DE1601854A1

DE1601854A1 - Mehrstufige Turbomaschine mit Axialstroemung und zwei sich gegenlaeufig drehenden Rotoren

Info

Publication number: DE1601854A1
Application number: DE19681601854
Authority: DE
Inventors: Bouiller Jean Georges; Lacroix Armand Jean-Baptiste; Bauger Louis Jules; Garnier Michel Robert
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1967-02-27
Filing date: 1968-02-23
Publication date: 1971-02-04
Also published as: GB1196094A; DE1601854B2; US3503696A; FR1520600A; DE1601854C3

Description

PATENTANWXLTE

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DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN "^H DR. M. KÖHLER DIPL-JNG. C GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

telefon= 3953U 2000 Hamburg 50, 22. Februar I968

TELEGRAMME: KARPATENT KDNIGSTRASSE 28

¥.25115/68 12/Me

Societe Nationale d^fEtude et de Construction de Moteurs

a'Aviation

Paris (Frankreich)

Mehrstufige Turbomaschine mit Axialströmung und zwei sich gegenläufig drehenden Rotoren.

Die Erfindung bezieht sich auf Turbomaschinen und insbesondere auf mehrstufige Verdichter mit Axialströmung und zwei koaxial angeordneten, sich gegenläufig drehenden Rotoren, d. h. mit zwei Rotoren, die sich relativ zueinander in entgegengesetzten Richtungen drehen.

Es ist bekannt, daß einer der bemerkenswertesten Vorteile solcher Verdichter darin besteht, daß es für ein gegebenes Druckverhältnis möglich ist, die Anzahl der Stufen des Verdichters im Vergleich zu einem Verdichter, dessen Rotor und Stator auf die bisher übliche Weise ausgeführt sind, beträchtlich zu verringern. Dieser Vorteil ergibt sich zufolge der Tatsache, daß es möglich ist, zwischen den beiden sich gegenläufig drehenden Rotoren viel höhere relative Umfangsgeschwindigkeiten im Vergleich zu denjenigen zu erhalten,

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die der Rotor eines üblichen Verdichters hervorruft, der sich mit Bezug auf einen festen Stator dreht. Jedoch führt der Umstand, daß der äußere Rotor sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die beträchtlich sein kann und beispielsweise in der Größenordnung von 250 m/sec liegen kann, zu der Notwendigkeit, Gesichtspunkte hinsichtlich des Gleichgewichts und des Widerstandes gegen Bea-nspruchungen, die sich bei großen Geschwindigkeiten ergeben, d. h. Gesichtspunkte zu berücksichtigen, die bei der Gestaltung des Stators eines üblichen Axiälverdichters offensichtlich fernliegend sind.

Es ist bekannt, daß es bei üblichen Axialströmungsmaschinen oft erwünscht ist, den Stator aus einem einzigen Stück herzustellen, um die bekannten Nachteile von Statoren zu vermeiden, die aus zwei Teilen oder aus zwei Halbformen bestehen, die in ihrer diametralen Verbindungsebene beispielsweise mittels Bolzen miteinander verbunden sind, wobei diese Nachteile sich zufolge der Tatsache ergeben, daß der Stator unter dem Einfluß verschiedener Wärme- oder Druckbeanspruchungen arbeitet, denen er unterworfen ist, und die in den verschiedenen axialen Ebenen je nach ihrer Lage mit Bezug auf die Verbindungs ebene der Halbformen unterschiedlich sind, wodurch Verformungen hervorgerufen werden können, die hinsichtlich der Unveränderlichkeit des Luftspaltes schädlich sind.

