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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor sowie eine Turbomaschine.
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Der aus der
DE 10 2006 025 883 A1 bekannte Rotor weist ein sich radial außen an die Schaufeln anschließendes Deckband auf. Das Deckband ist aus einem faserverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoff oder faserverstärkten Kunststoffmatrix-Verbundwerkstoff gebildet.
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Bei der vorstehenden, bekannten Lösung hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die dort verwendeten Einzelfasern eine nur geringe Elastizität aufweisen und somit nur kleine Impulse aufnehmen können. Dies ist insbesondere im Hinblick auf einen etwaigen Vogelschlag ungünstig. Ferner ist die Bauweise mit dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff sehr teuer und aufwändig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor und eine Turbomaschine bereitzustellen, welcher bzw. welche die vorstehenden Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Demgemäß wird ein Rotor für eine Turbomaschine bereitgestellt, welcher einen Rotorgrundkörper und mehrere über den Umfang des Rotorgrundkörpers angeordnete Schaufeln aufweist, wobei wenigstens ein erstes Seil zur Aufnahme von Fliehkräften vorgesehen ist, welches sich bezogen auf die Rotationsachse des Rotors in Umfangsrichtung erstreckt.
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Ferner wird eine Turbomaschine bereitgestellt, welche den erfindungsgemäßen Rotor aufweist.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, Fliehkräfte mittels eines Seiles anstelle von Einzelfasern aufzunehmen. Seile bieten die gewünschte Elastizität, um große Impulse aufnehmen zu können, und stellen darüber hinaus eine kostengünstige Lösung dar. Dadurch, dass die Seile wenigstens einen Teil der wirkenden Fliehkräfte aufnehmen, wird die Möglichkeit eröffnet, Komponenten des Rotors, beispielsweise die Schaufeln oder den Rotorgrundkörper, im Hinblick auf ihre Materialstärke zu reduzieren. Beispielsweise kann ein Rotorgrundkörper mit einer Scheibengeometrie zu einer Ringgeometrie reduziert werden. Ein derartiger Rotorgrundkörper ist dann beispielsweise vorteilhaft geeignet, direkt außerhalb des Getriebes eines Fans angeordnet zu werden. Außerdem können somit auch Gewichtsvorteile, d. h., der Rotor wird insgesamt leichter, sowie eine Containment-Wirkung, insbesondere bei Vogelschlag, erzielt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorliegend ist unter einem ”Seil” ein aus zusammengedrehten Fasern oder Drähten bestehendes längliches, biegeschlaffes, elastisches Element zur Übertragung von Zugkräften zu verstehen. Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um hochfeste Fasern oder Fasermischungen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors schließt sich ein Deckband radial außen an die Schaufeln an, wobei das Deckband das wenigstens eine erste Seil zur Aufnahme von auf das Deckband wirkenden Fliehkräften aufweist. Dadurch wird vorteilhaft ein ”selbsttragendes” Deckband erzielt, d. h., dass das Deckband mittels des ersten Seils die Fliehkräfte, welche auf das Deckband wirken, selbst aufnimmt, so dass die Fliehkräfte nicht in die Schaufeln eingeleitet werden. Dies bedingt wiederum vorteilhaft, dass die Schaufeln dünner ausgebildet werden können.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors weist das Deckband einen Hohlraum oder Kanal auf, in welchem das wenigstens eine erste Seil angeordnet ist. Dadurch kann das erste Seil geschützt untergebracht werden. Dies kann auch in aerodynamischer Hinsicht vorteilhaft sein.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist das Deckband aus mehreren, in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Segmenten gebildet. Dies ist in montagetechnischer Hinsicht vorteilhaft.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors weist der Rotorgrundkörper das wenigstens eine erste Seil oder wenigstens ein zweites Seil zur Aufnahme von auf den Rotorgrundkörper wirkenden Fliehkräften auf. Das heißt, dass der Rotorgrundkörper zusätzlich oder alternativ zu dem Deckband mit einem Seil versehen werden kann. Aufgrund des wenigstens ersten oder zweiten Seils kann der Rotorgrundkörper dünnwandiger ausgebildet werden, da die auf den Rotorgrundkörper wirkenden Fliehkräfte von dem Seil aufgenommen werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors weist der Rotorgrundkörper einen Hohlraum oder einen Kanal auf, in welchem das wenigstens eine erste oder zweite Seil angeordnet ist. Dadurch kann das erste oder zweite Seil geschützt untergebracht werden. Dies kann auch in aerodynamischer Hinsicht vorteilhaft sein.