DE2333274A1 - FAN WHEEL - Google Patents
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Description
raw*. Dio. ß. HOLZEBraw *. Dio. ß. WOODB
R.R.
Augsburg, den 28. Juni 1973Augsburg, June 28, 1973
Rolls-Royce (1971) Limited, 14/15 Conduit Street, London W.l,Rolls-Royce (1971) Limited, 14/15 Conduit Street, London W.l,
EnglandEngland
GebläseradImpeller
Die Erfindung betrifft ein Gebläserad mit einem Rotor und einer Vielzahl von Schaufeln, Insbesondere handelt es sich um ein Gebläserad für Propellerturbinen-Luftstrahltriebwerke mit Propellerdüsen·The invention relates to an impeller with a rotor and a plurality of blades, in particular it is concerned is an impeller for propeller turbine air jet engines with propeller nozzles
Es ist bereits bekannt, bei einem Laufrad für Gasturbinentriebwerke zwei Schaufeln auf einem einzigen, imIt is already known in an impeller for gas turbine engines two blades on a single, im
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Rotor verankerten Schaufelfuß anzuordnen. Bei diesen Schaufeln sind jedoch die Schaufelfüße als Schwalbenschwanzoder Tannenbaumfüße ausgebildet und ein Nachteil dieser Schaufelfüße liegt darin, daß entsprechend geformte Schlitze in den Rotorscheibenrand geschnitten werden müssen. Diese Schlitze können bei starken Belastungen des Rotors Ausgangsstellen für Brüche sein.To arrange rotor anchored blade root. With these However, the blade roots are designed as dovetail or fir tree roots and a disadvantage of these Blade root is that appropriately shaped slots have to be cut in the edge of the rotor disk. These If the rotor is subjected to heavy loads, slots can be the starting point for fractures.
Gemäß der Erfindung ist ein Gebläserad der eingangs dargelegten allgemeinen Art durch eine Vielzahl runder Schaufelfußteile und durch Zapfen aufweisende Mittel zum Befestigen jeweils mindestens zweier Schaufeln auf einem Schaufelfuß gekennzeichnet, derart, daß die Schaufeln aufeinanderzu und voneinanderweg schwenkbar sind.According to the invention, an impeller of the general type set out in the opening paragraph is rounded by a plurality Blade root parts and means having tenons for fastening at least two blades on one Shovel root characterized in such a way that the blades are pivotable towards each other and away from each other.
Auf diese Weise wird die Verwendung von Schlitzen in der Rotorscheibe vermieden. Außerdem können die Spannungen in den Schaufelfußteilen im Vergleich zu bekannten Anordnungen vermindert werden und auch die Biegebeanspruchungen in den Schaufeln durch die auf die Schaufeln wirkenden Fliehkräfte und Gaskräfte können verringert werden. Dieser letztere Vorteil ist besonders bei Verstellpropellern wichtig,In this way the use of slots in the rotor disk is avoided. It can also reduce the tension are reduced in the blade root parts compared to known arrangements and also the bending stresses in the blades due to the centrifugal forces and gas forces acting on the blades can be reduced. This the latter advantage is particularly important with controllable pitch propellers,
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der ErfindungIn a preferred embodiment of the invention
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sind die runden Schaufelfußteile in Lagern im Rotor um ihre Längsachse drehbar gelagert, so daß der Anstellwinkel der Schaufeln veränderbar ist.the round blade root parts are rotatably mounted in bearings in the rotor about their longitudinal axis, so that the angle of attack the blades is changeable.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Schaufeln auf einem Rotor angeordnet, der zwei ringförmige Nabenscheiben aufweist, die derart gewellt sind, daß sie an ihrem Umfang abwechselnd einander angenähert und voneinander entfernt sind und dadurch eine Vielzahl von mit Winkelabständen angeordneten Ringen bilden, welch letztere öffnungen zur Aufnahme der Schaufelfußteile darstellen.In a further preferred embodiment of the Invention, the blades are arranged on a rotor which has two annular hub disks, the such are corrugated that they are alternately approached and removed from each other on their circumference and thereby a A plurality of rings arranged at angular intervals form, the latter having openings for receiving the blade root parts represent.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben« Es zeigen:A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying drawings, for example described «It show:
Fig. 1 ein Propellerturbinen-Luftstrahl1 shows a propeller turbine air jet
triebwerk mit einem als Verstellpropeller ausgebildeten Gebläserad nach der Erfindung,engine with a fan wheel designed as a variable-pitch propeller according to the invention,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen TeilFig. 2 is an axial section through a part
des erfindungsgemäßen Gebläserads des in Fig. 1 dargestellten Triebwerks, of the impeller according to the invention of the engine shown in FIG. 1,
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Pig, 3 einen Schnitt entlang der SchnittPig, 3 a section along the section
linie IH-III in Fig. 2, undline IH-III in Fig. 2, and
die Pig» 4 und 5 jeweils eine Draufsicht auf einenthe Pig »4 and 5 are each a plan view of one
Satz drehbarer Gebläseschaufeln in der Normalstellung bzw. in der RückwärtsSchubstellung.Set of rotatable fan blades in the normal position or in the reverse thrust position.
