[0001] Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für eine an einer drehbaren Rotorscheibe
angeordnete Laufschaufel einer Strömungsmaschine, bei der die Rotorscheibe zur Aufnahme
des Schaufelfußes jeder Laufschaufel an ihrem Außenumfang jeweils eine zum Schaufelfuß
korrespondierend geformte Haltenut aufweist, in deren Nutgrund jeweils ein Sackloch
mit einem Sicherungselement vorgesehen ist, welches Sicherungselement in eine im Schaufelfuß
angeordnete, dem Sackloch gegenüberliegende Zentrierbohrung zur Sicherung der Laufschaufel
hineinragt. Ferner betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine mit einer Rotorscheibe
und einer daran angeordneten Laufschaufel sowie ein Verfahren zur Montage und Demontage
einer Laufschaufel einer Strömungsmaschine mit einer oben genannten Sicherungsvorrichtung.
[0002] Aus der DE 33 41 871 C2 ist eine Sicherungsvorrichtung für den Leitschaufelkranz
eines Axialverdichters bekannt. Die Sicherungsvorrichtung umfasst eine Bohrung im
Nutgrund der Haltenut, in welcher ein Tragringsegment die Leitschaufeln trägt. In
der Bohrung ist ein federgelagerter Haltestift vorgesehen. Der Haltestift greift in
eine im Tragringsegment angeordnete zweite Bohrung hinein und verhindert somit das
Verschieben des Tragringsegments entlang der Haltenut. Ferner sind in der radialen
Endfläche des Leitschaufelfußes zwei radial verlaufende Sacklochbohrungen vorgesehen,
in denen Schraubenfedern angeordnet sind, die sich am Tragringsegment abstützen und
somit die Leitschaufeln radial nach innen drücken.
[0003] Eine ähnliche Vorrichtung zur Befestigung einer Laufschaufel längs einer innerhalb
eines Rotors einer axialdurchströmten Turbomaschine verlaufenden Umfangsnut zeigt
die DE 101 20 532 A1.
[0004] Eine beim Transport des Verdichters auftretende Erschütterung kann jedoch die Schaufeln
entsichern. Durch den dabei auftretenden impulsartigen Stoß können die Haltestifte
die Vorspannung der Feder überwinden, so dass sich die Schaufeln verschieben können.
Darüber hinaus können beim Betrieb im Verdichter hohe Temperaturen auftreten, welche
die Feder in ihrer Elastizität beeinträchtigen. Unter dauerhafter Einwirkung kann
dies zum Versagen der Feder führen. Insbesondere, wenn die Sicherungsvorrichtung im
Rotor angeordnet ist, treten beim Betrieb weitere, von Fliehkräften hervorgehobene
Belastungen auf, welche die Lebensdauer der Feder negativ beeinflussen können.
[0005] Ebenso ist bekannt, den Schaufelfuß einer Laufschaufel durch einen Anstemmvorgang
plastisch zu deformieren, so dass ein dadurch entstandener Vorsprung als Axialsicherung
sich mit der Rotorscheibe verhakt.
[0006] Besonders nachteilig ist hierbei, dass die Laufschaufel nur bedingt lösbar mit der
Rotorscheibe verbunden ist. Zwar kann durch Entfernen, z.B. durch Schleifen, des Vorsprunges
die Laufschaufel wieder gelöst werden, jedoch ist die Laufschaufel dann nicht wiederverwendbar.
Gleichzeitig ist beim Schleifen der Laufschaufel darauf zu achten, dass keine Späne
in die Strömungsmaschine fallen.
[0007] Darüber hinaus ist das Verklemmen von Laufschaufeln in der Haltenut mit Einweg-Sicherungsblechen
bekannt.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine zuverlässigere, langlebigere und wiederlösbare
Sicherungsvorrichtung zu schaffen, die den auftretenden thermischen als auch mechanischen
Belastungen beim Betrieb der Strömungsmaschine widerstehen kann. Weitere Aufgabe der
Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit einer solchen Sicherungsvorrichtung und
ein Verfahren zur Montage und Demontage einer Laufschaufel an einer Strömungsmaschine
mit solch einer Sicherungsvorrichtung anzugeben.
[0009] Die erstgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die auf die
Strömungsmaschine gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Darüber hinaus wird die auf das Verfahren zur Montage einer Laufschaufel gerichtete
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 und die auf das Verfahren zur Demontage
gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
[0010] Die Lösung sieht vor, dass im Sackloch ein Gewinde und das Sicherungselement als
eine darin versenkbare Sicherungsschraube ausgebildet ist und dass als axialer Zugang
für ein Werkzeug zum Verdrehen der Sicherungsschraube eine Ausnehmung im Bereich des
Sackloches vorgesehen ist.
