DE3836231C1

DE3836231C1 - Turbo-machine, in particular axial ventilator

Info

Publication number: DE3836231C1
Application number: DE19883836231
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 7922 Herbrechtingen De Dutz
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1988-10-25
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1989-10-26

Abstract

The machine has an impeller wheel in whose hub impeller wheel blades with a blade foot extending radially with respect to the axis of the impeller wheel are attached. The blade foot is held in the correspondingly shaped hub on the side of the vane blade with a truncated cone-shaped section and against the axis of the impeller wheel with a collar. The foot of the blade and the hub consist of different materials. In order to maintain positive engagement between the foot of the blade and the hub despite the relative movements, taking place in the event of temperature changes, between these parts which have different coefficients of heat expansion the following measures are taken: a) the collar of the foot of the blade has on the side of the vane of the blade a support face, which runs radially on its longitudinal axis, for engaging on the hub, b) the extended generated lines of the truncated cone-shaped section of the foot of the blade meet at a point which lies in a plane containing the support face of the collar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Axialventilator, gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs.The invention relates to a turbomachine, in particular an axial fan, according to the preamble of the patent saying.

Durch das DE-GM 73 36 299 ist ein derartiger Axialventilator bekannt. Dort ist auch der schaufelblattabgewandte Bund am Fuß der Laufradschaufeln mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt versehen, welcher sich unter einem bestimmten Neigungswinkel gegen das Schaufelblatt verjüngt. Mit diesem Abschnitt ist die jeweilige Laufradschaufel an einer passend gestalteten Schulter der Laufradnabe durch Federkraft abgestützt. Unter Berücksich tigung des Reibungskoeffizienten der gewählten Werkstoffpaarung für den Schaufelfuß und die Nabenschulter soll bei dieser Aus gestaltung eine einfache Verstellbarkeit der Laufradschaufeln bei Stillstand des Axialventilators erzielt werden. Bei Venti latorbetrieb sichert dagegen das durch Zentrifugalkraftwirkung erheblich vergrößerte Reibmoment zwischen dem kegelstumpfförmi gen Abschnitt am Schaufelfuß und der Nabenschulter die Einstel lung der Laufradschaufeln. DE-GM 73 36 299 is such an axial fan known. There is also the collar on the foot facing away from the airfoil the impeller blades with a frustoconical section provided which is at a certain angle of inclination tapers against the airfoil. With this section is the respective impeller blade on a suitably designed shoulder the impeller hub is supported by spring force. Under consideration adjustment of the coefficient of friction of the selected material pairing for the blade root and the hub shoulder should at this Aus design an easy adjustability of the impeller blades can be achieved when the axial fan is at a standstill. At Venti lator operation, however, ensures this through the action of centrifugal force significantly increased frictional torque between the truncated cone section on the blade root and the hub shoulder impeller blades.

Derartige Ventilatoren werden bei Temperaturen betrieben, wel che sich nicht erheblich von der normalen Umgebungstemperatur unterscheiden. Beim Durchlaufen des Temperaturbereichs treten daher im allgemeinen keine derart großen Relativausdehnungen zwischen den Bauteilen auf, welche den Formschluß zwischen dem Schaufelfuß und der Laufradnabe beeinträchtigen oder unzulässig hohe Spannungen hervorrufen könnten.Such fans are operated at temperatures, wel does not differ significantly from the normal ambient temperature differentiate. Step through the temperature range therefore generally no such large relative dimensions between the components on which the positive connection between the Impact and impermissible blade root and impeller hub could cause high voltages.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Art die Verbin dung zwischen dem Schaufelfuß und der Laufradnabe so zu gestal ten, daß sie auch den Anforderungen bei sehr tiefen oder hohen Temperaturen genügt.In contrast, the invention is based on the object a turbomachine of the type mentioned in the beginning Form between the blade root and the impeller hub ten that they also meet the requirements at very low or high Temperatures are enough.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichne ten Merkmale gelöst.This object is characterized in that in claim 1 characteristics solved.

