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Diese Erfindung betrifft eine Scheibe/Schaufeln-Gesamtanordnung eines Turbomaschinen-
Kompressors mit einer Scheibe mit asymmetrischer Umfangsnut zur Aufnahme von Schaufeln
mit hammerförmigem Fuß.
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Ihr Anwendungsgebiet ist die Flugtechnik.
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Bei Turbomaschinen sind verschiedene Arten der Verbindung zwischen den Schaufeln und den
Scheiben bekannt. In der Schrift FR A-2 660 361 von GENERAL ELECTRIC ist eine dieser
Scheibe/Schaufel-Verbindungen beschrieben, bei der die Schaufelfüße schraubenförmig sind.
Die Winkel von jeder Seite des Schaufelfußes zur Fläche der Scheibe ändern sich damit
fortwährend und sind nur zur Mitte des Fußes hin gleich. Eine solche Scheibe/Schaufel
Verbindung wird im allgemeinen bei geräumten Schaufeln verwendet.
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In der Schrift FR A-2 504 975 von ROLLS ROYCE wird eine Schaufel mit Hammerfuß
beschrieben, deren Montage in der Scheibe keine Einführrille erfordert.
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In der Schrift US-A-4 460 315 von GENERAL ELECTRIC ist ein Hammerfuß einer Schaufel
beschrieben, der an einem konischen Ring angebracht wird, bei dem die Winkel der
Auflageflächen β und β' gleich sind, aber entgegengesetzte Neigungen und radial zueinander verschobene
Kontaktflächen haben.
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In US-A-2.295.012 ist ein Befestigungssystem für Schaufeln beschrieben, bei dem der
Schaufelfuß eine parallel zur radialen Schaufelachse verlaufende Auflagefläche an der Schaufelnut
der Scheibe aufweist.
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In der Schrift FR-A-2 697 051 ist eine Kompressorbeschaufelung mit geräumten Schaufelnuten
beschrieben, bei denen man am Außenumfang der Scheibe die Masse mehr oder weniger
erhöht, um die Kraftunterschiede in der Nut zu kompensieren.
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Ein weiteres Konzept für Schaufel/Scheibe-Verbindungen, das dem Fachmann bekannt ist,
besteht aus axialen Verbindungselementen, die am Außenumfang der Scheiben hergestellt sind,
damit die Schaufelfüsse darin eingesetzt werden können.
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Noch ein weiteres, ebenso klassisches Konzept für Schaufel/Scheibe-Verbindungen besteht aus
einer Umfangsnut, die auf dem Außenumfang jeder Scheibe hergestellt ist. Gemäß diesem
Konzept sind die Schaufeln, die in diese Nuten eingesetzt werden, Schaufeln mit
"Hammerfuß", der in diese Nuten eingesetzt wird. Ein solches Konzept einer
Schaufel/Scheibe-Verbindung ist in den Fig. 1A und 1B dargestellt.
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Genauer ausgedrückt, zeigt Fig. 1A schematisch in einer Perspektivansicht eine Scheibe, die
diesem letztgenannten Konzept einer Schaufel/Scheibe-Verbindung entspricht und eine
symmetrische Umfangsnut aufweist, in die die hammerförmigen Schaufelfüße eingesetzt sind. Es ist
also in dieser Fig. 1A die Scheibe 1 dargestellt, die die Umfangsnut 3 aufweist. Diese Nut 3
Ihrerseits weist eine vordere Lippe 5 und eine hintere Lippe 7 auf. Die Schaufel 2 weist wie alle
an der Scheibe 1 eingesetzten Schaufeln einen Schaufelfuß 4 auf dessen Form eindeutig einem
Hammer gleicht. Daher die Bezeichnung "Schaufel mit Hammerfuß".
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In Fig. 1B wurde die gleiche Schaufel/Scheibe-Verbindung wie in Fig. 1A dargestellt, aber in
einer Vorderansicht. Man sieht also in dieser Fig. 1B den Schaufelfuß 4 der Schaufel 2, die
Schaufelnut 3 der Scheibe 1, die vordere Lippe 5 und die hintere Lippe 7. Ferner zeigt diese
Fig. 1B, daß der Schaufelfuß 4 eine Form dergestalt hat, daß er in der Nut 3 festgehalten
werden kann und dabei durch die Lippen 5 und 7 der Nut 3 in der Bewegung begrenzt wird. Diese
Lippen 5 und 7 weisen Einführkerben 6 auf die es ermöglichen, die Schaufelfüße in die Nut 3
einzusetzen. Sie haben ferner die Funktion, den Halt des Schaufelfußes 4 im Inneren der Nut 3
zu gewährleisten, welche Kräfte auch immer auf die Schaufel 2 einwirken.
