DE2602451C3 - - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für einen Zentrifugalkompressor von Gasturbinen-Motoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (GB-PS so 86 836) bildet die Vorlaufradschaufel eine Fortsetzung der Laufradschaufel, da beide Schaufeln auf der gleichen radial gekrümmten Ebene liegen. Zwischen den beiden Stirnkanten sind Kugeln vorgesehen, die einerseits eine Dämpfung der Laufradschaufeln herbeiführen und andererseits eine Begrenzung des Schwingungsausschlages der Laufradschaufel und der Vorlaufradschaufel gewährleisten sollen. Gerade durch diese Anordnung ist jedoch nicht sichergestellt, daß zwischen den beiden Schaufeln eine Bewegung stattfinden kann. Aus diesem w Grund treten bei solchen Laufradschaufeln schon nach relativ kurzer Zeit Materialbrüche auf. Auch durch die klammerförmige Ausbildung des Dämpfungsgliedes erhält man nicht die gewünschte Dämpfung, da dieses Dämpfungsglied auch auf der gleichen Ebene wie die μ Austrittskante der Vorlaufradschaufel liegt. Außerdem dient diese Anordnung mehr dazu, Beschädigungen der Oberfläche der Laufradschaufel zu vermeiden. Nachteilig ist jedoch, daß die Vorder- und Rückseite der Laufradschaufel mit dieser Klammer überzogen sind, so daß auch die Druckseite des Dämpfungsgliedes den hohen Gasgeschwindigkeiten ausgesetzt ist und somit im Bereich der Eintrittskante der Laufradschaufeln und auch in einem Bereich dahinter starke Turbulenzen auftreten.

Bei einer anderen Laufradschaufel (DE-OS 14 2P 185) ist eine elastische Kupplung zwischen der Vorlaufradschaufel und der Laufradschaufel vorgesehen. Durch diese besondere Anordnung des elastischen Gliedes wird jedoch keine Dämpfung in dem gewünschten Sinne erzielt

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist es bekannt (US-PS 26 64 240), zwischen Austritts- und Eintrittskanten der beiden Schaufeln eine starre Verbindung, die durch einen Stift gebildet wird, vorzusehen. Hierdurch kann jedoch keine Dämpfung erzielt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei extrem dünnwandigen Laufradschaufeln von Laufrädern für extrem hohe Geschwindigkeiten Vorkehrungen zu treffen, die Schwingungsbrüche ausschalten. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst Durch die Verwendung eines Dämpfungsgliedes im Bereich der Trennstelle zwischen dem Vorlaufrad und dem Laufrad können Schwingungen oder Resonanzschwingungen weitgehend ausgeschaltet werden und somit die hierdurch auftretenden Materialermüdungen der Laufradschaufeln, die bisher zu Schwingungsbrüchen geführt haben. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß ein Teil der Vorlaufradschaufeln gegen das Dämpfungsglied zur Anlage kommen kann. Obgleich die Vorlaufradschaufeln gegenüber den Laufradschaufeln nach hinten etwas versetzt sind, kann der durch diese Versetzung hervorgerufene Zwischenraum zwischen den Laufradschaufeln durch das Dämpfungsglied überbrückt weiden. Durch das Dämpfungsglied ist es möglich, die Laufradschaufeln extrem dünn auszubilden, um somit eine möglichst turbulenzfreie Strömung des Gases bzw. der Luft zu erzielen. Durch die Anbringung des Dämpfungsgliedes können die Resonanzschwingungen klein gehalten bzw. in einen Drehzahlbereich gelegt werden, in dem normalerweise die Laufradschaufeln nicht arbeiten. Die Versetzung des Vorlaufrades gegenüber dem Laufrad hat weiterhin den Vorteil, daß eine gleichmäßige Verteilung der Luftmenge im Laufrad erreicht und ebenfalls eine turbulenzfreie Strömung des Laufrades erzielt wird. Hierdurch wird auch der Wirkungsgrad des Laufrades verbessert. Die letzteren und weiteren Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel eines Laufrades nach der Erfindung erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Meridianschnitt durch das Laufrad,

F i g. 2 eine Teilansicht der Laufradschaufeln und der Vorlaufradschaufeln in der Ansicht entlang der Linie 2/2 gemäß F ig. 1,

Fig,3 eine Teilseitenansicht des Laufrades entlang der Linie 3/3 gemäß F i g. 2,

Fig.4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 4/4 gemäß F i g. 2.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Laufrad gekennzeichnet, das aus einem Laufradteil 12 und einem Vorlaufradteil 14 gebildet ist. Das Laufrad 10 ist in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Laufradgehäuse auf einer Laufradachse 16 drehbar gelagert.

