DE60120017T2

DE60120017T2 - Turbomaschine mit einer Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen

Info

Publication number: DE60120017T2
Application number: DE60120017T
Authority: DE
Inventors: Bernard Lalanne; Rene Rodellar
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2021-03-07
Also published as: CA2341839C; ATE328192T1; FR2806442B1; CA2341839A1; JP2001317497A; PT1134361E; JP4719368B2; DK1134361T3; EP1134361B1; CY1105534T1; US20010036402A1; FR2806442A1; DE60120017D1; EP1134361A1; ES2261357T3; US6450761B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine, umfassend eine Vielzahl von Schaufeln, die auf dem Weg eines Luft- oder Gasstroms angeordnet sind.
In einer solchen Turbomaschine sind ein oder mehrere Hohlräume außerhalb des Luftstroms vorgesehen und stehen mit dieser über eine Vielzahl von Öffnungen in Verbindung, die in einer entlang der Achse der Turbomaschine symmetrischen Wand, die den Luftstrom begrenzt, angeordnet sind. Ein Kanalsystem, umfassend ein Ablassventil, ist im Allgemeinen an den Hohlraum angeschlossen, um bei Teilbetrieb der Turbomaschine eine Entnahme eines Teils der Luftmenge zum Ablassen nach außen zu entnehmen, um die Stabilität des Betriebs der Turbomaschine zu erhöhen oder eine Nebenfunktion zu erfüllen. Das Volumen des Hohlraums muss ausreichend sein, um eine regelmäßige Entnahme während des Betriebs zu ermöglichen.
Es ist allerdings festzustellen, dass die Luft oder das Gas des vor dem Hohlraum zirkulierenden Luftstroms in gewissen Geschwindigkeitsbereichen eine akustische Resonanz des Hohlraums auf Grund einer Scherbeanspruchung der Grenzschicht auslösen kann.
Diese Resonanzbildung wird durch die im Allgemeinen symmetrische Struktur des Hohlraums begünstigt. Der Hohlraum kann nämlich in Bezug auf die Achse der Turbomaschine symmetrisch sein oder auch Motive, Buckel oder dergleichen umfassen, die regelmäßig auf ihrer Peripherie verteilt sind und so eine zyklische Symmetrie herstellen. Das Durchbrechen der Symmetrie, das durch die Abzweigung des Kanalsystems zur Luftentnahme für das Ablassventil oder für die Kühlung der Scheiben und Schaufeln der Turbine der Turbomaschine hervorgerufen wird, ist unzureichend, um auf sichere Weise eine akustische Resonanz des Hohlraums zu verhindern.
Nun hat eine solche akustische Resonanzbildung große Nachteile und kann zu Gefahren des Brechens der Schaufeln führen.
Das Patent US-A-5 399 064 beschreibt einen Turbokompressor für einen Verbrennungsmotor, der Mittel zur Verringerung des Lärms, der aus den Vibrationen im Kompressor entsteht, durch die Erstellung eines gewundenen Weges für das Ableiten von Luft in eine ringförmige Kammer, die den Kompressor umgibt. Zu diesem Zweck zwingt eine Vielzahl von Ablenkblechen die durch eine ringförmige Kammer strömende abgeleitete Luft, einem gewundenen Weg zu folgen. Die Gesamtheit der Ablenkbleche weist eine zyklische Symmetrie auf, wobei sie symmetrisch um die Drehachse des Kompressors angeordnet sind. Ferner ist die in diesem Dokument beschriebene ringförmige Kammer am Lufteinlass offen, was an der Verringerung des Lärms durch das gewundene Ableiten der Luft in der ringförmigen Kammer beteiligt ist.
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, umfassend Mittel, die es ermöglichen, das Entstehen von akustischen Drehwellen in dem vorher erwähnten Hohlraum zu unterdrücken oder zu verhindern und so die Nachteile auf Grund der akustischen Resonanzen im Inneren des Hohlraums zu beseitigen.
Die erfindungsgemäße Turbomaschine ist von dem Typ, umfassend eine Vielzahl von Schaufeln, die auf dem Weg eines Luft- oder Gasstroms angeordnet sind, der von einer entlang der Achse der Turbomaschine symmetrischen Achse begrenzt ist. Die Wand weist Öffnungen auf, die mit einem Hohlraum außerhalb des Luftstroms von allgemeiner symmetrischer Struktur, mit einer Symmetrie entlang der Achse der Turbomaschine oder einer zyklischen Symmetrie, in Verbindung stehen. Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie sind im Inneren des Hohlraums vorgesehen.
Die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie können auf verschiedene Arten ausgeführt sein.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfassen die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eine Querstrebeneinrichtung, die in einem mit dem Hohlraum verbundenen Kanalsystem derart montiert ist, dass sie zum Teil in das Innere des Hohlraums hineinragt.
Die Querstrebeneinrichtung ist vorzugsweise in dem Kanalsystem mit einer Vorspannung montiert, um die Vibrationen während des Betriebs zu begrenzen.
Die Querstrebeneinrichtung kann beispielsweise vorteilhafterweise von einem Rohrabschnitt gebildet sein, der von außen in das Kanalsystem eingesteckt ist.
Nach einer zweiten Ausführungsart umfassen die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eine begrenzte Zone des Hohlraums, die eine zum Inneren des Hohlraums gerichtete Konvexität aufweist.
Die Konvexität kann beispielsweise durch begrenztes Stauchen der Außenwand des Hohlraums oder auch an der Innenwand des Hohlraums hergestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung umfassen die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie ein festes Element an einer bestimmten Stelle auf der Innenseite der Außenwand des Hohlraums, beispielsweise einen Blechabschnitt, der an die Innenseite der Außenwand des Hohlraums oder auch an die Innenwand des Hohlraums geschweißt ist.
Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung umfassen die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eine Schraube, die durch die Außenwand des Hohlraums hindurchgeht und in das Innere des Hohlraums hineinragt.
Die Erfindung wird durch die Studie einiger Ausführungsarten besser verständlich, die als nicht einschränkende Beispiele dienen und durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, wobei:
1 eine Außenseitenansicht einer Turbomaschine ist;
2 eine Teilschnittansicht der in 1 dargestellten Turbomaschine ist, die eine erste Ausführungsart der Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht analog zu 2 ist, die eine zweite Ausführungsart der Erfindung zeigt;
4 eine Schnittansicht analog zu 2 ist, die eine dritte Ausführungsart der Erfindung zeigt; und
