DE19603388C1 - Einrichtung zur Fixierung der Laufschaufeln am Laufrad, insbesondere einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks, durch Nietung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Fixierung der Laufschaufeln am Laufrad gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der älteren deutschen Patentanmeldung DE 195 16 694 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung sitzt der Niet un­ mittelbar am Nutgrund im Radialspalt auf und ist längs einer am Schaufelfußende be­ findlichen Rinne geführt und abgestützt. Zur Aufnahme des kegelförmigen Setzkop­ fes und des kegelförmig aufzuweitenden Schließkopfes werden beidseitig am Rad­ kranz unmittelbar in den Schaufelfuß- und Radkranzwerkstoff kegelförmige Senkun­ gen eingebracht. Hierdurch ergibt sich eine komplizierte ausschußträchtige Fertigung. Schon geringe Fehler bei Herstellung der Senkungen lassen die für sich äußerst teue­ ren Bauteile (Schaufeln, Scheibe) unbrauchbar werden. Ferner ist die Gefahr groß, daß schon bei der Montage bzw. bei der Nietung, insbesondere aber bei der Demonta­ ge der Nietverbindung, Partien von Schaufelfüßen und Radkranz beschädigt werden; wenn also z. B. der verformte Schließkopf durch Anbohren abgearbeitet werden soll. Das gemeinsame Herauslösen von Schaufel und Niet aus der Axialnut kann ferner zu einer Beschädigung des Nutgrundes führen.

Schon geringe Fertigungsungenauigkeiten sowie die Tatsache, daß eine Senkung aus den unterschiedlichen Bauteilen - Füßen und Radkranz - bereitgestellt wird, lassen verhältnismäßig früh einsetzende Setz- und Lockerungsgefahren der Nietverbindung erwarten. Dabei sind unterschiedliche thermische und mechanische Beanspruchungen an den Schaufelfüßen und am Radkranz zu berücksichtigen. Die Schaufeln sind relati­ ven eigenständigen Beanspruchungen aus Flieh- und Gaskräften ausgesetzt. Daraus können veränderte Schaufelausrichtungen und Unwuchten resultieren.

Im Rahmen einer Verbindung von Schaufeln und Radscheibe wird ferner folgendes angestrebt: Eine radiale Flächenpressung zwischen den Zähnen der Schaufelfüße und Gegenflächen an den Zähnen der Axialnuten; es soll das normalerweise vorhandene Einbauspiel zwischen gegenseitigen Zahnflanken bereits im fertig montierten Zustand praktisch aufgebraucht sein; letzteres im Interesse verbesserter Wuchtvorgänge und -ergebnisse besonders im Hinblick auf eine Schaufeldeckbandverspannung; also eine Verspannung, mit der die Schaufeln normalerweise, d. h. also bei einer axialen Schau­ felfixierung, erst in einem bestimmten Betriebspunkt ihren optimalen Betriebssitz bei erst dann aufgebrauchtem Einbauspiel erreichen würden.

Bei reiner axialer Schaufelfixierung, z. B. durch eine Blechsicherung, ohne radiale Flächenpressung, würde die Deckbandverspannung zu irregulären Schaufelsitzposi­ tionen führen, so daß keine optimale Rotorwuchtung möglich wäre.

Einrichtungen zur Fixierung der Laufschaufeln an Axiallaufrädern mittels Nietung sind auch aus der DE-OS 15 51 211 und aus der US-PS 27 53 149 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, die bei geringem Bauteilschadensrisiko durch Nietung mon­ tagefreundlich ist und die auch mit Rücksicht auf vergleichsweise zeitlich lange be­ triebliche Einsätze einen optimalen kraft- und formschlüssig festen Sitz der Lauf­ schaufeln an der Radscheibe in axialer und radialer Richtung ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen im Kennzeichnungsteil des Patentan­ spruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Anordnung und Ausführung der Nietverbindung erfordert keine nennenswerten Bauteilveränderungen am Radkranz und an den Schaufeln.

