DE4438611A1 - Radialverdichter oder Radialturbine mit einem Leitschaufeln aufweisenden Diffusor oder Turbinenleitkranz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter oder eine Radialturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem dem Laufrad nachgeschalteten Diffusor bzw. vorge­ schalteten Turbinenleitkranz, der durch ein das Laufrad einschließendes Gehäuse gebildet wird und Leitschaufeln aufweist, die mit einer ersten Gehäusewand verbunden sind. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 35 37 587 A1 verwiesen; dabei soll an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß unter den Be­ griff des Radialverdichters auch die als Diagonal­ verdichter bezeichneten Strömungsmaschinen, bei denen das strömende Fluid zumindest anteilig eine Radialkomponente besitzt, fallen sollen. Gleiches gilt bezüglich Radial­ turbinen, bei denen ein mit Leitschaufeln bestückter Leitkranz dem Turbinenlaufrad vorgeschaltet ist.

Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf Radialver­ dichter, da diese wegen der hohen Empfindlichkeit auf Strömungsstörungen aerodynamisch anspruchsvollere Problemlösungen verlangen, ist jedoch in gleicher Weise auf Radialturbinen übertragbar. Bei üblichen Radialver­ dichtern mit Leitschaufeln aufweisenden Diffusoren sind diese Schaufeln mit einer der beiden Wände des das Lauf­ rad einschließenden Gehäuses verbunden, während die an­ dere Wand des zugleich den Diffusor bildenden Gehäuses mit der erstgenannten Gehäusewand verschraubt ist. Übli­ cherweise handelt es sich bei der ersten/erstgenannten Gehäusewand um den sog. Radialleitkranz, d. h. um ein einstückiges, die Leitschaufeln aufweisendes Bauteil, dessen im wesentlichen scheibenförmige Rückwand die hier sog. erste Gehäusewand bildet.

Die Schraubverbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen durchdringt jedoch den Diffusor und stellt somit ein un­ erwünschtes Strömungshindernis dar, dessen Querschnitt möglichst gering gehalten werden soll. Andererseits müs­ sen diese Verbindungsschrauben der beiden Gehäusewände relativ massiv ausgebildet sein, um auch im Falle eines Laufradplatzers sicherzustellen, daß keine Laufradbruch­ stücke aus dem Gehäuse austreten können. Diese hohe Si­ cherheitsanforderung besteht u. a. für Verdichter- und Turbinenlaufräder, die an Fluggasturbinen angeordnet sind. Diese Laufräder müssen daher von sog. Containments umgeben sein, die in der Lage sind, auch im Falle eines Laufradplatzers bei Höchstdrehzahl alle Bruchstücke so abzufangen, daß Folgeschäden nicht entstehen. Besondere Maßnahmen sind hierzu bei Verdichter- und Turbinenlauf­ rädern in radialer oder diagonaler Bauform erforderlich, da anders als bei axialen Laufrädern, bei denen in den meisten Fällen eine das Laufrad umgebende Ringstruktur genügt, aus Montagegründen der umgebende Panzer üblicher­ weise nicht einteilig ausgeführt sein kann. So stellt sich bei einem Radialverdichter die Aufgabe, das Verdich­ tergehäuse und die zum Radialleitkranz gehörende Rückwand so miteinander zu verbinden, daß im normalen Betrieb die Strömung durch den Radialleitkranz so wenig als möglich gestört und im Schadensfalle ein Auseinanderbrechen die­ ser beiden Teile vermieden wird. Wie bereits erwähnt, kommen als übliche Verbindungselemente Schrauben zum Ein­ satz, wobei jedoch die Design-Anforderung eines optimalen Berstschutzes mit einem möglichst großen Verbin­ dungsschrauben-Durchmesser, d. h. einer möglichst großen tragenden Querschnittsfläche, den aerodynamischen Anfor­ derungen widerspricht.

Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer gegenüber dem be­ kannten Stand der Technik die Berstschutzsicherheit we­ sentlich gesteigert werden kann, ohne aerodynamische Nachteile in kauf nehmen zu müssen, ist Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Leit­ schaufeln des Diffusors bzw. Turbinenleitkranzes mit einem Deckband verbunden sind, das mit der zweiten Wand des Gehäuses verbunden ist. Vorteilhafte Aus- und Weiter­ bildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß sind die beiden Gehäusewände über die Diffusor-Leitschaufeln miteinander verbunden, bzw. diese Verbindung über die Diffusor-Leitschaufeln ist zumindest so ausgebildet, daß sie bei einem Laufradplatzer oder dgl. wirksam wird, um dann ein Bersten des Verdichterge­ häuses zuverlässig zu verhindern. Als kraftübertragende Fläche kann somit die gegenüber den bislang üblichen Schraubendurchmessern deutlich größere Leitschaufel-Quer­ schnittsfläche herangezogen werden.

