DE3236021A1

DE3236021A1 - Mit schaufeln versehener turbinenrotorkoerper

Info

Publication number: DE3236021A1
Application number: DE19823236021
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 5400 Baden Johansson
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1981-11-10
Filing date: 1982-09-29
Publication date: 1983-05-19
Also published as: DE3236021C2; CH655547B

Description

Mit Schaufeln versehener Turbinenrotorkörper
Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenrotorkörper mit Schaufeln, deren Füsse mit Spiel in Nuten des Turbinenrotorkörpers eingesetzt sind, wobei zwischen dem Nutengrund und der Basis fläche der Schaufelfüsse wenigstens ein Spannstück angeordnet ist.
Ein Turbinenrotorkörper dieser Gattung ist z.B. aus der DE-OS 28 50 941 bekannt.
Um ein einwandfreies Einsetzen der Schaufelfüsse in die Nuten eines Rotorkörpers zu ermöglichen, sind Bearbeitungstoleranzen an den Schaufel füssen und an den Umfangsnuten des Rotorkörpers notwendig. Dies hat aber zur Folge, dass die Turbinenschaufeln in dem Rotorkörper nicht fest eingespannt sind, sondern dass ihnen eine radiale Bewegungsmöglichkeit gegeben ist.
Im Nenndrehzahlbereich der Turbomaschine werden die Schaufeln selbsttätig durch die einwirkende Fliehkraft an die Nuten des Rotorkörpers angepresst und die Beweoungsmöglichkeit der Schaufeln ist praktisch auf Null reduziert.
Anders verhält es sich jedoch in den verschiedenen Betriebs- bereichen der Turbomaschine zwischen Maschinenstillstand und Nenndrehzahlbereich, wenn die Turbomaschine angefahren oder ausser Betrieb gesetzt wird. In diesen Zuständen können sich die Schaufeln in Abhängigkeit der Fliehkraft bzw.
der Drehzahl der Turbomaschine innerhalb eines Bereiches, der durch die Bearbeitungstoleranzen gegeben ist,bewegen.
Diese Schaufelbewegung kann unter Umständen zu Deformation und/oder vorzeitiger Materialabnutzung an den Schaufelfüssen bzw. an den Nuten des Rotorkörpers führen.
Es ist deshalb notwendig, die Turbinenschaufeln möglichst fest einzuspannen, um die vorstehend geschilderte Problematik zu vermeiden.
Die DE-OS 28 50 941 beschreibt einen Turborotor mit Keramikschaufeln, bei dem das Andrücken des Schaufel fusses an die vorgesehenen Stützflächen der Nuten durch zwischen dem Nutngrund und der Basis fläche eingelegte Federbleche oder durch ein verschiebliches Gewicht erfolgt, das mittels einer Druckfeder ständig am Schaufelfuss in Anlage gehalten wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit dieser Massnahme das Problem einer festen und dauerhaften Einspannung der Turbinenschaufeln in den Rotorkörper nicht gelöst werden kann, da die verwendeten Federelemente unter Dauerbeanspruchung bei erhöhter Temperaturen Materialermüdungserscheinungen aufweisen.
Ein Verfahren zum Befestigen von Turbinenschaufeln an Rotorkörpern ist weiterhin aus der DE-PS 1 251 338 bekannt.
Hierbei wird in die Zwischenräume zwischen Schaufelfuss und Rotorkörper ein hitzebeständiges Pulver vorzugsweise Eisenpulver eingebracht, das einem chemischen oder thermochemischen Quellprozess unterzogen wird, womit eine Druckspannung auf die begrenzenden Flächen der Nuten und Schau- felfüsse ausgeübt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, was das Einbringen und Verdichten des Pulvers sowie dessen anschliessende Ueberführung in Oxidform anbelangt. Die hauptsächliche Schwierigkeit dürfte bei diesem Verfahren jedoch darin bestehen, dass die durch Quellung ausgeübten Druckspannungen infolge Alterung der oxidischen Verbindungen nur zeitlich begrenzt aufrechterhalten werden können. Schaufeln werden in der Regel mehrmals aus dem Rotorkörper aus- und wieder eingebaut. Die Säuberung der Nuten von eventuell anhaftenden oxidischen Bestandteilen erfordert zusätzlichen Arbeitsaufwand.
