DE2527313A1

DE2527313A1 - Stator fuer turbomaschinen

Info

Publication number: DE2527313A1
Application number: DE19752527313
Authority: DE
Inventors: Roger Louis Elysee Germain
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1975-06-19
Publication date: 1976-01-08
Also published as: FR2275651B1; DE2527313C3; DE2527313B2; IT1039059B; GB1507156A; NL176965B; US3997280A; NL176965C; FR2275651A1; NL7507301A; CA1018069A; BE829703A

Description

Patentanwalt

Dr. Hans Ulrich May

8 M ύ η γ n e η '2 2

j53^391 München, den 19. Juni 1975

B "Bif9T5T37PG Dr. M. /es

Societe Nationale d«Etude et de Construction de Moteurs d¹Aviation (SNECMA) in Paris/Frankreich.

Stator für Turbomaschinen.

Die Erfindung bezieht sich auf feststehende oder bewegliche axiale Turbomaschinen mit mehreren Stufen, beispielsweise auf Axialkompressoren für Strahlturbinen für Flugzeuge, und sie betrifft insbesondere den Aufbau und die Herstellung der Statoren für solche Maschinen.

Präziser ausgedrückt ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Stator für Turbomaschinen, insbesondere für mehrstufige Axialkompressoren, bei dem die feststehenden Schaufeln über periphere Ansatzstücke an einem Statorgehäuse befestigt sind.

Die Montage von mehrstufigen axialen Turbomaschinen und insbesondere von derartigen Kompressoren stellt wegen der gegenseitigen Verschachtelung der feststehenden Schaufeln und der beweglichen Schaufeln und der Notwendigkeit, den Rotor als erstes einzubauen, um ihn ausbuchten zu können, einen sehr komplexen Vorgang mit hohem Zeitaufwand dar.

Bei den bisher am häufigsten angewandten Lösungen für diese Aufgabe wird entweder so vorgegangen, daß das Statorgehäuse längs einer

509882/0396

Diametralebene zerlegbar ausgebildet wird und seine beiden Hälften vor ihrem Zusammenbau rund um den Rotor einzeln mit den feststehenden Schaufeln bestückt werden, oder daß das Statorgehäuse aus einer Reihe von Einzelabschnitten zusammengefügt wird; bei dieser zweiten Lösung wird nach der Bestückung des Rotors mit den beweglichen Schaufeln und anschließender Auswuchtung ein erster Abschnitt des Stators angebracht, sodann wird dieser Abschnitt mit den zugehörig gen feststehenden Schaufeln bestückt, anschließend wird ein weiterer Abschnitt des Stators angesetzt und mit Schaufeln bestückt, und so geht dies weiter fort, bis der Stator vollständig montiert ist.

Beide oben erwähnten Lösungen führen zu einer Gewichtserhöhung für das Statorgehäuse, im ersten Falle liegt dies an der Notwendigkeit, in der Trennebene der beiden Statorhälften starke Klammern anzubringen, um eine hinreichende Steifigkeit für die getrennten Statorhälf~ ten zu erhalten, während im zweiten Falle die zum Zusammenfügen der einzelnen Abschnitte des Stators erforderlichen Schraubflansche die Ursache für die Gewichtserhöhung sind. Außerdem führt die zweite Lösung zu einer Aufsummierung der Bearbeitungstoleranzen, so daß im Endergebnis aus Sicherheitsgründen das Spiel zwischen den feststehenden Schaufeln und den beweglichen Schaufeln der Turbomaschine vergrößert werden muß.

