DE3017035C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichterrotor der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem solchen Verdichterrotor tritt das Problem auf, daß dieser sich durchbiegt, da er aus mehreren ringförmi­ gen Rotorscheiben besteht, die mit einer mittleren Bohrung für eine Kühlmittelströmung versehen sind und dementspre­ chend an ihrem radial inneren Umfang freitragend ausgebil­ det und nicht miteinander verbunden sind. Wenn sich der Verdichterrotor durchbiegt, fallen die Drehachse und der Massenschwerpunkt des Rotors nicht mehr zusammen, es tritt eine Massenexzentrizität um die Mittellinie auf. Die Mas­ senexzentrizität bedingt eine nach außen gerichtete Kraft, welche mit zunehmender Drehzahl der Rotoranordnung an­ steigt. Die nach außen gerichtete Kraft belastet die Rotor­ anordnung auf Durchbiegung. Bei einer bestimmten Dreh­ zahl, der sogenannten kritischen Drehzahl, hebt die unaus­ geglichene, nach außen gerichtete Kraft die einer Durch­ biegung entgegenwirkenden Elastizitätskräfte des Rotors auf. Wenn die kritische Drehzahl erreicht ist, nimmt die Rotordurchbiegung ohne weitere Drehzahlsteigerung zu. Die Spitzen der Laufschaufeln kommen mit dem äußeren Gehäuse in Berührung und rufen eine beträchtliche Beschädigung hervor. Deshalb versucht man, den Verdichterrotor eines Flugzeuggasturbinentriebwerks üblicherweise so zu dimensionieren, daß die kritische Drehzahl wesentlich oberhalb der Betriebsdrehzahl liegt. Die Durchbiegung des Verdichterrotors kann zwar vermieden werden, indem der Rotor besonders stark dimensioniert wird, dem sind jedoch Grenzen gesetzt, denn es ist klar, daß bei einem Flugzeug­ gasturbinentriebwerk der Verdichterrotor nicht zu schwer ausfallen darf. Aus diesem Grund ist es im Stand der Tech­ nik auch üblich, eine gewisse Durchbiegung des Rotors in Kauf zu nehmen und die kritische Drehzahl nicht sehr wesentlich oberhalb der Betriebsdrehzahl festzulegen.

Die DD-PS 29 359 beschreibt einen Verdichterrotor für eine stationäre Gasturbine, bei dem das vorstehend beschriebene Problem nicht vorhanden ist. Bei diesem bekannten Verdich­ terrotor handelt es sich um eine besonders schwere Rotor­ ausführung mit kreisförmigen Rotorscheiben, die nicht nur an ihrem Umfangsrand, sondern auch noch innerhalb dessel­ ben miteinander verbunden sind. Eine solche Rotorausfüh­ rung kann sich praktisch überhaupt nicht durchbiegen. Die Rotorwelle hat ein kegelstumpfförmiges Bauteil, das direkt mit der Felge der hinteren Rotorscheibe verbunden ist. Die hintere Rotorscheibe ist mit zwei Laufschaufelreihen ver­ sehen, was offensichtlich durch eine stärkere Dimensionie­ rung der hinteren Rotorscheibe im Vergleich zu den anderen Rotorscheiben ermöglicht wird. Die hintere Rotorscheibe, die die zwei Laufschaufelreihen trägt, ist nämlich fast doppelt so stark ausgeführt wie die anderen Rotorscheiben, welche nur eine Laufschaufelreihe tragen.

Aus der DE-OS 21 01 646 ist ein Verdichterrotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegegenen Art bekannt, bei dem die hintere Rotorscheibe einerseits den heißen Hochdruckgasen des Verdichterströmungsweges ausgesetzt ist, wodurch eine starke thermische und mechanische Bela­ stung in der hinteren Rotorscheibe auftritt, welche Durch­ biegungen des Rotors hervorruft, und andererseits der dem Inneren des Rotors zugeführten Kühlluft, wodurch die ther­ mische Belastung durch gleichzeitige Einwirkung von Kühl­ luft und heißer Verdichterluft noch verstärkt wird. Das kegelstumpfförmige Bauteil ist an den Steg der hinteren Rotorscheibe an einer radial innerhalb der Felge gelegenen Stelle angeschlossen. Heiße, hochverdichtete Luft kann bei dem bekannten Verdichterrotor daher mit dem Steg der hin­ teren Rotorscheibe zwischen der Felge und der Anschluß­ stelle des kegelstumpfförmigen Bauteils in Berührung kom­ nen. Auf diese Weise wird die hintere Rotorscheibe ther­ misch belastet und deren Biegefestigkeit herabgesetzt.