Ebenfalls ist mit einer Oberflächenkorrosion am Rotorkörper zu rechnen, deren Beseitigung wiederum eine Nachbearbeitung notwendig macht oder die sogar nach Ueberschreiten eines bestimmten Ausmasses der Korrosion zur Unbrauchbarkeit des Rotorkörpers führen kann.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, ldst die Aufgabe einen Turbinenrotorkörper mit Schaufeln zu schaffen, bei dem die Schaufeln mit Spiel in die Nuten des Rotorkörpers eingesetzt bzw. entfernt werden können, jedoch die Bewegungsmöglichkeit der Schaufeln in jedem Betriebszustand der Turbomaschine durch feste Einspannung der Schaufelfüsse in die Nuten des Rotorkörpers vermieden wird, indem zwischen dem Nutengrund und der Basis fläche der Schaufelfüsse wenigstens ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Spannstück angeordnet ist.
Diese Schaufeleinspannung weist folgende Vorteile auf: - Es wird eine feste, gleichmässige und dauerhafte Einspannung der am Rotorumfang angeordneten Schaufeln in allen Drehzahlbereichen der Turbomaschinen erreicilt, und zwar in einem Temperaturbereich der sich von Temperaturen bei Stillstand der Turbomaschine bis hin zu der Nennbetriebstemperatur erstreckt.
- Die Schaufeln können mit Spiel in die Nuten des Rotorkörpers eingesetzt bzw. wieder aus diesen entfernt werden. Dadurch gestaltet sich die Montage bzw. Demontage sehr einfach.
Entsprechend Anspruch 2 besteht das Spannstück aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt auf Ni-Ti-Cu-Basis, oder auf Cu-Al-Ni-Basis.
Die vorteilhafte Wirkung gemäss Anspruch 2 besteht darin, dass das Einspannen bzw. Lösen der Turbinenschaufeln in Abhängigkeit der Temperatur der Formgedächtnislegierung reversibel erfolgen kann.
Nach Anspruch 3 weist das Spannstück eine gewellte Ausbildungsform in Längsrichtung auf. Da dieser Formgedächtniseffekt bei den bekannten Legierungen und bei kompakten Körpern darin besteht, dass eine Ausdehnung des Körpers in einer Dimension, und zwar lediglich in einer Grössenordnung von wenigen Prozenten erfolgt, so werden hohe Anforderungen. an die Bearbeitungstoleranzen, sowohl des Spannstückes als auch des Abstandes zwischen Nutengrund und Basisfläche des Schaufelf-usses gestellt. Die Ausdehnung liegt im Bereich auszugleichender Resttoleranzen, denn sonst würde der Ausdehnungseffekt für die Fixierung der Schaufeln nicht wirksam werden und der Formgedächtniseffekt würde verpuffen. Gibt man hingegen dem Spannstück eine gebogene oder gewellte Form, so lassen sich wesentlich grössere wirksame Dickenänderungen erzielen als bei kompakt ausgebildeten Spannstücken.
Gemäss Anspruch 4 ist die Höhe des Spannstückes in gewellter Ausbildungsform grösser bemessen als der Abstand zwischen dem Nutengrund und der Basis fläche der Schaufelfüsse im Nenndrehzahlbereich der Turbomaschine, wobei gemäss Anspruch 5 schon durch das Einsetzen der Turbinenschaufeln das Spannstück elastisch verformt wird und auf die Schaufel- füsse der Turbinenschaufeln, vor dem Wirksamwerden des Formgedächtniseffektes, eine Vorspannung ausgeübt werden, kann.
Der Vorteil gemäss Anspruch 4 und 5 ist darin zu sehen, dass die Schaufelfüsse zwar mit Spiel in die Nuten eingesetzt werden können, dass aber die erzielte Vorspannung sicherstellt, dass der nachfolgende Formgedächtniseffekt des Spannstückes vollständig für eine feste Einspannung der Turbinenschaufeln wirksam werden kann.
Entsprechend Anspruch 6 weist das Spannstück eine flache Ausbildungsform auf. Diese Ausbildungsform findet Verwendung, wo sehr geringe Bearbeitungstoleranzen der Schaufelfüsse und Nuten vorliegen und sich deshalb eine wellenartige Verformung des Spannstückes erübrigt.
Entsprechend Anspruch 7 erstreckt sich das Spannstück über die gesamte Länge und Breite der Basis fläche der Schaufelfüsse zwischen Basisfläche der Schaufifüsse und Nutengrund.
Nach Anspruch 8 ist das Spannstück an den Enden der Schaufelfüsse zwischen der Basis fläche der Schaufelfüsse und dem Nutengrund angeordnet.
