Die Erfindung bezieht sich auf ein axial durchströmtes Laufschaufelgitter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Laufschaufelgitter nach der eingangs genannten Art haben sich in der Praxis bewährt, und zwar im Hinblick auf die Beherrschung der bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen und Fliehkräften zu erwartenden periphären Kraft- und Spannungsbeanspruchungen am Rotor sowie im Hinblick auf die Erzielbarkeit eines vergleichsweise geringen Radscheibengewichts.
Bei Verdichter- oder Turbinenschaufelkonzepten bzw. -gittern der genannten Art ist es schwierig, eine in Axialrichtung wirksame Fixierung der Schaufeln am Rotor bzw. an der Scheibe ohne vergleichsweise großen Montage- Bauaufwand erzielen zu wollen.
Eine zuvor erörterte Schaufelkonfiguration von mit Abstand oberhalb der Radscheibe bzw. des Radkranzes axial und in Umfangsrichtung gegenüber der Fußkontur vorstehenden Fußplatten ist aus der FR-PS 12 07 772 bekannt; dabei sollen die in die Axialnuten eingesetzten Laufschaufeln mittels fußseitig unten radial vorstehender Nase an betreffenden Radkranzstirnflächen, in einer Richtung axial fixiert, aufsitzen. Auf der von den Nasen abgewandten Seite sollen sich in Umfangrichtung erstreckende Abdichtbleche zwischen fußplattenseitig innen verlaufenden Nuten und radkranzseitig eingearbeiteten Umfangsnuten verankert sein. Der bekannte Fall sieht ferner eine mit der Radscheibe mitrotierende Deckscheibe vor, über die vom Verdichterende abgezweigte Kühlluft zum einen über die Schaufelfüße den betreffenden Schaufelblättern, zum anderen stirnseitig, entlang der Radscheibe radial nach innen strömend, zugeführt werden soll. Dabei zeigten die genannten Nasen folgende Nachteile: Zusätzlicher Herstellung- und Bearbeitungsaufwand der Schaufeln; durch Luftreibung mögliche Bauteiltemperaturerhöhung; baulich beengte Kühlluftzufuhr, wenn insbesondere die Schaufel-Kühlluft nutgrundseitig zugeführt werden soll; über die Nasen radial nach oben verhältnismäßig weit hinwegreichende Ausbildung der Deckscheibe, um für diese eine fußseitig glatte bzw. nicht unterbrochene Anlagefläche am Radkranz, stirnseitig, auszubilden, worin die Deckscheibe zugleich die in anderer axialer Richtung wirkende Schaufelsicherung ausbildet. Die zuvor erwähnten Dichtbleche führen zu erhöhtem Herstell- und Montageaufwand, zumal - wie vielfach üblich - sie noch zusätzlich in Umfangsrichtung verdrehsicher am Radkranz zu verankern sind, z. B. mittels Spanndrähten. Auch führen derartige Dichtbleche zu örtlichen Scheibengewichtserhöhungen und zusätzlichen Belastungen der Radscheibe nebst Schaufeln.
Die EP-A-068923, bzw. die US-A-4,527,952 der gleichen Patentfamilie (jeweils gattungsbildend für den einleitenden Teil des Patentanspruchs 1), behandelt in verschiedenen Ausführungsformen eine beiderseitige axiale Sicherung von mit ihren unteren schwalbenschwanzartigen Fußenden (Fig. 1 - 5) in angepaßte Axialnuten einzusetzenden Laufschaufeln; diese weisen sich über die gesamte axiale Schaufellänge sowie jweils beidseitig vom Schaufelblatt und einem sogenannten "Mittelschaft" oberhalb des Radkranzes (Scheibenhöcker) erstreckende Fußplatten (Fig. 4) in gegenseitiger Fliehkraftabstützung auf. Bei einer ersten Variante erfolgt die Schaufelsicherung mittels eines Verriegelungsgliedes, das in Anpassung an die Nutgeometrie dimensioniert bzw. bezüglich radialer Einbauhöhe gegenüber der Geometrie des Schaufelfußendes überdimensioniert ist; quermittig radial beweglich in der Nut (Fig. 1) des Schaufelfußes verankert, soll das Verriegelungsglied zusammen mit dem Fußende in die Axialnut einschiebbar sein; durch von der Nutgrundseite aus vorliegende Anhebung der Schaufel nebst Fuß durch einen Keil (Fig. 3) soll das Glied gleichzeitig in Aussparungen (Fig. 1) benachbarter Scheibenhöcker einrastbar sein; dabei können mit beiden Stirnseiten