Aus der japanischen Druckschrift 46-7 503 ist ein Verdich­ terrotor bekannt, bei dem die eine Laufschaufelreihe tra­ gende letzte Rotorscheibe aus einem von Kühlluft umström­ ten ringförmigen Bauteil besteht und ein kegelstumpfförmi­ ges Bauteil vorgesehen ist, das sich bis zu der Felge der letzten Rotorscheibe erstreckt. Das kegelstumpfförmige Bauteil ist zusätzlich noch durch eine weitere Rotor­ scheibe verstärkt, die keine Laufschaufeln trägt. Dadurch wird das Gewicht der hinteren Rotorscheibe wesentlich er­ höht, was sich nachteilig auf die kritische Drehzahl des Verdichterrotors auswirkt.

Einen ähnlichen Stand der Technik zeigt auch die US-PS 37 65 795, lediglich mit dem Unterschied, daß die Rotor­ scheiben nicht von Kühlluft umströmt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichterrotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegegenen Art so zu verbessern, daß seine kritische Drehzahl wesentlich ober­ halb seiner Betriebsdrehzahl liegt und trotzdem bei leich­ ter Bauweise des Verdichterrotors dieser eine gute axiale Steifheit aufweist und in der Rotorscheibe geringere Wärme- und Biegespannungen auftreten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei dem Verdichterrotor nach der Erfindung ist das kegel­ stumpfförmige Bauteil an die Rotorscheibe nahe der Felge angeschlossen, erstreckt sich also bis zur Felge und ver­ hindert somit, daß heiße, hochverdichtete Luft mit dem Steg der hinteren Rotorscheibe in Berührung kommen kann. Auf diese Weise wird die hintere Rotorscheibe thermisch entlastet, Wärmespannungen in der hinteren Rotorscheibe werden vermindert, und die Rotordurchbiegung wird herabge­ setzt. Durch die Verbindung des kegelstumpfförmigen Bau­ teils mit der Rotorscheibe nahe der Felge wird die hintere Rotorscheibe so weit von Biegespannungen entlastet, daß sie ohne wesentliche Verstärkung zwei Laufschaufelreihen tragen kann. Dadurch wird eine Rotorscheibe eingespart, was zu einer beträchtlichen Gewichtseinsparung des ge­ samten Verdichterrotors führt. Es ergibt sich so ein leichter Verdichterrotor mit guter axialer Steifheit und mit einer kritischen Drehzahl, die wesentlich oberhalb der Betriebsdrehzahl liegt. Das Schub/Gewicht-Verhältnis des Gasturbinentriebwerkes wird infolge des geringen Gewichtes der Rotoranordnung verbessert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Flugzeuggasturbinentrieb­ werkes, wobei ein Teil des Verdichtergehäuses aufgebrochen ist, um Teile der Stator- und der Rotoranordnung des Verdichters zu zeigen,

Fig. 2 ein Schema eines Teiles der Rotoranordnung zur Dar­ stellung der Durchbiegung und der Massenexzentrizität E, welche durch das Gewicht der Rotoranordnung bedingt ist,

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Rotor- und der Statoranord­ nung nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine Schnittansicht entsprechend einem Teil von Fig. 3 zur Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles.

Das in Fig. 1 dargestellte Flugzeuggasturbinentriebwerk in Form eines Turbogebläsetriebwerks hat einen Ge­ bläseabschnitt 10, einen Verdichterabschnitt 12, einen Brennkammer­ abschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16. Eine Rotoranordnung 18 ragt axial durch den Verdichterabschnitt 12 und den Turbinenab­ schnitt 16. Eine Statoranordnung 20 umgibt die Rotoranordnung 18. Ein ringförmiger Strömungsweg 22 für die Arbeitsmediumgase erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt 12 zwischen der Rotoranordnung 18 und der Statoranordnung 20.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil der Ro­ toranordnung 18 des Verdichterabschnittes 12 unter Biegebela­ stung. Die Rotoranordnung 18 hat ein umlaufendes Hauptrotorbauteil 24 mit einer ersten Laufschaufelreihe 26, welche von dem Hauptrotorbauteil nach außen ragt.

