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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Ausführung einer
einstückigen
Trommel für einen
Turbomaschinenrotor, insbesondere für einen Verdichter vom Typ
Axialverdichter, vor allem für
einen Niederdruckverdichter. Unter dem Adjektiv „einstückig" wird eine Trommel verstanden, die aus
einem einzigen Teil oder aus mehreren starr verbundenen Teilen gefertigt
ist.
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Verdichter
dieses Typs, die insbesondere in Turbostrahltriebwerken eingesetzt
werden, sind von einem Rotor gebildet, der anstelle einer Folge
von getrennten, hintereinander gestapelten Scheiben eine einzige
Trommel aufweist, die dazu bestimmt ist, die Reihe von Schaufeln
der verschiedenen Stufen aufzunehmen.
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Herkömmlicherweise
weist diese einzelne Trommel durch maschinelle Bearbeitung hergestellte Einschnitte
auf, um zwischen zwei benachbarten Stufen einen Raum zu bilden,
in dem sich die Schaufeln der Statorstufen einfügen, die mit einem ein Gehäuse aufweisenden
festen Teil fest verbunden sind.
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Üblicherweise
sind die Schaufeln im Bereich von Aufnahmen, die gleichmäßig verteilt
sind und deren Anzahl gleich der Anzahl der Schaufeln ist, einzeln
mit der Trommel fest verbunden, wobei die Form der Aufnahmen bestimmt
ist, um durch Formkomplementarität
mit dem Fuß der
Schaufel zusammenzuwirken, was die radiale Festlegung, beispielsweise durch
eine Befestigung vom Typ mittels Schwalbenschwanz, sicherstellt.
Was das Festlegen gegen eine Verschiebung, vor allem gegen eine
Axialverschiebung, des Fußes
der Schaufel gegenüber
ihrer Aufnahme anbelangt, so wird sie meist für jede Schaufel getrennt durch
ein Kugel-, Stift-, Klammer-, Flansch-, Strebensystem etc. sichergestellt.
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Der
Rotor eines Verdichters, auf den die Erfindung angewandt wird, umfaßt eine
Metalltrommel, vom Typ einstückig,
die durch maschinelle Bearbeitung eines Schmiederohlings hergestellt
und mit einer stromabwärtigen
Aussteifung versehen ist, welche erforderlich ist, um die Radialverformungen
abzuschwächen,
d.h. um der Trommel zu ermöglichen, den
Beanspruchungen, insbesondere den Radialdruckbeanspruchungen standzuhalten,
die während des
Betriebs der Turbomaschine ausgeübt
werden.
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Diese
Aussteifung ist von einem radialen Buckel gebildet, der einen nach
innen (in Richtung der Längsachse)
gerichteten Radialvorsprung, d.h. einen Bereich bildet, weicher
eine ausreichende radiale Dicke aufweist, um mechanisch standzuhalten,
wobei dieser Bereich ein Teil mit einer Bohrung bildet, deren Durchmesser
im allgemeinen geringer ist als der Rest der Trommel.
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Diese
Trommeln werden in den meisten Fällen
aus einer Legierung auf der Basis von Titan gefertigt, die den thermischen
und mechanischen Beanspruchungen standhält, denen die Turbomaschinenrotoren
ausgesetzt sind.
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In
der Tat ist bei den Luftfahrtanwendungen, bei denen die Hersteller
beständig
bestrebt sind, die Massen zu verringern, diese Art von Schaufeln
tragender Trommel mit einer in radialer Richtung reduzierten Dicke
ausgebildet, sei dies in den Haltebereichen der Schaufelfüße oder
in den Bereichen der Einschnitte.
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Trotz
einer solchen Form mit verringerter Dicke ist es jedoch erforderlich,
zunächst
ein relativ dickes Schmiedeteil auszubilden, wobei diese große Dicke
durch das die Aussteifung enthaltende stromabwärtige Teil bedingt ist. Der
Erhalt eines solchen Teils erfordert folglich die Verwendung einer
große Menge
an Ausgangsmaterial, was zu hohen Kosten hinsichtlich Ausgangsmaterial
und Nachbearbeitung führt,
wozu noch der bei der Bearbeitung aus den Spänen resultierende Materialverlust
hinzukommt.
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Eine
weitere Technik ermöglicht,
die Notwendigkeit zu umgehen, auf ein dickes Schmiedeteil zurückzugreifen;
es handelt sich dabei darum, ein angesetztes Teil, das dazu bestimmt
ist, die Aussteifung zu bilden, zu schweißen, insbesondere mittels Elektronenstrahl.