Aufgrund der Keilwirkung der Sitzkeile relativ zu den abgeschrägten Gegenflächen des Schaufelfußendes und der jeweiligen Einsätze resultiert aus der Vernietung eine axiale/radiale Klemmwirkung. Dabei werden die Einsätze radial und axial am Rad­ kranz festgelegt. Die Füße der Laufschaufeln werden nicht nur axial, sondern auch unter radialer Anpressung ihrer Zahnflanken an Gegenflanken der Nutverzahnung an der Axialnut fixiert; letzteres also bereits nach erfolgter Montage bzw. in der Ruhe­ stellung der Radscheibe. Dieser Fixierzustand - ohne Einbauspiel - stellt sich also nicht erst ab Erreichung eines bestimmten Betriebspunktes (Drehzahl, Fliehkräfte) ein. Unter erfindungsgemäß möglicher Verwendung einer schaufelspitzenseitigen Deckbandverspannung, die unterhalb dieses Betriebspunktes bzw. bei extrem niedri­ ger Drehzahl eine "anormale" bzw. irreguläre Schaufelsitzposition nicht mehr erzwin­ gen kann, sind vorhandene Rotorunwuchten genauer und rascher beseitigbar.

Die Einsätze gewährleisten eine exakte Nietführung - bzw. - Zentrierung am Radial­ spalt. Ihre im Radialspalt voneinander getrennte Anordnung, insbesondere durch einen Abstandsspalt (X) gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine relativ zueinander be­ grenzte Einsatzverschiebung, um z. B. mechanische und thermisch bedingte Bauteil­ einflüsse (Differenzdehnungen) oder gegebenenfalls bei Nietung auftretende Niet­ stauchungen zu kompensieren. Dabei wird ein gewisses Einbauspiel der Einsätze relativ zum Einbauquerschnitt im Radialspalt zugrunde gelegt. Bei einem verhältnis­ mäßig kleinen Einbauspiel der Einsätze sowie hinreichend formsteifer Bauweise derselben - und bei Querspiel = Null in den Ausnehmungen der Einsätze - kann eine Nietstauchung vorteilhaft in eine gegen das Fußende gerichtete Stauchverformung umgesetzt werden, um eine radiale Anpressung der Schaufelzähne an korrespondie­ rende Zahnflanken der Axialnut zu fördern.

Bei exakter Nietführung durch eine Rille, Rinne oder Ausnehmung gemäß Anspruch 3, kann eine gegenüber den Einsätzen unbeeinträchtigte Auflage des Schaufelfußes am Niet ermöglicht werden.

Im Rahmen des Grundgedankens der Erfindung (Anspruch 1) schließen die verwen­ deten Sitzkeile, insbesondere am Schließkopf, bei Nietung sowie aber auch zwecks Demontage - Abarbeitung durch Bohrwerkzeug - eine Beschädigung von örtlich an­ grenzenden Fuß- und Radkranzabschnitten aus.

Wenn bei der Demontage Schaufel und Niet gemeinsam aus der Axialnut ausgetrie­ ben werden, so verhindern die dabei axial auf dem Radkranz aufsitzend zusammen­ gehaltenen Einsätze eine Beschädigung des Nutgrundes.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus Anspruch 4. Über die Axialbohrungen in den Sitzkeilen können letztere am Niet jeweils einer nach innen weisenden, gegen gerade Endflächen der Einsätze gerichteten Klemmbewegung unterworfen werden.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen weiter er­ läutert; es zeigen:

Fig. 1 die Fixiereinrichtung mit Niet in Einbauposition, überwiegend innerhalb des Radialspaltes S angeordnet, der zwischen radial innerem Schaufelfußende und dem Grund der Axialnut ausgebildet ist und in teils seitlicher und axial mittig geschnitten dargestellter Ansicht und hier in Verbindung mit einer korrespon­ dierenden axialen Schnittdarstellung der Schaufelscheibenverbindung, wobei die Laufschaufel radial außen, die Radscheibe radial innen abgebrochen ge­ zeichnet sind,

