MEHRTEILIGER BESCHAUFELTER ROTOR FÜR EINE STRÖMUNGSMASCHINE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen beschaufelten Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Glas- oder Dampfturbine oder einen Axialverdichter, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Strömungsmaschine mit einem solchen Rotor.

[0002] Beschaufelte Rotoren, wie sie beispielsweise als Kompressorrotor im Kompressorbereich eines Gasturbinenrotores eingesetzt werden, sind häufig mehrteilig aus einzelnen, miteinander verbundenen Scheiben aufgebaut, wobei für jede Stufe des Verdichters eine eigene Scheibe vorgesehen oder mehrere, je eine Stufe bildende Schaufelreihen auf einer Scheibe, einer sogenannten Multidisk, angeordnet sein können.
Im Stand der Technik bekannt ist die GB 723 549 A bekannt, offenbart wird ein mehrteilig beschaufelter Rotor für eine Strömungsmaschine, bestehend aus mehreren, über eine Verzahnung drehfest miteinander verbundenen, scheibenartigen Elementen, wobei die Verzahnung im mittleren und die Aufnahme der Schaufelfüße im äußeren Rotorbereich erfolgt. Aufgrund der konstruktiven Trennung der Schaufelfußbefestigung von der verzahnenden Rotorbefestigung, ist es erforderlich die Schaufelfüße über gesonderte Befestigungselemente an den Rotor anzubringen.
Weiter ist im Stand der Technik die GB 622 626 A bekannt, offenbart ist dort eine beschaufelte Turbinenscheibe, wobei die Schaufeln mit der Turbinenscheibe über Zähne in Verbindung stehen. Ob und ggf. wie die Elemente der Turbinenscheibe gemeinsam mit den Schaufeln befestigt werden ist nicht offenbart.
Mehrteilige beschaufelte Rotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind beispielsweise auch aus der EP 1 728 973 A1 oder der OE-OS 26 43 886 bekannt,
in der die einzelnen Scheiben über Zuganker axial zusammengespannt und mittels Hirth-Verzahnungen, die axial zwischen den Schaufelreihen ausgebildet sind, zueinander zentriert und aneinander drehfestgelegt werden.

[0003] Eine solche Stirnverzahnung wird aus mechanischen Gründen und zur Vermeidung von Störungen der Strömung üblicherweise auf einem Durchmesser angeordnet, der kleiner als der Außendurchmesser des Rotors ist. Zur Herstellung einer solchen radial innen liegenden Stirnverzahnung muss dann ein Freiraum für den Werkzeugauslauf vorgesehen werden. Dies erhöht nachteilig den Material-Fertigungs- und Montageaufwand, da dieser Freiraum beim Zusammenbau des Rotors mit einem entsprechenden Füllstück verschlossen werden muss, um eine Störung der Strömung zu verhindern.

[0004] Fig. 2 zeigt hierzu im Teilquerschnitt die Trennebene 7a eines mehrteiligen Rotors nach dem Stand der Technik, in der eine Stirnverzahnung 3a auf einem Durchmesser angeordnet ist, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Rotors. Zur Herstellung der Stirnzähne ist ein Freiraum 10a für den Werkzeugauslauf vorgesehen, der mit einem Füllstück 11 verschlossen ist.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Rotor für eine Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen, bei der die formschlüssige Befestigung der Rotorteile mit der formschlüssigen Befestigung der Schaufelfüße funktionell zusammenwirkt.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale weitergebildet. Anspruch 13 stellt eine Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor, die Unteransprüche bevorzugte Weiterbildungen unter Schutz.

[0007] Neben einstückig mit den Scheiben ausgebildeten Laufschaufeln ist es bekannt, 10 Laufschaufeln an den Scheiben lösbar zu befestigen, indem ein Schaufelfuß der entsprechenden Laufschaufel in einer entsprechend geformte Nut in Axial- oder Umfangsrichtung des Rotors, die hierzu bevorzugt eine oder mehrere Hinterschneidungen aufweist, in radialer Richtung form schlüssig festgelegt wird. Fig. 2 zeigt hierzu eine Laufschaufel 8, deren Schaufetfuß in eine Axialnut eingeführt ist, 15 sowie eine Laufschaufel 9, deren Schaufelfuß in einer Umfangsnut gehaltert ist, In einer Einschubrichtung in die Nut kann der Schaufelfuß durch Zwischen- oder Verschlussstücke oder angrenzende Schaufelfüße gesichert werden, die beispielsweise verkeilt oder verschraubt werden.