des Radkranzes verschraubbare Haltebleche (Fig. 4) zur axialen Keilsicherung bzw. Abdichtung vorgesehen werden. Ebenfalls unter Anwendung derartiger radialer Schaufelanhebung durch einen Keil sieht eine weitere Variante (Fig. 5) des bekannten Falles an beiden äußeren Stirnseiten des Fußendes befestigte Halteplatten vor; diese sind in die Axialnut axial einfahrbar dimensioniert und übergreifen korrespondierende Stirnflächen des Radkranzes (Höcker) nach mittels des Keiles erfolgter Raidalanhebung. Ferner ebenfalls mit radialer Schaufelanhebung durch nutgrundseitig eingefügten Keil arbeitend, sieht eine weitere Variante (Fig. 7) des bekannten Falles am Schaufelschaft - zwischen Fußende und Plattform - seitlich vorstehende Nasen an Absätzen vor; in einer vorgegebenen Position (Fig. 7 rechts) kann die Schaufel jweils beidseitig zwischen zwei axial aufeinander folgenden Zusatzhöckern, die auf den Scheibenhöckern angeordnet sind, axial erst dann gesichert werden, nachdem die Schaufel zuvor mit den Nasen durch angepaßte Axialschlitze der Zusatzhöcker hindurchgeschoben und dann die Schaufel am Fußende durch den Keil radial nach oben angehoben worden ist. Wesentliche Nachteile des bekannten Falles: Verhältnismäßig komplizierte Montage (Keil); Axiale Sicherung für Keil erforderlich; örtliche Fußschwächung, insbesondere bezüglich beweglichen Sicherungsgliedes (Fig. 2 und 3); örtlich verhältnismäßig geringe "Materialfleischeinbindung" in den Randkranz; Zusatzdichtvorkehrungen durch besondere Bauteile (Bleche - Fig. 4); aus Verschraubungen dieser Bleche sowie insbesondere aus der Variante mit sogenannten Haiteplatten (Fig. 6) resultierende Gefahr örtlich erhöhter Luft- bzw. Gasreibung, und damit Bauteiltemperaturerhöhung; fußseitige Behinderung einer Kühlluftzufuhr (Turbinenschaufeln), hier insbesondere jeweils durch Keilanordnung.
Die US-A-3,378,230 behandelt die Montage und Befestigung von mit Fußplatten ausgestatteten Laufschaufeln am Radkranz einer Radscheibe; dabei sind die Fußplatten (Fig. 1) unter Belassung stets axial offener Zwischenräume gegenüber der Radkranzoberfläche angeordnet; mit unteren schwalbenschwanzartigen Fußenden können die Schaufeln in entsprechend angepaßte, nutgrundseitig radial tiefer ausgesparte Axialnuten in axialer Richtung eingeschoben werden; eine radiale axiale fußseitige Schaufelbefestigung und -sicherung ist erst in einer radial angehobenen Schaufelstellung möglich über ein zwischen Nutgrund und unter Seite des Fußende eingeschobenes Sicherungsblech; das Sicherungsblech soll mittels radial nach oben gegen die Radkranzstirnflächen abgebogener Zungen verankert sein. Im bekannten Fall wird die axiale Sicherung der Laufschaufeln u. a. durch in Längsrichtung, seitlich außen auf die Fußenden aufgebrachte konkave (Fig. 6) oder konvexe (Fig. 1) Krümmungen mit entsprechend angepaßt gekrümmten Konturen an den betreffenden Gegenflächen der Axialnuten hervorgerufen. Vergleichsweise hoher Bau-, Montage- und Wartungsaufwand sind wesentliche Nachteile dies bekannten Falles. Die Anordnung des Sicherungsbleches steht einer am Nutgrund fußseitig unbehinderten Kühlluftzufuhr in die Schaufel entgegen; die an den Stirnseiten örtlich vorstehenden Zungen der Bleche können zu erhöhter Luft- bzw. Gasreibung mit daraus resultierenden Bauteilaufheizungen führen.
Die JP-A-226-202 kann gemäß vorliegendem Abstrakt so interpretiert werden, daß bei einer schalbenschwanzförmigen Fuß-Nut-Verankerung von Turbinenlaufschaufeln, als axiale Sicherung in einer Richtung, ein am unteren Fußende stufenförmig in das Radscheibenfleisch einrastender Absatz vorgesehen sein soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufschaufelgitter nach der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Laufschaufeln auf verhältnismäßig einfache Weise in einer Richtung an einer Radscheibe axial gesichert sind.
Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Es ergibt sich eine vergleichsweise einfache Montage der Laufschaufeln an der Radscheibe, d. h., die Schaufeln brauchen nur auf die Scheibe geschoben zu werden, ohne jegliche anderweitige Sicherungsvorkehrungen, die mit einem hohen Arbeits- und Bauteilaufwand verknüpft wären, vornehmen zu müssen.
Im Rahmen der angegebenen Lösung it es ferner vorteilhaft, daß keine zusätzlich vorstehenden Teile wie Nasenkanten, Ringe, Bandagen, Drähte oder dergleichen benötigt werden, die im paraktischen Betrieb den Luftwiderstand erhöhen und damit wiederum zu Leistungseinbußen führen könnten.
Das betreffende Längenmaß der jeweiligen Schaufelfüße läßt sich dabei ganz genau dem entsprechenden Längenmaß der Axialnuten bzw. Aussparungen in der Radscheibe zuordnen. Ferner entstehen keine örtlichen Bauteilabstufungen an der Radscheibe, zwischen den Scheibenhökkern und den Schaufelfüßen, die von einer stirnseitig an der Radscheibe zur Kühlluftführung vorgesehenen Deckscheibe örtlich zu überbrücken wären. In verbindung mit der Kühlluftzufuhr in die Schaufeln wird also eine optimale stirnseitige Abdichtung zwischen der Deckscheibe und der betreffenen Scheibengegenfläche erzielt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß eine genaue Bearbeitung der Fußwurzel der betreffenden Schaufeln oder der Scheibe nicht behindert wird.
Ferner ist es vorteilhaft, daß in keinem Fall eine Kühlluftzufuhr von unten durch die betreffenden Füße der Laufschaufeln behindert wird. Zusammen mit einer oder zwei Deckscheiben ist somit die Kühlluftzufuhr zu den Turbinenlaufschaufeln von unten durch den Fuß von einer oder beiden Seiten der Radscheibe unbehindert möglich.
Ferner ist es möglich, den betreffenden Übergangsbereich zwischen den Scheibenhöckern und den Schaufelfußplatten ohne besonderen zusätzlichen Aufwand optimal abzudichten. In diesem Bereich befindet sich also die später noch näher kenntlich gemachte Überlappung von Schleifkontur und Räumkontur. Die Abdichtstelle kann dabei verhältnismäßig beliebig positioniert werden, ohne die Montagerichtung ändern zu müssen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 9. Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:
Beispielhaft (Fig.1 bis 4) liegt ein axial durchströmtes Laufschaufelgitter einer Turbine, insbesondere eines Gasturbinenstrahltriebwerkes vor, bei dem die Laufschaufeln 1 mit ihren Füßen 2 an geometrisch darauf abgestimmten, untereinander beabstandete Scheibenhöcker 8 (Fig.2) belassenden Axialnuten 3 der Radscheibe (Fig. 3 und 4) gehaltert sind, wobei zwischen fußseitigen Abschnitten der Schaufeln 1 und der Radscheibe 4 Bauteilüberdeckungen N (Fig.1 und 4) als axiale Schaufelsicherung in einer Richtung ausgebildet sind. Dabei schließen die scheibenseitig verankerten Laufschaufeln 1 zwischen Schaufelfußplatten 5 und Radscheibenoberfläche sich in Achs- und Umfangsrichtung erstreckende Zwischenräume ein (Fig. 3 und 4), an denen die Bauteilüberdeckungen N jeweils zwischen einem radial hinteren Wandteil 6 einer Fußplatte 5 und nasenartigen, von der Radscheibenoberfläche aus radial in die Zwischenräume hineinragenden Stegen 7 einer Axialnut 3 benachbarter Scheibenhöcker 8 ausgebildet sind.
Dabei überschneiden sich die jeweils äußeren Umrißkonturen der Stege 7 (Fig.4) und des Wandteils in axialer Sicherungsposition gegenseitig, worin - wie zusätzlich durch Fig. 1 verdeutlicht - die Stegumrißkontur von den scheibenseitig nach außen geometrisch fortgesetzten Räumkonturen R benachbarter Axialnuten 3 und die Umrißkontur des Wandteils 6 aus den scheibenseitig nach außen geometrisch fortgesetzten Schleifkonturen S des betreffenden Schaufelfußes 2 gebildet sein kann.
