DE60128645T2

DE60128645T2 - Rotor-Schaufelblatt-Zusammenbau

Info

Publication number: DE60128645T2
Application number: DE60128645T
Authority: DE
Inventors: Charles K. Manchester Wong
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: DE60128645D1; EP1813771A3; EP1219782A2; JP2002201910A; US6439851B1; EP1813771B1; EP1219782B1; EP1219782A3; JP4101508B2; US20020081205A1; EP1813771A2; DE60138579D1

Description

Die Erfindung betrifft beschaufelte Rotoranordnungen, insbesondere beschaufelte Rotoranordnungen für Gasturbinenmaschinen.
Beschaufelte Rotoranordnungen sind in der Technik bekannt, beispielsweise für Verdichter und Turbinen von Gasturbinenmaschinen. Bei solchen Anordnungen ist jede Laufschaufel häufig an der Rotorscheibe mittels einer Wurzel angebracht, die integral mit dem radial innersten Ende der Laufschaufel ist. Die Wurzel passt eng in einen korrespondierenden Laufschaufelwurzelschlitz, der generell axial durch den Scheibenrand geht, aber mit einem Winkel zur wahren Richtung der Scheibenachse. Das Scheibenmaterial, welches umfangsmäßig zwischen einem Paar benachbarter Schlitze ist, wird häufig als Scheibenlasche (disk lug) bezeichnet. Die Laufschaufelwurzel weist radial nach außen gerichtete Reaktionsoberflächen auf, die mit korrespondierenden radial nach innen gerichteten Reaktionsoberflächen eines Laufschaufelwurzelschlitzes zusammen wirken. Während des Betriebs des Rotors werden die Laufschaufellasten in die Scheibe und die Scheibenlaschen durch diese zusammengebrachten Oberflächen übertragen. Typischerweise geht eine Laufschaufelwurzel von der Vorderseite zu der Rückseite der Scheibe; und die zusammengebrachten Lastreaktionsoberflächen gehen auch von der Vorderseite zu der Rückseite der Scheibe (d.h. über die gesamte Länge des Schlitzes). Das trifft für beschaufelte Scheiben mit konventionell ausgelegten, schwalbenschwanzförmigen Wurzeln und Schlitzen sowie tannenbaumförmigen Wurzeln und Schlitzen zu.
Es ist generell erwünscht, Spannungen in der Scheibe und in den Laufschaufeln so niedrig wie möglich zu halten, um die Teilelebensdauer zu verlängern. In Gasturbinentriebwerken, die für den Flug ausgelegt sind, ist es auch erwünscht, das Gewicht der Teile, beispielsweise Scheiben und Laufschaufeln, zu minimieren, was mit effizientem Betrieb, langer Lebensdauer und Sicherheit konsistent ist. Leichtere Laufschaufeln erzeugen auch geringere Zentrifugalkräfte und können so Spannungen in der Scheibe verringern.
DE-A-197 05 323 beschreibt eine Rotorscheibenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine beschaufelte Rotorscheibenanordnung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die beschriebene Anordnung weist eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Laufschaufelwurzelschlitzen auf, die durch die Scheibe mit einem Winkel zu der Axialrichtung der Scheibe gehen und radial nach innen gerichtete Lastreaktionsoberflächen aufweisen, die sich kontinuierlich über weniger als die gesamte Länge des Schlitzes in Kontakt mit einer korrespondierenden radial nach außen gerichteten Lastreaktionsoberfläche einer in dem Schlitz angeordneten Laufschaufelwurzel erstrecken.
Mit „Lastreaktionsoberfläche" sind die Oberflächen der Laufschaufelwurzel und des Laufschaufelschlitzes gemeint, die während des Betriebs des Motors einander berühren oder zusammengebracht sind, um die Lasten von der Laufschaufel in die Scheibe zu übertragen. In Kontakt miteinander bilden diese Oberflächen eine „Lastübertragungszwischenfläche".
