DE2101646C3

DE2101646C3 - Läufer für den Verdichter eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE2101646C3
Application number: DE2101646A
Authority: DE
Inventors: Jack Ambergate Derbyshire Britt (Grossbritannien)
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1970-01-20
Filing date: 1971-01-14
Publication date: 1974-07-25
Also published as: DE2101646B2; DE2101646A1; FR2075746A5; US3706509A; GB1286235A

Description

Die Erfindung betrifft einer Läufer für den Verdichter eines Gasturbinentriebwerks mit einer Schraubkupplung zwischen zwl. axial aufeinanderfolgenden Läuferelementen und mit einer Sicherung gegen ein Lösen der Schraubverbindung.

Bei derartigen Triebwerken werden häufig die axial aufeinanderfolgenden Stufen des Verdichterläufers miteinander verschweißt. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn diese aufeinanderfolgenden Stufen aus gleichen oder solchen Metallen bzw. Legierungen bestehen, die eine gegenseitige Verschwdßun_;g zulassen. Aus Gründen der unterschiedlichen Wärmebeanspruchung werden jedoch die Läuferelemente des Niederdruckkompressors häufig aus einem anderen Metall hergestellt als die Läuferelemente des Hochdruckkompressors. So genügt für den Niederdruckkompressor die Verwendung von Aluminiumlegieningen, während für den Hochdruckkompressor Nickellegierungen Anwendung finden, die sich mit der Aluminiumlegierung des Niederdruckkompressors nicht verschweißen lassen. Eine Verschweißung ist auch dann nicht möglich, wenn der Niederdruckkompressor aus einem faserverstärkten Kunstharzaufbau besteht.

Wenn das Bedürfnis besteht, zwei nicht miteinander verschweißbare Läuferelemente miteinander zu verbinden oder wenn man Vorsorge treffen will, die Elemente später wieder auseinanderzunehmen, werden häufig Schraubkupplungen zwischen den Läuferelementen verwendet. Dabei kann der Drehsinn des Schraubgewindes derart gewählt werden, daß im Normalbetrieb die Schraubkupplung im schließenden Sinne beaufschlagt ist. Unter anderen Betricbsbedingungen jedoch, z. B. beim Auslauf des Triebwerks, können durch die Massenträgheitswirkungen jedoch Drehmomente auftreten, die die Schraubkupplung zu lösen trachten, Es ist daher eine Drehsicherung erforderlich, die diese Rückdrehung verhindert,

0_ej _ej_ner bekannten Schraubverbindung zweier Läuferelemente gemäß der britischen Patentschrift 822 172 wird die Schraubsicherung durch eine Verschweißung zweier aneinanderstoßender Flansche der beiden Gewindeteile bewirkt. Dies setzt aber voraus, daß die beiden Läuferelemente aus gleichen oder wenigstens miteinander verschweißbaren Metallen bestehen. Die Verschweißung erschwert aber eine spätere Demontage oder macht diese völlig unmöglieh.

Es ist ferner durch die schweizerische Patentschrift 247 091 oder die USA.-Patentschrift 2 461402 bei

t5 einer mehrstufigen Strömungsmaschine bekannt, die Schraubsicherung durch Aufschrumpfen zu erhalten. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die höhere Temperaturbeanspruchung der folgenden Stufe bzw. die hiermit verknüpfte Ausdehnung des einen

ao Schraubgewindeteils gegenüber deru anderen kälteren Schraubgewindeteil für eine Schrumpfverbindung ausgenutzt wird. Eine solche Schraubverbindung setzt ein im Betrieb gleiches Tempcraturgcfälle voraus und wird erst nach einer gewissen Zeit wirksam. Bei nur kurzzeitigem Lauf des Triebwerks, z. B. bei wiederholten Startversuchen, kann diese Schraubsicherung noch nicht voll wirksam sein, so daß hier die Gefahr einer Lcvung besteht. Außerdem kann eine solche Sicherung bei Gasturbinenverdichtern nicht durchgeführt werden, bei denen die Elemente des Niederdruckkompressors aus Kunststoff bestehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem bekannten Läufer mit Schraubkupplung zwischen den Läuferelementen eine Sicherung gegen ein Lösen der Schraubverbindung zu finden, die ein Verschweißen oder Aufschrumpfen entbehrlich macht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schraubsicherung aus einer Drehfeder besteht, die koaxial innerhalb Jes Läufers angeordnet ist und mit ihren Enden an den beiden Läuferelementen unter Vorspannung der Schraubverbindung in Schließrichtung festgelegt ist.