Zur Vereinfachung der Montage ist auch schon ins Auge gefaßt worden, die Statorgehäuse so aufzubauen, daß die feststehenden Schaufeln vom Gehäuseuaifang her eingeführt werden können. Diese dritte Lösung ist jedoch bisher offensichtlich nur bei sehr kleinen Maschinen mit einer nur geringen Anzahl von Stufen oder bei Maschinen angewandt worden, die zu den Rädern des Rotors koaxiale Statorscheiben aufweisen, und es ist bisher noch nicht erkannt worden, daß diese Lö-

509882/0396

simg die Verwendung von Statorgehäusen aus einem Stück ermöglicht, cl:le sich auch für Turbomaschinen mit einer großen Anzahl von Stufen aicfiian, wobei gleichzeitig eine große Montageerleichterung für den Gesamtaufbau und eine bequeme Überwachung der Stellung und des Zu-Standes der Schaufeln möglich werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stator der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sich eine Turbomaschine und insbesondere ein Axialkompressor mit mehreren Stufen ergibt, bei der sich der Einbau der Schaufeln und die Montage des Rotors leicht, rasch und sicher vornehmen lassen, und daß ein Statorgehäuse für Turbomaschinen mit mehreren Stufen entsteht, das aus einem Stück besteht und bis auf die Stirnseiten der Endflansche frei ist von Verbindungsebenen, sich also bei gleicher Steifigkeit erheblich leichter bauen läßt als die bisher bekannten Statorgehäuse und dessen Herstellung nur viel kürzere und Aveniger aufwendige Bearbeitungsvorgänge erfordert, als sie bei der Fertigung der bisher bekannten Statorgehäuse für Turbomaschinen erforderlich sind.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Statorgehäuse aus einer Aufeinanderfolge ringförmiger, zylindrischer und zu einander koaxialer Teilabschnitte besteht, zwischen denen ringförmige Zwischenräume für den Durchgang und die Führung der Ansatzstücke für die. feststehenden Schaufeln vorgesehen sind und die fest mit angrenzenden, kranzförmigen Bundringen oder Flanschen verbunden sind, die ihrerseits über längsgerichtete Radialrippen fest miteinander verbunden sind.

Das Gehäuse des erfindungsgemäß ausgebildeten Stators zeigt somit eine Käfigläuferstruktur, bei der es sehr leicht ist, die feststehenden Schaufeln von außen her an Ort und Stelle zu bringen, indem

509882/0396

die Ansatzstücke der Schaufeln in die ringförmigen Zwischenräume eingeführt werden. Die Verbindung mindestens eines Teils der Teilabschnitte, der Bundringe und der Flansche sowie der Radialrippen wird durch Vergießen oder Verschweißen vorgenommen.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele für den Bau eines Statorgehäuses für einen Axialkompressor mit mehreren Stufen dargestellt sind; im einzelnen zeigen:

- Fig. 1 einen Axialkompressor mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Stator in einem schematisch gehaltenen axialen Teilschnitt;

- Fig. 2 einen in größerem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch

die Darstellung in Fig. 1 entlang der Schnittebene A-A in Fig. 1;

- Fig. 3 einen im gleichen Maßstab wie Fig. 2 gehaltenen Teilschnitt

durch die Darstellung von Fig. 2 entlang der Schnittebene B-B in Fig. 2;

- Fig. 4 eine Ausführungsvariante mit von den vorstehenden Beispielen abweichender Art der Befestigung der Schaufeln und

- Fig» 5 und 6 noch eine Ausführungsvariante für die Befestigung

der Schaufeln in zwei senkrecht zueinander geführten Teilschnitten.

Der in Fig. 1 als Beispiel gezeigte und mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Stator versehene Kompressor besitzt sechs Stufen. Die Darstellung der Nabe 11 und der beweglichen Schaufeln 12 des Rotors 10 dieses Kompressors ist in Fig. 1 sehr schematisch und summarisch gehalten, und ebenso erübrigt sich eine nähere Beschreibung dieser Bauteile des Kompressors für das Verständnis der Erfindung,

