DE60222796T2

DE60222796T2 - Schaufelhalterungssystem

Info

Publication number: DE60222796T2
Application number: DE60222796T
Authority: DE
Inventors: Daniel Chateauguay MILLS
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2022-10-19
Also published as: WO2003036049A1; US6533550B1; CA2464400C; DE60222796D1; EP1444419A1; EP1444419B1; CA2464400A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotoranordnung für Gasturbinenmaschinen, und insbesondere auf eine Schaufelhaltevorrichtung, um Rotorschaufeln an einer Rotorscheibe zu befestigen, die in Gasturbinenmaschinen verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Der Turbinen- oder Verdichteraufbau bestimmter Gasturbinenmaschinen weist eine dynamisch ausbalancierte Rotoranordnung auf, die üblicherweise Schaufeln aus Legierungen aufweist, die an einer rotierenden Scheibe befestigt sind. Der Fuß einer jeden Schaufel weist üblicherweise eine so genannte „Tannenbaum"-Konfiguration auf, um dafür zu sorgen, dass sie fest an dem äußeren Bereich der Scheibe angebracht ist und noch Raum zur Wärmeausdehnung hat. Die „Tannenbaum"-Befestigung einer Rotorschaufel an der Rotorscheibe begrenzt die radialen Bewegungen und die Bewegungen in Umfangsrichtung der Rotorschaufeln im Verhältnis zur Rotorscheibe wirksam gegen radiale Zentrifugalkräfte. Jedoch übt während des Hochdrehzahl- und Hochtemperaturbetriebs der Gasturbinenmaschine der axiale Luft- oder Gasstrom durch die Rotoranordnung eine konstante Axialkraft auf die Rotorschaufeln aus und spannt so die Wurzeln der Schaufeln axial in Bezug auf die „Tannenbaum"-Schlitze im äußeren Bereich der Rotorscheibe vor. Um die Schaufeln gegen die Axialkraft festzuhalten, sowohl nach Vorne als auch nach Hinten, war es üblich, verschiedene Stift- und Schraubsysteme zu verwenden, einschließlich gewundener und verpresster Drähte, um die Schaufelwurzeln mit der Rotorscheibe zu verbinden. Jedoch können beim dauernden Hochdrehzahlbetrieb einer Gasturbinenmaschine und bei den hohen thermischen Gradienten, die in den Bauteilen einer Turbine entstehen, mit Gewinde versehene Befestigungsteile dazu neigen, sich nach einiger Zeit zu lösen, was möglicherweise eine Relativbewegung zwischen den Komponenten und mögliche Schäden in der Rotoranordnung erzeugen kann. Zusätzlich kann die Anordnung von Schrauben um den äußeren Bereich der Rotorscheibe herum dynamisches aus der Balance Bringen der Gesamtanordnung hervorrufen, was auch während des Hochdrehzahl- und Hochtemperaturbetriebs Probleme erzeugen kann.
Anstrengungen wurden unternommen, um Schaufelhaltevorrichtungen ohne Schrauben zur Verfügung zu stellen. Das US Patent 4,349,318 , erteilt an Libertini, beschreibt eine recht komplizierte Schaufelhaltestruktur einschließlich eines durchgehenden drahtartigen Halters, einer üblicherweise zylindrischen Halteplatte und eines geteilten Halterings. Ringnuten oder Vertiefungen werden aus der Rotorscheibe und den Wurzeln der Rotorschaufeln gespant, um die einzelnen Halteelemente aufzunehmen.
Zusätzlich zur Intaktheit der Halterung ist die Minimierung des Verlustes von Kühlluft aus Versorgungskreisläufen luftgekühlter Turbinenschaufeln oft ein wichtiger Konstruktionsgesichtspunkt. Üblicherweise wird Kühlluft in die hohle Schaufel durch einen Spalt zwischen einem unteren Ende der Schaufelwurzel und dem Boden eines „Tannenbaum"-Schlitzes der Rotorschaufel geleitet. Verschiedene Dichtungsanordnungen wurden entwickelt, um Leckagen durch den Tannenbaumkanal zu behindern und die Leistung der Kühlung der Rotorschaufeln zu verbessern, aber es gibt weitere Möglichkeiten zur Verbesserung.