Weiterhin ist es im Fall der äußeren Rotoren von Gegenlauf turbomas chinen erforderlich, nicht nur alles zu vermeiden,

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was die Unveränderlichkeit des Luftspaltes nachteilig beeinflussen könnte, wie bei den üblichen Maschinen, sondern auch ' alles zu vermeiden, was das Gleichgewicht und den mechanischen Widerstand eines Körpers von großer Masse und großem mittleren Durchmesser, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, nachteilig beeinflussen könnte. Aus diesem Grunde sind die äußeren Rotoren von Gegenlaufturbomaschinen sehr oft aus einem Monobloekaufbau hergestellt, der von einem Ringreifen gebildet ist, welcher glatt ist oder durch Rippen verstärkt ist und an welchem Schaufelreihen dauerhaft befestigt sind, die die Gitter der äußeren beweglichen Räder darstellen.

Der Zusammenbau einer Turbomaschine mit einem äußeren Rotor, der axial nicht geteilt ist, ist jedoch kein leichter Arbeitsvorgang und kann nicht ohne die Anwendung von Montagekunstgriffen ausgeführt werden. Aus diesem Grunde ist es bekannt, den inneren Rotor und den äußeren Rotor in aufeinanderfolgende Abschnitte (Scheiben oder Ringkörper) zu unterteilen, die zuvor mit ihren Schaufeln versehen werden, und den Zusammenbau der Turbomaschine dadurch vorzunehmen, daß abwechselnd ein Innenrotorabschnitt und ein Außenrotorabschnitt stapelartig angeordnet werden. Diese Arbeitsweise ist jedoch dann nicht möglich, wenn ein aus einem Monoblock gebildeter Außenrotor vorhanden ist, der die verschiedenen, die Gitter der beweglichen Außenräder darstellenden Schaufelkränze trägt,

worpen Vielehe aus Starrheitsgründen zuvor angebracht/sind.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, Maßnahmen vorzuseher,

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die den Zusammenbau einer Turbomaschine ermöglichen, deren Außenrotor einen Ring aufweist, an dessen Innenfläche eine Mehrzahl von Schaufelkränzen unlösbar befestigt eist, wobei der aus dem Ring und den Schaufeln bestehende Aufbau einen vorgefertigten Monoblock bildet.

Gemäß der. Erfindung ist der andere Rotor, d. h. der Innenrotor von einer Mehrzahl von axial gestapelten Scheiben gebildet, die mit einer gemeinsamen Antriebswelle verbunden sind und an deren Außenumfang Schaufeln lösbar befestigt sind, deren jede jenseits ihres zur Befestigung an der betreffenden Scheibe dienenden Fußes eine Plattform oder einen Pußansatz aufweist, der von dem Außenumfang des Innenrotors entfernt liegt und mit dem Schaufelfuß durch ein längliches Zwischenstück verbunden ist, das mit entsprechenden Plattformen oder Kopfansätzen der benachbarten Schaufeln des Außenrotors derart ausgerichtet ist, daß der Strömungsweg des die Maschine durchquerenden Arbeitsmittels innen begrenzt ist.

Es ist zu bemerken, daß bereits vorgeschlagen worden ist, Schaufeln mit einem länglichen Zwischenstück bei anderen Anwandungen zu verwenden, jedoch nicht für Gegenlaufturbomaschinen, die einen Außenrotor aufweisen, der mit den von ihm getragenen Schaufelkränzen einen einzigen Monoblock bildet, und nicht zu dem Zweck, die Montage des Innenrotors der Maschine in dem "Tunnel" zu ermöglichen, der von dem

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Außenrotor gebildet ist, der bereits vorher mit seinen Schaufeln versehen worden ist.

Gemäß der Erfindung erfolgt der Einbau des Innenrotors Stufe für Stufe, indem die Schaufeln einer Stufe in den Ringraum eingeführt werden, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufelkränzen des Außenrotors vorhanden ist, wobei die Schaufeln provisorisch in ihrer Lage gehalten werden, beispielsweise mit Hilfe eines gleichachsig zur Maschine angeordneten Zusammenbauringes, und indem die Scheibe relativ zu der Stufe des Innenrotors derart axial verschoben wird, daß sie sich auf die Füße der Schaufeln dieser Stufe aufschiebt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Gegenlaufverdichters gemäß der Erfindung.

