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B e s c h r e i b u n-g Verdrehbare laaufschaufel für axiale Strömungsmaschinen
Die Erfindung betrifft eine im Betrieb verdrehbare Laufschaufel von axialen Strömungsmaschinen,
insbes. von Axialventilatoren oder -verdichtern.
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Die Laufsohaufeln derartiger Maschinen sollen im Betrieb verstellbar,
d.h. verdrehbar sein, um die Ventilatoren mit möglichst gutem Wirkungsgrad an die
verschiedenen Betriebsverhältnisse anzupassen. Die Laufräder dieser Ventialtoren
erfordern deshalb eine Anzahl von Bauelementen, die die Laufschaufel drehbar aufnehmen.
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Diese Bauelemente müssen der Größe des Laufrades und der Belastung
angepaßt sein, Die Umfangsgeschwindigkeit der Axialventilatoren und -verdichter
soll möglichst hoch gewählt werden können, um auf diese Weise zu Maschinen mit kleinen
Abmessungen zu kommen.
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Die spezifische Belastung der Bauelemente des Laufrades steigt mit
der Umfangsgeschwindigkeit entsprechend an. Je leichter und belastbarer die Bauelemente
des Laufrades werden, um so größer kann die zulässige Umfangsgeschwindigkeit sein.
Die bisher bekannen Lösungen für Drehschaufellagerungen sind an einer Grenze angelangt
Die Bauelemente einer Drehschaufellagerung, insbesondere die Schaufelwelle, unterliegen
den verschiedenen Beanspruchungen:
Fliehkraftzugbeanspruchung, Biegung
durch die Schaufelkraft, Torsion durch die Schaufelrückstellkraft, Torsion durch
die eingeleitete Verstellkraft, Biegung durch die Verstellkraft, Biegung durch unsymmetrische
Massen.
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Die Schaufelwelle ist dabei in verschiedenen Bereichen ganz unterschiedlich
beansprucht. Die bisher bekannten Drehschaufelwellen aus einem Stück homogenen Materials
können nicht optimal gegen die in den Bereichen jeweils vorliegenden Beanspruchungen
dimensioniert werden.
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Würde beispielsweise eine Welle aus hochfestem Stahl durchaus in der
Lage sein, die Fliehkraftzugspannung mit kleinem Querschnitt aufzunehmen, so müßte
sie mit Rücksicht auf die Durchbiegung durch die Schaufelkraft und die zulässige
Verdrehung durch das Rückstellmoment wesentlich dicker gehalten werden. Zu ähnlichen
Ergebnissen kommt man mit allen Werkstoffen, wie z.B. Aluminium, Titan und faserverstärktem
Material.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine verdrehbare Laufschaufel
zu schaffen, deren Befestigungselemente leichter und höher belastbar sind als die
bisher bekannten. Darüberhinaus soll sie die Kombination einer Vielzahl von Drehschaufellagerungen
für unterschiedliche Nabendurchmesser mit einer kleinsten Anzahl verschiedener Bauelemente
gestatten.
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Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß bei der verdrehbaren Laufschaufel
für Axialströmungsmaschinen die Schaufelwelle aus zwei Elementen, nämlich einem
zentralen Zuganker und einem konzentrisch dazu angeordneten Rohr besteht.
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Ferner ergab sich eine Lösung für die Anpassung an verschiedene Nabendurchmesser
des Laufrades, indem die Laufschaufel durch Änderung der Länge des Zugankers und
des Rohres bei Verwendung gleicher Normgrößen für die übrigen Teile in verschiedene
Laufraddurchmesser eingebaut werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen erkennt man aus der Beschreibung
einer beispielhaften Ausführung, die in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist und
der bisher üblichen Ausführung nach Figur 1 gegenübergestellt wird.
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Fig. 1 ist ein Schnitt senkrecht zur Drehachse eines Laufrades der
üblichen Bauart. Die Schaufelwelle 1 mit der Schaufel 10 liegt mit ihrer Drehachse
in dieser Schnittebene, und zwar radial zur Drehachse des Laufrades. Um dessen Mittelpunkt
ist durch den Pfeil 20 die Drehung des Laufrades angedeutet. Die Schaufel 10 ist
auf dem Flansch 2 der Schaufelwelle durch eine Schraubenverbindung befestigt. Die
Welle 1 besteht aus einem Stück und ist beispielsweise durch Schmieden aus einem
Block hergestellt.
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Die Drehschaufel ist in den beiden Lagern 5 und 6 aufgenommen, so
daß sie verdrehbar ist. Das Axiallager 5 nimmt im wesentlichen die Fliehkräfte der
Schaufel auf und überträgt diese auf den Ring 8 des Laufrades. An die Schaufelwelle
wird die Axialkraft durch den Lagerträger 3 übertragen, der sich an den Nabenteil
des Hebels 4 abstützt. An dem Hebel ist der Zapfen 24 angebracht, an dem die Verstellstange
für die Verdrehung der Laufschaufel angreift. Das zweite Lager der Schaufelwelle
ist als Gleitlager 6 dargestellt.
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Es ist lediglich ein Radiallager und überträgt die Seitenkräfte
auf
den Ring 9 des Lauf ades. Auf der Welle 1 ist außerdem ein Gegengewicht 7 angeordnet,
das an Hebelarmen entsprechende Massen 7a trägt, welche durch die Fliehkraftmomentenwirkung
das Rück stellmoment der Schaufelfliehkraft kompensieren. Der Ring 19 stellt nur
eine Abdeckung des Laufrades dar, die lediglich der strömungsmäßig günstigen Form
dient und keine tragende Funktion hat.