Die Lösung ist insofern vorteilhaft, als trotz der unterschied liches Ausdehnungsverhalten aufweisenden Werkstoffe für Schau felfuß und Laufradnabe bei tiefen oder hohen Betriebstemperatu ren der zur Aufnahme der auf die Schaufelblätter einwirkenden Kräfte und Momente erforderliche Formschluß sowie Reibschluß zwischen dem schaufelblattseitigen Bund des Schaufelfußes und der Laufradnabe erhalten bleibt. Während der gegen die Laufrad achse gerichtete Bund des Schaufelfußes unter der Wirkung der Zentrifugalkraft an der Stützfläche der Nabe angreift und dort in seiner Lage festgelegt ist, kann der schaufelblattseitige Bund aufgrund der durch Erwärmen oder Abkühlen der Maschine hervorgerufenen unterschiedlichen Ausdehnung oder Schrumpfung von Schaufelfuß und Nabe mit seinem kegelstumpfförmigen Ab schnitt an einer entsprechend geformten Gegenfläche der Nabe gleiten. Da der Formschluß des Schaufelfußes in der Nabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene geometrische Zuordnung der Bauteile erzielt ist und nicht vom Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe abhängt können für den jeweiligen Ein satzzweck der Strömungsmaschine die am besten geeigneten Werk stoffe verwendet werden. Unter der Voraussetzung eines weitge hend gleichen Temperaturverlaufs in den beteiligten Bauteilen bei der Erwärmung oder Abkühlung kann somit bei der erfindungs gemäßen Strömungsmaschine ein Lösen der Schaufelfüße in der Laufradnabe oder das Auftreten unzulässig hoher Spannungen im Schaufelfuß oder in der Nabe sicher vermieden werden. Damit bleibt eine bei Normaltemperatur (z.B. 20°C) vorgenommene Schaufeleinstellung auch bei einer Betriebstemperatur erhalten, die mehrere 100°C von der Normaltemperatur abweichen kann.The solution is advantageous in that despite the difference materials with expansion properties for show foot and impeller hub at low or high operating temperatures ren to accommodate those acting on the airfoils Forces and moments required positive locking and friction locking between the blade-side collar of the blade root and the impeller hub remains intact. During the against the impeller axially directed collar of the blade root under the effect of Centrifugal force acts on the support surface of the hub and there is fixed in its position, the airfoil side Bundle due to heating or cooling the machine caused different expansion or contraction of blade root and hub with its frustoconical shape cut on a correspondingly shaped counter surface of the hub slide. Because of the positive locking of the blade root in the hub the geometric assignment specified in claim 1 Components is achieved and not by the coefficient of expansion used materials can depend on the respective one Purpose of the fluid machine the most suitable work fabrics are used. Provided a far same temperature curve in the components involved when heating or cooling can thus in the Invention according flow machine a loosening of the blade feet in the Impeller hub or the occurrence of impermissibly high voltages in the Blade base or in the hub can be safely avoided. In order to remains one made at normal temperature (e.g. 20 ° C) Maintain blade setting even at operating temperature, which can deviate from the normal temperature by several 100 ° C.

Wenn trotz der mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Fi xierung des Schaufelfußes in der Nabe eine zusätzliche Siche rung der Schaufelstellung vorgenommen werden soll, so kann dies nach der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 erfolgen. Durch die Anordnung des Stiftes ist die Relativbewe gung zwischen dem Schaufelfuß und der Nabe aufgrund Ausdehnung oder Schrumpfung der Teile unbehindert. Zweckmäßigerweise ist der Stift gemäß Patentanspruch 3 selbstsichernd ausgebildet.If despite the Fi achieved with the solution according to the invention Fixation of the blade root in the hub an additional safety the blade position should be carried out, this can according to the embodiment of the invention according to claim 2 respectively. Due to the arrangement of the pin is the relative movement between the blade root and the hub due to expansion or shrinkage of the parts unhindered. It is expedient the pin according to claim 3 designed self-locking.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der ein Laufrad eines Axialventilators im Halbschnitt zeigenden Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the invention is described below which shows an impeller of an axial fan in half section Drawing explained in more detail.

