondern von dem Sicherungsmittel 12 aufgenommen. Die Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4 können sich somit nur in einem sehr geringen, durch das Spiel zwischen Sicherungsstrang 12 und Ausnehmung 10 bedingten Masse aufdrehen, jedoch nicht in einem solchen Masse, dass axiale Kräfte in den Rotor 1 eingeleitet werden. Somit werden eine Deformation des Rotors und damit eine verstärkte Neigung zu Schwingungen während des Betriebs wirksam verhindert. Ausnehmungen 10 und Sicherungsstränge 12 sind in Form und Dimension einander angepasst. Das Spiel zwischen Ausnehmung 10 und Sicherungsstrang 12 wird dabei so gewählt, dass der Sicherungsstrang 12 in die umlaufende Ausneh- mung 10 eingeführt werden kann, aber die Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4 durch Formschluss daran gehindert sind, sich derartig aufzudrehen, dass sie in die Seitenwände der Verankerungsnut 2 erhebliche axiale Kräfte einleiten. Anstelle der dargestellten zwei umlaufenden nutförmigen Ausnehmungen 10 können auch nur eine oder mehr als zwei realisiert sein. Das Material des oder der Sicherungsstränge 12 ist so gewählt, dass sie den während des Betriebs einwirkenden mechanischen, thermischen und chemischen
Beanspruchungen, insbesondere den auftretenden Kräften und Temperaturen, sicher widerstehen können. In diesem Zusammenhang als günstig hat es sich erwiesen, das strangförmige Sicherungsmittel 12 aus St 12TE oder aus HZLM 600 134 herzustellen.
In Fig. 4 und 5 ist jeweils ein Teilquerschnitt durch den Rotor 1 dargestellt, wobei in der Verankerungsnut 2 mehrere Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4 angeordnet sind. Diese Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4 werden mittels der Schaufelfüsse 8 und der Zwischenstück-Füsse 14 in die umlaufende Veranke- rungsnut 2 eingeführt, so dass nach dem Einführen aller Schaufeln 3 und Zwischenstücke 4 einzig ein Zwischenraum 13 freibleibt. Dieser Zwischenraum 13, der nach Fertigstellung der erfindungsgemässen Schaufelfussbefestigung in bekannter Weise mit einem Schlussstück abgeschlossen wird, dient zum Einführen des strangförmigen Sicherungsmittels 12 in die umlaufende Ausnehmung 10. Die Sicherungsstränge 12 sind üblicherweise so dimensioniert, dass sie über den gesamten Umfang der Verankerungsnut 2, ausgenommen den Zwischenraum 13, verlaufen, so dass im Schlussstück keine Ausnehmungen 10 eingearbeitet sind. Werden die Ausnehmungen 10 als Nuten an der Schaufelfussunterseite ausgebildet, so können alternativ auch im Schlussstück die Nuten 10 angeordnet wer- den ohne Gefahr zu laufen, dass sich der Sicherungsstrang 12 frei bewegb da im Betrieb durch das sich beginnende Aufdrehen der Laufschaufeln 3 und Zwischenstücke 4 die Nut 10 gegenüber dem Sicherungsstrang 12 sich zu verdrehen beginnt und den Sicherungsstrang so fixiert. In Fig.5 ist eine Weiterbildung der Erfindung dahingehend wiedergegeben, dass die umlaufende Ausnehmung 10 nicht allein auf die Schaufelfussunterseite beschränkt ist, sondern im Grund 11 der Verankerungsnut 2 in einer koaxialen Nut ihre Ergänzung findet. Das strangförmige Sicherungsmittel 12 liegt dann in einer Ausnehmung 10 ein, die sowohl den Rotor 1 wie auch den Schaufelfuss 8 um- fasst.
Es versteht sich von selbst, dass für die Gestaltung der umlaufenden Ausnehmungen 10, neben den beschriebenen rechteckigen Querschnittsformen auch andere Formen zur Verfügung stehen, beispielsweise kreisförmige.
Nicht in den Figuren dargestellt sind alternative Weiterbildungen der Erfindung, bei denen die umlaufenden Ausnehmungen 10 nicht als Nut an der Unterseite des Schaufelfusses 8, sondern vollständig innerhalb des Fussmaterials in Form von Durchgangsbohrungen beliebiger Querschnittsform angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
1 Schaufelträger, Rotor
2 Verankerungsnut 3 Laufschaufel
4 Zwischenstück
5 Drehmoment
6 Kontaktbereich
7 Schaufelblatt 8 Schaufelfuss
9 Plattform
10 Drehsicherungs-Nut
11 Verankerungsnutgrund
12 Sicherungsstrang 13 Zwischenraum
14 Zwischenstuckfuss