DE69402938T2

DE69402938T2 - Gasturbinentriebwerk mit Ausgleichscheiben in dem Rotor des Hochdruckverdichter und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69402938T2
Application number: DE69402938T
Authority: DE
Inventors: Jacky Serge Naudet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2014-10-13
Also published as: US5579644A; EP0648938A1; EP0648938B1; FR2711190B1; JP2967029B2; FR2711190A1; JPH07197824A; DE69402938D1

Description

Die Erfindung betrifft Turboluftstrahltriebwerke, deren Hochdruckverdichter auf der Rotorinnenseite mit Verstärkungsscheiben ausgestattet sind. Solche Scheiben sollen die radialen Kräfte kompensieren, die von den auf der Außenseite des Rotors befestigten Rotorschaufein erzeugt werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, besitzt der Rotor 2 eines Turboluftstrahltriebwerks Schaufeln 4, deren Funktion darin besteht, im Zusammenwirken mit den Schaufeln 5 des Stators 6 den internen Luftstrom des Triebwerks zu komprimieren, bevor er einer Brennkammer 7 zugeführt wird. Der Rotor 2 besitzt außerdem einen stromabwärtigen Austrittskonus 8, der sich zur Achse 10 des Rotors 2 hin verengt.
Nach der Darstellung in Fig. 2 umfaßt ein bekannter Austrittskonus 8 nach dem Stand der Technik in der Hauptsache eine erste Scheibe 9 bekannter Art, die senkrecht zur Achse 10 des Rotors ausgerichtet ist und an ihrem Ende eine Ausgleichsmasse 9A aufweist. Weiterhin befindet sich in der Mitte des konischen Teils 11 dieses Konus 8 eine zweite Scheibe 12 herkömmlicher Art, die ihrerseits ebenfalls in einer Ausgieichsmasse 12A endet. Diese zweite herkömmliche Scheibe 12 ist im allgemeinen weniger groß als die erste Scheibe 9.
Die Funktion dieser bekannten Verstärkungsscheiben 9 und 12 besteht darin, Verformungen des Rotors, d.h. seines stromaufwärtigen Mantelrings 13 und des konischen Austrittsteils 11, zu verhindern. Durch die Wirkung der Zentrifugalkraft tendieren die Schaufeln des Rotors nämlich dazu, den Rotor nach außen auseinanderzuziehen. Die bekannten Scheiben 9 und 12 können diese Kraft ausbalancieren, indem sie, insbesondere durch ihre Ausgleichsmassen 9A bzw. 12A eine interne Trägheit erzeugen. Die Ausgleichsmassen 9A und 12A sind nämlich auf Radien angeordnet, die in bezug auf die Rotationsachse 10 des Rotors, erheblich kleiner sind als die des Schaufelfußes auf dem Mantering. Dieses Ausgleichsphänomen ist in der Zeichnungsfigur durch entgegengesetzt gerichtete vertikale Pfeile F angedeutet.
Ein Nachteil der herkömmlichen Scheiben 9 und 12 besteht darin, daß sie eine relativ große Masse haben, die hauptsächlich auf die Ausgleichsmassen 9A und 12A zurückzuführen ist. Darüber hinaus ist in Fig. 2 in strichpunktierten Linien die Verformung des Austrittskonus beim Betrieb des Motors dargestellt. Er erfährt gleichzeitig eine Verbreiterung und eine Verlängerung zur stromabwärtigen Seite hin. US-A-5 213 475 zeigt ein Beispiel solcher Reahsierungsformen.
Ziel der Erfindung ist es, zu versuchen, den Rotor leichter zu machen und trotz leichterer Bauweise die von den Schaufeln verursachte Verformungen zu verhindern.
Zu diesem Zwecke besteht ein erster Hauptgegenstand der Erfindung in einem Turboluftstrahltriebwerk mit einem Hochdruckverdichter, der einen Mantering und einen Austrittskonus umfaßt, die im Innern des Rotors mit Scheiben ausgestattet sind, um die von den Schaufeln des Rotors aufletzteren ausgeübten Zentrifugaikräfte auszugleichen.
Erfindungsgemäß sind gewisse Ausgleichsscheiben relativ zur Rotationsachse des Rotors konisch ausgebildet und besitzen keine Ausgleichsmassen. Die Ausgleichsscheibe in dem Austrittskon us ist vorzugsweise zur stromaufwärtigen Seite des Turboluftstrah ltriebwerks hin geneigt.
In diesem Fall ist außerdem eine nicht konische Scheibe mit einer Ausgleichsmasse vorgesehen, die in dem stromaufwärtigen Teil des Austrittskonus angeordnet ist.
Ein zweiter Hauptgegenstand der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckverdichterrotors für ein Turboluftstrahltriebwerk, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:
- Schmieden, um Schmiederohstücke zu gewinnen, die Manteiringteilstücke und einen Austrittskonus bilden, wie sie in den vorangehenden Absätzen beschrieben wurden, wobei das Rohstück des Austrittskonus eine Form besitzt, die den endgültigen Austrittskonus umschließt und relativ zur Hüllfläche des Austrittskonus keine Vertiefungen aufweist,
