Trommelförmiger Schaufelträger für Axial-Kreiselmaschinen. Die Erfindung bezieht sich auf einen trommelförmigen Schaufelträger mit wenig stens einem Kranz von axial durchströmten, nach innen vorstehenden Schaufeln für Krei selmaschinen, insbesondere für Axialverdich- ter. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei gro sser Genauigkeit der Beschaufelung ein Mindestmass an Gewicht des Schaufelträgers zu erzielen.
Bei den bekannten Axialverdichtern mit je einem oder mehreren Lauf- und Leitschau- felkränzen werden die an der Gehäusetrom mel angeordneten, nach innen vorstehenden Schaufeln aus Blech hergestellt und in dem Gehäuse eingeschweisst oder eingegossen. Hierzu müssen die Schaufeln vor dem Schweissen oder vor dem Giessen genau aus gerichtet werden. Dies ist jedoch nur sehr umständlich durchzuführen. Ferner bleiben beim Schweissen wie beim Giessen die Schau feln meist nicht in der vorher eingestellten Lage, wodurch Änderungen der Schaufel winkel entstehen.
Solange es sich um niedrig belastete Verdichter handelt, sind diese meist geringen Winkeländerungen nicht von Be deutung. Ein weiterer, für niedrig belastete Verdichter ebenfalls belangloser Übelstand ist, dass beim Anschweissen der Schaufeln die am Fusse der Leitschaufeln angebrachten Schweissraupen, die nur sehr schwer zugäng lich sind und deshalb nicht sauber geglättet werden können, Störungen in der Strömung verursachen.
Gegenüber dem Bekannten werden aber viel strengere Forderungen gestellt, wenn es sich um sehr rasch laufende, hochbelastete Verdichter handelt, wie z. B. Auflader für Flugmotoren, Forderungen, die mit den eben beschriebenen Mitteln nicht mehr befriedigt werden können. Hierbei müssen, damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, im Ver dichter alle Störungen in der Strömung und der Führung der Luft vermieden werden; dazu soll der Verdichter noch so leicht wie irgend möglich werden.
Man muss also eine Beschaufelung verwenden,- die einen sehr hohen Grad an Genauigkeit aufweist und dabei nur ein äusserst geringes Gewicht hat.
Eine Beschaufelung, die in hohem Masse diesen Forderungen nachkommt, ist aus dem Dampfturbinenbau schon bekannt. Bei die ser Beschaufelung werden die Schaufeln ein zeln gefräst, geschliffen und, wenn nötig, auch poliert, und erhalten somit eine sehr genaue Form. Zur Befestigung sind sie mit einem schwalbenschwanzartig oder ähnlich ausgefrästen Fuss versehen, mit dem sie in eine in die Gehäusetrommel eingedrehte Nut eingesetzt werden. Dies bedingt aber ein Ge häuse mit dafür ausreichender, recht be trächtlicher Wandstärke, welches sich für Dampfturbinen wohl noch ausführen lässt, weil es bei ihnen auf grosse Gewichtserspar nis nicht ankommt, für Verdichter im Flug zeugbau aber würde es viel zu schwer wer den.
Die aufgeführten Nachteile können durch die Ausbildung der Schaufelfüsse und deren Befestigung gemäss der Erfindung dadurch beseitigt werden, dass jede Schaufel eines Kranzes einzeln auf einem Ringsegment mit zylindrischer Aussenfläche sitzt, welches Ringsegment in einer mit gleichem Durch messer zylindrisch ausgedrehten Sitzfläche der Trommel eingesetzt und dort befestigt ist.
Mit der erfindungsgemässen Ausbildung der Schaufelfüsse wird ausser der Gewichts ersparnis noch der weitere Vorteil ermög licht, dass die Trommel nur sehr einfach her zustellende zylindrische Bohrungen erhält, die die Bearbeitung wesentlich vereinfachen.