Fig. 2bis 7 veranschaulichen verschiedene Phasen der Montage des Innenrotors des Verdichters, wobei Fig. 2a eine Teilansicht in Richtung des in Fig. 2 eingezeichneten Pfeiles F eines Kranzes ist, der zum Zusammenbau der Schaufeln und ihrem vorläufigen Halten verwendet wird. Fig. 8 und 9 sind Ansichten einer Schaufel mit einem

länglichen Zwischenelement gemäß der Erfindung. Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Verdichter weist zwei sich gegenläufig drehende Rotoren auf, d. h. einen

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Außenrotor 1, welcher Schaufeln 2 trägt, und einen Innenrotor 3, der Schaufeln 4 trägt.

AusGründen rationeller technologischer Konzeption und richtigem mechanischen Verhalten, wie es oben auseinandergesetzt worden ist, und unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte ist es vorteilhaft, den Außenrotor durch einen Ring zu bilden, der glatt oder mit Rippen verstärkt sein kann und an dem die Schaufeln 2 unbeweglich und unlösbar befestigt sind, welche die Gitter RE₁, RE , RE , RE^ usw. bilden. Der aus dem Ring und seinen Schaufeln bestehende Aufbau bildet somit einen vorgefertigten Monoblock.

Die die Gitter darstellenden Schaufeln können angeschweißt sein, beispielsweise durch Elektronenbombardement, und sie können jeweils beispielsweise eine Plattform 5 aufweisen, die in Umfangsrichtung eine dem Winkelabstand zweier Schaufeln entsprechende Breite hat. Die Plattformen 5, .die nebeneinander liegen und miteinander verschweißt sind, bilden einen axialen Abschnitt des Außenringes 6, 7* 8, 9. Der durch Stoßschweißung bei 10,11, 12 erfolgende Zusammenbau mehrerer so gebildeter axialer Abschnitte ermöglicht die Herstellung eines Außenrotors, der aus unlösbaren Elementen zusammengesetzt ist, d. h. einen Monoblock darstellt.

Wenn es gewünscht wird, können Scheiben I3, 14, 15, 16 die Gitter RE₁, RE₃, RE , RE₂^ ..,in Richtung zur Achse der Maschine verlängern, so daß sie sich mittels Lagern I7, .18, 19, 20 auf einer mit dem Innenrotor ;5 verbundenen VfcLle

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abstützen. Diese Ausführung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, wenn der äußere Ring für sich allein in der Lage ist, die Beanspruchungen zufolge der auf die Schaufeln ausgeübten Zentrifugalkräfte aufzunehmen, und wenn die Abstützung des Außenrotors 1 auf der Welle 21 lediglich durch nicht dargestellte äußere Lager gewährleistet werden kann.

Der Innenrotor j5 ist aus einem axialen Stapel von Scheiben 24, 25, 26 ... gebildet, die bei 24a bzw. 25a, 26a auf die Welle 21 aufgezogen sind und an ihrem Umfang axiale Verdickungen 24b bzw. 25b, 26b aufweisen, die gemäß nachstehender Beschreibung dazu bestimmt sind, de Füße der Schaufeln 4 durch axiales Aufschieben aufzunehmen. Der Strömungs· weg des die Turbomaschine durchquerenden Arbeitsmittels ist einerseits durch die Innenwand des Außenrotors 1 und andererseits durch Kopf ansät ze 2a und Fußansätze 4a, begrenzt, die einen Teil der Schaufeln 2 bzw. 4 bilden.

In Fig. 8 und 9 sind die Schaufeln 4 dargestellt, die für den Innenrotor verwendet werden. Diese Schaufeln weisen jeweils einen Fußansatz 4a und einen Fuß 4b auf, der von dem Ansatz 4a durch ein längliches Zwischenelement 4c getrennt ist. Zwei sich kreuzende Nuten 4d und 4e sind unter dem Fuß 4b jeder Schaufel 4 vorgesehen, wobei die Tiefe der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut 4e größer als die der axialen Nut 4d ist. Führungsmittel, wie z. B. zwei axiale Nuten 4f sind in den Seitenflächen des länglichen Zwischenelementes 4c vorgesehen. ;

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Vor dem Zusammenbau wird in die axialen Nuten 4d der Schaufelfüße 4b eine Haltezunge 22 fest eingesetzt, so daß ein vorspringender Teil 22a der Zunge in der Zone des Schnittpunktes der beiden sich kreuzenden Nuten 4d und 4e liegt ,und in die tiefere Umfangsnut 4e eindringt, wodurch die feste axiale Verbindung der Schaufel 4 und der Zunge 22 gewährleistet wird.