- Reibungsstumpfschweißen der verschiedenen Teilstücke und des Austrittskonus und
- Herausarbeiten der endgültigen Formen des Rotors.
Der Austrittskonus besteht vorzugsweise aus einer durch Pulvermetallurgie gewonnenen Legierung auf Nickelbasis.
Die Erfindung und ihre technischen Merkmale werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen weiter verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Turboluftstrahltriebwerk nach dem Stand der Technik, das sich erfindungsgemäß umgestalten läßt,
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Austrittskonus eines Hochdruckverdichters eines Turboluftstrahltriebwerks nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Austrittskonus eines Hochdruckverdichters eines Turboluftstrahltriebwerks gemäß der Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch herkömmliche Scheiben, die in Turboluftstrahltriebwerken nach dem Stand der Technik verwendet werden,
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch Ausgleichsscheiben gemäß der Erfindung,
Fig. 6 und 7 zeigen die Verformung des Rohlings eines Austrittskonus nach dem Stand der Technik,
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch einen anderen Rohling eines Austrittskonus nach dem Stand der Technik,
Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch einen Rohling eines Austrittskonus gemäß der Erfindung.
Es sei auf Fig. 3 Bezug genommen, in der der Austrittskonus gemäß der Erfindung mit einer herkömmlichen Scheibe 9 dargestellt ist, die am Eingang des Austrittskonus angeordnet ist. ln seinem konischen Teil 11 besitzt der Austrittskonus 8 hingegen eine Ausgleichsscheibe 13, die gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Die Richtung dieser Neigung ist so gewählt, daß die Ausgleichsscheibe 13 die Tendenz hat, sich senkrecht zur Innenwandung des konischen Teils 11 des Austrittskonus 8 auszurichten. Mit anderen Worten, ihr Endbereich 13A ist, bezogen auf die Fließrichtung der Strömung, stromaufwärts gerichtet.
Wie der von links nach rechts gerichtete horizontale Pfeil F&sub1; andeutet, hat der Endbereich 13A der geneigten Ausgleichsscheibe 13 die Tendenz, sich bei hohen Drehzahlen des Rotors der Rotationsachse 10 des Rotors anzunähern, d. h. in Richtung auf die stromabwärtige Seite zu wandern. Aufgrund der Neigung der geneigten Ausgleichsscheibe 13 und aufgrund der Konizität des konischen Teils 11 hat die auf den Endbereich 13A der geneigten Ausgleichsscheibe 13 ausgeübte Kraft eine axiale Komponente Ea und eine radiale Komponente Er. Diese radiale Komponente Er kompensiert die dargestellte Kraft F gegenüber der Basis der geneigten Ausgleichsscheibe 13.
In Fig. 3 ist die Position des Austrittskonus 8 im Betrieb des Turboluftstrahltriebwerks in strichpunktierten Linien dargestellt.
Es sei nun Fig. 4 betrachtet, in der ein Teil des Mantelrings eines Hochdruckverdichters eines Turboluftstrahltriebwerks nach dem Stand der Technik mit drei herkömmlichen Scheiben dargestellt ist, d. h. mit Scheiben, die eine Ausgleichsmasse besitzen. Diese Scheiben 3 sind senkrecht zu dem Mantering 2A des Rotors ausgerichtet. Ihre jeweiligen Ausgleichsmassen 3A befinden sich in einem Abstand d von der Achse 10 des Turboluftstrahltriebwerks. Dieser Abstand d ist aufgrund der Größe der Scheiben 3 relativ klein. Intervalle deuten die relativ engen Zwischenräume an, die die Ausgleichsmassen 3A voneinander trennen. Man erkennt, daß es vergleichsweise schwierig ist, zwischen den herkömmlichen Scheiben 3 nach dem Stand der Technik Wartungs- oder Reparaturapparaturen oder -vorrichtungen einzuführen.
Es sei nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die einen gleichartigen Schnitt durch einen Teil des Mantelrings eines Hochdruckverdichters eines Turboiuftstrahltriebwerk gemäß der Erfindung zeigt. Man erkennt, daß die Ausgleichsscheiben 13 gegenüber einer zur Achse 10 des Turboluftstrahltriebwerks und dem Teil des Mantelrings 2A senkrechten Ebene merklich geneigt sind. Da ihre Größe relativ sehr viel geringer ist als diejenige der Scheiben nach dem Stand der Technik, ist außerdem der Abstand d', der ihre Enden 13A von der Achse 10 des Turboluftstrahltriebwerks trennt, größer. Man erkennt außerdem, daß der Zwischen raum p', der die einzelnen Ausgleichsscheiben 13 voneinander trennt, größer ist als der Zwischenraum p in Fig. 4. Dies hat den Vorteil, daß es das Einführen von Wartungs- und Reparaturvorrichtungen zwischen die Ausgleichsscheiben 13 erlaubt.