Insbesondere eliminiert die vorliegende Erfindung die Bereiche der Lastübertragungszwischenfläche, die beim Stand der Technik den Enden des Laufschaufelwurzelschlitzes benachbart sind, so dass die Lasten über die verbleibende Lastübertragungszwischenfläche zu einem oder mehreren der folgenden führen: eine symmetrischere Lastverteilung, was zu verringerten Drehmomentlasten auf die Scheibenlaschen führt; eine verringerte Gesamtlast an den Scheibenlaschen und Laufschaufelwurzeln; und verringerte maximale Spannungsniveaus in den Scheibenlaschen und Laufschaufelwurzeln.
Ein Grund, warum diese Vorteile auftreten können, ist, dass bei konventionellen Wurzel- und Schlitzkontruktionen die höchsten und konzentriertesten Reaktionslasten auf der Seite des Schlitzes einem Ende des Schlitzes benachbart auftreten, wenn sich die Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberfläche entlang einer Seite einer Laufschaufelwurzel über die gesamte Länge des Schlitzes erstreckt, während relativ niedrigere und weniger konzentrierte (d.h. gleichförmigere) Reaktionslasten an der gleichen Seite des Schlitzes dem anderen Ende des Schlitzes benachbart auftreten. Deshalb trägt das Scheibenlaschenmaterial einen relativ kleinen Teil der Laufschaufellast pro Quadratinch der Lasttransferoberfläche an dem niedrigen, gleichförmigeren Reaktionslastende des Schlitzes, während das Scheibenlaschenmaterial an dem Ende mit hoher Reaktionslast einen viel größeren Teil der Laufschaufellast pro Quadratinch der Lasttransferzwischenfläche trägt. Durch das Eliminieren des Lasttransfer-Zwischenflächenbereichs an dem Ende niedriger Last einer jeden Seite eines Schlitzes werden die Reaktionslasten über die verbleibende Lasttransferzwischenfläche an jeder Seite des Schlitzes ausgeglichener und führt zu einer niedrigeren maximalen Belastung.
In der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Endbereiche der konventionellen Laufschaufelwurzel, die normalerweise relativ niedrige Lasten in die Scheibenlaschen übertragen, entfernt, was den Vorteil von verringertem Laufschaufelgewicht zusätzlich zu ausgeglicheneren Reaktionslasten über die verbleibende Länge einer kleineren Lasttransferzwischenfläche an jeder Seite der Laufschaufelwurzel schafft. Die Gesamtreaktionslasten, Belastungen und/oder Drehmomente an den Scheibenlaschen können so verringert sein. Verringerte Drehmomentlasten bedeutet weniger Verdrehen der Laufschaufellaschen bei einem korrespondierend geringeren Verdrehen der Laufschaufeln.
Die vorangegangenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten beispielhafter Ausführungsformen davon, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, deutlicher.
1 ist eine isometrische Rückansicht eines Teils einer Rotoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei etwas von den Laufschaufeln entfernt ist, um die Laufschaufelwurzelschlitze durch den Rand der Rotorscheibe besser zu zeigen.
2 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 von 1 durch eine der Rotorscheibenlaschen genommen ist, wobei die Rotorscheibenachse in der Zeichnungsebene ist.
3 ist eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist und die Unterschiede bei den Reaktionslasten entlang der Länge des Schlitzes zwischen einer Scheibenanordnung des Stands der Technik und einer Scheibenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Ansicht in der Richtung D von 3 parallel zu der Laufschaufelwurzelschlitzlänge.
5 und 6 sind schematische Ansichten in den Richtungen 5-5 bzw. 6-6 von 4, die für die Ausführungsform der 1 die Scheiben/Laufschaufel-Lastübertragzwischenflächen entlang gegenüber liegender Seiten eines Laufschaufelwurzelschlitzes zeigen.
