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Diese Erfindung betrifft Gebläse, wie z. B. für Gebläseluftverdichter, insbesondere aber die
Gebläse, die in Zweikreis-TL-Triebwerken verwendet werden.
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Bei Zweikreis-TL-Triebwerken, wie sie in Flugzeugen verwendet werden, befindet sich das
Gebläse am Einlaß der Maschine. Es dient als erste Stufe des Kompressors und zugleich als
Hauptstufe für den Nebenstrom. Im allgemeinen ist sie außen verkleidet, wobei diese
Verkleidung das Äußere des vorderen Bereichs dieses Turbotriebwerks abgrenzt. In anderen Worten,
die Basis der an der Rotornabe befestigten Schaufeln liefert den nötigen Strom am Einlaß des
Kompressors, während das übrige Blatt die Vortriebsenergie des Nebenstroms liefert.
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Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeiten eines Turbotriebwerkrotors sind die Schaufeln des
Turbotriebwerks und insbesondere die des Gebläses durch die Fliehkraft extrem hohen
mechanischen Belastungen ausgesetzt. So ist es schon geschehen, daß beim Betrieb des
Turbotriebwerks eine Schaufel bricht oder sich vom Rotor des Gebläses löst. Diese Schaufel kann dann in
Ihrer Nähe befindliche Motorteile, insbesondere die nächste Schaufel, beschädigen.
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Fig. 1A zeigt eine Schnitt-Draufsicht einer Gebläserotorschaufel mit Plattform. Es ist hier eine
Plattform 1 zu sehen, die sich an der Basis der Schaufel, zwischen dem in dieser Figur
verdeckten Schaufelfuß und dem Blatt 2, das im Querschnitt dargestellt ist, befindet. Ferner ist die
Saugseite 3 und die Druckseite 4 der Schaufel zu sehen. Die Saugseite 5 des Schaufelblatts
wirkt praktisch gar nicht auf den Luftstrom ein und steht unter Unterdruck, während die
Druckseite 6 voll zur Wirkung kommt, da von ihr die durch das Triebwerk strömende Luft
gefördert wird.
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Es ist zu erkennen, daß die Plattform 1 relativ hervorstehend ist. Wenn es also, unter
Bezugnahme auf Fig. 1B, geschieht, daß sich die Schaufel aufgrund zu geringer mechanischer
Festigkeit vom Rotor löst und sich auch die Plattform 1 löst, zeigt diese die Tendenz gegen das
nächste Schaufelblatt 7 zu schlagen. Da letzteres zudem ein Profil hat, das sich radial zur
Rotationsachse des Rotors entwickelt und sich dessen Querschnitt bezogen auf die allgemeine
Ausrichtung seiner Plattform 8 mehr und mehr neigt, trifft die Plattform 1 der Schaufel, die
sich gerade gelöst hat, das nächste Schaufelblatt 7 an dessen Vorderkante 9A an einer
Aufschlagstelle, die mit einem Kreuz dargestellt ist. Infolge dessen kann dieser Stoß leicht den
Bruch dieses zweiten Schaufelblatts 7 verursachen, da eine solche Vorderkante 9A bei einem
Metallblatt wie den in Turbotriebwerksgebläsen verwendeten einen Ausgangspunkt für
Sprünge, Risse oder Brüche bildet.
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Es ist daher leicht nachzuvollziehen, daß diese Art mechanischen Vorfalls nicht nur den Bruch
des nächsten Schaufelblatts sondern von einem Schaufelblatt zum nächsten auch eine ganze
Kettenreaktion von Brüchen und eine allgemeine Beschädigung des Turbotriebwerk-Gebläses
hervorrufen kann. Ein solches Risiko muß natürlich von Flugzeugbauern und insbesondere von
den Turbotriebwerksherstellern vermieden werden.
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Diese Erfindung hat daher zur Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen, den das Risiko der
Zerstörung eines oder mehrerer Schaufelblätter eines Turbotriebwerk-Gebläses bedeutet.
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Zu diesem Zweck ist der Hauptgegenstand der Erfindung eine Gebläserotorschaufel mit
bestimmter Rotationsachse, die eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, und wie aus US-A 5
443 365 bekannt, besteht aus:
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- einem Fuß, mit dem die Schaufel an einer Nabe des Gebläses befestigt wird,
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- einem an dem Fuß befestigten Blatt, das sich mit einer bestimmten Krümmung und einem
bestimmten Querschnitt radial zur Rotationsachse des Triebwerks erstreckt, die sich beide über
seine gesamte Länge entwickeln und von einer eher konvexen Saugseite und einer eher
konkaven Druckseite, die sich in einer Vorderkante und in einer Hinterkante treffe, gebildet werden,
und
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- einer Plattform zwischen dem Fuß und dem Blatt, die auf der Saugseite breiter ist als auf der
Druckseite, damit bei einem Bruch eine der Schaufeln in einer geringeren Höhe auf die nächste
Schaufel trifft als bei einer Plattform, die zur Schaufel zentriert ist.