Die beschriebene Ausbildung der Schau felfüsse lässt sich auch bei Verdichtern mit mehreren Stufen, also mit mehreren Kränzen von nach innen ragenden Schaufeln anwenden. Solche Verdichter werden oft mit in Strö mungsrichtung abnehmendem Querschnitt und dementsprechend mit von Stufe zu Stufe radial immer kürzer werdenden Schaufeln ausgeführt, so dass das Gehäuse eine konische Trommel bildet.
In diesem Fall werden die Sitzflächen in der Trommel für die zylindri schen Ringsegmente der verschiedenen Schau felkränze zweckmässigerweise als Ausdre- hungen mit in Strömungsrichtung zu- oder abnehmenden Durchmessern ausgeführt, wo durch die Herstellung gegenüber einer Trom mel mit konischer Ausdrehung wesentlich vereinfacht wird.
Da die von der Luft auf die Leitschau- feln ausgeübten Kräfte, die vom Schaufel fuss auf das Gehäuse übertragen werden müs sen, nicht sehr gross sind, kann die Befest.i- gting der Schaufeln im Gehäuse dadurch wesentlich vereinfacht werden, dass die Schau feln zum Beispiel nur durch die Ringseg mente übergreifende Halteringe in ihrer Lage gehalten erden, während die Umfangskraft vom Schaufelfuss auf das Gehäuse durch Rei bung übertragen wird. Dabei ist gleichgültig, ob das Gehäuse längs seiner Achse in einer Mittelebene geteilt ist oder nicht.
Im einen Falle sind dann die Halteringe in Umfangs richtung geteilt und zum Beispiel durch Schrauben radial befestigt, im andern Falle dürfen sie ungeteilt sein und werden dann zweckmässig durch einen Druckring axial zu sammengehalten.
Die Ringsegmente werden meist vor und hinter der Schaufel durch je einen Haltering gehalten, oft genügt aber auch nur ein auf einer Seite angebrachter Haltering, besonders bei den erwähnten, axial durch einen Druck ring zusammengehaltenen Schaufelkränzen.
Die Erfindung lässt sich nicht nur für Axialverdichter anwenden, bei denen das trommelförmige Gehäuse mit einem oder mehreren Leiträdern feststeht, sie kann eben- sogut bei gegenläufigen Axialverdichtern an gewendet werden, bei denen die Trommel mit der an ihr befestigten Schaufelung in einem dem Drehsinn des Läufers entgegen gesetzten Drehsinn mit der gleichen oder einer andern Drehzahl wie der Läufer an getrieben wird.
Da die umlaufende Trommel hierbei meist über den in Strömungsrichtung gesehen eisten oder letzten Schaufelkranz an getrieben und ebenfalls der Axialschub über einen dieser beiden Schaufelkränze auf eine M'elle übertragen wird, wird zweckmässig jeder dieser beiden Schaufelkränze mit einer Radscheibe und einem Aussenkranz aus einem Stück hergestellt, und nur die zwischen ihnen liegenden Schaufelkränze sind nach der Er findung ausgebildet.
Die Schaufeln in einem umlaufenden Schaufelträger werden als Arbeitsschaufeln wesentlich höher belastet als die Leitschau- feln in einem feststehenden Gehäuse, so dass eine grössere Anpressungskraft zur Übertra gung der Kraft zwischen Schaufelfuss und Trommel erforderlich ist. Die an den Schau feln wirkende Zentrifugalkraft, die ein Mehrhundertfaches der an den Schaufeln an greifenden, von der Luft herrührenden Kraft beträgt, übt aber die erforderliche hohe An pressung schon aus, so dass auch hier die ein fache Befestigung mit übergreifenden, unge teilten Halteringen ohne besondere Befesti gung der Schaufelfüsse durch Schrauben aus reicht.
Die Wand des umlaufenden Gehäuses wird daher durch keinerlei Schraubenlöcher geschwächt und darf deswegen mit sehr klei ner Stärke ausgeführt werden, womit das er wünschte Mindestmass an Gewicht erreicht werden kann.
