DE3400835A1

DE3400835A1 - Rotor wheel for turbo-engines

Info

Publication number: DE3400835A1
Application number: DE19843400835
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 6393 Wehrheim Domes
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1984-01-12
Filing date: 1984-01-12
Publication date: 1985-07-18
Also published as: DE3400835C2

Abstract

A rotor wheel (1) for turbo-engines, especially a turbine or compressor rotor wheel for gas turbines or exhaust turbochargers with a concentrically arranged hub bore (2) is proposed, in which the bore (2) has a recess (6) in an area of increased stressing of the component. The differing local stresses of the hub bore (2) occurring in operation, especially in the case of rotor wheels with cross-sectional structure declining in a radial direction, can thereby be evened out, which leads to an increase of the service life even with higher operating speeds. <IMAGE>

Description

Laufrad für Turbomaschinen Turbomachine impeller

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für Turbomaschinen, insbesondere auf ein Turbinen- oder Verdichterlaufrad für Gasturbinen oder Abgasturbolader, mit einer zentrisch angeordneten Nabenbohrung. Die zentrisch angeordnete Nabenbohrung dient beispielsweise zur Rindurchführung von Zugankern zur Halterung eines Rotorverbandes eines Gasturbinentriebwerks.The invention relates to an impeller for turbo machines, in particular on a turbine or compressor impeller for gas turbines or exhaust gas turbochargers, with a centrally arranged hub bore. The centrally arranged hub bore is used, for example, to feed through tie rods to hold a rotor assembly of a gas turbine engine.

Laufräder von Turbomaschinen sind im Betrieb aufgrund der sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten erheblichen Belastungen insbesondere im Bereich der Nabenbohrung ausgesetzt.Turbomachine impellers are in operation because of the very high Circumferential speeds considerable loads, especially in the area of the hub bore exposed.

Ublicherweise ist daher der Nabenbereich des Laufrades wesentlich breiter ausgebildet als die sich daran anschließenden radialen Bereiche des Laufrades, um insbesondere Fliehkraftbeanspruchungen standhalten zu können.The hub area of the impeller is therefore usually essential wider than the adjoining radial areas of the impeller, in order to be able to withstand centrifugal forces in particular.

Aufgrund der unterschiedlichen radialen Querschnittsstruktur des Laufrades ist allerdings der Umgebungsbereich der Bohrung unterschiedlichen Beanspruchungen ausgesetzt. Dies führt z. B. zu ungleichmäßigen Spannungsverteilungen mit einem Spannungsmaximum an einer bestimmten Stelle der Bohrung. Bei symmetrisch gestalteten Laufrädern mit einem sich in radialer Richtung verjüngendem Querschnittsprofil ist beispielsweise die Bohrung im Bereich der Symmetrieebene des Laufrades am höchsten beansprucht, so daß der Nabenbereich im Hinolick auf dieses Belastungsinaximum auszulegen ist bzw. die Betriebsdrehzahl des Laufrades durch das Belastungsmaximum begrenzt ist.Due to the different radial cross-sectional structure of the impeller However, the area around the borehole is subject to different stresses exposed. This leads e.g. B. to uneven voltage distributions with a Stress maximum at a certain point in the hole. With symmetrically designed Impellers with a cross-sectional profile tapering in the radial direction is For example, the hole in the area of the plane of symmetry of the impeller is highest claimed so that the Hub area in the Hinolick to this maximum load is to be interpreted or the operating speed of the impeller by the maximum load is limited.

Es ist somit Aufgabe der vorlieyenden Erfindung, diese Nachteile zu verringern und ein Laufrad der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten die hierbei auftretenden ungünstigen Bauteilbeanspruchungen in der Nabenbohrung verringert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bohrung in einem Bereich erhöhter Festigkeitsbeanspruchung eine Ausnehmung aufweist. Mit Hilfe einer derart gestalteten Bohrung können die im Betrieb des Laufrades auftretenden Spannungsmaxima verringert werden, in dem der Traganteil der außenliegenden Nabenbereiche erhöht wird, was zu einer VergleMichmäßigung der im Bohrungsbereich längs der Drehachse des Laufrades auftretenden Beanspruchungen führt. Somit kann ein erfindungsgemäß gestaltetes Laufrad höhere Betriebsdrehzahlen ertragen oder aufgrund niedrigerer Spannungsmaxima eine längere Lebensdauer erreichen.It is therefore the object of the present invention to address these disadvantages reduce and improve an impeller of the type mentioned at the beginning, that even at high circumferential speeds the unfavorable ones that occur here Component stresses in the hub bore are reduced. This task will solved according to the invention in that the bore in an area of increased strength stress has a recess. With the help of a bore designed in this way, the voltage maxima occurring during operation of the impeller are reduced by the contact ratio of the outer hub areas is increased, which leads to a reduction in comparison the stresses occurring in the bore area along the axis of rotation of the impeller leads. Thus, an impeller designed according to the invention can operate at higher speeds endure or achieve a longer service life due to lower voltage maxima.

Die Ausnehmung sollte vorzugsweise ein kurvenförmiges Querschnittsprofil aufweisen, wobei der Kurvenverlauf im wesentlichen den lokalen Bauteilbeanspruchungen des Bohrungsbereiches angepaßt ist, so daß im gesamten Bohrungsbereich eine im wesentlichen gleichmäßige Beanspruchung auftritt. Hierbei kann der Kurvenverlauf rechnerisch z. B.The recess should preferably have a curved cross-sectional profile have, the curve progressing essentially the local component stresses of the bore area is adapted, so that in the entire bore area one substantially uniform stress occurs. The course of the curve can be calculated z. B.

mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) iterativ erstellt werden, wobei als Berechnungsparameter charakteristische Betriebskennwerte der jeweiligen Einsatzbedingungen herangezogen werden. Bei der zum Erstellen der Spannungsverteilung bekannten Finite-Elemente-Methode können so z. 13. die Betriebsdrehzahl des Laufrades, der radiale Temperaturgradient dT/dr, der axiale Temperaturgradient dT/dx und andere axiale Beanspruchungen herangezogen werden.created iteratively using the finite element method (FEM), where the calculation parameters are characteristic operating values of the respective Operating conditions are used. When creating the stress distribution known finite element method so z. 13. the operating speed of the impeller, the radial temperature gradient dT / dr, the axial temperature gradient dT / dx and other axial loads can be used.