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Erfindungsgemäß ist an der Saugseite der Plattform ein gewölbter, hervorstehender Teil
vorgesehen, wobei die Saugseite und die Druckseite des Blatts einen Querschnitt haben, der an der
Basis des Blatts, an der Stelle eines eventuellen Stoßes zwischen zwei benachbarten Schaufeln,
dick ist, damit bei einem Bruch eine der Schaufeln die nächste Schaufel zwischen ihrer
Vorderkante und Ihrer Hinterkante an einer Stelle trifft, an der der Querschnitt des Blatts groß ist,
damit diese einem eventuellen Aufschlag einer vor ihr angeordneten Schaufel in der Höhe
dieses Querschnitts standhält.
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Die Erfindung und ihre verschiedenen technischen Merkmale gehen aus der Beschreibung mit
beigefügten Zeichnungen näher hervor, wobei
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Fig. 1A und Fig. 1B schematisch eine Schaufel nach dem Stand der Technik zeigen,
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Fig. 2A und Fig. 2B schematisch eine erfindungsgemäße Schaufel zeigen,
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Fig. 3A und Fig. 3B zwei Schemata zur Erläuterung der Position der Plattform dar
erfindungsgemäßen Schaufel zeigen,
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Fig. 4A, Fig. 4B und Fig. 4C schematisch die Position der Plattform der erfindungsgemäßen
Schaufel zeigen, und
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Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaufel zeigt.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform dieser Erfindung im einzelnen beschrieben.
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Bei einem Vergleich der Fig. 1A und 1B mit den Fig. 2A und 2B wird die Neuheit bei
der erfindungsgemäßen Schaufel mit Plattform schnell deutlich.
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Fig. 2 zeigt nämlich in der Draufsicht und im Schnitt in Höhe der Basis des Schaufelblatts die
erfindungsgemäße Schaufel mit Plattform. Zu allererst ist festzustellen, daß die Plattform 11
eine an beiden Seiten einwärts gebogene Form hat. Die Richtung dieser Krümmung stimmt mit
der Krümmung des Blatts 12 dieser Schaufel überein. Es ist zu bemerken, daß die Saugseite 13
der Plattform 11 eine Wölbung oder einen ausgebauchten Teil 13B aufweist, der die
betreffende Krümmung bildet. Entsprechend ist die Druckseite der Plattform 11 auch in der gleichen
Richtung gebogen.
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Es wird nun auf Fig. 2B Bezug genommen, in der mit Strich-Punkt-Linien die gleiche Schaufel
15B dargestellt ist, die sich gelöst hat und gegen die nächste Schaufel 15A stößt. Aufgrund der
gewölbten Form der Plattform 11, insbesondere durch Ihren ausgebauchten Teil 13B der
Saugseite 13, verlagert sich die Stelle, an der die erste Schaufel 15B, die sich gelöst hat, auf die
zweite Schaufel 15B stößt, in Richtung der Mitte des Schaufelblatts 17 der zweiten Schaufel,
wie das fett gezeichnete Kreuz anzeigt. Es ist festzustellen, daß der Querschnitt des
Schaufelblatts 17 in der Höhe, in der der Aufschlag erfolgt, d. h. an der Basis des Schaufelblatts 17,
relativ groß ist. Dieser Querschnitt wird durch Kombination der Saugseite 18 und der
Druckseite 19 des Schaufelblatts in der Höhe erzielt. In dieser Fig. 2B ist festzustellen, daß sich das
Profil des Schaufelblatts über deren Länge entwickelt. Auf diese Weise wird an der an der
Druckseite des Schaufelblatts befindlichen, mit dem fett gezeichneten Kreuz gekennzeichneten
Aufachlagstelle keinen Anriß bewirkt, wie das bei einem Stoß gegen die Vorderkante
geschehen kann.
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Es ist zu bemerken, daß die erste Schaufel 15, die sich gelöst hat, auch eine Bewegung nach
außen, bezogen auf die Drehachse des Rotors, beginnt. Dadurch stößt die Plattform 11 nicht
gegen die Plattform der zweiten Schaufel 16, sondern gegen das Schaufelblatt 17, und zwar an
dessen Druckseite 19.
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Fig. 5 zeigt im Ganzen eine erfindungsgemäße Schaufel mit Plattform. Es findet sich hier das
Schaufelblatt 12 wieder, das an einem Fuß 10 befestigt ist, wobei sich zwischen diesen die
Plattform 11 befindet. Es ist festzustellen, daß diese aus Gründen des Einbaus geneigt ist. Es
ist ferner festzustellen, daß der Querschnitt des Schaufelblatts 12 an dessen Basis relativ dick
ist. Dies ist trägt der Tatsache Rechnung, daß eine solche Schaufel in Höhe der Basis des
Schaufelblatts 12 von der davor befindlichen Schaufel getroffen werden kann.