Fig. 1 zeigt ein Propellerturbinen-Luftstrahltriebwerk mit einem düsenumschlossenen Verstellpropeller, mit einem inneren Triebwerk 1, welches ein Gebläse 2 antreibt, das in einer zwischen einem Düsenring 4 und einer Nasenhaube gebildeten Propellerdüse 3 angeordnet ist. Das innere Triebwerk 1 kann von beliebiger Bauart sein, da sich die Erfindung nur auf das Gebläse bezieht.Fig. 1 shows a propeller turbine air jet engine with a nozzle-enclosed variable pitch propeller, with an inner engine 1, which drives a fan 2, the is arranged in a propeller nozzle 3 formed between a nozzle ring 4 and a nose hood. The inner Engine 1 can be of any type, since the invention relates only to the fan.
Bei einem solchen Triebwerk ist es wünschenswert, den Nabenspitzenfaktor auf ein Minimum zu verkleinern, damit die Frontfläche klein bleibt. Das bedeutet eine Beschränkung der Anzahl der Schaufeln, die auf dem Rotor angeordnet werden können, da mit kleiner werdendem Nabendurchmesser die Größe der Schaufelfüße kleiner wird, so daß die Spannungen in den Schaufelfüßen übermäßig groß werden.In such an engine it is desirable to minimize the hub tip factor in order to do so the front surface remains small. That means a limitation on the number of blades that can be arranged on the rotor can be, since the smaller the hub diameter, the smaller the size of the blade roots, so that the stresses become excessively large in the blade roots.
Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,According to the invention, this difficulty is solved by
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daß auf einem Schaufelfuß zwei Schaufeln angeordnet werden. Die Querschnittsfläche eines Schaufelfußes wird dadurch beachtlich vergrößert. Wird beispielsweise der Durchmesser des Schaufelfußes für eine Anordnung mit jeweils zwei Schaufeln doppelt so groß wie der Durchmesser eines gleichwertigen runden Schaufelfußes für eine einzige Schaufel gemacht, so ist die Querschnittsfläche des Schaufelfußes für zwei Schaufeln viermal so groß wie die Querschnittsfläche des Schaufelfußes für eine einzige Schaufel. Folglich sind die Spannungen bei gleicher Schaufelanzahl nur noch halb sq groß.that two blades are arranged on a blade root. The cross-sectional area of a blade root becomes thereby considerably enlarged. For example, if the The diameter of the blade root for an arrangement with two blades each is twice as large as the diameter If an equivalent round blade root is made for a single blade, then this is the cross-sectional area of the blade root for two blades four times as large as the cross-sectional area of the blade root for a single blade. Consequently, with the same number of blades, the stresses are only half sq.