509882/0396

Das Statorgehäuse 20 des dargestellten Kompressors besteht aus einer Aufeinanderfolge von ringförmigen Teilabschnitten, nämlich Endabschnitten 31 und Zwischenabschnitten 30, die sämtlich koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen ringförmige Zwischenräume für den Durchgang und die Montage der feststehenden Schaufeln 40 vorgesehen sind. Die ringförmigen Zvvischenabschnitte 30 sind fest mit peripheren Bundriiigen 70 von kranzförmiger Ausbildung verbunden, während die Bnäabschnitte 31 eine feste Verbindtmg mit Endflanschen 71 von ebenfalls kranzförmiger Ausbildung aufweisen. Die Endflansche 71 und die Bundringe 70 haben sämtlich den gleichen Außendurchmesser, und das Statorgehäuse 20 umschließt als Ganzes einen zylindrischen Raum. Jeder der Bundringe 70 und der Endflansche 71 ist mit den benachbarten Bundringen 70 oder Endflanschen 71 über eine Mehrzahl von längsgerichteten Radialrippen 80 verbunden, und das Statorgehäuse 20 als Ganzes stellt auf diese Weise eine ringförmige Zylinderstruktur nach Art eines Käfigläufers dar. Das gesamte Statorge- ■ häuse 20 oder einige seiner Stufen, wie beispielsweise die Hochdruckstufen, sind vorzugsweise mit einer äußeren Hülle 94 umgeben, die eine zusätzliche Abdichtung der gesamten Turbomaschine nach außen hin gewährleistet.

Für die ins einzelne gehende Erläuterung des Aufbaus des Statorgehäuses 20 und insbesondere seiner Montage und der Befestigung der feststehenden Schaufeln 40 des Stators in den Zwischenräumen zwischen den ringförmigen Teilabschnitten, also in den Zwischenabschnitten 30 untereinander oder den Zwischenabschnitten 30 und den Endabschnitten 31 wird im folgenden außer auf die Darstellung in Pig. 1 auch auf die Darstellung in Fig. 2 und 3 Bezug genommen.

Am AußenumPaag der ringförmigen Abschnitte 30 und 31 sind zylindri-

sehe Lagerschalen 32 (Pig. 3) vorgesehen, auf denen sich über Schultern 51 von Kreisbogenforra mit dem Radius der zylindrischen Lagerschalen 32 gleichem Radius Ansatzstücke 50 für die feststehenden Schaufeln 40 abstützen» die von außen eingeführt und an die Lagerschalen 32 durch ein Spannband 92 angedrückt werden, das jeweils die Ansatzstücke 50 aller feststehenden Schaufeln 40 ein- und derselben Stufe des Kompressors umgibt. Die Ansatzstücke 50 weisen dabei zweierlei Teile auf, nämlich periphere Abschnitte 52, die im wesentlichen durch die Schultern 51 zu beiden Seiten der ringförmigen Zwischenräume zwischen den Teilabschnitten 30 und 31 begrenzt werden und Führungen 53, die in diese Zwischenräume eingeschoben sind. Die Höhe der Führungen 53 wird so festgelegt, daß ihre Innenseiten, welche die Schaufelblätter 60 der feststehenden Schaufeln 40 tragen, auf gleicher Höhe mit der durch die Innenbohrungen der Teilabschnitte 30 und 31 begrenzten Wandung zu liegen kommen.

Die Dichtigkeit für die Montage der feststehenden Schaufeln 40 wird durch Dichtungen 91 (Fig. 2) gewährleistet, welche die Führungen 53 einschließen, wobei sie einerseits zwischen die Schultern 51 und die Lagerschalen 32 und andererseits zwischen nach einer Seite hin tangential über die Abschnitte 52 hinaus stehende Nasen 54 (Fig. 3) und ebenfalls tangential, jedoch nach entgegengesetzter Richtung über die Führungen 53 hinausstehende Nasen 55 zu liegen kommen.

