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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Leitapparat eines Verdichters,
der eine Folge von Leitapparaten oder Statorstufen umfasst, die
durch Rotorstufen von Laufschaufeln getrennt sind, wobei jeder Leitapparat
aus Leitschaufeln besteht, die einen Innenring mit einem Außenring
verbinden.
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Stand der Technik
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Koaxiale
Verdichter sind an sich wohlbekannt (siehe US-A-5569019) und finden
in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Verwendung. Insbesondere
werden sie in Zweiwellentriebwerken, Turbogebläsen und Turbinenluftstrahltriebwerken verwendet.
Auch in Elektrizitätswerken
werden sie eingesetzt. Diese Verdichter vom Typ Niederdruckverdichter
oder Hochdruckverdichter bestehen im Wesentlichen aus mehreren Stufen
von Laufschaufeln oder Rotorstufen, die von Leitapparaten oder Statorstufen
getrennt sind, die dazu dienen, den Vektor der Geschwindigkeit des
Mediums, das aus der vorhergehenden Stufe austritt, umzulenken (zurückzulenken),
bevor es in das nachfolgende Abteil geleitet wird.
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Jeder
dieser Leitapparate besteht im Wesentlichen aus Leitschaufeln, die
einen Außenring mit
einem Innenring verbinden, die beide konzentrisch sind.
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Das
Problem besteht darin, dass diese Leitapparate relativ hohen Belastungen
ausgesetzt sind, die unter anderem durch Vibrationen verursacht
werden, was zu schnellem Verschleiß durch Ermüdung führt.
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Um
dieses Ermüdungsproblem
zu lösen, wurde
vorgeschlagen, die Ringe zu versteifen. Durch die Versteifung der
Ringe, und insbesondere der Innenringe der ersten Verdichtungsstufen
können
in der Tat die Eigenfrequenzen bestimmter Beanspruchungsmoden, die
eine übermäßige Abnutzung
dieser Ringe verursachen, verschoben werden.
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Es
wurden mehrere Lösungen
für eine
Versteifung in Betracht gezogen. Insbesondere wurde die Verwendung
von Versteifungen in Form von Bandagen vorgeschlagen, die auf dem
Innenring oder auf dem Außenring
auf der nicht funktionalen Seite hergestellt werden. Es wurde ebenfalls
vorgeschlagen, Treppen in das Blech des Innen- oder Außenrings einzuarbeiten.
Diese Bandagen oder Treppen können
auch von einem angeschweißten
oder angenieteten Anbauteil gebildet werden. Um die Abdichtung zwischen
den Stufen zu verbessern, ist es zudem üblich, unter dem' Blech des Innenrings
des Leitapparats ein Elastomerteil anzubringen, das für eine Kapselung
der Leitschaufel auf dem Innenring sorgt und ebenfalls als Dichtung
zwischen den Lauf- und Leitelementen dient. Dadurch wird das Zurückströmen der Gase
in die vorhergehende Stufe verhindert, was bei einem Turbogebläse zum Überziehen
des Motors führen
könnte.
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Nichtsdestotrotz
sind die verschiedenen Lösungen,
die nach dem Stand der Technik vorgeschlagen wurden, relativ kostspielige
Lösungen,
da relativ viel Material zur Bearbeitung des Blechs der Ringe benötigt wird.
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Ein
weiteres wichtiges Problem bei Leitapparaten eines Verdichters besteht
darin, dass die besagten Schaufeln in besonders effizienter Weise
an den Ringen zu befestigen sind. In der Tat muss diese Verbindung
der Schaufeln mit den Ringen optimal sein, damit sie auch Unfällen wie
etwa dem Bruch einer Schaufel oder dem Eindringen eines Fremdkörpers, zum
Beispiel eines Vogels in dieses Turbinenluftstrahltriebwerk, standhalten
kann.
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Außerdem führt eine
Verschiebung der Schaufeln in Bezug auf die Ringe zu einem hohen Verschleiß mit einem
Ermüdungsriss,
der zum Bruch der besagten Schaufeln oder selbst des Rings führen kann.
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Üblicherweise
wird die Verbindung der Schaufeln mit dem Innen- und Außenring
durch Nieten oder durch Schweißen
hergestellt. Jedoch hat der Einsatz dieser Befestigungsmittel den
wesentlichen Nachteil, dass sie die Strömung stören und einen Druckverlust
im aerodynamischen Strahl verursachen.
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Aufgaben der Erfindung
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Diese
Erfindung hat die Aufgabe, eine Lösung anzubieten, die die Funktion
der Versteifung des Innenrings und die Rückhaltefunktion der Schaufeln
eines Leitapparats eines Axialverdichters in sich vereinigt.
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Insbesondere
hat die Erfindung die Aufgabe, eine Lösung anzubieten, die durch
eine sehr einfache Montage gekennzeichnet ist und keine zusätzlichen Montagevorgänge erfordert.