5 eine Teilschnittansicht analog zu 2 ist, die eine vierte Ausführungsart der Erfindung zeigt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, weist die erfindungsgemäße Turbomaschine einen Lufteintritt 1 auf, der mit einer ersten Gesamtheit von Drehschaufeln 2 versehen ist.
Die Außenwand 3 der Turbomaschine weist ein Anschlussrohrsystem 4 für ein Kanalsystem zur Ableitung eines Teils der Strömung an die frische Luft auf.
In der Schnittansicht der 2 ist die Drehwelle 5 zu sehen, auf der die Drehschaufeln 6 eines ersten Kompressionsabschnitts der Turbomaschine montiert sind. Die feste Nabe 7 umfasst feste Lenkschaufeln 8. Die Zirkulation des Luftstroms ist durch die Pfeils 9 schematisch dargestellt.
Die Wand 10 begrenzt den Luftstrom nach außen und weist eine symmetrische Ausführung in Bezug auf die Achse der Turbomaschine auf. Ein Hohlraum 11 mit ebenfalls allgemei ner symmetrischer Struktur in Bezug auf die Achse der Turbomaschine ist im Wesentlichen an der Stelle der Drehschaufeln 6 zwischen der Wand 10 und einer Außenwand 12 definiert. Die Wand 10 weist an ihrer Peripherie eine Vielzahl von Öffnungen 13 auf, die den Luftstrom mit dem Hohlraum 11 in Verbindung bringen. Diese Öffnungen 13 können in Form von Schlitzen, sichelförmigen Öffnungen oder kreisförmigen Rillen ausgeführt sein. Natürlich könnte bei weiteren Ausführungsarten der Hohlraum 11 eine zyklische Symmetrie aufweisen, d.h. eine Vielzahl von Motiven oder anderen Elementen umfassen, die regelmäßig im Inneren des Hohlraums angeordnet sind und so zu einer akustischen Resonanzbildung des Hohlraums führen können.
Ein Ablassventil 14, das entsprechend von nicht in der Figur dargestellten Mitteln gesteuert wird, ist im Schnitt der 2 zu sehen. Das Ventil 14 ist stromabwärts zu dem Rohrsystem 4 montiert, das seinerseits fest mit der Wand 12 an einer bestimmten Stelle des Hohlraums 11 verbunden ist.
Das Ablassventil 14 ermöglicht es, wenn es offen ist, einen Teil der Luftmenge zu entnehmen, um sie nach außen abzuleiten, um die Funktion der Turbomaschine bei gewissen Betriebsarten zu verbessern. Wenn sich das Ablassventil 14 in geschlossener Position befindet, kann die Zirkulation des Luftstroms beim Durchgang vor den Öffnungen 13 und in gewissen Geschwindigkeitsbereichen die Resonanzbildung des Hohlraums 11 durch Scherbeanspruchung der Grenzschicht auslösen.
Erfindungsgemäß wird das Entstehen von akustischen Drehwellen in dem Hohlraum 11 dadurch verhindert, dass ein absichtliches und signifikantes Durchbrechen der Symmetrie in Bezug auf die Achse des Hohlraums 11 herbeigeführt wird, zusätzlich zum Durchbrechen der Symmetrie, das bereits auf Grund des Vorhandenseins des Rohrsystems 4 besteht.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsart umfassen die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie einen Rohrabschnitt 15, der fest mit einer Vorspannung in das Rohrsystem 4 gesteckt ist. Vorzugsweise erfolgt die Montage von außen, wobei der Rohrabschnitt 15 eingesteckt wird, bis ein Radialabsatz 16, der am Außenrand des Rohrabschnitts 15 vorgesehen ist, an einem konischen Abschnitt 17 des Rohrsystems 4 anschlägt, um entsprechend die Endposition des Rohrabschnitts 15 zu definieren.
In dieser Endposition nach der Montage ragt der Rohrabschnitt 15 zum Teil in das Innere des Hohlraums 11 hinein, wobei er über den rechten Winkel der Wand 12 übersteht, ohne allerdings mit der Innenwand 10 in Kontakt zu kommen, um zu vermeiden, dass das Ableiten der Luft in dem Hohlraum 11 zu sehr beeinträchtigt wird, wenn das Ablassventil 14 offen ist.
Die in 3 dargestellte Ausführungsart unterscheidet sich von der Ausführungsart der 2 nur dadurch, dass die Außenwand 12 eine begrenzte konvexe Zone 18 aufweist, deren Konvexität zum Inneren des Hohlraums 11 gerichtet ist. Diese Zone wird vorzugsweise durch einfaches lokales Stauchen des Blechs, das die Außenwand 12 bildet, erhalten. Diese gestauchte Zone 18 führt somit zu einem zusätzlichen Durchbrechen der Symmetrie, ergänzend zu jenem, das bereits vorhanden ist, wenn ein Rohrsystem 4, wie in 2 dargestellt, an einer anderen Stelle des Hohlraums 11 angeordnet wird.
Die in 4 dargestellte Ausführungsart unterscheidet sich von der Ausführungsart der 3 durch die Tatsache, dass ein Blechabschnitt 19, der radial angeordnet ist, durch Schweißen auf der Innenseite der Außenwand 12 des Hohlraums 11 befestigt ist. Der geschweißte Blechabschnitt 19 ragt somit in das Innere des Hohlraums 11 hinein und verhindert die Entstehung von akustischen Drehwellen in dem Hohlraum 11. Natürlich kann das Rohrsystem 4 auch an einer anderen Stelle des Hohlraums 11 vorgesehen werden. Es ist anzumerken, dass die Abmessungen des geschweißten Blechabschnitts 19 von quadratischer Form bei der als Beispiel in 4 dargestellten Ausführungsart derart sind, dass sich der geschweißte Blechabschnitt 19 von der Außenwand 12 in Richtung der Innenwand 10 erstreckt, ohne allerdings mit dieser letztgenannten in Kontakt zu kommen. Als Variante könnte der geschweißte Blechabschnitt 19 auch an der Innenwand 10 befestigt sein und sich hingegen in Richtung der Außenwand 12 erstrecken.
Die in 5 dargestellte Ausführungsart unterscheidet sich von der Ausführungsart der 4 dadurch, dass eine Schraube 20 durch die Außenwand 12 des Hohlraums 11 hindurchgeht und in das Innere des Hohlraums 11 auf einer gewissen Länge hineinragt. Um die Montage zu erleichtern, weist de Außenwand 12 eine Zone 13, die mit einem Gewinde versehen ist, auf, das mit dem Gewinde der Schraube 20 zusammenwirken kann, deren Kopf 21 außerhalb der Außenwand 12 bleibt.
Die Abmessungen der Schraube 20, die in das Innere des Hohlraums 11 hineinragt, sind derart, dass sich die Schraube in Richtung der Innenwand 10 in einer Radialebene erstreckt, ohne allerdings mit der Innenwand 10 in Kontakt zu kommen.
Bei allen Ausführungsarten, die als Beispiele dargestellt wurden, wurde somit in das Innere des symmetrischen Hohlraums ein Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eingeführt, das die Entstehung von akustischen Drehwellen verhindern und somit die Resonanzbildung des Hohlraums vermeiden können, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit in der Turbomaschine.