[0008] Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Trennebene wenigstens zweier Scheiben in eine solche Nut zu verlegen, die zur Aufnahme eines Schaufelfußes einer Laufschaufel vorgesehen ist. Somit wird ein für den Werkzeugauslauf erforderlicher Freiraum durch die Laufschaufelfüße der entsprechenden Stufe mit verschlossen.

[0009] Hierzu weist ein mehrteiliger beschaufelter Rotor nach der vorliegenden Erfindung für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gas- oder Dampfturbine oder einen Axialverdichter, zwei oder mehr Scheiben auf, deren einander zugewandten Stirnseiten in einer Trennebene drehtest miteinander verbindbar sind, wobei in dieser Trennebene eine Nut ausgebildet, die einen oder mehrere Laufschaufelfüße aufnimmt.

[0010] Hierdurch können vorteilhaft Kosten aufgrund der Herstellung und Montage der Füllstücke entfallen. Zugleich kann vorteilhafterweise eine Schwächung der Struktur des Rotors, insbesondere eine Unterbrechung des Kraftflusses im Rotor, aber auch eine Störung der Strömung durch einen zusätzlichen Freiraum neben der zur Aufnahme der Schaufelfüße ohnehin erforderlichen Nut vermieden werden. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass die Fertigung, insbesondere eine spanende Fertigung, und eine Kontrolle der durch die Trennebene insoweit axial teilbar ausgebildeten Nut erleichtert wird.

[0011] Die beiden Scheiben können lösbar, insbesondere formschlüssig, drehfest miteinander verbunden werden. Hierzu ist in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung in der Trennebene eine Stirnverzahnung, insbesondere eine Hirth-Verzahnung oder eine Gleason-Verzahnung ausgebildet. Die wenigstens zwei Scheiben können dann durch einen oder mehrere Zuganker axial miteinander verbunden werden. In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Scheiben auch in der Trennebene unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt werden. Seide Formen können auch miteinander kombiniert sein, 15 indem eine Scheibe mit einer benachbarten Scheibe lösbar, insbesondere über eine Stirnverzahnung, mit einer gegenüberliegenden benachbarten Scheibe unlösbar verbunden, insbesondere verschweißt ist.

[0012] Als Scheibe werden vorliegend insbesondere rotationssymmetrische Abschnitte des Rotors bezeichnet.

[0013] Nuten für Schaufelfüße können sich in axialer Richtung des Rotors erstrecken, wie dies beispielsweise aus der DE-OS-1 182474 bekannt ist In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn jeder Zahngrund einer Stirnverzahnung in einer solchen axialen Nut endet, die damit den erforderlichen Werkzeugauslauf ermöglicht. Bevorzugt ist die Nut jedoch eine im Umfangsrichtung des Rotors verlaufende Nut zur Aufnahme mehrerer, über den Umfang verteilter Schaufelfüße. Hierzu kann die Nut einen Tannenbaumquerschnitt aufweisen. Ein Tannenbaumquerschnitt ist im Sinne der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass er in radialer Richtung eine oder mehrere Hinterschneidungen aufweist, die von entsprechenden Vorsprüngen des Schaufelfußes hintergriffen werden können und diesen so in radialer Richtung 30 formschlüssig festlegen.
In einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich eine Stirnverzahnung radial in einen Nutgrund der Nut. Das heißt, die Stirnverzahnung ist radial innerhalb der am
Au Ben umfang ausgebildeten Nut auf einem Durchmesser angeordnet, der kleiner als der Außendurchmesser des Rotors ist.

