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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verdichter, und speziell Turboverdichter.
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Sie
bezieht sich insbesondere auf Leitapparate von Turboverdichtern.
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Stand der Technik
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Turboverdichter
sind in der Technik wohlbekannt und werden insbesondere in Zweiwellentriebwerken,
Turbogebläsen
und Turbinenluftstrahltriebwerken verwendet.
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Diese
Turboverdichter, die vom Typ Niederdruckverdichter oder Hochdruckverdichter
sein können,
bestehen im Wesentlichen aus mehreren Stufen von Laufschaufeln (oder
Rotorstufen) im Wechsel mit Stufen von Leitschaufeln (oder Statorstufen),
auch als Leitapparate bezeichnet. Die Leitapparate haben die Funktion,
den Vektor der Geschwindigkeit des Mediums, das aus der vorhergehenden
Rotorstufe austritt, umzulenken (oder zurückzulenken), bevor er in die
nachfolgende Rotorstufe geleitet wird.
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Jeder
Leitapparat besteht im Wesentlichen aus Leitschaufeln, die einen
Innenring mit einem Außenring
verbinden, wobei die beiden Ringe koaxial und konzentrisch sind.
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Ein
wichtiges Problem bei der Planung und Konstruktion von Leitapparaten
für Turboverdichter besteht
in der Befestigung der Leitschaufeln am Innen- und Außenring.
Insbesondere muss die Befestigung so vorgesehen werden, dass Störungen und daher
Betriebsbeanspruchungen minimiert werden. Außerdem muss diese Befestigung
dem Eindringen eines Fremdkörpers
in den Turboverdichter (zum Beispiel eines Vogels bei einem Turbinenluftstrahltriebwerk
eines Flugzeugs) oder selbst einem unbeabsichtigten Bruch einer
Schaufel standhalten können.
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In
bekannten Turbinenluftstrahltriebwerken wird die Befestigung der
Schaufeln der Leitapparate an ihrem(n) Außenring(en) üblicherweise
durch Schweißen,
mit Nieten oder auch durch eine Verschraubung hergestellt. Einige
dieser Befestigungsmittel der Schaufeln an den Ringen haben einerseits den
wesentlichen Nachteil, dass sie die Strömung des Mediums stören und
einen nicht vernachlässigbaren
Druckverlust im aerodynamischen Strahl des Mediums verursachen,
und andererseits nicht zu vernachlässigende industrielle Mittel
erforderlich machen, zum Beispiel die Verwendung von Schweißgeräten, der
Einsatz einer zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung
usw.
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Im
amerikanischen Patent US-A-5,584,654 wird ein Leitapparat eines
Turbofans beschrieben, der einen Außenring umfasst, der axial
in zwei Teile geteilt ist, die nach der Montage auf herkömmliche Art
zusammengefügt
werden können,
zum Beispiel durch Verschraubung von Flanschen, die zu beiden Teilen
gehören.
Der Ring weist um seinen gesamten Innendurchmesser herum Schienenpaare
auf, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind; diese weisen
eine L-Form auf
und definieren eine Nut, in der eine Vielzahl von Standard-Leitschaufeln
in einem Abstand voneinander angeordnet sind und sich radial vom
Außenring
nach innen erstrecken. Die Schaufeln sind mit entsprechenden, in
einem Abstand angeordneten Außenhaken
an ihren Füßen in den
Schienen befestigt. Ein Paar Sperr-Leitschaufeln ist an der Trennlinie
des Rings angeordnet. Diese besitzen ebenfalls einen Außenfuß mit Außenhaken, die
in die Schienen des Rings eingreifen, wobei ein Drehblockierschlüssel bei
einer Sperrnut an der Trennlinie der beiden axialen Hälften des
Rings angeordnet ist.
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Aufgaben der Erfindung
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Diese
Erfindung hat die Aufgabe, die vorgenannten größeren Nachteile zu vermeiden
und einen neuen Leitapparat für
Turboverdichter zu liefern, in dem die Befestigung der Leitschaufeln
an den Ringen, und insbesondere am Außenring, so gestaltet ist,
dass jede Störung
der Strömung
des Mediums verhindert wird und Druckverluste im aerodynamischen
Strahl des Mediums reduziert werden.
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Diese
Erfindung hat außerdem
die Aufgabe, den Einsatz eines neuen Leitapparats zu vereinfachen.
