DE102009011964A1

DE102009011964A1 - Rotor für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009011964A1
Application number: DE102009011964A
Authority: DE
Inventors: Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-09
Also published as: EP2350459A2; US20120057988A1; WO2010099781A2; WO2010099781A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper (12) und mehreren Schaufeln (14), wobei wenigstens ein Dämpfungselement (24) in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Schaufeln (14) des Rotors (10) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper und mehreren Schaufeln.
Aus dem Stand der Technik sind gebaute oder integral beschaufelte Rotoren für Strömungsmaschinen bekannt. Rotoren mit integraler Beschaufelung bezeichnet man abhängig davon, ob ein im Querschnitt scheibenförmiger oder ein im Querschnitt ringförmiger Rotor bzw. Rotorträger (im Folgenden Rotorgrundkörper genannt) vorhanden ist, als Blisk bzw. Bling. Blisk ist die Kurzform von Bladed Disk und Bling von Bladed Ring.
Es sind insbesondere integral beschaufelte Rotoren bekannt, bei deren Herstellung die Schaufeln in einem ersten Schritt zu einem Schaufelkranz zusammengefügt werden und anschließend an einem Rotorgrundkörper befestigt werden. Über die Struktur eines solchen Schaufelkranzes ist eine Übertragung von Schwingungen von einer Schaufel auf benachbarte Schaufeln möglich. Darüber hinaus ist ein Austausch einzelner Schaufeln zur Reparatur des Rotors bei solchen Rotoren nicht vorgesehen und schwierig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für eine schwingungsärmere Strömungsmaschine zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Rotor für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper und mehreren Schaufeln gelöst, wobei wenigstens ein Dämpfungselement in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Schaufeln des Rotors vorgesehen ist. Auf diese Weise können Schwingungen einer Schaufel gedämpft werden und insbesondere die Übertragung auf benachbarte Schaufeln vermindert werden.
Vorzugsweise ist der Rotor ein integral beschaufelter Rotor, insbesondere ein Rotor, bei dem Rotorgrundkörper und Schaufeln unmittelbar oder über ein separates Zwischenstück miteinander verschweißt, insbesondere reibverschweißt sind. Die Verwendung von integral beschaufelten Rotoren in Strömungsmaschinen ermöglicht gegenüber mehrteiligen Rotoren eine Gewichtsersparnis und ist somit insbesondere für Flugzeugtriebwerke von Vorteil.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Schaufeln einen Schaufelhals auf, über welchen sie mit dem Rotorgrundkörper verbunden sind. Der Schaufelhalsbereich kann verschiedene strukturelle und funktionale Merkmale aufweisen, die auf diese Weise einstückig in die Schaufel integriert werden können.
Die Schaufelhälse weisen z. B. Fortsätze auf, die zusammen ein Deckband bilden, welches mit seiner radial nach außen weisenden Fläche einen ringförmigen Strömungskanal der Strömungsmaschine begrenzt. Ein solches Deckband kann den Strömungskanal vom Rotorgrundkörper trennen, wodurch der Rotorgrundkörper vor Belastungen, insbesondere durch Heißgase, geschützt wird. Es ist möglich, dass durch das Deckband ein Hohlraum zwischen benachbarten Rotoren in der Strömungsmaschine gebildet wird, der insbesondere zur Kühlung der Rotoren genutzt werden kann.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Dämpfungselement im Wesentlichen im Bereich des Schaufelhalses angeordnet. Auf diese Weise nimmt das Dämpfungselement keinen Bauraum im Strömungskanal der Strömungsmaschine ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufelhälse benachbarter Schaufeln in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, und zwischen den Schaufelhälsen wird ein Freiraum gebildet. Durch diesen Freiraum wird der freie Bauraum um eine Schaufel vergrößert, wodurch es beispielsweise möglich wird, eine einzelne Schaufel unabhängig von den benachbarten Schaufeln am Rotorgrundkörper zu befestigen oder von diesem zu trennen.
Das Dämpfungselement bildet vorzugsweise eine Abdichtung des Freiraums zwischen benachbarten Schaufelhälsen zu einem Strömungskanal der Strömungsmaschine. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Freiraum zwischen den Schaufelhälsen negativ auf die strömungstechnischen Verhältnisse in der Strömungsmaschine auswirkt.
Das Dämpfungselement kann einen Teil des Deckbands bilden und mit seiner radial nach außen gerichteten Fläche den ringförmigen Strömungskanal begrenzen. Das Dämpfungselement ermöglicht somit einen verbesserten Übergang zwischen den Fortsätzen benachbarter Schaufeln.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Dämpfungselement als Einsatzstück zwischen den Schaufeln angeordnet ist. Somit kann ein Einsatzstück unabhängig von anderen Bauteilen des Rotors eingesetzt oder entfernt werden.
Das Dämpfungselement kann formschlüssig, über eine Pressverbindung und/oder stoffschlüssig mit den benachbarten Schaufeln verbunden sein. Dies verstärkt die mechanische Stabilität des Rotors.