[0014] Vorteilhafterweise können die Schaufelfüße vor dem Verbinden der beiden Scheiben zwischen den beiden durch die Trennebene voneinander getrennten Nuthälften angeordnet werden , so dass sie bei verbundenen Scheiben Hinterschneidungen der dann geschlossenen Nut hintergreifen. In diesem Fall ist keine Einführweiche in die umlaufende Nut erforderlich, wie sie bei Nuten, die in einstückigen Scheiben ausgebildet sind, zum Einschieben der Schaufelfüße vorgesehen sind. In einer bevorzugten Ausführung kann die Nut daher einen im Umfangsrichtung des Rotors im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.

[0015] Die Trennebene kann axial an beliebiger Stelle der Nut ausgebildet sein. Bevorzugt verläuft sie im Wesentlichen durch den Flächenmittelpunkt eines Nutquerschnittes, so dass sich der Schaufelfuß in beiden Scheiben etwa gleich stark abstützt. Insbesondere kann die Nut im Wesentlichen symmetrisch zur Trennebene 15 ausgebildet sein. Dabei wird unter Symmetrie vorliegend nicht nur eine mathematische Symmetrie verstanden, bei der die Kontur der einen Scheibe in einem Axialschnitt der Komplementärkontur der anderen Scheibe entspricht, sondern auch eine funktionelle Symmetrie, beispielsweise die Ausbildung einander entsprechender Hinterschneidungen, die jedoch insbesondere in radialer Richtung relativ zur anderen Scheibe versetzt sein können. Dies ist besonders bei Gasturbinenkompressorrotoren von Vorteil, bei denen der Außenradius der Rotornabe im Allgemeinen in Strömungsrichtung zunimmt, um dem zunehmend verdichteten Fluid Rechnung zu tragen.

[0016] Auf einer oder beiden Scheiben können parallel zu der Trennebene eine oder 25 mehrere weitere Schaufelreihe vorgesehen sein, so dass eine solche Scheibe mehrere Stufen der Strömungsmaschine bildet. Solche weitere Schaufelreihen können ebenfalls formschlüssig durch in weiteren Nuten gehaltene Schaufelfüße befestigbar oder integral mit der Scheibe ausgebildet, i. e. mit dieser urgeformt oder unlösbar verbunden, beispielsweise verschweißt oder aufgenietet sein. Auch 30 eine Kombination ist möglich, bei der eine oder beide Scheiben sowohl in Nuten gehaltene als auch integral mit der Scheibe ausgebildete Schaufeln aufweisen.
In einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine mit einem mehrteiligen beschaufelten Rotor können zwei oder mehr Scheiben jeweils in einer Trennebene drehfest miteinander verbunden sein, in der eine Nut zur Aufnahme eines oder mehrerer Schaufelfüße ausgebildet ist.

[0017] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

Fig. 1

eine Gasturbine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im axialen Halbschnitt;

Fig. 2

zwei Laufschaufeln auf miteinander in einer Trennebene verbunden Scheiben eines Rotors nach dem Stand der Technik in einem axialen Teilschnitt; und

Fig. 3

in Fig. 2 entsprechender Darstellung teilweise zwei in einer Trennebene verbunden Scheiben eines Rotors nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

[0018] Fig. 1 zeigt im axialen Halbschnitt die obere Hälfte einer Gasturbine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Ein Kompressorrotor 1 der Gasturbine ist als Rotor bzw. Läufer in Scheibenbauweise ausgeführt, wobei jede Scheibe 2 als sogenannte Multidisk mehrere axial hintereinander angeordnete Reihen von über 20 den Umfang verteilten Laufschaufeln 5 trägt, deren Schaufelfüße hierzu in entsprechende Nuten 6 in Umfangsrichtung des Rotors 1 gehaltert sind. Die Nuten 6 verfügen über Montageöffnungen, die ein Einsetzen der Schaufeln ermöglichen (nicht dargestellt).

[0019] Die Scheiben 2 sind zueinander mittels Hirth-Stirnverzahnungen 3 oder Gleason-Verzahnungen positioniert und werden über Schrauben bzw. Zuganker 4 zu einem Läuferverbund verspannt.

