DE3924829A1 - COMPRESSOR OR TURBINE RUNNER, ESPECIALLY FOR GAS TURBINE ENGINES - Google Patents
COMPRESSOR OR TURBINE RUNNER, ESPECIALLY FOR GAS TURBINE ENGINESInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter- oder Tur binenläufer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a compressor or door Line runners according to the preamble of patent claim 1.
Z.B. bei Axialverdichtern ist es bekannt, die Beschaufelung von Lauf- oder Leiträdern in der Art sogenannter "Tandemgitter" zu gestalten, d.h., anstelle jeweils einreihiger Schaufelgit ter mit Vollprofilen hier zweireihige Gitter mit Einzelpro filen an ein und demselben Rad vorzusehen, wobei jeweils zwi schen zwei axial aufeinanderfolgenden Einzelprofilen spalt flügelartige Durchströmquerschnitte belassen sind (s.h. "Be sonderheiten der axialen Strömungsmaschinen" auf S. 406 des Fachbuches "Strömungsmaschinen" Verfasser: Carl Pfleiderer; Hartwig Petermann, 5. Auflage, 1986). Im Rahmen derartiger Gitterkonzepte soll u.a. z.B. bei Verdichtern die erforderli che Stufenarbeit möglichst verlustfrei und effektiv bei zugleich vergleichsweise geringer Baulängenbeanspruchung vollzogen werden können. Es soll z.B. bei Verdichterleit oder laufgittern gegenüber Vollprofilkonzepten die Lauflänge der Luftgrenzschicht um das Profil begrenzt werden; ferner soll dabei u.a. durch entsprechende Zuordnung der Austritts und Eintrittskanten der Gitterprofile zueinander die ablöse gefährdete Luftgrenzschicht auf der konvexen Schaufelseite (Vollprofil) durch den sogenannten "Spaltflügeleffekt" beschleunigt werden.E.g. in the case of axial compressors, it is known to use blading of impellers or idlers in the manner of so-called "tandem grids" to design, i.e. instead of a single-row shovel git ter with full profiles here two-row grids with single profiles to provide filen on one and the same wheel, each between two between two axially successive individual profiles wing-like flow cross-sections are left (see "Be Special features of axial turbomachines "on p. 406 of the Technical book "Flow machines" Author: Carl Pfleiderer; Hartwig Petermann, 5th edition, 1986). As part of such Lattice concepts should include e.g. the necessary for compressors level work as lossless and effective as possible at the same time, a comparatively low length requirement can be carried out. For example, with compressor or playpen the run length compared to full profile concepts limit the air boundary layer around the profile; further among other things, by appropriate assignment of the exit and leading edges of the lattice profiles to each other that detach endangered air boundary layer on the convex blade side (Full profile) through the so-called "split wing effect" be accelerated.
Aus schon vorgeschlagenen Tragflügelkonzepten (Flugzeug) wie aber auch reinen Leitradkonzepten, z.B. bei (Diffusoren für Radialverdichter, geht hervor, betreffende Vor- und Haupt (-flügel)- profilabschnitte sich aus- und eintrittskanten seitig spaltflügelartig überlappend zu gestalten, gegebenen falls variabel, um z.B. beim Verdichter die Kennfeldbreite über dem Gesamtbetriebszustand zu erweitern. Die Vorteile der tatsächlichen, zumindest teilweise örtlichen Profilüberlap pungen bestehen u.a. darin, den Spaltflügeleffekt im Sinne einer noch verlustärmeren Strömungsumlenkung bzw. einer noch höheren aerodynamischen Effizienz nutzbar machen zu sollen.From already proposed wing concepts (aircraft) such as but also pure stator concepts, e.g. at (diffusers for Radial compressor, it appears, the respective front and main (-wing) - profile sections with exit and entry edges designed to overlap on the side with a split wing if variable, e.g. the map width for the compressor to expand over the overall operating condition. The advantages of actual, at least partially local profile overlap pungen exist among other things in the sense of the cleft wing effect an even lower loss flow deflection or one more to be able to utilize higher aerodynamic efficiency.
