DE3842710C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichterlaufrad mit einer Anzahl über den Umfang verteilter Verdichterschaufeln an deren Schaufelspitzen, ein ringförmiges Deckband angebracht ist, und jede Schaufelspitze Führungsflächen zum Zusammenwirken mit Führungsblöcken des Deckbandes aufweist.

Bei Turbotriebwerken stellt der Dichtspalt zwischen rotierenden Schaufeln und dem feststehenden Triebwerkgehäuse eine Einflußgröße dar, die von erheblicher Bedeutung für den Wirkungsgrad des Triebwerkes ist. Somit ist es von Bedeutung, diesen Dichtspalt so gering wie möglich zu halten, was sich wegen der hohen Thermo- und Fliehkraftbelastungen und Dehnungen an den Schaufeln als außerordentlich schwierig erweist. Zur Minimierung des Dichtspaltes ist es bekannt, Turbinen mit einem Außendeckband zu versehen, wodurch eine direkte Umströmung der Laufschaufelspitze verhindert werden kann. Derartige Außendeckbänder können jedoch nicht aus einem Stück gefertigt werden, da die Festigkeiten der derzeit verfügbaren Werkstoffe nicht ausreicht, um die dort auftretenden Belastungen auszuhalten. Daher sind diese Deckbänder aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt, wobei die Anzahl der Abschnitte der Anzahl der Schaufeln einer Stufe entspricht, und diese Abschnitte an den Schaufelspitzen angeformt sind.

Eine derartige Konstruktion ist jedoch im Verdichterbereich nicht möglich, da der Verdichterwirkungsgrad im Gegensatz zu denjenigen der Turbinen ganz erheblich davon abhängt, daß die Schaufeln viel dünner sein müssen, eine geringere Wölbung sowie scharfe Schaufelvorder- und -hinterkanten aufweisen müssen. Es ist mithin aus Festigkeitsgründen nicht möglich, abschnittartige Deckbänder außen an den Verdichterschaufeln anzuformen oder anzubringen.

Ein geschlossenes Deckband ist wiederum problematisch, da im Betrieb die Dehnungen der Verdichterscheibe, der einzelnen Schaufeln und des Deckbandes sich gegenseitig behindern können und die auftretenden Spannungen unter bestimmten Betriebsbedingungen an der Verbindung Deckband/Schaufel außerordentlich groß werden. Durch die sich überlagernden Fliehkraftspannungen sowie die Thermospannungen, die sich bei den im Betrieb moderner Verdichter auftretenden hohen Temperaturen bis zu etwa 600°C ergeben, ist es bisher nicht möglich derartige einstückige Deckbänder zu fertigen.

Aus der GB-PS 12 99 929 ist ein Verdichterlaufrad bekannt geworden, bei dem die Verdichterschaufeln entlang ihrer Spitzen über elastische (Gummi-)Zwischenstücke mit je einem radialen Stift verbunden sind, und der Stift im Deckband radial verschiebbar gelagert ist. Diese Anordnung hat zum einen den Nachteil einer relativ aufwendigen Konstruktion. Weiter besteht die Gefahr des vorschnellen Verschleißes der elastischen Elemente, die im Betrieb einerseits den Schaufelspitzenschwingungen und andererseits den im Flug auftretenden starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Schließlich ist durch die elastische Aufhängung des Dichtringes keine exakte Führung des Deckbandes gewährleistet, wodurch die Gefahr besteht, daß beispielsweise durch Vogelschlag eine exzentrische Kraft auf das Deckband erzeugt wird, die dieses Zusammenwirken mit der Rotation des Deckbandes in Schwingungen versetzen kann und ein Anstreifen am Strömungskanal- Außengehäuse verursacht.

Aufgrund dieser Gefahr muß konstruktiv ein größerer Abstand zwischen Deckband und Strömungskanal-Außengehäuse vorgesehen werden, was zu einem verschlechterten Verdichterwirkungsgrad aufgrund der hierdurch erzeugten Rückströmungen führt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Führungsflächen der Schaufelspitzen von je einem Führungsblock in radialer Richtung gleitverschieblich umschlossen sind, wobei die Führungsblöcke an der Innenseite des selbsttragenden Deckbandes befestigt sind.

Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß das Deckband ähnlich einer Speichenzentrierung mit dem Verdichterlaufrad verbunden ist. Die Dehnungen der Verdichterscheibe und der Laufschaufeln aufgrund der Fliehkraft und Temperaturen führen zu einer radialen Verschiebung des Schaufelansatzes im Führungsblock. Gleichzeitig wird das selbsttragend ausgeführte Deckband durch diese Dehnungen nicht beeinflußt. Die Dehnungen von Verdichterscheibe und Laufschaufeln haben somit keinen Einfluß auf den Dichtspalt zwischen dem Deckband und dem Triebwerksgehäuse. Dieser wird hauptsächlich durch die Dehnung des Deckbandes und durch Gehäusedehnungen beeinflußt. Durch geeignete Werkstoffwahl kann die Dehnung des Deckbandes vorteilhafterweise gering gehalten werden, und gleichzeitig die thermisch bedingte Dehnung des Gehäuses auf diejenige des Deckbandes abgestimmt werden beispielsweise durch Kühlung, Werkstoffauswahl oder mechanische Druckvorrichtungen. Die Dichtspaltminimierung ist somit ausschließlich auf die Werkstoffeigenschaften des Deckbandes abstimmbar, wohingegen Einflüsse der restlichen rotierenden Bauteile nicht berücksichtigt werden müssen.

