DE2644066C2

DE2644066C2 - Beschaufelung für eine Strömungsarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE2644066C2
Application number: DE2644066A
Authority: DE
Inventors: Eric Anthony Cincinnati Ohio Young
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1986-04-24
Also published as: JPS5253398A; US4022540A; JPS6014887B2; GB1556209A; FR2326603B1; FR2326603A1; DE2644066A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaufelung für eine Strömungsarbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Beschaufelung ist aus der GB-PS13 69 229 bekannt

In Turbogebläsetriebwerken, weiche abwechselnde Stufen von Leit- und Laufschaufeln aufweisen, ist es erwünscht, die Stufen mit relativ geringem Abstand in der axialen Richtung anzuordnen, um die Länge des Tribwerkes gering zu halten. Dies gilt besonders dann, wenn eine Anzahl von Stufen und damit eine Vielzahl von Abständen in axialer Richtung vorhanden sind.

Die Bemühungen zur Verringerung des axialen Abstandes werden jedoch eingeschränkt durch die erforderliche Laufschaufelverbiegung unter Verhältnissen, bei denen Fremdobjekte, beispielsweise Vögel und Eisstücke, in den Hauptluftstrom eingesaugt werden können. Da diese Belastungen durch eingesaugte Fremdkörper im allgemeinen sowohl eine Umfangs- als auch eine axiale Kraftkomponente auf die Laufschaufeln ausüben, muß ein axialer Spielraum vorgesehen werden, welcher zu einer vergrößerten Triebwerkslänge und vergrößertem Triebwerksgewicht führt, da sonst eine gegenseitige Störung zwischen den Leit- und Laufschaufeln auftritt. Wenn diese zugelassen wird, dann kann der Aufprall zwischen diesen Elementen eine beträchtliche Beschädigung an der Rotor- und Statorbeschaufelung zur Folge haben, woraus möglicherweise noch eine sekundäre Beschädigung in Folge des Durchtrittes von angetrennten Teilen durch das System resultiert

Besonders anfällig für diese Erscheinung ist ein mehrstufiges Gebläse mit mehreren stromaufwärtigen Einlaßleitschaufeln zur Steuerung der Richtung und möglicherweise des Volumens des Luftstroms, welcher in das System eintritt. Beim Eindringen oder Einsaugen eines Fremdkörpers besitzen die Rotorschaufeln der ersten Stufe eine Neigung zur Ausbiegung nach vorne und dies bewirkt, daß sie auf den stromabwärtigen Teil der stationären Einlaßleitschaufel aufschlagen. Der Aufprall kann zu einer beträchtlichen Beschädigung an der Rotorlaufschaufel führen. In diesem Falle müßte das Triebwerk stillgelegt werden wegen des Unwuchtproblems oder alternativ hierzu kann eine beträchtliche Beschädigung an der Einlaßleitschaufel verursacht werden. Somit werden die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad dieses Schaufelteils verkleinert In jedem PaIIe ist es wahrscheinlich, daß große Stücke entweder der Laufschaufel oder der Einlaßleitschaufel durch das System

ίο schleudern und eine wesentliche sekundäre Beschädigung an dem stromabwärtigen Teil des Systems verursachen.

Die Probleme durch eindringende Fremdkörper werfen noch stärker ausgeprägt bei Flugzeugen, die zum Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten und in niedrigen Höhen ausgelegt sind, wo sie einer großen Anzahl von Fremdkörpern begegnen können. Wenn ein ausreichender axialer Spielraum vorgesehen ist, um eine Auslenkung der Laufschaufeln zuzulassen, dann kann die hierdurch verursachte Vergrößerung der Triebwerkslänge und des Triebwerkgewichtes unannehmbar werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Beschaufelung für eine Strömungsarbeitsmaschine mit einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber Beschädigungen durch Fremdkörper zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einem Aufprall eines angesaugten Fremdkörpers das zerbrechliche Schaufelteil in kleinen Teilen abbrechen kann. Wenn also zwischen den Schaufeln eine relative Deformation und ein daraus resultierender Aufprall auftritt, werden eine beträchtliche Beschädigung an einem der beiden Schaufelteiie selbst und/oder wesentliche sekundäre Begnadigungen am stromabwärtigen System vermieden. Auf diese Weise ergibt sich nur eine geringe oder keine Beschädigung an der Laufschaufel und nur ein sehr kleiner Teil der Ein-Iaßleitschaufel wird entfernt, so daß der übrige Teil derselben weiterhin in ausreichendem Maße als Schaufel wirkt und die abgebrochenen Stücke durch das stromabwärtige System hindurch treten können, ohne daß dieses dadurch wesentlich beschädigt werden könnte.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
F i g. 1 ?eigt eine Teilschnittansicht eines Turbogebläsetriebwerkes mit einer Beschaufelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig.2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer Einlaßleitschaufel.
F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 derFig.2.