Vorliegende Ausführungsbeispiele sehen übliche zweizähnige Verbundrotorschaufeln vor, ohne allerdings an eine derartige Fußgeometrie verbindlich gebunden zu sein. Mit anderen Worten kann die betreffende Fußgeometrie z.B. hammerkopfartig oder, wie in Fig. 1,3,5 usw. dargestellt, tannenzapfen- oder tannenbaumfußartig ausgebildet sein.
Damit die betreffenden Laufschaufeln 1 montierbar sind, kann ein Teil der betreffenden Scheibenhöcker 8 (Fig.2) im oberen bzw. äußeren Bereich - unter Ausbildung der Stege 7 - entsprechend abgearbeitet werden. Die genannte Abarbeitung kann beispielsweise durch Drehen erfolgen.
Im Prinzip kann aber auch die Radscheibe 4 (Fig.2) von vorherein im Sinne des notwendigen Sollmaßes hergestellt werden. D.h. , die betreffende Radscheibe 4 kann von vornherein beispielsweise elektrochemisch oder im Rahmen eines Drucksinterverfahrens im Rahmen des geforderten Sollmaßes bzw. der Vorkehrungen zur Ausbildung der Stege 7 hergestellt werden, wobei gegebenenfalls eine geeignete Oberflächennachbearbeitung auf das erforderliche Sollmaß erfolgen kann im Wege spanender bzw. schleifender Nachbearbeitung.
Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, wachsen also praktisch die genannten Stege aus der Radscheibe heraus, so daß sie sich hier am stromabwärtigen Ende der betreffenden Scheibenhöcker 8 zwischen den Umfangsnuten 3 erstrecken.
Insbesondere aus Fig. 2 erkennt man ferner, daß die betreffenden Stege 7 nasenartig ausgebildet sind und sich jeweils parallel zu den Scheibenstirnflächen an den Nasenhöckern 8 erstrecken.
Wie insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich, können die radialen Wandteile der betreffenden Laufschaufeln 1, also beispielsweise der hier hintere radiale Wandteil 6 an der Fußplatte 5, mit räumlich nach innen eingezogenen Ausnehmungen 9 ausgestattet sein, um die betreffenden Gegenabschnitte der Stege 7 an der Radscheibe 4 aufzunehmen.
Wie ferner aus den Fig. 3,5 und 6 insbesondere ersichtlich ist, weist jede Turbinenlaufschaufel 1 mindestens zwei axial beabstandete radiale, sich über die gesamte Breite einer Fußplatte 5 erstreckende vordere und hintere Wandteile 6' bzw. 6 auf; wie aus Fig. 3 ersichtlich, bildet also die Laufschaufel 1 über das hintere Wandteil 6, beidseitig die Radscheibenoberfläche in Umfangsrichtung überkragende Anschlagflächen gegen die betreffenden Stege 7 an der Radscheibe 4 aus. Die damit einhergehenden Bauteilüberdeckungen N (Fig. 4) können verhältnismäßig klein sein; sie sind abhängig von der Summe der Toleranzen an den betreffenden gegenseitigen Anlagestellen, der Fliehkraft und der Thermodehnungen der Schaufel, der Durchbiegung des betreffenden Steges 7 an der Radscheibe 4 durch Axialkräfte sowie ferner abhängig von der Flächenpressung zwischen dem betreffenden Steg 7 und der Laufschaufel 1.
Aus Fig. 3, Fig. 5 wie Fig. 6 ist ferner entnehmbar, daß das jeweils vordere und hintere Ende der Fußplatte 5 jeder Laufschaufel 1 die betreffenden radialen Wandteile 6,6' in axialer Richtung dachförmig überragt.
Gemäß Fig. 7 und 8 erstrecken sich die zuvor genannten Stege 7 an der Radscheibe 4 hier im mittleren Umfangsbereich entlang der Oberflächen der betreffenden Scheibenhöcker 8. Im Zusammenhang mit dieser Konfiguration der Stege 7 ist also eine Schaufelausführung darstellbar, die am stromabwärtigen Ende einen vergleichsweise großen axial auskragenden dachförmigen Überhang mit der Fußplatte 5 ausbildet. Dementsprechend ergibt sich ein vergleichsweise schmaler umfangsseitiger Kanalabschnitt zwischen den beiden radialen Wandteilen 6 und 6', und zwar örtlich oberhalb der von den Höckern 8 ausgebildeten Radscheibenoberfläche.