Jedoch impliziert diese Technik einerseits die Herstellung (durch
Schmieden, anschließend
durch maschinelle Bearbeitung) eines ergänzenden Teils und andererseits
einen langwierigen und kostspieligen Schweißprozeß.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Trommel zu liefern, die
ermöglicht,
die zuvor in Verbindung mit dem Stand der Technik genannten Probleme
zu umgehen.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die vorliegende Erfindung eine Trommel vor, die Schaufeln trägt, die eine
um eine Längsachse
allgemein rotationszylindrische Form aufweist, die insbesondere
dazu bestimmt ist, einen Rotor zu bilden, die aus einer Metallegierung
gefertigt ist und die sich zwischen einem stromaufwärtigen Ende
und einem stromabwärtigen
Ende entlang eines gekrümmten
Profils erstreckt, das in einer ringförmigen Hülle umgrenzt werden kann, die sich
um die genannte Längsachse
erstreckt, wobei sich das Profil radial um eine eine Mantellinie
aufweisende Rotationsfläche
erstreckt, wobei das stromabwärtige
Ende mit einer Aussteifung versehen ist.
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Gemäß der Erfindung
ist die Aussteifung mit wenigstens einer Verbundeinheit versehen,
die an dem stromabwärtigen
Ende angebracht ist, wobei die Verbundeinheit Fasern und eine Polymermatrix
aufweist.
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Auf
diese Weise versteht man, daß durch das
Vorhandensein der genannten Verbundeinheit, anstelle der Aussteifung
ein Werkstoff verwendet wird, der wenigstens genauso widerstandsfähig ist wie
die genannte Metallegierung, der jedoch leichter ist. Eine solche
Aussteifung ist auch leicht zu verwirklichen.
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Diese
Lösung
weist somit zahlreiche Vorteile auf, hauptsächlich bezüglich des Herstellungsverfahrens
(Reduzierung der Kosten der Ausgangsmaterialien und der Bearbeitung)
und an zweiter Stelle hinsichtlich des Gewichts der so erhaltenen
Trommel.
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In
bevorzugter Weise weist die Trommel ein erstes, insbesondere durch
Schmieden und maschinelle Bearbeitung einstückig hergestelltes Metallteil sowie
ein von der Aussteifung gebildetes zweites Teil auf. In vorteilhafter
Weise besteht die erfindungsgemäße Trommel
lediglich aus diesen zwei Teilen, was die ökonomisch günstigste und vollkommen zufriedenstellende
Lösung
unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit gegenüber insbesondere mechanischer und
thermischer Beanspruchung darstellt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
der Trommel gemäß der vorliegenden
Erfindung begrenzt das genannte stromabwärtige Ende eine ringförmige Aufnahme,
deren Achse mit der Längsachse koaxial
ist, wobei die Aufnahme radial nach außen offen ist, und ist die
Verbundeinheit ringförmig
und um das stromabwärtige
Ende gewickelt und ist dabei in der Aufnahme positioniert. Diese
Lösung
ermöglicht den
Erhalt einer einzigen Aussteifung, welche die Trommel gegenüber Kräften, insbesondere
den radial nach außen
gerichteten Fliehkräften,
die zu einer Verformung der Trommel führen, allgemein verstärken.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
der Trommel nach der vorliegenden Erfindung bildet das stromabwärtige Ende
eine Reihe von axialen Vorsprüngen,
und ist die Aussteifung von wenigstens einer hülsenförmigen, an einem der Vorsprünge angebrachten,
gewickelten Verbundeinheit gebildet. Diese Lösung, die genauso viele hülsenförmige, gewickelte Verbundeinheiten
wie Vorsprünge
einsetzt, erbringt den Vorteil, daß es im Falle einer Beschädigung von einer
oder mehreren Verbundeinheiten) möglich ist, lokal lediglich
die beschädigte(n)
Verbundeinheit(en) zu ersetzen.
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Vorteilhafterweise
ist die Aussteifung gegenüber
der genannten Mantellinie exzentriert, insbesondere ist die Aussteifung
gegenüber
der Mantellinie radial nach außen
exzentriert; diese Lösung
ermöglicht,
während
der durch die Rotation der Trommel erzeugten Belastungen an Leistungsfähigkeit
zu gewinnen.
