DE2850941A1

DE2850941A1 - Turborotor mit keramikschaufeln

Info

Publication number: DE2850941A1
Application number: DE19782850941
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Ing Siebmanns
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1980-06-12

Description

Turborotor mit Keramik schaufeln
Die Erfindung bezieht sich auf einen Turborotor der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art.
Bei solchen Turborotoren, die nicht als integrale Bauteile ausgeführt sind, muß zwischen Schaufelfuß und -der jeweiligen Haltenut Spiel vorgesehen werden, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Rotorkörper und Schaufelfuß über den weiten Temperaturbereich, den solche Turborotoren währendihres Betriebs durchlaufen, zu berücksichtigen. Dadurch haben die Schaufeln aber die Möglichkeit sich in den Haltenuten schief zu stellen. Eine solche Schiefstellung wird insbesondere dann erfolgen, wenn bei noch kaltem Turborotor dieser sich in Bewegung setzt und Trägheitskräftesoder Gaskräfte auf die Schaufeln wirken, bevor durch die Wirkung von Fliehkräften eine Fixierung der Schaufeln in den Haltenuten erfolgen kann. Ist eine Schiefstellung jedoch einmal eingetreten, dann kann diese auch bei rasch ansteigenden Fliehkräften nicht mehr korrigiert werden, da die Flächenpressung und die Reibkräfte zu rasch zu hoch werden. Schief sitzende Schaufeln erleiden jedoch zusätzliche Biege- oder Torsionsspannungen, für die sie nicht ausgelegt sind und brechen deshalb bei hoher Belastung.
Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wurde vorgeschlagen, die Schaufelfüße dadurch zu fixieren, daß man sie mit Federelementen, insbesondere Federblechen an die vorgesehenen Stützflächen der Nut andrückt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit dieser Maßnahme eine Lösung des Problems nicht dauerhaft erfolgen kann, da die verwendeten Federelemente bei den extrem hohen Temperaturen, in denen solche Turborotoren betrieben werden, ihre elastischen Eigenschaften verloren. Ein anderer Vorschlag zur Lösung des aufgezeigten Problems ging dahin, die Schaufeln unter Benutzung geeigneter Zwischenschichten aus Metall-Keramikfilzen in einen Rotorkörper einzubinden. Eine solche Lösung hat jedoch in jedem Fall den Nachteil, daß sie eine nicht mehr lösbare Verbindung zwischen Schaufel und Rotorkörper darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Turborotor der eingangs beschriebenen Gattung so auszubilden, daß eine sichere-Fixierung der Schaufeln im Rotorkörper erreicht wird,. ohne daß andere Nachteile, wie etwa eine unlösbare Verbindung zwischen Schaufel und Rotorkörper, in Kauf genommen werden müssen und ohne daß großer Herstellungsaufwand erforderlich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen solchen gattungsgemäßen Turborotor entsprechend dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 auszubilden.
Bei einem erfindungsgemäßen Turborotor wird das Andrücken des Schaufelfußes an die vorgesehenen Stützflächen der Nut durch das verschiebliche Gewicht bewirkt, indem dieses bereits bei Beginn einer Rotation sich mit seiner Fliehkraft an den Schaufelfuß anlegt. Wegen der im Vergleich zür Schaufel geringeren Trägheit bewegt sich das Gewicht schneller radial nach außen als die Schaufel sich schief stellt und hält diese dann jeweils mit der der Drehzahl entsprechenden Fliehkraft in ihrer benötigten exakt radialen Stellung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die Ausnehmung eine Radialbohrung sein. Es kann jedoch auch, falls aus Festigkeitsgründen eine solche Radialbohrung vermieden werden soll, die Ausnehmung eine zweite Nut sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 4 aufgezeigt. Durch eine solche geringfügige Exzentrizität der Achse der Gewichtsverschieblichkeit gegenüber dem Fliehkraftvektor der Schaufel selbst kann eine Rückstellkraft gegenüber einer aufgrund von Trägheitskräften bereits erfolgten unerwünschten Schaufelauslenkung erzeugt werden. Handelt es sich bei dem Turborotor um ein Turbinenrad, so wird man die Achse der Gewichtsverschieblichkeit gegenüber dem Fliehkraftvektor der Schaufel selbst in Drehrichtung des Turbinenrades verschieben, handelt es sich dagegen um ein Verdichterrad, so wird die Achse der Gewichtsverschieblichkeit gegenüber dem Fliehkraftvektor der Schaufel entgegen der Drehrichtung zu verschieben sein, um gegen eine beim Anlauf des Rotors doch auftretende Schaufelauslenkung eine Rückstellkraft erzeugen zu können.