Diese Drehfeder, die innerhalb des Läufers raumsparend untergebracht und unter Vorspannung montiert werden kann, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Drehfederhülse ausgebildet, die über Radialflansche an ihren Enden mit den Läuferelementen verbunden ist. Hierdurch ergibt sich ein gewichtsmäßig leichter und raumsparender Aufbau. Statt dessen kann die Drehfeder auch als Käfig mit achsparallel um die Drehachse angeordneten Käfigstäben versehen werden, die auf einem Zylindermantel im gleichen Winkelabstand zueinanderliegen.

Die Vorspannung der Drehfeder wird so gewählt, daß unter den ungünstigsten zu erwartenden Bedingungcn ein Lösen der Schraubverbindung über ein zulässiges Maß mit Sicherheit verhindert wird.

Es ist zwar allgemein üblich, eine Schraubverbindung durch eine Feder vorzubelasten und gegen eine Relativdrehung, beispielsweise durch einen Sprengring zu sichern. In diesem Falle wird jedoch nur eine axiale Verspannung der beiden Gewindeteile gegeneinander mit dem Ziel einer Reibungserhöhung bewirkt. Eine Anordnung derartiger Axialfedern zur Sichcrung der Schraubverbindung zwischen zwei Läuferteilen ist jedoch nicht möglich.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Er-

findung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Ciasiurbinenstrahltriebwerks mit dem erfindungsgernäßen 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 Fig. 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 Statnrstufen 32, 34, 36, 38, 40, 42 ab. Die Statorsiut'e 32 befindet sich am Einlaß des Hochdruckverdichiers und bildet: die Einlaßleitschaufeln. Die Statorsiüie 42 befindet sich am stromuntorseitigen Ende und bildet die Auislaßleitschaufcln füi die Verbrennungseinrichtung 16.

Die beschaufelten Läufer 22 und 24 bestehen aus Werkstoff, der vom Werkstoff der beschaufclten Laufer 26, 28, 30 unterschieden ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die weiter stromuntcrseitig liegenden Verdichterstufen 26, 28, 30 höheren Temperaturen widerstehen müssen als die stromoberseiügen Stufen 22, 24. Die Stufen 22, 24 können z. B. aus einer Aluminiumlegierung bestehen, die unter der Bezeichnung »LAB 24« im Handel ist, während die Stufen 26. 28, 30 aus einer Nickellegierung bestehen können, die unter der Bezeichnung »\VASPALLOY< im Handel ist. Diese Handelsbezeichnungen sind \varcnzeichenrechtlich 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 beschaufeltcn Läufer 24 und 26 aus unterschiedlichen Werkstoff.n bestehen, können sie nicht miteinander verschweißt werden wie die anderen Läufer, die aus gleichartigen Werkstoffen bestehen.

Der beschaufelte Läufer 24 trägt einen stromabwärts gerichteten axial verlaufenden Flansch 44, und der bcschaufelte 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 Ausführungsbcispicl in Gestait schraubenlinienförmig verlaufender Keilnuten bzw. Keilfedcrn ausgebildet sind. Es sind auch noch andere, ein D^rehmoment übertragende Schraubkupphingcn 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 Wellcnabschnitte 50, 51 vorgesehen.

Eine Drehfederhülse 54 besitzt einen radial verlaufenden Flansch 56·, der zwischen den Flanschen 52, 53 mittels Bolzen Ϊ58 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 Drehfedcrhülse ist an der Welle 59 mittels eines radialen Flansches 60 festgelegt, der mit

s einem weiteren Radialflansch 62 auf der Welle 59 mittels Bolzen 64 verbunden ist. Die Welle 59 tragt eine Gruppe gerader Keilnuten 66, die im Eingriff stehen mit einer entsprechenden Gruppe geradlinig verlaufender Federn 68 am radial inneren Ende des

:o 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

Keilvorzahnungen 66, 68 auf die beschaufelten Läufer 24, 26, 28, 30 auf die Se¹,raubennuten bzw. Federn 48 übertragen, deren Steig'ingssinn so gewählt ist, daß das Drehmoment innerhalb der Drehfederhülse die Läufer 24. 26 ineinanderschr^ubt und die

=5 Keilverzahnung 48 im Eingriff hält. So bildet das D.::hfederrohr 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 Gasturbincnstrahltricbwerks die Gasbelastungen auf den beschaufeiten Läufern des Verdichters die Wirkung der Vorlastmittel unterstützen.

