DE1814368A1 - Schaufelrad fuer eine Turbonmaschine - Google Patents

Description

Schaufelrad für eine Turbomaschine

Die Erfindung betrifft ein Schaufelrad für eine Turbomaschine mit zwei koaxialen Strömungskanälen, bei dem jede Schaufel aus zwei getrennten, in radialer Richtung übereinander angeordneten Abschnitten, von denen der eine im inneren und der andere im äußeren Strömungskanal angeordnet ist, besteht, wobei jeweils einer der beiden Schaufelabschnitte ein Ansatzstück aufweist, das mit einer profilierten Nut versehen ist, in die ein entsprechend profilierter Vorsprung des anderen Schaufelabschnitts eingreift.

Die Erfindung betrifft insbesondere solche Schaufelräder, die von zwei getrennten koaxialen Fluidströmen durchströmt werden, beispielsweise einem zu verdichtenden Gasstrom und einem Strom aus Triebwerksgasen oder von zwei Luftströmen, wie es insbesondere bei Schaufelrädern der Fall ist, die in der Niederdruck-Verdichterstufe gewisser Zweikreis-Turbinentriebwerke (sogenannter "By-Pass-

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Triebwerke"), verwendet werden; gerade in diesem Pail läßt sPch die Erfindung besonders vorteilhaft anwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Festigkeit solcher Schaufelkränze zu vergrößern und die Scliwingungsanfälligkeit der Schaufeln zu verringern. ErfindungGgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Abschnitte einer jeden Schaufel im Bereich des Ansatzstückes durch einen Ring voneinander getrennt sind, der mit sämtlichen Schaufeln zusammenwirkt, jedoch baulich von den Schaufeln unabhängig ist, und daß der Ring über den Umfang verteilt mehrere im wesentlichen radial verlaufende Durahbrüche aufweist, in die die Ansatzstücks der Schaufeln greifen.

Da der Ring ein Zwischenglied zwischen den Schaufeln bildet, verleiht er dem Schaufelkranz Festigkeit und verhindert Schwingungen der Scharfein.

Durch den Ring ist es ferner möglich, die beiden koaxialen Ströme zu trennen, wobei die Schaufelprofile der beiden Schaufelabsehnit-

e nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine unterschiedliche Anstellung haben können.

flach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben das Ansatzstück, daß in einem Durchbruch des Rings sitzt, und dieser Durchbruch selbst einen kreisförmigen Querschnitt, so daß die

chaufeln um eine im wesentlichen senkrecht zur Maschinenachse verlaufende Achse schwenkbar sind.

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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ring eine Nut auf, die eine Verlängerung der Nut des Ansatzstückes bildet, so daß der mit dem Vorsprung versehene Schaufelabschnitt leichter montiert werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Schaufeln mittels eines Schwenkzapfens an der Maschine befestigt; durch eine Stellvorrichtung, die auf die Schwenkzapfen der verschiedenen Schaufeln des Schaufelrads wirkt, kann die Anstellung der Schaufel gleichzeitig verändert werden.

Vorteilhafterweise wird die Anstellung der Schaufeln zweier axial hintereinander angeordneter Schaufelräder von einer gemeinsamen Stellvorrichtung verändert, die im Zwischenraum zwischen den beiden Schaufelrädern angeordnet ist.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Schaufel mit einem Ring, der die Schaufeln des Schaufelrads miteinander verbindet, sowie eine Stellvorrichtung zur Veränderung der Anstellung der Schaufeln,

Fign. 2, Querschnitte längs der Linien H-II, III-III und IV-IV und 4

der Fig. 1,

Fig. 5 im Axialschnitt den Niederdruckverdichter eines Zweikreis-Turbinentriebwerks, das mit erfindungsgemäß aus-

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bildeten Schaufeln ausgestattet ist,

Fig. 6 eine andere Aueführungsform der Stellvorrichtung zum Verändern der Anstellung der Schaufeln,

Fig. 7

einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 6.

In Fig. 1 ist eine Schaufel dargestellt, die zu einem Schaufelrad des Niederdruckverdichters eines Zweikreis-Turbinentriebwerks gehört. Diese Schaufel, die mit der Welle r des Verdichters verbunden ist und gemeinsam mit ihr in einer zur Ebene der Figur senkrechten Ebene umläuft, besteht aus zwei Abschnitten, einem inneren Abschnitt 2 und einem äußeren Abschnitt j5. Die Schaufelabschnitte sind einem Ring 1 zugeordnet, der sämtliche Schaufeln des Schaufelrads untereinander verbindet.

Der innere Abschnitt 2 der Schaufel weist an seinem äußeren Ende ein Ansatzstück 5 auf, das in einen entsprechenden Durchbruch im Ring 1 eingreift. Eine im Ansatzstück 5 gebildete Nut 6, die ein zur Schaufelbefestigung übliches Profil aufweist (beispielsweise Schwalbenschwanz- oder Tannenbaum-Profil),dient zur Befestigung des äußeren Abschnitts 5 am Ansatzstück; zu diesem Zweck trägt der Fuß des äußeren Abschnitts J5 einen Vorsprung 6a (Fig. J>) von entsprechendem Profil. Um den Vorsprung 6a in die Nut 6 des Ansatzstücks einschieben zu können, ist im Ring 1 eine Nut 7 des gleichen Profils wie die Nut 6 des Ansatzstücks gebildet; die Nut 7 kann nach der Montage auf irgendeine Weise verschlossen werden.'