Es ist erkennbar, daß die Ausgleichsscheiben 13 relativ zu dem Durchlauf der Luftströmung in dem Turboluftstrahltriebwerk stets in stromaufwärtiger Richtung geneigt sind.
Fig. 6 zeigt einen Rohling oder ein Schmiederohstück, aus dem der in Fig. 2 dargestellte Austrittskonus 8 hergestellt werden soll. Man erkennt, daß der linke Teil 19, der die zukünftige Scheibe 9 von Fig. 2 umschließt, relativ groß ist, d. h. daß dieser Schenkel, insbesondere in Richtung der Achse 10 des Turboluftstrahltriebwerks recht voluminös ist. Der zentrale Schenkel 18, der die zßkünftige Scheibe 12 von Fig. 2 umschließt, ist kleiner, und sein Raumbedarf ist nur mittelgroß. Man erkennt, daß zwischen den beiden Schenkeln 18 und 19 und zwischen dem zentralen Schenkel 18 und dem rechten Endbereich 15 des Rohlings Hohlräume 16 und 17 vorgesehen sind.
Um den Austrittskonus durch Reibungsschweißen mit dem stromaufwärtigen Manteringteil zu verbinden muß man, wie in Fig. 7 angedeutet, auf die stromabwärtigen Seite des Werkstücks eine sehr große Druckkraft Fp ausüben, wie dies der Pfeil rechts in Fig. 7 zeigt. Wenn die Form des Rohlings oder des Rohstücks Vertiefungen, wie die Vertiefungen 16 und 17, aufweist, würde diese große Kraft Fp das Werkstück "akkordeonartig" falten, wie dies durch die Form des Werkstücks in Fig. 7 angedeutet ist. Der Rohling müßte in diesem Fall also eine Form haben, wie sie in Fig. 6 in strichpunktierten Linien dargestellt und mit 14 bezeichnet ist. Mit anderen Worten, die Vertiefungen 16 und 17 müssen ausgefüllt sein. Daraus ergeben sich ein sehr großes Gewicht und ein sehr großes Volumen für das Rohstück, und es sind weitere umfangreiche Bearbeitungen erforderlich. Die Kosten des fertigen Werkstücks sind also deutlich höher.
Wenn man, wie in Fig. 8 angedeutet, versucht, das Gewicht des Rohlings zu begrenzen, muß man in Höhe der zukünftigen herkömmlichen Scheibe 12 einen zentralen Teil 23 hinzufügen und 21 und in dem Werkstück relativ kleine Vertiefungen 20 anbringen.
Wenn man nun, wie in Fig. 9 dargestellt, die herkömmliche Scheibe 12 durch eine Ausgleichsscheibe 13 gemäß der Erfindung ersetzt, kann das Rohstück oder der Rohling ein Volumen haben, das demjenigen des Werkstücks 8 ohne den zentralen Ansatz 23 entspricht. Es kann also eine große Kraft Fp auf der stromabwärtigen Seite aufgebracht werden, um den Austrittskonus durch Reibungsschweißen mit dem Manteiring des Hochdruckverdichters zu verbinden. Die Kosten des Werkstücks werden so gegenüber denjenigen eines Werkstücks, das auf der Basis der herkömmlichen Scheiben 12 und 9 von Fig. 2 hergestellt ist, verringert.
Das Verfahren zur Herstellung des vorangehend beschriebenen Austrittskonus für den Hochdruckverdichter eines Turboluftstrahltriebwerks besteht also in der aufeinanderfolgenden Ausführung folgender Arbeitsschritte:
1. Zunächst wird ein Rohling geschmiedet, um ein Schmiederohstück zu gewinnen, dessen Außenform den endgültigen Austrittskonus umschließt und keine Vertiefungen aufweist außer einer in Fig. 9 mit 24 bezeichneten Vertiefung zwischen dem linken Teil 22 des die herkömmliche Scheibe 9 umschließenden Stücks und dem die Ausgleichsscheibe 13 gemäß der Erfindung umschließenden Materials. Mit anderen Worten, die Innenfläche 25 dieses Austrittskonus ist zvlindrisch und hat einen geringfügig kleineren Durchmesser als den durch das Ende 13A der Ausgleichsscheibe 13 begrenzten Durchmesser.
2. Daran schließt sich ein Reibungsschweißvorgang an, mit dem der Rohling mit dem Rest des das zentrale Teilstück des Hochdruckverdichters des Turboluftstrahltriebwerks bildenden Mantelrings verbunden wird.
3. Durch maschinelle Bearbeitung des Gesamtkompiexes werden die endgültigen Innenund Außenformen des gesamten Rotors hergestellt.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform des Austrittskonus eine durch Pulvermetallurgie gewonnene Superlegierung auf Nickelbasis verwendet wird.
Die Verwendung derartiger geneigter Scheiben verbessert also die radiale Zugänglichkeit zu dem Innenraum des Mantelrings des Hochdruckverdichters. Die verwendeten Rohstücke oder Rohlinge sind billiger herzustellen, und man erreicht eine nicht unerhebliche Massenverringerung.

