DE2137527A1

DE2137527A1 - Turbinenläufer

Info

Publication number: DE2137527A1
Application number: DE19712137527
Authority: DE
Inventors: Giovanni Moncalieri Turin Savonuzzi (Italien). P FOId 25-26
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1970-07-27
Filing date: 1971-07-27
Publication date: 1972-03-16
Also published as: US3765793A; GB1302661A

Description

Die Erfindung betrifft Turbinenläufer und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich solche, wie sie für Kraftfahrzeug-Gasturbinen Verwendung finden.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Turbinenläufer der Bauart mit einer zentralen Scheibe mit einer Anzahl von radial hiervon abstehenden Schaufeln,

Die Verwendung von Gasturbinen bei Kraftfahrzeugen ist bekannt. Kraftfahrzeugmotoren, die zwangsläufig von relativ geringer Leistung und Abmessungsbegrenzungen sind, beanspruchen Rotoren stark verminderten Durchmessers. Somit können solche Rotoren nicht zweckmäßig dadurch gefertigt werden, daß die

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Schaufeln auf eine Läuferseheibe aufgesetzt und die Schaufeln an der Scheibe durch mechanische Einrichtungen "befestigt werden .

Eine bisher für dieses Problem geeignete Lösung besteht darin, die Turbinenrotoren für Kraftfahrzeuge aus einem Stück herzustellen, wobei die Schaufeln integral mit einer zentralen Scheibe geformt, im allgemeinen gegossen werden. Rotoren dieser Bauart sind zufriedenstellend vom mechanischen Standpunkt aus, da gegossene Schaufeln im allgemeinen eine bessere Festigkeit gegen Korrosion als mechanisch bearbeitete Schaufeln aufweisen.

Gegossene Turbinenläufer sind in der Praxis jedoc-h nicht zuverlässig. Die Turbine eines Kraftfahrzeugaggregats ist im Betrieb sehr stark schwankenden Belastungen und damit schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt. In einem Turbinenläufer haben die Schaufelblätter eine relativ geringe Wärmeträgheit, während die zentrale Scheibe eine beachtlich größere Wärmeträgheit aufweist. Somit ruft eine rasche Temperaturänderung leicht thermisch induzierte Spannungen in den Zonen der Rotorscheibe zwischen benachbarten Paaren von Schaufeln hervor. Solche Beanspruchungen stellen sich dann in Form kleiner Risse dar, die mit fortgesetztem Verschleiß langer werden, bis sie zur Zerstörung des Läufers führen.

Verschiedene Lösungen für diese Probleme wurden bereits vorgeschlagen. So ist es beispielsweise bekannt, die beiden Seiten der zentralen Scheibe des Turbinenläufers mit einer Anordnung aus radialen Flügeln zu versehen, von denen ein jeder radial vom Außenumfang der Scheibe nach innen als wirksame Verlängerung des Profils einer Schaufel sich erstreckt. Auf diese Weise wird die Elastizität der zentralen Scheibe beachtlich im Bereich des Außenumfangs vergrößert,

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wodurch die Neigung zu Rissen während der Benutzung der Scheibe reduziert wird. Die zentrale Scheibe dieser Läuferbauart wird darüberhinaus mit einem dünnen radialen Schlitz zwischen jedem Paar benachbarter Schaufeln bearbeitet. Jeder dieser Schlitze endet in einem Loch mit einem Durchmesser, der ausreicht, um Beanspruchungskonzentationen am radial innengelegenen Ende des Schlitzes zu vermeiden, . wobei die Löcher mit einem Material von einer Plastizität größer als das gefüllt sind, welches die Rotorscheibe selbst bildet.

Der im vorstehenden Absatz beschriebene Rotor oder Läufer mag zwar vom technischen Standpunkt aus zufriedenstellend sein, hat aber viele Nachteile.

