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Läufer für ein Zweikreisturbostrahltriebwerk Die Erfindung bezieht
sich auf einen Läufer für ein Zweikreisturbostrahltriebwerk, bei dem die Läuferscheibe
Doppelschaufeln trägt, die jeweils aus einer Turbinenschaufel und einer sich über
einen Zwischensockel daran anschließenden Kompressorschaufel besteht, wobei nebeneinanderliegende
Zwischensockel aneinanderstoßen und mit ineinandergreifenden Verriegelungsflächen
ausgebildet sind.
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Die Verwendung solcher Läufer für Abgasturbolader oder Schubverstärker
ist bekannt. Die Tatsache, daß dabei jede Doppelschaufel in zwei getrennten Gasströmen
umläuft, führt zu Problemen, die bisher nicht voll befriedigend gelöst worden sind.
Einerseits müssen die beiden Gasströme möglichst gut gegeneinander abgedichtet werden,
damit Leistungsverluste vermieden werden; andererseits sind die Doppelschaufeln
besonderen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, deren Aufnahme durch
die große Länge der Doppelschaufeln noch erschwert wird. Insbesondere besteht eine
Neigung zu Biege- und Torsionsschwingungen als Folge von Druckschwankungen in den
beiden Gasströmen.
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Die bei bekannten Läufern dieser Art an den Zwischensockeln angebrachten
Verriegelungsflächen nehmen zwar einen Teil der durch die Schaufelbeaufschlagung
und die Zentrifugalkraft verursachten Biege-und Torsionskräfte auf; sie ergeben
aber praktisch keine Dämpfung der Biege- und Torsionsschwingungen. Außerdem ist
die Abdichtung zwischen den beiden Gasströmen an den Stoßfugen der Zwischensockel
unvollkommen.
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Bei einfachen Turbinenschaufeln ist es bereits bekannt, an den Schaufelfüßen
zwischen nebeneinanderliegenden Schaufeln Dichtmittel aus elastischem Material anzubringen,
die zugleich eine Schwingungsdämpfung bewirken. So ist es bekannt, an den einander
zugewandten Seitenflächen der Schaufelfüße bzw. der Schaufelbegrenzungsringe Taschen
oder Nuten anzubringen, in die Stäbe eingelegt sind, welche unter der Wirkung der
Zentrifugalkräfte dichtend gegen die Fugen gedrückt werden. Die Stäbe können aus
federnden Blechrollen bestehen.
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Die Anwendung dieser Maßnahmen wäre zwar auch bei den Schaufelfüßen
von Doppelschaufeln möglich, doch wäre die hierdurch erzielte Schwingungsdämpfung
wegen der doppelten Schaufellänge noch unzureichend. Die Abdichtung an den Zwischensockeln
könnte dadurch nicht verbessert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Läufers der eingangs
angegebenen Art, bei dem die Biege-und Torsionsschwingungen wirksam gedämpft sind
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und zugleich die gegenseitige Abdichtung der beiden Gasströme wesentlich
verbessert ist.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in den einander
berührenden Seitenflächen der Zwischensockel wenigstens eine Tasche geformt ist,
in die Dichtmittel zur Abdichtung der Fugen zwischen den Zwischensockeln eingesetzt
sind.
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Die in die Taschen der Zwischensockel eingesetzten Dichtmittel ergeben
eine wirksame Abdichtung der Stoßfugen, die im Betrieb noch dadurch verbessert wird,
daß die Dichtmittel durch die Zentrifugalkraft gegen die Fugen gepreßt werden. Zugleich
werden die Schaufelschwingungen durch die Reibung der Dichtmittel an den Wänden
der Taschen gedämpft. Diese Dämpfung ist besonders wirksam, weil sie an einer Stelle
großer Schwingungsamplitude erfolgt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die
Dichtmittel aus einem klammerartigen Streifen aus elastischem Material bestehen,
der durch Zusammendrücken daran angebrachter zurückgebogener Klammerarme in den
Taschen gehalten wird und unter der Wirkunc, der Zentrifu alkraft 9
gegen
die Fugen drückbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 eine Schnittansicht eines als Schubverstärker dienenden
Abgas-Turboverdichters, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von zwei Doppelschaufeln
für den Läufer des Turboverdichters,
Fig. 3 eine Oberansicht
der beiden Doppelschaufeln von Fig. 2 mit den in den Zwischensockeln angebrachten
Dichtmitteln, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines als Dichtmittel dienenden
klammerartigen Streifens, Fi-. 5 die Seitenansicht einer Doppelschauiel,
Fig. 6 einen Schnitt nach Linie 6-6 von Fig. 5,
Fig.
7 einen Schnitt ähnlich Fig. 6 bei einer anderen Ausführungsform des
Zwischensockels und Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines klammerartigen
Streifens, der bei der Ausführungsforin von Fig. 7 als Dichtmittel verwendet
wird.