Fig. 9 veranschaulicht ein gekühltes Hochdrucklaufschaufelkonzept. Dabei ist der Radscheibe 4 eine stirnseitig mitrotierende Deckscheibe 10 zugeordnet, welche die im Sinne der Fig. 2 bis 6 in der Radscheibe 4 an den Stegen 7 aufsitzenden, zu kühlenden Laufschaufeln 1' auch in der axial entgegengesetzten Richtung fixieren soll. MIt dem äußeren Bauteilabschnitt 10' sitzt also die Deckscheibe 10 stirnseitig an den betreffenden Gegenflächen der radialen Wandteile 6', den Scheibenhökkern 8 (Fig.2) und den Schaufelfüßen 2 einwandfrei auf.
Gemäß Fig. 9 bildet die Deckscheibe 10 entlang der Radscheibe 4 eine Kühlluftkammer 11 aus, die von den betrefffenden Schaufelfußseiten aus über geeignete Kühlmittelleitungen 12,13 (Kühlluftfluß von F nach F') an die zu kühlenden Laufschaufeln 1' des Laufgitters angeschlossen ist. Dabei wird also die Kammer 11 mittels z.B. am Hochdruckverdichterende entnommener Luft beaufschlagt, die über das Hohlwellensystem des Hochdruckverdichters zugeführt wird; es können hier-bei zwischen jeweiliger Fußplatte 5 sowie einem vorderen und hinteren Wandteil 6',6 und der Radscheibenoberfläche eingeschlossene Zwischenräume zur Kühlluftführung in die Laufschaufeln 1' (Schaufelblätter) ausgebildet sein.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Bauteile weicht das Beispiel nach Fig. 11 bis 14 von demjenigen nach Fig. 2 bis 6 dadurch ab, daß am rückwärtigen Ende der Turbinenlaufschaufel 1, im Bereich des hinteren Wandteils 6 sowie zwischen örtlichem Ende der Fußplatte 5 und Fuß 2, eine verhältnismäßig großflächige Ausnehmung 12 ausgebildet ist, in die die Stege 7 örtlich hineinragen (Fig. 13).
Es ist durchaus möglich, entgegen der bisher gezeigten Einschubrichtung der Laufschaufeln - von links nach rechts - die Schaufeln in umgekehrter Richtung am Rotor bzw. an der Radscheibe 4 in Axialrichtung festzulegen.
Anstelle gezeigter Deckscheiben gemäß Fig. 9 können auch anderweitige zusätzliche scheibenförmige Sicherungselemente (mitrotierend) vorgesehen werden, die nicht mit einer gemäß Fig. 9 beispielhaft gewählten Kühlmittelführung im Zusammenhang stehen müssen.
Im Hinblick auf z.B. gekühlte Laufschaufeln 1' verdeutlichen die Fig. 15 und 16 nochmals eine Variante, beispielsweise in Form rückwärtigen Eingriffs der Stege 7 in betreffende Ausnehmungen 9 (siehe auch Fig. 6) wobei die betreffenden hinteren radialen Wandteile 6 satt an den Stegen 7 anliegen. Aus Fig. 16 ist ferner erkennbar, daß die Schaufelfußnuten 3 jeweils unter gleichen Winkeln gegenüber der betreffenden Scheibenachse geneigt angeordnet sind. Derartig geneigt bzw. schräg angeordnete Nuten 3 sind bei sämtlichen vorhergehenden Ausführungsformen beispielhaft zugrunde gelegt. Die Axial- bzw. Fußnuten könnten selbstverständlich auch Achsparallel angeordnet sein.
Vorteilhaft können ferner beispielhaft genannte Laufgittervarianten so ausgebildet sein, daß die Bauteilüberdeckungen N eine örtliche Sekundärstromdichtung gegenüber der Luftströmung im Verdichterkanal (Verdichterlaufschaufeln) bzw. gegenüber der Heißgasströmung in Turbinenkanal (Turbinenlaufschaufeln) ausbilden.
Hierzu können korrespondierende Abschnitte der Bauteilüberdeckungen mit z.B. durch Flamm- oder Plasmaspritzen erzeugten Dichtmaterialien ausgekleidet sein.
Insbesondere im Wege des Beispiels nach Fig. 9 können die Bauteilüberdeckungen N eine örtliche Kühlluftabsperrdichtung gegenüber der Heißgasströmung in der Turbine ausbilden.