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Außerdem hat
die Erfindung die Aufgabe, eine Lösung anzubieten, bei der der
aerodynamische Strahl der Strömung
nicht durch Schweißnähte oder Niete
am Ring gestört
wird.
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Diese
Erfindung hat außerdem
die Aufgabe, eine Lösung
mit niedrigen Kosten anzubieten.
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Wichtigste charakteristische
Elemente der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Leitapparat eines Verdichters,
der zwei Ringe umfasst, einen Außenring und einen Innenring,
die beide konzentrisch und vorzugsweise kreisförmig sind und die miteinander
durch eine Reihe Leitschaufeln verbunden sind. Wenigstens der Innenring
ist mit Schlitzen oder Ausschnitten versehen, die es ermöglichen, dass
die besagten Leitschaufeln durch diese Schlitze geführt werden.
Die Schaufeln selbst weisen an dem Ende, das sich auf der Seite
des Innenrings befindet, einen zweiten Ausschnitt auf, der zur Durchführung eines
Rückhalte-
und Versteifungsteils dient, das eine Federfunktion aufweist. Dieses
Rückhalte-
und Versteifungsteil ermöglicht
auf vorteilhafte Weise die paarweise Verbindung der Schaufeln auf
der nicht funktionalen Seite, d.h. auf der Innenseite des Innenrings.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindung weist das Rückhalte-
und Versteifungsteil im Wesentlichen die Form eines ausgestanzten,
in der Mitte gefalteten Formblechs auf, das mit zwei Flachzapfen
versehen ist, die durch die Ausschnitte von zwei aufeinanderfolgenden
Leitschaufeln gesteckt werden.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise wird dadurch, dass dieses Teil gefaltet
ist, eine Federfunktion dieses Teils ermöglicht, zum Beispiel wie bei
einer Feder vom Typ „Haarklammer".
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Auf
besonders vorteilhafte Weise ist zu beobachten, dass die Montage
einfach und bequem ist und dergestalt ausgeführt wird, dass das besagte Rückhalte-
und Versteifungsteil vorgespannt wird, dass es dann in die Ausschnitte
von zwei aufeinanderfolgenden Leitschaufeln eingeschoben wird und dann
einfach losgelassen wird. Sobald dieses Teil montiert ist, werden
die zwei aufeinanderfolgenden, verbundenen Schaufeln durch die Federwirkung
auseinander gedrückt.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise erfolgt die Positionierung des besagten
Teils gegen den Rand der Ausschnitte des Rings.
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Dies
bewirkt auf besonders vorteilhafte Weise, dass die besagten Schaufeln
am Innenring gehalten werden, verursacht aber auch eine Versteifungswirkung
am gesamten Innenring, wodurch es zu einer Verschiebung der Eigenfrequenzen
bestimmter Beanspruchungsmoden an den Ringen kommt.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise werden diese Teile anschließend in
ein Elastomerteil eingebettet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine allgemeine Ansicht der Verdichtungsstufe eines Turbogebläses mit
einer Vorrichtung zur Versteifung der Ringe gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt
ein Detail der 1, das die Versteifungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik zeigt, mit Versteifungen am Innenring.
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3 zeigt
die Rückhaltevorrichtung,
die in der Lösung
gemäß dieser
Erfindung verwendet wird.
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4 zeigt
die Rückhaltevorrichtung
gemäß der Erfindung,
die am Innenring und an zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln so angebracht
ist, dass sie die Versteifung des besagten Innenrings ermöglicht und
die Schaufeln auf diesem Ring hält.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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1 zeigt
die Verdichtungsstufe eines Turbogebläses. Diese Verdichtungsstufe
besteht aus zwei Arten von Teilen:
- – einerseits
beweglichen Teilen, die im Wesentlichen aus dem Rotor 1 mit
mehreren Reihen Laufschaufeln 3, 3', 3'' gebildet
werden, die mehreren aufeinanderfolgenden Rotorstufen entsprechen, und
- – andererseits
feststehenden Teilen, die die Statorstufen bzw. Leitapparate 2, 2', 2'' bilden, die die Rotorstufen 3, 3', 3'' trennen.
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Jeder
Leitapparat 2, 2', 2'' wird im Wesentlichen durch einen
Innenring 4, 4', 4'', einen Außenring 5, 5', 5'' und Reihe Leitschaufeln 6, 6', 6'', die den besagten Innenring mit
dem besagten Außenring
verbinden, gebildet.