7 ist eine schematische Ansicht, die in der Richtung 7-7 von 2 genommen ist und für die Ausführungsform der 1 die Querschnittsgestalt der Laufschaufelwurzel und deren generelle Orientierung relativ zu der vorderen und der hinteren Scheibenoberfläche der Laufschaufelplattform zeigt.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschinen-Rotoranordnung 100, die eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, weist eine Rotorscheibe 102 und eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln 104, von denen lediglich eine gezeigt ist, auf. Jede Laufschaufel weist eine Wurzel 106, eine Plattform 108 und ein Strömungsprofil 110 auf. Die Scheibe 102 hat eine Rotationsachse 111, eine Rückseite 112, eine Vorderseite 114 und einen Rand 116. Eine Mehrzahl von Laufschaufelwurzelschlitzen 118 geht durch den Rand von der Rückseite zu der Vorderseite in einer Richtung D (3). Jedes Paar benachbarter Schlitze definiert eine Scheibenlasche 120 dazwischen. Wurzel 106 einer jeden Laufschaufel ist in einem Entsprechenden der Schlitze angeordnet.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Jeder Schlitz verläuft in der Richtung D mit einem spitzen Winkel θ zu der Richtung der Scheibenachse 111. Generell ist dieser Winkel zwischen etwa 10° und 30°. In diesem Beispiel beträgt θ 24° und, wie am besten in 4 gezeigt, haben die Laufschaufelwurzeln 106 die bekannte „Schwalbenschwanz"-Form, obwohl die Erfindung nicht auf die Verwendung mit Laufschaufeln mit Schwalbenschwanzwurzeln beschränkt ist. Die Wurzel einer jeden Laufschaufel hat ein Paar von flachen, radial nach außen gerichteten Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B, wobei sich eine entlang jeder Seite der Wurzel erstreckt. Die Oberflächen 122A, 122B grenzen an korrespondierende flache, radial nach innen gerichtete Schlitzlastreaktionsoberflächen 124A bzw. 124B an.
Die von jedem dieser Paare von einander berührenden Oberflächen gebildeten Zwischenflächen werden nachfolgend als Lasttransferzwischenflächen bezeichnet, da während des Betriebs des Rotors die Laufschaufellasten in die Scheibenlaschen über diese Zwischenflächen übertragen werden.
Im Stand der Technik haben die Laufschaufelwurzeln und die Scheibenschlitze sowie die Lasttransferzwischenflächen die gleiche Länge, bei der es sich generell um die gesamte Länge L (3) des Schlitzes, gemessen in der Richtung D des Schlitzes, handelt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B, und vorzugsweise beide, kürzer als die Schlitzlänge. Das sieht man am besten in 3, in der die Laufschaufelwurzel 106, obwohl sie vollständig in dem Schlitz 118 ist, entgegengesetzt gerichtete Endoberflächen 126, 128 hat, die rechtwinklig zu der Schlitzrichtung D sind. Somit haben, wie man am besten in den 5 und 6 erkennt, die gestrichelten Lasttransferzwischenflächen 130A, 130B jeweilige Längen M und N, welche mit den entsprechenden Längen der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B korrespondieren. 7 liefert eine Ansicht mit Blick radial nach außen der Laufschaufel 104, welche die Orientierung und Position der Laufschaufelwurzel 106 relativ zu der Laufschaufelplattform 108 und der Vorderseite und der Rückseite 114 bzw. 112 der Scheibe zeigt.
Es wird auch auf die 3, 5 und 6 für ein Verständnis bestimmter Vorteile der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, Bezug genommen. In der vorliegenden Erfindung berühren die Wurzellastreaktionsoberflächen 122A, 122B die Schlitzlastreaktionsoberflächen 124A, 124B zwischen den Punkten Y und Z₁ bzw. W und X₁. Für die Zwecke der Beschreibung sei angenommen, dass die Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen und die Schlitzlastreaktionsoberflächen sich über die gesamte Länge des Schlitzes erstrecken, beispielsweise über die radiale Erstreckung (d.h. von R₁ bis R₂ in 4) der Wurzellastreaktionsoberflächen der Wurzelendoberflächen 126, 128, im Wesentlichen in den Ebenen der Rückseite bzw. der Vorderseite 112, 114 der Scheibe sind, wie das generell bei den Rotoranordnungen des Stands der Technik der Fall ist (d.h. der Winkel α ist 0° und nicht gleich θ, wie in 3 gezeigt). In einem solchen Fall werden die Laufschaufellasten in die Scheibenlaschen über die gesamte Länge L des Schlitzes von X₂ bis W an einer Seite des Schlitzes und von Z₂ bis Y an der anderen Seite übertragen. Die Größe der Reaktionslasten für eine derar tige Konfiguration des Stands der Technik entlang der Länge L der entsprechenden Laufschaufelwurzelschlitz-Reaktionsoberflächen ist durch die Kurven 132, 134 repräsentiert, die durch ein Computermodell einer derartigen Konfiguration erzeugt wurden. Die Kurven 136, 138 von 3 sind von einem Computermodell der gleichen Rotoranordnung erzeugt, die gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert ist (d.h. generell wie in 1 gezeigt), und repräsentieren die Größe der Reaktionslasten entlang den gesamten Längen M (von X₁ bis W) und N (von Z₁ bis Y) der Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberfläche 122A bzw. 122B. Der rechtwinklige Abstand von den Kurven 132, 136 zu der Linie X₂-W und der rechtwinklige Abstand von den Kurven 134, 138 zu der Linie Z₂-Y repräsentieren die Größe der Reaktionslast.
