DE69523026T2

DE69523026T2 - Kompressor Rotornabe

Info

Publication number: DE69523026T2
Application number: DE69523026T
Authority: DE
Inventors: Mark G. Duer; Bernard L. Koff; Steven G. Koff; Bruce V. Lyon
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: US5950308A; JPH08232679A; JP3872830B2; EP0718469B1; US5562404A; EP0718469A1; DE69523026D1

Description

Die Erfindung betrifft Rotationsmaschinen und Gasturbinenmaschinen und liefert gemäß einem ersten Aspekt einen Verdichter in oder für eine Gasturbinenmaschine oder eine andere Rotationsmaschine, wobei der Verdichter auskragenden Statorleitschaufeln, die an ihrem äußeren Durchmesser abgestützt sind, wobei jede der auskragenden Statorleitschaufeln eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, und eine Rotationsnabe aufweist, die dem Innendurchmesser der Statorleitschaufeln benachtbart ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe Einrichtungen zum Rezirkulieren eines Teils der durch die Statorleitschaufeln strömenden Hauptluftströmung oder Hauptfluidströmung aufweist, um Strömung mit niedrigem Impuls daraus zu entfernen, um diesen Teil der Hauptluftströmung zu behandeln und den behandelten Teil zurück in den Hauptluftstrom zu bringen, wobei die Einrichtung eine ringförmige Passage mit einem der Hinterkante benachbarten Einlass und einem der Vorderkante benachbarten Auslass und eine Mehrzahl von darin angeordneten, umfangsmäßig beabstandeten Leitelementen aufweist, wobei die Passage derart ausgebildet ist, dass die Leitelemente integral in der Nabe gebildet sind und eine obere Oberfläche aufweisen, wobei die Nabe so konturiert ist, dass sie einen Teil der ringförmigen Passage und den Einlass definiert, wobei die Nabe ferner eine ringförmige Abdeckung, die an der oberen Oberfläche der Leitelemente abgestützt ist und zusammen mit der Nabe einen anderen Teil der Passage und den Einlass definiert, und einen ringförmigen Abstützring aufweist, der bezogen auf die Hauptluftströmung oder die Hauptfluidströmung axial strömungsaufwärts von der ringförmigen Abdeckung angebracht ist und mit der Nabe und der ringförmigen Abdeckung den Auslass definiert.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen einer Naben-Behandlungseinrichtung mit einer Leitelement -Passage bereit, welches folgende Schritte aufweist:
- Vorformen einer ringförmigen Scheibe aus einem Rohmaterial, die gegenüber der Endkonfiguration übermaßig ist und einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser aufweist;
- Bearbeiten des Außendurchmessers, um eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Leitelementen zu bilden und Konturieren der oberen Oberfläche der beabstandeten Leitelemente, um einen Teil der Passage und eine Trennfläche zu definieren,
- Vorformen einer ringförmigen Abdeckung aus einem Rohmaterial, die gegenüber der Endkonfiguration übermaßig ist;
- Bearbeiten der ringförmigen Abdeckung, um einen Teil der Passage zu bilden, der mit dem Teil der Passage in der Scheibe ausgerichtet ist,
- Diffusionsverbinden der Abdeckung und der Scheibe durch Aufbringen von Wärme und Druck auf die an der Scheibe montierte Abdeckung an der Trennfläche, wobei die Abdeckung und die Scheibe in einen Werkzeugring vor den Schritt des Diffusionsverbindens derart eingesetzt werden, dass der Werkzeugring mit dem Außendurchmesser der Abdeckung bündig ist und dass die aufeinander zu gerichteten Oberflächen der Abdeckung und der Leitelemente während des Verbindungsschritts gegeneinander gepresst werden, wobei der Werkzeugring aus einem Material hergestellt ist, das einen niedrigeren Expansionskoeffizienten aufweist als Material der Scheibe und der Abdeckung; und
- Bearbeiten der Außenoberfläche der Scheibe und der Abdeckung anschließend an den Schritt des Diffusionsverbindens nachdem der Werkzeugring entfernt wurde, um die Scheibe und die Abdeckung in die endgültige Konfiguration zu konturieren.
US-A-5,282,718 beschreibt und beansprucht eine Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage für die Verdichterlaufschaufeln des Verdichterrotors. Im Einsatz bei einem Verdichterrotor ist die Leitelementpassage in der äußeren Luftdichtung oder dem äußeren Kranz angeordnet, der die rotierenden Laufschaufeln umgibt. Die Leitelement-Passage befindet sich an diesem Ort in einem Strömungsfeld, das andere Eigenschaften besitzt, als die Eigenschaften des der Nabe benachbarten Strömungsfelds. Die Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage in dem die Rotornabe umgebenden Kranz, der ein stationäres Bauteil der Maschine ist, und die Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage der Nabe, die ein rotierendes Bauteil ist, wird ein anderes Belastungsmuster zeigen und anderen Spannungs-Überlegungen folgen.