Der Vorteil gemäss Anspruch 7 und 8 ist darin zu sehen, dass eine genaue Anpassung der Anpressdrücke und Abstützkräfte der Schaufeln an die Nutenwände des Rotorkörpers, hinsichtlich Grösse und Verteilung, unter Berücksichtigung der Konstruktion der Turbomaschine erreicht wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils dieses Rotorkörpers mit teilweise eingesetzten Turbinenschaufeln, Fig. 2 einen vergrösserten teilweisen Radialschnitt durch eine Nut und einen Schaufelfuss, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Formgedächtniseffektes bei einem Spannstück mit flacher Ausbildungsform, Fig. 4 eine schematische Darstellung des Formgedächtniseffektes bei einem Spannstück mit gewellter Ausbildungsform.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines Rotorkörpers 1 mit zum Teil eingesetzten Turbinenschaufeln 3.
In Fig. 1 sind drei in einem Rotorkörper 1 eingefräste tannenbaumförmige Nuten 2 dargestellt, wobei in zwei Nuten 2 Turbinenschaufeln 3 mittels Schaufelfuss 4 befestigt sind, während eine Nut 2 leer gelassen wurde. Am Nutengrund 6 der Nuten 2 befinden- sich je ein flaches Spannstück 5 aus einer Formgedächtnislegierung. In der leeren Nut 2 ist das Spannstück 5 über die gesamte Länge und Breite ersichtlich, während in den mit den Turbinenschaufeln 3 versehenen Nuten 2 lediglich die Stirnseite des Spannstück kes 5 erkennbar ist.
In Fig. 1 ist die hintere Turbinenschaufel 3 durch die vordere -3 zum Teil verdeckt.
Fig. 2 zeigt einen vergrösserten teilweisen Radialschnitt durch eine Nut 2 und einen Schaufelfuss 4 in tannenbaumförmiger Ausbildungsform.
Fig. 2 veranschaulicht den Betriebszustand der Turbomaschine, wobei die Flanken 9 des Schaufelfusses 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 gepresst wird, so dass die Turbinenschaufel 3 fest in den Rotorkörper 1 eingespannt ist. Diese Anpressung geschieht bereits im Stillstand durch den Formgedächtniseffekt, der eine Dickenvergrösserung des Spannstückes 5 in radialer Richtung zur Folge hat, wobei die begrenzende Fläche des Nutengrundes 6 und die begrenzende Basisfläche 7 des Schaufelfusses 4 einer Druckspannung ausgesetzt werden. Auf diese Weise ist die Turbinenschaufel 3 unabhängig von der Fliehkraft in jedem Betriebszustand der Turbomaschine fest und dauerhaft mit dem Rotorkörper 1 verbunden.
In Fig. 3 und 4 ist schematisch der Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5 dargestellt, und zwar in Fig. 3 in flacher- und in Fig. 4 in gewellter Ausbildungsform. Der Ausgangszustand der Spannstücke 5 ist jeweils mit der Bezugsziffer 10 und der Zustand bei dem der FormgedPehtniseffekt eingetreten ist, ist mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet.
Der Formgedächtniseffekt beruht in den vorliegenden Beispielen gemäss Fig. 3 und 4 darauf, dass die Spannstücke 5 in vertikaler Richtung eine Vergrösserung und in horizontaler Richtung eine Verkleinerung erfahren.
Der Formgedächtniseffekt ist im wesentlichen abhängig von dem Legierungstyp, von der chemischen Zusammensetzung der Legierungsbestandteile und von den Verformungsbedingungen, denen die Formgedächtnislegierung bei ihrer Herstellung unterzogen wurde. In der Zeitschrift "Material und Technik" 1978 No. 2, Seite 59 bis 66, wird das Prinzip und die Wirkungsweise der in vorliegender Erfindung verwendeten Formgedächtnislegierung eingehend beschrieben.
Anhand von zwei Ausführungsbeispielen soll nachstehend die Verwendung von Formgedächtnislegierungen für das Ein- spannen von Schaufelfüssen 4 in die Nuten 2 eines Rotorkörpers 1 veranschaulicht werden.