Man vergleiche die Kurven 132, 134 des „Stands der Technik" mit den Kurven 136, 138 für die vorliegende Erfindung. Man beachte, dass bei der Konfiguration der Wurzelanordnung des Stands der Technik die Größe der Last entlang der Länge einer jeden Seite des Schlitzes an einem Ende des Schlitzes hoch ist und auf einen relativ niedrigen Wert an dem anderen Ende ausläuft. Andererseits zeigen die Kurven, dass bei der Konfiguration der Rotoranordnung der vorliegenden Erfindungen die Lasten über die Laufschaufelwurzellänge ausgeglichener sind, wobei hohe Lasten in der Nähe eines jeden Laufschaufelwurzelendes und relativ niedrige Lasten zwischen den Enden auftreten. Zusätzlich ist die maximale Reaktionslast an jeder Seite des Schlitzes bei der Rotoranordnung der vorliegenden Erfindung niedriger. Die Computersimulation zeigt auch, dass die maximale Spannungskonzentration in den Scheibenlaschen für die Rotoranordnung der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, niedriger ist.
In der vorangegangenen Ausführungsform sind die Vorteile hauptsächlich das Ergebnis des Verringerns des Gewichtes der Laufschaufel durch das Verringern der Länge der Laufschaufelwurzel. Das verringert die Gesamtlast an den Scheibenlaschen und korrespondierende Spannungsniveaus und, indem man eine ausgeglichenere Last über die Länge der Wurzel hat, sind die Spannungskonzentrationen noch weiter verringert. Auf den ersten Blick mag es erscheinen, dass die verringerten Flächen der Reaktionslastoberflächen diese Vorteile zunichte machen. Doch ist der Verlust an Lastreaktionsoberflächen-Fläche nicht besonders nachteilig, weil die eliminierten Bereiche der Reaktionsoberflächen des Stands der Technik in der Nähe der Enden der Schlitze (die nicht gestrichelten Bereiche der 5 und 6) lediglich einen relativ kleinen Teil der Gesamtlast pro Einheitsoberflächen-Fläche, verglichen mit der durchschnittlichen Last pro Einheitsoberflächen-Fläche, über die gesamte Länge des Schlitzes getragen haben.
Obwohl bei der vorangegangenen Ausführungsform die Laufschaufelwurzelendoberflächen 126, 128 rechtwinklig zu den Laufschaufelwurzel-Lastreaktionsoberflächen 122A, 122B sind, ist das keine Voraussetzung. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Laufschaufelwurzelendoberflächen parallel zueinander sind, um die Symmetrie beizubehalten. Somit kann eine Parallelogramm-Querschnittsform (in der Ansicht der 3) bei der Laufschaufelwurzel mit irgendeiner Länge, die kleiner ist als die Schlitzlänge L (in der Richtung D) einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liefern, indem das Laufschaufelgewicht verringert ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen 0° und θ. Obwohl die Laufschaufelwurzelendoberflächen 126, 128 vorzugsweise parallel sind, müssen sie das nicht sein, und entsprechend muss M nicht gleich N sein, wenngleich mindestens eines von diesen kleiner als L sein muss.
