Schaufelungselement an einer Strömungsmasehine. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelungselement an einer Strömungs maschine, z. B. Axial- oder Radialturbine oder Kompressor, wie sie z. B. in Gasturbinen- anlagen verwendet werden.
Beim Betrieb sind die einzelnen Elemente der Scha.ufelung einer ändernden aerodynamisehen Belastung unter- worfen, was Torsionsschwingungen um Axen zur Folge hat., die in Längsrichtung durch den Sehaufelteil eines solchen Elementes, das heisst. vom Fuss zur Spitze der Schaufeln füh ren. Diese Torsionssehwingungen führen oft zum Bruch solcher Schaufelungseleinente.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Schaufelungselemente derart zu verbessern, dass die Gefahr eines zufolge solcher Torsions- schwingungen auftretenden Bruches vermin dert ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist das Sehaufelungselement, das eine an einem Schaft. angebrachte Schaufel besitzt, welcher Schaft. an seinem von der Schaufel entfern ten Ende eine Befestigungswurzel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Schaftes so ausgebildet ist und bezüglich des Sehaufelquersehnittes eine solche Lage einnimmt, dass die im Betrieb auftretenden aerodynamischen Belastungen an -der Schau fel ein im einen Sinne drehendes Moment und am Schaft ein im entgegengesetzten Sinne drehendes Moment erzeugen.
Dadurch wird erreicht, dass der resultierende Schwingungs- aussehla- kleiner wird. Das ergibt kleinere dynamische Beanspru chungen im Schaufelfuss, wodurch auch die Gefahr eines Bruches verringert wird.
Bei einem Schaufelungsselement eines Axialkompressors oder einer Axialturbine z. B. liegt die Verdrillachse der Schaufel auf der einen Seite einer Ebene, die rechtwinklig zur Kompressor- oder Turbinenachse steht und in welcher die aerodynamische Achse der Schaufel liegt.
Die aerodynamische Achse kann als der geometrische Ort aller aerodyna mischen Druckmittelpunkte der einzelnen Schaufelquerschnitte definiert werden, wobei sich diese Achse in Längsrichtung der Schau fel erstreckt, und zwar zwischen der Verdrill achse und der Vorderkante der Schaufel.
An Hand der beiliegenden Zeichnung soll der Erfindungsgegenstand beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Axialkompressors, Fig. 2 in grösserem Massstab einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eine Variante der Befestigungsmit tel der Schaufelungselemente am Rotor, Fig. 4 schematisch einen Schnitt.
nach der Linie 4-4 in Fig. 1, Fig. 5, 6, 7 und S Varianten des in Fig. 4 olezeigten Sehaufelungselementes, Fig. 9 und 10 eine Front- bzw. Seitenan sicht einer Variante des Schaufelungselemen- tes und Fig. <B>1.1</B> und 1'2 eine Front- bzw. Seitenan sicht. einer weiteren Variante des Sehaufelungs- elementes.
Gemäss Fig. 1 und 2, in welchen ein Teil eines Axialkompressors im Axialschnitt darge stellt ist, besitzt dieser Kompressor eine zen trale Rotorwelle 20, die eine Anzahl von :
Schei bengliedern trägt, von welchen zwei Scheiben- 0 o# ieder 21 und 22 gezeigt sind. Diese Schei benglieder sind mittels Zähnen 23 mit der Welle 20 torsionsverbunden. Diese Zähne 23 sind an den freien Enden von Teilen 24 ge bildet, welche Teile die Form von axialen Hül sen aufweisen und von den Mittelteilen der Scheiben 2.1 und 22 wegragen. Diese Scheiben 21 und 2'2 sind mittels Teilen 25 auf der Welle 20 zentriert,
welche Teile ebenfalls die Form von axialen Hülsen aufweisen und von den Mittelteilen der Scheiben wegragen, und zwar entgegengesetzt den Teilen 24, und welche Teile 25 an ihren verdickten Enden über ein geschobene Schulterringe 26 mit der Welle 20 im Eingriff sind.
Die Scheiben 21 und 22 besitzen einen ver dickten Rand 27, auf welchem die Schaufe- lungselemente des Kompressors in bekannter Weise angebracht sind. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, sind die Rotor-Schaufelungselemente 34 mit sogenannten Tannenbaumwurzeln 28 versehen, die mit entsprechend ausgebildeten, axial verlaufenden Aussparungen im Randteil 27 im Eingriff sind.
Anderseits können, wie in Fig. 3 gezeigt, die Schaufelungselemente mittels Ösen und Stiften befestigt sein, wobei diese Elemente an ihrem Fussende mit Ösen 29 versehen sind, die auf beiden Seiten eines Radialflansches 30 des Scheibenrandes 27 an gebracht sind, wobei durch die Ösen 29 und den Flansch 30 ragende Drehzapfen 31 vor gesehen sind, zwecks Fixierung der Schaufe- lungselemente in ihrer Lage bezüglich des Randes 27, und zwar mit. begrenzter Dre hungsfreiheit.