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Ferner zeigt diese Fig. 1B, daß die Nut 3 symmetrisch ist, wobei die Lippen 5 und 7
Krümmungen aufweisen, deren Neigungen P5 bzw. P7 um den gleichen Winkel 8 zu einer Ebene P
geneigt sind, die im rechten Winkel zur Rotationsachse der Scheibe verläuft. Diese
Rotationsachse wurde in Fig. 1B aus Gründen der Vereinfachung dieser Figur nicht dargestellt; es kann
jedoch angemerkt werden, daß sie im wesentlichen parallel zu der Basis 2a der Schaufel 2
verläuft.
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Da die Winkel 8 zwischen den Neigungen P5 und P7 der Krümmungen der Lippen 5 und 7 und
der Ebene P gleich sind, ist nachzuvollziehen, daß in diesem Fall die Komponenten R1 und R2
der Zentrifugalkraft Fc, die von der Schaufel 2 auf die Lippen 5 und 7 der Nut 3 ausgeübt wird
(und die auch Berührungskräfte auf die Lippen 5 und 7 genannt werden), bezogen auf die
Ebene P symmetrisch und gleich sind. Die Kraftresultierende R dieser Komponenten R1 und R2
hat also die gleiche Richtung und Ausrichtung wie die Zentrifugalkraft Fc, und ihre Nullpunkte
sind auf der radialen Achse der Scheibe ausgerichtet.
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Abgesehen von dieser Zentrifugalkraft Fc belasten noch weitere Kräfte die Verbindung
Schaufel/Scheibe, insbesondere die Belastungen F1 und F2, die durch die Ringe 9 und 11
übertragen werden, welche die einzelnen Scheiben des Kompressors miteinander verbinden.
Diese Belastungen F1 und F2 ergeben sich aus axialen Kräften aerodynamischen Ursprungs,
die von den Schaufeln ausgehen; sie sind daher von einer Schaufelstufe zur anderen
unterschiedlich.
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Außerdem haben die vorderen Ringe und die hinteren Ringe der gleichen Scheibe aus
planerischen Gründen im allgemeinen verschiedene Geometrien. Meistens ist der vordere Ring (Ring
9 in Fig. 1B) konisch, während der hintere Ring (Ring 11 in Fig. 1B) zylinderförmig ist. Daraus
folgt also, daß die vordere Lippe 5 und die hintere Lippe 7 der Umfangsnut 3 nicht den
gleichen Belastungen unterliegen.
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Andererseits werden bei den heute in Turbomaschinen erreichten Druckverhältnissen häufig
sehr merkliche Temperaturunterschiede zwischen der Vorder- und der Hinterseite der
Kompressorscheiben festgestellt.
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Es werden daher sehr häufig große Unterschiede in der Lebensdauer der hinteren und der
vorderen Lippen festgestellt, was zusätzliche Wartungskosten mit sich bringt.
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Und schließlich liegt es auf der Hand, daß das Befestigungssystem die Gefahr birgt, daß eine
Schaufel in der Schaufelnut der Scheibe "verkehrt herum" eingesetzt wird, d. h. daß die
Hinterkante der Schaufel nach vorne an die Stelle der Vorderkante plaziert wird, und umgekehrt.
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In den Fig. 2A und 2B sind Schaufeln mit Hammerfuß dargestellt, die in der Scheibe 1
einer konischen Stromstrecke eingesetzt sind, d. h. einer Stromstrecke, die geneigt ist, wie man
es beispielsweise bei einem Zweikreistriebwerk mit sehr hohem Verdünnungsverhältnis finden
kann. Die konische Form der Stromstrecke erfordert einen großen Abstand zwischen den
radialen Positionen der Auflageflächen der Lippen 5 und 7, d. h. der Innenseiten der Nut, an
denen der Schaufelfuß in Anlage kommt; dieser Abstand hat einen Einfluß auf die axiale Position
der Resultierenden R der Komponenten R1 und R2 der Zentrifugalkraft auf die Lippen 5 und
7. Diese Resultierende R ist also zur Zentrifugalkraft Fc versetzt, was bedeutet, daß der Sinn
und die Richtung der Kräfte R und Fc identisch sind, daß aber ihre Nullpunkte nicht auf der
radialen Achse der Scheibe ausgerichtet sind.