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist das wenigstens eine erste oder zweite Seil in axialer Richtung gesehen vor und/oder hinter den Schaufeln angeordnet. Damit kann ein Teil der Fliehkräfte, die von den Schaufeln in den Rotorgrundkörper eingeleitet werden, von dem ersten oder zweiten Seil aufgenommen werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors sind der Anfang und das Ende des ersten und/oder zweiten Seils direkt oder indirekt miteinander verbunden. Mit ”direkt” ist gemeint, dass der Anfang und das Ende reibschlüssig, stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig gegeneinander anliegen bzw. miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann das erste und/oder zweite Seil einen einstückigen Ring bilden, d. h. dass der Anfang und das Ende des ersten und/oder zweiten Seils einstückig miteinander verbunden sind. Mit ”indirekt” ist gemeint, dass ein oder mehrere Zwischenstücke den Anfang und das Ende des ersten und/oder zweiten Seils miteinander verbinden. Beispielsweise können der Anfang und das Ende des ersten Seils in Umfangsrichtung überlappend angeordnet sein und jeweils mittels einer oder mehreren Klammern an dem Deckband befestigt sein.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist das wenigstens eine erste und/oder zweite Seil aus Araldit und/oder Stahl ausgebildet. Diese Materialien weisen günstige Festigkeiten und Elastizitäten auf. Für Hochtemperaturanwendungen kann auch eine Nickel oder Kobalt basierte Legierung für die Seile eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist das Gehäuse mit wenigstens einer Öffnung ausgebildet, mittels welcher den Seilen Kühlluft zuführbar ist. Dadurch kann eine einfache Temperierung der Seile gewährleistet werden.
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Über das Deckband können auch hohle Schaufeln in der Hochdruckturbine oder in der Niederdruckturbine mit Luft gekühlt werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors sind die Schaufeln drehbar ausgebildet, wobei das Deckband eine Drehführung für ein Drehen der Schaufeln aufweist. Dadurch kann eine einfache Führung der Schaufeln für ein Drehen derselben gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors sind die Schaufeln jeweils in eine Vertiefung in dem Rotorgrundkörper und/oder in eine Vertiefung in dem Deckband eingelassen. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Verbindung, insbesondere eine formschlüssige Verbindung, zwischen den Schaufeln und dem Rotorgrundkörper und dem Deckband hergestellt werden.
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Der Rotorgrundkörper und die Schaufeln können vorliegend als BLISK (Bladed Disk) oder als BLING (Bladed Ring) ausgebildet sind. ”BLISK” heißt, dass der Rotorgrundkörper scheibenförmig ausgebildet ist und die Schaufeln integral mit dem scheibenförmigen Rotorgrundkörper, d. h. einstückig, gebildet sind. ”BLING” heißt, dass der Rotorgrundköper ringförmig ausgebildet ist und dass die Schaufeln integral, d. h. einstückig, mit dem ringförmigen Rotorgrundkörper ausgebildet sind. Genauso können aber der Rotor und die Schaufeln vorliegend derart ausgebildet sein, dass die Schaufeln Füße aufweisen, mittels welchen sie in Ausnehmungen in dem Rotorgrundkörper eingesetzt, d. h. verankert, sind. Die BLING-Bauweise ist insbesondere im Hinblick auf ein reduziertes Rotorgewicht vorteilhaft.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1A in einer schematischen Draufsicht einen Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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1B einen Schnitt I-I aus 1A;
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2A in einer Draufsicht schematisch einen Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2B einen Schnitt II-II aus 2A;
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3A in einer Draufsicht schematisch einen Rotor gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3B einen Schnitt III-III aus 3A.