Beispiel 1: Zur Fertigung der Spannstücke 5 wird eine Legierung unter Schutzgas und Vakuum mit folgender chemischer Zusammensetzung geschmolzen und in einer Kokille abgegossen: 43 Gew. S Ni 46 Gew. °Ó Ti 10 Gew °Ó Cu 1 Gew.- °Ó Fe Anschliessend werden die Gussstücke zuerst einer Wärmebehandlung von 1,5 Std. bei 900 °C unterzogen und anschliessend bei einer Temperatur von 950° C durch Walzen warmverformt. Nach dem Warmverformen erfolgt das Kaltverformen durch Pressen in einer Matrizenform mit einer Zwischenglühung von 9500 C bei 30 sec, wobei die Spannstuc-ke 5 die gewellte und der Krümmung des Nutengrundes 6 angepasste Ausbildungsform erhalten und z.B. eine Höhe von z.B. 3 mm von Wellenberg zu Wellental aufweisen. Diese Höhe ist grösser bemessen als der maximale Abstand von Nutengrund 6 und Basis fläche 7 der Schaufelfüsse 4 bei Nenndrehzahl der Turbomaschine, d.h. in dem Zustand, bei dem durch Fliehkraft die Flanken 9 der Schaufelfüsse 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 des Rotorkörpers 1 gepresst werden.
Der Abstand zwischen Nutengrund 6 und Basisfläche 7 der Schaufelfüsse 4 kann variabel gestaltet werden und ist in erster Linie abhängig von der Höhe des Spannstückes 5 und der verwendeten Formgedächtnislegierung und vom Legierungstyp.
Wesentlich ist, dass die Dimensionierung des Abstandes von Nutengrund 6 und Basis fläche 7 sowie der Höhe der Spannstücke 5 derart bemessen ist, dass der Formgedächtniseffekt, der eine Vergrösserung der ursprünglichen Höhe der Spannstücke 5 um einige Zehntel Millimeter bewirkt, vollständig zur Einspannung der Schaufelfüsse 4 genutzt werden kann.
Anschliessend erfolgt der Arbeitsvorgang des Einlegens der Spannstücke 5 auf dem Nutengrund 6 und schliesslich das Einschieben der Schaufelfüsse 4 in die Nuten 2 des Rotorkörpers 1. Das Einsetzen der Schaufelfüsse 4 erfolgt mit Spiel, jedoch werden bei diesem Arbeitsvorgang die Spannstücke 5 elastisch verformt, so dass die Schaufelfüsse 4 bereits mit einer Vorspannung in den Rotorkörper eingesetzt werden. Die Massnahme erweist sich als vorteilhaft, da auf diese Weise der Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5 vollständig ausgenutzt werden kann. Das Einsetzen der Spannstücke 5 in den Nutengrund 6 und das Einschieben der Schaufelfüsse 4 in die Nuten 2 erfolgt bei Temperaturen unterhalb 90 C, der sogenannten Schalttemperatur dieses Formgedächtnislegierungstyps. Zu diesem Zweck werden die Spannstücke 5 und der Nutengrund 6 einem kühlenden Medium, beispielsweise Kohlensäureschnee oder flüssigem Stickstoff, ausgesetzt. Beim Unterschreiten der Schalttemperatur flachen sich die Spannstücke 5 ab und nehmen eine Form an, wie sie in Fig. 4 strichliert dargestellt ist. Nach Ueberschreiten der Schalttemperatur setzt der Formgedächtniseffekt ein, wie er auf Fig. 4 schematisch mit Bezugsziffer 11 dargestellt ist und presst die gegebenenfalls bereits unter Vorspannung stehenden Flanken 9 der Schaufelfüsse 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 an, so dass die Turbinenschaufeln 3 über den gesamten Umfang des Rotorkörpers 1 fest, gleichmässig und dauerhaft in allen Petriebsbereichen der Turbomaschine eingespannt sind. Der Formgedächtniseffekt des unter Beispiel 1 aufgeführten Legierungstyps bewirkt eine Ausdehnung der ursprünglichen Höhe der Spannstücke 5 um einige Prozente. Die mit dieser Ausdehnung verbundene Anpresskraft an die Basisfläche 7 der Schaufelfüsse 4 bzw. der Flanken 9 der Schaufelfüsse 4 an die Anlageflächen 8 der Nuten 2 ist für eine sichere Einspannung der Turbinenschaufeln 3 in den Rotorkörper 1 ausreichend. Zur Demontage der Turbinenschaufeln werden die Spannstücke 5 wiederum auf Temperaturen unterhalb 90 C abgekühlt und die Schaufeln können somit auf einfache Weise vom Rotorkörper entfernt werden.
Beispiel 2: Zur Fertigung der Spannstücke 5 wird eine Legierung unter Schutzgas und Vakuum mit folgender chemischer Zusammensetzung geschmolzen und in einer Kokille abgegossen: 81,7 Gew. °Ó Cu 14,3 Gew. °Ó Al 3,0 Gew. ,°Ó Ni 1,0 Gew. °Ó Fe Anschliessend werden die Gussstücke zuerst bei einer Tempeo ratur von 780 C 2 Std. gesintert und danach heiss-isostatisch in einer Matrizenform gepresst, wobei die Spannstücke 5 die gewellte und der Krümmung des Nutengrundes 6 angepasste Ausbildungsform erhalten.
