ROTOR MIT FLIEHKRAFT-OPTIMIERTEN KONTAKTFLÄCHEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Gasturbine mit einer Rotorscheibe (01) und einer Mehrzahl über den Umfang der Rotorscheibe (01) verteilten Rotorbauteilen (11). Hierzu weist die Rotorscheibe (11) einen sich axial erstreckenden Befestigungsabsatz (04) mit einer Stützfläche (05) auf. Weiterhin umfasst jedes der Rotorbauteile (11) einen sich axial erstreckenden Halteabsatz (14) mit einer Haltefläche (15), sodass jeweils die Halteflächen (16) der Halteabsätze (14) zur Anlage mit der Stützfläche (05) des Befestigungsabsatzes (04) der Rotorscheibe (01) kommen. Zur Optimierung der Auflagespannungen zwischen dem Halteabsatz (15) und dem Befestigungsabsatz (05) ist vorgesehen, dass die Haltefläche (15) einen kleineren mittleren Haltradius (16) aufweist als der mittlere Stützradius (06) der Stützfläche (05). Dadurch wird die Erzielung höchster Belastungsfähigkeit der Haltverbindung ermöglicht. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Rotorbauteil (11) einen sich über den Umfang erstreckenden Durchbruch (12) aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rotor mit einer Rotorscheibe und einer Mehrzahl im Umfang an der Rotorscheibe befestigten Rotorbauteilen, wobei die Rotorscheibe eine zur Rotorachse weisende Stützfläche und das jeweilige Rotorbauteil eine zur Stützfläche komplementäre Haltefläche aufweist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Möglichkeiten zur Anbringung von Rotorbauteilen an Rotorscheiben bekannt. So zeigt beispielsweise die EP 1944471 B1 einen Rotor mit einer Rotorscheibe, an der an einer Stirnseite eine Mehrzahl von Dichtelementen angeordnet ist. Hierbei weist die Rotorscheibe im Umfang verteilt eine Mehrzahl Schaufelhaltenuten auf, welche zur Aufnahme von Laufschaufeln bestimmt sind. Zur Abdeckung der Schaufelhaltenuten auf einer Stirnseite der Rotorscheibe befinden sich dort die im Umfang verteilt angeordneten Dichtelemente. Die Dichtelemente stützen sich hierbei unter Einwirkung von Fliehkraft bei Rotation des Rotors unmittelbar am zur Rotorachse weisenden Ende der Dichtelemente an der Rotorscheibe ab. Hierzu weist die Rotorscheibe einen umlaufenden sich axial vor der Stirnseite erstreckenden Vorsprung auf, an dem jeweils ein sich am Dichtelement zur Rotorscheibe erstreckender Befestigungsabsatz abstützt. Hierbei wird nahezu zwingend eine zur Rotorachse weisende Stützfläche am Vorsprung der Rotorscheibe von einer um die Rotorachse rotierenden Rotationsfläche gebildet. Die an der Stützfläche anliegende Haltefläche des Befestigungsabsatzes wird grundsätzlich komplementär zur Stützfläche mit übereinstimmendem Radius ausgeführt.

[0003] Weitere analoge Ausführungen sind auch aus der EP 2344723 B1, der EP 2414641 B1, der EP 3077627 B1, der EP 3090135 B1, der EP 3129599, der EP 3129600, der EP 3167163 und der EP 3227532 bekannt, wobei weiterhin alternative Befestigungen an der Rotorscheibe in der der EP 2399004 B1, der EP 2426315 B1, der US 9109457 B2, der EP 3071795, der EP 3019706, der WO 2017174355 und der WO 2017174723 offenbart werden.

[0004] Wenngleich sich die Befestigung der Dichtelemente an der Rotorscheibe über die Anlage des Befestigungsabsatz es der Dichtelemente am Haltevorsprung an den Rotorscheiben bewährt hat, so treten bei Strömungsmaschinen mit hohen Leistungen Belastungen an dem Haltevorsprung und dem Befestigungsabsatz nahe den zulässigen Materialkennwerten auf.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befestigung von Rotorbauteilen an einer Rotorscheibe bei großen auftretenden Fliehkräften zu realisieren.

[0006] Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0007] Der gattungsgemäße Rotor dient insbesondere zur Verwendung bei einer Gasturbine. Die Ausführungsform kann jedoch ebenso bei anderen Arten von Rotoren, beispielsweise bei Dampfturbinen zum Einsatz kommen. Zumindest weist der Rotor zumindest eine Rotorscheibe auf, an der im Umfang verteilt eine Mehrzahl Rotorbauteile angeordnet sind.