Es ist auch möglich, dass das Dämpfungselement formschlüssig, über eine Pressverbindung und/oder stoffschlüssig mit dem Rotorgrundkörper verbunden ist.
Vorzugsweise ist ein Kanal zwischen dem wenigstens einen Dämpfungselement und dem Rotorgrundkörper vorgesehen. Ein solcher Kanal ermöglicht beispielsweise eine Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite des Rotors.
Der Kanal kann zumindest teilweise durch eine Einkerbung im Rotorgrundkörper und/oder im Schaufelhals gebildet sein.
Vorzugsweise ist der Kanal ein Kühlkanal. Auf diese Weise wird eine Kühlung des Rotorgrundkörpers, der Schaufeln und/oder des Dämpfungselements ermöglicht.
Insbesondere sind mehrere Dämpfungselemente vorgesehen, die miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht beispielsweise die Kopplung mehrerer Dämpfungselemente und reduziert die Anzahl der Einzelteile bei der Montage des Rotors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Dämpfungselemente an einem axial aufsetzbaren Trägerring angebracht. Dies ermöglicht eine einfache Montage, indem der Trägerring in axialer Richtung in den Rotor eingesetzt wird. Der Trägerring kann selbsttragend ausgeführt sein, sodass seine Masse nicht zur Last des Rotorgrundkörpers beim Rotieren beiträgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors mit voneinander beabstandeten Schaufelhälsen vor dem Einsetzen der Dämpfungselemente;
2 den Rotor aus 1 mit eingesetzten Dämpfungselementen;
3 eine weitere Ansicht des Rotors gemäß 2; und
4 eine Detailansicht des Schaufelhalsbereichs eines erfindungsgemäßen Rotors.
1 zeigt einen Abschnitt eines Rotors 10 mit einem Rotorgrundkörper 12, auf dem mehrere Schaufeln 14 befestigt sind. Die Schaufeln 14 weisen ein Schaufelblatt 16 und einen Schaufelhals 18 auf. Der Schaufelhals 18 hat auf den in Umfangsrichtung gelegenen Seiten eine Ausnehmung 20, die durch Reduktion des Gewichts der Schaufeln 14 eine Leichtbauweise des Rotors 10 ermöglicht. In axialer Richtung weisen die Schaufelhälse 18 Fortsätze 22 auf, die zusammen ein Deckband bilden, welches mit seiner radial nach außen gerichteten Fläche einen ringförmigen Gasströmungskanal der Strömungsmaschine begrenzt.
Der Rotor 10 ist für eine Gasturbine ausgelegt, wobei er im Turbinenabschnitt oder im Verdichterabschnitt angeordnet sein kann. Die Erfindung lässt sich natürlich auch auf Rotoren anderer Strömungsmaschinen anwenden.
Die Schaufeln 14 sind über die Schaufelhälse 18 mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform sind Rotorgrundkörper 12 und Schaufeln 14 unmittelbar miteinander verschweißt.
Es ist zu beachten, dass die Schaufeln 14 insbesondere aus Materialien gefertigt sind, die keine Schmelzschweißverfahren erlauben, beispielsweise einkristalline Materialien. Die Schaufeln 14 werden daher über Reibschweißverfahren, insbesondere Linearreibschweißverfahren, oder induktives Hochfrequenzpressschweißen mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden.
Die Schaufeln 14 sind insbesondere im Bereich des Schaufelhalses 18 voneinander in Umfangsrichtung beabstandet, wodurch ein Freiraum zwischen den Schaufeln 14 gebildet wird. Die Freiräume auf beiden Seiten einer Schaufel 14 stellen ausreichend Bauraum zur Verfügung, um eine einzelne Schaufel 14 unabhängig von den benachbarten Schaufeln 14 am Rotorgrundkörper 12 zu befestigen oder von diesem zu trennen. Dies ermöglicht ein vereinfachtes Herstellungsverfahren und insbesondere ein vereinfachtes Reparaturverfahren, indem eine einzelne Schaufel 14 ausgetauscht werden kann.
Es ist auch möglich, dass die Schaufeln 14 über ein separates (insbesondere polykristallines) Zwischenstück mit dem Rotorgrundkörper 12 verschweißt sind. Auf diese Weise muss nur bei der Verbindung von Zwischenstück und Schaufeln 14 auf besondere Fügeverfahren Acht genommen werden.
Es ist auch möglich, dass die Schaufeln 14 nicht integral mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden sind, sondern über Schaufelfüße im Rotorgrundkörper 12 verankert sind.
2 und 3 zeigen den Abschnitt des Rotors 10 aus 1, wobei zwischen den Schaufelhälsen 18 Dämpfungselemente 24 eingesetzt sind. 4 zeigt eine Detailansicht des Schaufelhalsbereichs mit eingesetzten Dämpfungselementen 24. Die Dämpfungselemente 24 vermindern eine Übertragung von Schwingungen einer Schaufel 14 auf benachbarte Schaufeln 14 und können ferner eine Dichtungsfunktion haben.