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Durch diese Anordnung kann man die zusammengesetzten Schaufeln 2, j5 verhältnismäßig lang machen, wie es im Fall von Niederdruckverdichtern bei Zweikreis-Turbinentriebwerken erwünscht ist, wobei gleichzeitig durch den Ring 1 ein guter Zusammenhalt der Schaufeln und eine Dämpfung der Schaufelschwingungen gewährleistet sin Ferner besteht die Möglichkeit, dem äußeren Abschnitt 3 ein seiner Funktion entsprechendes Profil zu geben, und man ist nicht gezwungen, lediglich das Profil des Abschnitts 2 zu verlängern.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Möglichkeit angegeben, die Schaufeln zu verstellen, d.h. die Schaufeln um eine radiale Achse zu verdrehen und dadurch ihre Anstellung zu verändern.

Der innere Abschnitt 2 einer jeden Schaufel endet in einem Schwenk zapfen 4, der mittels konischer Drucklager 8 in einem Lagerträger 9a eines Gehäuses 9, das mit der Verdichterwelle r fest verbunden ist, gelagert ist. Die konischen Drucklager 8 dienen zur Halterung und Zentrierung der Schaufeln, nehmen die Zentrifugalkräfte auf und ermöglichen die Verstellung der Schaufeln.

Jeder Schwenkzapfen 4 trägt ein Zahnrad 10, das mit einer Zahnstange il in Eingriff steht. Die Zahnstange 11, die parallel zur iaschinenachse verläuft, wird von einem Arm 12 getragen. Die verschiedenen Arme 12 sind mit einer Hülse 15 fest verbunden, die auf der Welle r gleitbar gelagert ist. Außerdem sind das Ansatz- . stück 5 und der entsprechende Durchbruch des Rings 1 kreisförmig ausgebildet (Fig. 2), wobei die Nut 6 des Ansatzstücks diametral oder auf einer Sekante des Kreises verläuft.

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Aufgrund dieser Anordnung lassen sich also mittels einer nicht dargestellten Stellvorrichtung sämtliche Schaufeln des Schaufelrads um ihre radiale Achse verdrehen, so daß die Anstellung der Schaufeln bezüglich der Strömung je nach den Erfordernissen eingestellt werden kann.

Während der Montage des äußeren Abschnitts 3 auf dem inneren Abschnitt 2, wenn das Ansatzstück 5 bereits in den Ring 1 greift, muß der innere Abschnitt natürlich eine derartige Winkelstellung haben, daß die Nut β des Ansatzstückes zur entsprechenden Nut 7 des Rings 1 ausgerichtet ist, so daß der Vorsprung 6a des äußeren Abschnitts 3, der zunächst in der Nut 7 sitzt, in die Nut 6 geschoben werden kann. Man macht sich dabei die Möglichkeit, die inneren Schaufelabschnitte schwenken zu können, zunutze. Nach dem Zusammenbau werden die Schaufeln in ihre normale Lage (Fig. 2) gedreht, in der die Nut β und 7 nicht mehr zueinander ausgerichtet sind und die inneren Abschnitte 3 somit nicht herausfallen können. Wie bereits erwähnt, kann man die Nuten 7 nach dem Zusammenbau natürlich auch verschließen, beispielsweise durch Keilfedern oder dergleichen.

Die Fig. 5 zeigt einen mehrstufigen Niederdruckverdichter eines Zweikreis-Strahltriebwerks. Die beiden koaxialen .Strömungskanäle sind mit Pfeilen fj (für den Primärstrom, der dem Hochdruckverdichter 14 zugeführt wird) und f_g (für den Sekundärstrom) gekennzeichnet.

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Der dargestellte Niederdruckverdichter besteht aus zwei Schaufelrädern mit zusammengesetzten Schaufeln 2, 3, wie sie in den Fign. 1 bis 4 dargestellt sind; selbstverständlich könnte der Niederdruckverdichter auch aus mehr Stufen bestehen. Die Leitschaufelkränze 15 können aus einem Stück bestehen oder, ähnlich wie die rotierenden Schaufelräder, aus zwei Abschnitten zusammengesetzt sein. Ihre Anstellung kann unveränderbar oder veränderbar sein; im zweiten Fall könnte die Schaufelverstellung in üblicher Weise erfolgen.

In der Figur sind die Zahnstangen 11 zu erkennen, mit denen die Anstellung der Schaufeln verändert werden kann. Wie bereits beschrieben, sind die Zahnstangen 11 mit Hülsen 13 fest verbunden, die auf der Welle r axial gleiten können, und zwar aufgrund einer Hülse mittels eines beweglichen Rades.Die Hülsen 13 werden jeweils paarweise von einem fest angeordneten Stellmotor 16 betätigt, der in dem ringförmigen, die Welle r umgebenden Zwischenraum,zwischen zwei Schaufelrädern, angeordnet ist. Der Stellmotor besteht im wesentlichen aus einem Zylinder mit drei Kammern, in dem zwei Kolben 17 symmetrisch zueinander bewegbar sind, wobei sie die beiden Hülsen 13 in entgegengesetzter Richtung und um den gleichen Betrag verschieben.