Das Laufradteil 12 weist zahlreiche Laufradschaufeln 20 auf, die sich von einer Nabe 22 radial nach außen erstrecken. Das Vorlaufradteil 14 ist ebenfalls mit zahlreichen Vorlaufradschaufeln 24 ausgerüstet, die sich von einer Nabe 26 radial nach außen erstrecken. Die Nabe 26 des Vorlaufradteiles 14 weist eine axial verlaufende Bohrung 28 zur Aufnahme eines Wellenteiles 30 auf, das sich von der Nabe 22 des Laufradteiles 12 nach vorne erstreckt. Dia Bohrung 28 und das Wellenteil 30 sind so dimensioniert, daß sie gut festsitzen. Die Naben 22 und 26 bilden eine Zwischenfläche 32, die auf einer radialen Ebene 34 liegt.

Obwohl die Anzahl der Vorlaufradschaufeln 24 gleich der Anzahl der Laufradschaufeln 20 sein kann, weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Vorlaufradteil 14 etwa die Hälfte der Laufradschaufeln des Laufrades 12 auf. Jede Vorlaufradschaufel 24 wirkt mit einer entsprechenden Laufradschaufel 20a, wie nachfolgend beschrieben, zusammen.

Eine jede Laufradschaufel 20 weist eine äußere Kante bzw. Stirnfläche 40 und ein Eintrittsteil 42 mit einer sich radial erstreckenden Eintrittskante 44 auf. Eine jede Vorlaufradschaufel 24 ist mit einer Stirnfläche bzw. einer Kante 46 und einem Auslaßteii ausgerüstet, das mit einer sich radial erstreckenden Austrittskante 50 versehen ist. Beide, die Vorlaufradschaufel 24 und das Eintrittsteil 42 des Laufradteiles 12 sind kurvenförmig ausgelegt bzw. mit Bezug auf die Drehrichtung gemäß Pfeil 52 (F i g. 2) gekrümmt

Eine jedfe Laufradschaufel 20 weist eine Saugseite 54 und eine Druckseite 56 auf, während die Vorlaufradschaufel 24 eine Saugseite 58 und eine Druckseite 60 aufweist

Von der Saugseite 54 einer jeden Laufradschaufel 20a erstreckt sich im Bereich der Eintrittskante 44 und der 3s äußeren Kante 40 ein stromlinienförmig ausgebildetes Dämpfungsglied 64, das im Querschnitt aus einem halbkreisförmigen Zylinder gebildet ist (Fig.3). Das Dämpfungsglied 64 ist mit einer radialen, äußeren, ebenen Oberfläche 66 ausgerüstet, die bis zur äußeren Kante 40 geführt ist Ferner weist das Dämpfungsglied 64 eine nach innen gerichtete, bogenförmige Oberfläche 68 und eine halbkreisförmige, ebene Oberfläche bzw. Wange 70 auf. Das Dämpfungsglied 64 ist so angeordnet, daß seine Leitkante 72 in etwa auf der gleichen Ebene wie die Eintrittskante 44 der Laufradschaufel 2ßa liegt. Es wird darauf hingewiesen, daß das Dämpfungiiglied 64 nicht an eine bestimmte Formgebung gebunden ist Es ist auch eine andere stromlinienförmige Formgebung des Dämpfungsgliedes 64 möglieh, wenn dadurch der Luftwiderstand im Zentrifugalkompressor klein gehalten wird. Das Dämpfungsglied 64 kann ab fester Bestandteil der Laufradschaufel 20a oder als Einzelteil ausgebildet sein, das in entsprechender Weise an die Laufradschaufel 20a angeschweißt oder über andere Verbindungsmittel mit dieser verbunden wird. Beim Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungsglied 64 im Bereich der Austrittskante 50 vorgesehen und so kann bei Inkaufnahme eines geringen Strömungswiderstandes eine maximale Schwingungsdämp* w fung erreicht werden.

Da die Luftdichte im Bereich der Druckseiten 56 der Laufradschaufeln 20 sehr hoch ist, wird durch die Anbringung der Dämpfungsglieder 64 an den Saugseiten 54,58 der Laufradschaufeln 20,20a nur ein geringer (,-,

Widerstand für die durch das Laufrad 10 strömende Luft gebildet

Das Eckstück der Druckseite 60 der Vorlaufradschaufel 24 liegt unmittelbar im Bereich der Schnittstelle von Stirnfläche bzw. Kante 46 und Austrittskante 50 der Vorlaufradschaufel 24 gegen den vordersten Teil der Wange 70 an. Beim Zusammenbau des Vorlaufradteiles (4 und des Laufradteiles 12 sind die Laufradschaufeln 20a und 24 der beiden Laufradteile so aufeinander ausgerichtet, daß die Vorlaufradschaufeln sehr dicht an die Dämpfungsglieder 64 herankommen. Die Dämpfungsglieder 64 können oder können nicht gegen die Laufradschaufeln 24 anliegen, jedoch sind sie so nahe an die Laufradschaufeln herangeführt, daß geringe Schwingungen verhindert werden können.