Claims

1. Turboluftstrahltriebwerk mit einem Hochdruckverdichterrotor, der einen Mantering und einen Austrittskonus (8) umfaßt, die im Innern des Rotors mit Schaufeln und Scheiben (9, 13) ausgestattet sind, um die von den Schaufeln auf den Körper des Rotors ausgeübten Zentrifugaikräfte auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, daß gewisse Ausgleichscheiben (13) relativ zur Rotationsachse des Rotors konisch ausgebildet sind und keine Ausgleichmassen besitzen.

2. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichscheibe (13) in dem Austrittskonus (8) des Rotors zur stromaufwärtige Seite des Turboluftstrahltriebwerks hin geneigt ist.

3. Turboluftstrahltriebwerk nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es eine Scheibe (9) mit einer Ausgleichmasse (9A) aufweist, die in dem stromaufwärtigen Teil des Austrittskonus (8) angeordnet ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckverdichterrotors für ein Turboluftstrahltriebwerk mit folgenden Verfahrensschritten:

Schmieden, um Schmiederohstücke oder Rohlinge von Manteringteilstücken und des Austrittskonus (8) zu gewinnen, wie sie in Anspruch 3 definiert sind, wobei das Schmiederohstück, das den Rohling des Austrittskonus bildet, gegenüber der Hüllfläche des Austrittskonus keine Vertiefung aufweist,

Reibungsstumpfschweißen der verschiedenen Teilstücke und des Austrittskonus (8) und

Herausarbeiten der endgültigen Außentormen des Rotors.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittskonus aus einer durch Pulvermetallurgie gewonnenen Superlegierung auf Nickelbasis besteht.