Erstens sind solche Rotoren, da sie aus einem Stück durch Gießen hergestellt sind, unwirtschaftlich in der Herstellung, insbesondere da beide Schaufeln sowie die zentrale Scheibe aus einem Material mit sehr guten mechanischen und thermischen Eigenschaften hergestellt sein muß„ Zweitens wird der Preis jedes Rotors durch den hohen Anteil an Produktionsausschuß gesteigert, der unweigerlich anfällt, da ein Defekt im Gußstück, selbst bei nur einer einzigen Schaufel, oder der Bruch einer einzigen Schaufel des Gußstückes den ganzen Rotor unbrauchbar und unreparierbar werden lassen. Drittens führt die Maßnahme, die obengenannte FlügelanOrdnung auf dem Außenumfangsbereich der zentralen Scheibe vorzusehen, zu einem beachtlichen Verlust an Leistung aufgrund des hierdurch bei hohen Drehgeschwindigkeiten erzeugten Widerstandes.

Die bereits hohen Kosten der oben beschriebenen Rotoren werden weiter aufgrund der hohen Kosten für die Bearbeitungsvorgänge, denen die gegossenen Rotoren ausgesetzt werden müssen, gesteigert. Beispielsweise werden dünne Radialschlitze

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in der zentralen Scheibe mittels sehr dünner Diamantbohrer, die leicht brechen, gebildet.

Um diese Nachteile bekannter Turbinenläufer zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein Turbinenrotor vorgesehen, bei dem die zentrale Scheibe aus einem monolithischen zentralen Teil mit einer zylindrischen Außenfläche und einer Anzahl gleicher Schaufelblatteile oder Pußteile gebildet wird, die über den Umfang benachbart einander angeordnet sind, so daß eine Krone (engl.: crown) bzw. ein Verteilerring gebildet wird, der am zentralen Teil befestigt ist und zwei im wesentlichen kontinuierliche Ringflächen benachbart den Endflächen des zentralen Teils aufweist, wobei die Schaufelblattvmrzelteile jeweils integral mit der entsprechenden Turbinenschaufel ausgebildet sind.

Vorzugsweise erstreckt sich jedes der Blattwurzelteile radial nach außen vom zentralen Teil und hat eine Dicke gleich der der letzteren, wobei der Schaufelwurzelteil an seinem radial innengelegenen, dem zentralen Teil gegenüberliegenden Ende einen zylindrischen Oberflächenteil aufweist, der mit der Außenzylinderfläche des zentralen Teils durch Schweißen verbunden ist.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher·erläutert werden, in denen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt, eines Turbinenläufers nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Pig. 2 ist eine Stirnansicht des in Fig. 1 gezeigten Läufers;

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie III-III der Fig. 2, und

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Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer Schaufel des Läufers nach den Figuren 1 Ms 3 mit dem Fußoder Blattwurzelteil.

In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 allgemein einen Turbinenrotor mit einer zentralen Scheibe 2 und einer Anzahl von Schaufeln 3, die radial von der zentralen Scheibe 2 nach außen gehen und gleichmäßig über den Außen umfang der Scheibe verteilt sind.

Die zentale Scheibe 2 selbst umfaßt einen zentralen Teil 4, der in einem Stück ausgebildet ist und eine zylindrische Außenfläche sowie eine zentrale Nabe 5 aufweist» Die Nabe

5 ermöglicht es, daß ler Läufer 1 auf einer nicht dargestellten Turbinenwelle gelagert wird, die so ausgebildet ist, daß sie durch den Läufer angetrieben wird. Die zentrale Scheibe 2 ist mit einem ringförmigen äußeren Verteilerring

6 bzw. Kopf (engl.: crown) ausgebildet, der durch eine Anzahl gleicher segmentierter Wurzel- oder Fußteile 7 gebildet ist, die über den Umfang um die Läuferscheibe 2 seitlich nebeneinander angeordnet sind.

Die Blattwurzelteile 7 sind von gleicher Anzahl wie die Anzahl der Schaufel 3 und jeder Blattwurzelteil 7 ist aus einem Stück, im allgemeinen durch Gießen, m-fit der jeweiligen Schaufel 3 geformt.

