DE3924829C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter- oder Turbinenläufer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Z. B. bei Axialverdichtern ist es bekannt, die Beschaufelung von Lauf­ oder Leiträdern in der Art sogenannter "Tandemgitter" zu gestalten, d. h., anstelle jeweils einreihiger Schaufelgitter mit Vollprofilen hier zweireihige Gitter mit Einzelprofilen an ein und demselben Rad vorzusehen, wobei jeweils zwischen zwei axial aufeinanderfolgenden Einzelprofilen spaltflügelartige Durchströmquerschnitte belassenen sind (s. h. "Besonderheiten der axialen Strömungsmaschinen" auf S. 406 des Fachbuches "Strömungsmaschinen" Verfasser: Carl Pfleiderer; Hart­ wig Petermann, 5. Auflage, 1986). Im Rahmen derartiger Gitterkonzepte soll u. a. z. B. bei Verdichtern die erforderliche Stufenarbeit mög­ lichst verlustfrei und effektiv bei zugleich vergleichsweise geringer Baulängenbeanspruchung vollzogen werden können. Es soll z. B. bei Ver­ dichterleit- oder Laufgittern gegenüber Vollprofilkonzepten die Lauf­ länge der Luftgrenzschicht um das Profil begrenzt werden; ferner soll dabei u. a. durch entsprechende Zuordnung der Austritts- und Eintritts­ kanten der Gitterprofile zueinander die ablösegefährdete Luft­ grenzschicht auf der konvexen Schaufelseite (Vollprofil) durch den so­ genannten "Spaltflügeleffekt" beschleunigt werden.

Aus schon vorgeschlagenen Tragflügelkonzepten (Flugzeug) wie aber auch reinen Leitradkonzepten, z. B. bei Diffusoren für Radialverdichter, geht hervor, betreffende Vor- und Haupt (-flügel) -profilabschnitte sich aus- und eintrittskantenseitig spaltflügelartig überlappend zu gestalten, gegebenenfalls variabel, um z. B. beim Verdichter die Kenn­ feldbreite über dem Gesamtbetriebszustand zu erweitern. Die Vorteile der tatsächlichen, zumindest teilweise örtlichen Profilüberlappungen bestehen u. a. darin, den Spaltflügeleffekt im Sinne einer noch ver­ lustärmeren Strömungsumlenkung bzw. einer noch höheren aerodynami­ schen Effizienz nutzbar machen zu sollen.

Bisher bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, ein sogenanntes Tandem­ gitter mit zugehöriger Scheibe integral - z. B. durch mechanische Her­ ausarbeitung der Schaufeln aus dem Vollmaterial - herzustellen. Allein schon wegen des verhältnismäßig großen erforderlichen Platzbedarfs von Herstellungswerkzeugen (Schaft-, Kugelfräser) war es bisher praktisch nicht möglich, Tandemgitterräder in Integralbauweise, insbesondere im Hinblick auf verhältnismäßig kleine bzw. kompakte Abmessungen der bet­ reffenden Turbokomponente zu realisieren. Noch komplizierter und auf­ wendiger würde sich die Herstellung gestalten, wenn man den für sich schon vorgeschlagenen Gedanken des "Spaltflügeleffektes" mit tatsäch­ licher örtlicher Profilkantenüberlappung, z. B. bei einem sogenannten "Tandemlaufgitter" nutzbar machen wollte.