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Fit-. 1 zeigt einen Schubverstärker in Form eines Abgas-Turboverdichters.
Ein Außengehäuse 11, das die gesamte Anordnung einschließt, bildet einen
Einlaß für Sekundärluft. Eine Zwischenwand 12, die in einen vorderen und einen hinteren
Abschnitt unterteilt ist, trennt die Sekundärluftströmung von der Abgasströmung,
und eine Innenwand 13, die aus zwei Ab-
schnitten besteht, stellt die
innere Begrenzung des Ab-
gaskanals dar. Die drei Wände sind durch radiale
Streben 14 und 15 und durch Leitschaufeln 16 und 17
miteinander
verbunden. Eine Läuferscheibe 18 ist mit den in Lagern 21 bzw. 22 gelagerten
Wellenstummeln 19 und 20 verbunden. Der Umfang der Läuferscheibe trägt eine
Anzahl von Doppelschaufeln 23, die sich radial durch den Abgaskanal, der
durch die Wände 12 und 13 begrenzt ist, und durch den von den Wänden
11 und 12 begrenzten Sekundärluftkanal erstrecken. Jede Doppelschaufel besteht
aus einer Turbinenschaufel 24 und einer Kompressorschaufel 25, die durch
einen Zwischensockel 26 miteinander verbunden sind. Die Zwischensockel sind
an der vorderen und hinteren Kante eingekerbt, so daß Rippen 27 bzw.
28 gebildet werden, die mit feststehenden, an der Zwischenwand 12 angebrachten
Dichtungsteilen 29 bzw. 30 zusammenwirken, damit ein Übertreten von
Gasen aus dem einen Kanal in den anderen verhindert wird.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Zwischensockel jeder Doppelschaufel
zur Bildung einer Ausnehmung 31 an der einen Seitenkante eingekerbt, während
an der gegenüberliegenden Seitenkante ein Vorsprung 32
angebracht ist. Nach
dem Einbau der Doppelschaufeln in die Läuferscheibe 18 stoßen die Zwischensockel
benachbarter Doppelschaufeln an diesen Seitenkanten aneinander an, wobei der Vorsprung
32 einer Doppelschaufel in die Ausnehmung 31 der folgenden eingreift.
Zur Befestigung an der Läuferscheibe ist jede Doppelschaufel mit einem üblichen
Schaufelfuß 33 am unteren Ende der Turbinenschaufel 24 versehen.
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Fig. 3 zeigt genauer den Eingriff der Verriegelungsflächen
an nebeneinanderliegenden Zwischensockeln. Mit gestrichelten Linien ist angedeutet,
wie das Innere jedes Zwischensockels von jeder Seitenfläche her ausgehöhlt ist,
so daß zwei entgegengesetzt gerichtete Taschen 36 und 37 entstehen,
von denen jede nach einer Seite des Zwischensockels hin offen ist. In die Taschen
36 und 37 nebeneinanderliegender Doppelschaufeln ist ein klanimerartiger
Dichtungsstreifen 38
eingesetzt, der unter der Fuge zwischen dem Vorsprung
32 und der Ausnehmung 31 liegt und diese abdichtet.
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Der Aufbau des Dichtungsstreifens 38 ist in Fig. 4 genauer
dargestellt. Er besteht aus einem federnden Metallblechteil, das einen länglichen
Mittelabschnitt 39 und vier seitlich abstehende, nach innen umgebogene Arme
40, 41, 42 und 43 aufweist, wobei das Ende jedes Armes etwa parallel zu dem Verbindungsstück-
zwischen dem Arm und dem Mttelabschnitt und im Abstand unter diesem liegt. Die Enden
des Mittelabschnitts sind ebenfalls nach unten umgebogen, aber im Gegensatz zu den
seitlichen Armen nicht nach innen umgebogen. Die nach innen umgebogenen Arme 40
und 41 werden in die Tasche 36 eines Zwischensockels eingedrückt, in der
sie durch die Federkraft gehalten werden. Die andere Hälfte des Streifens
38
wird von der Tasche 37 der benachbarten Doppelschaufel aufgenommen.
Nach dem Einbau stützen sich die nach innen umgebogenen seitlichen Arme des Streifens
gegen die oberen und unteren Flächen der Taschen 36 und 37 ab, wodurch
sie den Streifen fest in seiner Lage halten.
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In Fig. 5 ist zu erkennen, daß die Tasche 37 (und ebenso
die Tasche 36) nahezu die gesamte Seitenfläche des Zwischensockels einnimmt.
Die Breite und Tiefe der Taschen 36 und 37 ist in Fig. 6 dargestellt.
Die stromaufwärts liegende Verriegelungsfläche ist an der Vorderkante des Zwischensockels
gebildet, da hier eine große Querschnittsfläche an den Seitenflächen 44 und 45 zur
Aufnahme der Kräfte verfügbar ist.