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Nach
einer bevorzugten Anordnung ist die Verbundeinheit von langen, gewickelten
Kohlenstoffasern gebildet, die in einer Matrix aus einem Duroplast,
vorzugsweise vom Typ Epoxyharz gelagert sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch einen Axialverdichter, welcher
als Rotor eine Trommel des vorgenannten Typs umfaßt, an der
bewegliche Schaufeln befestigt sind.
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Schließlich betrifft
die vorliegende Erfindung auch einen Turbo-Verbrennungsmotor, insbesondere ein
Turbostrahltriebwerk, mit einem Verdichter des vorgenannten Typs.
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Weitere
Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden
Beschreibung, welche als Beispiel und anhand der beiliegenden Zeichnungen
erfolgt, hervorgehen, in welchen:
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1 eine
Halbansicht im Teilquerschnitt des vorderen Teils eines Turbostrahltriebwerks
mit dem Gebläse
und einem Niederdruckverdichter zeigt, der mit einer Trommel nach
dem Stand der Technik ausgestattet ist,
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2 in
vergrößerter Form
eine Halbansicht der Trommel der 1 zeigt,
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3 ein
vergrößertes Detail
des stromabwärtigen
Endes der Trommel der
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2 zeigt,
in dem die Aussteifung zu erkennen ist,
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die 4A und 4B zwei
Ausführungsvarianten
einer Trommel nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen
und
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die 5A und 5B zwei
Ausführungsvarianten
einer Trommel nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
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In 1 ist
der Querschnitt einer Hälfte
des vorderen Teils 10 eines Turbostrahltriebwerks dargestellt,
wobei diese Hälfte
auf einer Seite der Längsachse 12 gelegen
ist, welche die Rotationssymmetrieachse der verschiedenen Elemente,
insbesondere der verschiedenen beweglichen Elemente des Turbostrahltriebwerks
bildet.
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In 1 sind
unter den verschiedenen Elementen, die axial um die Längsachse 12 angeordnet sind
und die die herkömmliche
Struktur eines solchen Turbostrahltriebwerks bilden, ein Gebläse 14 („Fan") und ein Niederdruckverdichter 16 genauer
zu erkennen.
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Das
Gebläse 14 umfaßt eine
Reihe von sich radial erstreckenden Schaufeln 18, die an
einer ringförmigen
Scheibe 20 angebracht sind; in 1 ist nur eine
dieser Schaufeln 18 dargestellt. Es versteht sich, daß die Scheibe 20 und
die Schaufeln 18 um die Längsachse 12 des Turbostrahltriebwerks
drehangebracht sind.
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In 1 bestimmt
die Strömungsrichtung des
Luftstroms die stromaufwärtige
Richtung (linker Teil der 1) des stromabwärtigen Teils
(rechter Teil der 1).
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Es
versteht sich, daß die
anderen herkömmlichen
Elemente eines solchen Turbostrahltriebwerks, insbesondere die weiter
stromabwärts
als der Verdichter 16 gelegenen Elemente und die in Bezug auf
die Längsachse 12 radial
weiter außen
befindlichen Elemente der Klarheit halber nicht dargestellt sind.
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Der
Verdichter 16 umfaßt
mehrere Reihen von rotationsbeweglichen Schaufeln 22, die
an einer Scheibe, oder Trommel 24, angeordnet sind, welche mit
der Scheibe 20 des Gebläses
fest verbunden ist.
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In 1 sind
drei Reihen von beweglichen Schaufeln 22 zu erkennen, zwischen
denen fünf
Reihen von festen Schaufeln 26, die an einem Gehäuse 28 angebracht
sind, angeordnet sind.
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Die
Trommel 24, welche in 2 besser
zu sehen ist, weist demnach von einem stromaufwärtigen Ende 24a zu
einem in 2 rechts befindlichen stromabwärtigen Ende 24b eine
um die Längsachse 12 allgemein
rotationszylindrische Form auf. Das stromaufwärtige Ende 24a ist
entsprechend ausgebildet, um das Verbinden, beispielsweise durch
Verschrauben, mit der ringförmigen
Scheibe 20 des Gebläses 14 (siehe 1)
mittels Flanschen 24c und 24d zu ermöglichen.
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Zwischen
dem stromaufwärtigen
Ende 24a und dem stromabwärtigen Ende 24b umfaßt die einstückig ausgebildete
Trommel 24 drei Reihen von Einschnitten 24e, welche
dazu bestimmt sind, durch Formkomplementarität den Fuß der beweglichen Schaufeln 22 aufzunehmen.