Der Einbau des Innenrotors der Turbomaschine erfolgt auf nachstehende Weise: Es wird damit begonnen, daß eine provisorische Zusammenbauvorrichtung 23 an ihren Ort gebracht wird, welche das radiale Einführen der Schaufeln 4, die mit ihren Haltezungen 22 versehen sind, in den zwischen den Gittern RE, und RE₂ des Außenrotors 1 gebildeten Ringraum ermöglicht (Fig. 2, Pfeil f,). Diese Zusammenbauvorrichtung 23 hält alle Schaufeln in der Stellung, die ihrem endgültigen Aufbau auf der Scheibe entspricht. Sie kann beispielsweise aus einem Kranz, einem Ringkörper oder einer zur Maschine gleichachsigen Hülse bestehen, die Ausschnitte 23a aufweist (Fig. 2a), welche die Schaufelteilung reproduzieren. Der Außendurchmesser der Hülse 23 ist derart gewählt, daß sie gerade auf das Rad REp des Außenrotors 1 aufgeschoben werden kann.

Die Innenrotor-Schaufeln 4 werden in axialer Richtung mittels ihrer Nuten 4f auf einer Tiefe von einigen Millimetern in die Ausschnitte 23a der Zusammenbauhülse 23 geschoben und so aus der in Fig. 2 wiedergegebenen Stellung in die in Fig.

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wiedergegebene Stellung gebracht (Pfeil fp).

Durch Vorschieben der Zusammenbauhülse 23 gegen das Rad RE₁ (Pfeil f , Fig. 4) kommen die Abstützflächen 4g der Schaufeln 4 in Berührung mit den entsprechenden Abstützflächen der Schaufeln 2 des Rades RE-. Die Schaufeln zentrieren sich vollkommen, indem sie in die Ausschnitte 2j5a der Zusammenbauhülse 23 eintreten, und sie nehmen eine Stellung ein, in welcher sie die -zum Innenrotor gehörende Scheibe aufnehmen können. Damit dieser Vorgang möglichist, ist es offensichtlich erforderlich, daß der Innendurchmesser, der Zusammenbauhülse 23 größer als der Außendurchmesser der Scheibe 24 ist. Sobald die Schaufeln 4 auf die Scheibe 24 aufgeschoben sind (Pfeil fj,, Fig. 4 und 5), ist es möglich, die Enden der Haltezungen 22 umzulegen, wie es bei fj- in Fig. β angedeutet ist, wodurch das axiale Festlegen der Scheibe und ddr Schaufeln 4 gewährleistet wird. Danach wird die Zusammenbauhülse 23 arückgezogen, wie es durch den Pfeil fg in Fig. 6 angedeutet ist. Der Vorgang der Montage des Rades RI₁ des Innenrotors ist damit beendet.

Nunmehr erfolgt das Einsetzen der dem Rad REp des Außenrotors zugeordneten Scheibe 14, wobei das axiale Festlegen dieser Scheibe 14 und der Schaufeln 2 des Rades REp auf analoge V/eise erfolgen kann, wie sie für die Räder des Innenrotors vorgesehen ist, beispielsweise mittels Haltezungen 27 (Fig. 7)·

Es vcrden somit die in Fig. i dargestellten Bedingungen erhalten, und es katin, zur Montage des folgenden Rades RI₀

el

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auf die bereits beschriebene Weise übergegangen werden. Der Arbeitsvorgang wird für Jede Stufe wiederholt, wobei, wenn erforderlich, eine andere Zusammenbauhülse 23 verwendet wird, wenn der Durchmesser der Scheiben des Innenrotors und die Teilung der Schaufeln auf den Scheiben sich ändern.