Die Verbindung zwischen der ersten Gehäusewand bzw. dem Radialleitkranz und der zweiten Gehäusewand stellt somit das auf den Leitschaufeln angebrachte Deckband her. Dabei kann die Verbindung sowohl zwischen dem Deckband und den Leitschaufeln, als auch zwischen dem Deckband und der zweiten Gehäusewand stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig ausgebildet sein. In vielen Fällen, so insbesondere bei Turbinenleitkränzen, kann auch ein inte­ gral gegossener Leitkranz, bestehend aus Rückwand, Schau­ feln und Deckband vorgesehen sein. In einer bevorzugten, insbesondere im Hinblick auf die Montage optimierten Aus­ führungsform der Erfindung ist die Verbindung zwischen dem Deckband sowie der zweiten Gehäusewand formschlüssig und insbesondere bajonettverschlußartig ausgebildet. Die Verbindung zwischen dem Deckband sowie den Leitschaufeln hingegen ist in einer bevorzugten Ausführungsform stoff­ schlüssig, und zwar in Form einer Schweißverbindung, die unterschiedlich gestaltet sein kann, oder integral gegos­ sen (insbesondere bei hochwarmfesten sowie nicht schweiß­ baren Werkstoffen), ausgebildet. Dabei kann in Sonderfäl­ len ein Radialverdichter-Diffusor als Integralteil auch über verschiedene zerspanende Fertigungsverfahren (wie Bohren, Fräsen, Erodieren, u. a.) aus einem massiven Halbzeug hergestellt werden. Dies ist einfach möglich bei den sog. "Pipe"-Diffusoren, bei denen zylindrische oder konische Bohrungen unter bestimmten Winkellagen von außen eingebracht werden.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispieles in Form eines Radialverdich­ ters. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Halbschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter,

Fig. 2 in einer Prinzipskizze eine perspektivische Teilansicht der beiden Wände des Radialverdich­ ter-Gehäuses im auseinandergebauten Zustand,

Fig. 3 eine vergleichbare Ansicht, wenn die Wände zum Gehäuse zusammengebaut werden,

Fig. 4 das Detail X aus Fig. 1,

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verbindung zwischen Deckband und Leitschaufeln,

Fig. 6 eine vergleichbare Ansicht auf ein zweites Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 7 eine vergleichbare Ansicht auf ein drittes Aus­ führungsbeispiel, sowie

Fig. 8 eine vergleichbare Ansicht auf ein viertes Aus­ führungsbeispiel für die Verbindung zwischen Deckband und Leitschaufeln.

Mit der Bezugsziffer 1 ist die Rotationsachse eines Radi­ alverdichters bezeichnet, um welche das Verdichter-Lauf­ rad 2. rotiert. Umgeben wird dieses Laufrad 2 von einem Gehäuse, das u. a. die Einströmöffnung 3a sowie die Aus­ strömöffnung 3b des Radialverdichters beschreibt, wobei die Ausströmöffnung 3b als Diffusor ausgebildet ist, der im folgenden ebenfalls unter der Bezugsziffer "3b" ge­ führt wird. Im wesentlichen besteht dieses das Laufrad 2 umgebende Gehäuse aus einer vorderen Gehäusewand 4a sowie einer hinteren Gehäusewand 4b, die Radial-Leitschaufeln 6 trägt und daher auch als Radialleitkranz bezeichnet wer­ den kann. Miteinander verbunden sind die beiden Gehäuse­ wände 4a, 4b u. a. über eine als Schrauben-Verbindung ausgebildete Stift-Verbindung 5. Wesentliche Funktion dieser Stift-Verbindung 5 ist es, die beiden Gehäusewände 4a, 4b gegeneinander zu fixieren.

