[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere Blisk einer Gasturbine,
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen desselben gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch 8.
[0002] Bei einer Blisk (
Blade Integrated Disk) sind Rotorschaufeln und eine Rotorscheibe einstückig zusammengesetzt. Blisken finden
insbesondere bei Gasturbinen und Triebwerksturbinen Verwendung. Blisken sind üblicherweise
aus Schmiedewerkstoffen hergestellt, die thermisch nur begrenzt belastbar sind. Bei
derartigen Triebwerksturbinen ist eine erhöhte Hochdruckverdichteraustrittstemperatur
daher eine Herausforderung für eine Blisk. Gleichzeitig sollen durch die Bliskbauweise
das Gewicht und der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert werden. Um die thermomechanische
Ermüdung der hinteren Rotorstufe trotz der erhöhten Temperaturen konstant zu halten,
soll Kühlluft im Bereich des hinteren Konus eingeblasen werden und auch die letzte
Rotorstufe umspülen bzw. die Kavität unter der letzten Leitschaufel kühlen. Dies ist
bei einer herkömmlichen Bliskbauweise nicht möglich.
[0003] Bei Triebwerken mit Kühllufteinblasung und hohen Verdichteraustrittstemperaturen
wird in der letzten Hochdruckverdichterstufe eine Axial- oder Umfangsnut verwendet,
um einerseits durch den Nutgrund Kühlluft in den Scheibenbereich und zu der davorliegenden
Verdichterstufe zu leiten, und um andererseits im Bereich von hohen Wärmeübergängen
vom Ringraum zum Schaufelgrund eine in Umfangsrichtung aufgelöste Struktur zu erhalten,
um damit bei Lastwechseln hohe Schwankungen zwischen Zug- und Druckspannungen zu reduzieren.
Zum Beispiel offenbart
DE 10 2009 021 384 A1 eine Gasturbine, bei der ein Kühlluftstrom in Kavitäten eingebracht wird.
[0004] US 8 727 695 B2 offenbart einen Rotor mit einem beschaufelten Rotorring. Angrenzend an dem Rotorring
ist ein Abstandshalter angeordnet, an dessen äußerer Umfangsfläche mehrere Nuten ausgebildet
sind.
[0005] WO 2015 092 306 A1 offenbart einen Rotor mit einem beschaufelten Rotorring, wobei mehrere Rippen an
einer äußeren Umfangsfläche des Rotorrings zwischen Rotorschaufeln vorgesehen sind.
[0006] DE 10 2006 061 448 B4 offenbart eine Blisk mit einer Rotorscheibe und integrierten Rotorschaufeln. In der
Rotorscheibe befinden sich rechteckige Ausnehmungen, die durch Funkenerosion ausgebildet
werden.
[0007] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor, insbesondere eine Blisk,
und dessen Herstellungsverfahren zu verbessern.
[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch
ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0009] Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Rotor, insbesondere eine Blisk
einer Gasturbine vorgesehen, der eine Rotorscheibe oder einen Rotorring und Rotorschaufel
hat, die an einem Umfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings angeordnet sind. In
einer Umfangsfläche der Rotorscheibe oder des Rotorrings ist wenigstens zwischen zwei
Rotorschaufeln ein Radialschlitz vorgesehen, der in einer abgerundeten Aussparung
mündet, die zwischen axialen Endseiten der Rotorscheibe oder des Rotorrings verläuft.
[0010] In vorteilhafter Weise kann durch den Rotor mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration
bei gleichem Kreisprozess d.h. zum Beispiel bei gleichem Verdichterdruckverhältnis
OPR (
Overall Pressure Ratio) oder bei gleicher Verdichteraustrittstemperatur seine Lebensdauer durch Kühlung
und Spannungsreduzierung erhöht werden, oder es kann die Drehzahl zur Wirkungsgradsteigerung
des Verdichters erhöht werden. Es kann auch das Verdichterdruckverhältnis OPR oder
die Verdichteraustrittstemperatur erhöht werden, um den Kreisprozess des Triebwerkes
zu verbessern.
[0011] Vorzugsweise ist die abgerundete Aussparung wenigstens im Wesentlichen kantenfrei,
insbesondere rund oder elliptisch, ausgebildet, um die Spannungsspitzen in Umfangsrichtung
und die Kerbwirkung zu minimieren.
