DE2042027C3 - Laufrad für eine Axialströmungs-Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht .,ich auf ein Laufrad für eine Axialströmungs-Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Laufrad ist aus der DE-AS 10 16 982 bekannt. Dort ist die Läuferscheibe aus mehreren koaxialen mit Abstand nebeneinander angeordneten dünnen, z. B. aus Blech bestehenden Scheiben zusammengesetzt. Die dünnen Scheiben sind in axialer Richtung durch Haltestücke überbrückt, die jeweils paarweise mit ihren Seitenflächen einen Schaufelfuß befestigen. Hierbei ist jedes Haltestück an sämtlichen dünnen Scheiben befestigt. Bei einer derartigen Leichtbau-Läuferscheibe ist insbesondere nachteilig, daß an einzelnen Befestigungspunkten überhöhte Kräfte auftreten, die schnell zu Abnutzung und Fehlern führen. Ferner sind unterschiedliche Scheiben zur Aufnahme einerseits axialer und andererseits zentrifugaler Kräfte vorgesehen, so daß ein komplexer Aufbau entsteht. Nachteilig ist ferner, daß die auftretenden Zentrifugalkräfte in Form von Scherkräften auf stabilere Endscheiben übertragen werden müssen, um von diesen zur Laufradwelle abgeleitet zu werden.

Es ist /war aus der US-PS 28 01 071 ein Schaufelkörper bekannl, von dem ein einstückig mit dem Schnufelkörpcr ausgebildeter radial innerer Flanschabschnitt zwischen zwei axial beabstandete Scheiben ragt und an einer dieser Scheiben befestigt ist, um die Schaufel in einer Winkelstellung zur Rotorachse zu halten. Diese Anordnung ist insbesondere bei steckbaren Schaufeln wenig geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Laufrad der eingangs genannten Art für eine mit hohen Drehzahlen arbeitende Turbomaschine derart auszugestalten, daß insbesondere die hohen Zentrifugal- und Axialkräfte

lu möglichst gleichmäßig von den steckbaren Laufschaufeln auf das Laufrad übertragen und von diesem verteilt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüclien gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bei hohen Drehzahlen auftretenden gewaltigen Radialkräfte über eine großflächige, formschlüssige Verbindung von Laufschaufel und Laufrad übertragen und innerhalb des einstückigen und massiven Laufrades im wesentlichen gleichmäßig verteilt abgeleitet werden. Das Laufrad besitzt dadurch eine hohe Festigkeit und Stabilität, wodurch die Lebensdauer wesentlich verlängert wird. Gleichzeitig kann in vorteilhafter Weise Kühlluft durch das Laufrad und anschließend durch die Laufschaufeln gepumpt werden, um diese Teile gleichmäßig und intensiv zu kühlen.

M) Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Turbinenabschnitt mit einem Laufrad gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

J5 Fig. 2 zeigt eine teilweise entlang der Linie II-II in Fig. 1 geschnittene Teilansicht;

Fig.3 ist eine perspektivische vergrößerte Ansicht von einem Teil des Turbinenlaufrades, wobei Teile hiervon weggebrochen und geschnitten dargestellt sind.

F i g. I zeigt einen Abschnitt von einem Axialverdichter mit Wänden 10 und 12, die einen ringförmigen Strömungsweg einer heißen Gasströmung bilden, die aus einem Brenner austritt. Düsen 15 richten den heißen Gasstrom auf eine Turbine 14 mit Laufschaufeln 20, die

•15 von dem Laufrad 22 radial nach außen ragen. Das Laufrad 22 ist mit einer rohrförmigen Antriebswelle 16 verbunden, welche in einem Lager 18 im Rahmen 19 gelagert ist.