Bei einem dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde gelegten und aus der DE-OS 15 03 647 bekannten Spaltflügelrad für Strömungs­ maschinen, insbesondere Lüfter oder Gebläse, geht es um die Schaffung eines Rades mit variabler Gittercharakteristik; die Profile, dort "Flossen" bzw. "Ruder" genannt, sollen an einem oder beiden Radkörpern verstellbar ausgeführt sein; ferner soll eine variable Verstellung beider Radkörper in Umfangsrichtung, gegenläufig, oder in Achsrichtung zueinander möglich sein; eine gegenseitige Axialverstellung der Rad­ körper soll im bekannten Fall getriebeartig, also über zugleich als Verbindungsmittel ausgebildete Bolzen, Gewindebuchsen und Zahnräder erfolgen; bei gelöster Bolzen-Verbindung soll der eine Radkörper mit­ tels Umfangsschlitzen, in welche diese Bolzen endseitig eingreifen, gegenüber dem anderen Radkörper verdreht werden können, der dabei die geometrische Lage der Bolzen vorgibt. Bei spaltflügelartiger Über­ lappung der Profilendkanten des bekannten Falles liegt an den Rad­ kränzen kein stoßkantseitiger, formschlüssiger Scheibeneingriff unter gleichzeitiger Umfangsverdrehsicherung vor. Der bekannte Fall offen­ bart keinerlei Anregungen oder mechanische Mittel, die geeignet wären, um bei einem "Tandemgitter" oder "Mehrfachgitter" mit fester Profil­ geometrie gleichzeitig mit kranzseitiger Zusammenschiebung der Rad­ körper bei der Montage die betriebsoptimale Profilendstellung und Spaltflügelüberlappung bereitzustellen zu können, und zwar ohne den normalerweise für derartige Gitter benötigten Fertigungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Läufer nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der unter Berücksichtigung einer "aufgelösten" Fertigung von Rotorelementen nebst Profilkörpern extrem einfach und betriebssicher so montierbar ist, daß auch bei vergleichsweise kleinen Bauteilabmessungen eine feste aerodynamisch hocheffektive Profilgestaltung (Spaltflügeleffekt) ohne Fertigungs­ probleme möglich ist.

Die gestellte Aufgabe ist durch die im Kennzeichnungsteil des Patent­ anspruchs 1 enthaltenen Merkmale erfindungsgemäß gelöst.

Es ist somit der Läufer als festes Mehrfachprofilgitter aus einzelnen scheibenförmigen Rotorelementen nebst Radkränzen im "aufgelösten Zustand" fertigbar; dabei wird also jeweils ein die betreffenden Profile enthaltendes Rotorelement für sich komplett hergestellt; die einzelnen Profile können z. B. verhältnismäßig bequem aus dem Voll­ material herausgearbeitet bzw. auf die tatsächlichen Anforderungen hin oberflächenseitig fein (z. B. Schleifen) bearbeitet werden; es ist also ein allseitig günstiger Werkzeug- und Bearbeitungszugang möglich; dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die relativ enge Spaltbelas­ sung zwischen benachbarten Profilendkanten (Spaltflügeleffekt). Im Wege entsprechender Umfangsverteilung sowie -ausbildung und Eingriffs­ tiefe der Gegenflächenprofilierung an den Stirnflächen der Radkränze also u. a. in Relation zum für den Spaltflügeleffekt erforderlichen gegenseitigen Profilendkantenversatz nebst Kantenüberlappung, liegt die notwendige feste Gesamtprofilgeometrie im Wege einfachen axialen Zusammenschiebens bzw. Zusammensteckens der einzelnen Rotorelemente vor. Hierauf können die Einzelelemente unlösbar (schweißen) oder lös­ bar (Bolzen und Flansche) verbunden werden; letzteres hätte wieder den besonderen Vorteil, beschädigte oder fehlerhafte Rotor- Schaufelein­ heiten auszutauschen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprü­ chen 2 bis 9 enthalten.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 einen axial aufgeschnitten dargestellten Abschnitt eines Axialverdichters eines Gasturbinentriebwerks mit einem in den Verdichterrotor integrierten, aus zwei Einzelradscheiben lösbar zusammengesetzten, tandemartigen Profilgitter unter teilweiser spaltflügelartiger Überlappung benachbarter Profilaus- und Eintrittskanten und

Fig. 2 eine Draufsicht des Tandemgitters gemäß Z der Fig. 1.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 veranschaulicht ein soge­ nanntes "Tandemlaufgitter", welches aus fest zusammengefügten Be­ standteilen in den Läufer bzw. trommelartigen Rotor des dortigen Axialverdichters integriert ist.