Daher besteht ein Bedarf sowohl für verbesserte Schaufelhaltevorrichtungen als auch für Dichtvorrichtungen für Kühlluft in Rotoranordnungen, die in Gasturbinenmaschinen verwendet werden. Das U.S. Patent 4,895,490 legt eine Rotoranordnung gemäss der Präambel von Anspruch 1 offen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfachere Schaufelhaltevorrichtung zur Verfügung zu stellen, um Rotorschaufeln an einer Rotorscheibe zu befestigen, die in einer Gasturbinenmaschine verwendet wird.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaufelhaltevorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Zirkulation von Kühlluft in den Rotorschaufeln verbessert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Rotorschaufeln in einer Rotorscheibe axial festzulegen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Rotoranordnung gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache Schaufelhaltevorrichtung zur Verfügung, die vergleichsweise einfach herzustellen und zu warten ist. Weitere Vorzüge und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen noch besser deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nach der allgemeinen Beschreibung der Art der vorliegenden Erfindung wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche deren bevorzugte Ausführungsformen darstellend zeigen, hierin ist:
1 eine Teil-Schnitt-Seitenansicht einer Rotoranordnung einer Gasturbinenmaschine, welche die vorliegende Erfindung enthält;
2 eine Teil-Schnittansicht der Rotorschaufel von 1 entlang der Linie 2-2, welche die Befestigung von Wurzelabschnitten der Rotorschaufeln an der Rotorscheibe zeigt;
3 eine Ansicht von einer Axialseite eines federnden Spaltrings, der zur Schaufelhalterung verwendet wird;
4 eine Teil-Schnittansicht der Rotorscheibe, welche die Beziehung zwischen der Ringnut und den Aufnahmeschlitzen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Teil-Schnittansicht der Rotorscheibe, welche die Beziehung zwischen der Ringnut und den Aufnahmeschlitzen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine Teil-Schnittansicht von 2 entlang der Linie 6-6, welche den federnden Spaltring zeigt, der einen Kühlluftkanal zwischen dem unteren Ende des Wurzelabschnitts der Rotorschaufel und dem Boden des entsprechenden Aufnahmeschlitzes zeigt; und
7 eine Ansicht ähnlich 6, welche den federnden Spaltring zeigt, der den Kühlluftkanal teilweise blockiert.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf 1 wird nun eine Rotoranordnung der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet wird und welche als Turbinenrotor in einer Gasturbinenmaschine verwendet werden soll. Jedoch könnte die vorliegende Erfindung bei einem Verdichterrotor einer Gasturbinenmaschine angewandt werden. Die Rotoranordnung 10 enthält in Grundzügen eine Rotorscheibe 12 und eine Mehrzahl von Rotorschaufeln 14, die lösbar an der Rotorscheibe 12 angebracht sind.
Jede Rotorschaufel 14 enthält einen Strömungsprofilabschnitt 16 und einen Wurzelabschnitt 18 mit einer konventionellen „Tannenbaum"-Konfiguration, wie in 2 deutlicher gezeigt ist, welche geeignet ist, in einem der ähnlich ausgeformten Aufnahmeschlitze 20 untergebracht zu werden. Die Aufnahmeschlitze 20 sind am Umfang verteilt und im äußeren Bereich der Rotorscheibe 12 ausgebildet. Eine Ringnut 22 ist im äußeren Bereich der Rotorscheibe 12 ausgebildet und erstreckt sich um den Umfang herum in den äußeren Bereich. Die Ringnut 12 schneidet sich mit den allgemein axial ausgerichteten Aufnahmeschlitzen 20, wie in den 4 und 5 deutlicher gezeigt ist, in denen die Bezugszeichen 24 und 26 die entsprechenden Böden der Aufnahmeschlitze 20 und der Ringnut 22 bezeichnen. Die Ringnut 22 weist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Tiefe auf, die allgemein gleich der Tiefe der Aufnahmeschlitze 20 ist (siehe 4). Alternativ ist gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Tiefe der Ringnut 22 größer als die Tiefe der Aufnahmeschlitze 24 (siehe 5). Jedoch könnten die Aufnahmeschlitze 20 auch tiefer sein als die Ringnut 22 (nicht gezeigt). Das Tiefenverhältnis zwischen der Ringnut und den Aufnahmeschlitzen wird mit Bezug auf die 6 und 7 im Folgenden weiter diskutiert.