Die im Diffusor 3b vorgesehenen Leitschaufeln 6, die mit der hinteren bzw. ersten Gehäusewand 4b verbunden bzw. aus dieser herausgearbeitet sind, sind an ihrem gegen­ überliegenden Ende über ein gemeinsames Deckband 7 eben­ falls miteinander verbunden. Dabei kann die erste Gehäu­ sewand 4b zusammen mit den Leitschaufeln 6 sowie dem Deckband 7 ein sog. Integralteil, d. h. ein beispiels­ weise in Feinguß gemeinsam gefertigtes Bauteil bilden, es ist jedoch auch möglich, diese Baueinheit aus verschie­ denen Einzelkomponenten zusammenzusetzen. Aufmögliche Verbindungstechniken zwischen den Leitschaufeln 6 sowie dem Deckband 7 wird an späterer Stelle noch näher eingegangen.

Am hier vorgesehenen Deckband 7 sind über den Umfang ver­ teilt mehrere Haken 8 angeordnet. Diese Haken 8 sind der­ art bemessen, daß sie zwischen Laschen 9, die über dem Umfang der vorderen, zweiten Gehäusewand 4a verteilt an­ geordnet sind, hindurchführbar sind. Bei der Montage des Verdichters werden nun die beiden Gehäusewände 4a, 4b ge­ mäß den Pfeilen in Fig. 2 aufeinander zubewegt; dabei ist selbstverständlich die Stift-Verbindung 5 noch nicht her­ gestellt. Werden anschließend nach einem Hindurchführen der freien Enden der Haken 8 zwischen den Laschen 9 die beiden Gehäusewände 4a, 4b - wie in Fig. 2 und 3 durch Pfeile dargestellt - gegeneinander verdreht, so umgreift jeweils ein Haken 8 eine zugeordnete Lasche 9, wie dies die Fig. 1, 3 zeigen. Dabei erfolgt die in Fig. 3 gemäß Pfeilrichtung auszuführende Verdrehung der beiden Wände bis zu einer Position, in der die Durchgangsbohrungen dieser beiden Wandteile zum Einführen der die Stift-Ver­ bindung 5 bildenden Schrauben deckungsgleich übereinander­ liegen.

Bezüglich der geometrischen Abmessungen der Haken 8 sowie der Laschen 9 empfiehlt es sich, die Haken 8 sowie die Laschen 9 in ihrer Breite derart zu bemessen, daß sie sich im wesentlichen überdecken. Da nunmehr jeweils ein Haken 8 eine Lasche 9 umgreift und da die Haken 8 über das Deckband 7 sowie die Leitschaufeln 6 an der hinteren Gehäusewand 4b befestigt sind, während die Laschen 9 an der vorderen Gehäusewand 4 vorgesehen sind, sind in die­ sem in Fig. 1 gezeigten Stadium über das Deckband 7 mit den Haken 8 die beiden Gehäusewände 4a, 4b bajonettver­ schlußartig miteinander verbunden. Dabei ist diese Ver­ bindung jedoch nur für den Notfall vorgesehen, d. h. diese Verbindung dient als Berstschutz. Die durch die Ha­ ken 8 gebildete Nut 10, in die jeweils eine Lasche 9 ein­ greift, darf nicht zu eng bemessen sein. Vielmehr muß ge­ währleistet sein, daß sich die Lasche 9 leicht in der Nut 10 verschieben läßt, um die beschriebene Montage einfach durchführen zu können. Daher ist - wie Fig. 4 als Einzel­ heit X aus Fig. 1 zeigt - die Nut 10 geringfügig breiter ausgebildet als jede Lasche 9.

Für den Normalbetrieb des Verdichters zusammengehalten wird das aus den beiden Gehäusewänden 4a, 4b bestehende Verdichtergehäuse somit durch die als Schraubenverbindung ausgebildete Stift-Verbindung 5. Diese Schrauben-Stift- Verbindung 5 wird selbstverständlich erst hergestellt, nachdem die beiden Gehäusewände 4a, 4b wie beschrieben bajonettverschlußartig miteinander verbunden worden sind; dabei wirkt diese Schrauben-Stift-Verbindung 5 gleichzei­ tig als Verdrehsicherung, die verhindert, daß sich diese bajonettverschlußartige formschlüssige Verbindung der beiden Gehäusewände 4a, 4b selbsttätig löst.