Obwohl das Material für das Fixiergewicht an sich auf die Funktion keinen Einfluß hat, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gewicht aus Metall besteht, da der zur Verfügung stehende Platz für das Gewicht doch sehr begrenzt ist.
Auch die geometrische Form des Gewichts ist nicht von Bedeutung, so daß sowohl zylindrische als auch polygonale Gewichte zur Anwendung kommen können. Die geometrische Form und Ausbildung des Gewichts wird man vorteilhaft so wählen, wie es aus fertigungstechnischen Gründen am einfachsten ist.
Dabei hoher Beschleunigung des Turborotors aus dem Stillstand ein Aufschlagen des Gewichtes auf den Schaufelfuß auftreten kann, ist es vorteilhaft, zur sicheren Vermeidung einer Beschädigung des Schaufelfußes durch dieses Aufschlagen die radial äußere Seite des Gewichts mit einer Polsterkappe aus hochelastischem Material zu versehen.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 7, die allerdings zusätzlichen-Aufwand bedingt, wird ein solches Aufschlagen des Gewichts auf den Schaufelfuß gänzlich vermieden Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turborotors wird anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Die Zeichnung zeigt ausschnittweise einen Querschnitt durch den peripheren Teil eines Turbinenrotors. Der Rotorkörper, der vorzugsweise aus Metall bestehen soll, ist mit 1 bezeichnet. Die Drehachse des Rotors ist senkrecht zur Zeichenebene stehend und unterhalb des dargestellten Ausschnitts zu denken. In einer etwa axial ausgerichteten Haltenut 2 ist eine Axialschaufel 4 mit ihrem Schaufelfuß 3 gehalten.
Der Schaufelfuß 3 stützt sich mit etwa konischen Stützflächen 31, 32 in bekannter Weise an entsprechenden Stützflächen der Nut 2 ab. Zwischen dem Schaufelfuß 3 und der Nut 2 besteht Spiel, um eine freie Wärmedehnung bei erhöhten Temperaturen zu ermöglichen. Die Drehrichtung des Turbinenrotors soll entsprechend der Richtung des Pfeiles 10 entgegen dem Uhrzeigersinn sein. Eine durch den Rotormittelpunkt und den Schwerpunkt der Schaufel 4 verlaufende Achse ist mit 14 bezeichnet. Gegen diese Achse 14 in Drehrichtung des Turbinenrades verschoben befindet sich am Grund der Nut 2 eine Radialbohrung 5, in der ein leicht verschiebliches Gewicht 6 sitzt. Das Gewicht 6 ist in einer am Schaufel fuß 3 anliegenden Position gezeigt, d. h. in einer Position, in der es sich unter Einwirkung seiner Fliehkraft, d. h.
also bei rotierendem Turbinenrotor befindet. An seiner radial äußeren Seite weist das Gewicht 6 eine Polsterkappe 16 auf, die aus hochelastischem Material besteht. Um das Gewicht 6 auch dann gegen den Schaufelfuß zu drücken, wenn das Turbinenrad in Ruhe ist, kann radial innerhalb des Gewichtes eine Druckfeder vorgesehen sein, die gerade die Erdanziehungskraft des Gewichtes 6 ausgleicht. Eine solche Feder ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Anstelle der Bohrung 5 am Grund der Nut 2 kann auch eine zweite Nut vorgesehen sein, die sich dann etwa auch in Richtung der Nut 2 erstreckt. Auch anders geformte Ausnehmungen zur Aufnahme eines Gewichts 6 können am Grund der Nut 2 vorgesehen sein.
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Claims

Patentansprüche Turborotor mit Keramikschaufeln, deren Schaufelfuß jeweils mit Spiel in einer Nut des Rotorkörpers formschlüssig abgestützt ist und mit Mitteln zum Andrücken. des Schaufelfußes an die vorgesehenen Stützflächen der Nut, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper (1) jeweils am Nutgrund eine Ausnehmung mit wenigstens ungefähr radial ausgerichteten Führungsflächen aufweist, in der ein leicht verschiebliches Gewicht (6) sitzt.
2. Turborotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine Radialbohrung (5) ist.
3. Turborotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine zweite Nut ist.
4. Turborotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Bohrung bzw. die Längsmittelebene der zweiten Nut gegen die durch den Rotormittelpunkt und den Schaufelschwerpunkt bestimmte Achse (14) in Umfangsrichtung verschoben ist.
5. Turborotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (6) aus Metall besteht.
6. Turborotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (6) an seiner radial äußeren Seite eine Polsterkappe (16) aus hochelastischem Material aufweist.
7. Turborotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht mittels einer Druckfeder ständig am Schaufelfuß in Anlage gehalten wird.