Fig. 2 einen Schaufelscheibenausschnitt gemäß A-B der Fig. 1, worin - unter Fort­ lassung des Schließkopfes des Niets - die quer geschnitten dargestellte Ein­ baulage des einen Einsatzes mit dem Niet im Radialspalt S sowie ein axial frontal am Radkranz aufsitzendes Endteil bzw. ein Lappen dieses Einsatzes verdeutlicht sind und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines in Fig. 1 auf der rechten Seite befindli­ chen Einsatzes mit aus oben offener Axialausnehmung teilumfänglich radial herausragendem Niet, der an dem der Radkranzrückseite zugekehrten Ende der Axialausnehmung quer geschnitten und am übrigen Ende der Axialaus­ nehmung abgebrochen herausragend gezeichnet ist.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei einem Laufrad bzw. einer Radscheibe 2 einer axial durchströmten Turbine oder eines Verdichters der zugehörige Radkranz 5 mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Laufschaufeln 1 bestückt werden soll. Dabei soll jede Laufschaufel 1 mit einem beidseitig symmetrisch mehrzahnig gestalteten Profil des Schaufelfußes 3 an einem korrespondierend gestalteten Zahn­ profil einer zugehörigen Axialnut 4 (Fig. 2) des Radkranzes 5 verankert werden. Der Schaufelfuß 3 geht von einer radial äußeren Fußplatte 3′ der Laufschaufel 1 aus. Mit den beidseitigen Zähnen ist der Schaufelfuß 3 radial - von oben außen nach innen unten gesehen - sich etwa keilförmig verjüngend ausgebildet. Ein derartiger Schaufel­ fuß 3 wird in der Fachsprache auch als "Tannenbaumfuß" bzw. als "tannenzapfen­ artig" gestaltet, umschrieben.

Jeweils zwischen dem radial inneren Ende des Schaufelfußes 3 und dem Grund der betreffenden Axialnut 4 wird bei der zuvor beschriebenen Anordnung ein Radialspalt S (Fig. 1 und 2) ausgebildet.

Zur gleichzeitig axialen und radialen Sicherung bzw. Fixierung der Laufschaufeln 1 über die Axialnuten 4 am Radkranz 5 sieht die Erfindung jeweils die Verwendung einer Nietung mittels eines Niets 6 (Fig. 1) vor, der am einen Ende als Schließkopf 7, am anderen Ende als Setzkopf 8 ausgebildet ist.

Hauptsächlich bezüglich seines stabförmigen Teils erstreckt sich der zylindrische Niet in Längsrichtung innerhalb des Radialspalts S. Der Schließkopf 7 wird von ei­ nem in den frontalen Bereich des Radialspalts S axial hineinragenden und dort kegelig zugespitzt endenden Hülsenteil ausgebildet, das in der gestrichelt gezeichneten, axial nach außen offen auslaufenden Kontur den unverformten Zustand repräsentiert.

Die Fixiereinrichtung weist ferner zwei Einsätze 9, 9′ auf, die innerhalb des Radial­ spalts S am Grund der Axialnut 4 (Fig. 2) aufliegen und die im Radialspalt S unter Be­ lassung eines gegenseitigen Abstandsspalts X angeordnet bzw. örtlich voneinander getrennt sind. Jeder Einsatz 9 bzw. 9′ weist ein in Richtung auf die Radachse bzw. radial nach innen abgewinkeltes oder umgebogenes Endteil 10 bzw. 10′ auf. Die End­ teile 10 bzw. 10′ könnten gemäß der Erfindung auch als Absätze oder Lappen um­ schrieben werden. Mit dem Endteil 10 sitzt der eine Einsatz 9 axial an einem vorderen stirnseitigen Abschnitt des Radkranzes 5 auf; der andere Einsatz 9′ sitzt mit dem End­ teil 10′ an einem hinteren stirnseitigen Abschnitt des Radkranzes 5 auf.

Ferner erkennt man aus Fig. 1, daß der Schließkopf 7 bzw. der Setzkopf 8 des Niets 6 jeweils von einem Sitzkeil 11 bzw. 11′ hülsenartig umfaßt sind, und zwar im vorderen bzw. im hinteren Endbereich des Radialspalts S. Mit in Richtung auf das Spaltinnere sich kegelförmig verjüngender Umfangsfläche sitzt der Setzkopf 8 an einer kegelför­ mig korrespondierenden Innenfläche des betreffenden Sitzkeiles 11′ auf. Am Schließ­ kopf 7 weist der andere Sitzkeil 11 eine sich in Richtung auf das Spaltinnere kegelför­ mig verjüngende Innenfläche auf; gegen die das Hülsenende des Schließkopfes 7 aus der gestrichelt angegebenen Position in die mit ausgezogenen Linien dargestellte kegelförmige Sitzposition durch Nietung verformt wird. Dies kann mit einem ent­ sprechend angepaßt vorgeformten Nietwerkzeug durchgeführt werden, wobei bei Nietung durch Schlagverformung der Setzkopf 8 einer Gegenbelastung durch ein Werkzeug ausgesetzt wird.

