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Patent Searching and Data


Title:
TURBOMACHINE ROTOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/087370
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbomachine rotor (10) comprising a radially inner hub element (11), a radially outer cover element (12), and rotor blades (13) which extend between the hub element (11) and the cover element (12) and have rotor blade airfoils (14), wherein the rotor blades (13) are an integral component of the hub element (11) and are bonded to the cover element (12) according to a first alternative or are an integral component of the cover element and are bonded to the hub element according to a second alternative. The rotor blades (13) have an integral socket (15) adjacently to the cover element (11) according to the first alternative or adjacently to the hub element according to the second alternative, and the rotor blades (13) are bonded to the cover element (11) according to the first alternative or to the hub element according to the second alternative via the socket.

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Inventors:
BIDAUT, Yves (Fallerstettenweg 22, 8404 Reutlingen, 8404, CH)
SCHOB, Sascha (Im Jägeracker 41, 4419 Lupsingen, 4419, CH)
GOLD, Christian (Goldbrunnenstrasse 139, 8055 Zürich, 8055, CH)
Application Number:
EP2017/079077
Publication Date:
May 17, 2018
Filing Date:
November 13, 2017
Export Citation:
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Assignee:
MAN DIESEL & TURBO SE (Stadtbachstr. 1, Augsburg, 86153, DE)
International Classes:
F01D5/30; B23P15/02
Foreign References:
KR20110073921A2011-06-30
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

Strömungsmaschinenrotor (10, 20),

mit einem radial inneren Nabenkörper (1 1 , 21 ),

mit einem radial äußeren Deckkörper (12, 22),

mit sich zwischen dem Nabenkörper (12, 21 ) und dem Deckkörper (12, 22) erstreckenden, Laufschaufelblätter (14, 24) aufweisenden Laufschaufeln (13, 23),

wobei die Lauschaufeln (13, 23) nach einer ersten Alternative integraler Bestandteil des Nabenkörpers (1 1 ) und mit dem Deckkörper (12) stoffschlüssig verbunden sind oder nach einer zweiten Alternative integraler Bestandteil des Deckkörpers (22) und mit dem Nabenkörper (21 ) stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass

die Lauschaufeln (13, 23) nach der ersten Alternative benachbart zum Deckkörper (12) oder nach der einer zweiten Alternative benachbart zum Nabenkörper (21 ) einen integralen Sockel (15, 25) aufweisen, über den die Lauschaufeln nach der ersten Alternative mit dem Deckkörper (12) oder nach der zweiten Alternative mit dem Nabenkörper (21 ) stoffschlüssig verbunden sind.

Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lauschaufeln (13, 23) in einem Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Laufschaufelblatt (14, 24) und dem jeweiligen Sockel (15, 25) einen Übergangsradius aufweisen, der zwischen 0,5% und 2,5% eines Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors beträgt.

3. Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsradius zwischen 0,5% und 2,0% des Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors beträgt. Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsradius zwischen 1 ,0% und 2,5% des Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors beträgt.

Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsradius zwischen 1 ,0% und 2,0% des Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors beträgt.

Strömungsmaschinenrotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsradius im jeweiligen Übergangsbereich (1 6, 26) größer als ein Radius im Bereich der jeweiligen stoffschlüssigen Verbindung (17, 27) ist.

Strömungsmaschinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Alternative der Nabenkörper (1 1 ), die Lauschaufeln (13) und die Sockel (15) oder nach der zweiten Alternative der Deckkörper (22), die Lauschaufeln (23) und die Sockel (25) jeweils durch Fräsen als integrale Baugruppen hergestellt sind.

Strömungsmaschinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Alternative die Lauschaufeln (13) und der Deckkörper (12) oder nach der zweiten Alternative die Lauschaufeln (23) und der Nabenkörper (21 ) durch Löten stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

9. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenrotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest folgenden Schritten:

Bereitstellen eines nach der ersten Alternative integral mit den Laufschaufeln (13) beschaufelten Nabenkörpers (1 1 ) oder nach der zweiten Al- ternative eines integral mit den Laufschaufeln (23) beschaufelten Deckkörpers (22),

Bereitstellen eines nach der ersten Alternative separaten Deckkörpers (12) oder nach der zweiten Alternative eines separaten Nabenkörpers (21 ), stoffschlüssiges Verbinden von Nabenkörper (1 1 , 21 ) und Deckkörper (12, 22) über die Sockel (15, 25) der Laufschaufeln (13, 23).

Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Alternative der Nabenkörper (1 1 ), die Lauschaufeln (13) und die Sockel (15) oder nach der zweiten Alternative der Deckkörper (22), die Lauschaufeln (23) und die Sockel (25) jeweils durch Fräsen als integrale Baugruppen bereitgestellt werden.

Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten Alternative die Lauschaufeln (13) und der Deckkörper (12) oder nach der zweiten Alternative die Lauschaufeln (23) u der Nabenkörper (21 ) durch Löten im Bereich der Sockel (15, 25) der die Lauschaufeln (13, 23) miteinander verbunden werden.

Description:
Strömungsmaschinenrotor und Verfahren zum Herstellen desselben

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmaschinenrotor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Strömungsmaschinenrotors.

Strömungsmaschinen, wie Turbinen oder Verdichter, verfügen über statorseitige Baugruppen sowie rotorseitige Baugruppen. Zu den rotorseitigen Baugruppen einer Strömungsmaschine gehört der sogenannte Strömungsmaschinenrotor, der einen radial inneren Nabenkörper, sich ausgehend vom Nabenkörper nach radial außen erstreckende Laufschaufeln sowie bei geschlossener Ausführung einen sich radial außen an die Laufschaufeln anschließenden Deckkörper aufweist. Zwi- sehen dem radial inneren Nabenkörper und dem radial äußeren Deckkörper eines geschlossenen Strömungsmaschinenrotors erstrecken sich die Schaufelblätter der Laufschaufeln.

Bekannte geschlossene Strömungsmaschinenrotoren sind derart aufgebaut, dass nach einer ersten Alternative die Laufschaufeln integraler Bestandteil des Nabenkörpers und mit dem Deckkörper stoffschlüssig verbunden sind oder nach einer zweiten Alternative die Laufschaufeln integraler Bestandteil des Deckkörpers und mit dem Nabenkörper stoffschlüssig verbunden sind.

Dann, wenn die Laufschaufeln integraler Bestandteil des Nabenkörpers sind, bilden die Laufschaufeln und der Nabenkörper eine monolithische Baugruppe. Dann hingegen, wenn die Laufschaufeln integraler Bestandteil des Deckkörpers sind, bilden die Laufschaufeln und der Deckkörper eine monolithische Baugruppe. Zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine besteht Bedarf daran, den jeweiligen Strömungsmaschinenrotor mit zunehmend höherer Drehzahl zu betreiben. Aus der Praxis bekannte Strömungsmaschinenrotoren können jedoch nicht mit zunehmend höheren Drehzahlen betrieben werden, da die stoffschlüssige Verbindung, insbesondere gelötete, zwischen den Laufschaufeln und nach der ersten Alternative dem Deckkörper oder nach der zweiten Alternative dem Nabenkörper bei zunehmend größeren Drehzahlen versagen kann. Es besteht daher Bedarf an einem Strömungsmaschinenrotor, der mit höheren Drehzahlen betrieben werden kann.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Strömungsmaschinenrotor und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Strömungsmaschinenrotor nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weisen die Lauschaufeln nach der ersten Alternative benachbart zum Deckkörper oder nach der zweiten Alternative benachbart zum Naben- körper einen integralen Sockel auf, über den die Lauschaufeln nach der ersten Alternative mit dem Deckkörper oder nach der zweiten Alternative mit dem Nabenkörper stoffschlüssig verbunden sind.

Durch das Vorsehen eines integralen Sockels an den Laufschaufeln und durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sockel und nach der ersten Alternative dem Deckkörper oder der zweiten Alternative dem Nabenkörper kann die jeweilige stoffschlüssige Verbindung verbessert werden, insbesondere werden Spannungen im Bereich derselben verringert, sodass letztendlich der Strömungsmaschinenrotor mit höheren Drehzahlen betrieben und so die Leistung der Strömungsmaschi- ne erhöht werden kann. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Laufschaufeln in einem Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Laufschaufelblatt und dem jeweiligen Sockel eine Übergangsradius auf, der zwischen 0,5% und 2,5%, beson- ders bevorzugt zwischen 1 ,0% und 2,0%, eines Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors beträgt. Mit einem solchen Übergangsradius zwischen dem Laufschaufelblatt und dem Sockel kann die Festigkeit der jeweiligen stoffschlüssigen Verbindung und damit die Maximaldrehzahl eines Strömungsmaschinenrotors besonders vorteilhaft gesteigert werden.