[0020] Bei einem Rotor nach dem Stand der Technik, wie er ausschnittsweise in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Trennebenen in der Multidisks zwischen Nuten zweier benachbarter Schaufelreihen 8 und 9 angeordnet. Da die Hirth-Stirnverzahnung 3a auf einem Durchmesser angeordnet ist, der kleiner als der Außendurchmesser der Kompressorscheiben ist, muss für den Herstellungsprozess der Verzahnung 3a ein entsprechender Freiraum 10a für den Auslauf des Werkzeugs vorgesehen werden. Dieser Freiraum 10a muss beim Zusammenbau des Läufers mit entsprechenden Füllstücken 11 verschlossen werden, um eine durchgehende Nabenkontur und somit einen kontinuierlichen Verlauf der inneren Wand 12 des Strömungskanals 13 der Gasturbine zu gewährleisten.

[0021] Bei einem in Fig. 3 dargestellten Rotor nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie er beispielsweise in der Gasturbine gem. Fig. 1 verwendet werden kann, ist die Trennebene 7 benachbarter Multidisks in die Symmetrieebene einer Nut 10 zur Aufnahme von Schaufelfüßen 14 von Laufschaufeln 5 gelegt. Die Hirth-Stirnverzahnung 3 ist radial unterhalb dieser derart axial geteilten Nut 10 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Nut 10 zugleich als Freiraum für den Auslauf des Werkzeugs zur Herstellung der Hirth-Stirnverzahnung 3 verwendet werden kann.

[0022] Die Nut 10 wird beim Zusammenbau des Rotors durch die Füße 14 der Kompressorlaufschaufeln 5 der entsprechenden Stufe verschlossen.

[0023] Diese Anordnung hat den Vorteil, dass auf das zusätzliche Füllstück 11 verzichtet werden kann. Weiterhin wird die Fertigung und Kontrolle der Oberflächen 15 in der axial geteilten Nut 10 erleichtert.

[0024] In einer nicht dargestellten weiteren Ausführung sind die Schaufeln der Stufen 20 zwischen den Trennebenen als Integralbauteil der Scheiben ("Bladed Disc" BLISK) ausgebildet.

Bezugszeichen liste

[0025] 

1

Kompressorrotor

2

Scheibe

3,3a

Hirth-Stirnverzahnung

4

Zuganker

5

Laufschaufel

6

Nut

7, 7a

Trennebene

8,9

Schaufelreihen

10

Nut

10a

Freiraum

11

Füllstück

12

inneren Wand

13

Strömungskanal

14

Schaufelfuß

15

Oberflächen

Ansprüche

1. Mehrteiliger beschaufelter Rotor (1) für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gas- oder Dampfturbine oder einen Axialverdichter, mit wenigstens zwei Scheiben (2), deren einander zugewandten Stirnseiten in einer Trennebene (7) formschlüssig sowie drehfest miteinander verbindbar sind, dass in der Trennebene eine Nut (10) zur Aufnahme eines Schaufelfußes (14) wenigstens einer Laufschaufel ausgebildet ist, dass in der Trennebene eine Stirnverzahnung (3) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Stirnverzahnung (3) sowohl die formschlüssige Verbindung der Scheiben (2) untereinander als auch der Scheiben (2) mit dem Schaufelfuß (14) wenigstens einer Laufschaufel erfolgt.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnung (3) sich radial in einen Nutgrund der Nut (10) erstreckt,

3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene im Wesentlichen durch den Flächenmittelpunkt eines Nutquerschnittes verläuft.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut im Wesentlichen symmetrisch zur Trennebene ausgebildet ist.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen Tannenbaumquerschnitt aufweist.

6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut eine in Umfangsrichtung des Rotors verlaufende Nut zur Aufnahme mehrerer, über den Umfang verteilter Schaufelfüße ist.

7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen im Umfangsrichtung des Rotors im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.

8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer der beiden Scheiben parallel zu der Trennebene wenigstens eine weitere Schaufelreihe vorgesehen ist.

9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schaufelreihe formschlüssig durch in einer weiteren Nut gehaltene Schaufelfüße befestigbar ist.

10. Rotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schaufelreihe integral mit der Scheibe ausgebildet ist.

11. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Scheiben durch einen Zuganker (4) axial miteinander verbindbar sind.

12. Strömungsmaschine, insbesondere Gas- oder Dampfturbine oder Axialverdichter, mit einem mehrteiligen beschaufelten Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Claims

1. A multi-part bladed rotor (1) for a fluid flow machine, in particular a gas or steam turbine or an axial compressor, with at least two discs (2), the end faces of which facing one another are positively and rotationally connectable in a fixed manner to one another in a separating plane (7), that in the separating plane a groove (10) for receiving a blade root (14) of at least one moving blade is formed, that in the separating plane face splines (3) are formed, characterized in that both the positive interconnection of the discs (2) and also the connection of the discs (2) to the blade root (14) of at least one moving blade takes place by way of the face splines (3).

2. The rotor according to Claim 1, characterized in that the face splines (3) radially extend into a groove base of the groove (10).

3. The rotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the separating plane substantially runs through the area centre point of a groove cross section.

4. The rotor according to Claim 3, characterized in that the groove is substantially formed symmetrically with respect to the separating plane.

5. The rotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the groove has a Christmas tree cross section.

6. The rotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the groove is a groove running in circumferential direction of the rotor for receiving multiple blade roots distributed over the circumference.

7. The rotor according to Claim 6, characterized in that the groove has a cross section that is substantially constant in the circumferential direction of the rotor.

8. The rotor according to any one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the two discs parallel to the separating plane at least one further blade row is provided.

9. The rotor according to Claim 8, characterized in that a further blade row can be positively fastened through blade roots held in a further groove.

10. The rotor according to Claim 8 or 9, characterized in that a further blade row is integrally formed with the disc.

11. The rotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least two discs can be axially connected to one another by way of a tensile anchor (4).

12. A fluid flow machine, in particular gas or steam turbine or axial compressor, with a multi-part bladed rotor according to any one of the preceding claims.

Revendications

1. Rotor à aubes en plusieurs parties (1) pour une turbomachine, notamment une turbine à gaz ou à vapeur ou un compacteur axial, comportant au moins deux disques (2) n dont les côtés frontaux tournés l'un vers l'autre peuvent être reliés dabs un plan de séparation (7) par conjonction de forme ou de manière solidaire en rotation, en ce que dans le plan de séparation une rainure (10) pour recevoir un pied d'aube (14) d'au moins une aube directrice est réalisée, en ce que dans le plan de séparation une denture frontale (3) est réalisée, caractérisé en ce que par l'intermédiaire de la denture frontale (3) tant la liaison par conjonction de forme des disques (2) l'un sous l'autre que des disques (2) avec le pied d'aube (14) d'au moins une aube directrice a lieu.

2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la denture frontale (3) s'étend radialement dans un fond de rainure de la rainure (10).

3. Rotor selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan de séparation s'étend essentiellement à travers le point central de surface d'une section transversale de rainure.

4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la rainure est réalisée essentiellement symétriquement au plan de séparation.

5. Rotor selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rainure présente une section transversale en forme de sapin.

6. Rotor selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rainure est une rainure s'étendant dans la direction circonférentielle du - rotor pour recevoir plusieurs pieds d'aube, répartis sur la circonférence.

7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que la rainure présente une section transversale essentiellement constante dans la direction circonférentielle du rotor.

8. Rotor selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur au moins un des deux disques parallèlement au plan de séparation au moins une rangée d'aubes supplémentaire est prévue.

9. Rotor selon la revendication 8, caractérisé en ce que une rangée d'aubes supplémentaire peut être fixée par conjonction de forme par l'intermédiaire d'un pied d'aube maintenu dans une rainure supplémentaire.

10. Rotor selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que une rangée d'aubes supplémentaire est réalisée en un seul tenant avec le disque.

11. Rotor selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins au moins deux disques peuvent être reliés axialement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une ancre de traction (4).

12. Turbomachine, notamment turbine à gaz ou à vapeur ou compacteur axial, comportant un rotor à aubes en plusieurs aubes selon une des revendications précédentes.

Zeichnung