Wie bereits erwähnt, wird somit über die Schraubenkräfte das Anliegen der Gehäusewand 4a auf dem Deckband 7 des Radialleitkranzes bzw. auf der mit den Leitschaufeln 6 versehenen Gehäusewand 4b sichergestellt. Im Falle eines Laufradplatzens werden diese beiden Gehäusewände 4a, 4b durch die mit hoher Energie auseinanderfliegenden Lauf­ radbruchstücke auseinandergedrückt. Unter dieser schlag­ artigen Belastung werden zunächst nur die Schrauben der Stiftverbindungen 5 gestreckt, bis das beschriebene Spielmaß in der Nut 10 überbrückt ist. Dann wirken die Haken 8 und halten somit die Laschen 9 bzw. die vordere Gehäusewand 4a gemeinsam mit den Schrauben der Stiftver­ bindung 5 an der Gehäusewand 4b fest, so daß ein voll­ ständiges Auseinanderrücken der beiden Containmentteile (Gehäusewände 4a, 4b) ausgeschlossen ist.

Selbstverständlich hängt die Qualität der beschriebenen formschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Gehäuse­ wänden 4a, 4b auch von der Qualität der Verbindung zwi­ schen dem Deckband 7 und den Leitschaufeln 6 ab. Diese Verbindung kann stoffschlüssig beispielsweise durch Schweißen oder auch Löten erzeugt werden. Dabei können die miteinander zu verbindenden Teile, nämlich die Leit­ schaufeln 6 sowie das Deckband 7 stumpf aufeinanderge­ setzt sein und mit einer Löt- oder Schweißnaht in der Be­ rührfläche oder von außen durch das aufliegende Bauteil durchgeschweißt werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Es ist aber auch möglich, gemäß der Darstellung in Fig. 6 im Deckband 7 Nuten 11 vorzusehen, die durch Auf­ tragschweißen ausgefüllt werden. Hiermit entsteht eine auf Zug und Scherung belastete stoffschlüssige Verbindung mit einem zusätzlichen Formschluß durch den aufgetragenen Schweißzusatzstoff.

Schließlich ist es möglich, gemäß den Darstellungen in den Fig. 7, 8 eine ineinandergesteckte Nut- und Federver­ bindung zwischen den Leitschaufeln 6 sowie dem Deckband 7 herzustellen, wobei in jede Nut 11 im Deckband 7 eine sog. Feder 12, die Bestandteil der Leitschaufel 6 ist, hineinragt. Gesichert werden die Schaufeln 6 am Deckband 7 dabei abermals durch eine Kehl- oder I-Schweißnaht bzw. durch Auftragsschweißung, so daß man abermals eine auf Scherung belastete stoffschlüssige Verbindung mit einem zusätzlichen Formschluß durch die zu fügenden Teile er­ hält.

Die somit geschaffene großflächige Kräfteübertragung zwi­ schen den Leitschaufeln 6 sowie dem Deckband 7 muß sich nun im Montagebereich zwischen Deckband 7 sowie der vor­ deren Gehäusewand 4a fortsetzen. Auch hier gibt es grund­ sätzlich die Möglichkeit von kraft-, stoff- oder form­ schlüssigen Verbindungen; dabei ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine formschlüssige, bajonettver­ schlußartig ausgebildete Hakenschloß-Verbindung reali­ siert. Wie bereits erläutert, werden hier ähnlich einem Bajonett-Verschluß durch Drehung um die Rotationsachse 2 die großflächigen Laschen 9 der vorderen Gehäusewand 4a in die durch die Haken 8 des Deckbandes 7 gebildeten Nuten 10 geschoben, wobei - wie ebenfalls bereits erläu­ tert - zur Montage zwischen den Laschen 9 Freiräume vor­ gesehen müssen, um die Haken 8 hindurchschieben zu kön­ nen. Mit dieser bajonettverschlußartigen Hakenschloß­ lösung ist somit zwar nur eine Flächenüberdeckung von et­ was weniger als 50% möglich, doch kann auch diese Flä­ chenabdeckung in Abhängigkeit von den jeweiligen Abmes­ sungen sowie der Formgebung wiederum ein Vielfaches von den Querschnitten der Leitschaufeln 6 sein. Dabei können die Haken 8 sowie die Laschen 9 selbstverständlich auch anderweitig ausgebildet sein, so können beispielsweise die Nuten 10, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach innen hin offen sind, auch nach außen geöffnet sein. Ebenso können die Nuten bei entsprechender Gestaltung auch am jeweils anderen Bauteil, d. h. auch an der Gehäu­ sewand 4a vorgesehen sein.