Außerdem gilt, und von überragender Bedeutung ist, dass die Laufschaufel-Geometrie und das Strömungsfeld an einer Rotorspitze in einem modernen Flugzeugtriebwerksverdichter sehr verschieden sind von Geometrie und Strömungsfeld an der Statornabe. Diese Unterschiede sind in der unmittelbar nachfolgend angeordneten Tabelle gezeigt.
Die Erfindung steht in einem gewissen Maße in Relation zu der in US-A-5,282,718 beschriebenen Technologie, insofern als beide Leitelement-Passagen benutzen, wobei der Stand der Technik die Verwendung der Leitelement-Passagen lehrt, die in einem festen Bauteil gebildet sind, und die vorliegende Erfindung Leitelement- Passagen betrifft, die in einem rotierenden Bauteil gebildet sind. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, bringen diese Behandlungseinrichtungen mit Leitelement-Passagen ihre individuellen Probleme mit sich und die Verwendung einer Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage ist keine naheliegende Ausbildung der im Stand der Technik beschriebenen Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage. Beispielsweise, weil in der Umgebung der rotierenden Laufschaufeln die Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage lediglich der die Laufschaufeln umgebenden Wand hinzugefügt wird, die ein bereits bestehendes Maschinenbauteil ist. Eingesetzt bei einer Maschine, wo die Hardware, die modifiziert werden kann, um die Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage unterzubringen, nicht zur Verfügung steht, ist eine derartige Konfiguration nicht geeignet, die Verwendung einer Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage zu suggerieren, da erhebliche Änderungen an der Maschine selbst vorgenommen werden müssen, um eine derartige Behandlungseinrichtung unterzubringen. Wenn beispielsweise die Statorleitschaufeln an dem Innendurchmesser von einem Kranz umgeben sind, müssen die gesamte Statorleitschaufel, nämlich die Außenkranzbefestigung, das Strömungsprofil und die strukturellen Details, infolge der Unterschiede hinsichtlich Belastung und Spannung geändert werden.
Der Fachmann auf diesem Fachgebiet erkennt, dass Verdichter- und Bläser-Strömungsabrisse oder -stalls von Axialströmungsgasturbinen oder Rotationsmaschinen typischerweise an den Endwänden beginnen, besonders bei modernen hochbelasteten Verdichtungssystemen. Wie in US-A-5,282,718 beschrieben ist, können Strömungsabrisse, die in dem Rotorspitzenbereich des Bläsers oder Verdichters beginnen, durch den Einsatz einer Gehäuse-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passagen verzögert werden. Die Gehäuse-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passagen an dieser Stelle verzögert substantiell den Beginn eines Strömungsabrisses ohne die Effizienz des Bauteils und die Gesamtbetriebsleistungdes Triebwerks zu beeinflussen.
Eine Naben-Behandlungseinrichtung verringert Gewicht und Komplexität des Verdichterabschnitts der Maschine und deshalb der Gesamtmaschine, indem Statoren mit variabler Geometrie und die Anzahl von Stufen in dem Verdichterabschnitt eliminiert werden. Das führt auch zur Kosteneinsparung.
Es ist aus "Effects of Compressor Hub Treatment on Stator Stall and Pressure Rise" (Journal of Aircraft, Band 21, Nr. 7, Juli 1984, S. 469-475) bekannt, schräggestellte Axialnuten an der Nabe eines Verdichters vorzusehen aber es gibt keinen Hinweis darauf, Rezirkulationspassagen zu verwenden, wie es durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird.
Die Erfindung zieht in einer ihrer Ausführungsformen das Gießen einer Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage als ein einziges Bauteil in Betracht. Gemäß einer anderen Ausführungsform schlägt die Erfindung die Herstellung der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage durch maschinelles Bearbeiten der Umkehr-Leitelemente integral mit dem vollen Nabenring vor. Eine Abdeckung ist aus einem vollen Ring hergestellt, die dazu dient, den Außendurchmesser der Leitelement-Passage einzuschließen, wobei sie auch die Innendurchmesser-Begrenzung für den Hauptströmungsweg des Arbeitsfluids der Maschine definiert. Ein dritter geschlossener Ring, der als Abstütztelement gebildet ist, stützt die Abdeckung ab und erlaubt deren Installation. Diese drei Ringe werden miteinander diffusionsverbunden, um die geschlossene Nabenanordnung zu bilden, die an der vorhergehenden Rotorscheibe befestigt wird und angrenzend an die Spitzen der Leitschaufeln einer auskragend angebrachten Statorleitschaufelkonstruktion angebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Nabe als Rotationsscheibenanordnung hergestellt, die in enger Nähe zu der auskragenden Reihe von Statorleitschaufeln angebracht werden soll. Die Umkehr-Leitelemente sind integral in die Rotationscheibenanordnung gearbeitet. Eine Abdeckung, die aus unterteilten gekrümmten Elementen gebildet ist, die mit ihren Enden aneinander anschließend zusammengebaut sind, bildet zusammen mit der Scheibe die Behandlungspassage. Die Abdeckung definiert die innere Begrenzung des Gaswegs des Arbeitsfluids der Maschine.