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Das Bezugszeichen d in Fig. 2A bezeichnet den Abstand zwischen der Resultierenden R und
der Zentrifugalkraft Fc, die auf den Schwerpunkt der Schaufel 2 wirkt. Ein solcher Versatz
bewirkt im allgemeinen ein Störmoment auf die Schaufel 2.
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In dieser Fig. 2A ist ein Beispiel einer Stromstrecke mit einer solchen Konizität dargestellt,
daß die Achse der Komponente R1 in unmittelbarer Nähe der Auflagefläche der hinteren Lippe
7 verläuft.
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Unter axialer Belastung sind die Funktionstoleranzen und die Spiele zwischen dem Schaufelfuß
4 und der Schaufelnut 3 der Scheibe 1 dergestalt, daß die Schaufel 2 um den Drehmittelpunkt
C, der sich am Ende der hinteren Lippe 7 befindet, kippen kann.
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In Fig. 2B ist das gleiche Beispiel einer Verbindung Schaufel/Scheibe dargestellt wie in Fig.
2A, aber in der Situation, wenn sich die Schaufel 2 gerade um den Drehmittelpunkt C dreht.
Diese Fig. 2B zeigt deutlich, daß der Schaufelfuß 4 sich aus der Schaufelnut 3 der Scheibe 1
befreien kann.
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Diese Erfindung hat daher zur Aufgabe, die oben genannten Nachteile zu beseitigen. Dazu
schlägt sie für eine Schaufeln/Scheibe-Gesamtanordnung eine Kompressorscheibe vor, deren
Umfangsnut vordere und hintere Lippen aufweist, die asymmetrisch zueinander sind, wobei die
vordere Lippe eine Neigungskrümmung (P5) aufweist, die um einen Winkel α zu dieser Ebene
(P) geneigt ist, die senkrecht zur Rotationsachse verläuft, und die hintere Lippe eine
Neigungskrümmung (P7) aufweist, die um einen Winkel β zu dieser Ebene (P) geneigt ist, die senkrecht
zur Rotationsachse verläuft, wobei der Winkel α größer ist als der Winkel β und die Winkel α
und β ungleich Null sind.
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Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
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Fig. 1A, die bereits beschrieben wurde, zeigt eine Perspektivansicht von Schaufeln, die in der
Schaufelnut einer Scheibe gemäß dem bisherigen Stand eingesetzt sind,
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Fig. 1B, die bereits beschrieben wurde, zeigt eine Vorderansicht der
Schaufel/Scheibe-Verbindung von Fig. 1A
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Fig. 2k die bereits beschrieben wurde, zeigt eine Vorderansicht einer Schaufel/Scheibe-
Verbindung gemäß dem bisherigen Stand in einer Sonderform der Stromstrecke,
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Fig. 2B, die bereits beschrieben wurde, zeigt eine Vorderansicht der Schaufel/Scheibe-
Verbindung von Fig. 2A in dem Fall, wenn die Schaufel aus der Schaufelnut der
Scheibe kippt,
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Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel/Scheibe-Verbindung,
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Fig. 4A zeigt eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel/Scheibe-Verbindung, wie
man sie bei einer stark konischen Stromstrecke findet, und
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Fig. 4B zeigt eine Vorderansicht der Schaufel/Scheibe-Verbindung von Fig. 4A in dem Fall,
wenn die Schaufel um einen Drehmittelpunkt dreht.
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In Fig.
3 ist in einer Vorderansicht die erfindungsgemäße Schaufel/Scheibe-Verbindung
dargestellt. Wie in Fig. 1B, die den bisherigen Stand zeigt, sieht man in dieser Fig. 3 eine Schaufel
2, deren Schaufelfuß 4 in die Umfangsnut 3 der Scheibe 1 eingesetzt ist. In dieser Fig. 3 sind
auch die vordere Lippe 5 und die hintere Lippe 7 der Umfangsnut 3 dargestellt. Wie erkennbar
ist, wurde in dieser Figur die Krümmungsneigung der hinteren Lippe 7 dargestellt, die das
Bezugszeichen P7 hat. Desgleichen wurde die Krümmungsneigung der vorderen Lippe 5
dargestellt, die das Bezugszeichen P5 hat.
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Wie in Fig. 3 zu sehen ist, bildet die Neigung P7 der Krümmung der Lippe 7 einen Winkel β
mit der Ebene P, die senkrecht zur Rotationsachse der Scheibe verläuft, wobei diese
Rotationsachse aus Gründen, die oben bei der Beschreibung von Fig. 1B genannt wurden, nicht
dargestellt wurde. Zugleich bildet die Gerade, die die Neigung P5 der Krümmung der vorderen
Lippe 5 darstellt, einen Winkel α mit der Ebene P.