Neben der Verbesserung des Dichtespaltes ist weiterhin von Vorteil, daß die Schaufelschwingungen wesentlich verringert werden können (hohe Dämpfung) und die Resistenz gegen Fremdkörpereinschlag wesentlich erhöht werden kann. Außerdem kann eine Entwindung des Schaufelblattes im Betrieb verhindert werden. Damit bleibt vorteilhafterweise der Staffelungswinkel der Schaufeln über dem gesamten Drehzahlbereich unverändert.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Schaufelspitzen zur Bildung von Führungsflächen zum Zusammenwirken mit den Führungsblöcken aufgeweitet. Dadurch lassen sich die Führungsflächen genau fertigen und bearbeiten. Die Führungsflächen sind ferner mit einem reibkorrosionshindernden Belag beschichtet, wodurch die Frettinggefahr vermindert werden kann. Als Beschichtungen eignen sich insbesondere solche aus Wolfram- Karbid, Titan-Karbid oder Titan-Nitrid.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind in Zwischenabschnitten zwischen je zwei benachbarten Führungsblöcken Füllstücke vorgesehen, die aerodynamisch an die Schaufel- und Führungsblockkontur angepaßt sind. Diese vorzugsweise mit dem Deckband formschlüssig verbundenen Füllstücke werden aus einem Werkstoff geringer Dichte hergestellt, wodurch sich das Gesamtgewicht der Vorrichtung beträchtlich senken läßt, ohne daß eine Festigkeitsminderung in Kauf genommen werden muß. Als Werkstoff für die Füllstücke eignet sich insbesondere Titanschaum, da dieser Werkstoff bei hoher Temperaturfestigkeit und Steifigkeit eine geringe Dichte aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der hohle Raum im Inneren jedes Führungsblockes zwischen Deckband und den Schaufelspitzen über eine oder mehrere Bohrungen mit dem Raum stromab des Verdichterlaufrades verbunden ist. Hierdurch wird die Verschmutzung der Schiebeführung zwischen Schaufelspitze und Führungsblock verhindert, da Luft aus dem Gebiet höheren Druckes stromab der Verdichterschaufel durch die Bohrung in den Hohlraum eindringen kann. Die Leckluft am Schiebesitz spült somit Schmutzpartikel mit bzw. verhindert ein Eindringen derselben zwischen die Gleitflächen.

Alternativ zur oben bezeichneten Ausführung können die Führungsblöcke in Umfangsrichtung soweit verbreitet werden, daß diese aneinanderstoßen und die Füllstücke nicht mehr erforderlich sind. Eine derartige fertigungstechnisch einfachere Ausführung wird dann vorteilhaft sein, wenn faserverstärkte Metalle mit einer genügenden Festigkeit eingesetzt werden können.

Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Laufrades werden die Führungsblöcke zunächst auf die Schaufelspitzen der Laufschaufeln aufgesetzt. Anschließend wird das Deckband mit den Füllstücken über das Verdichterrad geschoben. Im letzten Arbeitsschritt werden Verdichterrad und Deckband in einer Vorrichtung zueinander zentriert, die Führungsblöcke radial nach außen geschoben und in dieser Lage mit dem Deckband stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Diffusionsverbinden oder Klemmen verbunden.

Die Verdichterlaufräder können sowohl in Bliskbauweise (blade and disk) gefertigt sein, als auch in Bauart mit Einzelschaufeln. Bei letzterer Ausführung können die Schaufeln, wie bekannt, entweder in Umfangsnuten oder in Einzelnuten eingesetzt werden. Bei der Bauweise mit Einzelnuten können die Führungsblöcke mit dem Deckband schon vor der Montage formschlüssig verbunden werden, oder bereits Bestandteil des Deckbandes sein. Bei der Montage werden dabei zunächst die Laufschaufeln in die Führungsblöcke des Deckbandes eingesetzt. Anschließend wird der ganze Schaufelsatz in die Nuten der Verdichterscheibe geschoben.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung in Verbindung mit Fan-Schaufeln ist darin zu sehen, daß die aerodynamischen Verluste verringert werden können, dadurch daß die störenden "snubber" entfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein integrales Verdichterlaufrad,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch das Deckband gemäß Linie III-III von Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Ansicht des Deckbandes von radial innen,

Fig. 5a eine schematische Ansicht eines Führungsblockes,

Fig. 5b eine schematische Ansicht eines alternativen Führungsblockes.

In dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt durch ein integrales Verdichterlaufrad 1 ist eine Laufradscheibe 2 zu sehen, an deren Außenumfang regelmäßig verteilte Verdichterschaufeln 3 angebracht sind. Die dargestellte Verdichterschaufel 3 weist eine Schaufelspitze 4 auf, die zur Bildung einer umlaufenden Führungsfläche 5 geringfügig aufgeweitet ist. Die Führungsfläche 5 steht mit einem angepaßt gefertigten Durchbruch 16 eines Führungsblockes 6 gleitverschieblich in Verbindung, wobei der Führungsblock 6 an dem ringförmigen Deckband 7 befestigt ist. Dabei verbleibt zwischen der Schaufelspitze 4 und dem Deckband 7 ein Hohlraum 8, dessen Größe abhängig vom Betriebszustand ist.

In Fig. 2 ist der Bereich der Schaufelspitze 4 vergrößert dargestellt. Neben den bereits oben dargestellten Elementen ist zu erkennen, daß der Führungsblock 6 im Bereich der Schaufelhinterkante 9 eine Bohrung 10 aufweist, mittels der der Hohlraum 8 mit dem Raum 11 stromab der Verdichterschaufel 3 kommuniziert.

Das Deckband 7 ist an seinem Außenumfang mit zwei umlaufenden Dichtstegen 12, 13 versehen, die im Zusammenwirken mit einem Strömungskanalaußengehäuse 14 jeweils einen Dichtspalt d definieren.

Die Dichtstege 12 und 13 sind faserfrei gefertigt, d. h. sie bestehen nur aus Matrixwerkstoff. Dabei sind die Dichtstege 12, 13 keine separaten Bauteile, sondern sie werden zusammen mit dem Deckband 7 gefertigt, wobei das Fasermaterial im Bereich der Linien 17 in Richtung nach radial außen hin endet. Die Dichtstege 12, 13 bilden somit mit dem Deckband 7 ein integral gefertigtes Bauteil.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Dichtring 7 gezeigt, der entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1 verläuft.

Es sind dabei mehrere Schaufeln 3 schematisch angedeutet die jeweils in den Führungsblöcken 6 verschieblich gelagert sind. In Zwischenräumen zwischen den einzelnen Führungsblöcken 6 sind Füllstücke 15 vorgesehen, die mit dem Deckband 7 verbunden sind. Diese Füllstücke 15 sind ferner so geformt, daß diese aerodynamisch an die Form der Führungsblöcke 6 bzw. des Deckbandes 7 angepaßt sind und somit geringst möglichen Strömungswiderstand verursachen.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht des Deckbandes 7 von radial innen, wobei die an die Schaufelkontur angepaßten Durchbrüche 16 in den Führungsblöcken 6 gezeigt sind. Ferner sind die Füllstücke 15 in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Führungsblöcken 6 zu sehen.

Fig. 5a und 5b zeigen zwei alternative Ausführungen der Durchbrüche 16. Die in 5a gezeigte Ausführung weist Durchbrüche 16 a auf, die an die Schaufelkontur der Verdichterschaufel 3 ziemlich genau angepaßt ist. Die Ausführung gemäß Fig. 5b zeigt demgegenüber einen etwa langlochartig ausgebildeten Durchbruch 16 b, der einfacher und somit billiger zu fertigen ist als der Durchbruch 16 a gemäß Fig. 5a. Bei der Ausführung müßten die Schaufelspitzen 4 (Fig. 1) entsprechend ausgebildet sein, so daß deren Führungsflächen 5 an die Kontur der Durchbrüche 16 b angepaßt sind.

Claims (10)

1. Verdichterlaufrad mit einer Anzahl über den Umfang verteilter Verdichterschaufeln, an deren Schaufelspitzen ein ringförmiges Deckband angebracht ist, und jede Schaufelspitze Führungsflächen zum Zusammenwirken mit Führungsblöcken des Deckbandes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (5) der Schaufelspitzen (4) von je einem Führungsblock (6) in radialer Richtung gleitverschieblich umschlossen sind, wobei die Führungsblöcke (6) an der Innenseite des selbsttragenden Deckbandes (7) befestigt sind.

2. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelspitzen (4) zur Bildung von Führungsflächen (5) zum Zusammenwirken mit den Führungsblöcken (6) aufgeweitet sind.

3. Verdichterlaufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsflächen (5) der Schaufelspitzen (4) mit einem reibkorrosionshindernden Belag beschichtet sind.

4. Verdichterlaufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit Wolframkarbid, Titankarbid oder Titannitrid ausgeführt ist.

5. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelspitzen (4) soweit in die Führungsblöcke (6) hineinragen, daß unter allen Betriebsbedingungen zwischen Deckband (7) und Schaufelspitzen (4) ein Hohlraum (8) verbleibt.

6. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Zwischenabschnitten zwischen je zwei benachbarten Führungsblöcken (6) aerodynamisch an die Schaufel- und Führungsblockkontur angepaßte Füllstücke (15) vorgesehen sind.

7. Verdichterlaufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Füllstücke (15) geringe Dichte aufweist.

8. Verdichterlaufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Füllstücke (15) Titanschaum ist.

9. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (8) im Inneren jedes Führungsblockes (6) über eine oder mehrere Bohrungen (10) mit dem Raum (11) stromab des Verdichterlaufrades (1) verbunden ist.

10. Verdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Führungsblöcke (6) eine Titan- oder Aluminiumbasislegierung ist.