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Wichtigste charakteristische
Elemente der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Leitapparat eines Verdichters,
der einen Außenring
und einen Innenring umfasst, die konzentrisch und koaxial sind und
miteinander durch Leitschaufeln verbunden sind, wobei dieser Leitapparat
dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens der Außenring
ein gebogenes Profil aufweist, dessen zwei Enden in einer Schnittebene
durch ein Befestigungsmittel miteinander verbunden sind, wobei das
besagte Profil auf seiner Innenseite eine Ringnut aufweist, in die
die Füße der Leitschaufeln
eingeschoben oder eingetrieben werden.
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Gemäß der Erfindung
weist das Profil im übrigen
eine Elastizität
auf, die eine radiale und/oder seitliche Verschiebung der beiden
Enden zueinander in der Schnittebene zulässt, wenn das vorstehend erwähnte Befestigungsmittel
gelöst
oder entfernt wird. Der Grund für
diese spezielle Gestaltung des Rings wird im folgenden klar werden.
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Vorteilhafterweise
werden die beiden Enden des Profils miteinander durch ein Befestigungsmittel verbunden,
das zum Beispiel aus zwei Laschen besteht, die an jedes Ende angeschweißt werden
und die je nach Erfordernis miteinander mit Schrauben, Flanschen
oder ähnlichen
Mitteln verbunden oder gelöst
werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Außenring
direkt durch ein Profil gebildet werden, das ringförmig gebogen
wurde, wenn die beiden Enden in der Schnittebene zusammengebracht
werden.
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Das
Profil, das den Außenring
bilden kann, weist im übrigen
eine Ringnut auf der Innenseite des Rings auf. Diese Nut dient der
Aufnahme der Enden, die die Füße der Leitschaufeln
bilden, die so in die Nut eingeschoben werden.
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Um
die Leitschaufeln am Außenring
zu befestigen, genügt
es infolgedessen, die besagten Enden des Profils in der Schnittebene
voneinander zu lösen,
sie radial und/oder seitlich auseinander zu schieben, die Leitschaufeln
in die Profilnut einzutreiben und dann die beiden Profilenden mit
einem Befestigungsmittel wieder miteinander zu verbinden. Das Auseinanderschieben
der beiden Enden wird durch die Eigenelastizität des Profils ermöglicht.
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Die
Befestigung der Leitschaufeln am Innenring der Stufe ist für die Umsetzung
der Erfindung nicht kritisch. Sie kann mit jedem bekannten Mittel durchgeführt werden,
wie dies derzeit durch Silikoneinbettung oder Dichtungen erfolgt.
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Im
Leitapparat gemäß der Erfindung
ist das lösbare
Befestigungsmittel zum Fügen
der beiden Profilenden des Außenrings
nicht kritisch. Jedoch besteht es bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung aus einer Schraubverbindung mit Schrauben und Muttern,
die durch zwei Flansche an den beiden Profilenden gesteckt werden.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Ringnut des
Profils des Außenrings einen
schwalbenschwanzförmigen
oder entsprechenden Querschnitt auf, der dem Querschnitt der Füße der Leitschaufeln
entspricht, die in die besagte Nut eingeschoben werden.
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Diese
besondere Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass die
Leitschaufeln fest und präzise
am Außenring
der Stufe befestigt werden können.
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Bei
dieser Ausgestaltung kann auf Elemente wie Schweißnähte, Muttern,
Schrauben, Flansche usw. verzichtet werden, die in bestimmten Fällen den aerodynamischen
Strahl des Mediums stören
können.
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Bei
einer Variante des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels werden Verschiebungen
der Füße der Leitschaufeln
in der Ringnut im Inneren des Profils durch das Vorhandensein einer
radialen Befestigungschraube oder jedes anderen Mittels mit der
gleichen Funktion verhindert.
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Die
Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Sie vereinfacht insbesondere
die Konstruktion von Leitapparaten für Turboverdichter, sowie ihre
Demontage zum Austausch von defekten Leitschaufeln und reduziert
die Druckverluste bei der Strömung
der Medien.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Turboverdichter, der Leitapparate
gemäß der Erfindung
enthält,
wobei Stufen mit Laufschaufeln und Leitapparate mit Leitschaufeln
im Wechsel angeordnet sind.
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Der
Turboverdichter gemäß der Erfindung kann
zum Beispiel ein Turbogebläse
oder ein Turbinenluftstrahltriebwerk sein, oder für den Antrieb
von Generatoren in Kraftwerken verwendet werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
eine Gesamtansicht eines herkömmlichen
Niederdruck-Turboverdichters mit einem Leitapparat.
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2 ist
eine Teilansicht einer besonderen Ausgestaltung des Leitapparats
gemäß der Erfindung
als Radialschnitt.