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Die Doppelschaufel hat die Neigung, sich um ihre Längsachse x zu drehen
(Fig. 6), und das hierdurch hervorgerufene Drehmoment muß von den Verriegelungsflächen
44 und 45 aufgenommen werden. Bei großen Belastungen kann es vorkommen, daß die
an der Vorderkante hierfür verfügbare wirksame Querschnittsfläche 46 (Fig.
6) nicht ausreicht. Für diese Fälle ist in Fig. 7 eine abgeänderte
Ausführungsform des Zwischensockels günstiger. Bei dieser Konstruktion sind in jeder
Seitenfläche zwei Taschen 47, 49 bzw. 48, 50 gebildet, die jeweils
durch einen Steg 51
voneinander getrennt sind. An jeder Seitenkante des Zwischensockels
sind eine Ausnehmung 52 und ein Vorsprung 53 gebildet, die sich über
etwa die Hälfte jeder Seitenfläche erstrecken. Da der Drehmomentarm nun auf dem
Steg 51 liegt, ist die wirksame Querschnittsfläche der Verriegelungsfläche
54 gleich ihrer tatsächlichen Querschnittsfläche. Daher kann diese Konstruktion
größere Drehmomente aufnehmen.
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Das Dichtmittel 55 für die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsforin
des Zwischensockels ist in Fig. 8 dargestellt. Dieses Dichtmittel entspricht
im wesentlichen der Hälfte des Dichtungsstreifens von Fig. 4. Es weist ein Mittelteil
56 auf, das nach unten umgebogene Enden und seitlich abstehende, nach innen
umgebogene Arme 57 und 58 trägt. In jede der Taschen 48 und
50 wird einer dieser Dichtungsstreifen eingesetzt, der dann von der Tasche
47 bzw. 49 des benachbarten Zwischensockels aufgenommen wird, so daß die Mittelteile
56 unter den Stoßfugen liegen.
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Beim Betrieb eines Schubverstärkers der in Fig. 1
gezeigten
Art treffen die Abgase auf die Turbinenschaufeln 24, wodurch der Läufer in Drehung
versetzt wird. Die Kompressorschaufeln 25 drehen sich mit und verdichten
die Sekundärluft in dem Sekundärluftkanal. Diese Sekundärluft wird dann zusammen
mit den Abgasen der Turbine ausgestoßen, wodurch die Gesamtmasse der vom Triebwerk
ausgestoßenen Gase und damit der Gesamtschub des Triebwerks vergrößert werden. Da,
wie in Fig. 2 gezeigt, die Kompressorschaufeln 25 und die Turbinenschaufeln
24 in der gleichen Richtung verwunden sind, versucht sich die Doppelschaufel als
Ganzes unter dem Einfluß der von den Gasen erzeugten Torsionskräfte und der zentrifugalen
Aufdrehkräfte in einer einzigen Richtung zu
drehen. Diesen Torsions-
und Aufdrehkräften wird auf der Höhe der Zwischensockel durch die Verriege-Iungsflächen
Widerstand geleistet. Da sich nebeneinanderliegende Doppelschaufeln in der gleichen
Richtung zu drehen suchen (in Fig. J im Uhrzeigersinn), tritt der Widerstand
gegen diese Drehung nur an den vorderen Verriegelungsflächen auf. Die hinteren Verriegelungsflächen
dienen nur zum Ausrichten der Zwischensockel beim Zusammenbau des Läufers.
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Wegen der Druckdifferenz, die zwischen der Sekundärluft und den Abgasen
der Turbine besteht, haben die Abgase die Neigung, nach außen in den Sekundärluftkanal
überzutreten, wo dies möglich ist. Dieses übertreten wird zwischen den Zwischensockeln
der Doppelschaufeln und den Abschnitten der Zwischenwand 12 durch die Labyrinthdichtungen
27, 29 bzw. 28, 30 verhindert. Ein Übertreten von Gasen zwischen nebeneinanderliegenden
Doppelschaufeln wird durch die Dichtungsstreifen 38 bzw. 55 verhindert,
die unter den Fugen zwischen den Seitenkanten benachbarter Zwischensockel liegen
und diese abdichten.
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Die seitlichen Arme der Streifen 38 sind in die Taschen
36 und 37 eingepreßt, um die Streifen in ihrer Lage zu halten. Eine
enge Berührung des Streifens mit der Unterseite des in die Ausnehmung
31 ein-Crreifenden Vorsprungs 32 wird durch die Zentrifugalkraft bewirkt.
Diese enge Berührung ergibt eine Dämpfungswirkung, die Schwingungen der Doppelschaufeln
Widerstand leistet. Die Größe der von den Streifen auf die Unterseite der Vorsprünge
und Vertiefungen ausgeübten Dämpfungskräfte wächst infolge des Einflusses der Zentrifugalkraft
mit der Drehzahl des Läufers.