[0011] Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass anstelle der Feder eine Sicherungsschraube
als lösbares Element zum Sichern der Laufschaufel eingesetzt wird. Es wird sich somit
von der elastischen Feder abgewandt, welche den Haltestift in der Zentrierbohrung
unter Anwendung ihrer Federkraft eingeschoben hält. Die Sicherungsschraube kann aufgrund
ihrer massiven Ausführung einfacher den thermischen und mechanischen Belastungen widerstehen
als die elastische Feder. Ferner führt die Sicherungsschraube mit Gewinde zu einer
Reduzierung der Komponenten, da die Sicherungsschraube zugleich die Positionieraufgabe
der Feder als auch die Sperrriegel-Wirkung des Haltestifts übernimmt.
[0012] Die zur Montage und Sicherung der Laufschaufel nötige Verschiebung des Sicherungselementes
zwischen einer Montage- und einer Betriebsposition erfolgt nicht mehr durch das Spannen
bzw. Entspannen der Feder, sondern durch das Verdrehen der Sicherungsschraube. Eine
ungewollte Entsicherung wie beim Stand der Technik ist daher nur noch erschwert möglich,
wenn nicht sogar unmöglich.
[0013] Durch den Verzicht der Feder wird eine zuverlässigere und belastbarere Sicherungsvorrichtung
für eine Laufschaufel geschaffen. Ferner stellt die Erfindung eine lösbare Sicherungsvorrichtung
vor, bei der die eingesetzte Laufschaufel als auch das eingesetzte Sicherungselement
wieder verwendet werden kann.
[0014] Die Sicherungsschraube ist trotz montierter Laufschaufel dabei durch eine im Bereich
des Sackloches vorgesehene Ausnehmung für ein Werkzeug zugängig. Dafür wird das Werkzeug
durch Ausnehmung an die Sicherungsschraube quer zu ihrer Längserstreckung angesetzt,
so dass die Sicherung der Laufschaufel einfach und schnell hergestellt und gelöst
werden kann.
[0015] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0016] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sackloch als Gewindebohrung ausgebildet,
welches durch einen Schneidvorgang einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
[0017] In einer alternativen Ausgestaltung ist im Sackloch ein Einsatz mit einem Gewinde
angeordnet, welcher Einsatz gegen Verdrehen im Sackloch gesichert ist. Durch den Gewindeeinsatz
können Kerben als auch Kerbspannungen in der Rotorscheibe vermieden werden, was die
Lebensdauer der Rotorscheibe nicht negativ beeinflusst. Auch bei ggf. auftretenden
Schäden am Gewinde kann der Einsatz ausgetauscht werden. Dies erhöht die Servicefreundlichkeit
bei Wartungen.
[0018] Die Ausnehmung, welche den Zugriff auf die Sicherungsschraube von der Stirnseite
der Rotorscheibe aus ermöglicht, kann vorteilhafterweise entweder in der Rotorscheibe
und/oder im Schaufelfuß vorgesehen sein. Durch den seitlichen, d.h. axialen, Zugriff
bzw. Zugang sind keine zusätzlichen baulichen Änderungen in der Strömungsmaschine
nötig.
[0019] In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Sicherungsschraube am Umfang verteilte,
radial verlaufende Bohrungen auf, in die ein Hebelstab als Werkzeug zum Verdrehen
einsteckbar ist. Somit kann die Sicherungsschraube in das Sackloch eingedreht und
nach dem Anbringen der Laufschaufel mittels des Hebelstabs aus dem Sackloch heraus
in die Zentrierbohrung hinein eingeschraubt werden.
[0020] In einer alternativen Ausgestaltung weist die Sicherungsschraube in dem durch die
Ausnehmung zugänglichen Bereich an ihrem Außenumfang einen Sechskant für einen als
Werkzeug zum Verdrehen der Sicherungsschraube dienenden Sechskantschlüssel auf. Anstelle
des Hebelstabes kann somit konventionelles Werkzeug zum Verdrehen der Sicherungsschraube
eingesetzt werden.
[0021] Wenn die Sicherungsschraube nach Art einer Madenschraube ausgebildet ist, kann beim
Einschrauben der Sicherungsschraube in das Sackloch diese besonders schnell mit einem
korrespondierenden Schraubendreher eingedreht werden.