Bisher bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, ein sogenann tes Tandemgitter mit zugehöriger Scheibe integral - z.B. durch mechansiche Herausarbeitung der Schaufeln aus dem Vollmaterial - herzustellen. Allein schon wegen des ver hältnismäßig großen erforderlichen Platzbedarfs von Her stellungswerkzeugen (Schaft-, Kugelfräser) war es bisher praktisch nicht möglich, Tandemgitterräder in Integralbau weise, insbesondere im Hinblick auf verhältnismäßig kleine bzw. kompakte Abmessungen der betreffenden Turbokomponente zu realisieren. Noch komplizierter und aufwendiger würde sich die Herstellung gestalten, wenn man den für sich schon vorgeschlagenen Gedanken des "Spaltflügeleffektes" mit tat sächlicher örtlicher Profilkantenüberlappung, z.B. bei einem sogenannten "Tandemlaufgitter" nutzbar machen wollte.So far, it has caused considerable difficulties, a so-called tandem grille with associated pane integral - e.g. by mechanically working out the blades from the Solid material - to manufacture. Already because of the ver relatively large space required by Her positioning tools (end mills, ball mills) it was previously practically not possible, tandem mesh wheels in integral construction wise, especially with regard to relatively small or compact dimensions of the turbo component in question to realize. It would be even more complicated and time-consuming design the production if you already have it for yourself proposed thoughts of the "cleft wing effect" with did Real local profile edge overlap, e.g. at a wanted to use so-called "tandem grid".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turboläufer nach der eingangs genannten Art anzugeben, der bei verhält nismäßig geringen Abmessungen, unter optimaler Ausnutzung des Spaltflügeleffektes, aerodynamisch hocheffektiv sowie vergleichsweise einfach herstellbar ist. Die gestellte Auf gabe ist durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale erfindungsgemäß gelöst.The invention has for its object a turbo rotor according to the type mentioned at the beginning, which behaves at reasonably small dimensions, with optimal utilization the flapping wing effect, aerodynamically highly effective as well is comparatively easy to manufacture. The posed on gift is by the in the characterizing part of claim 1 Features contained solved according to the invention.
Der wesentliche Vorteil besteht so darin, daß das Mehrfach profilgitter aus einzelnen Rotor- bzw. Scheibenelementen im "aufgelösten Zustand" fertigbar ist; dabei wird also jeweils ein die betreffenden Profile enthaltendes Rotorelement für sich komplett hergestellt; die einzelnen Profile können z.B. verhältnismäßig bequem aus dem Vollmaterial herausgearbei tet bzw. auf die tatsächlichen Anforderungen hin oberflächen seitig fein (z.B. schleifen) bearbeitet werden; es ist also ein allseitig günstiger Werkzeug- und Bearbeitungszugang möglich; dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die relativ enge Spaltbelassung zwischen benachbaren Profilend kanten (Spaltflügeleffekt). Im Wege entsprechender Umfangsver teilung sowie -ausbildung und Eingriffstiefe der Nut-Feder- Verbindung, also u.a. in Relation zum für den Spaltflügel effekt erforderlichen gegenseitigen Profilendkantenversatz, liegt die notwendige Gesamtprofilgeometrie im Wege einfachen Zusammensetzens bzw. Zusammensteckens der einzelnen Rotor bzw. Radelemente vor. Hierauf können die Einzelelemente unlös bar (schweißen) oder lösbar (Bolzen und Flansche) verbunden werden; letzteres hätte wieder den besonderen Vorteil, be schädigte oder fehlerhafte Rotorschaufeleinheiten auszutauschen.The main advantage is that the multiple Profile grid from individual rotor or disc elements in the "dissolved state" can be manufactured; so each time a rotor element containing the relevant profiles for completely manufactured; the individual profiles can e.g. relatively easy to work out of the solid material or surface to the actual requirements finely machined (e.g. grinding); so it is All-round cheap tool and machining access possible; this is particularly advantageous in terms of relatively narrow gap between adjacent profile ends edges (split wing effect). By way of corresponding circumferential ver division and training and depth of engagement of the tongue and groove Connection, i.e. in relation to that for the split wing mutual required profile end edge offset, the necessary overall profile geometry lies in the way of simple Assembling or plugging together the individual rotor or wheel elements. The individual elements can then be unsolvable bar (welding) or detachable (bolts and flanges) connected will; the latter would have the special advantage again replace damaged or faulty rotor blade units.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent ansprüchen 2 bis 11 enthalten.Advantageous embodiments of the invention are in the patent claims 2 to 11 included.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:Based on the drawings, the invention is further, for example explained; show it:
Fig. 1 einen axial aufgeschnitten dargestellten Abschnitt eines Axialverdichters eines Gasturbinentriebwerks mit in den Ver dichterrotor integriertem, aus zwei Einzelradscheiben lösbar zusammenge setztem, tandemartigen Profilgitter unter teilweiser spaltflügelartiger Überlappung benachbarter Profilaus- und Eintrittskanten und Fig. 1 shows an axially cut section of an axial compressor of a gas turbine engine with integrated in the Ver dichterrotor, releasably from two individual wheel disks put together, tandem-like profile grid with partial splitting wing-like overlap of adjacent profile and entry edges and
Fig. 2 eine Draufsicht des Tandemgitters gemäß Z der Fig. 1. FIG. 2 shows a top view of the tandem grid according to Z of FIG. 1.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 veranschaulicht die Erfindung im Rahmen eines sogenannten "Tandemlaufgitters", welches als gemeinsamer zusammengefügter Bestandteil in den Läufer bzw. trommelartigen Rotor des dortigen Axialverdichters integriert ist.The exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2 illustrates the invention in the context of a so-called "tandem rotor grille", which is integrated as a combined component in the rotor or drum-like rotor of the axial compressor there.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung besteht der Läufer aus mehreren, hier also zwei jeweils eine Reihe Profilkörper 1; 2 enthaltenden Abschnitten A,B, die an benachbarten Stirnflä chen 3, 4 (Fig. 2) derart nut-federartig verbunden sind, daß sich die benachbarten Aus- und Eintrittskanten der Profil körper 1; 2 zumindest teilweise spaltflügelartig überlappen, letzteres ist in Fig. 1 durch die Position S gekennzeichnet. Dabei sind also die betreffenden Aus- bzw. Eintrittskanten relativ zu einer vertikalen gedachten Querebene jeweils schräg nach innen auf die betreffenden Stirnkanten 3 bzw. 4 in Über schneidung auslaufend dargestellt.According to the basic idea of the invention, the rotor consists of several, here two each, a row of profile body 1 ; 2 containing sections A, B, the surfaces at adjacent Stirnflä 3 , 4 ( Fig. 2) are connected in a tongue and groove-like manner that the adjacent leading and trailing edges of the profile body 1 ; 2 at least partially overlap like a splitting wing, the latter being identified by the position S in FIG. 1. Thus, the relevant exit or entry edges relative to a vertical imaginary transverse plane are each shown obliquely inwards on the relevant end edges 3 and 4 in overlapping intersection.
Dabei können die Abschnitte des Läufers nebst Profilkörpern 1; 2 Bestandteil eines kombinierten axial oder diagonal oder radial durchströmten Laufrads sein. The sections of the runner, in addition to profile bodies 1 ; 2 Be part of a combined impeller with axial or diagonal or radial flow.
In der konkreten Ausführung der Erfindung nach Fig. 1 und 2 sind die Läuferabschnitte A, B von Radkränzen 5, 6 gebildet, die an den benachbarten Stirnflächen 3, 4 in gegenseitiger Abstimmung aufeinander hier nasenartig profiliert sind. Dabei kann aber auch eine zahn- oder keilförmige Profilierung oder eine gemischte Kombination dieser Profilierungsarten vorge sehen sein. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind dort die Austritts- und die Eintrittskanten der beiden Reihen benachbarter Profilkörper 1; 2 jeweils auf den hier axial vorspringenden Nasen 7 bzw. 8 der zugehörigen Radkränze 5 bzw. 6 angeordnet.In the specific embodiment of the invention according to FIGS. 1 and 2, the rotor sections A, B are formed by wheel rims 5 , 6 , which are profiled nose-like here on the adjacent end faces 3 , 4 in mutual coordination with one another. But it can also be seen a tooth or wedge-shaped profile or a mixed combination of these types of profiles. As can be seen in particular from FIG. 2, the exit and entry edges of the two rows of adjacent profile bodies 1 ; 2 each arranged on the axially projecting lugs 7 and 8 of the associated wheel rims 5 and 6 , respectively.
Insbesondere aus Fig. 2 erkennt man ferner, daß die betreffen den Nasen 7; 8 der beiden benachbarten Radkränze 5; 6 unter schiedlich breit sind, jedoch im Rahmen dieser nut-federarti gen Verbindung jeweils für sich gleichförmig über den Umfang verteilt angeordnet sind.In particular from Fig. 2 it can also be seen that the noses 7 ; 8 of the two adjacent wheel rims 5 ; 6 are of different widths, but within the scope of this tongue-and-groove connection are each arranged uniformly distributed over the circumference.