Jeder Blattwurzelteil 7 umfaßt (Fig. 4) zwei Stirn- oder Schirmplatten 8 und 9 (engl.: face plates) mit flachen -Außenflächen, die im wesentlichen parallel zueinander liegen, wobei ein Kern 10 zwischen die beiden Platten 8 und 9 zwischengesetzt und hiermit verbunden ist und ein Brückenstück 11 mit dem Kern 10 verbunden ist und die radial außengelegenen Enden der Platten 8 und 9 überspannt. Die Schaufel 3 ist je weils mit dem-Biückenstück 11 verbunden und steht von der

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Fläche vor, die der mit dem jeweiligen Kern 10 verbundenen gegenüberliegt.

Jede der Platten 8 und 9 hat in der Draufsicht eine Gestalt, die im wesentlichen trapezförmig ist, wobei die kleinere Basisseite radial innen sich befindet und an die äußere Zylinderfläche des zentralen Teiles 4 der Läuferscheibe 2 angrenzt. Das Brückenstück 11 ist andererseits parallel zur äußeren Zylinderfläche des zentralen Teils 4 angeordnet und verbindet die größeren Basisseiten der trapezförmigen Stirnplatten 8 und 9. Das Brückenstück 11 hat einen zylindrischen Außenflächenteil 12, der, wenn der Blattwurzelteil 7 auf der Rotorscheibe 2 montiert ist, koaxial zur zylindrischen Außenfläche des zentralen Teils 4 der Scheibe sich, befindet. Die Schaufel 3 geht radial vom zentralen Teil des "zylindrischen Oberflächenteils 12 ab.

Die Dicke des Kerns 10 nimmt radial nach innen von dem Brückenstück 11 zu, während die Breite des Kerns 10 radial nach innen vom Brückenstück 11 abnimmt. Der Kern 10 ist mit der Innenfläche des Brückenstückes 11 längs eines Bandes verbunden, welches sich im wesentlichen parallel zur Achse des paasallea zentralen Teiles 4 längs des Mittelteils der Innenfläche des Stücks 11 erstreckt. Der Kern 10 hat einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt an seinem radial innengelegenen Ende und ist mit den Innenflächen der Platten 8 und 9 im wesentlichen längs der gesamten Breite dieser Platten verbunden.

Die radial innengelegenen Flächen der Platten 8 und 9 und des Kerns 10 bilden zusammen einen ZyI inderflächen teil 13» der in der Draufsicht rechteckig ist und der mit der äußeren Zylinderfläche des monolithischen zentralen Teils 4 der Rotorscheibe 2 durch Tiefschweißen, im allgemeinen mittels

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Elektronenstrahlschweißen, verbunden ist«,

Die Fuß- oder Blattwurzelteile 7 , sobald sie einmal miteinander verbunden und mit dem zentralen Teil 4 verschweißt sind, bilden den kontinuierlichen äußeren Verteilerring 6. Weiterhin bilden die Außenflächen der Stirnplatten 8 und 9, wenn die Blattwurzelteile 7 zusammengebracht sind, zwei kontinuierliche Ringflächen 14 und 15, welche wirksame Fortsetzungen der Endflächen des zentralen Teiles 4 der Scheibe 2 darstellen.

Sind die Fuß- oder Blattwurzelteile 7 auf dem zentralen Teil 4 angeordnet, so begrenzen der Kern 10 und die beiden Stirnplatten 8 und 9 jedes Teiles 7 zusammen mit dem Kern 10 und den Platten 8 und 9 der beiden anliegenden Wurzelteile 7 zwei benachbarte radial sich erstreckende Kammern 16, die radial nach innen gegen den zentralen Teil 4 sich verjüngen und an ihren radial äußeren Enden durch die Brückenteile 11 dieser Blattwurzelteile 7 geschlossen sind. Jede Radialkammer 16 steht mit einer zentralen Axialleitung 17 im zentralen Teil 4 über eine jeweilige Radialleitung 18 (Fig. 3) in Verbindung. Jede Radialkammer 16 steht auch mit einem Hohlraum 3a (gestrichelt dargestellt) in Verbindung, der innerhalb des jeweiligen Schaufelblattes 3 ausgebildet ist, und zwar über eine weitere Leitung 3t»» wie schematisch gestrichelt dargestellt. Mittels der Leitung 17, den Radialleitungen 18, den Radialkammern 16 und den Leitungen 3"b wird es möglich, Luft in den äußeren Verteilerring 6 (Krone) und in die Schaufelhohlräume 3a einzuspeisen, um deren wirksame Kühlung herbeizuführen.