Vorzugsweise sind nach der ersten Alternative der Nabenkörper, die Lauschaufeln und die Sockel oder nach der zweiten Alternative der Deckkörper, die Lauschaufeln und die Sockel jeweils durch Fräsen als integrale und damit monolithische Baugruppen ausgebildet, wobei nach der ersten Alternative die Lauschaufeln und der Deckkörper oder nach der zweiten Alternative die Lauschaufeln und der

Nabenkörper an den Sockeln der Laufschaufeln durch Löten miteinander verbunden sind. Damit kann ein Strömungsmaschinenrotor bereitgestellt werden, der bei besonders hohen Drehzahlen betrieben werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Strömungsmaschinenrotors ist in Anspruch 8 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 : ein stark schematisiertes Detail eines ersten Strömungsmaschinenrotors; und Fig. 2: ein stark schematisiertes Detail eines zweiten Strömungsmaschinenrotors.

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmaschinenrotor, nämlich einen sogenann- ten einen geschlossenen Strömungsmaschinenrotor, insbesondere einen geschlossenen Strömungsmaschinenrotor einer Turbine oder eines Verdichters. Geschlossene Strömungsmaschinenrotoren weisen einen Deckkörper auf.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt aus einem ersten erfindungsge- mäßen Strömungsmaschinenrotor 10 mit einem radial inneren Nabenkörper 1 1 , mit einem radial äußeren Deckkörper 12, und mit sich zwischen dem radial inneren Nabenkörper 1 1 und dem radial äußeren Deckkörper 12 erstreckenden Laufschaufeln 13, die jeweils über ein Laufschaufelblatt 14 verfügen. Der radial innere Nabenkörper 1 1 wird auch als Nabenscheibe und der radial äußere Deckkörper 12 auch als Deckscheibe bezeichnet.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Laufschaufeln 13 integraler Bestandteil des Nabenkörpers 1 1 . Die Laufschaufeln 13 und der Nabenkörper 1 1 bilden demnach eine monolithische Baugruppe.

In Fig. 1 sind die Laufschaufeln 13 mit dem Deckkörper 12 stoffschlüssig verbunden, insbesondere durch Löten.

Erfindungsgemäß weisen die Laufschaufeln 13 bei dem in Fig. 1 gezeigten Aus- führungsbeispiel benachbart zum Deckkörper 12, also an einem dem Deckkörper

12 zugewandten Ende der Laufschaufeln 13, einen integralen und damit monolithischen Sockel 15 auf, über den die Laufschaufeln 13 mit dem Deckkörper stoffschlüssig verbunden sind. Zwischen dem Sockel 15 der jeweiligen Laufschaufel

13 und dem Deckkörper 12 ist demnach eine stoffschlüssige Verbindung 17 aus- gebildet, vorzugsweise eine Lötverbindung. Fig. 1 zeigt einen Radius im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung 17.

Der Nabenkörper 1 1 , die integralen Laufschaufeln 13 des Nabenkörpers 1 1 sowie die integralen Sockel 15 der Laufschaufeln 13 sind vorzugsweise durch Fräsen als integrale Baugruppe ausgeführt. Der Nabenkörper 1 1 , die Laufschaufeln 13 sowie die Sockel 15 bilden demnach eine monolithische Baugruppe.

Die Laufschaufeln 13 verfügen im Übergangsbereich 1 6 zwischen dem jeweiligen Laufschaufelblatt 14 und dem jeweiligen Sockel 15 über einen definierten Übergangsradius, der größer ist als der Radius im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung 17 und der zwischen 0,5% und 2,5% eines Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors 10 beträgt. Dieser Außendurchmesser des Strömungsmaschinenrotors 10 wird durch den größten Durchmesser des Deckkörpers 12 defi- niert.

Bevorzugt beträgt der Übergangsradius im Übergangsbereich 16 zwischen 0,5% und 2 % oder zwischen 1 ,0% und 2,5%, besonders bevorzugt zwischen 1 ,0% und 2,0%, dieses Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors 10.

Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Strömungsmaschinenrotors 20 mit einem radial inneren Nabenkörper 21 , einem radial äußeren Deckkörper 22 sowie mit, sich zwischen dem radial inneren Nabenkörper 21 und dem radial äußeren Nabenkörper 22, erstreckenden Laufschaufeln 23, die Laufschaufelblätter 24 aufweisen.