Zur glatten Führung der Strömung im trommelförmigen Schaufelträger wird zweck mässig jeder durch die Ringsegmente gebil dete Ring so ausgedreht, dass die Halteringe eingelassen werden können oder die Ring segmente derart überdecken, dass ein in Längsrichtung stetig verlaufendes Strö mungsrohr mit veränderlichem oder gleich bleibendem Querschnitt entsteht.
Die Erfindung ist nicht auf Verdichter beschränkt, sondern kann genau so gut bei andern axial durchströmten Kreiselmaschi nen angewendet werden.
Die Erfindung wird in der Zeichnung an zwei Beispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 Längsschnitt durch einen in Längs richtung geteilten, mehrstufigen Axialver- dichter mit Leit- und Laufschaufeln, Fig. 2 Querschnitt durch den Verdichter der Fig. 1, Fig. 3 Längsschnitt durch einen in Längs richtung ungeteilten, mehrstufigen, gegen läufigen Axi.alverdichter. In Fig. 1 bedeutet 1 ein Laufrad, auf dem zwei Schaufelkränze - angeordnet sind.
Zu diesen Kränzen gehören drei Leitschaufel- kränze, die in einer feststehenden Trommel 2 mit nach innen ragenden Schaufeln ange bracht sind. Die Ausbildung der drei Leit- schaufelkränze ist vollkommen gleichartig und wird daher nur für den mittleren be schrieben. Jede Schaufel 3 dieses Kranzes ist zusammen mit dem als Ringsegment 4 aus gebildeten Fuss aus einem Stück gearbeitet. Das Ringsegment ist an der Fläche 5 zylin drisch gedreht und sitzt in einer entspre chenden Ausdrehang der Trommel 2.
Zur Befestigung aller Ringsegmente dieses Schau felkranzes dienen Halteringe 6 und 7, von denen Ring 6 den gleichen Aussendurchmes ser wie die Ringsegmente 4, und Ring 7 den gleichen Aussendurchmesser wie die Ring segmente des in Strömungsrichtung nachfol- geraden Leitschaufelkranzes hat. Die in Um fangsrichtung geteilten Halteringe greifen über Vorsprünge 8 und 9 der Ringsegmente und werden durch Schrauben 10 und 11 in radialer Richtung befestigt.
Bei mehrstufi gen Verdichtern, wie die Zeichnung einen zeigt, kann zwischen zwei Schaufelkränzen jeweils ein Haltering dadurch erspart wer den, dass jeder Haltering die Ringsegmente zweier benachbarter Schaufelkränze festhält.
Damit die Leitschaufelkränze der Trom mel in Achsrichtung den richtigen Abstand zueinander erhalten, werden bei der Bearbei tung die Masse 12 und 13 genau eingehalten, während bei 14 und 15 Spiel bleibt. Hier durch ergibt sich der Vorteil einer einfachen Bearbeitung, weil die Zylinderbohrungen nur im Durchmesser genau, in ihrer axialen Länge aber lediglich reichlich lang ausge führt werden müssen.
Die an den Leitschaufeln angreifende, von der Luft ausgeübte Kraft wird auf das Gehäuse durch Reibung in der Zylinderflä che 5 und in den Stirnflächen der Ringseg mente übertragen.
Fig. 2 zeigt die zylindrischen Ringseg mente 4 auch in der andern Ansicht nach Schnitt A -B der Fig. 1. Die beiden Ge- häusehälften werden durch Schrauben in den Flanschen 16 und 17 zusammengehalten.
In Fig. 3 ist die Befestigung der Ring segmente durch Zusammenpressen in Achs richtung des Verdichters an einem gegen läufigen Axialverdichter, bei dem also die Trommel mit ihren Schaufeln entgegen gesetzt zum Läufer umläuft, gezeigt. Bei einem solchen Verdichter ist dann die Trom mel zweckmässig ungeteilt; von den an der Trommel angeordneten Schaufelkränzen die nen meist der erste und der letzte gleichzei tig dazu, die Trommel über Radscheiben mit einer Welle zu verbinden.