Ferner ist besonders aus Fig. 2 deutlich erkennbar, daß am einen Radkranz 5 ausschließlich jeweils ein Profilkörper 1 mit seiner Austrittskante auf einer vergleichsweise schmalen Nase 7 angeordnet ist; hingegen sind am anderen Radkranz 6 ein oder mehrere Profilkörper 2, 2′ mit ihren Eintritts kanten auf den verhältnismäßig breiten Nasen 8 angeordnet; es kann auf diese Weise also die Anzahl der Profilkörper 2, 2′ des anderen Radkranzes 6 ein ganzzahliges Vielfaches der An zahl des einen Radkranzes 5 sein, so daß z.B., wie hier dar gestellt, nur jeder zweite Profilkörper 2 des anderen Radkran zes 6 mit einem Profilkörper 1 des einen Radkranzes 5 spalt flügelartig (S) in Verbindung steht. Furthermore, it can be seen particularly clearly from FIG. 2 that on each wheel rim 5 only one profile body 1 with its trailing edge is arranged on a comparatively narrow nose 7 ; however, on the other rim 6 one or more profile body 2 , 2 'with their entry edges on the relatively wide lugs 8 are arranged; in this way it can be the number of profile body 2 , 2 'of the other wheel rim 6 an integer multiple of the number of one wheel rim 5 , so that, for example, as shown here, only every second profile body 2 of the other wheel crane zes 6 with a profile body 1 of a wheel rim 5 gap is wing-like (S) in connection.
Wie deutlich aus Fig. 1 hervorgeht, kann die gegenseitige Nut-Feder-Verbindung an einer einseitigen Bauteilabstufung 9 des einen Radkranzes 5 ausgebildet sein, auf die der andere Radkranz 6 mit einem bezüglich Einbauhöhe und -tiefe ange paßten Abschnitt zentrierend aufgeschoben ist.As is clear from Fig. 1, the mutual tongue and groove connection can be formed on a one-sided component gradation 9 of the one wheel rim 5 , onto which the other wheel rim 6 is pushed centered with a section which is fitted with respect to the installation height and depth.
Gemäß Fig. 1 sind die die Radkränze 5; 6 enthaltenden Läufer abschnitt A; B Bestandteile von Radscheiben 10; 11, worin die eine Bauteilabstufung 9 am einen Radkranz 5 in einen in Rich tung auf die Läuferachse abgewinkelten Verbindungsflansch 12 übergeht; an diesen zuletzt genannten Verbindungsflansch 12 ist die den anderen Radkranz 6 enthaltende Radscheibe 11 festgelegt.Referring to FIG. 1, the the rims 5; 6 containing runner section A; B components of wheel disks 10 ; 11 , wherein the one component gradation 9 on a wheel rim 5 merges into a connection flange 12 angled in the direction of the rotor axis; the wheel disk 11 containing the other wheel rim 6 is fixed to this last-mentioned connecting flange 12 .
Gemäß Fig. 1 kann ferner die Radscheibe 11 mit dem betreffen den anderen Radkranz 6, und zwar auf der von der Nut-Feder-Ver bindung abgewandten Seite mit einem entsprechenden Abschnitt ebenfalls in einer hinsichtlich Einbauhöhe und -tiefe darauf abgestimmten Bauteilabstufung 13 sitzen; diese Bauteilabstu fung 13 wird von einem Trommelwandteil 14 des Läufers gebildet, wobei dieser Trommelwandteil von der genannten Abstufung 13 aus ebenfalls in einen in Richtung auf die Läuferachse abge winkelten Verbindungsflansch übergeht; beide Radscheiben 10; 11 sind gemäß Fig. 1 ferner mittels durch diese sowie die Flansche 12 und 15 hindurchgeführte Schraubbolzen 16 lösbar miteinander verbunden.Referring to FIG. 1 also, the wheel disc 11 may be the related to the other wheel flange 6, on which the tongue and groove Ver also binding side away with a corresponding portion in a respect installation height and depth of it, sit tuned component gradation 13; this component stepping 13 is formed by a drum wall part 14 of the rotor, this drum wall part also passing from said step 13 into a connection flange angled in the direction of the rotor axis; both wheel disks 10 ; 11 Fig. 1 are also connected by means of these, and the flanges 12 and 15 through bolts 16 guided releasably to one another in accordance with.
In den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, können die beiden Läuferabschnitte, und zwar schon im Bereich der äußeren Rad kranzsektionen, mechanisch unlösbar miteinander verschweißt werden. Ferner besteht die Möglichkeit, die Radscheiben 10 und 11 flanschseitig miteinander zu verschweißen. Die Stelle 17 in Fig. 1 verkörpert ferner eine Verschweißung mit weiteren äußeren Trommelstrukturen des Axialverdichterläufers. Not shown in the drawings, the two rotor sections, and in the area of the outer wheel rim sections, can be mechanically permanently welded together. There is also the possibility of welding the wheel disks 10 and 11 to one another on the flange side. The point 17 in FIG. 1 also embodies a weld with other outer drum structures of the axial compressor rotor.
