DE3880094T2

DE3880094T2 - GAS SUPPORTED TURBO MACHINE.

Info

Publication number: DE3880094T2
Application number: DE19883880094
Authority: DE
Inventors: Jacques Signoret
Original assignee: ABG Semca SA
Current assignee: ABG Semca SA
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2008-11-11
Also published as: FR2623247A1; EP0317398B1; FR2623247B1; DE3880094D1; EP0317398A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Perfektionierung von gasgelagerten Turbomaschinen.The present invention relates to the perfection of gas-bearing turbomachines.

Es gibt Zahlreiche Typen von gasgelagerten Turbomaschinen; dabei können diese Turbomaschinen ein- oder mehrzellig sein. In Fig. 1 ist beispielhaft eine Turbomaschine mit drei Rotoren oder Rädern dargestellt, die in Luftklimatisierungssystemen für Flugzeuge verwendet werden können.There are numerous types of gas-bearing turbomachines; these turbomachines can be single- or multi-cell. Fig. 1 shows an example of a turbomachine with three rotors or wheels that can be used in air conditioning systems for aircraft.

Diese Turbomaschine weist im wesentlichen ein Lüfterrad 1 auf, das durch ein axiales Rad mit einer Nabe 1A gebildet ist, die durch Schaufeln 1B verlängert ist, die untereinander Kanäle vorsehen, durch welche das Fluid, d.h. die Luft strömen kann. Der Strömungsweg des Fluids ist in Fig. 1 durch die Pfeile f dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist das axiale Rad 1 am Ende einer hohlen Welle 2 angebracht. Genauer: das axiale Rad 1 ist an einer Zugstange 3 angebracht und über ein Mutternsystem 4 fest mit der Welle 2 verbunden. Der Lüfterteil der Turbomaschine weist außerdem einen Luftverteiler 5 auf, der die Außenluft zu den Schaufeln 1B des axialen Rades 1 leitet. Andererseits ist die Welle 2 im Inneren eines Leitrades 6 angebracht, wobei durch Gaslager 7, 8 gebildete Haltemittel dazwischengesetzt sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Turbomaschine ist ein durch ein radiales Zentrifugalrad gebildetes Kompressorrad 9 an der Welle 2 befestigt. Zum Einbau ist die Welle 2 bevorzugt aus einem ersten Teil 2A gebildet, in den ein zweiter Teil 2B eingesetzt wird. Das Rad 9 ist zwischen einer an der Welle 2B vorgesehenen Schulter und dem Ende des Teils 2A in Anlage gehalten. Andererseits führt ein Verteiler 10' in bekannter Weise dem Rad 9 die Luft zu, die nach der Komprimierung in die Schnecken 10 verteilt wird, von wo sie wie durch die Pfeil f1 dargestellt entweicht. Darüberhinaus weist die Turbomaschine 1 ein Turbinenrad 11 auf, das durch ein radiales Zentrifugalrad gebildet ist und das an dem Ende des Teils 2B der Welle 2 befestigt ist, das dem das Rad 9 tragenden Teil gegenüberliegt. Die zwei Teile 2A und 2B der Welle werden über eine Zugstange 3 an ihrer Position gehalten. Das Turbinenrad 11 wird durch einen Verteiler 12 mit Luft versorgt, und die entspannte Luft wird durch den Diffusor 13 abgezogen. Der Weg des Fluids ist in diesem Fall durch die Pfeile f2 dargestellt.This turbomachine essentially comprises a fan 1 formed by an axial wheel with a hub 1A extended by blades 1B which provide channels between them through which the fluid, i.e. the air, can flow. The flow path of the fluid is shown in Fig. 1 by the arrows f. In the embodiment shown, the axial wheel 1 is mounted at the end of a hollow shaft 2. More precisely, the axial wheel 1 is mounted on a tie rod 3 and is rigidly connected to the shaft 2 by a nut system 4. The fan part of the turbomachine also comprises an air distributor 5 which directs the outside air to the blades 1B of the axial wheel 1. On the other hand, the shaft 2 is mounted inside a guide wheel 6, with retaining means formed by gas bearings 7, 8 interposed. In the turbomachine shown in Fig. 1, a compressor wheel 9 formed by a radial centrifugal wheel is fixed to the shaft 2. For assembly, the shaft 2 is preferably formed of a first part 2A into which a second part 2B is inserted. The wheel 9 is held in abutment between a shoulder provided on the shaft 2B and the end of the part 2A. On the other hand, a distributor 10' supplies the wheel 9, in a known manner, the air which, after compression, is distributed into the screws 10, from where it escapes as shown by the arrow f1. In addition, the turbomachine 1 has a turbine wheel 11 formed by a radial centrifugal wheel and fixed to the end of the part 2B of the shaft 2 opposite the part carrying the wheel 9. The two parts 2A and 2B of the shaft are held in position by a tie rod 3. The turbine wheel 11 is supplied with air by a distributor 12 and the expanded air is extracted by the diffuser 13. The path of the fluid in this case is shown by the arrows f2.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Gaslager 7 und 8 zwischen dem Lüfterrad 1 und dem Kompressorrad 9 bzw. zwischen dem Kompressorrad 9 und dem Turbinenrad 11 so angeordnet, daß der bei der Drehung der Räder auf die Welle wirkende radiale Schub kompensiert wird. Andererseits ist ein axialer Anschlag 15 zur Kompensierung des axialen Schubes vorgesehen. Dieser Anschlag ist durch eine zwischen zwei Wänden gehaltene Scheibe vorgesehen. Dieser Anschlag ist zur Kühlung bevorzugt nahe bei dem Turbinenrad 11 vorgesehen, und eine Fluidversorgung wird von den Schnecken 14 her durchgeführt, die die entspannte Luft wiederaufnehmen. Andererseits weist die Turbomaschine zur Durchführung der Gasversorgung der Gaslager Leitungen 16 und 17 auf, die die Umwälzung des Gases zwischen der Hülle des Leitrades und der hohlen Welle 2 sowie im Inneren der Welle ermöglicht, wie dies durch die Pfeile f3 dargestellt ist.In the embodiment shown, the gas bearings 7 and 8 are arranged between the fan wheel 1 and the compressor wheel 9 or between the compressor wheel 9 and the turbine wheel 11 in such a way that the radial thrust acting on the shaft during rotation of the wheels is compensated. On the other hand, an axial stop 15 is provided to compensate the axial thrust. This stop is provided by a disk held between two walls. This stop is preferably provided close to the turbine wheel 11 for cooling, and a fluid supply is carried out by the screws 14 which take up the expanded air. On the other hand, the turbomachine has lines 16 and 17 for carrying out the gas supply to the gas bearings, which enable the circulation of the gas between the casing of the guide wheel and the hollow shaft 2 and inside the shaft, as shown by the arrows f3.