Claims

Turbomaschine umfassend eine Mehrzahl von Schaufeln, welche auf dem Weg eines von einer gegenüber der Achse der Turbomaschine symmetrisch angeordneten Wandung begrenzten Luft- oder Gasstrom angeordnet sind, wobei die Wandung Öffnungen (13) aufweist, welche mit einem außerhalb des Luftstroms angeordneten Hohlraum (11) von im allgemeinen symmetrischer, axialer oder zyklischer Struktur zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hohlraums Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie vorgesehen sind.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eine Querstrebeeinrichtung umfassen, welche in einem mit dem Hohlraum verbundenen Kanalsystem montiert ist, so daß sie teilweise in den Hohlraum hineinragt.
Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstrebeeinrichtung in das Kanalsystem eingespannt wird.
Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstrebeeinrichtung aus einem Rohrabschnitt (15) besteht.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie einen begrenzten Abschnitt (18) des Hohlraums mit einer ins Innere des Hohlraums gerichteten Konvexität umfassen.
Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvexität durch begrenztes Stauchen der Außenwand des Hohlraumes erzeugt wird.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie ein Element (19) umfaßt, welches an einem bestimmten Ort an der Innenseite der Außenwand des Hohlraums befestigt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie ein Element umfassen, welches an einem bestimmten Ort an der Innenwand des Hohlraums befestigt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Element ein an der vorgenannten Wand des Hohlraums angeschweißtes Stück Blech ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchbrechen der Symmetrie eine Schraube (20) umfassen, welche die Außenwand des Hohl raums durchbricht und in das Innere des Hohlraums hineinragt.