[0012] Vorzugsweise sind die Rotorschaufeln in ihrem Schaufelgrund bezüglich einer Rotorachse
in einem ersten Winkel geneigt, und der Radialschlitz hat in der Umfangsfläche der
Rotorscheibe oder des Rotorrings einen zweiten Winkel bezüglich der Rotorachse, der
kleiner ist als der erste Winkel. Dadurch kann vermieden werden, dass sich der Radialschlitz
mit dem Schaufelgrund überschneidet.
[0013] Vorzugsweise verkleinert sich der Winkel des Radialschlitzes bezüglich der Rotorachse
beim Annähern an die Aussparung. Insbesondere kann der Winkel des Radialschlitzes
bezüglich der Rotorachse im Übergang in die Aussparung ist im Wesentlichen gleich
einem Achswinkel der Aussparung sein. Dadurch kann der Radialschlitz optimal an eine
Achse der Aussparung ausgerichtet werden, so dass die Spannungsspitzen noch besser
unterdrückt werden können.
[0014] Vorzugsweise hat der Rotor einen Einsatz, der in der Aussparung vorgesehen ist und
einen axial verlaufenden Durchlass hat. Dadurch kann optional Kühlluft in die jeweils
vordere Verdichterstufe geblasen werden. Falls der Einsatz keinen solchen Durchlass
hat, dient er als Dichtung zum wesentlichen Verschließen bzw. Abdichten der Aussparung.
[0015] Weiter bevorzugt hat der Einsatz bezüglich der Aussparung ein radiales Spiel, und
er ist dazu konfiguriert, bei einer Drehung des Rotors durch eine Fliehkraft relativ
zur Rotorscheibe oder zum Rotorring bewegt zu werden. Dadurch hat der Einsatz eine
Funktion als Dämpfer, um eine der Drehzahl überlagerte Torsionsschwingung zu dämpfen.
[0016] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines Rotors, insbesondere einer Blisk einer Gasturbine, durch das dieselben Vorteile
erzielt werden können.
[0017] Vorzugsweise wird der Radialschlitz durch Drahterodieren oder Drahtsägen hergestellt,
und/oder die Aussparung wird durch Bohren hergestellt. Vorzugsweise wird der Rotor
geschmiedet. Vorzugsweise wird der Einsatz an einem Ende gebördelt oder aufgedornt,
nachdem er in die Aussparung eingesetzt wurde. Dadurch kann der Rotor in einfacher
Weise unter geringen Kosten hergestellt werden.
[0018] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu
zeigt, teilweise schematisiert:
- Fig. 1
- eine ausschnittartige Vorderansicht eines Rotors nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 2
- eine Querschnittansicht entlang einer Schnittlinie A-A in der Fig. 1;
- Fig. 3
- eine ausschnittartige Draufsicht des Rotors nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 4A
- eine Längsschnittansicht eines Einsatzes im eingesetzten Zustand; und
- Fig. 4B
- eine Längsschnittansicht des Einsatzes vor dem Einsetzen.
[0019] Fig. 1 zeigt eine ausschnittartige Vorderansicht eines Rotors nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie
A-A in der Fig. 1, und Fig. 3 zeigt eine ausschnittartige Draufsicht des Rotors nach
einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
[0020] Der Rotor ist als eine Blisk einer Gasturbine ausgeführt, und er hat einen Rotorring
1 mit integrierten Rotorschaufeln 2, die an einem Umfang des Rotorrings 1 angeordnet
sind. Alternativ kann anstelle des Rotorrings 1 auch eine Rotorscheibe verwendet werden,
deren Außenumfang im Verhältnis zu der Innenbohrung größer ist als bei dem Rotorring
1.
[0021] In einer äußeren Umfangsfläche der Rotorscheibe oder des Rotorrings 1, d.h. im Schaufelgrund
oder im so genannten Scheibenrim, ist zwischen zwei Rotorschaufeln 2 zumindest ein
Radialschlitz 3 vorgesehen, der in einer abgerundeten Aussparung 4 mündet, die zwischen
axialen Endseiten 5, 6 der Rotorscheibe oder des Rotorrings 2 verläuft. Ein Durchmesser
bzw. eine Breite der Aussparung 4 ist gleich oder größer als eine Breite des Radialschlitzes
3. Der Radialschlitz 3 kann zum Beispiel durch Drahterodieren eingebracht werden.
Dabei verläuft der Radialschlitz durchgängig zwischen den axialen Endseiten 5, 6 des
Rotorrings 2.
