DE2101646B2 - Läufer für den Verdichter eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

findung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinenstrahltriebwerk!, mit dem erfindungsgemäßen Läuferaufbau,

F i g. 2 einen Längsschnitt des Verdichters des Triebwerks gemäß F i g. 1.

F i g. 1 zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk 10 mit einem Einlaß 12, einem Niederdruckverdichter 13, einem Hochdruckverdichter 14, einer Verbrennungsanlage 16, einer Turbine 18 und einer Auslaßdüse 20.

F i g. 2 zeigt einen Teil des Hochdruckverdichters 14 des Triebwerks nach F i g. 1. Der Verdichter besitzt einen drehbaren beschaufelten Aufbau mit Drehachse 21, und dieser drehbare Aufbau besteht aus fünf koaxialen beschaufelten Läufern 22, 24, 26, 28, 30. Mit den beschaufelten Läufern wechseln Ststorstufen 32, 34, 36, 38. 40, 42 ab. Die Statorstufe 32 befindet sich am Einlaß des Hochdruckverdichters und bildet die Einlaßleitschaufeln. Die Statorstufe 42 befindet sich am stromunterseitigen Ende und bildet die Auslaßleitschaufeln für die Verbrennungseinrichtung 16.

Die beschaufelten Läufer 22 und 24 bestehen aus Werkstoff, der vom Werkstoff der beschaufelten Läufer 26, 28, 30 unterschieden ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die weiter stromunterseitig liegenden Verdichterstufen 26, 28, 30 höheren Temperaturen widerstehen müssen als die stromoberseitigen Stufen 22, 24. Die Stufen 22, 24 können z. B. aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die uwter der Bezeichnung »LAB 24« im Handel ist, während die Stufen 26, 28, 30 aus einer Nickellegierung bestehen können, die unter der Bezeichnung »WASPALLOY« im Handel ist. Diese Handelsbezeichnungen sind warenzeichenrechtlich geschützt.

Die Stufen 22, 24 sind bei 25 miteinander verschweißt, und die Stufen 26, 28 und 30 sind bei 31 miteinander verschweißt. Da die benachbarten beschaufelten Läufer 24 und 26 aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, können sie nicht miteinander verschweißt werden wie die anderen Läufer, die aus gleichartigen Werkstoffen bestehen.

Der beschaufelte Läufer 24 trägt einen stromabwärti gerichteten axial verlaufenden Flansch 44, und der beschaufelte Läufer 26 trägt einen stromaufwärts gerichteten axial verlaufenden Flansch 46. Die Flansche 44 und 46 sind mit miteinander im Eingriff stehenden Teilen einer Schraubkupplungsverbindung 48 versehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel in G° stalt schraubenlinienförmig veilaufender Keilnuten bzw. Keilfedern ausgebildet sind. Es sind auch noch andere, ein Drehmoment übertragende Schraubkupplungen denkbar, beispielsweise in Gestalt eines Schraubgewindes oder im Querschnitt anders geformter Nuten bzw. Federn.

Die Wellenanordnung 50, 51 erstreckt sich vom Hochdruckverdichter 14 nach hinten nach der Turbine 18. Radial nach innen vorstehende Flansche 52 und 53 sind zur Verbindung der Wellenabsclu.itte 50, 51 vorgesehen.

Eine Drehfederhülse 54 besitzt einen radial verlaufenden Flansch 56, der zwischen den Flanschen 52, 53 mittels Bolzen 58 verspannt ist und ebenfalls dazu dient, die Flansche 52, 53 miteinander zu verbinden. Die Drehfederhülse 54 erstreckt sich axial nach vorn nach einer weiteren Welle 59, die drehbar von einem Lager 60 getragen wird, das seinerseits von den Einlaßleitschaufeln 32 des Hochdruckverdichters abgestützt ist. Die Drehfederhülse ist an der Welle 59 mittels eines radialen Flansches 60 festgelegt, der mit einem weiteren Radialflansch 62 auf der Welle 59 mittels Bolzen 64 verbunden ist. Die Welle 59 trägt eine Gruppe gerader Keilnuten 66, die im Eingriff stehen mit einer entsprechenden Gruppe geradlinig verlaufender Federn 68 am radial inneren Ende des beschaufelten Läufers 24. Die Keilnuten bzw. Federn 66 bzw. 68 bilden eine Keilverbindung, die eine relative Axialbewegung zwischen Drehfederhülse 54 und Verdichterläuferaufbau zuläßt, um differentielle thermische Ausdehnungen im Betrieb zuzulassen.