Es ist zu bemerken, daß der Spielraum, v/elcher von der Höhe des Zwischenelementes 4c jeder Schaufel 4 gebildet ist, auf leichte Weise die verschiedenen Vorgänge ermöglicht, die für das Anordnen des Innenrotors erforderlich sind, insbesondere das Ergreifen der Schaufeln dieses Rotors zwischen ihrem Fuß und ihrem Ansatz sowie das axiale Verschieben der Scheiben des Innenrotors, das durch Verringerung ihres Außendurchmessers ermöglicht wird.

Es können auch andere Maßnahmen angewendet werden", insbesondere um das provisorische Halten der Schaufeln 4 bis zu ihrem endgültigen Aufschieben auf ihre Scheibe zu gewährleisten. So könnte die Zusammenbauhülse 23 mit ihren Ausschnitten 23a durch einen Ringkörper ersetzt werden, welcher derart dimensioniert ist, daß er den Durchgang der Scheibe ermöglicht, und welcher mit Mitteln, wie Zangen od. dgl., versehen ist, welche das Erfassen der Schaufeln in ihrer Zwischenzone 4c ermöglichen.

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Claims

1ΒΌΤ854 - li - ' Patentansprüche

1. Mehrstufige Turbomaschine mit Axialströmung und zwei sich gegenläufig drehenden Rotoren, bei welcher der Außenrotor einen Ring aufweist, an dessen Innenfläche eine Mehrzahl von Schaufelkränzen unlösbar befestigt ist, wobei der aus dem Ring und den Schaufeln bestehende Aufbau einen vorgefertigten Monoblock bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrotor (2) eine Mehrzahl von axial gestapelten Scheiben (24, 25, 2ö) aufweist, die mit einer gemeinsamen Antriebswelle (21) verbunden sind und an deren Außenumfang Schaufeln (4) lösbar befestigt sind, deren jede jenseits ihres zur Befestigung an der betreffenden Scheibe dienenden Fußes (4b) eine Plattform oder einen Pußansatz (4a) aufweist, der von dem Außenumfang des Innenrotors entfernt liegt und mit dem Fuß (4b) der Schaufel (4) durch ein längliches Zwischenstück (4c) verbunden ist, das mit entsprechenden Plattformen oder Kopfansätzen der benachbarten Schaufeln (2) des Außenrotors (l) derart ausgerichtet ist, daß der Strömungsweg des die Maschine durchquerenden Arbeitsmittels innen begrenzt ist.

2. Verfahren zum Zusammenbau der Turbomaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrotor Stufe für Stufe zusammengesetzt wird, indem die Schaufeln einer Stufe in den Rtgraum eingeführt werden, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufelkränzen des Außenrotors vorhanden ist, wobei die Schaufeln provisorisch in ihrer Lage

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gehalten werden, und daß die Scheibe relativ zu der Stufe des Innenrotors derart axial verschoben wird, daß sie sich auf die Füße der Schaufeln dieser Stufe aufschiebt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, cfeß die Schaufeln provisorisch in ihrer Lage mit Hilfe eines. Ringes gehalten werden, der an der Seite, mit der er gleichachsig in das Innere des Außenrotors eingeführt wird, eine Reihe von Ausnehmungen aufweist, welche die Teilung der Schaufeln des Innenrotors reproduzieren und axiale Führungsmittel aufweisen, die in komplementäre Führungsmittel geschoben werden können, die an den länglichen Zwischenstücken der zu montierenden Schaufeln vorgesehen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln provisorisch in ihrer Lage mittels eines Ringes oder einer Hülse gehalten werden, die mit Mitteln, viie Zangen, versehen ist, welche das Erfassen der Schaufeln in der Zone ihres länglichen Zwischenstückes ermöglichen.

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