[0022] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Radialschlitz 3 zwischen zwei
benachbarten Rotorschaufeln 2 vorgesehen. Bei dem dargestellten Rotor ist die Anzahl
der Radialschlitze 3 gleich der Anzahl der Rotorschaufeln 2. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können mehr oder wenige Radialschlitze
3 im Rotor verwendet werden. Zum Beispiel können zwischen zwei benachbarten Rotorschaufeln
2 mehr als ein Radialschlitz 3 vorgesehen sein, oder es können bestimmte Rotorschaufeln
2 am Rotor vorhanden sein, zwischen denen kein Radialschlitz 3 vorgesehen ist. Das
Verhältnis der Anzahl der Radialschlitze 3 zu der Anzahl der Rotorschaufeln 2 am Rotor
kann zum Beispiel 1/2, 1/3, 2/1 oder 3/1 betragen.
[0023] Unterhalb des Rims mündet der Radialschlitz 3 in die Aussparung 4, die in der Draufsicht
eine runde Bohrung, eine Ellipse oder eine andere abgerundeten Aussparung wie zum
Beispiel eine Abbohrung sein kann.
[0024] Die Aussparung 4 bildet einen verrundeten Auslauf des Radialschlitzes 3. Die Aussparung
4 ist im Wesentlichen kantenfrei ausgebildet. Eine Breite des Radialschlitzes 3 ist
nicht größer als ein Durchmesser bzw. eine Breite der Aussparung 4. Auf diese Weise
können Spannungsspitzen reduziert werden, da Umfangsspannungen vermieden werden bzw.
in den nun mit Kühlluft umspülbaren Bereich der Aussparungen 4 verschoben werden.
Auch die Kerbwirkung wird dadurch minimiert. Das Auflösen der Umfangsfläche des Rotorrings
1 im heißen Rimbereich durch die Radialschlitze 3 reduziert nicht nur die hohen Spannungen,
sondern ermöglicht zusätzlich einen Kühllufttransport durch die Radialschlitze 3 und
ggf. durch die Aussparungen 4 in die Kavitäten der jeweils vorderen Stufe. Dadurch
kann ein zusätzlicher Kühleffekt erzielt werden.
[0025] Fig. 3 zeigt, wie die Rotorschaufeln 2 in ihrem Schaufelgrund 21 bezüglich einer
Rotorachse x in einem ersten Winkel α geneigt sind. Der Radialschlitz 3 hat in der
Umfangsfläche des Rotorrings 1 einen zweiten Winkel β bezüglich der Rotorachse x,
der kleiner ist als der erste Winkel α. Dadurch wird sichergestellt, dass die Radialschlitze
3 die Rotorschaufeln 2 in der äußeren Umfangsfläche des Rotorrings 1, d.h. im Schaufelgrund
21, nicht schneiden.
[0026] In der Tiefenrichtung verkleinert sich der Winkel des Radialschlitzes 3 bezüglich
der Rotorachse x beim Annähern an die Aussparung 4. Im Übergang in die Aussparung
4 ist der Winkel des Radialschlitzes 3 bezüglich der Rotorachse x im Wesentlichen
gleich einem Achswinkel der Aussparung 4, d.h. der Radialschlitz 3 verläuft dort parallel
zu einer Achse 41 der Aussparung 4. Fertigungstechnisch kann der Radialschlitz 3 dadurch
hergestellt werden, dass ein aufgespannter Erosionsdraht im zweiten Winkel β auf die
Umfangsfläche des Rotorrings 1 aufgesetzt wird und dann bei kleiner werdendem Winkel
in den Rotorring 1 radial eindringt, bis er die in axialer Richtung verlaufende Aussparung
4 erreicht.
[0027] Fig. 2 zeigt einen Einsatz 7, der in der Aussparung 4 vorgesehen ist und einen axial
verlaufenden Durchlass 8 hat. Durch den Durchlass 8 strömt Kühlluft durch den Rotorring
1, zum Beispiel zur jeweils vorderen Verdichterstufe. Ein Innendurchmesser des Durchlasses
8 ist an den gewünschten Luftdurchsatz angepasst.