Die Rotoranordnung 18 hat einen Rotorwellenanordnung 28 und ein kegelstumpfförmiges Bauteil 30 zwischen der Rotorwellenanordnung und dem Hauptrotorbauteil 24. Ein vorderes Traglager 32 und ein hinteres Traglager 34 dienen zum A­ stützen der Rotorwellenanordnung 28. Die Rotoranordnung 18 hat eine Drehachse A. Die strichpunktierten Linien zeigen die Durchbiegung der stillstehenden Rotoranordnung 18 infolge des Gewichtes derselben. Der Massenmittelpunkt der Rotoranordnung 18 ist durch eine Linie M _c dargestellt. Die Exzentrizität E des Massenmittelpunktes im Zentrum der Rotoranordnung 18 ist eingezeichnet.

Fig. 3 zeigt den hinteren Teil der Rotoranordnung 18 am hinteren Ende des Verdichterabschnittes 12. Die Rotoranordnung 18 hat als hintere Rotorscheibe 36 eine sogenannte Tandemscheibe und stromaufwärts benachbart eine zweite Rotorscheibe 38. Die zweite Rotorscheibe 38 hat eine mittlere Bohrung 40, einen Steg 42 und eine Felge 44. Die Bohrung 40 hat eine kreisförmige Öffnung 46. Die Felge 44 hat einen Umfangsschlitz 48. Eine Laufschaufelreihe 50 ist in den Schlitz 48 eingesetzt. Die hintere Rotorscheibe 36 hat eine mittlere Bohrung 52, einen Steg 54 und eine Felge 56. Die Bohrung 52 hat eine kreisförmige Öffnung 58. Die Felge 56 hat zwei Umfangsschlitze 60 und 62. eine erste Laufschau­ felreihe 26 ist in dem Schlitz 60 der Rotorscheibe 36 angeordnet. Eine zweite Laufschaufelreihe 64 ist in dem Schlitz 62 angeordnet. Der Schlitz 62 ist axial mit Abstand von dem Schlitz 60 vorgesehen, und eine erste Scheibenfläche 66 befindet sich zwischen den Schlitzen 60, 62. Der Schlitz 62 ist mit Abstand von dem Schlitz 48 der stromauf­ wärtigen Rotorscheibe 38 angeordnet, und eine zweite Scheibenfläche 68 befindet sich auf der stromabwärtigen Rotorscheibe 36 zwischen diesen bei­ den Schlitzen 48 und 62.

Die Statoranordnung 20 hat ein äußeres Gehäuse 70. Eine stromauf­ wärtige Statorschaufelreihe 72 ragt von dem Gehäuse 70 nach innen in die Nähe der zweiten Scheibenfläche 68. Eine stromabwärtige Statorschaufelreihe 74 ragt von dem äußeren Gehäuse 70 nach innen in die Nähe der ersten Scheibenflä­ che 66. Eine dritte Statorschaufelreihe 76 ragt nach innen und befindet sich in axialem Abstand von der Rotoranordnung 18. Ein Spalt 78 befindet sich zwischen dieser Statorschaufelreihe 76 und der Rotoranordnung 18.

Die hintere Rotorscheibe 36 ist mit der Rotorwellenanordnung 28 über das kegelstumpf­ förmige Bauteil 30 verbunden. Das kegelstumpfförmige Bauteil 30 ist einteilig mit der Rotorwellenanordnung 28 und der Rotorscheibe 36 ausgebildet und nahe der Felge 56 mit der Rotorscheibe 36 verbunden. Die Rotorschei­ be 36 ist über einen Umfangsbügel 80 an die stromaufwärtige Rotorschei­ be 38 angeschlossen. Der Umfangsflügel 80 hat einen Umfangsflansch 82. Der Umfangsflansch 82 ist an der stromaufwärtigen Rotorscheibe 38 durch mehrere Bolzen 84 und Muttern 86 befestigt. Jeder Bolzen 84 ragt durch eine zugeordnete Bohrung 88 in den Umfangs­ flansch 82 und durch eine zugeordnete Bohrung 90 in dem Steg 42 nahe der Felge 44 der stromaufwärtigen Rotorscheibe 38.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Verdichterrotors mit einer anderen konstruktiven Ausbildung der Verbindung der hinteren Rotorscheibe 36 mit der Rotorwellenanordnung 28 über ein kegelstumpfförmi­ ges Bauteil.