Das Laufrad 1 des im übrigen nicht dargestellten Axialventila tors hat eine Vielzahl von gleichmäßig entlang seinem Umfang angeordneten Schaufeln 2. Diese sind mit ihrem Schaufelfuß 3 in einer Nabe 4 des Laufrades 1 gehalten. Die Nabe 4 besteht im wesentlichen aus zwei etwa scheibenförmigen Teilen 5 und 6, welche entlang einer sich radial zur Drehachse 7 des Laufrades 1 erstreckenden Ebene 8 aneinanderstoßen. Im Bereich der Lauf radachse 7 sind die Nabenteile 5 und 6 sowohl miteinander als auch mit einer Antriebswelle 9 des Ventilators durch einen Kranz konzentrisch zur Achse angeordneter Schrauben 10 verbun den. Ein weiterer Kranz Schrauben 11 verbindet die Nabenteile 5 und 6 im Bereich der Schaufelfüße 3 der Laufradschaufeln 2. Als Werkstoff für die Nabenteile 5 und 6 des Laufrades 1 ist Stahl vorgesehen. Der Werkstoff der Laufradschaufeln 2 ist dagegen Aluminium, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient etwa doppelt so groß ist wie derjenige von Stahl.The impeller 1 of the axial valve not shown otherwise has a plurality of blades 2 arranged uniformly along its circumference. These are held with their blade root 3 in a hub 4 of the impeller 1 . The hub 4 essentially consists of two approximately disc-shaped parts 5 and 6 , which abut each other along a plane 8 extending radially to the axis of rotation 7 of the impeller 1 . In the area of the wheel axle 7 , the hub parts 5 and 6 are connected to each other as well as to a drive shaft 9 of the fan by a collar concentrically arranged to the axis of screws 10 . Another ring of screws 11 connects the hub parts 5 and 6 in the area of the blade feet 3 of the impeller blades 2 . Steel is provided as the material for the hub parts 5 and 6 of the impeller 1 . The material of the impeller blades 2 , on the other hand, is aluminum, the coefficient of linear expansion of which is approximately twice that of steel.

Der Schaufelfuß 3 der einstückig mit dem Schaufelblatt 12 her gestellten Laufradschaufel 2 weist blattseitig einen kegel stumpfförmigen Abschnitt 13 auf. Vom Abschnitt 13 ausgehend ist der mit seiner Längsachse 14 in der Teilungsebene 8 liegende und sich radial zur Laufradachse 7 erstreckende Schaufelfuß 3 in einem schlanken Holm 15 fortgesetzt. Dieser geht auf der vom Schaufelblatt 12 abgewandten Seite in einen Bund 16 über. Der Bund 16 des Schaufelfußes 3 hat blattseitig eine radial zu des sen Längsachse 14 verlaufende Stützfläche 17. Diese liegt in einer sich rechtwinklig zur Längsachse 14 des Schaufelfußes 3 erstreckenden Ebene 18. Der Bund 16 des Schaufelfußes 3 greift mit seiner Stützfläche 17 an einer ebenfalls in der Ebene 18 liegenden Gegenfläche 19 einer den Schaufelfuß umgreifenden Schulter 20 der Nabenteile 5 und 6 an. Somit liegt der Fest punkt der Lagefixierung der Laufradschaufel 2 bezüglich der Nabe 4 in der Ebene 18.The blade root 3 of the impeller blade 2 , which is made in one piece with the blade 12 , has a frustoconical section 13 on the blade side. Starting from section 13 , the blade root 3, which lies with its longitudinal axis 14 in the division plane 8 and extends radially to the impeller axis 7 , is continued in a slender spar 15 . This merges into a collar 16 on the side facing away from the airfoil 12 . The collar 16 of the blade root 3 has on the blade side a radially extending to the sen longitudinal axis 14 supporting surface 17th This lies in a plane 18 extending at right angles to the longitudinal axis 14 of the blade root 3 . The collar 16 of the blade root 3 engages with its support surface 17 on a counter surface 19 likewise lying in the plane 18 of a shoulder 20 of the hub parts 5 and 6 encompassing the blade root. Thus, the fixed point is the position fixation of the impeller blade 2 with respect to the hub 4 in the plane 18th