Mit Bezug auf die 1, 2, 6 und 7 enthält der Wurzelabschnitt 18 jeder Rotorschaufel 14 eine Nut 28, die in seinem unteren Ende 30 ausgebildet ist. Die Nut 28 ist in jeder Schaufel 14 so angeordnet, dass die Nuten sich mit Unterbrechungen über den Umfang erstrecken (siehe 2) und sich axial mit der Ringnut 22 der Rotorscheibe 12 (siehe 6 und 7) ausrichten, wenn die Schaufeln 14 so eingebaut sind, dass sie einen Kanal bilden. Die Nuten richten sich aus und der Kanal wird gebildet, so dass ein federnder Spaltring 32 in dem Kanal aufgenommen werden kann, der von der Ringnut 22 der Rotorscheibe 12 und der Nut 28 des Wurzelabschnitts 18 einer jeden Rotorschaufel 14 gebildet wird. Damit wird die radiale Bewegung und die Bewegung in Umfangsrichtung der Rotorschaufeln 14 in Bezug auf die Rotorscheibe 12 durch die Aufnahmeschlitze 20 mit „Tannenbaumform" der Rotorscheibe 12 begrenzt, und die axiale Bewegung der Rotorschaufeln 14 relativ zu der Rotorscheibe 12 wird durch den federnden Spaltring 32 eingeschränkt. Die Nut 28 ist vorzugsweise leicht konkav bogenförmig und dadurch geeignet, den federnden Spaltring 32 entlang der Länge der Nut 28 gleichmäßig aufzunehmen.
Der federnde Spaltring 32 wird in 3 dargestellt und hat eine Abmessung, so dass er durch eine Kraft geöffnet werden kann, um die Rotorscheibe 12 in sich aufzunehmen, und damit in die Ringnut 22 der Rotorscheibe 12 passen kann, wie in 1 gezeigt. Der federnde Spaltring 32 ist auch geeignet, dass er, wenn er in den Kanal passt, der durch die Ringnut 22 der Rotorscheibe 12 gebildet wird, und wenn die entsprechenden Rotorschaufeln an der Rotorscheibe 12 angebracht sind, elastisch an der unteren Endfläche 34 der Nut 28 in dem Wurzelabschnitt 18 von jeder Rotorschaufel 14 anliegt, um seinen Eingriff sowohl mit der Ringnut 22 als auch mit der Nut 28 sicherzustellen. Der federnde Spaltring 32 kann allgemein von beliebiger Art sein und kann jeglichen Querschnitt aufweisen, jedoch wird es vorgezogen, dass er parallele Seitenflächen aufweist. Der Ring 32 dieser Ausführungsform ist ähnlich einem allgemein bekannten Kolbenring.
Die Rotorschaufel 14 hat eine hohle Konfiguration und enthält einen internen Kühlluftkanal (nicht gezeigt, aber in der Technik gut bekannt), der sich durch die Schaufel erstreckt, um die Kühlluftströmung durch die Schaufel zu zirkulieren, um den Strömungsprofilabschnitt 16 (siehe 1) der Rotorschaufel 14 zu kühlen. Der innere interne Luftkanal enthält allgemein Kühllufteinläufe 36 (siehe 6 und 7) im Ende 30 des Wurzelabschnitts 18 der Rotorschaufel 14 und Kühlluftauslässe 38 an der Hinterkante des Strömungsprofilsabschnitts 16 der Rotorschaufel 14 (siehe 1). Bekanntermaßen kann Kühlluft, die von dem Verdichter abgezweigt wird, durch den Kanal geleitet werden, um das Strömungsprofil zu kühlen. Mit Bezug auf 7 wird ein Kühlluftversorgungskanal 40 zwischen dem Ende 30 des Wurzelabschnitts 18 der Rotorschaufel 14 und dem Boden 24 der Aufnahmeschlitze 20 der Rotorscheibe 12 gebildet. Ein Teil der kühlen Luft, die von dem Verdichter abgeleitet wird und zur Verfügung gestellt wird, um den Kanal 40 zu versorgen, tritt in die Kühllufteinläufe 36 ein. Wie bei der Betrachtung von 6 festgestellt werden kann, wenn der Ring 32 nicht vorhanden wäre (wie im Stand der Technik), dann würde ein Teil des Kühlluftstroms in Luftkanal 40 durch die Rotoranordnung entweichen. Wie in 6 gezeigt, blockiert der Ring 32 jedoch Kanal 40 und verhindert Leckage. Der federnde Spaltring 32 kann damit die Zirkulation der Luftströmung in den Strömungsprofilabschnitten 16 der Rotorschaufeln 14 verbessern, wenn die Ringnut 22 der Rotorscheibe 12 und die Nuten 28 in den Wurzelabschnitten 18 der entsprechenden Rotorschaufeln 14 beide stromabwärts (im Bezug zum Kühlluftstrom) von den Kühllufteinläufen angeordnet sind. Der federnde Spaltring 32 kann die Luftkanäle 40 teilweise (siehe 7) oder vollständig (siehe 6) blockieren, und richtet die Kühlluftströme (von Pfei len F angezeigt) in die Kühllufteinläufe 36. Dieser Gesichtspunkt wird im Folgenden näher beschrieben.