Das kegelstumpfförmige Bauteil besteht in diesem Fall aus einem ersten Teil 92 und einem zweiten Teil 94. Der erste Teil 92 hat einen inneren Flansch 96 und einen äußeren Flansch 98. Der zweite Teil 94 hat einen inneren Flansch 100 und einen äußeren Flansch 102. Die Rotorwellenanordnung 28 hat einen Flansch 104, der mechanisch am ersten Teil 92 des kegel­ stumpfförmigen Bauteils durch mehrere Bolzen 108 und Muttern 106 befestigt ist.

Der erste Teil 92 ist am zweiten Teil 94 des kegelstumpfförmigen Bau­ teils durch mehrere Bolzen 110 und Muttern 112 befestigt. Der zweite Teil 94 des kegelstumpfförmigen Bauteils ragt nach außen und ist nahe der Felge 56 an der Rotorscheibe 36 befestigt. Der zweite Teil 94 des kegelstumpfförmigen Bauteils ist mechanisch an der Rotorscheibe 36 durch mehrere Bolzen 114 und Muttern 116 befestigt.

Jede Schraubverbindung erleichtert die Herstellung und die War­ tung der Rotoranordnung 18. Eine Herabsetzung der Anzahl der Schraubverbindungen bedeutet aber eine Steige­ rung der axialen Steifheit einer Rotoranordnung 18.

Während des Betriebs des Gasturbinentriebwerkes wird Luft in dem Gebläseabschnitt 10 und dem Verdichterabschnitt 12 verdichtet. Die verdichtete Luft strömt als Ar­ beitsmedium aus dem Verdichterabschnitt 12 in den Brennkammer­ abschnitt 14. In dem Brennkammerabschnitt 14 wird Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt zur Steigerung der Energie des Arbeits­ mediums. Sowohl durch das Verdichten als auch durch die Verbrennung wird die Temperatur des Arbeitsmediums wesentlich gesteigert.

Das heiße Arbeitsmedium gibt Wärme durch Konvektion und Strahlung an die Triebwerksbauteile ab. Die Wärmeabgabe ist unmittelbar proportional zu der Temperatur des Arbeitsmediums. An den hinteren Stufen des Verdichterabschnittes 12, z. B. in der Nähe der Rotorscheibe 36, kann die Temperatur des Arbeitsmediums 500°C bei einem Druck von etwa 20 bar erreichen. Ein Teil dieses Hoch­ druckarbeitsmediums strömt durch den Spalt 78 zwischen der Felge 56 der Rotorscheibe 36 und der dritten Statorschaufelreihe 76. Das Hoch­ druckmedium kann infolge des kegelstumpfförmigen Bauteils 30, das in der Nähe der Felge 56 mit der Rotorscheibe 36 verbunden ist, nicht in Berührung mit dem Steg 54 der Rotorscheibe 36 gelangen. Das kegelstumpfförmige Bauteil 30 verhindert unerwünschte Biegespannungen infolge der Druckbelastung des Steges 54 durch das Arbeitsmedium. Der Steg 54 ist eine flache Platte und gegen Axialbelastungen nicht widerstandsfähig. Das kegel­ stumpfförmige Bauteil 30 verhindert auch große Temperaturgefälle in der Rotorscheibe 36 durch Ausschalten des unmittelbaren Wärmeüberganges von den Hochtemperaturgasen auf den Steg 54. Falls die Hochtemperatur­ gase in unmittelbarer Berührung mit dem Steg 54 und der Bohrung 52 der Rotorscheibe 36 wären, würden große Temperaturgefälle und dementspre­ chend thermische Spannungen entstehen. Dieses Problem wird noch verstärkt durch die Kühlmittelströmung durch die Öffnung 58 in der Bohrung der Rotorscheibe 36. Durch die Herabsetzung der thermischen Span­ nungen und durch die Ausschaltung der durch den Gasdruck beding­ ten Biegespannungen wird die gesamte Spannung ausreichend unter die Dauerfestigkeit der Rotorscheibe 36 herabgesetzt, damit die Rotorscheibe 36 bei ausreichender unterer Dauerwechselfestigkeit weitere mechani­ sche Spannungen aufnehmen kann.