Die Radialrippen 80 weisen im Querschnitt die Form eines Y, dessen Schaft 81 in einer Axialebene liegt. Diese Form verleiht der Käfigläufer struktur des Statorgehäuses 20 eine ausgezeichnete Steifigkeit gegen Torsion. Die Arme 82 des Y der Rippen 80 besitzen abgeflachte Enden 83, die über den Außenumriß der Bundringe 70 und der Endflansche 71 hinausstehen, wodurch es möglich wird, rund um das

509882/0396

-κ

gesamte Statorgehäuse 20 oder um dessen Hochdruclcstufen die Hülle 94 anzuordnen, die eine Verbesserung der Abdichtung und nötigenfalls auch der Schallisolierung ergibt.

In den jeweils den Schaft 81 des Y bildenden Teilen der Radialrippen 80 sind öffnungen 84 (Fig. 2) vorgesehen, die eine Einführung der Ansatzstücke 50 in die ringförmigen Zwischenräume auf der Höhe äer Eadialrippen 80 ermöglichen.

Die Außenseiten 56 der Ansatzstücke 50 sind gewölbt ausgeführt. Außerdem sind unterseitig stark gewölbte periphere Nuten 57 (Pig· 3) vorgesehen, die als Führung für die Spannbänder 92 dienen, die sich mit Hilfe von in der Zeichnung nicht näher dargestellten Schrauben zusammenziehen lassen, die eine gegenseitige Annäherung von an den Enden der Spannbänder 92 vorgesehenen Spannflanschen 93 bewirken. In Fig. 3 ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich ein einziges Spannband 92 gezeigt.

Selbstverständlich ist die Erfindung hinsichtlich der Befestigung der feststehenden Schaufeln 40 nicht auf die oben beschriebenen Hilfsmi 11el beschränkt.

So kann anstelle der Spannbänder 92 auch eine andere Spanneinrichtung ude beispielsweise eine Gelenkkette (Fig. 4) nach Art einer Fahrradkette oder auch ein System von Spannkeilen (Fig. 5 und 6) zum Einsatz kommen.

Für den Fall einer Gelenkkette wird die Anzahl der einzelnen Glieder der in Fig. 4 in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 100 gezeichneten Kette mit Vorteil gleich dem Einfachen oder einem Mehrfachen der Anzahl der Schaufeln 40 bemessen. Angemerkt sei dazu noch, daß die Montage einer Gelenkkette einfacher ist als die eines

509882/0396

Spannbandes und daß eine solche Gelenkkette trotz willkürlicher Abweichungen in der Dicke der Ansatzstücke 50 eine homogenere Ausübung noch größerer Kräfte auf die Schaufeln 40 ermöglicht.

Bei einer Festlegung der Schaufeln 40 mit Hilfe von Spannkeilen kann jeder dieser Spannkeile so eingesetzt werden, daß er gleichzeitig mehrere Schaufeln oder aber nur eine einsige Schaufel festlegt. Eine derartige Festlegung der Schaufeln 40 mit Hilfe von Spannkeilen ist in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, wobei die Darstellung in Fig. 5 einen Diametralschnitt und die Darstellung in Fig. 6 einen Axialschnitt entlang der Schnittlinie C-C in Fig. 5 wiedergibt. Bei dieser Befestigungsart wird jedes Ansatzstück 50 einer Schaufel 40 durch einen eigenen Spannkeil 95 mit geringer Steigung befestigt, der zwischen dem jeweiligen Ansatzstück 50 und einer Platte 96 eingezwängt wird, die ihrerseits in zwei Ringnuten 97 eingreift. Diese Platte 96 kann aus nachgiebigem, niedrig gekohltem Stahl mit hoher Dehnung bestehen, was eine Verminderung der erforderlichen Fertigungstoleranzen ermöglicht, da bsi der Montage die Elastizitätsgrenze überschritten werden kann. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel vollzieht sich die Montage im üJirzeigersinn von links nach rechts, wobei jeder Spannkeil 95 jeweils durch das auf seiner rechten Seite befindliche Ansatzstück 50, also das Ansatzstück 50 der unmittelbar danach montierten Schaufel 40 festgehalten wird. Die in Fig. 6 mit der Bezugszahl 98 bezeichnete Schaufel ist die als letzte zu montierende,und für diese Schaufel ist kein Spannkeil 95, sondern ein anderes Spannelement wie beispielsweise eine Schraube 99 vorgesehen.