Die Dimensionen der Spannstücke sind die gleichen wie in Beispiel 1.
Das Einlegen der Spannstücke 5 auf dem Nutengrund 6 und das Eindrehen der Schaufelfüsse 4 in die Nuten 2 des Rotorkörpers 1 erfolgt auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch diesmal bei Temperaturen, die obero halb 180 C liegen. Der Rotorkörper 1 mit eingelegten Spann- stücken 5 sowie die Turbinenschaufeln 3 werden vor dem Eindrehen der Schaufelfüsse 4 in die Nuten 2 des Rotorkörpers 1 bei Temperaturen von 220 C 5 Std. erwärmt. Nach 0 Unterschreiten der Schalttemperatur von 180 C werden die Turbinenschaufeln 3 durch den Formgedächtniseffekt der Spannstücke 5, d.h., durch eine Vergrösserung der ursprünglichen Höhe der Spannstücke 5 fest und gleichmässig in den Rotorkörper 1 eingespannt und der Formgedächtniseffekt wird in allen Betriebsbereichen der Turbomaschine dauerhaft aufrechterhalten. Zur Demontage der Turbinenschaufeln werden die Spannstücke 5 wiederum auf Temperaturen oberhalb o 180 C erwärmt und können somit auf einfache Weise vom Rotorkörper entfernt werden.
Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere für Turborotoren mit mittlerem oder kleinem Durchmesser. Bei der Verwendung flacher Spannstücke können diese in Abweichung von Beispiel 1 oder 2 auch nach dem Einsetzen der Schaufeln zwischen Nutengrund 6 und Schaufelfuss eingeschoben werden, wobei zur Erleichterung die Schaufeln angehoben werden können.
Die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zum Einspannen von Turbinenschaufeln 5 ist selbstverständlich nicht auf die in den Beispielen aufgeführten Legierungstypen beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Legierungskombinationen zur Anwendung kommen. Die Brauchbarkeit der Formgedächtnislegierungen für den erfindungsgemässen Anmeldungsgegenstand hängt in erster Linie davon ab, ob der Formgedächtniseffekt in allen Betriebstemperaturbereichen vom Stillstand bis zum Nenndrehzahlbereich der Turbomaschinen aufrechterhalten kann.
Darüber hinaus ist Form der Spannstücke 5 den jeweiligen konstruktiven Ausbildungen der Schaufelfüsse 4 angepasst.
Es können gleichermassen prismaförmig flache und/oder prismaförmig in Längsrichtung gewellte Formen der Spannstücke 5 zur Anwendung kommen.
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Claims

Patentansprüche 1. Turbinenrotorkörper (1) mit Schaufeln (3), deren Füsse (4) mit Spiel in Nuten (2) des Turbinenrotorkörpers (1) eingesetzt sind, wobei zwischen dem Nutengrund (6) und der Basisfläche (7) der Schaufelfüsse (4) wenigstens ein Spannstück (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannstück (5) aus einer Formgedächtnislegierung mit einer Schalttemperatur ausserhalb des Arbeitstemperaturbereiches der Turbine besteht.
2. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannstück (5) aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt auf Ni-Ti-Cu-Basis oder auf Cu-Al-Ni-Basis besteht.
3. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannstück (5) prismaf-mig ausgebildet und in Nutlängsrichtung gebogen oder gewellt ist.
4. Turbinenrotorkörper (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Spannstückes (5) im Arbeitstemperaturbereich der Turbine geringfügig grösser bemessen ist als der Abstand zwischen dem Nutengrund (6) und der Basisfläche (7) der Schaufelfüsse (4) im Arbeitsdrehzahlbereich der Turbine.
5. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Spannstückes (5) bereits ausserhalb des Arbeitstemperaturbereiches der Turbine geringfügig grösser ist als der genannte Abstand bei Stillstand der Turbine.
6. Turbinenrotorkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannstück (5) prismaförmig und flach ist.
7. Turbinenrotorkörper (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Nut (2) sich das oder die Spannstücke (5) jeweils annähernd über die ganze Länge und Breite der Basisfläche (7) der Schaufelfüsse (4) erstrecken.
8. Turbinenrotorkörper (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannstück (5) jeweils an den seitlich begrenzten Enden der Schaufelfüsse (4) zwischen der Basisfläche (7) der Schaufelfüsse (4) und dem Nutengrund (6) angeordnet ist.