Das Laufrad 22 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und enthält eirten rohrförmigen Wellenteil 24 mit einem Flansch 26, durch den sich Bolzen 28 erstrecken, welche das Turbinenlaufrad mit der Antriebswelle 16 verbinden. Eine ringförmige Scheibe 30 erstreckt sich von dem Wellenteil 24 radial nach außen. Eine zweite Scheibe 32 ist mit der ersten Scheibe 30 durch einstückige Halteteile 34 verbunden, welche sich radial nach außen erstrecken. Am äußeren Umfang der Scheiben 30 und 32 sind als einstückige Fortsetzungen der Halteteile 34 ballige Ansätze 36 ausgebildet, die die

M) Scheiben 30 und 32 überspannen und mit diesen einstückig ausgebildet sind. Die einstückigen Scheiben 30, 32 und die Haltestiieke 34 mit ihren Ansätzen 36 können als ein Teil gefertigt oder in Teilstücken gefertigt und dann durch Löten, Schweißen, Diffusions-

h5 bindung o. ä. verbunden werden.

Benachbarte Ansätze 36 bilden jeweils konische schwalbenschwanzförmige Führungen oder Schlitze, welche entsprechend geformte ausgebauchte Füße oder

Schäfte 38, die an den Laufschaufeln 20 gebildet sind, aufnehmen. Wie in Fig.3 gezeigt ist, sind die Schlitze, welche von den Ansätzen 36 gebildet werden, vorzugsweise bogenförmig und den Umrissen der stromlinienförmigen Laufschaufeln 20 angenähert.

Die Laufschaufeln 20 sind axial in dem Laufrad 22 gehalten durch Halteplatten 40 und 42, die an dem Laufrad 22 durch Bolzen 44 befestigt, welche sich durch die Ansätze 36 erstrecken. Die Platten 40 und 42 erstrecken sirh nach außen bis zu Plattformen 50, welche an einem Ende ausgeschnitten sind, um den Einbau der Laufschaufeln in die bogenförmigen Führungen des Laufrades zu erleichtern.

Um eine Überhitzung der Laufschaufeln 20 zu verhüten, wird Kühlluft i.i einen ringförmigen Einlaß 56 eingeführt, welcher zwischen dem inneren Umfang der Scheibe 32 und dem Wellerueil 24 gebildet ist. Im Einlaß 56 angeordnete Leitteile 58, welche einstückig mit Ringen SO ausgebildet und in dem Einlaß 56 mittels eines Schnappringes 62 befestigt sind, fördern den Eintritt von Luft zwischen den Scheiben 30 und 32. Auch die Haltetcile 34 wirken als Pumpmittel für die Kühlluft, um diese den Laufschaufeln 20 zuzuführen. Dice Kühlluft tritt dann durch die Kanäle 64 in den Schäften 38 hindurch, strömt durch das hohle Innere der Laufschaufeln 20 und wird durch deren äußere Spitzen in den heißen Gasstrom ausgestoßen.

Insbesondere bei Gasturbinentriebwerken für Flugzeugantriebe ist die Drehzahl des Turbinenlaufrades extrem hoch. Die Beanspruchungen, die in dem Laufrad 22 infolge der Zentrifugalkräfte auftreten, überschreiten bei weitem die Beanspruchungen durch das Drehmoment, welches auf die Verdichterwelle zu übertragen ist. Diese Zentrifugalkräfte stellen daher den begrenzenden Parameter für eine ausreichende Festigkeit des Laufrades 22 dar.

Die Zentrifugalkräfte der Laufschaufeln 20 werden als Zugkräfte durch den engen Hals π(Fig.3) am Fuß der Schäfte 38 übertragen. Die gekrümmte Form, die den Laufschaufeln 20 angenähert ist, vermindert die Beanspruchungen, da im wesentlichen alle Beanspruchungen als Zugkräfte auftreten. Dabei betasten sich die ineinander eingreifenden konischen Zapfen- und Schwalbenschwanzteile der Schäfte 38 und der Ansätze 36 wechselseitig mit Druckbeanspruchungen, wenn ede ■i radialen Kräfte als Scherkräfte auf die Ansätze 36 übertragen werden. Die radiale Beanspruchung der Ansätze 36 wird als Zugspannung über ihre axiale Breite an dem Fußabschnitt b verteilt. Diese Fußabschnitte b gehen in den äußeren Umfang der Scheiben 30 und 32