F i g. 1 zeigt ein Turbogebläsetriebwerk 10, das einen Gebläsekanal zur Leitung des Lbftstroms in Richtung der Pfeile in an sich bekannter Weise enthält. Der Kanal ist teilweise begrenzt durch einen ringförmigen vorderen Gebläserahmen 11 und ein Gebläsestatorgehäuse 12, wobei diese Teile strömungsmäßig in Reihe miteinander verbunden sind zur Bildung der Außenseite des Kanals. Die radial innere Begrenzung des Kanals i.st teilweise gebildet durch die Reihenverbindung eines konischen Mittelkörpers 13, einer Nabe 14, des Hiillenklappenrings 16 und der Scheiben 17 und 18 für die Stufe 1 bzw. die Stufe 2. Der Mittelkörper 13 ist mit dem vorderen Teil der Nabe 14 über eine Anzahl von

Schrauben verbunden und der rückwärtige Teil der Nabe 14 ist mit dem Hüllenklappenring 16 und einem Lagergehäuse 21 mittels Schrauben 22 verbunden. An der Gebläsescheibe 17 der ersten Stufe sind mittels Schrauben 26 und 27 ein vorderer bzw. rückwärtiger Wellenstumpf 23 bzw. 24 befestigt und die Scheibe 18 der Stufe 2 ist an dem rückwärtigen Ende derselben mit Schrauben 28 befestigt

Im Inneren des Gebläsekanals befinden sich mehrere radiale Streben ~J zur Verbindung des vorderen Gebläserahmens 11 und der Nabe 14. Diese Streben 29 sind in axialer Richtung starr ausgerichtet, so daß sie für eine maximale Abstützung sorgen und gleichzeitig einen möglichst kleinen Luftwiderstand für den Luftstrom bilden.

Unmittelbar stromabwärts von den Streben 29 befindet sich eine über den Umfang beabstandete Reihe von Gebläsestatoreinlaßleitschaufeln welche dazu dienen, die Luft in die gewünschte Richtung zu leiten und auf diese Weise einen maximalen Wirkungsgrad der stromabwärts davon angeordneten Gebläselaufschaufeln zu erhalten. Die Leitschaufeln 31 sind auf radialen Achsen mit Hilfe von äußeren und inneren Zapfen 32 und 33 befestigt.

Unmittelbar stromabwärts von den Leitschaufeln 31 befindet sich eine Reihe mit Umfangsabstand angeordneten im wesentlichen radialen verlaufenden Gebläselaufschaufeln 39, die an ihren inneren Enden mit Hilfe von Laufschaufelbefestigungen 41 und 42 in an sich bekannter Weise starr an einer Scheibe 17 befestigt sind. An dem radial äußeren Ende jeder Laufschaufel 39 befindet sich eine Dichtung 43, welche im Eingriff ist mit einer Bienenwaben- oder Wabenstruktur 44 im Innern des Gebläsestatorgehäuses, um eine Abdichtung zwischen diesen beiden Teilen zu erhalten. Im normalen Betrieb werden die Scheibe 17 und die daran befestigten Laufschaufeln 39 mit einer hohen Drehzahl gedreht, um Luft du rc'¹ den Kanal zu pumpen, wobei die Laufschaufeln ihre allgemein radiale Lage nach F i g. 1 beibehalten. Während nicht normaler Betriebsperioden wird eine Deformation der Laufschaufeln nach vorn bewirkt, wie dies durch die gestrichelte Linie in F i g. 1 gezeigt ist und noch nachstehend ausführlicher beschrieben wird.

Unmittelbar s;romabwärts von den Laufschaufeln 39 der ersten Stufe ist die erste Stufe der Gebläsestatorleitschaufeln 46 angeordnet, welche an dem Gebläsestatorgehäuse in konventioneller Weise befestigt sind und sich radial nach innen iiber den Kanal erstrecken, um die Richtung des Luftstroms zu ändern. Das radial innere Ende ist an einem Ring 47 befestigt, wobei in bekannter Weise eine Dichtung 48 zwischen die Leitschaufeln und die Scheibe 18 der Stufe 2 eingefügt ist.

Der Aufbau der Leitschaufeln 31 ist aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich. Sie enthält einen Hauptschaufelteil 49 mit einer Eintrittskante 51 und einer Austrittskante 52, und an ihrem äußeren und inneren Ende sind die Zapfen 32 bzw. 33 zur selektiven Drehung um die Achse starr befestigt, welche durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. An der radial äußeren Ecke der stromabwärtigen Kante der Leitschaufel verjüngt sich der Hauptschaufelteil 49, der vorzugsweise aus einem Metallmaterial hergestellt wird, zu einer schneidenförmigen Fläche

53 zur Erleichterung der Befestigung eines Schaufelteils

54 an der Ecke der Schaufel. Der Schaufelteil 54 ist auT einem Verbundmateiial gebildet, beispielsweise Graphit-Epoxid oder dergleichen und ist an dem Hauptschaufelteil 49 befestigt zur Vervollständigung der gewünschten Stromlinit.irorm der Strebe. Der Schaufel teil 54 vvird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß ein Paar von Schichten 56 und 57 in symmetrischer Form so miteinander verbunden werden, daß die vorderen Kanten eine V-förmige Nut 58 bilden, welche über die schneidenförmige Oberfläche 53 der Austrittskante dec Hauptschaufelteils paßt und mit derselben mittels eines Klebers oder auf ähnliche Weise starr verbunden wird.