[0028] Fig. 4A zeigt einen anderen Einsatz 9, der in der Aussparung 4 vorgesehen ist und
die Aussparung 4 im Wesentlichen verschließt. Auf diese Weise wird die Aussparung
4 abgedichtet. Der Einsatz 9 hat einen zylindrischen Hauptkörper, der an seinen axialen
Endseiten einen ersten Rand 11 und einen zweiten Rand 12 hat, deren Außendurchmesser
jeweils größer sind als jener des zylindrischen Hauptkörpers. Etwa in der axialen
Mitte des Einsatzes 9 ist eine Wand 10 ausgebildet, die eine Durchströmung durch den
Einsatz 9 verhindert. Der Einsatz 7 kann ähnlich wie der Einsatz 9 konfiguriert sein,
jedoch ist dort anstelle der Wand 10 der Durchlass 8 vorhanden.
[0029] Der Einsatz 7, 9 kann bezüglich der Aussparung 4 ein radiales Spiel haben und dazu
konfiguriert sein, bei einer Drehung des Rotors durch eine Fliehkraft relativ zur
Rotorscheibe oder zum Rotorring 1 bewegt zu werden. Dadurch wirkt der Einsatz 7, 9
als Dämpfer und kann zum Beispiel eine der Drehzahl überlagerte Torsionsschwingung
dämpfen.
[0030] In vorteilhafter Weise kann durch den Rotor mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration
bei gleichem Kreisprozess d.h. zum Beispiel bei gleichem Verdichterdruckverhältnis
OPR (
Overall Pressure Ratio) oder bei gleicher Verdichteraustrittstemperatur seine Lebensdauer durch Kühlung und
Spannungsreduzierung erhöht werden, oder es kann bei noch offener Konzeptfindung die
Drehzahl zur Wirkungsgradsteigerung des Verdichters erhöht werden. Es kann auch das
Verdichterdruckverhältnis OPR oder die Verdichteraustrittstemperatur erhöht werden,
um den Kreisprozess des Triebwerkes zu verbessern.
[0031] Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen des Rotors beschrieben.
[0032] Zunächst wird die Grundstruktur des Rotors, beispielsweise eine Blisk einer Gasturbine,
bereitgestellt, die den Rotorring 1 und die am Umfang des Rotorrings 1 angeordneten
Rotorschaufeln 2 aufweist. Bei der Blisk sind der Rotorring 1 und die Rotorschaufeln
2 integriert. Eine solche Grundstruktur des Rotors kann zum Beispiel durch Schmieden
erhalten werden.
[0033] Zumindest eine abgerundete Aussparung 4 wird zwischen axialen Endseiten 5, 6 des
Rotorrings 1 eingebracht, zum Beispiel durch Bohren.
[0034] Der Radialschlitz 3 wird in der Umfangsfläche des Rotorrings 1 zwischen zwei Rotorschaufeln
2 derart eingebracht, dass der Radialschlitz 3 in der Aussparung 4 mündet. Dies kann
durch Drahterosion oder auch Drahtsägen erfolgen. Dabei kann ein aufgespannter Erosionsdraht
im zweiten Winkel β auf die Umfangsfläche des Rotorrings 1 aufgesetzt werden, der
dann bei kleiner werdendem Winkel in den Rotorring radial eindringt, bis er die in
axialer Richtung verlaufende Aussparung 4 erreicht. Eine Breite des Erosionsdrahtes
und somit des Radialschlitzes 3 ist gleich oder kleiner festgelegt als ein Durchmesser
oder eine Breite der Aussparung 4.
[0035] Nach dem Ausbilden der Aussparungen 4 können die Einsätze 7, 9 in die Aussparungen
4 eingesetzt oder eingepresst werden. Die Fig. 4A stellt den Einsatz 4 mit der Gestalt
dar, nachdem er in der Aussparung 4 eingesetzt wurde, und die Fig. 4B stellt den Einsatz
4 mit der ursprünglichen Gestalt dar, bevor er in der Aussparung 4 eingesetzt wird.
Gemäß der Fig. 4B ist der zweite Rand 12 noch nicht ausgebildet. In dieser Form kann
der Einsatz 9 in die Aussparung 4 eingesetzt werden, bis der erste Rand 11 an einer
der axialen Endseiten 5 oder 6 des Rotorrings 1 anliegt. Das gegenüberliegende Ende
des Einsatzes 9 wird dann gebördelt oder aufgedornt, so dass die in der Fig. 4A gezeigt
Gestalt mit dem zweiten Rand 12 erhalten wird. Die noch nicht eingesetzten Einsätze
7, 9 können als Metallhülsen, Metallröhren oder auch Nieten ausgebildet sein.