Bei all den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen muss die rotierendstationäre Relation zwischen dem Statorleitschaufel-Ende und dem Nabenkranz 1) eine signifikante Antriebskraft für die Gaswegluft haben, um diese durch die Leitelement-Passagen zu rezirkulieren und 2) in der Lage sein, selektiv Luft mit geringem Impuls aus der Hauptströmungsluft mit großem Impuls in dem Gasweg abzutrennen, was die Möglichkeit, Luft ohne Notwendigkeit zu rezirkulieren, verringert und Effizienznachteile und übermäßige Strömungserhitzung verhindert.
Die Erfindung schlägt in bevorzugten Ausführungsformen vor, die Oberfläche der Nabe, die den Spitzen der Statorleitschaufeln benachbart ist, mit einem abrasivem Material zu beschichten, welches die Statorleitschaufelspitzen abschleift, wenn diese Statorleitschaufeln diese Oberfläche bei Betrieb kontraktieren. Das dient dazu, sicherzustellen, dass ein enges Spiel zwischen den Leitschaufelenden und der Nabenkontur vorliegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine einstückig gegossene Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage bereitgestellt und in einer anderen Ausführungsform Umkehr- oder Dreh-Leitelemente, die integral in einer als geschlossener Ring ausgebildeten Nabe gebildet sind, eine als geschlossener Ring ausgebildete Abdeckung, die den Außendurchmesser der Leitelement-Passage bildet, und ein als geschlossener Ring ausgebildetes End-Abstützelement bereitgestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Abdeckung aus Segmenten gebildet, die in installiertem Zustand einen geschlossenen Ring definieren.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist das Vorsehen einer Beschichtung aus abrasivem Material und dem Innendurchmesser des vorderen Rings, der Abdeckung und der Nabe, die sich in der Nähe der Enden der Leitschaufeln der auskragenden Statorleitschaufeln befinden.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist das Diffusionsverbinden des Ring-, Abdeckungs- und Nabenbereichs, um eine integrale Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage zu bilden.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Ansicht eines Verdichterabschnitts einer Gasturbinenmaschine des Stands der Technik.
Fig. 2 ist eine Teilansicht eines Verdichterabschnitts, der die vorliegende Erfindung beinhaltet;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht im Schnitt, welche die Details einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht im Schnitt, welche die Details einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Erfindung, welche die Details des Verfahrens der Herstellung einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 6 ist eine auseinander gezogene Teilansicht im Schnitt, die entlang der Linien 6-6 von Fig. 5 genommen ist.
Obwohl die Erfindung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine beschrieben ist, wird man verstehen, dass die Erfindung in anderen Rotationsmaschinen- Anwendungen anwendbar ist. Wie er hier verwendet wird, soll der Begriff Naben- Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage eine Passage in der rotierenden Nabe beinhalten, welche einen Einlass und einen Auslass aufweist, welche mit der Grenzschicht der Luft in dem Gasweg der Maschine kommunizieren, die den Spitzen der Leitschaufeln einer auskragend angeordneten Statorleitschaufel benachbart ist, und die Beziehung zwischen den Statorleitschaufelenden und dem Nabenkranz soll: 1) eine signifikante Antriebskraft für die Gasströmungsluft zum Rezirkulieren haben und 2) in der Lage sein, selektiv Luft mit geringem Impuls aus der Hauptströmungsluft mit großem Impuls in dem Gasweg abzuleiten, was die Gelegenheit, unnötigerweise Luft zu rezirkulieren, verringert und Nachteile und übermäßiges Erwärmen verringert.
Die Erfindung versteht man am besten, indem man zuerst auf Fig. 1 Bezug nimmt, welche eine Konstruktion des Stands der Technik eines Teils der Verdichterabschnitts der Gasturbinenmaschine zeigt, der generell mit dem Bezugzeichen 10 versehen ist. Die Verdichterlaufschaufeln 12 sind an der Rotorscheibe 14 für eine Rotationsbewegung um die Mittellinie der Maschine abegestützt und werden von der der Hauptwelle 16 der Maschine angetrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Rotorscheiben an der Welle mittels unterschiedlicher mechanischer Verbindungen befestigt, wobei die Scheibe an der unmittelbar linken Seite der Zeichnung direkt mit der Welle 16 verbunden ist und die mittlere Scheibe über die