Der gegenläufige Verdichter weist einen Läufer 101 mit vier Schaufelkränzen und einen trommelförmigen Schaufelträger 102 mit fünf Schaufelkränzen auf. Der erste Schaufelkranz 103 der Trommel 102 ist mit einer in der Zeichnung nur angedeuteten Radscheibe 104 und dem Aussenkranz <B>105</B> aus einem Stück hergestellt; desgleichen der letzte Schaufelkranz 106 mit der Radscheibe 107 und dem Aussenkranz 108. Die Trom mel enthält vier zylindrische Ausdrehungen mit in Strömungsrichtung abnehmenden Durchmessern mit den in axialer Richtung eingeschobenen Schaufelkränzen, und zwar als ersten der im Durchmesser kleinste Schaufelkranz 106, der sich mit seinem Aussenkranz<B>108</B> an einen Anlagering 109 der Trommel 102 anlegt.
Darnach wird ein ungeteilter Haltering 110 eingeschoben und dann die Ringsegmente 112 des Schaufel kranzes 111, der gemäss der Erfindung aus gebildet ist. Jede Schaufel 111 sitzt auf einem den Fuss bildenden Ringsegment 112, in dessen Eindrehung 113 der Haltering 110 eingreift und die Schaufel radial abstützt. Nach diesem Schaufelkranz ist wieder ein Haltering 114 eingeschoben, darnach wieder die Ringsegmente eines Schaufelkranzes und so fort. Das Ganze wird mit dem als Druck ring ausgebildeten Aussenkranz 105 des er sten Schaufelkranzes 103 durch Schrauben 115 in Achsrichtung zusammengepresst.
Bei der dargestellten Ausführung der Ringsegmente und Halteringe müssen die Masse 116 und 117 und die entsprechenden Masse bei andern Kränzen bei der Bearbei tung genau eingehalten werden, damit die Schaufeln in Achsrichtung in die richtige Lage kommen. Dagegen ist bei<B>118</B> Spiel vorhanden. Somit kommt auch hier wieder der Vorteil hinzu, dass die Trommel sehr ein fach hergestellt werden kann, weil die zylin drischen Ausdrehungen mir im Durchmesser, nicht aber in ihrer axialen Länge genau aus gefiihrt sein müssen. In der Länge müssen sie nur so reichlich sein, damit zwischen dem Schaufelfuss und der Trommel bestimmt Spiel bleibt.
Die Halteringe könnten auch statt in Strömurigsrielitung hinter dem Schaufel kranz, wie Fig. 3 zeigt, davor angeordnet sein.
Aus Fig. 1 und 3 ist auch zu erkennen, dass die Halteringe die Ringsegmente derart übergreifen, dass ein glattes, sich konisch ver jüngendes Strömungsrohr entsteht.
Drum-shaped blade carrier for axial centrifugal machines. The invention relates to a drum-shaped blade carrier with at least one ring of axially flowed through, inwardly projecting blades for rotary machines, in particular for axial compressors. It is based on the task of achieving a minimum weight of the blade carrier with great accuracy of the blades.
In the known axial compressors, each with one or more rotor and guide vane rings, the inwardly protruding blades arranged on the housing drum are made from sheet metal and welded or cast into the housing. For this purpose, the blades must be precisely aligned before welding or before casting. However, this is very difficult to carry out. Furthermore, when welding or casting, the blades usually do not stay in the previously set position, which causes changes in the blade angle.
As long as the compressor is under low load, these mostly small changes in angle are of no significance. Another drawback, which is also insignificant for low-load compressors, is that when the blades are welded on, the welding beads attached to the base of the guide blades, which are very difficult to access and therefore cannot be smoothed cleanly, cause disturbances in the flow.