Immer noch mit Bezug auf die 6 und 7 ist der federnde Spaltring 32 radial von dem unteren Ende 26 der Ringnut 22 der Rotorschaufel 12 mit dem Abstand D beabstandet, während er an dem unteren Ende 34 der Nut 28 in dem Wurzelabschnitt der Schaufel 14 anliegt. Der Zwischenraum D muss größer sein als die Tiefe d der Nut 28 in dem Wurzelabschnitt 18 der Rotorschaufel 14, um es dem federnden Spaltring 32 an jedem Ort seines Umfangs zu ermöglichen, radial nach innen gedrückt zu werden, um aus der Nut 28 in dem Wurzelabschnitt 18 der Rotorschaufel 14 benachbart dem gedrückten Punkt zu entkuppeln. Dies erleichtert das Einfügen und das Entfernen der Schaufeln. Eine angewinkelte Führungsfläche 42 kann am unteren Ende 30 des Wurzelabschnitts 18 der Rotorschaufel 14 an einer Seite vorgesehen sein, um das Einfügen des federnden Spaltrings 32 in die Nut 28 des Wurzelabschnitts 18 der Rotorschaufel 14 zu erleichtern.
Der federnde Spaltring 32 kann in vorteilhafter Weise den Luftkanal 40 im Wesentlichen blockieren, entweder durch teilweises oder durch vollständiges Blockieren des Kanals. Wenn die Ringnut 22 und die Aufnahmeschlitze 20 der Rotorscheibe 12 eine generell gleiche Tiefe aufweisen, wie in 4 und 7 gezeigt, blockiert der federnde Spaltring 32 den Luftkanal 40 nur teilweise, da der Zwischenraum D zum Entkuppeln des federnden Spaltrings 32 benötigt wird. Jedoch, wenn die Ringnut 22 tiefer ist als die Aufnahmeschlitze 20 der Rotorscheibe 12, wie in 5 und in 6 gezeigt, ist es möglich den federnden Spaltring 32 zu verwenden, um den Luftkanal 40 vollkommen zu blockieren und den gesamten Kühlluftstrom F in die Kühllufteinläufe 36 in dem Wurzelabschnitt 18 der Rotorschaufel 14 zu leiten. Dies bietet konstruktive Wahlmöglichkeiten gemäß den unterschiedlichen Kühlungsanforderungen. Für das Schaufelhaltesystem ist es akzeptabel, dass die Aufnahmeschlitze 20 tiefer sind als die Ringnut 22, falls das Erfordernis, dass Zwischenraum D größer ist als Tiefe d, erfüllt ist. Trotzdem bietet diese Konfiguration weniger Raum, um die Verteilung von Kühlluftströmen zwischen dem Eintritt in die Einläufe und dem Durchlauf durch den Kanal 40 anzupassen.
Um die Rotoranordnung 10 zu montieren, wie in 1 gezeigt, wird der federnde Spaltring 32 durch eine Kraft geöffnet und in die Ringnut 22 der Rotorscheibe eingefügt. Jede Rotorschaufel 14 gleitet in einen Aufnahmeschlitz 20 der Rotorscheibe 12, während der federnde Spaltring 32 radial und nach innen durch ein Werkzeug oder durch die angewinkelte Führungsfläche 42 (gezeigt in den 6 und 7) herabgedrückt wird, bis der federnde Spaltring 32 in Position in der Nut 28 des Wurzelabschnitts 18 der Rotorschaufel 14 eingekuppelt ist. Wenn die Demontage der Rotorschaufeln 14 von der Rotorscheibe 12 erforderlich ist, kann ein Werkzeug, wie z. B. ein dünner Stab, zwischen zwei benachbarten Rotorschaufeln 14 eingebracht werden, um den federnden Spaltring 32 radial und nach innen auf das untere Ende 26 der Ringnut 22 nach unten zu drücken, und dann können die benachbarten Schaufeln 14 gleitend aus ihren Aufnahmeschlitzen 20 entfernt werden.