Flansche 18 und 20, die aneinander mit einer Reihe von umfangsmäßig beabstandeten Schrauben und Muttern, die generell durch das Bezugzeichen 22 bezeichnet sind, (von denen nur ein Paar gezeigt ist) befestigt sind. Die verbleibende Rotorscheibe ist mit dem Passungsflansch 24 mit einer Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Muttern- und Schraubenanordnungen, die generell mit dem Bezugszeichen 26 versehen sind (von denen nur eine gezeigt ist) angebracht. Wie es bei dieser Art von Konstruktion typisch ist, sind die Statorleitschaufel-Anordnungen 28 strömungsaufwärts von den Laufschaufeln eines jeden der Rotoren zum Lenken des Arbeitsfluids (Luft) der Maschine in die rotierende Laufschaufel angeordnet, um eine effiziente Verdichtung der Luft zu bewirken. Die Leitschaufeln sind von einem äußeren Kranz (nicht gezeigt) und einem inneren Kranz 30 abgestützt. Jeder der inneren Kränze trägt an seinem inneren Durchmesser ein Dichtungselement 32, welches mit einem abradierbaren Material beschichtet ist, welches mit den Zähnen der Labyrinthdichtung 34 zusammenwirkt. Die Labyrinthdichtung 34 ist für eine Rotationsbewegung an den Rotorscheiben 14 über den Verlängerungsarm 36 angeschlossen. Die Dichtung verhindert ganz offensichtlich eine Leckströmung strömungaaufwärts zu einem Bereich mit niedrigerem Druck und erfordert ein rückseitiges Unterdrucksetzen und stellt damit einen Wirkungsgradverlust dar. Wie es in dieser Konstruktion des Stands der Technik gezeigt ist, sind die Statorleitschaufeln sowohl an dem inneren als auch an dem äußeren Durchmesser abgestützt.
Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in Fig. 2 gezeigt, die eine Schnittansicht der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage für die Statoren unterschiedlicher Verdichtungsstufen des Verdichterabschnitts der Gasturbinenmaschine zeigt. Wie man aus dieser Figur erkennt, wurde die in der in Fig. 1 gezeigten Stand der Technik-Konfiguration beschriebene Ausführungsform modifiziert, um diese Erfindung aufzunehmen. Die Statorleitschaufeln 28, die in Fig. 1 gezeigt sind, wurden modifiziert, so dass sie auskragend befestigt sind, statt an dem inneren und dem äußeren Durchmesser abgestützt zu sein. Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist der äußere Kranz 40 an dem äußeren Gehäuse 42 mittels der Haken 44 befestigt, und die Strömungsprofile der Leitschaufeln ragen in Richtung zu dem Innendurchmesser und sind in enger Nähe zu der Nabe 48 angeordnet. Die Konstruktion der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage der letzten Statorleitschaufel 47, die generell mit dem Bezugzeichen 49 bezeichnet ist, ist aus einer einstückig gegossenen Einheit konstruiert, während die Konstruktion der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage für die Statorleitschaufel 46, die generell mit dem Bezugzeichen 51 bezeichnet ist, aus drei separaten Ringen gebildet ist, wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird. Man sollte jedoch verstehen, dass unabhängig von der Konstruktion der Naben- Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage die Funktion und der Betrieb von irgendeiner der Ausführungsformen identisch zu den anderen ist.
Bei der Statorleitschaufel 46 in Fig. 2 weist die Nabe 48 eine Scheibe 50, auf die an der Rotorscheibe 14 (gleiche Bezugszeichen werden für entsprechende Elemente, die in all den Figuren gezeigt sind, verwendet) über die sich axial erstreckenden und einen Flansch 54 tragende Hülse 52 befestigt ist, die sich in enger Nähe zu der Scheibe 50 befindet. Eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Muttern- und Schrauben-Anordnungen (von denen eine gezeigt ist), befestigt die Nabe 48 fest an der Scheibe 14, zur gemeinsamen Rotation. Die Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage besteht aus der Passage 56 mit dem in der Nähe der Hinterkante 60 des Strömungsprofils 46 angeordneten Einlass 58 und dem in der Nähe der Vorderkante 64 des Strömungsprofils 46 angeordneten Auslass. Wie vorangehend erwähnt, sind der Einlass und der Auslass der Leitelement-Passage gewählt, um sicherzustellen, dass 1) die Ausrichtung der in den Gasweg reinjizierten Luft gut mit der Strömung der Hauptströmung durch den Statornabenabschnitt zusammenpasst und 2) nur die Strömung mit niedrigem Impuls der Hauptströmung rezirkuliert wird.