κι über, so daß ein Teil der radialen Beanspruchungen in den Ansätzen 36 als radiale Zugspannung auf die Scheiben 30,32 übertragen wird. Die restlichen radialen Beanspruchungen der Ansätze 36 werden als Zugspannung auf die Halteteile 34 abgegeben. Diese Zugbean-

Ii spruchung der Halteteile 34 wird dann auf die Scheiben 30, 32 durch eine Scherbeanspruchung übertragen, welche über einen relativ großen Bereich verteilt wird, um die Belastung pro Fläche zu verringern. Die gestrichelten Linien a in Fig. 3 stellen die ungefähre

jo Scherkraftverteilung zwischen den Scheiben 30, 32 und den Halteteilen 34 dar, welche von den radialen Kräften, die an letzteren auftreten, herrühreü Es ist ersichtlich, daß die Scherkräfte in den Scheiben 30, 32 radial nach innen abnehmen. Die Dicke der Halteteile 34 ist an dem

>■> äußeren Umfang der Scheiben 30, 32 am größten, wo auch die Scherkräfte am größten sind (s. auch Fig. I). Die Kdlteteile 34 werden dann schmaler, wenn die Scherkräfte abnehmen. Auf diese Weise wird die Beanspruchung und gleichzeitig das Gewicht verringert.

jo Die Halteteile 34 setzen sich radial nach innen mit einer konstanten Dicke bis zu einem Punkt fori, an dem die Scherbeanspruchungen geringer werden, um den Scheiben 30,32 eine weitere Festigkeit zu verleihen.

Durch den einstückigen Aufbau des Laufrades 22

)"> werden die radialen Beanspruchungen im wesentlichen als reine Zug- oder Scherspannung auf eine relativ große Fläche verteilt. Dies gilt auch für Beanspruchungen, die durch unterschiedliche radiale Ausdehnung der Scheiben 32 aufgrund von Zentrifugalkräften oder Temperaturunterschieden erzeugt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Laufrad für eine Axialströmungs-Turbomaschine mit zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten, im wesentlichen parallelen Scheiben, mit sich radial erstreckenden Haltestücken, die axial zwischen diesen Scheiben angeordnet sind, und mit Laufschaufeln, die am radial äußeren Ende der Haltestücke befestigt sind und sich von diesen radial nach außen erstrecken, wobei die Haltestücke radial nach außen über die zwei Scheiben hinausragen und jeweils in balligen axial verlaufenden Ansätzen enden, zwischen denen die schwalbenschwanzförmigen Nuten zur Aufnahme der entsprechend geformten Schaufelfüße gebildet sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Haltestücke (34) erstrecken sich radial bis zum Innenbereich der Scheiben (30,32),

b) die Dicke der Haltestücke (34) nimmt vom radial ilußeren Ende zum radial inneren Ende ab,

c) die zwei Scheiben (30, 32) und die Haltestücke (34) mit ihren Ansätzen (36) sind einstückig ausgebildet und durchgehend massiv.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die balligen Ansätze (36) sich jeweils in axialer Richtung über die radial äußeren Umfangsränder der zwei Scheiben (30,32) hinauserstrecken.

3. Laufrad 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der beiden ringförmigen Scheiben (30) an ihrem inneren Umfang ein sich in axialer Richtung durch die andere Scheibe (32) erstreckendes Wellenteil (24) vorgesehen ist, das radial innen vom inneren Umfang der anoerzn Scheibe (32) angeordnet ist und mit diesem einen Eir.aß (56) für Kühlluft bildet, welche durch die von den Scheiben (30, 32) und den Halteteilen (34) gebildeten Kühlluftkanäle hindurch zu den Laufschaufeln (20) gepumpt ist.