Nunmehr sollen noch einige Hinweise für die Herstellung und die Montage einer Turbomaschine mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten

509882/0396

Stator gegeben werden.

Das Statorgehäuse 20 kann durch Verschraubung von ringförmigen Abschnitten aufgebaut werden, deren Montageebenen beispielsweise durch die diametralen Mittelebenen der Bundringe 70 hindurchgehen, wobei diese Abschnitte selbst durch Guß oder Schweißarbeit hergestellt werden. Jedoch liegt es auf der Hand, daß die Struktur des erfindungsgemäß ausgebildeten Statorgehäuses 20 sich in hohem Maße für eine Fertigung der einzelnen Abschnitte oder sogar des ganzen Gehäuses aus einem Stück beispielsweise durch Guß, durch Schweißung oder auch durch Verschweißung von gegossenen Untereinheiten eignet·

Gleichgültig, welche der oben erwähnten Lösungen gewählt wird, wird anschließend das zusammengebaute Gehäuse durch Drehen bearbeitet, wobei in einem einzigen Drehvorgang der Außenumfang der Bundringe 70 und der Endflansche 71» die Innenseite der ringförmigen Abschnitte 30 und 31 (Fig. 1) und der zylindrischen. Lagerschalen (Pig· 3) sowie die ebenen Flächen der Abschnitte bearbeitet werden, welche die ringförmigen Durchlässe für die Montage der Schaufeln 40 begrenzen. Die erfindungsgemäße Alis bildung des Statorgehäuses 20 ermöglicht daher eine einfache und rasche Bearbeitung. Bei der Montage des Kompressors wird damit begonnen, daß der mit seinen Schauin

fein 12 versehene Rotor 10/das Statorgehäuse 20 eingeführt wird,sodann werden die mit den Dichtungen 91 versehenen feststehenden Schaufeln 40 durch die von den Bundringen 70, den Endflanschen 71 und den Radialrippen 80 begrenzten Zwischenräume hindurch eingeführt. Die Hontage der Schaufeln 40 gestaltet sich dank der Zugänglichkeit der Durchlässe zwischen den Lagerschalen 32 sehr einfach. Als letzter Schritt wird dann die äußere Hülle 94 aufgebracht und festgelegt»

509882/0396

Besondere Hervorhebung verdient noch,

~ daß die Schaufeln 40 in durch Schweißung oder Guß zusammengefügten Gruppen montiert werden können,

- daß die Montage der feststehenden Schaufeln in den verschiedenen Stufen des Kompressors in beliebiger Reihenfolge vorgenommen -werden kann,

- daß das Spiel zwischen den Ansatzstücken 50 in ein- und derselben Stufe leicht verteilt werden kann,

- daß sich die Montage auch der letzten Schaufel 40 einer Stufe ohne Schwierigkeit vornehmen läßt, indem diese Schaufel 40 unter Einführung der Führungsnase 55 an ihrem Ansatzstück 50 unter der Nase 54 des benachbarten Abschnitts 52 eingeschoben wird und anschließend die Lage dieser Schaufel 40 so berichtigt wird, daß die Führungsnase 54 auf die Führungsnase 55 der benachbarten Schaufel 40 zu liegen kommt,

- daß sich die Dichtigkeit ohne weiteres durch eine passende Ein~ stellung der Spannbänder 92, der Spannkette! 100 oder der Spannkeile 95 gewährleisten läßt,

- daß die Überwachung von Leckverlusten und die Feststellung der Lage undichter Stellen in hohem Maße dadurch vereinfacht wird, daß die Abschnitte 30 und 31 zusammen mit den Bundringen 70 und den Endflanschen 71 getrennte Räume bilden,

- daß sich das axiale Spiel zwischen den beweglichen Schaufeln 12 und den feststehenden Schaufeln 40 während des gesamten Montagevorgangs, ohne jede Schwierigkeit messen läßt und

- daß eine Untersuchung des Zustandes einer Stufe der feststehenden oder der beweglichen Schaufeln im Zuge einer Revision nur eine teilweise demontage ohne die Notwendigkeit eines Ausbaus des Rotors 10 verlangt.