Die den Rotor des Kompressors bildenden Scheiben sind durch Distanzringe 32 axial voneinander getrennt und festgehalten, welche Distanzringe an ihren -Stirnseiten mit Um fangsnuten versehen sind, in welche axial ge- richtete Rippen 33 eingreifen, die am Schei benrand 27 angebracht sind, um die Distanz ringe koaxial in bezug auf die Scheiben fest zuhalten.
Jede Scheibe, z. B. die Scheiben 21 und 22 tragen einen Kranz von 'Schaufehingselemen- ten, wobei je eine Scheibe für eine Stufe der Rotorschaufelungdes Kompressors vorgesehen ist.
Zwischen jedem Kranz von Sehaufelungs- element.en 34 ist ein Kranz von Statorschau- feln 35 angeordnet, die am nicht gezeichneten Statorgehäuse befestigt sind, wobei die .Sta- torsehaufeln 35 gemäss Fig. 1 an ihren radia len, innern Enden Plattformen 36 aufweisen, welche zusammen einen Teil der Ring vand des Arbeitskanals des Kompressors bilden.
Die Plattformen 36 sind an ihren von den Schaufeln 3,5 entfernteren Enden mit radialen Flanschen 37 versehen, die sieh bis dicht an die Aussenflächen der Distanzringe 32 hin er strecken. Die Schaufelungselemente 34 des Rotors besitzen Schaufeln 34a, die auf das durch den Axialkompressor strömende Flui dum einwirken; die Schaufeln 34a sitzen an ihrem Fussende auf Plattformen 34b, die zu sammen einen Teil der Ringwand des Arbeits- fluidumkanals des Kompressors und glatte Verlängerungen des von den Plattformen 36 gebildeten Wandteils bilden.
Die Plattformen 34b sind mittels Schäften 34e, deren Form und Zweck nachfolgend beschrieben wird, mit den Wurzeln der Sehaufelungselemente 34 verbunden.
Beim Betrieb eines Axialkompressors sind die Schaufelüngselemente 34 einer wechseln den aerodynamischen Belastung unterworfen, welche Belastungen in ihnen Torsionsschwin- gungen erzeugen, die häufig, zum Bruch der Sehaufelungselemente führen. L:
m das Aus mass der Torsionsschwingungen, denen die Schaufeln 34a der Schaufelungselemente 34 bezüglich der Wurzeln 28 unterworfen sind, zu verringern, sind die Querschnitte der Schäfte 34c derart ausgebildet und bezüglich der Querschnitte der Schaufeln 34a derart angeordnet, dass die Verdrillachsen der Schau- fenn 34a, und der Schäfte 34e auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Ebene liegen,
die rechtwinklig zur Iiompressorachse liegt und welche die aerodynainischen Achsen der Schaufeln 34a enthält. Die Schäfte 34c kön nen die verschiedensten Formen besitzen; einige davon sind in den Fig. 4 bis 8 darge stellt. Gemäss Fig. 4 ist der Schaft als T-Trä- ger ausgebildet, dessen Quersteg nahe der Leitkante der Schaufelplattform 34b angeord net ist.
Der Druekkraft-Angriffspunkt der Schaufel 34a. ist mit X bezeichnet und die Verdrillachse der Schaufel 34a ist. bei Y ange deutet. Die Verdrillaehse des Schaftes 34e, deren Lage reclineriseh gefunden wurde, ver läuft.
längs der Verbindung der Schaftstege und ist mit Z bezeichnet, wobei ersichtlich ist, dass die Verdrillachsen Y und Z auf entgegen- (Y esetzten Seiten einer Ebene liegen, die recht winklig zur Kompressoraehse steht und die 1)riiekkraftaclise der Schaufel enthält, welche der geometrische Ort der Punkte X eines jeden Sehaufelquersehnittes ist.
Bei einer solchen Anordnung ist die als Folge der Druckkraftbelastungen auftretende Verdril- hlng der Sellaufel 34a derjenigen des Schaftes 34c entgegengesetzt, so dass die resultierende Verdrillung der Schaufel 34a in bezug auf die Wurzel des Schaufelungselementes ver mindert ist und damit auch der Schwingungs- ausschlag.
Fig. 5 zeigt ein Schaufelungselement, dessen Schaft als V-Träger ausgebildet ist, dessen Stege nahe der Leitkante der 'Schaufel plattform 34b miteinander verbunden sind. Es ist ersichtlich, dass die Verdrillachsen Y und Z der Schaufel 34a bzw. des Schaftes 34-c (wobei die letztere rechnerisch gefunden wurde) in bezug auf die aerodynamische Achse X der Schaufel 34a gleich wie im vor angehend beschriebenen Beisspiel gemäss Fig. 4 angeordnet. sind.