Der Verdichterläufer besteht aus zwei jeweils eine Reihe Profilkörper 1, 2 enthaltenden scheibenförmigen Rotorelementen A, B mit Radkränzen 5, 6, die an benachbarten Stirnflächen 3, 4 (Fig. 2) eine Gegenflächen­ profilierung aufweisen, mit der sie unter Ausbildung einer Umfangsver­ drehsicherung formschlüssig ineinandergreifen. Nach Fertigmontage des Läufers, und damit einhergehendem Verbindungseingriff überlappen sich die benachbarten Aus- und Eintrittskanten der Profilkörper 1; 2 eines geometrisch festen Gitters aus Laufschaufeln einer Stufe - hier in Schaufelhöhe gesehen - zumindest teilweise spaltflügelartig; letzteres ist in Fig. 1 durch die Position S gekennzeichnet. Dabei sind also die betreffenden Aus- bzw. Eintrittskanten relativ zu einer vertikalen ge­ dachten Querebene jeweils schräg nach innen auf die betreffenden Stirnflächen 3 bzw. 4 in gegenseitiger Überschneidung auslaufend dar­ gestellt. Die stirnseitige Gegenflächenprofilierung an den Radkränzen 5, 6 ist dabei hinsichtlich Umfangsverteilung, d. h. insbesondere hin­ sichtlich Umfangsteilung - was die Verwendung von Zähnen, Nasen, Kei­ len oder dergleichen für die Gegenflächenprofilierung betrifft - und Eingriffstiefe auf die betrieblich verlangte feste Gitter-Geometrie der Profilkörper 1; 2 des Schaufelgitters und damit auch auf die Spalt­ flügelüberlappung S abgestimmt gestaltet.

Entgegen der Darstellung für einen axial durchströmten Läufer (Fig. 1 und 2) könnten die Rotorelemente nebst Profilkörpern Bestandteile eines kombinierten diagonal oder radial durchströmten Laufschaufel- Gitters eines Läufers sein.

In der konkreten Ausführung nach Fig. 1 und 2 weisen die Rotorelemente A, B die Radkränze 5, 6 auf, die an den benachbarten Stirnflächen 3, 4 in gegenseitiger Abstimmung aufeinander hier z. B. eine nasenartige Gegen­ flächenprofilierung auf; es kann aber auch eine zahn- oder keilförmige Gegenflächenprofilierung oder eine gemischte Kombination dieser Pro­ filierungssarten vorgesehen sein. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersicht­ lich ist, sind dort die Austritts- und die Eintrittskanten der beiden Reihen benachbarter Profilkörper 1; 2 jeweils auf den hier axial vor­ springenden Nasen 7 bzw. 8 der zugehörigen Radkränze 5 bzw. 6 ange­ ordnet.

Insbesondere aus Fig. 2 erkennt man ferner, der die betreffenden Nasen 7, 8 der beiden benachbarten Radkränze 5; 6 unterschiedlich breit sind, jedoch im Rahmen der formschlüssig ineinander greifenden Verbindung jeweils für sich gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnet sind.

Ferner ist besonders aus Fig. 2 deutlich erkennbar, daß am einen Rad­ kranz 5 ausschließlich jeweils ein Profilkörper 1 mit seiner Aus­ trittskante auf einer vergleichsweise schmalen Nase 7 angeordnet ist; hingegen sind am anderen Radkranz 6 zwei Profilkörper 2, 2′ mit ihren Eintrittskanten auf den verhältnismäßig breiten Nasen 8 angeordnet; es kann auf diese Weise also die Anzahl der Profilkörper 2, 2′ des anderen Radkranzes 6 ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl des einen Rad­ kranzes 5 sein, so daß z. B., wie hier dargestellt, nur jeder zweite Profilkörper 2 des anderen Radkranzes 6 mit einem Profilkörper 1 des einen Radkranzes 5 spaltflügelartig (S) in Verbindung steht.