Im Betrieb kann ein Fremdkörper, beispielsweise ein Vogel oder ein Eisstück, in den Luftstrom des Kanals

to eingesaugt werden und die Gebläselaufschaufeln 39 können dabei so belastet werden, daß sie sich gemäß der Darstellung durch die gestrichelten Linien in F i g. 1 nach vorne deformieren und hierdurch ein Zusammentreffen mit der Austrittskante der Leitschaufeln 31 ver- ursacht wird. Wenn dies geschieht dann schlägt die Eintrittskante der Laufschaufehl 39 gegen den als Verbundkörper gestalteten Schaufelteil 54 und derselbe neigt dazu abzubrechen und sich durch das System zu bewegen. Es wird bevorzugt, daß der i^chaufelteil 54 in klei- nere Stücke zerbricht, so daß er stromabwärts keine sekundäre Beschädigung auslöst Wenn jedoch der gesamte Schaufelteil 54 in einem Stück abbricht, wird er anschließend in kleinere relativ harmlose Stücke zerbrochen. Nach dem Abbrechen wird der Hauptschaufel- teil 49 der Leitschaufel 31 intakt bleiben und weiterhin die Funktion eines relativ wirksamen Tragflügelprofüs erfüllen und die rotierenden Gebläseschaufeln 39 werden weiter ihre Funktion ausführen, ohne daß an ihnen eine Beschädigung auftritt

Die beschriebene Leitschaufel sorgt für eine Gewichtsverringerung der Leitschaufel selbst Noch wichtiger ist jedoch, daß sie ein kürzeres und damit leichteres und billigeres Triebwerk ermöglicht Die Leitschaufel verringert weiterhin die ursprüngliche und sekundäre Beschädigung als Ergebnis des Eindringens irgendeines größeren Fremdkörpers und verringert die Notwendigkeit für eine Reparatur und vereinfacht dieselbe.

Obwohl die Zwischenverbindung zwischen dem Hauptschaufelteil 49 und dem Schaufelteil 54 an der Ecke hier in Form einer einfachen Verbindung von zwei Oberflächen beschrieben wurde, können auch alternative oder zusätzliche Verfahren zur Verbindung dieser beiden Abschnitte miteinander verwendet werden. Beispielsweise kann eine Textilfaser um die gesamte Kom- bination gelegt und dann mit der Leitschaufel verbunden werden, um auf diese Weise die Festigkeit der Kombination zu erhöhen. Bei dieser Ausgestaltung kann das Verbundteil immer noch leicht abgebrochen werden, wobei dann die Textilfaser auf dem verbleibenden Teil

so zurückbleibt und keine Störung des normalen Betriebs des Systems bewirkt

Anstelle einer Leitschaufel mit einem Verbundteil an der Austrittskarte kann auch beispielsweise die Eintrittskante der Gebläselaufschaufeln bevorzugterwe«se aus einem Verbundmateria! bestehen, das beim Aufprall abbricht. Ein Nachteil dieses Ausführungsbeispiels besteht höchstens darin, daß der Verlust eines Teils der rotierenden Gebläselaufschaufel eine Unwucht in dem System bewirkt und möglicherweise ein Stillsetzen des Triebwerks erfordert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Verbundabschnitt entweder an einer Statorleitschaufel oder an einer rotierenden Laufschaufel eines Verdichters angebracht werden, wenn diese Schaufeln sich gegenseitig berühren können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beschaufelung für eine Strömungsarbeitsmaschine, z. B. für ein Turbogebläse eines Strahltriebwerks, bei dem die Schaufeln durch angesaugte Fremdkörper gegeneinander schlagen und abbrechen können, dadurch gekennzeichnet, daß an einem metallischen Schaufelteil (49) ein zerbrechliches Schaufelteil (54) angeordnet ist, das sich vom Schaufelteil (49) beim Aufprall einer benachbarten Schaufel (39) trennt

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das zerbrechliche Schaufelteil (49) aufweisende Leitschaufel (31) stromaufwärts von der benachbarten Schaufel (39) angeordnet ist und das zerbrechliche Schaufelteil (54) einen radial äußeren und hinteren Schaufelteil (49) bildet

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai? das zerbrechliche Schaufelte·! (54) ein Fasern enthaltendes Verbundmaterial aufweist

4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Schaufelteil (49) beträchtlich größer ist als da£ zerbrechliche Schaufelteil (54).