Die Dämpfungselemente 24 sind formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder über eine Presspassung mit den benachbarten Schaufelhälsen 18 verbunden. Natürlich ist es auch möglich, dass die Dämpfungselemente 24 entsprechend mit dem Rotorgrundkörper 12 verbunden sind.
Die Dämpfungselemente 24 füllen den Freiraum zwischen den benachbarten Schaufelhälsen 18 und dichten diesen Freiraum zum Strömungskanal der Strömungsmaschine ab. Die Form der Dämpfungselemente 24 ist an die Form der Schaufelhälse 18 angepasst, insbesondere im Bereich der Fortsätze 22. Die radial nach außen gerichtete Fläche des Dämpfungselements 24 begrenzt somit den ringförmigen Strömungskanal der Strömungsmaschine.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Dämpfungselemente 24 als einzelne Einsatzstücke zwischen je zwei benachbarten Schaufeln 14 angeordnet. Es können auch mehrere Dämpfungselemente 24 miteinander verbunden sein. Auf diese Weise lassen sich einerseits die Dämpfungselemente 24 miteinander koppeln, andererseits vermindert sich die Anzahl der Einzelteile bei der Herstellung des Rotors 10. Es ist auch möglich, dass nicht zwischen jedem benachbarten Schaufelpaar ein Dämpfungselement 24 angebracht ist.
Mehrere Dämpfungselemente 24 können an einem axial aufsetzbaren Trägerring angebracht sein, der bei der Montage in axialer Richtung in den Rotor 10 eingesetzt wird. Ein solcher Trägerring ist selbsttragend ausgeführt, wodurch seine Masse nicht zur Last des Rotors 10 oder des Rotorgrundkörpers 12 im Betrieb beiträgt.
Zwischen den Dämpfungselementen 24 und dem Rotorgrundkörper 12 sind Kanäle 26 vorgesehen, die durch eine Einkerbung 28 im Rotorgrundkörper 12 und im Schaufelhals 18 gebildet sind.
Die Kanäle 26 dienen als Kühlkanäle, indem sie von einem Kühlfluid durchströmt werden. Die Kanäle 26 ermöglichen dabei einen Fluss von Kühlfluid in axialer Richtung von der axial vorderen Seite des Rotors 10 zur axial hinteren Seite des Rotors 10.
Als Material für die Dämpfungselemente 24 kommen insbesondere Ni-Basislegierungen infrage. Das Material sollte weicher sein als das benachbarter Schaufelhälse.

10: Rotor
12: Rotorgrundkörper
14: Schaufeln
16: Schaufelblatt
18: Schaufelhals
20: Ausnehmung
22: Fortsatz
24: Dämpfungselement
26: Kanal
28: Einkerbung

Claims

Rotor (10) für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, mit einem Rotorgrundkörper (12) und mehreren Schaufeln (14), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dämpfungselement (24) in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Schaufeln (14) des Rotors (10) vorgesehen ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) ein integral beschaufelter Rotor (10) ist, insbesondere ein Rotor (10), bei dem Rotorgrundkörper (12) und Schaufeln (14) unmittelbar oder über ein separates Zwischenstück miteinander verschweißt, insbesondere reibverschweißt, sind.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (14) einen Schaufelhals (18) aufweisen, über welchen sie mit dem Rotorgrundkörper (12) verbunden sind.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhälse (18) Fortsätze (22) aufweisen, die zusammen ein Deckband bilden, welches mit seiner radial nach außen weisenden Fläche einen ringförmigen Strömungskanal der Strömungsmaschine begrenzt.
Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) im Wesentlichen im Bereich benachbarter Schaufelhälse (18) angeordnet ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelhälse (18) benachbarter Schaufeln (14) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und zwischen den Schaufelhälsen (18) ein Freiraum gebildet wird.
Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) eine Abdichtung des Freiraums zwischen benachbarten Schaufelhälsen (18) zu einem Gasströmungskanal der Strömungsmaschine bildet.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) einen Teil des Deckbands bildet und mit seiner radial nach außen gerichteten Fläche den ringförmigen Gasströmungskanal begrenzt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) als Einsatzstück zwischen den Schaufeln (14) angeordnet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) formschlüssig, über eine Pressverbindung und/oder stoffschlüssig mit den benachbarten Schaufeln (14) verbunden ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (24) formschlüssig, über eine Pressverbindung und/oder stoffschlüssig mit dem Rotorgrundkörper (12) verbunden ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (26) zwischen dem wenigstens einem Dämpfungselement (24) und dem Rotorgrundkörper (12) vorgesehen ist.
Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) zumindest teilweise durch eine Einkerbung (28) im Rotorgrundkörper (12) und/oder im Schaufelhals (18) gebildet wird.
Rotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) ein Kühlkanal ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dämpfungselemente (24) vorgesehen sind, die miteinander verbunden sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dämpfungselemente (24) vorgesehen sind, die an einem axial aufsetzbaren Trägerring angebracht sind.