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Erfindungsgemäß und wie man in dieser Fig. 3 feststellen kann, unterscheidet sich der Winkel
a deutlich von dem Winkel β. In dem Fall von Fig. 3 ist der Winkel α größer als der Winkel β,
wobei die Winkel α und β ungleich Null sind.
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Mit anderen Worten, der Winkel β zwischen der Ebene P und der Auflagefläche der Lippe 7 ist
geringer als der Winkel α zwischen der Ebene P und der Auflagefläche der vorderen Lippe 5.
Diese Anordnung der Ausrichtungen der Neigungen P5 und P7 bewirkt unter Einwirkung der
Fliehkraft unterschiedliche Berührungskräfte R1 und R2. Die Berührungskraft R2, die
aufgrund der Zentrifugalkraft auf die Auflagefläche der Lippe 7 wirkt, ist deutlich kleiner als die
Berührungskraft R1, die aufgrund der Zentrifugalkraft auf die Auflagefläche der Lippe 5 wirkt.
Daher ist die Resultierende R dieser Berührungskräfte R1 und R2 zur hinteren Seite der
Scheibe hin verschoben. Die axiale Anordnung Schaufel/Scheibe unterscheidet sich also von der
beschriebenen Anordnung des bisherigen Standes (Fig. 1B).
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Es läßt sich folglich, um für beide Lippen 5 und 7 der Umfangsnut 3 eine gleichwertige
Lebensdauer zu erreichen, die Bemessung dieser Winkel α und β optimieren, wobei die
Kombination der Berührungskräfte (R1-R2) und die durch die Ringe 9 und 11 übertragenen Kräfte
(F1-F2) sowie die Materialermüdungskennlinien für das Material, aus dem die Scheibe 1
hergestellt ist, berücksichtigt werden, wobei diese Kennlinien von den Temperaturen vor und
hinter der Scheibe abhängig sind.
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Ferner ist leicht zu verstehen, daß durch die Verwendung von
Schaufeln/Scheiben-Verbindungen, bei denen die Nut 3 der Scheibe asymmetrisch ist, das Einsetzen der Schaufel in die
Scheibe erleichtert und dabei ein Einsetzen der Schaufel "verkehrt herum" verhindert, da die
eine Lippe der Nut 3 eine stärkere Krümmung hat als die andere.
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In Fig. 4A ist eine erfindungsgemäße Schaufeln/Scheiben-Verbindung dargestellt, die bei einer
stark geneigten Stromstrecke zur Anwendung kommt. Diese Stromstrecke gleicht der von Fig.
2k in der eine Schaufel/Scheibe-Verbindung gemäß dem bisherigen Stand in einer stark
geneigten Stromstrecke gezeigt wird.
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In dieser Fig. 4A ist ganz wie in Fig. 2A ein Teil der Scheibe 1 mit Ihrer Umfangsnut 3
dargestellt. Es ist zu bemerken, daß aufgrund der Neigung der Stromstrecke, wie in Fig. 2A der
Schaufelfuß 4 eine wesentlich andere Form hat als der Schaufelfuß 4, wie er in Fig. 1B oder in
Fig. 3 gezeigt wird. Dies erklärt sich durch die starke Neigung der Stromstrecke. Dennoch
gehören auch solche Schaufelfüße 4 zu dem Typ Hammerfuß, da die Form dieses
Schaufelfußes stark an einen Hammer erinnert.
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In dieser Fig. 4A ist ferner zu sehen, daß der Schaufelfuß 4 einerseits an der Auflagefläche
der vorderen Lippe 5 anliegt und andererseits an der Auflagefläche der hinteren Lippe 7
anliegt. Wie in Fig. 3 hat die Krümmungsneigung der vorderen Lippe 5 das Bezugszeichen P5
und die Krümmungsneigung der hinteren Lippe 7 hat das Bezugszeichen P7. Die
Berührungskräfte R1 und R2 stehen also senkrecht auf diesen Krümmungsneigungen P5 bzw. P7. Die
Resultierende dieser Berührungskräfte R1 und R2 hat das Bezugszeichen R. Die Neigung P5
bildet mit der Ebene P, die senkrecht zur Rotationsachse der Scheibe 1 liegt, einen Winkel mit
dem Bezugszeichen α. Zugleich bildet die Neigung P7 der hinteren Lippe 7 mit dieser gleichen
Ebene P einen Winkel β. Erfindungsgemäß ist der Winkel α zwischen der Neigung P5 der
vorderen Lippe 5 und der Ebene P deutlich größer als der Winkel β zwischen der Neigung P7 der
hinteren Lippe 7 und der Ebene P.