Wie deutlich aus Fig. 1 hervorgeht, kann der Eingriff der rad­ kranzseitigen Gegenflächenprofilierung an einer einseitigen Bauteilab­ stufung 9 des einen Radkranzes 5 ausgebildet sein, auf die der andere Radkranz 6 mit einem bezüglich Einbauhöhe und -tiefe angepaßten Ab­ schnitt zentrierend aufgeschoben ist. Somit ergibt sich eine montage­ freundliche Kombination aus Umfangsverdrehsicherung über die Gegenflä­ chenprofilierung und Zentrierung an der Abstufung 9.

Gemäß Fig. 1 sind die die Radkränze 5, 6 enthaltenden Rotorelemente A, B Bestandteile von Radscheiben 10, 11, worin die eine Bauteilabstufung 9 am einen Radkranz 5 in einen in Richtung auf die Läuferachse abgewin­ kelten Verbindungsflansch 12 übergeht; an diesem Verbindungsflansch 12 ist die den anderen Radkranz 6 enthaltende Radscheibe 11 festgelegt.

Gemäß Fig. 1 kann ferner die Radscheibe 11 mit dem betreffenden anderen Radkranz 6, und zwar auf der von der Gegenflächen-profilierung abgewandten Seite, mit einem entsprechenden Abschnitt ebenfalls in einer hinsichtlich Einbauhöhe und -tiefe darauf abgestimmten Bauteil­ abstufung 13 sitzen; diese Bauteilabstufung 13 wird von einem Trommel­ wandteil 14 gebildet, der von der genannten Abstufung 13 aus ebenfalls in einen in Richtung auf die Läuferachse abgewinkelten Verbindungs­ flansch 15 übergeht; beide Radscheiben 10, 11 sind mittels durch diese sowie die Flansche 12 und 15 hindurchgeführter Schraubbolzen 16 lösbar miteinander verbunden.

In den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, kann eine radkranz­ und/oder flanschseitige Verschweißung des Läufers vorgesehen sein. Die Stelle 17 in Fig. 1 verkörpert eine Verschweißung mit wei­ teren äußeren Trommelstrukturen des Axialverdichterläufers.

Aus Fig. 1 und 2 erkennt man ferner, daß sich die betreffende, im wei­ testen Sinne auch als "nut-federartig" zu umschreibende Gegenflächen­ profilierung, z. B. mit Nasen 7, 8 an den betreffenden Stirnflächen 3, 4, im montierten Zustand in einem verhältnismäßig geringen, insbesondere axialen Abstand zueinander befindet. Auf diese Weise können rad­ kranzseitige thermische Differenzdehnungen oder aber auch z. B durch Zentrifugalkräfte hervorgerufene geringfügige Spannungsausbildungen kompensiert werden, ohne den festen und schaufelseitig angepaßten Sitz der Radkränze und -scheiben zu beeinträchtigen.

Im übrigen kennzeichnet in Fig. 1 die Ziffer 17′ ein äußeres Gehäuse des Axialverdichters mit daran festgelegten Leitschaufeln 18 und 19. Ferner sind die in Fig. 1 und 2 schon genannten und behandelten Pro­ filkörper 1 bzw. 2 oder 2′ an den Spitzen deckbandlos ausgeführt, so daß die betreffenden freien äußeren Schaufelenden unter Belassung minimaler Radialspalte gegenüber einem Schaufeleinlaufbelag 20 des Verdichtergehäuse 17′ beabstandet angeordnet sind.