Compared to the known but much stricter requirements are made when it comes to very fast running, highly loaded compressors, such. B. superchargers for aircraft engines, demands that can no longer be satisfied with the means just described. Here, so that a high degree of efficiency is achieved, all disturbances in the flow and the guidance of the air must be avoided in the United poet; in addition, the compressor should be as light as possible.
So you have to use a blading - which has a very high degree of accuracy and is only extremely light.
Blading that meets these requirements to a large extent is already known from steam turbine construction. With this blading, the blades are individually milled, ground and, if necessary, also polished, giving them a very precise shape. For attachment they are provided with a dovetail-like or similarly milled foot, with which they are inserted into a groove screwed into the housing drum. However, this requires a housing with sufficient, quite considerable wall thickness, which can still be implemented for steam turbines, because large weight savings are not important for them, but it would be much too heavy for compressors in aircraft construction.
The disadvantages listed can be eliminated by the formation of the blade roots and their attachment according to the invention in that each blade of a ring sits individually on a ring segment with a cylindrical outer surface, which ring segment is inserted into a seat surface of the drum with the same diameter and is fastened there is.
With the design of the blade roots according to the invention, in addition to saving weight, the further advantage is made possible that the drum only has cylindrical bores which are very easy to manufacture and which considerably simplify machining.
The described formation of the blade feet can also be used in compressors with several stages, ie with several rings of inwardly protruding blades. Such compressors are often designed with a cross-section that decreases in the direction of flow and accordingly with blades that become shorter and shorter radially from step to step, so that the housing forms a conical drum.
In this case, the seat surfaces in the drum for the cylindrical ring segments of the various blade rims are expediently designed as turns with increasing or decreasing diameters in the direction of flow, which considerably simplifies the production compared to a drum with a conical turning.
Since the forces exerted by the air on the guide vanes, which must be transmitted from the vane base to the housing, are not very great, the fastening of the vanes in the housing can be considerably simplified by the fact that the vanes For example, only be held in place by retaining rings that extend across the Ring segments, while the circumferential force is transmitted from the blade root to the housing by friction. It does not matter whether the housing is divided along its axis in a central plane or not.
In one case, the retaining rings are then divided in the circumferential direction and fastened radially, for example by screws, in the other case they may be undivided and are then conveniently held together axially by a pressure ring.
The ring segments are usually held in front of and behind the blade by a retaining ring each, but often only one retaining ring attached to one side is sufficient, especially in the case of the aforementioned blade rings held together axially by a pressure ring.
The invention can be used not only for axial compressors in which the drum-shaped housing is fixed with one or more idlers, it can also be used in counter-rotating axial compressors in which the drum with the blades attached to it in one direction of rotation of the rotor opposite direction of rotation with the same or a different speed as the rotor is driven.
Since the rotating drum is mostly driven via the last or last blade ring, seen in the direction of flow, and the axial thrust is also transferred to a shaft via one of these two blade rings, each of these two blade rings is expediently made from one piece with a wheel disk and an outer ring , and only the blade rings between them are formed according to the invention.
The blades in a rotating blade carrier, as working blades, are subjected to a significantly higher load than the guide blades in a stationary housing, so that a greater contact pressure is required to transmit the force between the blade root and the drum. The centrifugal force acting on the blades, which is several hundred times the force coming from the air and acting on the blades, exerts the necessary high pressure, so that the simple attachment with overlapping, unpartitioned retaining rings without special fastening of the blade roots with screws is sufficient.
The wall of the encircling housing is therefore not weakened by any screw holes and may therefore be carried out with a very small thickness, so that the minimum weight he wished can be achieved.
For smooth guidance of the flow in the drum-shaped blade carrier, each ring formed by the ring segments is expediently turned out so that the retaining rings can be inserted or the ring segments cover the ring segments in such a way that a continuous flow tube with a variable or constant cross section is created.
The invention is not limited to compressors, but can be applied just as well to other centrifugal machines through which there is axial flow.