Eine vorteilhafte Verfahrensausgestaltung der Erfindung stellt sich wie folgt dar; es werden zunächst mindestens zwei an ihren Radkranzoberflächen mit in verlangter Umfangsverteilung angeordneten Profilkörpern 1; 2 ver sehene Laufradkörper 10; 11 gesondert hergestellt; hierauf erfolgt eine gegenseitige Flächenbearbeitung einer jeweils hinteren und einer jeweils vorderen Radkranzstirnfläche 3 bzw. 4 im Sinne einer miteinander kommunizierenden Um fangsverdrehsicherung und konzentrischen Flächensitz gewährleistenden nut-federartigen Verbindung beider Lauf räder bzw. Laufradkörper 10; 11; die erfolgte Flächenbear beitung ist derart, daß durch anschließendes axiales zusammenschieben der Radkränze 5; 6 nebst Laufradkörpern 10; 11 jeweils zwei benachbarte Reihen von Profilkörpern 1; 2 sich hinsichtlich deren jeweiligen Austritts- und Ein trittskanten zumindest teilweise spaltflügelartig (S-Fig. 1) überlappen; danach können, wie zuvor schon zu Fig. 1 und 2 beschrieben, die Laufradkörper 10; 11 mechanisch lösbar mit einander verbunden werden oder, alternativ dazu, durch Schweißen unlösbar miteinander verbunden werden.An advantageous method embodiment of the invention is as follows; there are firstly at least two profile bodies 1 arranged on their wheel rim surfaces with the required circumferential distribution; 2 ver seen impeller body 10 ; 11 made separately; this is followed by a mutual surface treatment of a respective rear and a respective front wheel rim end face 3 or 4 in the sense of a communicating order to prevent rotation and concentric surface seating ensuring tongue and groove connection of the two wheels or impeller body 10 ; 11 ; the finished processing is such that subsequent axial pushing together of the wheel rims 5 ; 6 together with impeller bodies 10 ; 11 each two adjacent rows of profile bodies 1 ; 2 overlap at least partially with respect to their respective trailing and a trailing edges (S-Fig. 1 ); thereafter, as previously described for FIGS. 1 and 2, the impeller body 10 ; 11 can be mechanically detachably connected to one another or, alternatively, can be permanently connected to one another by welding.
Aus Fig. 1 und 2 erkennt man ferner, daß sich die betreffen den, die nut-federartige Verbindung ausbildenden und ent sprechend nasenartig provilierten Stirnflächen 3 bzw. 4 im montierten Zustand in einem verhältnismäßig geringen Ab stand zueinander befinden. Dies ist auch Bestandteil der Erfindung und hat den Vorteil, daß radkranzseitige thermische Differenzdehnungen oder aber auch z.B. durch Zentrifugalkräfte hervorgerufene geringfügige Spannungsaus bildungen kompensiert werden können, ohne den festen und schaufelseitig angepaßten Sitz der Radscheiben der Rad kränze zu beeinträchtigen. From Fig. 1 and 2 it can also be seen that the relate to the tongue-and-groove connection forming and accordingly nose-like provilated end faces 3 and 4 in the assembled state in a relatively low from each other. This is also part of the invention and has the advantage that wheel rim-side thermal differential expansions or, for example, caused by centrifugal forces can be compensated for slight tension formation without affecting the fixed and blade-side-adjusted fit of the wheel discs of the wheel rims.
Im übrigen kennzeichnet in Fig. 1 die Ziffer 17′ ein äußeres Gehäuse des Axialverdichters mit daran festgelegten Leit schaufeln 18 und 19. Ferner sind die in Fig. 1 und 2 schon genannten und behandelten Profilkörper 1 bzw. 2 oder 2′ an den Spitzen deckbandlos ausgeführt, so daß die betreffen den freien äußeren Schaufelenden unter Belassung minimaler Radialspalte gegenüber einem Schaufeleinlaufbelag 20 des Verdichtergehäuses 17′ beabstandet angeordnet sind.Otherwise, in Fig. 1, the number 17 'an outer housing of the axial compressor with attached guide blades 18 and 19th Further, the 'are executed deckbandlos at the tips, so that the concern movements of the blade outer ends, leaving minimal radial gap relative to a blade inlet lining 20 of the compressor housing 17' in Fig. 1 and 2, already referred to and treated profile bodies 1 and 2 or 2 spaced .
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