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Vergleicht man diese Fig. 4A mit Fig. 2A des bisherigen Standes, ist leicht zu erkennen, daß
man bei Verwendung solcher Winkel α und β, wobei α > β, eine Ausrichtung der
Zentrifugalkraft Fc der Schaufel mit der Resultierenden R der Berührungskräfte R1 und R2 auf die an der
vorderen Lippe 5 und der hinteren Lippe 7 anliegenden Berührungsflächen des Schaufelfußes 4
erreicht. Durch diese Ausrichtung der Zentrifugalkraft Fc mit der Resultierenden R der
Berührungskräfte läßt sich vermeiden, daß ein Störmoment entsteht, wie es beim bisherigen Stand
der Fall ist.
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Durch einen Unterschied zwischen den Werten der Winkel α und β können diesseits und
jenseits der Nut 3, d. h. im Bereich der vorderen Lippe 5 und der hinteren Lippe 7,
unterschiedliche mechanische Belastungen erzielt werden. Indem man einen Winkel α wählt, der größer ist
als der Winkel δ des bisherigen Standes, der seinerseits größer ist als der Winkel β, kann unter
Berücksichtigung der Berührungskräfte R1 und R2 und der durch die Ringe übertragenen
Kräfte F1 und und F2 eine im wesentlichen gleichwertige, ja sogar gleiche Lebensdauer für die
vordere Seite der Umfangsnut 3 und die hintere Seite dieser Umfangsnut
erreicht werden.
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Ferner kann durch diese Differenzierung der Winkel α und β die Festigkeit der Schaufel 2
gegen Ausbrechen erhöht werden, d. h. die Festigkeit der Schaufel, wenn diese großen axialen
Belastungen ausgesetzt wird, z. B. wenn Vögel in den Kompressor geraten.
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In Fig. 4B ist die gleiche Schaufeln/Scheiben-Verbindung dargestellt wie in Fig. 4A, aber unter
dem Umstand, daß die Schaufel 2 großen axialen Belastungen ausgesetzt ist und sich um den
Drehmittelpunkt C dreht, der von dem Ende der hinteren Lippe 7 gebildet wird. Vergleicht
man diese Fig. 4B mit der Fig. 2B des bisherigen Standes, wird leicht ersichtlich, welchen
Vorteil es darstellt, einen Winkel α zu wählen, der größer ist als der Winkel δ des bisherigen
Standes, was entsprechend bedeutet, eine vordere Lippe 5 mit stärkerer Krümmung als die des
bisherigen Standes zu wählen. Zugleich entspricht die Wahl eines Winkels β, der kleiner ist als
der Winkel δ von Fig. 2B, der Wahl einer hinteren Lippe 7, deren Krümmungsneigung geringer
ist als die des bisherigen Standes. Durch diese Unterschiede gegenüber dem bisherigen Stand
erklärt sich, daß die Schaufel 2 sich unter axialer Belastung nicht mehr aus der Umfangsnut 3
befreien kann, da ihr Schaufelfuß 4 durch die vordere Lippe 5 gehalten wird. Der Auftreffpunkt
zwischen dem Schaufelfuß 4 und der Lippe 5 der Umfangsnut 3 für den Fall, daß die Schaufel
2 sich um den Drehmittelpunkt C dreht, hat in dieser Fig. 4B das Bezugszeichen I.
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Eine solche Schaufeln/Scheiben-Verbindung mit einer asymmetrischen Umfangsnut 3 zwischen
der vorderen Seite und der hinteren Seite der Scheibe 1 hat so den Vorteil, daß einerseits eine
im wesentlichen gleichwertige, ja sogar gleiche Lebensdauer der hinteren Teile und der
vorderen Teile der Scheibe erreicht wird, und andererseits eine Ausrichtung der Zentrifugalkraft Fc
mit der Resultierenden R der Berührungskräfte der Schaufel in der Schaufelnut der Scheibe
erreicht wird, wodurch die Entstehung von Störmomenten vermieden wird.
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Außerdem gewährleistet diese erfindungsgemäße Schaufeln/Scheiben-Verbindung bei
Kompressoren mit stark geneigter Stromstrecke eine verbesserte Festigkeit der Schaufeln gegen
Ausbrechen, wenn diese großen axialen Belastungen ausgesetzt sind.