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Wie
aus 3, welche eine Vergrößerung des stromabwärtigen Endes 24b zeigt,
genauer hervorgeht, ist im Bereich dieses stromabwärtigen Endes 24b eine
Aussteifung 24f in der radialen Verlängerung des am weitesten stromabwärts gelegenen Einschnitts 24e der
Trommel 24 gebildet.
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Nach
dem Stand der Technik ist diese Aussteifung 24f von einer
radialen Erweiterung, d.h. einem radialen Vorsprung gebildet, die
bzw. der in Richtung der Längsachse 12 gerichtet
ist, um eine ringförmige
Innenrippe zu bilden, welche die mechanische Festigkeit dieser Trommel 24,
insbesondere gegenüber
Radialdruckkräften
ganz erheblich erhöht.
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Herkömmlicherweise
läuft das
stromabwärtige
Ende 24b in einem ringförmigen,
axialen Vorsprung 24g aus, indem die Aussteifung 24f und
der Teil, welcher den am weitesten stromabwärts gelegenen Einschnitt 24e der
Trommel 24 begrenzt, axial verlängert sind.
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Bezieht
man sich auf 2, so weist die Trommel 24 von
ihrem stromaufwärtigen
Ende 24a zu ihrem stromabwärtigen 24b ein Profil
auf, das in einer ringförmigen
Hülle 30
um die Längsachse 12 herum
umgrenzt werden kann.
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Genauer
gesagt erstreckt sich das Rotationsprofil der Trommel 24 auf
beiden Seiten einer mittleren Rotationsfläche, die durch die Rotation
einer von einer gekrümmten
Linie gebildeten Mantellinie 34 um die Längsachse 12 erzeugt
wird.
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Wie
anhand von 2 festgestellt werden kann,
weichen die Trommeln des Standes der Technik nur in einigen Bereichen
radial wesentlich von dieser Mantellinie 34 ab, dies sind
die Befestigungsflansche 24c und 24d und die Aussteifung 24f.
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Herkömmlicherweise
ist diese Trommel 24 aus einem einzigen Schmiedeteil hervorgegangen, das
die Herstellung, üblicherweise
durch Gießen,
eines Rotationsblockes erfordert, der annähernd die Form und das Volumen
aufweist, das von der aus 2 ersichtlichen
ringförmigen
Hülle 30 eingenommen
wird.
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Wenn
diese ringförmige
Hülle 30 in
einen radial inneren Hüllenteil 30a,
welcher der Materialmenge entspricht, die notwendigerweise vorhanden
ist, um später
die Aussteifung 24f zu bilden, und in einen radial äußeren Hüllenteil 30b,
der dem Rest der Hülle 30 entspricht,
unterteilt wird, stellt man leicht fest, daß das Verschwinden des Vorhandenseins
der Aussteifung 24f in dem Ausgangsgußstück ermöglichen würde, eine bedeutende Menge
an Ausgangsmaterial, die etwa auf ein Drittel geschätzt wird,
zu sparen.
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Von
dieser Feststellung ausgehend ermöglicht die vorliegende Erfindung,
die Aussteifung 24f des Standes der Technik nach der aus
den 4A bis 5B ersichtlichen
Lösung
zu verändern.
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In
der weiteren Beschreibung, die der Vorstellung der vorliegenden
Erfindung entspricht, weisen die bereits zuvor in Verbindung mit
dem Stand der Technik beschriebenen Elemente ein um einen Wert 100 erhöhtes Bezugszeichen
auf.
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Wie
in diesen Figuren zu erkennen ist, ist die Aussteifung 24f des
Standes der Technik vollständig verschwunden
und wurde durch eine Verbundeinheit 140 ersetzt, die an
dem stromabwärtigen
Ende 124b angebracht ist.
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In
der Tat schlägt
die vorliegende Erfindung vor, auf die Verwendung eines Verbundwerkstoffes, der
Fasern und eine Polymermatrix aufweist, zurückzugreifen, um eine Aussteifung
zu bilden, die eine ausreichende Festigkeit gegenüber mechanischer und
thermischer Beanspruchung aufweist, um die Metallaussteifung 24f des
Standes der Technik zu ersetzen.
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Die
Fasern sind vorzugsweise lange, gewickelte Fasern, wobei diese Fasern
der Verbundeinheit 140 eine hohe mechanische Festigkeit,
insbesondere eine Steifigkeit verleihen. Es werden vorzugsweise
Kohlenstoffasern verwendet, es können jedoch
auch andere Faserarten verwendet werden, darunter Bor, Silizium,
Borkarbid und Siliziumkarbid.