Die höhere mechanische Belastungsfähigkeit der Rotorscheibe 36 wird hier ausgenutzt durch Anordnen einer zweiten Laufschaufelreihe auf der Rotorscheibe 36. Der Hauptteil der durch die zweite Laufschaufelreihe 64 bedingten mechanischen Belastung wird von der Rotorscheibe 36 aufgenommen. Der restliche Teil der mechanischen Belastung wird durch die stromaufwärtige Rotorscheibe 38 und das kegelstumpfförmige Bauteil 30 aufgenommen.

Beim Abströmen der heißen Gase aus dem Brennkammerabschnitt 14 und der Strömung dieser Gase durch den Turbinenabschnitt 16 wird Energie von den heißen Gasen auf die Rotoranordnung 18 über­ tragen. Die Rotoranordnung 18 leitet die Rotationsenergie mit einer Drehzahl von 13 000 Umdrehungen pro Minute von dem Turbinenabschnitt 16 über die Rotorwellenanordnung 28 und das kegelstumpfförmige Bauteil 30 zu dem Verdichterabschnitt 12. Das kegelstumpfförmige Bauteil 30 ist an die Rotorscheibe 36 des Verdichterabschnittes 12 in der Nähe der Felge 56 angeschlossen. Der Anschluß des kegelstumpfförmigen Bauteils 30 an die Rotorscheibe 36 in der Nähe der Felge 56 desselben schließt die Verwendung eines Bauteils in Form einer flachen Platte aus. Durch die Vermeidung der einem flachen, plattenförmigen Bauteil anhaftenden axialen Biegsamkeit wird die kritische Drehzahl der Rotoranordnung 18 ge­ steigert.

Claims (7)

1. Verdicherrotor für ein Flugzeuggasturbinentriebwerk, mit einer Rotorwellenanordnung (28) und einer hinteren Ro­ torscheibe (36), die über ein kegelstumpfförmiges Bauteil (30) mit der Rotorwellenanordnung (28) verbunden ist, wo­ bei die Rotorscheibe kreisringförmig ist mit einer mittleren Bohrung (52) für eine Kühlmittelströmung, die mit ei­ ner Felge (56) versehen ist, welche eine erste Laufschau­ felreihe (26) trägt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das kegelstumpfförmige Bauteil (30) an die Rotorscheibe (36) nahe der Felge (56) angeschlossen ist und daß die Rotorscheibe (36) mit Felge (56) eine zweite Laufschaufelreihe (64) trägt.

2. Verdichterrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das kegelstumpfförmige Bauteil (30) einteilig mit der Rotorwellenanordnung (28) und der Rotorscheibe (36) geformt ist.

3. Verdichterrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das kegelstumpfförmige Bauteil (30) einen ersten Teil (92) aufweist, der sich von der Rotorwellenanordnung (28) nach außen erstreckt, und einen zweiten Teil (94), der von der Rotorscheibe (36) nach innen ragt, wobei der erste Teil und der zweite Teil zwischen der Felge (56) und der Rotorwellenanordnung (28) miteinander verschraubt sind.

4. Verdichterrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das kegelstumpfförmige Bauteil (30) an der Rotor­ scheibe (36) festgeschraubt ist.

5. Verdichterrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das kegelstumpfförmige Bauteil (30) an der Rotor­ wellenanordnung (28) festgeschraubt ist.

6. Verdichterrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine zweite, benachbarte Rotor­ scheibe (38) an der Felge (56) der ersten Rotorscheibe (36) befestigt ist, wobei die zweite Rotorscheibe (38) eine Felge (44) mit einer dritten Laufschaufelreihe (50) aufweist.

7. Verdichterrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Rotorscheibe (36) an der Felge (56) einen Umfangsflansch (82) aufweist, der an der zweiten Ro­ torscheibe (38) an deren Felge (44) befestigt ist.