Was die Beständigykeit des Rotors 1 gegen thermisch induzierte Beanspruchungen betrifft, so soll darauf hingewiesen werden, daß jeder den äußeren Verteilerring 6 bildende

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Blattwurzelteil 7 im zentralen Teil 4 der Rotorscheibe an seinem radial innengelegenen Ende, unabhängig von den benachbarten Wurzelteilen 7 verbunden ist. Somit werden kleine Radialspiele zwischen benachbarten Blattwurzelteilen 7 gebildet, was eine ausreichende Elastizität für den äußeren Verteilerring 6 der Rotorscheibe 2 bedeutet. Weiterhin können die Blattwurzelteile 7 radial unabhängig voneinander sich verwerfen, ohne daß Inn en spannungen hervorgerufen werden, die zum Bruch der zentralen Scheibe 2 des Rotors 1 führen.

Wie vorher erwähnt, werden jeder Blattwurzelteil 7 sowie die jeweilige Schaufel 3 durch Gießen in einem .einzigen Stück geformt. Jeder Teil 7 wird anschließend auf den zentralen Teil 4 des Rotors 1 geschweißt. Es ist jedoch möglich,· den äußeren Verteilerring 6 aus einer Anzahl von Gruppen von Blattwurzelteilen 7 zu bilden, die auf den zentralen Teil 4 geschweißt sind: Die jede Gruppe bildenden Blattwurzelteile 7 sind fest aneinander gebunden - beispielsweise kann die Gruppe in einem Stück gegossen werden und jede Gruppe bildet zusammen mit den jeweiligen Schaufeln 3 ein einziges Stück, welches gesondert an den zentralen Teil 4 geschweißt wird. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß, während die Zahl von Blattwurzelteilen 7 in jeder durch Gießen in einem Stück gebildeten Gruppe zunimmt, die mechanischen und thermischen Eigenschaften des resultierenden Läufers 1 weniger günstig ausfallen; optimale Charakteristiken werden nur dann erhalten, wenn die Blattwurzelteile 7 mit ihren jeweiligen Schaufelblättern 3 einzeln und durch Schweißen jeweils eins auf der äußeren Zylinderfläche des zentralen Teiles 4 des Rotors 1 befestigt sind.

Schließlich werden LeistungsVerluste aufgrund von Widerständen (Strömung etc.) am Rotor 1 auf ein Minimum vermindert, da die Ringflächen 14 und 15 des äußeren Verteilerrings

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6 im wesentlichen kontinuierlich verlaufen und daher keine irgendwie geartete wesentliche Turbulenz in der die zentrale Scheibe 2,des Rotors 1 umgebenden Luft hervorrufen, im Gegensatz zu den genannten bekannten Rotorkonstruktionen.

Selbstverständlich können Details und praktische Ausführungsformen der Erfindung in weiten Grenzen dem hier beschriebenen und dargestellten Beispiel gegenüber im Rahmen der Erfindung variiert werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche;

M.) Turbinenläufer der Bauart mit einer zentralen Scheibe ^— und einer Anzahl von dieser Scheibe abstehender radialer Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Scheibe (?) aus einem monolithischen zentralen Teil (4) mib zylinderischer Außenfläche und einer Anzahl gleicher Blattwurzelteile (7) gebildet ist, die umfangsmaßig einander benachbart angeordnet sind und so einen am zentralen Teil (4) befestigten "Perteilerring (6) bilden und zwei im wesentlichen durchlaufende Ringflächen (14, 15) aufweisen, die an die Endflächen des zentralen Teils (4) angrenzen, wobei die Blattwurzelteile (7) jeweils integral mit der jeweiligen Turbinenschaufel (3) ausgebildet sind.