Beim Zusammenbau des Verdichters sind die Wellen 59 und 50, 51 im Winkel relativ zueinander versetzt, bevor die Bolzen 58 und 64 angezogen werden, so daß ein Drehmoment in die Drehfederhülse 54 eingeführt wird. Dieses Drehmoment wird über die Keilverzahnungen 66, 68 auf die beschaufelten Läufer 24, 26, 28, 30 auf die Schraubennuten bzw. Federn 48 übertragen, deren Steigungssinn so gewählt ist, daß das Drehmoment innerhalb der Drehfcderhülse die Läufer 24, 26 ineinanderschraubt und die Keilverzahnung 48 im Eingriff hält. So bildet das Drehfederrohr 54 eine Vorrichtung zur Aufbringung einer Vorlast auf die das Drehmoment übertragenden Keilverzahnungen 48 gegen die relative axiale Bewegung und Winkelbewegung der beschaufelten Läufer 24, 26.

Der Drehsinn der Keilverzahnungen 48 ist derart, daß unter stetigen Betriebsbedingungen des Gasturbinenstrahltriebwerks die Gasbelastungen auf den beschaufelten Läufern des Verdichters die Wirkung der Vorlastmittel unterstützen.

Wenn ein Verdichter ausläuft, z. B. wenn das Triebwerk abgeschaltet wird, dann können Massenträgheitswirkungen diese Schraubkupplung auseinanderzuschrauben trachten. Auch wenn das Triebwerk während des Fluges ausfällt, kann der Leerlauf geringe umgekehrte Gasbelastungen ergeben, die die Keilverzahnungen auseinanderzuschrauben trachten. Das in der Drehfederhülse 54 gespeicherte Drehmoment wird jedoch so hoch gewählt, daß es ausreicht, dieser Tendenz des Auseinanderschraubens entgegenzuwirken.

Das Drehmoment in dem Drehfederrohr 54 hält die schraubenlinienförmigen Verzahnungen 48 ständig dicht aneinandergeschraubt, wobei die Möglichkeit einer Bewegung innerhalb der Keilverzahnung 48, 66, 68 im Betrieb einschließlich Start und Auslauf des Triebwerks vermindert wird. Dimensionelle Änderungen, die im Betrieb des Triebwerkes infolge differentieller thermischer Ausdehnung und/oder durch Zentrifugalkräfte auftreten, wirken in der Weise, daß die Keilverzalinungen 48 nur noch kräftiger in Eingriff gelangen oder wenigstens ein Aufschrauben verhindert wird.

An Stelle einer hohlen Drehfederhülse 54 könnte als Vorlastmittel auch ein Drehstab oder ein Käfigaufbau vorgesehen werden, der aus mehreren, im Winkelabstand zueinander angeordneten Stangen besteht, die um die Drehachse des Verdichters herum angeordnet sind. Statt dessen könnten die Vorlastmittel auch von einem Bauteil gebildet werden, der zwischen den Flanschen 52, 62 so unter Spannung gehalten wird, daß die beschaufelten Läufer 24, 26 zusammengedrückt werden. Infolge der schraubenli-

nienförmigen Gestalt der Keilverzahnung 48 werden die beschaufelten Läufer 24, 26 zusammengeschraubt.

Der axial verlaufende Flansch 46 trägt eine Labyrinthdichtung 70, die dichtend mit einem Schaufelring 72 am radial inneren Ende des Statorschaufelrings 36 zusammenwirkt.