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Vorzugsweise
sind diese Innenringe 4, 4', 4'', ...
und diese Außenringe 5, 5', 5'', ... jedem Leitapparat 2, 2', 2'', ... eigen. Genauer gesagt stellen
sich die besagten Innenringe 4, 4', 4'',
... und die besagten Außenringe 5, 5', 5'', ... als ringförmige Metallbleche dar, während die
Leitschaufelreihen 6, 6', 6'' Blechen entsprechen,
die bei jeder Reihe einen Innenring radial mit einem Außenring
verbinden.
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Außerdem ist üblicherweise
ein Elastomerteil 7, 7', 7'',
... auf der inneren Oberfläche
der entsprechenden Innenringe 4, 4', 4'',
... vorhanden. Diese Elastomerteile 7, 7', 7'', ... erfüllen die Funktion von Dichtungen
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rotor- und Statorstufen.
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Das
Gas strömt
zuerst durch den ersten Leitapparat 2 des Verdichters,
wo sein Vektor der Geschwindigkeit umgelenkt wird, um dann von der
ersten Rotorstufe mit Laufschaufeln 3 angetrieben zu werden,
bevor es den zweiten Leitapparat 2' erreicht, um wieder in 3' umgelenkt zu
werden usw. Das Gas durchläuft
so einen Zyklus aus Antrieb und Umlenken, an dessen Ende seine kinetische
Energie progressiv abnimmt, während
sein Druck steigt.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden, wie in den 1 und 2 dargestellt,
Treppen 8 in das Blech des Innenrings 4 eingearbeitet,
um den besagten Ring zu versteifen, insbesondere den ersten Leitapparat 2.
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Die
Alternative gemäß dieser
Erfindung besteht darin, einen Ring zu versteifen und gleichzeitig eine
Rückhaltefunktion
zu gewährleisten,
durch die die Schaufeln auf dem besagten Ring gehalten werden.
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Das
Rückhalteteil 100 für die Schaufeln
ist in 3 im Detail beschrieben. Man sieht, dass es im Wesentlichen
die Form eines ausgestanzten, gebogenen Formblechs 110 mit
zwei Flachzapfen 117 und 119 hat. Die Formgebung
und die Zusammensetzung des Blechs 110 sind dergestalt,
dass das Teil 100 mit einer Feder vom Typ „Haarklammer" verglichen werden
kann.
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4 zeigt
das Prinzip, das dieser Erfindung zugrunde liegt und erklärt die Anordnung
des Rückhalte-
und Versteifungsteils 100 am Ring und an zwei aufeinanderfolgenden
Schaufeln, um gleichzeitig die Versteifung dieses Rings und den
Halt der zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln auf diesem Ring zu
gewährleisten.
Gemäß diesem
Prinzip ist der Ring, vorzugsweise der Innenring 4, mit
einer Reihe von Schlitzen oder Ausschnitten 42, 42' versehen, die
die Befestigung der aufeinanderfolgenden Schaufeln 60, 61, 62,
.... mit ihren Enden 51, 51' vorzugsweise auf der Innenseite
des besagten Rings 4 ermöglichen. Die Enden 51, 51' der besagten
Schaufeln weisen selbst Ausschnitte 52, 52' auf. Die besagten
Schaufeln 60, 61, 62, ... sind mit dem
Ring 4 mit Hilfe des Rückhalte-
und Versteifungsteils 100 verbunden. Genauer gesagt befinden
sich die Flachzapfen 117 und 119 des besagten
Rückhalte-
und Versteifungsteils 100 in den Ausschnitten 52, 52' der beiden
aufeinanderfolgenden Schaufeln 60, 61, 62,
... Das Rückhalte-
und Versteifungsteil 100 ermöglicht somit die paarweise
Verbindung der Schaufeln (60 und 61, 62 und 63,
usw.) bei den Leitapparaten. Im konkreten Fall übt man zum Einsetzen des Rückhalte-
und Versteifungsteils (100) in die Schaufeln 60, 61, 62,
... eine Vorspannung (siehe Pfeile in 3) auf dieses Teil
aus, wie man es zur Benutzung einer Zuckerzange machen würde. Dann
setzt man das Teil 100 so ein, dass seine abgeflachten
Zapfen 117, 119 in den jeweiligen Ausschnitte 52 und 52' der aufeinanderfolgenden
Schaufeln 60, 61, 62... platziert werden. Schließlich lässt man
das besagte Teil 100 einfach wieder los. Sobald es montiert
ist, wirkt die Federwirkung des Rückhalte- und Versteifungsteils 100,
indem es die aufeinanderfolgenden Schaufeln 60, 61, 62...
auseinander gedrückt
hält.
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Schließlich ist
es üblich,
die ganze Vorrichtung, das heißt
das Rückhalte-
und Versteifungsteil 100 und die Enden der Schaufeln in
ein Elastomerteil 200 einzubetten, das es ermöglicht,
das Ende der Schaufel am Ring einzukapseln.
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Dadurch
wird außerdem
die Dichtigkeit des gesamten Leitapparats verbessert.