In beiden Endbereichen des Radialspalts S (Fig. 1) sitzen die Sitzkeile 11, 11′ an je­ weils radial beabstandeten keilförmigen Korrespondenzflächen G, G′ des Fußendes und des betreffenden Einsatzes 9 bzw. 9′ auf; wobei sie als Folge der Nietung axial/radial verklemmt werden. Hierdurch wird die Laufschaufel 1 mit ihrem Fuß 3 nicht nur axial am Radkranz 5 gesichert, sondern auch radial in der Axialnut 4 (Fig. 2) fixiert.

Der stabförmige Teil des Niets 6 ist innerhalb in Fig. 1 lediglich einseitig durchschei­ nend repräsentierter und jeweils oben außen offener Ausnehmungen 12 bzw. 12′ der Einsätze 9 bzw. 9′ längs und im wesentlichen konzentrisch zu seiner Längsachse ge­ führt. Dabei ragt der Niet 6 oben außen längs eines umfänglichen Teilbereichs aus der betreffenden Axialnut 12 bzw. 12′ heraus, wie man auch deutlich aus Fig. 3 bezüglich des einen Einsatzes 9′ erkennt. Längs des radial herausragenden Umfangsteils stützt sich der Niet 6 am radial innenliegenden Ende des Schaufelfußes 3 ab. Als Folge der Anordnung des Niets 6 in den Ausnehmungen 12, 12′ der Einsätze 9, 9′ ergibt sich eine geringfügige radial nach außen oben verschobene Einbau- und Achsposition des Niets 6 relativ zur Längsmitte des Radialspalts S.

Anstelle dargestellter Ausnehmungen 12, 12′ können auch Längsrinnen, -rillen oder im Querschnitt V-förmige oder U-förmige Vertiefungen vorgesehen werden, an bzw. in denen der Niet zumindest entlang seines Teilumfangs geführt wird. In den z. B. oben offenen U-förmigen Ausnehmungen könnte der Niet 6 jeweils komplett versenkt angeordnet werden.

Gemäß Fig. 1 weisen die Sitzkeile 11, 11′ in den Bereichen, die axial nach innen ge­ richtet in den Radialspalt S vorne und hinten hineinragen, axiale Bohrungen zur Auf­ nahme stabartiger zylindrischer Abschnitte des Niets 6 auf; von diesen Bohrungen ausgehend, sind der eine und andere Sitzkeil 11 bzw. 11′ jeweils in axial nach außen weisender Richtung zu kegelförmigen Senklöchern aufgeweitet, von denen das eine den kegelförmigen Setzkopf 8 aufnimmt; das dem Setzkopf 8 endseitig gegenüber­ liegende Senkloch im Einsatz 11 dient zur Aufnahme des durch Nietung kegelförmig verformten Schließkopfes 7.

Gemäß der Erfindung (Fig. 1) ist der Schaufelfuß 3 unter Ausbildung der keilförmi­ gen Gegenflächen G für die Sitzkeile 11, 11′ axial dicker als der Radkranz 5 ausgebil­ det. Diese Aufdickung des Schaufelfußes 3 wird von den Einsätzen 9, 9′ mit ihren abgewinkelten Endteilen 10, 10′ am Radkranz 5 dickenmäßig ausgeglichen, an denen die radial inneren keilförmigen Gegenflächen G′ auslaufen.

Die Montage geht wie folgt vor sich: Die in die Axialnut 4 (Fig. 2) mit ihrem Fuß 3 axial eingeschobene Laufschaufel 1 bildet den Radialspalt S aus. In den Radialspalt S werden von außen beide Einsätze 9, 9′′ eingesetzt, die jeweils auf einer Stirnseite des Radkranzes 5 axial aufsitzen. Anschließend werden beide Sitzkeile 11, 11′ an den jeweils keilförmigen Korrespondenzflächen G, G′ verankert. Nun wird der Niet 6, von rechts nach links, mit seinem axial gestreckten Hülsenteil am Schließkopf 7 zu­ nächst durch den einen Sitzkeil 11′, dann durch beide Ausnehmungen 12′, 12 der Einsätze 9, 9′ hindurchgeschoben und dann weiter schließlich durch den weiteren Sitzkeil 11 axial hindurchgeschoben; hierauf erfolgt die Nietung durch kegelförmige Verformung des Schließkopfes 7. Schon bei Montage verhindern beide Einsätze 9, 9′ die Beschädigung des Nutgrundes, wobei am einen Einsatz 9 eine axiale, der Ein­ schubbewegung entgegengerichtete Sitzanpressung mechanisch aufgebracht wird.