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Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die Schaufeln 10 jeweils mittels eines Zapfens 13 am entsprechenden runden.Schaufelfuß 11 befestigt sind, welcher abwechselnd durch die Ansätze 14 der Schaufel und die Ansätze 15 des Sehaufelfußes hindurchgesteckt ist. Der Zapfen 13 ist an einem Ende mit einem Kopf 16 und an seinem anderen Ende mit einer Mutter l6a versehen, welch letztere auch der Befestigung des später noch beschriebenen Bauteils 35 dient.From Figs. 2 and 3 it can be seen that the blades 10 each by means of a pin 13 on corresponding round blade root 11 are attached, which is alternately inserted through the lugs 14 of the blade and the lugs 15 of the blade foot. The pin 13 is provided at one end with a head 16 and at its other end with a nut 16a, which the latter also serves to fasten the component 35, which will be described later.
Der Schaufelfuß 11 ist in im Rotor 19 befestigten Lagern 18 um ihre Achse 17 drehbar gelagert, welch letztereThe blade root 11 is mounted rotatably about its axis 17 in bearings 18 fastened in the rotor 19, the latter
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bezüglich der Triebwerksachse radial verläuft, so daß die Steigung der Gebläseschaufeln, d.h. ihr Anstellwinkel, durch Drehen des Schaufelfußes 11 veränderbar ist. Der Rotor 19 weist zwei ringförmige Nabenscheiben 20 und 21 auf, die derart gewellt sind, daß sie an ihrem Umfang abwechselnd einander angenähert und voneinander entfernt sind und so eine Vielzahl von mit Winkelabständen angeordneten Ringen bilden, welch letztere öffnungen zur Aufnahme der Schaufelfüße 11 und der Lager 18 darstellen.with respect to the engine axis extends radially, so that the The pitch of the fan blades, i.e. their angle of attack, can be changed by rotating the blade root 11. The rotor 19 has two annular hub disks 20 and 21 which are so corrugated that they alternate on their circumference are approached and spaced apart, and so are a plurality of angularly spaced rings form, which latter represent openings for receiving the blade roots 11 and the bearings 18.
Die Schaufelfüße 11 werden in ihren entsprechenden Öffnungen montiert, indem der radial äußere Lagerlaufring 25, die Lagerrollen 18 und der radial innere Lagerlaufring 26 lose eingesetzt werden, danach der Schaufelfuß 11 durch die Mitte dieser Anordnung hindurchgeschoben und der radial innere Lagerlaufring so gedreht wird, daß er sich auf das Gewinde 27 des Schaufelfußes aufschraubt, bis ein Plansch des inneren Lagerlaufrings am Schaufelfuß anliegt.The blade roots 11 are mounted in their respective openings by the radially outer bearing race 25, the bearing rollers 18 and the radially inner bearing race 26 are inserted loosely, then the blade root 11 through the center of this assembly is pushed through and the radially inner bearing race is rotated so that it is on the Thread 27 of the blade root unscrewed until a plan of the inner bearing race rests on the blade root.
Dann wird der äußere Lagerlaufring mit seinem Gewinde in die öffnung der Rotorscheibe eingeschraubt. Eine mit ihrem radial inneren Ende mit einer Blattsteigungs-VerStellvorrichtung (nicht dargestellt) verbundene Welle 30 weist an ihrem radial äußeren Ende eine Keilverzahnung 31 auf, dieThen the thread of the outer bearing race is screwed into the opening of the rotor disk. One with its radially inner end with a pitch adjustment device (not shown) connected shaft 30 has at its radially outer end a spline 31 which
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in Keilnuten des Schaufelfußes 11 eingreift, so daß der Schaufelfuß um seine Achse 17 drehbar ist.engages in keyways of the blade root 11 so that the blade root can be rotated about its axis 17.
Die Keilverzahnung der Welle 30 weist eine größere axiale Länge auf, als zum Eingreifen in den Schaufelfuß
notwendig wäre, und greift auch in eine Sicherungsscheibe ein. Diese Sicherungsscheibe ist durch Teile 33 mit dem
inneren Lagerlaufring 26 verbunden, so daß ein Lösen der Schraubverbindung 27 verhindert wird. Ein Plansch 34 der
Welle 30 verhindert, daß die Schaufelfußkonstruktion
durch den äußeren Lagerlaufring hindurchfällt, wenn der Rotor feststeht. Im Betrieb bewirkt die auf die Schaufeln
wirkende Fliehkraft eine große, radial auswärts gerichtete Belastung auf die Lager und läßt die darin vorgesehenen
Lagerspielräume -verschwinden.The spline of the shaft 30 has a greater axial length than would be necessary for engaging the blade root, and also engages in a locking washer. This locking washer is connected to the inner bearing race 26 by parts 33, so that a loosening of the screw connection 27 is prevented. A splash 34 of the shaft 30 prevents the blade root structure
falls through the outer bearing race when the rotor is stationary. During operation, the centrifugal force acting on the blades causes a large, radially outwardly directed load on the bearings and makes the bearing clearances provided therein disappear.