[0008] Hierzu weist die Rotorscheibe in einer ersten Ausführungsform einen umlaufenden sich axial erstreckenden Befestigungsabsatz auf. In einer zweiten Ausführungsform weist die Rotorscheibe eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete Befestigungsabsätze auf, welche sich jeweils axial erstrecken. Dabei bildet der umlaufende Befestigungsabsatz bzw. dabei bilden die einzelnen im Umfang verteilt angeordneten Befestigungsabsätze auf der zur Rotorachse weisenden Seite eine Stützfläche. Bei der Stützfläche handelt es sich um eine um die Rotorachse umlaufende Rotationsfläche oder um einen Abschnitt einer entsprechenden Rotationsfläche. Die Stützfläche wiederum weist hierbei einen mittleren Stützradius auf.

[0009] Demgegenüber besitzen die Rotorbauteile jeweils einen sich in Umfangsrichtung und zur Rotorscheibe axial erstreckenden Halteabsatz, welcher auf der zur Rotorachse weisenden Seite unterhalb des Befestigungsabsatz des angeordnet ist. Dabei weist der Halteabsatz eine zur Stützfläche komplementäre Haltefläche auf. Analog zur Stützfläche stellt sich ebenso die Haltefläche als Abschnitt einer Rotationsfläche dar und weist einen mittleren Halteradius auf.

[0010] Bestimmungsgemäß können somit die im Rotorbauteil auftretenden Fliehkräfte zumindest anteilig über den Halteabsatz in der Anlage der Haltefläche an der Stützfläche auf den Befestigungsabsatz übertragen werden.

[0011] Zur Bestimmung des Stützradius sowie des Halteradius kann die axiale Überdeckung zwischen Haltefläche und Stützfläche herangezogen werden und hier ein integraler Mittelwert des jeweiligen Radius oder ein Mittelwert an der in axialer Richtung geometrischen Mitte bestimmt werden.

[0012] Während hingegen im Stand der Technik grundsätzlich die Haltefläche und die Stützfläche von einer übereinstimmenden Rotationsfläche gebildet werden und insofern der Halteradius und der Stützradius übereinstimmen wird erfindungsgemäß nunmehr der Halteradius kleiner als der Stützradius ausgeführt. Dabei hat es sich hinsichtlich der Erzielung höchster Belastungsfähigkeit gezeigt, dass ein Halteradius mit mindestens dem 0,99-fachen Stützradius und zugleich mit maximal dem 0,999-fachen Stützradius erfindungsgemäß von besonderem Vorteil gegenüber den bekannten Ausführungen aus dem Stand der Technik ist.

[0013] Die erfindungsgemäße Ausführungsform eignet sich in besonders vorteilhafter Weise bei einer Rotorscheibe, an der eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete Laufschaufeln angebracht werden können. Hierzu weist die Rotorscheibe im Umfang verteilt eine Mehrzahl die Rotorscheibe axial durchdringende Schaufelhaltenuten auf. Die Schaufelhaltenuten werden hierbei auf einer Stirnseite der Rotorscheibe durch die im Umfang verteilt angeordneten Rotorbauteile zumindest abschnittsweise abgedeckt.

[0014] Der besondere Vorteil der hohen Belastungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem Halteabsatz und dem Befestigungsabsatz kommt besonders zum Tragen, wenn das Rotorbauteil einen das Rotorbauteil axial durchdringenden Durchbruch aufweist, welcher hierbei ungefähr in Umfangsrichtung betrachtet in der Mitte des Rotorbauteils angeordnet ist. Dabei befindet sich der Durchbruch radial außerhalb der Lage der Haltefläche. Insbesondere bei einer derartigen Ausführungsform treten ungleichmäßige Verformungen in der Rotorscheibe und den Rotorbauteilen auf, denen durch die erfindungsgemäße Lösung entgegengewirkt wird.

[0015] Dabei ist es von Vorteil, wenn sich der Durchbruch in Umfangsrichtung über zumindest dem 0,25-fachen der Breite des Rotorbauteils in Umfangsrichtung erstreckt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn sich der Durchbruch über zumindest der 0,4-fachen Breite erstreckt. Demgegenüber sollte der Durchbruch nicht größer sein als die 0,75-fache Breite des Rotorbauteils in Umfangsrichtung. Besonders vorteilhaft ist es hierbei wieder, wenn sich der Durchbruch über maximal die 0,6-fache Breite des Rotorbauteils erstreckt.

[0016] Das Rotorbauteil kann unterschiedliche Gestalten aufweisen, wobei die Befestigungsart am Rotor vorteilhaft geeignet ist, wenn das Rotorbauteil eine im Wesentlichen flache sich in Umfangsrichtung und radial erstreckende Gestalt aufweist. Insofern treten im Rotorbauteil bei einwirkender Fliehkraft innerhalb des Rotorbauteils vorwiegend Zugspannungen und nur untergeordnete Biegespannungen auf. Beispielsweise sind die Zugspannungen in diesem Fall zumindest doppelt so groß wie die Biegespannungen.