[0022] Bevorzugtermaßen kann neben der Sicherungswirkung in Axialrichtung auch gleichzeitig
eine gewünschte axiale Lage der Laufschaufel erzwungen werden, wenn sich der Durchmesser
der Zentrierbohrung zu ihrem Grund hin kegelförmig verjüngt und die Sicherungsschraube
einen dazu korrespondierend geformten Schraubenkopf aufweist. Durch die Kegelform
der Zentrierbohrung und des Schraubenkopfs wird während des Ausschraubvorgangs der
Sicherungsschraube in die Zentrieröffnung die Laufschaufel in die gewünschte und vorgegebene
axiale Position korrigiert.
[0023] Zur Montage einer Laufschaufel an einer Rotorscheibe einer Strömungsmaschine wird
in das Sackloch die Sicherungsschraube eingeschraubt, bis ihr Schraubenkopf radial
weiter innen liegt als der Nutgrund der Haltenut. Anschließend wird die Laufschaufel
in die Haltenut eingeschoben, bis ihre Zentrierbohrung mit dem Sackloch fluchtet,
so dass anschließend mit Hilfe des Werkzeugs zum Verdrehen der Sicherungsschraube
diese aus dem Sackloch heraus in die Zentrierbohrung hinein gedreht wird. Zur Demontage
werden die Schritte in umgekehrter Reihenfolge mit inversen Richtungsangaben durchgeführt.
[0024] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematisierte Gasturbine in einer Schnittansicht,
- Fig. 2
- eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes einer Rotorscheibe,
- Fig. 3
- eine Schnittansicht einer Rotorscheibe gemäß Fig. 2,
- Fig. 4
- die Rotorscheibe mit einer Sicherungsschraube und mit einer Laufschaufel,
- Fig. 5
- die Rotorscheibe mit der durch die Sicherungsschraube gesicherten Laufschaufel,
- Fig. 6
- eine Sicherungsschraube mit radial verlaufenden Bohrungen,
- Fig. 7
- eine Sicherungsschraube mit einem Sechskant,
- Fig. 8
- eine Rotorscheibe mit einem Einsatz mit einem Gewinde,
- Fig. 9
- Einsatz mit einem Gewinde und einer Verdrehsicherung und
- Fig. 10
- den in der Rotorscheibe eingesetzten Einsatz.
[0025] Strömungsmaschinen wie Gasturbinen und Verdichter und deren Arbeitsweisen sind allgemein
bekannt. Fig. 1 zeigt eine Strömungsmaschine 11, welche als Gasturbine 13 ausgebildet
ist. Die Gasturbine 13 weist dazu einen Verdichter 15, eine Brennkammer 17 und eine
Turbineneinheit 19 auf. Ferner umfasst die Gasturbine 13 einen Rotor 21. Der Rotor
21 setzt sich sowohl in dem Verdichter 15 als auch in der Turbineneinheit 19 aus mehreren
axial benachbarten Rotorscheiben 23 zusammen, an deren Außenumfang Laufschaufeln 25
jeweils in einem Kranz angeordnet sind.
[0026] Beim Betrieb der Gasturbine 13 wird Luft 4 von dem Verdichter 15 angesaugt und verdichtet.
Die verdichtete Luft wird der Brennkammer 17 zugeführt, mit einem Brennmittel B vermischt
und an dieser Stelle zu einem Heißgas verbrannt. Das Heißgas strömt in die Turbineneinheit
19 und entspannt sich an den Laufschaufeln 25 der Turbineneinheit 19 arbeitsleistend.
Dabei wird der Rotor 21 der Gasturbine 13 angetrieben.
Fig. 2 zeigte eine perspektivische Darstellung von einem Ausschnitt der Rotorscheibe
23. Am Außenumfang der Rotorscheibe 23 ist eine quer verlaufende Haltenut 29 dargestellt,
in die eine Laufschaufel 25 mit einem zur Haltenut 29 korrespondiert ausgeführten
Schaufelfuß einschiebbar ist. Der Klarheit halber ist in der Rotorscheibe 23 lediglich
eine der über den Umfang verteilten Haltenuten 29 für die Laufschaufeln 25 eines Kranzes
gezeigt. Im Nutgrund 31 jeder Haltenut 29 ist eine Ausnehmung 33 vorgesehen, von der
aus ein sich radial nach innen in die Rotorscheibe 23 erstreckendes Sackloch 35 verläuft.
[0027] Den Schnitt III-III durch die Rotorscheibe 23 zeigt Fig. 3. Radial innerhalb des
Nutgrundes 31 ist die Ausnehmung 33 angeordnet, von der aus sich das Sackloch 35 in
radialer Richtung erstreckt. Dabei weist das Sackloch 35 zumindest teilweise ein Gewinde
37 auf.