2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Blattwurzelteile (7) radial nach außen vom zentralen Teil (4) sich erstreckt und eine Dicke gleich der des letzteren aufweist, wobei der Fußteil oder Blattwurzelteil (7) an seinem radial innengelegenen, dem zentralen Teil (4) gegenüberliegenden Ende einen Zylinderflächenteil (13) aufweist, der durch Schweißen mit der äußeren Zylinderfläche des zentralen Teils (4) verbunden ist.

3. Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fußteil (7) aus zwei parallelen Stirnplatten (7, 8) mit flachen Außenflächen gebildet ist und ein Kern (10) zwischen die Stirnplatten (7, 8) geschaltet und mit diesen verbunden ist; und daß ein Brückenstück

(11) mit dem Kern (10) verbunden ist und die radial außengelegenen Enden der beiden Stirnplatten (7, 8) verbindet, während die jeweilige Schaufel (3) auf der radial außengelegenen Fläche getragen wird und die flachen Außenflächen

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der "beiden Stirnplatten (7,8) toi wesentlichen Fortsetzungen der äußeren flachen Flächen des zentralen Teils (4) bilden und jeweils eine im wesentlichen trapezförmige Gestalt aufweisen und am zentralen Teil (4) mit ihrer kleinen Grundseite verbunden und mit dem Brückenteil (11) mit ihrer großen Grundseite verbunden ist, wobei das Brückenstück (11) parallel zur Achse des zentralen Teils (4) sic-h erstreckt.

Turbinenläufer nach Anspruch 3_f- dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) jedes Fußteils (7) in der Dicke radial nach außen sich verjüngt und am radial innengelegenen Ende einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und an den innenflächen der beiden Stirnplatten (7, 8) im wesentlichen über die gesamte Breite dieser Platten angeschlossen ist, wobei der Zylinderflächenteil (13) des Fußteils (7) in der Draufsicht im wesentlichen rechteckig und auf der radial innengelegenen Endfläche des Kerns (10) ausgebildet ist, wobei die Endflächen der beiden Stirnplatten (7, 8) dem zentralen Teil (4) gegenüberliegen.

Turbinenläufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Fußteil (7) die Oberfläche des Brückenstücks (11) auf der anderen Seite wie die, die mit dem Kern (10) verbunden ist, einen zylindrischen Oberflächenteil (12) aufweist, der koaxial zur äußeren Zylinderfläche des zentralen Teils (4) ist, wobei jede Schaufel (3) radial nach außen vom zentralen Teil dieses zylindrischen Oberflächenteils (12) sich erstreckt.

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6. Turbinenläufer nach, einem der Ansprüche 3 "bis 5, dadurch

die gekennzeichnet, daß der Kern (10) und/zwei Stirnplatten (7, 8) jedes Fuß teils (7) zusammen mit dem Kern (10) und den Stirnplatten (7, δ) der benachbarten Fußteile (7) zwei radial sich erstreckende Kammern (16) aufweist, die radial nach innen sich verjüngen und an ihren radial außengelegenen Enden durch die Brückenstücke (11) dieser Fußteile (7) geschlossen sind.

7. Turbinenläufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Leitungen (1-8) innerhalb des zentralen Teils (4) der Rotorscheibe (2) ausgebildet ist, wobei diese Leitungen (18) die radial sich erstreckenden Innenkammern (16) mit einer zentralen Leitung (17) verbinden, derartiger Anordnung, daß diese Kammern (16) mit Kühlluft beaufschlagbar sind.

8. Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (3) einen Inn entthohlraum (3a) aufweist, der mit einer der jeweiligen radial sich erstreckenden Kammern (16) der benachbarten Fußteile (7) in Verbindung steht.

9» Turbinenläufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fußteil (7) und die jeweilige Schaufel (3) als ein einziges Gußstück geformt sind.

10. Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerring bzw. die Krone (6) der zentralen Scheibe (2) durch eine Anzahl von Gruppen von Fußteilen (7) gebildet ist, die an den zentralen Teil (4) der Scheibe (2) geschwaßt sind, wobei jede Gruppe zwei oder mehr Fußteile (7) umfaßt, die,- zusammen mit den jeweiligen Schaufeln (3) als ein einziges Gußstück geformt sind.

PATENTANWÄLTE

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