Eine Mehrzahl von Leitelementen 66 ist umfangsmäßig in der Passage 56 beabstandet und dient dazu, die Wirbel der Strömung mit niedrigem Impuls, die vorbeigeleitet wird, zu entfernen, so dass die Geschwindigkeit der zurück in die Hauptströmung durch den Auslass 62 gelenkten Luft bezogen auf die Strömung der Hauptströmung die passende Ausrichtung besitzt, um wieder eingeleitet zu werden, ohne der Hauptströmung einen Widerstand entgegenzusetzen, und um so zu vermeiden, die Effizienz des Verdichters zu reduzieren. Der dem Auslass 62 benachbarte Teil der Passage 56 ist gekrümmt, so dass der Auslass ausgerichtet ist, die herumgeleitete Luft in Richtung des Gaswegs nach hinten zu injizieren, was im Wesentlichen in Richtung der Strömung der Hauptströmung bedeutet. Diese Konstruktion der Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage, welche die Abdeckung 59, die Nabe 48 und das vordere Halteelement 61 aufweist, wird detaillierter in der unmittelbar nachfolgenden Beschreibung beschrieben werden.
Die Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist im Wesentlichen aus drei Ringen hergestellt 1) der Nabe, die ein Teil einer Scheibe sein kann, 2) der Abdeckung und 3) dem vorderen Halteelement. Jedes dieser drei Bauteile ist als ein geschlossener Reifen oder Ring hergestellt. Das ist in den beiden Fig. 2 und 3 gezeigt und die Konstruktion der Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage ist in beiden Figuren die gleiche. Wie in Fig. 3 gezeigt ist die Konfiguration der Nabe geringfügig verschieden und die Nabe ist an der dahinterliegenden Rotorscheibe statt an der davorliegenden Rotorscheibe befestigt, aber die Konstruktion und die Funktion der Behandlungseineirchtung mit Leitelement-Passage sind identisch. Die Nabe 70 hat darin integral gebildet die Leitelemente 72 (von denen eins gezeigt ist), die umfangsmäßig um den gesamten Umfang des Nabenrings beabstandet sind. Die Abdeckung 74, die ebenfalls ein geschlossener Ring ist, ist an den Leitelementen 72, beispielsweise durch Verbinden oder Diffusionsverbinden, wie nachfolgend beschrieben werden wird, angebracht. Der Außendurchmesser der Abdeckung 74 ist konturiert, damit er mit der an dem Innendurchmesser der Nabe 70 gebildeten Kontur die Passage 76 und den Einlass 78 definiert. Das vordere Halteelement 82, das mit der Nabe 70, beispielsweise durch Diffusionsverbinden, verbunden sein kann, ist konturiert, um mit der Abdeckung 74 den Auslass 80 zu definieren. Das vordere Halteelement 82 erlaubt die Installation der Abdeckung 74. Die inneren Durchmesser der Abdeckung 74. der Nabe 70 und des vorderen Halteelements 82, die den Strömungsweg der Hauptströmung begrenzen und in der Nähe zu den äußeren Spitzen der Statorleitschaufeln sind, können mit einem bekannten und geeigneten abrasiven Material beschichtet sein, so dass ein enge Spiel zwischen dem Ende der auskragenden Statorleitschaufel und der rotierenden Nabe beibehalten sein kann. Im Falle eines Anreibens wird Statorleitschaufelmaterial anstelle von Material der rotierenden Komponenten in der Nabe mit Leitelement-Passage entfernt, um sicher zu stellen, dass die Nabe intakt und im Gleichgewicht bleibt.
Wie man aus dem Vorangehenden erkennt, kann die Abdeckung 59 mit dem geschlossenen Ring das meist ihrer eigenen Last tragen, was weniger Gewicht in der Nabenbohrung 86 (Fig. 2) erforderlich macht. Während die Konstruktionen der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage, die in Fig. 2 beschrieben sind, für eine Maschine geeigneter sind, die für Flugbetriebsanwendungen konstruiert ist, ist die Konstruktion in Fig. 3 geeigneter für Anwendungen bei niedrigerer Drehzahl, wie beispielsweise in Prüfständen für Verdichter, wo die mechanischen Drehzahl niedriger ist, als die jenige, die bei Triebwerken auftritt. Da die Abdeckung 74 (Fig. 3) in dieser Ausführungsform sich selbst abstützen kann, ist die Scheibenbohrung des in Fig. 2 beschriebenen Typs nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion in Fig. 3 ist, dass die integrale Hülse 88, die an der Rotorscheibe 90 mit der Mehrzahl der umfangsmäßig beabstandeten Muttern-und Schrauben-Anordnungen 92 befestigt ist, und die Nabe 70 derartig hergestellt sein können, dass sie ausreichend flexibel sind und zu der radialen Verformung der Abdeckung 74 passen. Diese Konstruktion erlaubt es, dass bei den Komponenten Zugbelastungen an der Zwischenfläche der Abdeckung 74 und der Leitelemente 72 vermieden sind, was schließlich die Verbindungsstellen vereinfacht, die in Prüfstandsanwendungen erforderlich sind.