Die Schaufelfüße 11 sind von einer Blechkonstruktion umgeben, von welcher ein Teil zusammen mit dem Gebläse umläuft und von welcher ein Teil feststehend ist.The blade roots 11 are surrounded by a sheet metal construction, a part of which rotates together with the fan and part of which is fixed.
In Fig. 2 ist eine Einbuchtung 12. angedeutet, die an der Stelle in die Blechkonstruktion 35 eingedrückt ist, an welcher der Zapfen 13 die Konstruktion 35 an der Schaufel festhält. Diese Blechkonstruktion bildet einen Teil derIn Fig. 2, an indentation 12 is indicated, which at the point is pressed into the sheet metal structure 35 at which the pin 13, the structure 35 on the blade holds on. This sheet metal construction forms part of the
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radial inneren Begrenzungsfläche des Propellerdüsenkanals 3· Die Schaufeln 10 sind jeweils mit einem Teil 36 versehen, welches eine zu große Schwenkbewegung der Schaufel um den Zapfen 13 herum verhindert, indem es am Schaufelfuß 11 anstößt. Diese Begrenzung der möglichen Schaufelschwenkbewegung verhindert, daß bei stationärem Gebläse eine Schaufel an benachbarten Maschinenteilen anstößt.radially inner boundary surface of the propeller nozzle channel 3 The blades 10 are each provided with a part 36, which results in too great a pivoting movement of the shovel around the Prevents pin 13 around by striking the blade root 11. This limitation of the possible blade pivoting movement prevents a blade from hitting adjacent machine parts when the fan is stationary.
Die Schaufeln des Gebläserads sind so verdreht, daß die Schaufelwölbungen und die Schränkungswinkel an verschiedenen Stellen entlang der Schaufeln verschiedene Werte aufweisen. Dadurch ist der Schaufelwirkungsgrad verbessert. Eine Folgewirkung dieser Schaufelverdrehung und der Tatsache, daß die Schwerelinien 37 nebeneinanderliegender Schaufeln radial nach außen divergieren, liegt darin, daß bei Drehung des Gebläserads die Fliehkraft die Schaufeln zu verbiegen sucht. Da die Schwerelinie einer Schaufel als Linie definiert ist, die durch die Flächenschwerpunkte aufeinanderfolgender Schaufelquerschnitte verläuft, wirkt die Fliehkraft so auf die Schaufel, daß sie ihre Schwerelinie bezüglich der Drehachse des Gebläserotors in radialer Richtung halten will.The blades of the impeller are twisted so that the blade curvatures and the angle of inclination at different Places along the blades have different values. This improves the blade efficiency. A consequence of this blade rotation and the fact that the lines of gravity 37 of adjacent blades diverge radially outward is that when the fan wheel rotates, the centrifugal force bends the blades seeks. Because the center of gravity of a shovel is defined as a line that is consecutive through the centroids of area Blade cross-sections runs, the centrifugal force acts on the blade that it is their center of gravity with respect to the Want to keep the axis of rotation of the fan rotor in the radial direction.