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Die erfindungsgemäße Laufschaufel nach Fig. 2 ist nun gegenüber der
oben beschriebenen gekennzeichnet durch den Zuganker 11 und das konzentrisch dazu
angeordnete Rohr 12. Zur Verbindung mit dem Schaufelflansch dient die Nabe 13, in
der der Zuganker 11 mit einem Konus verspannt ist. Die Verbindung zwischen dem Rohr
12 und der Nabe 13 ist als einfache Zentrierung dargestellt. Die Drehmomentübertragung
zwischen den beiden Teilen kann entweder durch Reibung erfolgen oder durch in der
Zeichnung nicht dargestellte klauenartige entsprechende Einschnitte in den beiden
Teilen. In der gleichen Art ist das Rohr innen mit dem Axiallagerträger 14 verbunden,
der gleichzeitig ein Teil des Verstellhebels 14a ist. Der Hebel 14a ist gleichzeitig
so ausgeführt, daß das Lager 15 bei Montage über den gekröpften Hebel geschoben
werden kann.
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Die Lagerung der Schaufelwelle erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel
in drei Lagern, deren Kräfte jedoch alle von dem Ring 8 der Laufradnabe aufgenommen
werden. 5 ist das Axiallager, welches im wesentlichen die Fliehkräfte aufnimmt.
Die Lager 15 und 16 nehmen die Radialkräfte auf. Wesentlich ist dabei, daß sowohl
das Axiallager 5 wie auch das Radiallager 15 auf dem selben einteiligen Bauelement
der Drehwelle, nämlich dem Hebel 14, 14a angeordnet
sind. Außen
sind diese beiden Lager ebenfalls in einem Teil, nämlich dem Lagerträger 17 erfaßt.
Durch die Lagerung im Ring 8 der Nabe wird ein äußerer Tragring, wie er in Fig.
1 gezeigt ist, hinfällig. Es ist nur der leichte Abdeckring 19 für die strömungstechnische
Umhüllung des Laufrades erforderlich.
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Infolge der Steifheit des Rohres 12 und seiner kraftschlüssigen bzw.
formschlüssigen Verbindung mit der Nabe 13 bzw. Lagerträger 14 können die an der
Schaufel angreifenden Biegemomente sicher auf die Lager übertragen werden. Ebenso
können die Verdrehmomente zwischen Verstellhebel 14a und Schaufel 10 unter Einschluß
der Momente des Gegengewichtes 7 sicher übertragen werden. Die Fliehkräfte werden
von dem Zuganker 11 aufgenommen. Er ist von Verdreh-und Biegemomente durch das Rohr
12 befreit und d kann deshalb, da Seine Zugbeanspruchung sehr genau bekannt ist,
sehr hoch belastet werden. Er kann aus hochfestem Material hergestellt werden, da
er nicht wegen unbekannter Zusatzbeanspruchungen eventuelle Verformungen aufnehmen
muß.
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Unter Umständen ist es erwünscht, die Fliehkraft der Schaufelbefestigungsteile
durch Verwendung ein3's Werkstoffes mit geringem spezifischen Gewicht weiter herabzusetzen.
In einem solchen Falle werden die Hauptteile, wie der Zuganker 11 und das Rohr 12,
vorteilhaft aus faserverstärktem Material, insbesondere aus glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders gut
möglich weil die Funktionen -Aufnahme von Zugkräften einerseits und von Druck andererseits
-so verteilt sind, daß jedes Teilstück im wesentlichen nur eine Funktion hat. Wegen
der Beanspruchungscharakteristik entsprechend
einer Schraubenverbindung
ist es besonders günstig, wenn der Zuganker 11 eine wesentlich größere Dehnung hat
als das Rohr 12. Dies kann erfindungsgemäß bei faserverstärkten Werkstoffen dadurch
vorteilhaft erreicht werden, daß der Zuganker einen wesentlich niedrigeren E-Modul
hat als das Rohr. Bei faserverstärkten Werkstoffen karin man trotzdem eine hohe
Zugfestigkeit bekommen.
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Das Gegengewicht 7, 7a wird vorteilhaft in der Ebene der Schaufelwellenachse
geteilt und mit Hilfe einer Schraubverbindung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist,
auf dem Rohr 12 festgeklemmt.
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Bei Verwendung gleicher Teile in verschiedenen.Laufrädern können unterschiedliche
Momente durch Einbringen von verschiedenen Materialmengen ggf. mit unterschiedlichem
spezifischen Gewicht in einheitliche Bohrungen 27 der Teile 7a aufgenommen werden.
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Fig. 3 zeigt schematisch, wie mit gleichen genormten Bauelementen
der Drehschaufellagerung unterschiedliche Naben- bzw. Laufraddurchmesser gestaltet
werden können. Bis zum Durchmesser des Ringes 8, der identisch ist mit dem Ring
8 in Fig. 2, sind die Naben bei den drei verschieden großen Laufrädern a, b und
c gleich. Die Verbindungs- und Lagerungsteile 5, 13, 14, 15, 16 u. 17 nach Fig.
2 sind gleich. Die Schaufeln 10 können den verschiedenen Strömungs-Verhältnissen
entsprechend verschieden sein; besitzen jedoch den gleichen Flansch für die Verbindung
zur Nabe 13 der Drehwelle. Der Zuganker 11 und das Rohr 12 brauchen nur verschiedene
Länge zu haben, um die gleiche Schaufellagerung den verschiedenen Naben-bzw. Laufradgrößen
anzupassen.