Bei der beschriebenen Ausführungsform war der „entfernte" Bereich der Lasttransferzwischenfläche des Stands der Technik vorher dort positioniert, wo die Reaktionslasten des Stands der Technik relativ niedrig waren. Außerdem sind die Lasten, die entlang der Länge der Lasttransferzwischenfläche übertragen werden, ausgeglichener als die des Stands der Technik, was zu niedrigeren Maximalbelastungen in den Laschen führt. Die Ausführungsform von 1 hat den zusätzlichen Vorteil eines verringerten Laufschaufelgewichts und korrespondierend niedrigere Gesamtlaufschaufellasten, die in die Laschen übertragen werden müssen.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf exemplarische Ausführungsformen davon beschrieben und gezeigt wurde, sollten Fachleute verstehen, dass die vorangegangenen und verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Rotoranordnung, aufweisend: eine Scheibe (102; 202) mit einer Rotationsachse (111; 211), einander entgegengesetzt einer Vorderseite und einer Rückseite (114, 112; 214, 212), einem Rand (116; 216) und einer Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Laufschaufelhalteschlitzen (118; 218), die durch den Rand (116; 216) von der vorderen Scheibenoberfläche (114; 214) durch die hintere Scheibenoberfläche (112; 212) in eine Richtung D gehen, die einen Winkel θ von mindestens 10° zu der Scheibenachse (111; 211) bilden, wobei jedes Paar von benachbarten Schlitzen (118; 218) eine Scheibenlasche (120; 220) dazwischen definiert, wobei jeder der Schlitze eine erste radial nach innen gerichtete Schlitzlastreaktionsoberfläche (124A, 224B), die von der vorderen Scheibenoberfläche (114; 214) in der Richtung D über eine Strecke M an einer ersten der Laschen verläuft, und eine zweite radial nach innen gerichtete Schlitzlastreaktionsoberfläche (124B; 224B), die von der hinteren Scheibenoberfläche (112; 212) in der Richtung D über eine Strecke N an einer zweiten der ersten Lasche benachbarten der Laschen verläuft, aufweist, wobei jeder der Schlitze (118; 218) eine Länge L von der vorderen Scheibenoberfläche zu der hinteren Scheibenoberfläche in der Richtung D hat; und eine Mehrzahl von Laufschaufeln (104; 204), wobei jede ein Strömungsprofil (110; 210) und eine mit dem Strömungsprofil integrale Wurzel (106; 206) hat, wobei die Wurzel in einem entsprechenden der Schlitze (118; 218) angeordnet ist, wobei die Wurzel eine radial nach außen gerichtete erste Wurzellastreaktionsoberfläche (122A; 222A), die in der Richtung D über eine Strecke M geht, und eine radial nach außen gerichtete zweite Wurzellastreaktionsoberfläche (122B; 222B) hat, die sich in der Richtung D über eine Strecke N erstreckt, wobei die erste Wurzellastreaktionsoberfläche (122A; 222A) daran angepasst ist, die erste Schlitzlastreaktionsoberfläche (124A; 224B) über die Strecke M zu berühren, und die zweite Wurzellastreaktions oberfläche (122B; 222B) daran angepasst ist, die zweite Schlitzlastreaktionsoberfläche (124B; 224B) über die Strecke N zu kontaktieren, wobei die Schlitzlänge L größer ist als mindestens eine der Strecken M und N, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufelwurzel (106) entgegengesetzt gerichtete planare Endoberflächen (126, 128) hat, so dass die Laufschaufelwurzel (106) ein Vierseit mit geraden Seiten im Querschnitt durch die Endoberflächen (126, 128) und die Wurzellastreaktionsoberflächen (122A, 122B) ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, wobei M gleich N ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Schlitzlänge L größer ist als sowohl M als auch N.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die entgegengesetzt gerichteten Endoberflächen (126; 128) im Wesentlichen parallel zu einer radialen Linie mindestens über die radiale Erstreckung der Wurzelreaktionsoberflächen sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Winkel zwischen jeder der planaren Endoberflächen und der Richtung D zwischen 90° und θ beträgt.
Rotoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die planaren Endoberflächen parallel zueinander sind und um einen Abstand P beabstandet sind, wobei der Abstand P kleiner ist als die Länge L des Laufschaufelschlitzes (118).
Rotoranordnung nach Anspruch 6, wobei P, M und N im Wesentlichen gleich sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die entgegengesetzt gerichteten Endoberflächen (126; 128) rechtwinklig zur Richtung D sind.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wurzel eine Schwalbenschwanzwurzel ist.