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3 ist
ein Querschnitt gemäß Ebene
II-II aus 1 in vergrößertem Maßstab.
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Die 4 und 5 sind
Fotografien eines Teils des Rings des Leitapparats aus den 2 und 3.
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In
diesen Figuren werden die gleichen Elemente mit identischen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Wie
in 1 dargestellt, besteht die Druckstufe eines Turbofans
aus einer Reihe Rotorstufen 3, 3', 3",... im Wechsel mit einer Reihe
Statorstufen oder Leitapparaten 2, 2', 2",...
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In 1 sind
bei jeder Rotor- bzw. Statorstufe im Querschnitt jeweils nur die
erste Laufschaufel 70, 70', 70" bzw. die erste Leitschaufel 60, 60', 60" dargestellt.
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Während jede
Rotorstufe 3, 3', 3",... eine Reihe
Laufschaufeln 70,... umfasst, enthält jede Statorstufe oder Leitapparat 2, 2', 2" eine Reihe
Leitschaufeln 60, 61,...
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Jeder
Leitapparat 2, 2', 2" umfasst außerdem einen
Innenring 4, 4' bzw. 4", der mit einem
Außenring 5, 5' bzw. 5" durch eine
Reihe Leitschaufeln 60, 61,..., 60',... bzw. 60",... verbunden
ist. Die besagten Innenringe 4, 4', 4",... und die besagten Außenringe 5, 5', 5",... sind daher
jedem Leitapparat 2, 2', 2" ,... eigen.
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Die
besagten Innenringe 4, 4', 4" ,... und die besagten Außenringe 5, 5', 5",... stellen
sich als Metallbleche in Kranzform dar, während die Reihen der Leitschaufeln 60, 61 Metallflügeln entsprechen,
die einen Innenring radial mit einem Außenring verbinden.
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Wenn
der Turbofan in Betrieb ist, strömt
das Gas zuerst durch den ersten Leitapparat 2 des Verdichters,
wo sein Vektor der Geschwindigkeit umgelenkt wird, um dann von der
ersten Rotorstufe mit Laufschaufeln 3 angetrieben zu werden,
bevor er den zweiten Leitapparat 2' erreicht, um wieder auf 3' umgelenkt zu
werden usw. Das Gas durchläuft
so einen Zyklus aus Antrieb und Umlenken, an dessen Ende seine kinetische
Energie progressiv abnimmt, während
sein Druck steigt.
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Die
Erfindung betrifft im Wesentlichen den Außenring 5 und die
Befestigung der Leitschaufeln 60, 61,... an diesem
Außenring.
Dazu wird der Ring 5 aus einem geschmiedeten Metallprofil 10 gebildet, wie
in den 2 bis 5 dargestellt, das so gebogen
wurde, dass seine beiden Enden 30, 31 aneinander
angenähert
und gefügt
werden können.
Die beiden Enden 30, 31 des Profils 10 werden
gemäß einer Schnittebene
X miteinander verbunden. Ein Befestigungsmittel der beiden Enden 30, 31 kann
zum Beispiel aus einer Schraubverbindung mit Schrauben und Muttern 40 gebildet
werden, die durch beide am Profil 10 angebrachten Flanshe 50 geführt sind.
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Das
Profil 10 weist auf seiner Innenseite eine schwalbenschwanzförmige Längsnut 7 auf
(siehe 4 und 5). Die Füße 80, 81 der
Leitschaufeln 60, 61 haben eine dem Querschnitt
der Längsnut
entsprechende Form.
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Das
Profil 10 weist die Besonderheit auf, dass es elastisch
verformt werden kann, wenn seine Enden 30, 31 nicht
miteinander verbunden sind. Diese Besonderheit des Profils wird
zur Montage der Leitschaufeln 60, 61,... auf
den Ring 1 genutzt. Dazu wird das Profil 10 durch
Auseinanderbiegen seiner Enden 30, 31 in seitlicher
oder radialer Richtung verformt, wie zum Beispiel in 4 und 5 dargestellt,
anschließend
werden die Füße 80, 81,...
der Leitschaufeln 60, 61 in die besagte Nut 7 eingetrieben.
Sobald alle Füße der Schaufeln
in diese Ringnut 7 eingeführt worden sind, werden die
Flansche 50 zusammengefügt
und mit Schrauben und Muttern 40 miteinander verbunden.
Gegebenenfalls werden die Füße dieser
Schaufeln in der Ringnut 7 selbst so arretiert, dass jede
radiale Verschiebung im Inneren derselben mit mindestens einer Klemmschraube 100 verhindert
wird.