Wenn ein Verdichter ausläuft, 7. B. wenn das Triebwerk abgeschaltet wird, dann können Massenträgheitswirkungen diese Schraubkupplung auseinanderzuschrauben trachten. Auch wenn das Triebwerk

4" 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 gewühlt, daß es ausreicht,

dieser Tendenz des Auseinanderschraubens entgegenzuwirken.

Das Drehmoment in dem Drehfederrohr 54 hält die schraubenlinienförmigen Verzahnungen 48 ständig dicht aneinandergeschraubt, wobei die Möglichst· kcit 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 diffcrentie'il.-r thermischer Ausdehnung und/oder durch Zentrifugalkräfte auftreten, wirken in der Weise, daß die Keilverzahnungen 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 Winkeiabstand zueinander angeordneten Stangen besteht, die um die Drehachse des Verdichters herum angeordnet sind. Statt dessen könnten die Vorlast-

mittel auch von einem Bauteil gebildet werden, der zwischen den Flanschen 52, 62 so unter Spannung gehalten wird, daß die beschaufelten Läufer 24, 26 zusammeneedrückt werden. Infolee der schraubenli-

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nicnförmigcn Gestalt der Kcilvcrzahnung 48 werden Llie beschaufcltcn Läufer 24, 26 zusammengeschraubt.

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

Das Lager 60 ist ein Sdiublagcr, das dazu dient, sowohl den Hochdruckverdichtcrläufer als auch den Turbincnläufcr der Turbine 18, der den Verdichtetläufer antreibt, axial festzulegen. Die Verbindung der Wellentcile 5t, 59 über die Drehfederhülse 54 bewirkt eine noch genauere Ausrichtung für den Turbincnläufcr, als es dann der Fall wäre, wenn der WeI-lcnabschnitt 59 mit dem Abschnitt 51 nur über die Verdiehtertrommcl verbunden wäre, die vun den Läufern 22, 24, 26, 28, 30 und dem Wellenabschnitt 50 gebildet wird. Eine solche Verbindung über die Vcrdichtertrommel wurde früher benutzt, wenn die Vcrdichterläufer (speziell solche Läufer wie die Läufer 24, 26) miteinander durch Bolzen verbunden waien, und liier ergaben sich gelegentlich Probleme infolge einer ungenauen axialen Ausrichtung ties TurbinenUiufcrs.

Außerdem wird durch die erfindungsgemäße An-5 Ordnung erreicht, daß eine sehr nützliche Ocwichtseinsparung zustandekommt im Vergleich mit einer herkömmlichen Bol/.enkonstruktion. Bei der crfindunpsgcmäßen Anordnung können die Sehsvcißslcllen zwischen den beschaufcltcn Läufern auf der Innenscite spanabhebend bearbeitet werden, wenn die Drehfederhülsc 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 ausuzbalancicren.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

2 1Oi 646 Patentansprüche:

1. Läufer für den Verdichter eines Gasturbinentriebwerks mit einer Schraubkupplung zwisehen zwei axial aufeinanderfolgenden Läuferelementen und mit einer Sicherung gegen ein Lösen der Schraubverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubsicherung aus einer Drehfeder (54) besteht, die koaxial innerhalb des Läufers angeordnet ist und mit ihren Enden an den beiden Läuferelementen (24, 26) unter Vorspannung der Schraubverbindung in Schließrichtung festgelegt ist.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeder als Drehfederhülse (54) ausgebildet ist, die über Radialflansche (56, 60) an ihren Enden mit den die Läuferelemente (24, 26) tragenden Hohlwellen (50, 59) verbunden ist.

3. Lauter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeder aus einem Käfig besteht, der mehrere im Winkelabstand zueinander angeordnete Stangen aufweist, die um die Drehachse des Verdichters herum angeordnet sind.