Fig. 6 zeigt. eine andere Ausführung, bei welcher der Schaft. 34c [:-Querschnitt besitzt, wobei der Verbindungssteg nahe der Leitkante der Schaufelpluttform 34b angeordnet ist. Die Verdrillaehse des Schaftes, die in bekannter 'eise rechnerisch gefunden werden kann, er streckt sieh längs der Mitte,des Steges, so dass die Ailordnting der Verdrillaehsen Y und Z und der aerodynamischen Achse X die gleiche ist. wie in den beiden vorangehend beschriebe nen Beispielen gemäss Fig. 4 und 5.
Fig. 7 zeigt ein Schaufelungselement im Schnitt, bei welchem der Schaft 34c Kreis ringquerschnitt aufweist und längs der einen Schaftseite gespalten ist. Dieser Spalt ist auf der von der Leitkante der Plattform 34b ent fernteren Seite des Schaftes angebracht.
Bei dieser Ausbildung des Schaftes liegt die Ver- drillachse Z des Schaftes 34e, wie dies rech nerisch gefunden würde, ausserhalb des Schaf tes und .der Plattform auf der dem Spalt ent gegengesetzten Seite des Schaftes, so dass bei diesem Beispiel die Verdrillachse Z des Schaf tes 34e ausserhalb der Leitkante der Schaufel plattform 34b, und zwar auf der von der Schaufel 34a entfernteren Seite dieser Platt form, liegt.
Die Verdrillachsen Y und Z der Schaufel 34a bzw. des Schaftes 34e liegen je doch ebenfalls auf einander entgegengesetzten Seiten einer die 1)riickkraftachse X enthalten den Ebene, so dass das Ausmass der Torsions- sehwingungen der Schaufel 34a bezüglich der Wurzel des Schaufelelementes vermindert ist..
Gemäss Fig. 8 besitzt der Schaft 34c einen Winkelquerschnitt, dessen Schenkel nahe der Leitkante der Schaufelplattform miteinander verbunden sind, wobei der eine Schenkel sieh nahe der Leitkante der Plattform quer über die letztere erstreckt. Die Verdrillachse Z des Schaftes erstreckt. sich bei dieser Ausführung, wie die Rechnung ergibt, längs des Schaftes nahe der Verbindungslinie der beiden Schen kel, so dass auch hier wie in den vorangehen den Beispielen die Verdrillachsen Y imd Z auf entgegengesetzten Seiten einer die Druck- , kraftachse X enthaltenden Ebene liegen.
Zusätzlich zu einer solchen Ausbildung und Anordnung des Schaftes, dass seine Ver- drillaehse und diejenige der Schaufel auf ent gegengesetzten Seiten einer die aerodynami- < . sehe Achse der Schaufel enthaltenden Ebene liegen, können Mittel vorgesehen sein zur Rei bungsdämpfung der Schwingungen der Schaufel oder der ihr zugeordneten Platt. form. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 9 und 7.0 dargestellt, wobei eine Schaufel mit einem iSchaft gemäss Fig. 4 versehen ist undeine Wurzel aufweist, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Der Schaft 34c ist an seinem von der Schaufelplattform 34b entfernt liegenden Ende und an der Hinterkante (entfernt von der Verdrillachse) mit einem Flansch 38 ver sehen, an welchem eine Blattfeder 39 ange bracht ist, die sich in radialer Richtung nach aussen erstreckt und mit ihrem freien Ende auf der Rückfläche der Schaufelplattform 34b anfliegt. Demzufolge werden Schwingungen der Schaufelplattform 34b, die eine Folge der Torsionsschwingungen der Schaufel 34a sind, gedämpft, und zwar durch die Reibwirkung der auf der Rückfläche der Plattform auflie genden Blattfeder.
Ein weiteres Beispiel dieser Art ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Bei dieser Ausfüh rung sind Ösen 40 vorgesehen, und zwar auf der Unterseite der Schaufelplattform, welche Ösen Verlängerungen der Hinterkante des Schaftes bilden und mit Öffnungen versehen sind. Nach dem Zusammenbau der Schaufel kränze wird ein Draht 41 durch diese Off- nimgen rund um den Schaufelkranz gezogen, der dämpfend auf die Schwingungen der Plattformen 34a relativ zu den Wurzeln der Schaufelungselemente wirkt, welche Schwin gungen eine Folge von Torsionsschwingungen der Schaufel sind.
Es ist zu bemerken, dass in allen darge stellten Beispielen die Plattformen 34b vonein ander durch einen Zwischenraum getrennt sind. Der Umfangszwischenraum zwischen an grenzenden Plattformen kann derart sein, da.ss durch gegenseitiges Berühren der Plattformen eine mechanische Dämpfung auftritt, wodurch übermässige Biege- oder Drehmomente des Schaftes um seine Wurzelbefestigung ausge schaltet werden.