Ein Verfahren zum Herstellen der Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement- Passage ist in Fig. 4 beschrieben, die eine schematische Darstellung davon ist, wie diese Erfindung von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsraten der bei diesem Verfahren verwendeten bevorzugten Materialien profitieren kann. Die Abdeckung 59, die Nabe 48 und das vordere Halteelement 61 in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform und die Abdeckung 74, die Nabe 70 und das vordere Halteelement 82 in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind aus Bauteilen 101, 103 bzw. 105, aus Titan oder aus einer Titanlegierung gebildet und haben vorzugsweise einen Expansions-Koeffizienten (Alpha) von sechs (6) microinch pro inch. pro Grad Fahrenheit (3.33 mm m&supmin;¹ºC&supmin;¹). Das den Haltering bildende Element 105 liegt an dem die Abdeckung bildenden Element 101 wie gezeigt an. Die verschiedenen Elemente werden in einem äußeren Ring 100 installiert, der beispielsweise aus Molybden oder einem anderen Element gebildet ist, welches ein Alpha von drei (3) (1,675 mm m&supmin;¹ºC&supmin;¹) zeigt. Offensichtlich dehnt sich das Molybden mit dem niedrigeren Alpha weniger aus als die Titanabdeckung, wenn beide auf eine hohe Temperatur erwärmt werden und bewirkt deshalb eine Kompression, welche das Auftreten einer Diffusionsverbindung an den Zwischenflächen an den Leitelementenden und der Abdeckung und der Nabe und dem vorderen Halteelement erlaubt. Ein weiterer Zwischenring 106 und der Innenring 104 können auch optional an den in Fig. 4 gezeigten Bereichen angebracht sein, und diese Ringe sind aus einem Material mit einem größeren Alpha als das Titan hergestellt und dienen dazu, den Druck an den Zwischenflächen zwischen den Leitelementenden, der Abdeckung und dem vorderen Halteelement zu verstärken. Ein geeignetes Material für die Ringe 106 und 104 kann eine Nickellegierung mit einem Alpha von neun (9) (5 mm m&supmin;¹ºC&supmin;¹) oder einem anderen geeigneten Material sein. Die Werkzeugringe, d. h. die Ringe 100, 106 und 104 sind so bemessen, dass sie den erforderlichen Druck liefern, der benötigt wird, um das Zustandekommen einer Diffusionsverbindung zuzulassen.
Nach dem Abschluss der Diffusionsverbindung, werden der innere, der mittlere und der äußere Ring 10. 104,106 entfernt und das verbundene Bauteil wird zu seiner gewünschten endgültigen Gestalt bearbeitet, wie in Fig. 4 mit unterbrochenen Linien gezeigt ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform dieser Erfindung, bei der die Abdeckung in ringförmigen Segmenten hergestellt ist und bei der das Erfordernis des vorderen Halteelements vermieden ist. Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, definieren die Nabe 110, die integral mit der Scheibe 112 ist, und die Abdeckung 114 die Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage. Die Mehrzahl von Leitelementen 118 ist integral in dem inneren Durchmesser der Nabe 110 gebildet, dies definiert die Passage 118, den Einlass 120 und den Auslass 122. Die Naben- Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage dieser Ausführungsform dient den gleichen Zwecken wie die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen. Die Abdeckung 114 und die einzelnen Segmente in der Ausführungsform von Fig. 4 und 5 sind durch Diffusionsverbinden ähnlich zu dem kurz vorher beschriebenen Diffusionsverbindungsverfahren verbunden.
Aus der vorangegangenen Beschreibung, erkennt man, dass die vorliegende Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen für die Statorleitschaufeln von Rotationsmaschinen eine Rotationsnabe mit einer Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage zum Vergrößern des Strömungsabriss-Grenzbereichs (stall margin) und eine Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage für eine auskragende Statorleitschaufel bereitstellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie den Strömungsabriss-Grenzbereich ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen vergrößert, variable Leitschaufelstufen eliminiert, und somit Gewicht und Kosten verringert, und damit die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Wartbarkeit verbessert und das Druckverhältnis pro Verdichterstufe erhöht, was geeignet ist, die Länge, das Gewicht, die Anzahl von Bauteilen und die Komplexität einer Gasturbinenmaschine zu verringern.
Man erkennt auch das die Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage darauf ausgerichtet ist, Strömungsabriss, der die Neigung hat, an den Statornabenabschnitten von Hochdruckverdichtern aufzutreten signifikant zu verzögern, und ausgelegt ist, Nachteile auf den Verdichterwirkungsgrad zu vermeiden. Die Naben-Behandlungseinrichtung mit Leitelement-Passage der Erfindung kann variable Leitschaufelstufen in Maschinen eliminieren, die diese Arten von Leitschaufeln nutzen, um Betriebsanforderungen zu erfüllen, und so Gewicht und Kosten reduzieren, während die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Wartbarkeit verbessert sind. Die Verwendung dieser Art von Behandlungseinrichtung an der Nabe kann auch das Druckverhältnis pro Verdichterstufe erhöhen, was geeignet ist, die Länge, das Gewicht, die Gesamtanzahl von Bauteilen und die Komplexität der gesamten Maschine zu verringern.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, erkennt und versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzugehen.