Wie aus F i g. 2 hervorgeht, liegen die Austrittskanten 50 der Vorlaufradschaufeln 24 auf der Ebene 34 der Zwischenfläche 32, während die Eintrittskanten 44 der Laufradschaufel 20 von der Ebene 34 um einen Betrag, beispielsweise von d= 0,125 mm zurückgesetzt sind. Das hat zur Folge, daß nur ein ganz kleiner Bereich derVorlaufradschaufeln 24 mit dem entsprechenden Dämpfungsglied 64 in Kontakt steht Diese kleine Kontaktfläche reicht aas, um eine entsprechende Schwingungsdämpfung herbeizuführen.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine etwas stabilere Laufradschaufel 20, um das Dämpfungsglied 64 bei entsprechender Zugfestigkeit aufzunehmen. Ungeachtet des Versetzungsgrades der Vorlaufradschaufeln 24 zu den Laufradschaufeln 20 wird eine bestimmte Größe eines Schwingungsausschlages begrenzt ohne daß hierzu die gesamte Masse des Dämpfungsgliedes 64 von der Vorlaufradschaufel 24 aufgenommen zu werden braucht Große Schwingungsausschläge können bei den Vorlaufradschaufeln 24 im Resonanzbereich bei normalen Arbeitsbedingungen unter relativ hohen Belastungen auftreten. Wenn diese Schwingungen nicht durch das Dämpfungsglied 64 ausgeschaltet werden, können diese Werkstoffermüdung an den Vorlaufradschaufeln 24 herbeiführen und somit Ermüdungsbrüche auftreten.

Untersuchungen haben ergeben, daß die rückwärtige Versetzung der Vorlaufradschaufeln 24 gegenüber den Laufradschaufeln 20 (siehe F i g. 4) die aerodynamischen Eigenschaften des Zentrifugalkompressors verbessern. Der Versetzungs- bzw. Teilungswinkel beträgt in etwa 1 —3° und ist halb so groß wie der Winkel zwischen zwei nebeneinanderliegenden Vorlaufradschaufeln. Somit wird die Möglichkeit im Bereich der Druckseiten 60 der Vorlaufradschaufeln 24 eine höhere Luftdichte zu erreichen, genutzt, um dadurch eine gleichmäßigere Verteilung der Luft zwischen den einzelnen Laufradschaufeln 20, 20a bzw. in den einzelnen Durchgängen, die duivh die Laufradschaufeln gebildet werden, zu erreichen. Die kleinen Öffnungen 76 zwischen de? Druckseite 60 und der Vorlaufradschaufeln 24 und der Saugseite 54 der Laufradschaufeln 20a steigern die Durchflußrate der Luft im Bereich der Saugseiten der Laufradschaufeln und führen dazu, einen Ausgleich der Luftströmung in den Laufradkanälen zu erzeugen. Dadurch wird eine verbesserte StFömungsverteilung erreicht und eine Strömungstrennung an den Saugseiten der Laufradschaufeln 12 verhindert. Diese guten Eigenschaften, die man durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbi'dung der Laufradschaufeln 20, 20a erhält, tragen auch zur Wirkungsgradsteigerung bei.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Laufrad für einen Zentrifugalkompressor von Gasturbinen-Motoren, das aus einem Vorlaufradteil und einem Laufradteil mit zahlreichen gekrümmten Laufradschaufeln gebildet ist, wobei im Bereich der Eintrittskante der Laufradschaufel ein Dämpfungsglied starr angeordnet ist, gegen das ein Teil der Vorlaufradschaufel zur Anlage bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (64) auf der Saugseite (54) der Laufradschaufel (20a, 20) angeordnet ist, im Bereich der Austrittskante (50) der Vorlaufradschaufel (24) zu deren Druckseite (60) gerichtet ist und gegen diese während des Laufens anliegt, wobei die Teilung der Laufradschaufeln gegenüber der Teilung der Vorlaufradschaufeln unterschiedlich ist

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Vorlaufradteiles (14) mit der Oberfläche des Laufradteiles (12) im Bereich der Trennstelle eine Knickstelle bzw. einen Winkel größer als 180° bildet

3. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (64) im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist und parallel zur Eintrittskante (44) und zur Oberfläche der Vorlaufradschaufel (24) verläuft

4. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufradschaufel (24) mit Bezug auf die Drehrichtung und das zugehörige Laufrad (10) nach hinten versetzt ist urd der T^ilungswinkel der Laufradschaufeln (20) halb so groß ist wie der Teilungswinkel der Vorlaufradschaitfeln (24).

5. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskante (50) der Vorlaufradschaufel (24) mit der Eintrittskante (44) der Laufradschaufel (20) eine öffnung (76) bildet.

6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskante (50) der Vorlaufradschau- -to fei (24) auf einer radialen Ebene liegt, die einen kleinen Abstand zur Eintrittskante (44) der Laufradschaufel (20) aufweist