Das Lager 60 ist ein Schublager, das dazu dient, sowohl den Hochdruckverdichterläufer als auch den Turbinenläufer der Turbine 18, der den Verdichterläufer antreibt, axial festzulegen. Die Verbindung der Wellenteile 51, 59 über die Drehfederhülse 54 bewirkt eine noch genauere Ausrichtung für den Turbinenläufer, als es dann der Fall wäre, wenn der Wellenabschnitt 59 mit dem Abschnitt 51 nur über die Verdichtertrommel verbunden wäre, die von den Läufern 22, 24, 26, 28, 30 und dem Wellenabschnitt 50 gebildet wird. Eine solche Verbindung über die Verdichtertrommel wurde früher benutzt, wenn die Verdichterläufer (speziell solche Läufer wie die Läufer 24, 26) miteinander durch Bolzen verbunden waren, und hier ergaben sich gelegentlich Probleme infolge einer ungenauen axialen Ausrichtung des Turbinenläufers.

Außerdem wird durch die erfindungsgemäße An-5 Ordnung erreicht, daß eine sehr nützliche Gewichtseinsparung zustandekommt im Vergleich mit einer herkömmlichen Bolzenkonstruktion. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Schweißstellen zwischen den beschaufelten Läufern auf der Innenseite spanabhebend bearbeitet werden, wenn die Drehfederhülse 54 weggezogen wird. Dies ist sehr nützlich, wenn ein beschaufelter Läufer ausgewechselt werden muß, wobei die Notwendigkeit besteht, den Verdichterläuferaufbau wieder zu verschweißen und wieder ausuzbalancieren.

Die Erfindung ist auch anwendbar für Niederdruckverdichter. Zum Beispiel können die stromoberseitig liegenden beschaufelten Läuferstufer; aus faserverstärktem Kunstharz bestehen, und die stromunterseitigen beschaufelten Läuferstufen können aus einer Aluminiumlegierung bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

lösen trachten. Es ist daher eine Drehsicherung erforderlich, die diese Rückdrehung verhindert. Patentansprüche: Bei einer bekannten Schraubverbindung zweier Läuferelemente gemäß der britischen Patentschrift

1. Läufer für den Verdichter eines Gasturbi- ί 822 172 wird die Schraubsicherung durch eine Vernentriebwerks mit einer Schraubkupplung zwi- schweißung zweier aneinanderstoßender Flansche sehen zwei axial aufeinanderfolgenden Läuferele- der beiden Gewindeteile bewirkt. Dies setzt aber vormenten und mit einer Sicherung gegen ein Lösen aus, daß die beiden Läuferelemente aus gleichen der Schraubverbindung, dadurch gekenn- oder wenigstens miteinander verschweißbaren Metalzeichnet, daß die Schraubsicherung aus einer io len bestehen. Die Verschweißung erschwert aber eine Drehfeder (54) besteht, die koaxial innerhalb des spatere Demontage oder macht diese völlig unmög-Läufers angeordnet ist und mit ihren Enden an lieh.

den beiden Läuferelementen (24, 26) unter Vor- Es ist ferner durch die schweizerische Patentschrift

spannung der Schraubverbindung in Schließlich- 247 091 oder die USA.-Patentschrift 2 461402 bei

tung festgelegt ist. 15 einer mehrstufigen Strömungsmaschine bekannt, die

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Schraubsicherung durch Aufschrumpfen zu erhalten, zeichnet, daß die Drehfeder als Drehfederhülse Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die höhere (54) ausgebildet ist, die über Radialflansche (56, Temperaturbeanspruchung der folgenden Stufe bzw. 60) an ihren Enden mit den die Läuferelemente die hiermit verknüpfte Ausdehnung des einen (24, 26) tragenden Hohlwellen (50, 59) verbun- 20 Schraubgewindeteils gegenüber dem anderen kälteden ist. ren Schraubgewindeteil für eine Schrumpfverbindung

3. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ausgenutzt wird. Eine solche Schraubverbindung setzt zeichnet, daß die Drehfeder aus einem Käfig be- ein im Betrieb gleiches Temperaturgefälle voraus steht, der mehrere im Winkelabstand zueinander und wird erst nach einer gewissen Zeit wirksam. Bei angeordnete Stangen aufweist, die um die Dreh- 25 nur kurzzeitigem Lauf des Triebwerks, z. B. bei achse des Verdichters herum angeordnet sind. wiederholten Startversuchen, kann diese Schraubsicherung noch nicht voll wirksam sein, so daß hier die Gefahr einer Lösung bestellt. Außerdem kann eine

solche Sicherung bei Gasturbinenverdichtern nicht

30 durchgeführt werden, bei denen die Elemente des Niederdruckkompressors aus Kunststoff bestehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