Der kegelstumpfförmige Abschnitt 13 des Schaufelfußes 3 hat eine konische Mantelfläche 21 mit einer bestimmten Breite. Die ser Mantelfläche 21 ist eine von den Nabenteilen 5 und 6 gebil dete Gegenfläche 22 zugeordnet, welche eine größere Ausdehnung als diejenige der Mantelfläche 21 hat und sich über diese hin aus erstreckt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 13 des Schau felfußes 3 ist mit seiner Mantelfläche 21 an der Gegenfläche 22 der Nabe 4 form- und reibschlüssig abgestützt. Die Konizität des kegelstumpfförmigen Abschnitts 13 ist derart gewählt, daß die verlängerten Mantellinien 23 dieses Abschnitts in einem Punkt 24 zusammentreffen, welcher in der die Stützfläche 17 des Bundes 16 enthaltenden Ebene 18 liegt. Durch diese geometrische Ausgestaltung und Zuordnung der Bauteile (Mantelfläche 21 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 13 sowie Stützfläche 17 des Bun des 16 des Schaufelfußes 3 einerseits und Gegenflächen 19 sowie 22 der Nabe 4 andererseits) ist sichergestellt, daß bei einer durch Temperaturänderungen bedingten Ausdehnung oder Schrump fung des Schaufelfußes 3 sowie der Laufradnabe 4 Relativbewe gungen zwischen der Mantelfläche 21 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 13 und der zugeordneten Gegenfläche 22 der Nabe 4 auftreten können. Unter der Voraussetzung gleichmäßigen Tempe raturverlaufs bleibt der Formschluß zwischen diesen Teilen er halten, d.h. es tritt kein Spiel auf. Unzulässige Spannungen am Schaufelfuß 3 und an der Nabe 4 werden gleichfalls vermieden. Der Axialventilator ist daher beispielsweise für den Einsatz in einem Tieftemperatur-Windkanal besonders geeignet, in dem die normale Lufttemperatur von ca. 20°C durch Eindüsen von flüs sigem Stickstoff auf minus 170°C abgesenkt wird.The frustoconical section 13 of the blade root 3 has a conical lateral surface 21 with a certain width. The water jacket surface 21 is assigned a gebil Dete from the hub parts 5 and 6 counter surface 22 which has a greater extent than that of the jacket surface 21 and extends over this out. The frustoconical section 13 of the display foot 3 is supported with its outer surface 21 on the counter surface 22 of the hub 4 in a positive and frictional manner. The taper of the frustoconical section 13 is selected such that the elongated surface lines 23 of this section meet at a point 24 which lies in the plane 18 containing the support surface 17 of the collar 16 . This geometric design and assignment of the components (lateral surface 21 of the frustoconical section 13 and support surface 17 of the Bun des 16 of the blade root 3 on the one hand and counter surfaces 19 and 22 of the hub 4 on the other hand) ensures that the expansion or shrinkage due to temperature changes Blade root 3 and the impeller hub 4 Relativbewe conditions between the lateral surface 21 of the frustoconical section 13 and the associated counter surface 22 of the hub 4 can occur. Provided that the temperature profile is uniform, the form fit between these parts is maintained, ie there is no play. Inadmissible tensions on the blade root 3 and on the hub 4 are also avoided. The axial fan is therefore particularly suitable, for example, for use in a low-temperature wind tunnel in which the normal air temperature is reduced from approx. 20 ° C to minus 170 ° C by injecting liquid nitrogen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Laufrades 1 wird der Anstellwinkel der Laufradschaufelblätter 12 bei Stillstand der Normaltemperatur aufweisenden Maschine einge stellt. Durch entsprechende Bemessung des Schaufelfußes 3 der Laufradschaufeln 2 sowie der Nabe 4 wird ein Reibmoment sowohl zwischen der Mantelfläche 21 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 13 und der Gegenfläche 22 der Nabe 4 als auch zwischen dem Bund 16 und der Nabenschulter 20 erzeugt. Das Reibmoment zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 13 und der Nabe 4 bleibt bei Maschinenbetrieb trotz Zentrifugalkraftwirkung auch bei abneh menden oder sich erhöhenden Temperaturen erhalten, so daß hier durch zusätzlich zu dem zwischen dem Bund 16 und der Naben schulter 20 wirkenden Reibmoment eine Verdrehsicherung der Laufradschaufeln 2 gegeben ist. In the embodiment of the impeller 1 described above, the angle of attack of the impeller blades 12 is set when the machine having the normal temperature is at a standstill. By appropriate dimensioning of the blade root 3 of the impeller blades 2 and the hub 4 , a frictional torque is generated both between the lateral surface 21 of the frustoconical section 13 and the counter surface 22 of the hub 4 and between the collar 16 and the hub shoulder 20 . The friction torque between the frustoconical section 13 and the hub 4 remains in machine operation despite centrifugal force effect even with decreasing or increasing temperatures, so that here in addition to the acting between the collar 16 and the hub shoulder 20 friction against rotation of the impeller blades 2 is.