The invention is explained in more detail in the drawing using two examples. They show: FIG. 1 a longitudinal section through a multi-stage axial compressor divided in the longitudinal direction with guide and rotor blades, FIG. 2 a cross-section through the compressor of FIG. 1, running axial compressor. In Fig. 1, 1 denotes an impeller on which two blade rings - are arranged.
These rings include three guide vane rings, which are placed in a stationary drum 2 with inwardly protruding blades. The design of the three guide vane rings is completely identical and is therefore only described for the middle one. Each blade 3 of this ring is worked together with the foot formed as a ring segment 4 from one piece. The ring segment is rotated cylindrically on the surface 5 and sits in a corre sponding turning of the drum 2.
Retaining rings 6 and 7 are used to fasten all ring segments of this blade ring, of which ring 6 has the same outer diameter as ring segments 4, and ring 7 has the same outer diameter as the ring segments of the guide blade ring, which is straight in the flow direction. The retaining rings, divided in the circumferential direction, engage over projections 8 and 9 of the ring segments and are fastened by screws 10 and 11 in the radial direction.
In the case of multistage compressors, as the drawing shows, a retaining ring can be saved between two blade rings in that each retaining ring holds the ring segments of two adjacent blade rings.
So that the guide vane rings of the drum get the correct distance from one another in the axial direction, the masses 12 and 13 are precisely adhered to during processing, while at 14 and 15 play remains. This results in the advantage of simple machining, because the cylinder bores only have to be exactly in diameter, but only have to be long enough in their axial length.
The force exerted by the air acting on the guide vanes is transmitted to the housing by friction in the cylinder surface 5 and in the end faces of the Ringseg elements.
FIG. 2 shows the cylindrical ring segments 4 also in the other view according to section A-B in FIG. 1. The two housing halves are held together by screws in the flanges 16 and 17.
In Fig. 3 the attachment of the ring segments is shown by pressing together in the axial direction of the compressor on a counter-rotating axial compressor, in which the drum with its blades rotates opposite to the rotor. In such a compressor, the drum is then expediently undivided; Of the blade rings arranged on the drum, the first and the last are usually used at the same time to connect the drum to a shaft via wheel disks.
The counter-rotating compressor has a rotor 101 with four blade rings and a drum-shaped blade carrier 102 with five blade rings. The first blade ring 103 of the drum 102 is made in one piece with a wheel disk 104 (only indicated in the drawing) and the outer ring 105; likewise the last blade ring 106 with the wheel disk 107 and the outer ring 108. The drum contains four cylindrical recesses with diameters decreasing in the direction of flow with the blade rings inserted in the axial direction, namely the first blade ring 106 with the smallest diameter, which is with its outer ring <B> 108 </B> rests on an abutment ring 109 of the drum 102.
Then an undivided retaining ring 110 is inserted and then the ring segments 112 of the blade wreath 111, which is formed from according to the invention. Each blade 111 is seated on a ring segment 112 which forms the foot and in whose recess 113 the retaining ring 110 engages and radially supports the blade. After this blade ring, a retaining ring 114 is inserted again, then again the ring segments of a blade ring and so on. The whole thing is pressed together with the outer ring 105 formed as a pressure ring of the most he blade ring 103 by screws 115 in the axial direction.
In the embodiment of the ring segments and retaining rings shown, the masses 116 and 117 and the corresponding masses for other wreaths must be precisely adhered to during processing so that the blades come into the correct position in the axial direction. In contrast, <B> 118 </B> has play. Thus, here too there is the additional advantage that the drum can be manufactured very easily because the cylindrical recesses have to be precisely designed in terms of diameter, but not in terms of their axial length. They only have to be so long in length that there is a certain amount of play between the blade root and the drum.
The retaining rings could also be arranged in front of it instead of in Strömurigsrielitung behind the blade ring, as shown in FIG. 3.
From Fig. 1 and 3 it can also be seen that the retaining rings overlap the ring segments in such a way that a smooth, conically ver younger flow tube is formed.