Claims

1. Verdichter in oder für eine Gasturbinenmaschine oder eine andere Rotationsmaschine, wobei der Verdichter auskragende Statorleitschaufeln (46), die an ihrem Außendurchmesser abgestürzt sind, wobei jede der auskragenden Statorleitschaufeln eine Vorderkante (64) und eine Hinterkante (66) aufweist, und eine Rotationsnabe (48) aufweist, die dem Innendurchmesser der Statorleitschaufeln benachbart angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (48) Mittel (49) zum Rezirkulieren eines Teils des durch die Statorleitschaufeln fließenden Hauptluftstroms oder Hauptfluidstroms aufweist, um Strömung mit einem niedrigen Impuls daraus zu entfernen, um diesen Teil der Hauptluftströmung zu behandeln und den behandelten Teil zurück in den Hauptluftstrom zu bringen, wobei die Mittel eine ringförmige Passage (56) mit einem der Vorderkante benachbarten Einlaß (58) und einen der Vorderkante benachbarten Auslaß (62), und eine Mehrzahl von darin angeordneten, umfangsmäßig beabstandeten Leitelementen (66) aufweist, wobei die Passage so ausgebildet ist, dass die Leitelemente integral in der Nabe gebildet sind und eine obere Oberfläche aufweisen, wobei die Nabe so konturiert ist, dass sie einen Teil der ringförmigen Passage und des Einlaß begrenzt, wobei die Nabe ferner eine ringförmige Abdeckung (59) aufweist, die an der oberen Oberfläche der Leitelemente abgestützt ist und mit der Nabe einen anderen Teil der Passage und des Einlass definiert, und einen ringförmigen Abstützring (61) aufweist, der bezogen auf die Strömung der Hauptluftströmung oder der Hauptfluidströmung axial strömungsaufwärts von der ringförmigen Abdeckung befestigt ist und mit der Nabe und der ringförmigen Abdeckung den Auslaß (62) definiert.