Wie in der Zeichnung mit strichpunktierten Linien angedeutet, kann außerdem als Verdrehsicherung für die Laufradschaufeln 2 ein im Bereich des kegelstumpfförmigen Abschnitts 13 in den Schaufelfuß 3 und in den Nabenteil 5 eingreifender Stift 25 vorgesehen sein. Eine den Stift 25 aufnehmende Bohrung 26 er streckt sich daher jeweils hälftig im Nabenteil 5 und im kegel stumpfförmigen Abschnitt 13, so daß die Längsachse 27 des Stifts 25 mit einer Mantellinie 23 des kegelstumpfförmigen Ab schnitts zusammenfällt. Der z.B. als Spannstift ausgebildete Stift 25 behindert nicht die Relativbewegung des kegelstumpf förmigen Abschnitts 13 des Schaufelfußes 3 in der Nabe 4.As indicated in the drawing with dash-dotted lines, a pin 25 engaging in the blade root 3 and in the hub part 5 in the region of the frustoconical section 13 can also be provided as an anti-rotation device for the impeller blades 2 . A pin 25 receiving bore 26 he therefore stretches in half in the hub part 5 and in the truncated cone section 13 , so that the longitudinal axis 27 of the pin 25 coincides with a surface line 23 of the truncated cone section. The pin 25 designed , for example, as a dowel pin does not hinder the relative movement of the frustoconical section 13 of the blade root 3 in the hub 4 .

Von der Erfindung sollen auch solche Ausgestaltungen des Schau felfußes mit umfaßt sein, bei dem dieser im Querschnitt dem Umriß der vorbeschriebenen Ausführungsform entspricht, jedoch nicht rotationssymmetrisch ausgebildet, sondern prismatisch begrenzt ist.Such embodiments of the show are also intended from the invention be included with the foot in cross section Outline corresponds to the previously described embodiment, however not rotationally symmetrical, but prismatic is limited.

Claims

1. Turbomachine, in particular axial fan, with an impeller, in the hub of which impeller blades are fastened with a blade root extending radially to the impeller axis, which blade side is held with a frustoconical section and against the impeller axis with a collar in the appropriately designed hub, the The blade root and the hub are made of different materials, characterized by the features:

a) the collar ( 16 ) of the blade root ( 3 ) has, on the blade side, a support surface ( 17 ) extending radially to its longitudinal axis ( 14 ) for engaging the hub ( 4 ),
b) the extended surface lines ( 23 ) of the truncated cone-shaped blade root section ( 13 ) meet at a point ( 24 ) which lies in a plane ( 18 ) containing the support surface ( 17 ) of the collar ( 16 ).

2. Turbomachine according to claim 1, with an anti-rotation for the impeller blades, characterized in that in the region of the frustoconical portion ( 13 ) in the blade root ( 3 ) and in the hub ( 4 ) engaging pin ( 25 ) is provided, the Longitudinal axis ( 27 ) coincides with a line ( 23 ) of the frustoconical section.

3. Fluid machine according to claim 2, characterized in that the pin ( 25 ) is designed as a roll pin.