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In den Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1A zeigt einen Rotor 1 eines Verdichters oder Fans gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht und 1B einen Schnitt I-I aus 1A.
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Die Begriffe ”radial”, ”axial” und ”in Umfangsrichtung” beziehen sich vorliegend immer auf die Rotationsachse M des Rotors 1.
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Der Rotor 1 weist einen Rotorgrundkörper 2 und mehrere über den Umfang des Rotorgrundkörpers 2 angeordnete Schaufeln 3 auf.
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Der Rotorgrundkörper 2 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel scheibenförmig ausgebildet, d. h. dass dessen Dicke D größer ist als dessen axiale Länge L. Der Rotorgrundkörper 2 weist eine Nut 4 in Umfangsrichtung auf, in welcher die Schaufeln 3 mittels ihrer jeweiligen Füße 5 in radialer Richtung formschlüssig befestigt sind.
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Die Schaufeln 3 können als Hohlschaufeln insbesondere in Faserverbundbauweise oder in Mischbauweise ausgebildet sein. Insbesondere können die Schaufeln 3 eine Keramikbeschichtung aufweisen. Alternativ können die Schaufeln 3 auch als Gussteil aus Metall, beispielsweise aus einer Nickel- oder Kobaltlegierung, mit einer einkristallinen oder anderen Kristallinstruktur, oder aus Keramik hergestellt sein.
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Radial außen schließt sich an die Schaufeln 3 ein Deckband 6 an. Das Deckband 6 weist mehrere Seile 7 auf, welche dieses in Umfangsrichtung umschlingen.
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Das Deckband 6 setzt sich auf mehreren Segmenten 10 zusammen, welche in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Deckband 6 als ein Kanal 11 ausgebildet, in welchem die Seile 7 aufgenommen sind.
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Die Seile 7 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils aus einer Vielzahl von zusammengedrehten Fasern oder Drähten z. B. aus Araldit ausgebildet. Jedes Seil 7 weist einen nicht dargestellten Anfang und ein nicht dargestelltes Ende auf, welche einander in Umfangsrichtung überlappen und zusammengeklammert sind, so dass zwischen diesen ein Reibschluss besteht. Zusätzlich oder alternativ können der Anfang und das Ende eines jeden Seils 7 auch an das Deckband 6 geklammert sein. Der besseren Verständlichkeit halber sind die Seile 7 in 1A dargestellt worden, obwohl sie eigentlich in dem Deckband 6 verdeckt aufgenommen sind. Vorzugsweise sind die Seile 7 vorgespannt, d. h. sie erzeugen eine radial nach innen gerichtete Kraft, also eine Druckkraft, auf die Schaufelblätter 3, welche der im Betrieb des Rotors 1 herrschenden Fliehkraft entgegenwirkt.
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Noch weiter radial nach außen können an dem Deckband 6 nicht dargestellte Fins, Bürsten oder textile Dichtungen angebracht sein, mittels welcher der Rotor 1 gegen einen in 2B dargestellten Gehäuseabschnitt 23 der Turbomaschine abdichtet.
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Radial nach innen ist das Deckband 6 vorzugsweise mit einer Anzahl Ausnehmungen 12 ausgebildet, welche der Anzahl der Schaufelblätter 3 entspricht. Das deckbandseitige Ende einer jeden Schaufel 3 ist in eine derartige Ausnehmung 12 formschlüssig eingelassen. Die Ausnehmungen 12 können beispielsweise durch Erodieren, chemisches Senken oder mechanische Bearbeitung erzeugt werden.
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Das Deckband 6 kann ferner mit nicht dargestellten Öffnungen ausgebildet sein, mittels welchen den Schaufeln 3 Kühlluft für eine Temperierung derselben zugeleitet werden kann. Weiterhin kann, für den Fall, dass die Schaufeln 3 drehbar ausgebildet sind, wie es beispielsweise beim ”Open-Rotor” Konzept der Fall ist, das Deckband 6 mit einer Drehführung für ein Drehen der Schaufeln 3 ausgebildet sein. Ferner kann ein elastisches Material in den Spalt 13 zwischen dem Ende einer jeweiligen Schaufel 3 und einer jeweiligen Ausnehmung 12 eingebracht werden. Dadurch können Schaufelschwingungen wirkungsvoll gedämpft werden.