Die Erfindung betrifft einen Läufer für den Ver- bei einem bekannten Läufer mit Schraubkupplung

dichter eines Gasturbinentriebwerks mit einer zwischen den Läuferelementen eine Sicherung gegen

Schraubkupplung zwischen zwei axial aufeinander- 35 ein Lösen der Schraubverbindung zu finden, die ein

folgenden Läuferelementen und mit einer Sicherung Verschweißen oder Aufschrumpfen entbehrlich

gegen ein Lösen der Schraubverbindung. macht.

Bei derartigen Triebwerken werden häufig die Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch axial aufeinanderfolgenden Stufen des Verdichterläu- gelöst, daß die Schraubsicherung aus einer Drehfeder fers miteinander verschweißt. Dies ist jedoch nur 40 besteht, die koaxial innerhalb des Läufers angeorddann möglich, wenn diese aufeinanderfolgenden Stu- net ist und mit ihren Enden an den beiden Läuferelefen aus gleichen oder solchen Metallen bzw. Legie- menten unter Vorspannung der Schraubverbindung rungen bestehen, die eine gegenseitige Verschwel- in Schließrichtung festgelegt ist.
ßung zulassen. Aus Gründen der unterschiedlichen Diese Drehfeder, die innerhalb des Läufers raum-Wärmebeanspruchung werden jedoch die Läuferele- 45 sparend untergebracht und unter Vorspannung monmente des Niederdruckkompressors häufig ius einem tiert werden kann, ist gemäß einer Ausführungsform anderen Metall hergestellt als die Läuferelemente des der Erfindung als Drehfederhülse ausgebildet, die Hochdruckkompressors. So genügt für den Nieder- über Radialflansche an ihren Enden mit den Läuferdruckkompressor die Verwendung von Aluminiumle- elementen verbunden ist. Hierdurch ergibt sich ein gierungen, während für den Hochdruckkompressor 50 gewichtsmäßig leichter und raumsparender Aufbau. Nickellegierungen Anwendung finden, die sich mit Statt dessen kann die Drehfeder auch als Käfig mit der Aluminiumlegierung des Niederdruckkompres- achsparallel um die Drehachse angeordneten Käfigsors nicht verschweißen lassen. Eine Verschweißung stäben versehen werden, die auf einem Zylindermanist auch dann nicht möglich, wenn der Niederdruck- tel im gleichen Winkelabstand zueinanderliegen.
kompressor aus einem faserverstärkten Kunstharz- 55 Die Vorspannung der Drehfeder wird so gewählt, aufbau besteht. daß unter den ungünstigsten zu erwartenden Bedin-

Wenn das Bedürfnis besteht, zwei nicht miteinander gungen ein Lösen der Schraubverbindung über ein verschweißbare Läuferelemente miteinander zu ver- zulässiges Maß mit Sicherheit verhindert wird,
binden oder wenn man Vorsorge treffen will, die Es ist zwar allgemein üblich, eine Schraubverbin-Elemente später wieder auseinanderzunehmen, wer- 60 dung durch eine Feder vorzubelasten und gegen eine den häufig Schraubkupplungen zwischen den Läufer- Relativdrehung, beispielsweise durch einen Sprengelementen verwendet. Dabei kann der Drehsinn des ring zu sichern. In diesem Falle wird jedoch nur eine Schraubgewindes derart gewählt werden, daß im axiale Verspannung der beiden Gewindeteile gegen-Normalbetrieb die Schraubkupplung im schließenden einander mit dem Ziel einer Reibungserhöhung be-Sinne beaufschlagt ist. Unter anderen Betriebsbedin- 65 wirkt. Eine Anordnung derartiger Axialfedern zur Sigungen jedoch, z. B. beim Auslauf des Triebwerks, cherung der Schraubverbindung zwischen zwei können durch die Massenträgheitswirkungen jedoch Läuferteilen ist jedoch nicht möglich.
Drehmomente auftreten, die die Schraubkupplung zu Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Er-