[0017] Zur Befestigung des Rotorbauteils am Rotor über Abstützung der Fliehkräfte vom Halteabsatz auf den Befestigungsabsatz ist es weiterhin von Vorteil, wenn sich das Rotorbauteil gegenüberliegend zum Halteabsatz mit einem inneren, zur Rotorachse weisenden Randabschnitt am Rotor abstützen kann. Hierzu weist wahlweise die Rotorscheibe einen umlaufenden, von einer Stirnseite der Rotorscheibe bzw. vom Befestigungsabsatz axial beabstandeten Ringvorsprung auf. Jedoch kann auch vorgesehen sein, dass der entsprechende Ringvorsprung an einer zur Rotorscheibe benachbarten zweiten Rotorscheibe angeordnet ist. Zumindest bildet der entsprechende Ringvorsprung an der Rotorscheibe bzw. der zweiten Rotorscheibe eine zum Befestigungsabsatz weisende Anlagefläche auf, an der der innere Randabschnitt der Rotorbauteile zur Anlage kommt.

[0018] In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausführungsform für einen Rotor im Bereich der Verbindung zwischen Rotorbauteil und Rotorscheibe skizziert. Es zeigen:

Fig. 1

In der Fig. 1 wird im Längsschnitt abschnittsweise die Rotorscheibe sowie das daran befestigte Rotorbauteil skizziert;

Fig. 2

die Fig. 2 zeigt die Anordnung mit der Rotorscheibe und dem Rotorbauteil in einem Schnitt quer zur Rotorachse.

[0019] In der Fig. 1 wird schematisch in einem Längsschnitt durch die Rotorachse durch die Rotorscheibe 01 und das Rotorbauteil 11 im Bereich der Verbindung zwischen dem Rotorbauteil 11 und der Rotorscheibe 01 skizziert. Zu erkennen ist die Rotorscheibe 01 mit einer sich am radial äußeren Umfang befindlichen Schaufelhaltenut 02. Diese 02 ist bestimmt zur Aufnahme von Laufschaufeln (hier nicht dargestellt). Die Rotorscheibe 01 weist hierbei einen Befestigungsabsatz 04 auf, welcher 04 sich in Umfangsrichtung und in axialer Richtung erstreckt und auf der zur Rotorachse weisenden Seite eine Stützfläche 05 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird rein exemplarisch die Stützfläche 05 leicht geneigt und leicht ballig ausgeführt skizziert. In der Regel kann als einfache untaugliche Gestalt eine konische Form der Stützfläche gewählt werden. Weiterhin weist die Rotorscheibe 01 in axialer Richtung beabstandete vom Befestigungsabsatz 04 einen umlaufenden sich radial auswärts erstreckenden Ringvorsprung 07 auf. Insofern bildet sich in diesem Ausführungsbeispiel unterhalb des Befestigungsabsatzes 04 und hinter dem Ringvorsprung 07 eine umlaufende Nut

[0020] Weiter zu erkennen ist das Rotorbauteil 11, welches 11 an der Rotorscheibe 01 befestigt ist. Hierzu weist das Rotorbauteil 11 einen Halteabsatz 14 auf, welcher 14 sich ebenso in Umfangsrichtung und axial erstreckt. Analog bildet der Halteabsatz 14 eine Haltefläche 15, welche 15 auf der radial auswärts weisenden Seite angeordnet ist. Hierbei ist sind die Haltefläche 15 sowie die Stützfläche 05 komplementär zueinander aufgeführt. Der Halteabsatz 14 ist nahe dem zur Rotorachse weisenden Ende des Rotorbauteils 11 angeordnet, wobei sich am Ende auf der zur Rotorachse weisenden Seite ein innerer Randabschnitt 17 befindet. Dieser 17 liegt hierbei axial an dem Ringvorsprung 07 der Rotorscheibe 01 an. Bei entsprechenden Fliehkräften aufgrund der Rotation des Rotors führte die Abstützung des Rotorbauteils 11 über den Halteabsatz 14 mit der Haltefläche 15 auf die Stützfläche 05 des Befestigungsabsatzes 04 zu einem Moment im Rotorbauteil 11, welches über die Anlage des inneren Randabschnitts 17 am Ringvorsprung 07 abgestützt wird. Weiterhin weist das Rotorbauteil 11 einen in axialer Richtung das Rotorbauteil 11 durchdringenden Durchbruch 12 auf.