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Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiels gemäß den 2A bis 3B näher erläutert, wobei jedoch lediglich auf die Unterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B eingegangen wird.
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2A zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Rotor 1 für eine Hochdruckturbine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 2B zeigt einen Schnitt II-II aus 2A.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2A und 2B ist der Rotorgrundkörper 2 ringförmig ausgebildet, d. h. dass dessen Dicke D kleiner ist als dessen axiale Länge L. Anstelle der Nut 4 weist dieser Ausnehmungen 21 auf, in welche jedes der rotorgrundkörperseitigen Enden der Schaufeln 3 formschlüssig eingelassen ist. Die Ausnehmungen 21 können mittels der gleichen Verfahren hergestellt werden, wie vorstehend für die Ausnehmung 12 erläutert.
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Die Schaufeln 3 sind aus einer Keramik ausgebildet und weisen einen Bolzen 22, insbesondere aus Metall, in ihrem Inneren auf. Der Bolzen 22, welcher sich radial von dem Rotorgrundkörper 2 zu dem Deckband 6 erstreckt, ist im Hinblick auf eine Beschädigung der keramischen Schaufel vorteilhaft. Alternativ können die Schaufeln 3 auch aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein.
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In 2B ist ferner ein Gehäuseabschnitt 23 eines Gehäuses der ansonsten nicht weiter dargestellten Turbomaschine dargestellt. Der Gehäuseabschnitt 23 weist eine Einrichtung 24 zum Zuführen eines Kühlmittels an die Seile 7 auf. Das Kühlen der Seile 7 wirkt einer Erwärmung und damit einer Verlängerung derselben entgegen, so dass die in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B beschriebene Vorspannkraft der Seile auch bei hohen Betriebstemperaturen des Rotors 1 aufrechterhalten werden kann. Beispielsweise kann die Einrichtung 24 in Form von Öffnungen 25 ausgebildet sein, durch welche hindurch Kühlluft den Seilen 7 zugeführt wird. Insbesondere kann die Kühlluft in einen Spalt 26 zwischen die Seile 7 zugeführt werden, wodurch eine Kühlung derselben noch weiter verbessert wird.
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3A zeigt einen Rotor 1 eines Verdichters gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 3B zeigt einen Schnitt III-III aus 3A.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3A und 3B weist der Rotorgrundkörper 2 eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1A und 1B reduzierte Dicke D auf. Dies wird bei diesem noch weiteren Ausführungsbeispiel dadurch möglich, dass Seile 31, welche den Rotorgrundkörper 2 in Umfangsrichtung umschlingen, zusätzlich zu den Seilen 7 vorgesehen sind. Vorzugsweise sind die Seile 31 entlang der Rotationsachse M gesehen vor und hinter den Schaufeln 3 angeordnet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Seile 31 in Kanälen 32 des Rotorgrundkörpers 2 aufgenommen.
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Der Aufbau der Seile 31 entspricht dem der Seile 7 und wird daher vorliegend nicht näher erläutert. Selbstverständlich können die Seile 31 jedoch auch einen anderen Aufbau aufweisen als die Seile 7. Beispielsweisen können die Seile 31 aus zusammengedrehten Drähten aus Stahl ausgebildet sein.
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”Eine” oder ”ein” schließt vorliegend keine Vielzahl aus. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die im Zusammenhang mit einem der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, auch in Kombination mit Merkmalen oder Schritten anderer oberhalb beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Grundkörper
- 3
- Schaufel
- 4
- Nut
- 5
- Fuß
- 6
- Deckband
- 7
- Seil
- 10
- Segment
- 11
- Kanal
- 12
- Ausnehmung
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Bolzen
- 23
- Gehäuseabschnitt
- 24
- Einrichtung
- 25
- Öffnung
- 26
- Spalt
- 31
- Seil
- 32
- Kanal
- M
- Rotationsachse
- D
- Dicke Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006025883 A1 [0002, 0003]