[0028] Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Rotorscheibe 23 mit bereits in dem Sackloch
35 eingeschraubtem Sicherungselement 39 und eingesetzter Laufschaufel 25. Das Sicherungselement
39 ist dabei noch nicht in eine im Schaufelfuß 44 angeordnete Zentrierbohrung 45 der
Laufschaufel 25 eingeschraubt.
[0029] Der Durchmesser der im Schaufelfuß 44 vorgesehenen sacklochartigen Zentrierbohrung
45 bleibt zuerst konstant und verkleinert sich anschließend zum Bohrgrund hin kegelförmig.
[0030] Analog dazu weist die Sicherungsschraube 41 einen korrespondierenden, kegelförmigen
Schraubenkopf 43 auf.
[0031] Zur Montage der Laufschaufel 25 wird zuerst das als Sicherungsschraube 41 ausgebildete
Sicherungselement 39 in das Sackloch 35 eingedreht, bis der Schraubenkopf 43 der Sicherungsschraube
41 radial weiter innen liegt als der Nutgrund 31 der Haltenut 29 bzw. radial weiter
innen liegt als die Öffnung der Zentrierbohrung 45, wenn die Laufschaufel 25 eingeschoben
ist. Hierzu weist die Sicherungsschraube 41 an ihrer Stirnseite einen Schlitz 42 gemäß
einer Madenschraube auf, damit die Sicherungsschraube 41 mit einem Schraubendreher
besonders einfach und schnell in das Gewinde 37 eingeschraubt werden kann.
[0032] Anschließend wird die Laufschaufel 25 mit ihrem Schaufelfuß 44 in die Haltenut 29
eingeschoben, bis die sich radial erstreckende Zentrierbohrung 45 dem Sackloch 35
fluchtend gegenüber liegt. Anschließend wird mit einem Werkzeug, welches durch die
radial zwischen dem Sackloch 35 und der Zentrierbohrung 45 liegende Ausnehmung 33
seitlich einbringbar ist, die Sicherungsschraube 41 aus dem Sackloch 35 heraus in
die Zentrierbohrung 45 eingedreht, bis zur Fertigstellung der Sicherungsvorrichtung
50 entweder ihr Schraubenkopf 43 am Grund der Zentrierbohrung 45 oder die Kegelflächen
von Zentrierbohrung 45 und Schraubenkopf 43 aneinander liegen (Fig. 5). In dieser
Betriebsposition ist die Laufschaufel 25 gegen axiales Verschieben sichert. Gleichzeitig
drückt die Sicherungsschraube 41 die Laufschaufel 25 in eine definierte radiale Lage
radial nach außen.
[0033] Durch die korrespondierenden Kegelformen der Zentrierbohrung 45 als auch des Schraubenkopfes
43 wird die Laufschaufel 25 in eine gewünschte, definierte axiale Lage gezwungen.
[0034] Fig. 6 zeigt eine mit radialen Bohrungen 51 versehene Sicherungsschraube 41, welche
im oberen Bereich über den Umfang verteilt sind. In diese Bohrungen 51 ist ein Hebelstab
53 als Werkzeug einsteckbar, durch den die Sicherungsschraube 41 im Gewinde 37 gedreht
werden kann. Im unteren Bereich der Sicherungsschraube 41 ist ein Gewinde 38 vorgesehen,
welches mit Gewinde 37 verschraubbar ist.
[0035] In Fig. 7 ist eine alternative Ausgestaltung der Sicherungsschraube 41 gezeigt, welche
im oberen Bereich anstelle der Bohrungen 51 einen Sechskant 55 aufweist, an den ein
dazu korrespondierender Sechskantschlüssel 57 zum Verdrehen der Sicherungsschraube
41 ansetzbar ist.
[0036] Anstatt der gezeigten Ausgestaltung kann die für den stirnseitigen Zugang der Sicherungsschraube
41 mit einem Werkzeug benötigte Ausnehmung 33 auch teilweise oder vollständig im Schaufelfuß
44 der Laufschaufel 25 vorgesehen sein.
[0037] In einer alternativen Ausgestaltung zeigt Fig. 8 die Umfangfläche 59 der Rotorscheibe
23 mit einer Haltenut 29 für eine Laufschaufel 25 mit dem Sackloch 35. Das Sackloch
35 weist anstelle des Gewindes in ihrer Umfangfläche mindestens eine entlang der Bohrrichtung
verlaufende Sicherungsnut 61 auf.