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Die
Polymermatrix ermöglicht,
eine Verbundeinheit 140 von geringer Dichte mit einer bestimmten mechanischen
Schlagzähigkeit
zu bilden. Es werden vorzugsweise Harze vom Typ Epoxydharz verwendet;
Polyimidharze bzw. Harze auf der Basis von Nylon oder von Polybenzimidazol
können
ebenfalls für die
Ausbildung der Verbundeinheit 140 verwendet werden.
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Nach
einer ersten Ausführungsform,
welche in den 4A und 4B dargestellt
ist, begrenzt der ringförmige,
axiale Vorsprung 124g, welcher den am weitesten stromabwärts gelegenen
Teil der Trommel bildet, eine um die Längsachse 12 umlaufende ringförmige Aufnahme 124h,
wobei diese Aufnahme 124h radial nach außen, d.h.
in von der Längsachse 12 abgewandter
Richtung offen ist, derart, daß sie
die Verbundeinheit 140 aufnehmen kann.
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Nach
einer ersten Ausführungsvariante,
welche in 4A dargestellt ist, erstreckt
sich die ringförmige
Aufnahme 124h auf beiden Seiten der Mantellinie 134.
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Nach
einer zweiten Ausführungsvariante, welche
in 4B dargestellt ist, erstreckt sich die Aufnahme 124h in
bezug auf die Mantellinie 134 nach außen versetzt; auf diese Weise
ist die die Aussteifung bildende gewickelte Verbundeinheit 140 in bezug
auf diese Mantellinie 134 exzentriert. Diese bevorzugte
Lösung
ermöglicht,
die Leistung hinsichtlich der mechanischen Festigkeit der eine solche
Anordnung aufweisenden Trommel zu verbessern.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform,
welche in den 5A und 5B dargestellt
ist, weist das stromabwärtige
Ende 124b in seinem am weitesten stromabwärts befindlichen
Teil zahlreiche axiale Vorsprünge 124i auf,
die um die Längsachse 12 gleichmäßig radial
verteilt sind.
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Ein
jeder dieser axialen Vorsprünge 124i ist dazu
bestimmt, eine gewickelte Verbundeinheit 140, die hülsenförmig um
diesen Vorsprung 124i gewickelt ist, aufzunehmen.
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Die
von der gewickelten Verbundeinheit 140 gebildete Hülse kann
an jedem ihrer Enden Öffnungen
aufweisen bzw. in bevorzugter Weise, wie in den 5A und 5B dargestellt,
im Längsschnitt
die Form eines U aufweisen, das um den axialen Vorsprung 124i aufgesetzt
ist.
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Diese
Hülse kann
zylindrisch sein mit kreisförmigem
Querschnitt um die parallel zur Längsachse 12 verlaufende
Achse 136, oder aber sie kann einen langgestreckten, beispielsweise
ovalen, länglichen
oder ähnlichen
Querschnitt aufweisen.
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Nach
der in 5A dargestellten ersten Ausführungsvariante
der zweiten Ausführungsform sind
die axialen Vorsprünge 124i sowie
die gewickelten Verbundeinheiten 140 um die Mantellinie 134 herum
zentriert.
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Im
Falle der in 5B dargestellten zweiten Ausführungsvariante
der zweiten Ausführungsform sind
die axialen Vorsprünge 124i und
die die gewickelten Verbundeinheiten 140 bildenden Hülsen in Bezug
auf die Mantellinie 134 exzentriert, d.h. versetzt, und
zwar in von der Längsachse 12 abgewandter
Richtung, um die Leistung hinsichtlich der mechanischen Festigkeit
zu verbessern.
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Es
versteht sich, daß bei
den zwei dargestellten Ausführungsformen
bezüglich
der gewickelten Verbundeinheit 140 vorgesehen ist, die
langen Fasern entweder direkt um die Längsachse 12 (4A und 4B)
oder um eine zu dieser Längsachse 12 parallel
verlaufende Achse 136 aufzuwickeln, welche die Mittelachse
des gewickelten, hülsenförmigen Verbunds 140 bildet
(5A und 5B).
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Man
versteht auch, daß die
vorliegende Erfindung es ermöglicht,
eine Trommel 124 herzustellen, die einen weitaus geringeren
Selbstkostenpreis als diejenigen des Standes der Technik aufweist
und die zudem auf einfache Weise hergestellt werden kann, derart,
daß sie
Eigenschaften aufweist, wie Eigenschaften der mechanischen Festigkeit
und Wärmefestigkeit,
die wenigstens genauso effektiv sind wie bei den Trommeln des Standes
der Technik.