[0021] Von wesentlicher Bedeutung sind die Geometrien der Stützfläche 05 sowie der Haltefläche 15, wobei diese in axialer Richtung betrachtet über eine Auflagebreite 10 aneinander anliegen. Hierbei weist die Stützfläche 05 als Rotationsfläche um die Rotorachse einen mittleren Stützradius 06 auf. Dieser 06 ist hierbei angenommen als Radius in der Mitte der axialen Auflagebreite 10. Demgegenüber wird die Haltefläche 15 des Rotorbauteils 11 ebenso als Abschnitt einer Rotationsfläche ausgeführt und kann ebenso mit einem mittleren Halteradius 16 beschrieben werden. Der Halteradius 16 ist hierbei an gleicher axialer Position wie der Stützradius 06 bestimmt.

[0022] Hierzu skizziert die Fig. 2 nochmals die Anordnung mit der Rotorscheibe 01 und dem Rotorbauteil 11 in einem Schnitt quer zur Rotorachse durch den Befestigungsabsatz 04 und dem Halteabsatz 14, betrachtet in Richtung von der Rotorscheibe 01 wegweisend. Zu erkennen ist hierbei das Rotorbauteil 11 weiterhin mit dem inneren Randabschnitt 17, welcher 17 axial am Ringvorsprung 07 anliegt. Radial außerhalb des Halteabsatzes 14 befindet sich der Mitte in Umfangsrichtung betrachtet der Durchbruch 12, wobei entsprechend beidseitig des Durchbruchs 12 zwei Streben am Rotorbauteil verbleiben.

[0023] Wesentlich für die Erfindung ist nunmehr die Betrachtung der auf der zur Rotorachse weisenden Seite an dem Befestigungsabsatz 04 angeordneten Stützfläche 05 mit dem hier dargestellten mittleren Stützradius 06 in Verbindung mit dem Halteabsatz 14, welcher 14 radial auswärts weisend die Haltefläche 15 mit dem mittleren Halteradius 16 aufweist. Zu erkennen ist, dass hier vorgesehen ist, dass der Halteradius 16 einen geringeren Wert aufweist als es dem gegenüberliegenden entsprechenden Stützradius 06 entspricht.

[0024] Diese Gestalt mit der zunächst in Umfangsrichtung betrachtet nicht vollflächigen Anlage der Haltefläche 15 an der Stützfläche 05 führt bei hohen Fliehkräften aufgrund einer entsprechenden Rotation des Rotors zu einer Vergleichmäßigung der Auflagespannungen zwischen den beiden Flächen 05, 15.

Ansprüche

1. Rotor, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Rotorscheibe (01), welche (01) einen umlaufenden sich axial erstreckenden Befestigungsabsatz (04) mit einer zur Rotorachse weisenden Stützfläche (05) aufweist, oder welche eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete sich axial erstreckende Befestigungsabätze mit jeweils einer zur Rotorachse weisenden Stützfläche aufweist, wobei die Stützfläche (05) eine um die Rotorachse rotierende Rotationsfläche oder ein Abschnitt einer Rotationsfläche mit einem mittleren Stützradius (06) ist, und mit mehreren im Umfang verteilt angeordneten Rotorbauteilen (11), welche (11) jeweils einen sich in axialer Richtung erstreckenden Halteabsatz (14) mit einer zur Stützfläche (05) komplementären Haltefläche (15) aufweisen, welche (15) ein Abschnitt einer Rotationsfläche mit einem mittleren Halteradius (16) ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Halteradius (16) mindestens dem 0,99-fachen und maximal dem 0,999-fachen Stützradius (06) entspricht.

2. Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotorscheibe (01) eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete axial durchdringende Schaufelhaltenuten (02) aufweist und die Rotorbauteile (11) die Schaufelhaltenuten (02) auf einer Stirnseite der Rotorscheibe zumindest abschnittsweise abdecken.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rotorbauteil (11) radial außerhalb der Haltefläche (15) einen sich in axialer Richtung erstreckenden Durchbruch (12) aufweist.

4. Rotor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Durchbruch (12) in Umfangsrichtung über zumindest dem 0,25-fachen, insbesondere über zumindest dem 0,4-fachen, und/oder über maximal dem 0,75-fachen, insbesondere über maximal dem 0,6-fachen, der Breite des Rotorbauteils (11) in Umfangsrichtung erstreckt.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rotorbauteil (11) eine sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung und radial erstreckende flache Gestalt aufweist, wobei sich der Halteabsatz (14) in axialer Richtung ausgehend von der flachen Gestalt erstreckt und im zur Rotorachse weisenden Drittel der radialen Erstreckung des Rotorbauteils (11) angeordnet ist.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotorscheibe (01) und/oder eine zur Rotorscheibe (01) benachbarte zweite Rotorscheibe einen von der Stirnseite der Rotorscheibe (01) beabstandeten umlaufenden Ringvorsprung aufweist und dass das Rotorbauteil (11) auf der von der Haltefläche (15) zur Rotorachse weisenden Seite einen inneren Randabschnitt (17) aufweist, wobei sich der innere Randabschnitt (17) am Ringvorsprung (07) axial abstützt.

Zeichnung