Zwecks Demontage wird zunächst der kegelförmig verformte Teil des Schließkopfes 7 abgearbeitet, z. B. durch ein Bohrwerkzeug; daraufhin wird die Laufschaufel 1 nebst Fuß 3 und Niet 6 von links nach rechts aus dem Radialspalt S herausgezogen; beim gemeinsamen Herausziehen von Schaufel 1 und Niet 6 werden beide Einsätze 9, 9′ axial am Radkranz 5 aufsitzend gehaltert, so daß keine Beschädigung des Nutgrundes der Axialnut 4 erfolgt.

Entgegen der zeichnerischen Darstellung (Fig. 1) kann die Erfindung auch so durch- bzw. ausgeführt werden, daß der Schließkopf 7 auf der rechten Seite am Radialspalt S, der Setzkopf 8 auf der linken Seite am Radialspalt S angeordnet wird.

Sofern nicht schon in den Patentansprüchen ausdrücklich gewürdigt, ist der zuvor erläuterte und/oder zeichnerisch dargestellte Gegenstand ebenfalls Bestandteil der Erfindung.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Fixierung der Laufschaufeln (1) am Laufrad (2) durch Nietung, insbesondere einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks, worin die Lauf­ schaufeln (1) mit zahnartig profilierten Füßen (3) an zahnartig korrespondie­ rend profilierten Axialnuten (4) eines Radkranzes (5) gehalten sind, und worin zwischen jedem Fußende und dem Grund einer Axialnut (4) ein Radialspalt (S) ausgebildet ist, in dem ein Niet (6) in Längsrichtung zentrisch geführt ist, der an seinem einen Ende als Schließkopf (7) und an seinem anderen Ende als Setzkopf (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeder Niet (6) an zwei Einsätzen (9, 9′) zentrisch geführt ist, deren je­ weilige Außenkontur im wesentlichen auf die Innenkontur des Radial­ spaltes (S) abgestimmt gestaltet ist und die im Radialspalt (S) am Grund der Axialnut (4) aufliegen;
• - die Einsätze (9, 9′) mit einem in Richtung auf die Radachse umgebo­ genen Endteil (10 bzw. 10′) an der Vorder- bzw. Rückseite des Rad­ kranzes (5) aufsitzen;
• - den Schließ- und den Setzkopf (7, 8) einschließende Abschnitte des Niets (6) von Sitzkeilen (11, 11′) hülsenartig umfaßt sind;
• - die Sitzkeile (11, 11′) an keilförmigen Gegenflächen (G, G′) des Fußendes und eines Einsatzes (9, 9′) durch Nietung axial/radial verklemmt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (9, 9′) jeweils über das an der Vorder- bzw. Rückseite des Radkranzes (5) aufsit­ zende Endteil (10 bzw. 10′) in gegenseitigem Abstand (X) innerhalb des Radialspalts (S) gehalten sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ein­ sätze (9, 9′) für die gemeinsame Nietführung jeweils eine gegenüber dem Fußende offene Rinne oder Ausnehmung (12, 12′) aufweisen, in der jeweils ein axialer Abschnitt des Niets (6) zumindest entlang seines Teilumfanges versenkt angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sitzkeile (11, 11′) in Bereichen, dies axial innen in den Radialspalt (S) hineinragen, zur Aufnahme stabartiger Abschnitte des Niets (6) jeweils eine axiale Bohrung aufweisen, von der aus der Sitzkeil (11, 11′) in axial nach außen weisender Richtung zu einem kegelförmigen Senkloch auf­ geweitet ist, das im wesentlichen auf die Kegelkontur des Setzkopfes (8) oder des verformten Schließkopfes (7) abgestimmt gestaltet ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaufelfuß (3) in bezug auf seine axial äußeren keilförmigen Gegenflächen (G) axial dicker als der Radkranz (5) ausgebildet ist, wobei dieser Dickenunterschied von den axial am Radkranz (5) aufsitzenden Endteilen (10, 10′) ausgeglichen ist, an denen die radial innenliegenden keilförmigen Gegenflächen (G′) der Einsätze (9, 9′) auslaufen.