Änderungen und Modifikationen an den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden, können ausgeführt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, der nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt sein soll.

Claims

Rotoranordnung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Anordnung aufweist: eine Rotorscheibe (12), die eine Achse, einen Umfang, einen äusseren Bereich, eine Mehrzahl von am Umfang beabstandeten Aufnahmeschlitzen (20), die im äusseren Bereich ausgebildet sind, und eine erste Ringnut (22) aufweist, wobei die erste Ringnut (22) radial nach innen in dem äusseren Bereich der Rotorscheibe (12) ausgebildet ist, und sich entlang des Scheibenumfangs erstreckt, wobei die Ringnut (22) sich mit der Mehrzahl der Aufnahmeschlitze (20) schneidet; eine Mehrzahl von Rotorschaufeln (14), wobei jede einen Wurzelabschnitt (18) aufweist, der so ausgebildet ist, dass er gleitend in einem der Scheibenaufnahmeschlitze (20) aufgenommen wird, wobei jede der genannten Schaufeln eine Schaufelnut (28) aufweist, die in dem unteren Ende ihres Wurzelabschnitts (18) gebildet ist, wobei die Mehrzahl der Schaufelnuten (28) dabei zusammenwirken, eine Gruppe von zweiten Nuten zu bilden, die sich mit Unterbrechungen um den Umfang der Rotorscheibe (12) erstreckt, wenn die Schaufeln (14) an der Scheibe angebracht sind, wobei die zweite Gruppe von Nuten (28) sich im Wesentlichen axial mit der ersten Ringnut (22) ausrichtet und mit ihr zusammenwirkt, um einen Ringkanal zu bilden; und ein federndes Spaltringelement (32), dazu eingerichtet, um die Rotorscheibe (12) angebracht zu werden und im Ringkanal aufgenommen zu werden, wobei das Spaltringelement (32) und der Ringkanal geeignet sind, die axiale Bewegung der Rotorschaufeln (14) im Verhältnis zu der Rotorscheibe (12) einzuschränken, wenn das Spaltringelement (32) in dem Ringkanal angebracht ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltringelement einen axialen Kühlluftströmungskanal (40), der zwischen dem unteren Ende des Wurzelabschnitts (18) der Rotorschaufeln (14) und dem entsprechenden Aufnahmeschlitz (20) gebildet ist, im Wesentlichen blockiert; jede Rotorschaufel (14) einen Kühllufteinlauf (36) in ihrem unteren Ende (30) aufweist; und der Ringkanal stromabwärts von den Kühllufteinläufen (36) angeordnet ist, die in den unteren Enden der Rotorschaufeln (14) angeordnet sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Spaltringelement (32) geeignet ist, zumindest eine gehaltene Schaufel (14) lösbar zu entkuppeln, wenn das Spaltringelement (32) radial nach Innen gedrückt wird, wobei das Entkuppeln es ermöglicht, die zumindest eine Schaufel (14) gleitend aus ihrem Aufnahmeschlitz (20) zu entnehmen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spaltring (32) eingerichtet ist, radial aussen an den Wurzeln (18) der betreffenden Schaufeln (14) anzuliegen und diese vorzuspannen.
Rotoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Spaltringelement (32) radial von einem Boden des Ringkanals beabstandet ist, wenn es in dem Ringkanal angebracht ist.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Ringnut (22) im Wesentlichen genauso tief ist wie die Aufnahmeschlitze (20).
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Tiefe der ersten Ringnut (22) grösser ist als die Tiefe der Aufnahmeschlitze (20).
Rotoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Ende des Wurzelabschnitts (18) einer jeden Rotorschaufel (14) eine angewinkelte Oberfläche (42) enthält, die geeignet ist, den Eingriff der Rotorschaufeln (14) mit dem Spaltringelement (32) zu ermöglichen.
Rotoranordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Ringkanal in Längsrichtung in der Mitte bezüglich der Schaufeln (14) angeordnet ist.