509882/0396

Claims

"^~ 2127313

Patentansprüche

1 Λ :;-V-^CO?? für Turboniaschinen, insbesondere für mehrstufige Axiall'.oiiwei;;:7;.»Q. * bei derr; die faststehenden Schaufeln über periphere Ar-S-:'i'tstüclze. ?>ώ. einem Statorgehäuse befestigt sind, dadurch g e - Y ο η :a a e i c h η e ΐ _r, daß das Statorgehäuse (20) aus einer Aufeinanderfolge von ringförmigen, zylindrisehen νχιά sueinander koaxialen Teilabschnitten (30,31) besteht, zwischen denen ringförmige Zwischenräume für den Durchgang und die Führung der Ansatzstücke (50) für die feststehenden Schaufeln (40) vorgesehen sind, und die fest mit angrenzenden, kranzförmigen Bundringen (70) oder Flanschen ■,71) verbunden sind» die ihrerseits über längsgerichtete Radialrip« pen (80) fest miteinander verbunden sind«

£, stator nach Anspruch 1_P dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindr:i:-j ninöestens eine«? Teils der ringförmigen Teilabschnitte (30,31), dar Biv-idrincte (70} _t de:*.· Plansche (71} und der Radialr-ippan (80) d'trooh Vergiiß oder- Verschweißuvio- vOrgenommen ist,

S. Stator nach Anspruch 1 oder ?._t dadurch gekennzeichnet, daß die /uiscitzstücke (50) der feststehenden schaufeln (40) jedes einen pe·- ripheren Abschnitt (52) aufweisen, der erheblich breiter ist als der entsprechende Zwischenraum zwischen den Teilabschnitten (30,31) und unter der Einwirkung einer zentripetal gerichteten Spanneinrichtung (92,95*100) mit seinen Rändern an den Rändern der den jev/eiligen ringförmigen Zwischenraum begrenzenden Teilabschnitte (30, 31; zur Anlage lcoiiimt.

4* Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann einrichtung aus jeweils die Ansatzstücke (50) der feststehenden

509882/G396

Schaufeln (40) einer Stufe umgebenden Spannbändem (92) besteht.

5. Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung aus jeweils die Ansatzstücke (50) der feststehenden Schaufeln (40) einer Stufe umgebenden Spannketten (100) besteht.

6. Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung aus einem Satz von Spannkeilen (95) und die Ansatzstücke (50) der feststehenden Schaufeln (40) einer Stufe umgebenden Platten (96) besteht.

7. Stator nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abschnitt (52) des Fußstücks (50) jeder feststehenden Schaufel (40) einerseits und die Enden der ringförmigen Teilabschnitte (30,31), an denen dieser Abschnitt (52) zur Anlage kommt, andererseits das Fußstück (50) zwischen sich einschließende Dichtungen (91) eingefügt sind.

8. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Radialrippen (80) öffnungen (84) für das Einschieben der Fußstücke (50) der feststehenden Schaufein (40) in die ringförmigen Zwischenräume zwischen den Teilabschnitten (30,31) an der Stelle der Radialrippen (80) enthalten,

9. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialrippen (80) im Querschnitt jeweils die Form eines Y aufweisen, dessen Schaft (81) auf die Achse der Turbomaschine zu gerichtet ist und dessen Arme (82) nach dem Außenumfang des Statorgehäuses (20) zu zeigen,

10. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Bundringe (70) oder der Flansche (71) in eine zylindrische äußere Hülle (94) eingeschoben ist.

509882/0396