[0038] In das Sackloch 35 ist ein in Fig. 9 dargestellter Einsatz 63 einsetzbar. Der Einsatz
63 ist nach Art einer im Wesentlichen kreisrunden Hülse korrespondierend zum Sackloch
35 ausgebildet und weist ein Innengewinde 65 auf, in welches die Sicherungsschraube
41 einschraubbar ist. Außerdem weist der Einsatz 63 an seinem Außenumfang zumindest
einen in seiner Axialrichtung verlaufenden Vorsprung 67 auf, der zu der Sicherungsnut
61 korrespondierend ausgeführt ist.
[0039] Den in das Sackloch 35 eingesetzten Einsatz 63 zeigt Fig. 10, wobei der Vorsprung
67 in die Sicherungsnut 61 eingreift, die somit die Mittel für die Verdrehsicherung
des Einsatzes 63 im Sackloch 35 bilden. Alternativ könnten auch jeweils zwei oder
mehrere Vorsprünge 67 und Sicherungsnuten 61 vorgesehen sein.
1. Sicherungsvorrichtung (50) für eine an einer drehbaren Rotorscheibe (23) angeordnete
Laufschaufel (25) einer Strömungsmaschine (11),
bei der die Rotorscheibe (23) zur Aufnahme des Schaufelfußes (44) jeder Laufschaufel
(25) an ihrem Außenumfang jeweils eine zum Schaufelfuß (44) korrespondierend geformte
Haltenut (29) aufweist,
in deren Nutgrund (31) jeweils ein Sackloch (35) mit einem Sicherungselement (39)
vorgesehen ist, welches Sicherungselement (39) in eine im Schaufelfuß (44) angeordnete,
dem Sackloch (35) gegenüberliegende Zentrierbohrung (45) zur Sicherung der Laufschaufel
(25) hineinragt,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Sackloch (35) ein Gewinde (37) und das Sicherungselement (39) als eine darin versenkbare
Sicherungsschraube (41) ausgebildet ist und
dass als axialer Zugang für ein Werkzeug zum Verdrehen der Sicherungsschraube eine Ausnehmung
(33) im Bereich des Sackloches vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sackloch (35) als Gewindebohrung ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Sackloch (35) ein Einsatz mit einem Gewinde (37) angeordnet ist, der gegen Verdrehen
im Sackloch (35) gesichert ist.
4. Vorrichtung (50) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (33) in der Rotorscheibe (23) und/oder im Schaufelfuß (44) vorgesehen
ist.
5. Vorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsschraube (41) am Umfang verteilte radial verlaufende Bohrungen (51)
aufweist, in die ein Hebelstab (53) als Werkzeug zum Verdrehen einsteckbar ist.
6. Vorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsschraube (41) in dem durch die Ausnehmung (33) zugänglichen Bereich
an ihrem Außenumfang einen Sechskant (55) für einen als Werkzeug zum Verdrehen der
Sicherungsschraube (41) dienenden Sechskantschlüssel (57) aufweist.
7. Vorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sicherungsschraube (41) nach Art einer Madenschraube ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Durchmesser der Zentrierbohrung (45) zu ihrem Grund hin kegelförmig verjüngt
und die Sicherungsschraube (41) einen dazu korrespondierend geformten Schraubenkopf
(43) aufweist.
9. Strömungsmaschine (11), insbesondere Verdichter (15) einer Gasturbine (13),
mit einer Rotorscheibe (23) und daran angeordneten Laufschaufeln (25),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufschaufeln (25) mit einer Sicherungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche
1 bis 8 gesichert sind.
10. Verfahren zur Montage einer Laufschaufel (25) an einer Rotorscheibe (23) einer Strömungsmaschine
(11) mit einer Sicherungsvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Abfolge der Arbeitschritte a) bis c) die Laufschaufel (25) an der Rotorscheibe
(23) befestigt und gesichert wird:
a) die Sicherungsschraube (41) wird in das Sackloch (35) geschraubt,
b) die Laufschaufel (25) wird in die Haltenut (29) eingeschoben, bis ihre Zentrierbohrung
(45) mit dem Sackloch (35) fluchtet,
c) mit Hilfe des Werkzeugs zum Verdrehen der Sicherungsschraube (41) wird diese aus
dem Sackloch (35) heraus- und in die Zentrierbohrung (45) hineingedreht.
11. Verfahren zur Demontage einer Laufschaufel (25) von einer Rotorscheibe (23) einer
Strömungsmaschine (11) mit einer Sicherungsvorrichtung (50) nach einem Ansprüche 1
bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitschritte a) bis c) des Anspruchs 10 in umgedrehter Reihenfolge mit inversen
Richtungsangaben durchgeführt werden.