In den Turbomaschinen des obengenannten Typs ist es wichtig, daß der bewegliche Teil so leicht und kurz wie möglich ist, so daß die größtmögliche Eigenfrequenz zu erreicht wird, um ein einwandfreies Arbeiten der Gaslager 7, 8 zu erhalten, die zwischen dem Lüfterrad 1 und dem Kompressorrad 9 bzw. zwischen dem Kompressorrad 9 und dem Turbinenrad 11 positioniert sind. Allerdings ist in der oben beschriebenen Turbomaschine der Anschlag ein an der Welle 2 befestigtes, unabhängiges Teil, wodurch es unmöglich ist, eine möglichst kurze Einheit zu erhalten.In turbomachines of the above-mentioned type, it is important that the moving part is as light and short as possible, so that the highest possible natural frequency is achieved in order to obtain a correct operation of the gas bearings 7, 8 positioned between the fan wheel 1 and the compressor wheel 9 and between the compressor wheel 9 and the turbine wheel 11, respectively. However, in the turbomachine described above, the stop is an independent part fixed to the shaft 2, which makes it impossible to obtain a unit that is as short as possible.

Dagegen ist der Anschlag wegen der Kühlprobleme bevorzugt nahe bei dem Turbinenrad positioniert, wodurch das zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad positionierte Lager stärker belastet wird. Dies kann zu einer schlecht funktionierenden Gesamteinheit führen.On the other hand, due to cooling problems, the stop is preferably positioned close to the turbine wheel, which places greater stress on the bearing positioned between the compressor wheel and the turbine wheel. This can lead to a poorly functioning overall unit.

Eine Turbomaschine diese Typs ist in dem Dokument US-A-4 503 683 beschrieben. Dort bildet das axiale Rad ein Mittelrad; allerdings sind die Anschläge mit den bereits beschriebenen Mängeln in der oben erwähnten Weise angeordnet.A turbomachine of this type is described in the document US-A-4 503 683. There, the axial wheel forms a central wheel; however, the stops are arranged in the manner mentioned above, with the defects already described.

Demnach liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einer neuartigen Positionierung des Anschlages, wodurch die Überwindung dieser Nachteile ermöglicht wird.Accordingly, the object of the present invention is to provide a new type of positioning of the stop, which makes it possible to overcome these disadvantages.

Folglich besteht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in einer auf wenigstens einem Gaslager angebrachten Turbomaschine mit wenigstens einem Turbinenrad, einem Kompressorrad und einem Lüfterrad, das durch ein axiales Rad gebildet ist, wobei das axiale Rad ein Mittelrad bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe des axialen Rades dazu verwendet wird, einen integrierten, axialen Anschlag zu realisieren.Consequently, the subject of the present invention is a turbomachine mounted on at least one gas bearing, comprising at least one turbine wheel, one compressor wheel and one fan wheel formed by an axial wheel, the axial wheel forming a central wheel, characterized in that the hub of the axial wheel is used to realize an integrated axial stop.