Claims (9)

1. Verdichter- oder Turbinenläufer, insbesondere für Gastur­ binentriebwerke, bei dem die einer Stufe zugehörigen Laufschaufeln eines Schaufelgitters in Reihen von Profil­ körpern aufgelöst sind, die pro Reihe an Radkränzen mit­ einander verbundener scheibenförmiger Rotorelemente so angeordnet sind, daß sie sich an einander benachbarten Aus- und Eintrittskanten spaltflügelartig überlappen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Radkränze (5; 6) mit einer als Umfangsverdrehsicherung an benachbarten Stirnflächen (3, 4) ausgebildeten Gegenflächenprofilierung ineinandergreifen, die hinsichtlich Umfangsverteilung und Eingriffstiefe auf die feste Profilgeometrie des Schaufelgitters abgestimmt gestaltet ist.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenflächenprofilierung an den benachbarten Stirnflächen (3, 4) der Radkränze (5, 6) zahn-, nasen- oder keilförmig ausgebildet ist.

3. Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritts- und die Eintrittskanten zweier Reihen benach­ barter Profilkörper (1; 2) jeweils auf den axial vorspringen­ den Zähnen, Nasen (7; 8) oder Keilen der zugehörigen Rad­ kränze (5; 6) angeordnet sind.

4. Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne, Nasen (7; 8) oder Keile zweier benachbarter Rad­ kränze (5; 6) unterschiedlich breit sind, jedoch jeweils für sich gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordnet sind.

5. Läufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß am einen Radkranz (5) ausschließlich jeweils ein Profilkörper (1) mit seiner Austrittskante auf ver­ gleichsweise schmalem (r) Zahn, Nase (7) oder Keil angeordnet ist, und daß am anderen Radkranz (6) mindestens jeweils zwei Profilkörper (2, 2′) mit ihren Eintrittskanten auf den verhältnismäßig breiten Zähnen, Nasen (8) oder Keilen angeordnet sind, so daß die Anzahl der Profilkörper (2, 2′) des anderen Radkranzes (6) ein ganzzahliges Viel­ faches der Anzahl des einen Radkranzes (5) ist und z. B. nur jeder zweite Profilkörper (2) des anderen Radkranzes (6) mit einem Profilkörper (1) des einen Radkranzes (5) spalt­ flügelartig (S) in Verbindung steht.

6. Läufer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Eingriff der radkranzseitigen Gegenflächenprofilierung an einer einseitigen Bauteilab­ stufung (9) des einen Radkranzes (5) ausgebildet ist, auf die der andere Radkranz (6) mit einem bezüglich Einbauhöhe und -tiefe angepaßten Abschnitt zentrierend aufgeschoben ist.

7. Läufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Radkränze (5; 6) enthaltenden Rotorelemente (A; B) Be­ standteile von Radscheiben (10; 11) sind, worin die eine Bauteilabstufung (9) am einen Radkranz (5) in einen in Richtung auf die Läuferachse abgewinkelten Verbindungs­ flansch (12) übergeht, an dem die den anderen Radkranz (6) enthaltende Radscheibe (11) festgelegt ist.

8. Läufer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe (11) mit dem anderen Radkranz (6) mit einem auf der von der Eingriffsstelle abgewandten Seite befind­ lichen Abschnitt ebenfalls in einer hinsichtlich Einbau­ höhe und -tiefe darauf abgestimmten Bauteilabstufung (13) sitzt, die an einem Trommelwandteil (14) ausgebildet ist, der von der Abstufung aus ebenfalls in einen in Richtung auf die Läuferachse abgewinkelten Verbindungsflansch (15) übergeht, und worin beide oder zumindest eine erste und eine weitere Radscheibe (10; 11) mittels durch diese sowie die Flansche (12; 15) hindurchgeführter Schraubbolzen (16) lösbar miteinander verbunden sind.

9. Läufer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine radkranz- und/oder flanschseitige Verschweißung des Läufers vorgesehen ist.