Die Verbindung zwischen den beiden Gehäusewänden 4a, 4b über die Haken 8 und Laschen 9 vermag deutlich größere Kräfte aufzunehmen, als üblich dimensionierte Stift-Ver­ bindungen 5. Eine Trennung der beiden Gehäusewände 4a, 4b in Längsrichtung der Rotationsachse 1 wird somit sicher vermieden. Insbesondere sind die beiden Gehäusewände 4a, 4b auch bei einem Bersten des Laufrades 2 gegeneinander gesichert, d. h. die beschriebene Verbindung über die Ha­ ken 8 sowie die Laschen 9 stellt einen optimalen Berst­ schutz dar. Im Falle eines Laufradplatzers steht als Berstschutz neben der Stift-Verbindung 5 die um ein Vielfaches größere Fläche der Leitschaufeln 6 zur Kraftübertragung zur Verfügung. Die Tragfähigkeit für den Berstfall ist dann lediglich von der Qualität der Füge­ verbindung zwischen dem Deckband 7 sowie den Leitschau­ feln 6 sowie zwischen den Leitschaufeln 6 und der hinte­ ren Gehäusewand 4b abhängig. Bestimmt wird die Tragfähig­ keit für den Berstschutz ferner von der Stabilität der Verbindung zwischen den Haken 8 sowie den Laschen 9, die aufgrund ihrer Gestaltung auch als Bajonettverschluß-Ver­ bindung bezeichnet werden kann. Sowohl diese Bajonettver­ schluß-Verbindung, als auch die Verbindungen zwischen dem Deckband 7, den Leitschaufeln 6 sowie der Gehäusewand 4b können aber ohne störende Beeinflussung der Aerodynamik deutlich stabiler ausgeführt werden, als die bislang üb­ liche alleinige Stift-Verbindung, welche - wie eingangs erläutert - bei einer ausreichenden mechanischen Dimen­ sionierung stets ein unerwünscht großes Strömungshinder­ nis darstellte. Somit stellt die beschriebene Berstschutzvorrichtung für die Laufräder von Radial- /Diagonalverdichtern oder Radial-/Diagonalturbinen mit­ tels Bajonettverschluß eine sinnvolle Alternative zu den bisher üblicherweise eingesetzten reinen Schrauben­ verbindungen dar, wenn bei gleichzeitiger Forderung nach aerodynamisch ungestörter Verdichtereinheit die Forderung nach einem effektiven Berstschutz zu erfüllen ist. Selbstverständlich können eine Vielzahl von Details ins­ besondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom ge­ zeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den In­ halt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Radialverdichter oder Radialturbine mit einem dem Laufrad (2) nachgeschalteten Diffusor (3b) oder vor­ geschalteten Turbinenleitkranz, der durch ein das Laufrad (2) einschließendes Gehäuse gebildet wird und Leitschaufeln (6) aufweist, die mit einer ersten Gehäusewand (4b) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (6) mit einem Deckband (7) versehen sind, das mit einer zweiten Wand (4a) des Gehäuses verbunden ist.

2. Radialverdichter oder -turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband mit der zweiten Gehäusewand formschlüssig verbunden ist.

3. Radialverdichter oder -turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Ver­ bindung zwischen dem Deckband (7) und der zweiten Gehäuse-Wand (4a) bajonettverschlußartig ausgebildet ist.

4. Radialverdichter oder -turbine nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Gehäusewände (4a) über deren Umfang ver­ teilt mehrere Laschen (9) aufweist, zwischen denen Haken (8), die über dem Umfang des mit der anderen Gehäusewand (4b) über die Leitschaufeln (6) verbun­ denen Deckbandes (7) verteilt angeordnet sind, hin­ durchführbar sind, wonach durch Gegeneinander-Ver­ drehen der beiden Gehäusewände (4a, 4b) jeweils ein Haken (8) eine Lasche (9) umgreift.

5. Radialverdichter oder -turbine nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäusewände (4a, 4b) durch mehrere die Leitschaufeln (6) durch­ dringende Stifte (Stift-Verbindung 5) miteinander verbunden sind.

6. Radialverdichter oder -turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stift-Verbindung (5) als Schrauben-Verbindung ausgebildet ist.

7. Radialverdichter oder -turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband mit den Leitschaufeln stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden ist.

8. Radialverdichter oder -turbine nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband (7) mit den Leitschaufeln (6) als Integralteil zusammenhängend ausgebildet ist.