Dieses Merkmal verleiht der Einheit einen besseren Massenausgleich, wodurch bei höheren Geschwindigkeiten ein stabileres dynamisches Verhalten herbeigeführt wird.This feature gives the unit a better mass balance, resulting in more stable dynamic behavior at higher speeds.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag durch wenigstens zwei angelenkte Schuhe gebildet, die je an einer Seite der Nabe des Rades positioniert sind.According to a preferred embodiment, the stop is formed by at least two hinged shoes, each positioned on a side of the hub of the wheel.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become apparent upon reading the following description of various embodiments with reference to the accompanying drawings, in which

- Fig. 1, die bereits beschrieben wurde, eine schematische Schnittansicht einer Turbomaschine mit drei Laufrädern nach dem Stand der Technik;- Fig. 1, already described, is a schematic sectional view of a prior art three-impeller turbomachine;

- Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Turbomaschine mit drei Laufrädern nach der vorliegenden Erfindung.- Fig. 2 is a schematic sectional view of a turbomachine with three impellers according to the present invention.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die gleichen Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.To simplify the description, the same elements in the figures are designated by the same reference numerals.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In diesem Fall ist das Lüfterrad 1 durch ein zwischen den radialen Rädern 11 und 9 in der Mitte der Welle 2 befestigtes, axiales Rad gebildet, um eine noch kompaktere Einheit zu erhalten und eine zu starke Belastung eines der Lager zu vermeiden. Hier ist das Kompressorrad 9 an einem Ende der Welle 2 und das Turbinenrad 11 am anderen Ende der Welle 2 befestigt. Die Welle 2 wird durch zwei Gaslager 8, 7 gehalten, die zwischen den Rädern 11 und 1 bzw. zwischen den Rädern 9 und 1 positioniert sind. Nach der vorliegenden Erfindung weist die Nabe 1A' des axialen Rades 1 einen größeren Durchmesser als die Nabe 1A der Ausführungsform von Fig. 1 auf. Diese Nabe 1A' wird nämlich erfindungsgemäß als axialer Anschlag verwendet. Dafür ist die Nabe 1A' zwischen wenigstens zwei Schuhen 21, 22 positioniert. Diese Schuhe 21, 22 sind angelenkt an der Wand des Leitrades 6 befestigt. Die Schuhe sind bevorzugt über die Feder an der Wand des Leitrades 6 befestigt. Die Schuhe 21 und 22 sind so im Inneren des Leitrades angeordnet, daß sie das in dem Rotor umlaufend fließende Fluid aufnehmen, um einen Gasanschlag zu realisieren. Die Nabe 1A' ermöglicht dabei in bekannter Weise die Fluidströmung. Die Verwendung eines integrierten Anschlages an dem axialen Rad des Lüfters ermöglicht demnach eine Verringerung der Gesamtlänge der Turbomaschine sowie des Gewichts dieser Maschine. Dadurch werden eine höhere Eigenfrequenz sowie eine höhere Drehzahl ermöglicht.A preferred embodiment of the present invention will now be described with reference to Fig. 2. In this case, the fan wheel 1 is formed by an axial wheel fixed between the radial wheels 11 and 9 in the middle of the shaft 2 in order to obtain an even more compact unit and to avoid excessive loading of one of the bearings. Here, the compressor wheel 9 is fixed to one end of the shaft 2 and the turbine wheel 11 to the other end of the shaft 2. The shaft 2 is held by two gas bearings 8, 7, which are positioned between the wheels 11 and 1 and between the wheels 9 and 1, respectively. According to the present invention, the hub 1A' of the axial wheel 1 has a larger diameter than the hub 1A of the embodiment of Fig. 1. This hub 1A' is in fact used according to the invention as an axial stop. For this purpose, the hub 1A' is positioned between at least two shoes 21, 22. These shoes 21, 22 are hingedly attached to the wall of the stator 6. The shoes are preferably attached to the wall of the stator 6 via the spring. The shoes 21 and 22 are arranged inside the stator so that they receive the fluid flowing around the rotor in order to create a gas stop. The hub 1A' enables the fluid flow in a known manner. The use of an integrated stop on the axial wheel of the fan therefore enables a reduction in the overall length of the turbomachine and the weight of this machine. This enables a higher natural frequency and a higher speed.

Die oben beschriebene Ausführungsform wurde beispielhaft angeboten. Dem Fachmann ist klar, daß an der Turbomaschine zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The embodiment described above has been offered as an example. It will be clear to those skilled in the art that numerous changes can be made to the turbomachine without departing from the scope of the present invention.

Claims

1. Turbomachine mounted on at least one gas bearing with at least one turbine wheel (11), a compressor wheel (9) and a fan wheel (1) which is formed by an axial wheel, the axial wheel forming a central wheel, characterized in that the hub of the axial wheel is used to realize an integrated axial stop.

2. Turbomachine according to claim 1, characterized in that the stop is formed by at least two articulated shoes (21, 22) which are each positioned on one side of the hub (1a') of the wheel (1).