Bei einem Verstellpropeller, bei welchem zwei Schaufeln auf einem Schaufelfuß montiert sind, wird der Schaufel-With a controllable pitch propeller, in which two blades are mounted on a blade root, the blade is
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fuß zur Umkehr des Triebwerksschubs um annähernd 90° gedreht. Es ist daher ersichtlich, daß in der Vorwärtsschub-Stellung (Fig. 4) die radial äußeren Punkte 4l und 42 der Schwerelinien der Schaufeln 43 und 44 in einer Radialebene einen größeren Abstand voneinander haben als die entsprechenden Punkte und 46 an den Befestigungsstellen am Schaufelfuß. Die Schaufeln wollen daher eine Stellung einnehmen, in welcher eine durch die Punkte 42 und 46 verlaufende Linie durch die Achse 17 verläuft. In der in Fig. 5 dargestellten Rückwärtsschub-Stellung weisen die Punkte 41 und 42 der Schaufeln und 44 einen gegenseitigen Abstand voneinander in einer Axialebene auf, und die Punkte 42 und ,46 fluchten wieder miteinander. Der Pfeil A zwischen den Fig. 4 und 5 zeigt die Drehrichtung des Rotors an. Weil die Fliehkräfte von der Gebläseachse aus in radialer Richtung nach außen wirken, ist es klar, daß beim Fehlen einer gelenkigen Schaufelfußbefestigung wegen der Massenverteilung in den Schaufeln bei der Rückwärtsschub-Stellung eine beträchtliche Kraft auf jede Schaufel wirkt, welche sie um ihren Befestigungspunkt am Schaufelfuß herum zu biegen sucht. Diese Kraft ist bei fast allen Betriebsstellungen der Gebläseschaufeln vorhanden, aber sie ist am stärksten, wenn sich die Schaufeln in der Stellung befinden, in der sie axial miteinander fluchten. In der optimalen Rückwärtsschub-Stellung können die Schaufeln noch über die Stellung hinausfoot rotated by approximately 90 ° to reverse the engine thrust. It can therefore be seen that in the forward thrust position (Fig. 4) the radially outer points 41 and 42 of the gravity lines the blades 43 and 44 have a greater distance from one another in a radial plane than the corresponding points and 46 at the attachment points on the blade root. The blades therefore want to take a position in which a line passing through points 42 and 46 runs through axis 17. In the reverse thrust position shown in FIG the points 41 and 42 of the blades and 44 have a mutual distance from each other in one Axial plane, and points 42 and 46 are again aligned with one another. The arrow A between Figs. 4 and 5 shows the direction of rotation of the rotor. Because the centrifugal forces act radially outwards from the fan axis, it is clear that in the absence of an articulated blade root attachment because of the mass distribution in the blades in the backward thrust position, a considerable force acts on each blade trying to bend it about its attachment point on the blade root. These Force is present at almost all operating positions of the fan blades, but it is strongest when the blades are in the position in which they are axially aligned with one another. In the optimal backward thrust position the blades can still go beyond the position
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gedreht sein, in welcher sie axial miteinander fluchten.be rotated in which they are axially aligned with each other.
Durch Vorsehen einer gelenkigen Schaufelfußbefestigung, wobei die Achse des Gelenkzapfens senkrecht zur Gebläseachse verläuft, können die Schaufeln bei allen Betriebsstellungen sich in die Radialrichtung neigen, so daß die in den Schaufeln entstehenden Biegemomente auf ein Minimum verringert sind. Bei anderen Betriebsstellungen der Gebläseschaufeln ist das in Richtung der Zapfenachse wirkende Biegemoment verringert und die Spannung an der Befestigungsstelle ist beträchtlich vermindert.By providing an articulated blade root attachment, the axis of the pivot pin being perpendicular to the fan axis runs, the blades can incline in the radial direction in all operating positions, so that the in the Bending moments arising from blades are reduced to a minimum. At other operating positions of the fan blades the bending moment acting in the direction of the pin axis is reduced and the tension at the fastening point is reduced is considerably reduced.
Zusätzlich zur Erleichterung der Blattsteigungsverstellung vermindert die Anordnung jeweils zweier Schaufeln auf einem runden Schaufelfuß die Spannungswerte im Schaufelfuß durch Vergrößern seiner Querschnittsfläche, und auch die Spannungswerte in der Rotorscheibe werden vermindert, da die bei Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfüßen notwendigen V-Schlitze zur'Schaufelbefestigung vermieden sind.In addition to making it easier to adjust the pitch of the blade, the arrangement of two blades at a time reduces the number of blades on a round blade root the stress values in the blade root by increasing its cross-sectional area, and also the tension values in the rotor disk are reduced, as those required for fir-tree or dovetail feet V-slots for attaching the shovels are avoided.
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