In der Variante der Fig. 2 sind die Laufschaufeln 23 integraler Bestandteil des Deckkörpers 22 und mit dem Nabenkörper 21 stoffschlüssig verbunden, und zwar über Sockel 25, die einen integralen Bestandteil der jeweiligen Laufschaufel 23 darstellen. Die Laufschaufeln 23, nämlich die Laufschaufelblätter 24 derselben, weisen benachbart zum Nabenkörper 21 bzw. an einem dem Nabenkörper 21 gegenüberliegenden Ende den jeweiligen Sockel 25 auf, über den die Laufschaufeln 23 mit dem Nabenkörper 21 stoffschlüssig verbunden sind.

In Fig. 2 bilden der Deckkörper 22, die Laufschaufeln 23 sowie die Sockel 25 eine integrale Baugruppe, also eine monolithische Baugruppe, die vorzugsweise durch Fräsen ausgebildet ist. Diese monolithische Baugruppe ist über die Sockel 25 der Laufschaufeln 23 stoffschlüssig mit dem Nabenkörper 21 verbunden, insbesondere durch Löten. Fig. 2 zeigt einen Radius im Bereich der stoffschlüssigen Verbin- dung 27.

Im Übergangsbereich 26 zwischen dem jeweiligen Laufschaufelblatt 24 der jeweiligen Laufschaufel 23 und dem jeweiligen Sockel 25 ist ein definierter Übergangsradius ausgebildet, der größer ist als der Radius im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung 27 und der zwischen 0,5% und 2,5%, bevorzugt zwischen 0,5% und 2,0% oder zwischen 1 ,5% und 2,5%, besonders bevorzugt zwischen 1 ,0% und 2,0%, des Außendurchmessers des Strömungsmaschinenrotors 20 beträgt.

Die hier vorliegende Erfindung weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines sol- chen Strömungsmaschinenrotors 10 bzw. 20.

In einem ersten Schritt wird nach der ersten Alternative ein integral mit den Laufschaufeln 13 beschaufelter Nabenkörper 1 1 oder nach der zweiten Alternative ein integral mit den Laufschaufeln 23 beschaufelter Deckkörper 22 bereitgestellt.

In einem zweiten Schritt wird nach der ersten Alternative ein separater Deckkörper 12 oder nach der zweiten Alternative ein separater Nabenkörper 21 bereitgestellt. Bei diesen Baugruppen handelt es sich vorzugsweise jeweils um durch Fräsen oder additives Manufacturing ausgeführte Baugruppen. Nach der ersten Alternati- ve bilden dabei Nabenkörper 1 1 , Laufschaufeln 13 und Sockel 15 eine integrale, monolithische, durch Fräsen hergestellte Baugruppe. Nach der zweiten Alternative bilden der Deckkörper 22, die Laufschaufeln 23 und die Sockel 25 eine durch Fräsen hergestellte, integrale, monolithische Baugruppe.

In einem dritten Schritt werden Nabenkörper 1 1 bzw. 21 und Deckkörper 12 bzw. 22 über die Sockel 15 bzw. 25 der Laufschaufeln 13 bzw. 23 stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise durch Löten.

Ein vorzugsweise durch Fräsen ausgebildeter Übergangsradius im jeweiligen Übergangsbereich 1 6, 26 ist größer als ein Radius im Bereich der jeweiligen stoffschlüssigen Verbindung 17, 27. In der Variante der Fig. 1 ist demnach der Übergangsradius im Übergangsbereich 1 6 zwischen Sockel 15 und Lauschaufelblatt 14 größer als der Radius im Verbindungsbereich zwischen dem Sockel 15 und dem Deckkörper 12. In der Variante der Fig. 2 ist der Übergangsradius im Übergangs- bereich 26 zwischen Sockel 25 und Lauschaufelblatt 24 größer als der Radius im Verbindungsbereich zwischen dem Sockel 25 und dem Nabenkörper 21 .

Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenrotor 10, 20 können die Spannungen durch die Formgebung reduziert werden. Ferner können Drehzahlen an dem Strömungsmaschinenrotor 10, 20 erhöht werden, wodurch letztendlich die Leistung einer Strömungsmaschine gesteigert werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Strömungsmaschinenrotor

1 1 Nabenkörper

12 Deckkörper

13 Laufschaufel

14 Laufschaufelblatt

15 Sockel

16 Übergangsbereich

17 stoffschlüssige Verbindung

20 Strömungsmaschinenrotor

21 Nabenkörper

22 Deckkörper

23 Laufschaufel

24 Laufschaufelblatt

25 Sockel

26 Übergangsbereich

27 stoffschlüssige Verbindung