2. Verdichter nach Anspruch 1, wobei die Rotationsnabe (48) an einem benachbarten Rotor (14) festgemacht ist und von diesem in Rotation versetzt wird.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nabe (48) und die Leitelemente (66) als ein einziges Bauteil gegossen werden und die Passage (56) darin gebildet wird.

4. Verdichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Rotationsnabe (48), die ringförmige Abdeckung (59) und der ringförmige Abstützring (61) eine konturierte äußere Oberfläche in planarer Ausrichtung definieren und die äußere Oberfläche eine Beschichtung aus abrasivem Material darauf aufweist, die dem Innendurchmesser der Statorleitschaufeln (46) benachbart ist.

5. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ringförmige Abdeckung (59) aus einer Mehrzahl von Segmenten (114) gebildet ist, die mit ihren Enden aneinander anschließend angebracht sind, um einen Ring zu bilden.

6. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der dem Innendurchmesser der Statorleitschaufeln (46) benachbarte Außendurchmesser der Nabe (48) mit einem abradierbaren Material beschichtet ist, wodurch das Material der Statorleitschaufeln in dem Fall, dass es zu einem Anreiben zwischen der Rotationsnabe und den Statorleitschaufeln kommt, abgerieben wird.

7. Verfahren zum Herstellen einer Naben-Behandlungseinrichtung mit einer Leitelement-Passage, aufweisend die folgenden Schritte:

- Vorformen einer ringförmigen Scheibe (103) aus einem Rohmaterial, die gegenüber der Endkonfiguration übermaßig ist und einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser aufweist;

- Bearbeiten des Außendurchmessers, um eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Leitelementen zu bilden und Konturieren der oberen Oberfläche der beabstandeten Leitelemente, um einen Teil der Passage und eine Trennfläche zu definieren,

- Vorformen einer ringförmigen Abdeckung (101) aus einem Rohmaterial, die gegenüber der Endkonfiguration übermaßig ist;

- Bearbeiten der ringförmigen Abdeckung, um einen Teil der Passage zu bilden, der mit dem Teil der Passage in der Scheibe ausgerichtet ist,

- Diffusionsverbinden der Abdeckung und der Scheibe durch Aufbringen von Wärme und Druck auf die an der Scheibe montierte Abdeckung an der Trennoberfläche, wobei die Abdeckung und die Scheibe in einen Werkzeugring (100) vor den Schritt des Diffusionsverbindens derart eingesetzt werden, dass der Werkzeugring mit dem Außendurchmesser der Abdeckung bündig ist und dass die aufeinander zu gerichteten Oberflächen der Abdeckung und der Leitelemente während des Verbindungsschritts gegeneinander gepresst werden, wobei der Werkzeugring aus einem Material hergestellt ist, das einen niedrigeren Expansionskoeffizienten aufweist als das Material der Scheibe und der Abdeckung; und

- Bearbeiten der Außenoberfläche der Scheibe und der Abdeckung anschließend an den Schritt des Diffusionsverbindens, nachdem der Werkzeugring entfernt wurde, um die Scheibe und die Abdeckung in die endgültige Konfiguration zu konturieren.

6. Verfahren nach Anspruch 7, aufweisend den weiteren Schritt des Einsetzens eines anderen Werkzeugrings (104) an dem dem Werkzeugring (100) entgegengesetzten Durchmesser, so dass der Werkzeugring mit dem Innendurchmesser der Scheibe bundig ist, und wobei der Werkzeugring aus einem Material mit einem höheren Expansionskoeffizienten gebildet ist, als das Material der Abdeckung und der Scheibe.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, aufweisend den weiteren Schritt des Einsetzens eines weiteren Werkzeugrings (106) zwischen den anderen beiden Werkzeugringen (100, 104) und Anordnen von diesem bündig an einer Schulter, die an der Scheibe gebildet ist, wobei das Material dieses Werkzeugrings einen höheren Expansionskoeffizienten aufweist als das Material der Scheibe und der Abdeckung.