Da sich die beiden Hülsen in entgegengesetzter Richtung bewegen, sind die dem einen Schaufelrad zugeordneten Zahnstangen auf der einen Seite und die dem anderen Schaufelrad zugeordneten Zahnstangen auf der anderen Seite der Schaufel-Schwenkachsen angeordnet, so daß sich die Schaufeln der beiden hintereinander geschalteten Schaufelräder im gleichen Drehsinn verstellen.

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Der Stellmotor 1β kann auf nicht rotierenden Ringen gelagert sein/ die mittels Kugellager 18" von den beiden rotierenden Hülsen 13 getragen werden.

Die-Beaufschlagung des Stellmotors mit Drucköl erfolgt mit Hilfe der Leitungen I9, 20, die im Inneren einer der Leitschaufeln, die zwischen zwei rotierenden Schaufelrädern angeordnet sind, verlaufen. Die Leitungen 19, 20 durchdringen das Gehäuse des Triebwerks und sind mit einem nicht dargestellten Regelventil verbunden, das den Öldruck steuert, um den Schaufeln die entsprechend den Betriebsbedingungen optimale Stellung zu geben.

Die Steuerung einer größeren Anzahl von Schaufelrädern könnte in der gleichen Weise, nämlich paarweise, erfolgen.

Die Verstellung der Schaufeln könnte auch durch andere Mittel, beispielsweise auf pneumatischem, mechanischem oder gegebenenfalls elektrischem Wege bewirkt werden; der Vorteil einer elektrischen Steuerung ist, daß sie durch die Achse erfolgen könnte, so daß die Verbindungen durch die Leitschaufeln und das Gehäuse der Maschine nicht erforderlich wären.

Die Fign. 6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsform der Stellvorrichtung für die Schaufelverstellung. In diesem Fall trägt jeder Schwenkzapfen einen verzahnten Sektor 21, der aus dem Schaufelrad 9 herausragt. Die verschiedenen Sektoren 21 stehen sämtlich mit einer verzahnten Scheibe 22 in Eingriff, die auf ' der Welle r zentriert ist. Die Scheibe 22 rotiert mit der gleichen

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Geschwindigkeit wie die Welle v_t wobei die Schaufeln eine bestimmt Winkelstellung haben; sie kann Jedoch auch mittels einer nicht dargestellten Stellvorrichtung relativ zur Welle gedreht werden. Über die verzahnten Sektoren 21 bestimmt sie somit die Winkelstellung der Schaufeln.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Schaufelrad für eine Turbomaschine mit zwei koaxialen Strömungskanälen, bei dem jede Schaufel aus zwei getrennten, in radialer Richtung übereinander angeordneten Abschnitten, von denen sich der eine Abschnitt im inneren und der andere im äußeren Strömungskanal befindet, besteht, wobei jeweils einer der beiden Schaufelabschnitte ein Ansatzstück aufweist, das mit einer profilierten Nut versehen ist, in die ein entsprechend profilierter Vorsprung des anderen Schaufelabschnitts eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (2,5) einer jeden Schaufel im Bereich des Ansatzstückes (5) durch einen Ring (1) voneinander getrennt sind, der mi: sämtlichen Schaufeln zusammenwirkt, jedoch baulich von den Schaufeln unabhängig ist, und daß der Ring über den Umfang verteilt mehrere im wesentlichen radial verlaufende Durchbrüche aufweist in die die Ansatzstücke der Schaufeln greifen.

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2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der beiden Abschnitte (2,3) einer jeden Schaufel eine verschiedene Winkelstellung haben.

3« Schaufelrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Ansatzstück (5), das in einen Durchbruch des Rings (3)eingreift, und dieser Durchbruch selbst einen kreisförmigen Querschnitt haben, so daß die Schaufeln jeweils um eine zur Maschinenachse senkrecht verlaufende Achse schwenkbar sind.

4. Schaufelrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (l) eine Nut (7) aufweist, die eine Verlängerung der Nut (6) des Ansatzstückes bildet, so daß der Schaufelabschnitt (J), der mit . dem Vorsprung (6a) versehen ist, leichter montiert werden kann.

5. Schaufelrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln mittels eines Schwenkzapfens (4) an der Maschine befestigt sind und daß die Winkelstellung der Schaufeln mittels einer Stellvorrichtung (12), die auf die Schwenkzapfen der verschiedenen Schaufeln einwirkt, veränderbar 'ist.

6. Schaufelrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelverstellung der Schaufeln zweier axial hintereinander angeordneter Schaufelräder über eine gemeinsame Stellvorrichtung (16) erfolgt, die im Zwischenraum zwischen den beiden Schaufelrädern angeordnet ist.

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