Aufbau und Funktionseigenschaften der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen sind nur die zum unmittelbaren Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente des Laufrades dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung, bei dem das Laufrad symmetrisch gestaltet ist; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung, bei dem das Laufrad unsymmetrisch gestaltet ist.Structure and functional properties of the invention will now be based on of the accompanying schematic drawings of two exemplary embodiments described. In the drawings are only those for a direct understanding of the invention necessary elements of the impeller are shown. 1 shows an exemplary embodiment of the invention in a sectional view, in which the impeller is designed symmetrically is; Fig. 2 shows an embodiment of the invention in a sectional view, at which the impeller is designed asymmetrically.

In der zeichnerischen Darstellung nach den Fig. 1 und 2 sind grundsätzlich gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Das erfindungsgemäß gestaltete Laufrad 1 nach Fig. 1 ist symmetrisch gestaltet, wobei sich das Laufrad 1 von einer Nabenbohrurig 2 in radialer Richtung zu den Schaufeln 3 verjüngt, o daß bei einer ausschließlich zylindrisch gestalteten Bohrung (durch obere gerade Linie angedeutet) aufgrund der Fliehkraft in einem in der Symmetrieebene 4 gelegenen Punkt 5 die maximale Bauteilbeanspruchung auftritt. Um die Bauteilbeanspruchungen der verschiedenen axialen Bereiche der Bohrung 2 zu nivellieren, ist erfindungsgemäß im höher beanspruchten Nabenbereich die Ausnehmung 6 vorgesehen.In the graphic representation according to FIGS. 1 and 2 are basically Identical parts are provided with the same reference numerals. The inventively designed Impeller 1 according to FIG. 1 is designed symmetrically, the impeller 1 from a Nabenbohrurig 2 tapers in the radial direction to the blades 3, o that in one exclusively cylindrical bore (indicated by the upper straight line) due to the centrifugal force in a point 5 located in the plane of symmetry 4, the maximum Component stress occurs. To the component stresses of the various axial Leveling areas of the bore 2 is, according to the invention, subject to higher stresses Hub area, the recess 6 is provided.

Die Ausnehmung 6 ist kurvenförmig gestaltet, wobei der Kurvenverlauf in Abhängigkeit charakteristischer Betriebskenngrößen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) optimiert und festgelegt wird. Wie ersichtlich hat die Kurve 6 in der Symmetrieebene 4 ihr Maximum, also an der Stelle der maximalen Bauteilbeanspruciiung. Die Ausnehmung 6 ist bei Laufrädern mit radial identischer Struktur üblicherweise in der Nabenbohrung umlaufend vorgesehen. Soweit es z. B. die Abmessungen bzw. die Struktur des Laufrades erforderlich machen, ist es durchaus möglich, z. B.The recess 6 is curved, the Curve progression depending on characteristic operating parameters with the help of the finite element method (FEM) is optimized and specified. As can be seen, the curve has 6 in the plane of symmetry 4 their maximum, i.e. at the point of maximum component stress. The recess 6 is usually in the hub bore of impellers with a radially identical structure provided all around. As far as z. B. the dimensions or the structure of the impeller make it necessary, it is quite possible, for. B.

mehrere Ausnehmungssegmente entsprechend der ermittelten Erfordernisse vorzusehen.several recess segments according to the determined requirements to be provided.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Verdichterlaufrad. Aufgrund der unsymmetrischen Gestaltung des Laufrades ist hier der Bereich der erhöhten Bauteilbeanspruchung im Gegensatz zu dem symmetrisch gestalteten Laufrad nach Fig. 1 in den Bereich der größeren Außendurchmesser des Laufrades verschoben. Die maximale Beanspruchung der Bohrung 2 ist hier in einem Punkt 5 in einer Ebene 8 zu finden. Das kurvenförmige Querschnittsprofil der Ausnehmung 6 ist wiederum mit Hilfe einer geeigneten Rechenmethode (z. B. FEM) festgelegt und weist aufgrund der unterschiedlichen Gestaltung des Laufrades auch eine andere Form als die Ausnehmung 6 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 auf.Fig. 2 shows a compressor impeller in a sectional view. Because of The asymmetrical design of the impeller is the area of increased component stress here in contrast to the symmetrically designed impeller according to FIG. 1 in the area of larger outer diameter of the impeller shifted. The maximum stress on the Hole 2 can be found here at a point 5 in a plane 8. The curvilinear one Cross-sectional profile of the recess 6 is again with the help of a suitable calculation method (e.g. FEM) and has due to the different design of the impeller also a different shape than the recess 6 of the exemplary embodiment according to FIG. 1 on.

Claims

Claims impeller (1) for turbo machines, in particular turbine or compressor impeller for gas turbines or exhaust gas turbochargers, with a centric arranged hub bore (2), characterized in that the hub bore (2) has a recess (6) in an area of increased component stress (4, 5, 8).

2. impeller (1) Eür turbo machines according to claim 1, characterized in that that the recess (6) has a curved cross-sectional profile, the Curve course essentially corresponds to the local component stresses in the bore area is adapted.