[0036] Der Einsatz 7 kann ähnlich wie der Einsatz 9 konfiguriert sein, jedoch ist anstelle
der Wand 10 der Durchlass 8 vorhanden. Es können bei einem Rotor sowohl die Einsätze
7 mit dem Durchlass 8 als auch die Einsätze 9 mit der Wand 10 gemischt eingesetzt
werden.
[0037] In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Übergang zwischen dem
Radialschlitz 3 und der Aussparung 4 abgerundet sein, um die Spannungsspitzen und
die Kerbwirkung noch stärker zu minimieren.
[0038] Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden,
sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem
sei daraufhingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich
um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner
Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung
ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben,
wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung
der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich
zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen
ergibt.
Bezugszeichenliste
[0039]
- 1
- Rotorring
- 2
- Rotorschaufel
- 3
- Radialschlitz
- 4
- Aussparung
- 5
- axiale Endseite
- 6
- axiale Endseite
- 7
- Einsatz
- 8
- Durchlass
- 9
- Einsatz
- 10
- Wand
- 11
- erster Rand
- 12
- zweiter Rand
- 41
- Aussparungsachse
- x
- Rotorachse
- α
- erster Winkel
- β
- zweiter Winkel
1. Rotor, insbesondere Blisk einer Gasturbine, mit einer Rotorscheibe oder einem Rotorring
(1) und Rotorschaufeln (2), die an einem Umfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings
(1) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer Umfangsfläche der Rotorscheibe oder des Rotorrings (1) zwischen wenigstens
zwei Rotorschaufeln (2) zumindest ein Radialschlitz (3) vorgesehen ist, der in einer
abgerundeten Aussparung (4) mündet, die zwischen axialen Endseiten (5, 6) der Rotorscheibe
oder des Rotorrings (2) verläuft.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundete Aussparung (4) wenigstens im Wesentlichen kantenfrei, insbesondere
rund oder elliptisch, ausgebildet ist.
3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorschaufeln (2) in ihrem Schaufelgrund (21) bezüglich einer Rotorachse (x)
in einem ersten Winkel (α) geneigt sind;
der Radialschlitz (3) in der Umfangsfläche der Rotorscheibe oder des Rotorrings (1)
einen zweiten Winkel (β) bezüglich der Rotorachse (x) hat, der kleiner ist als der
erste Winkel (α).
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich ein Winkel (β) des Radialschlitzes (3) bezüglich der Rotorachse (x) beim Annähern
an die Aussparung (4) verkleinert.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Einsatz (7), der in der Aussparung (4) vorgesehen ist und einen axial verlaufenden
Durchlass (8) hat.
6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
einen Einsatz (9), der in der Aussparung (4) vorgesehen ist und die Aussparung (4)
im Wesentlichen verschließt.
7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (7, 9) bezüglich der Aussparung (4) ein radiales Spiel hat und dazu konfiguriert
ist, bei einer Drehung des Rotors durch eine Fliehkraft relativ zur Rotorscheibe oder
zum Rotorring (1) bewegt zu werden.
8. Verfahren zum Herstellen eines Rotors, insbesondere einer Blisk einer Gasturbine,
der eine Rotorscheibe oder einen Rotorring (1) und Rotorschaufeln (2) aufweist, die
an einem Umfang der Rotorscheibe oder des Rotorrings (1) angeordnet sind,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen einer Grundstruktur des Rotors mit der Rotorscheibe oder dem Rotorring
(1) und den Rotorschaufeln (2);
Herstellen einer Aussparung (4) zwischen axialen Endseiten (5, 6) der Rotorscheibe
oder des Rotorrings (2);
Herstellen eines Radialschlitzes (3) in einer Umfangsfläche der Rotorscheibe oder
des Rotorrings (1) zwischen wenigstens zwei Rotorschaufeln (2) derart, dass der Radialschlitz
(3) in der Aussparung (4) mündet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor geschmiedet wird und /oder der Radialschlitz (3) durch Drahterodieren oder
Drahtsägen oder Laserschneiden hergestellt wird und/oder die Aussparung (4) durch
Bohren hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Schritt zum Einsetzen eines Einsatzes (7, 9) in die Aussparung (4).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (7, 9) an einem Ende gebördelt oder aufgedornt wird, nachdem er in die
Aussparung (4) eingesetzt wurde.