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Die Tatsache, daß der Querschnitt des Schaufelblatts an der Stelle, an der der Zusammenstoß
mit der davor befindlichen Schaufel erfolgen kann, relativ dick ist, beruht ebenfalls auf der
Form der Druckseite des betreffenden Schaufelblatts. In der Tat ist die Druckseite 19 (Fig. 2B)
relativ geringfügig gekrümmt. Dadurch wird ebenfalls die Aufschlagstelle ebenfalls in Richtung
der Mitte des Schaufelblatts verlagert und damit von der Vorderkante 19A entfernt.
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In Fig. 3B ist zu bemerken, daß das Schaufelblatt 12 eher links, d. h. zur Druckseite hin auf der
Plattform 11 sitzt. Dies geschieht mit Absicht. In der Tat ist - Bezug nehmend auf Fig. 3A -
im Schnitt von vorne festzustellen, daß bei einer Schaufel nach dem Stand der Technik die
Plattformen 1A und 1B zu den Schaufelblättern 2A und 2B zentriert sind. In anderen Worten,
sie stehen zu beiden Seiten mit dem gleichen Abstand hervor.
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In Fig. 3B hingegen sind im Schnitt von vorne bei zwei erfindungsgemäßen Schaufeln die
Plattformen 11A und 11B gegenüber den Schaufelblättern 12A und 12B nach rechts verschoben.
In anderen Worten, das rechte Ende 11D der Plattform 11B der linken Schaufel 15B
befindet sich etwas näher an dem Schaufelblatt 12A der rechten Schaufel 15A.
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Dies erklärt sich folgendermaßen. In Fig. 3A ist schematisch mit einer mit T bezeichneten Bahn
der Weg dargestellt, den das linke Ende der Plattform 1B der linken Schaufel in dem Fall
nimmt, daß diese an ihrem Fuß bricht oder sich löst. Durch die Fliehkraft, die durch die große
Drehgeschwindigkeit der Gesamtanordnung und die Drehung dieser Gesamtanordnung verläuft
diese Bahn T in einer parabelförmigen Kurve, die mit Strich-Punkt-Linie schematisch
dargestellt ist. Die Plattform 1B und das Schaufelblatt 2B heben sich auf dieser Bahn T nach rechts.
Das rechte Ende 1D der Plattform 1B folgt damit dieser Bahn und stößt in einer
entsprechenden Höhe auf die Saugseite 5A des Schaufelblatts 2A. Die dabei von der gelösten Schaufel
absorbierte Energie kann oft ausreichend sein, um deren Bruch bei diesem Stoß zu bewirken.
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Bezugnehmend auf Fig. 3B ist festzustellen, daß die Plattformen 11A und 11B gegenüber den
Schaufelblättern 12A und 12B nicht zentriert sind, sondern nach rechts verschoben sind.
Dadurch entsteht eine Vergrößerung der Plattformen 11A und 11B nach rechts und eine
Verkleinerung nach links. Bei einem Bruch der linken Schaufel 15B unter den gleichen Bedingungen
wie bei Fig. 3A hebt sich daher diese linke Schaufel 15B radial auf einer Bahn T, die mit
Strich-Punkt-Linie dargestellt ist. Da die Plattform 11A der rechten Schaufel 154 links kürzer
ist und das rechte Ende 11D der linken Plattform 11B sich daher näher an dem rechten
Schaufelblatt 12A befindet, treffen die beiden Schaufeln rascher aufeinander und die Aufschlagstelle
liegt viel tiefer.
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Dies hat zur Folge, daß die Quantität der kinetischen Energie, die die gelöste Schaufel besitzt,
viel geringer ist, da die radiale Geschwindigkeit und die Umfangsgeschwindigkeit, die diese
Schaufel erreicht, geringer sind. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Brechens der
angrenzenden Schaufel viel geringer.
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Zudem findet der Aufprall näher an der Einbauaufnahme des Schaufelblatts in der Plattform
statt. Da der Querschnitt des Schaufelblatts dort größer ist, ist sein Biegemoment und damit
auch die mechanischen Belastungen schwächer. Alle diese hergestellten Umstände verringern
bei einem Brechen einer der Schaufeln die Wahrscheinlichkeit des Brechens der nächsten
Schaufel.
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Fig. 4A zeigt in Draufsicht und im Schnitt eine Schaufel nach dem Stand der Technik. Es ist zu
sehen, daß das Schaufelblatt 2 zur Plattform 1 zentriert ist, d. h. daß es auf einer Achse A
positioniert ist, die die Plattform 1 in zwei relativ gleiche Teile teilt.
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Es wird nun auf Fig. 4B Bezug genommen. Wenn man das Blatt einer Schaufel gegenüber
seiner Plattform 21 nach links verschiebt, d. h. wenn man es von der Achse A aus nach links
verschiebt, weist die Plattform 21 einen viel kleineren linken Teil und einen vergrößerten rechten
Teil auf.
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Es wird nun auf Fig. 4C Bezug genommen, die das erfindungsgemäße Blatt so zeigt, wie es
schon in Fig. 2A dargestellt ist. Hier ist festzustellen, daß das Schaufelblatt 12 auf der Linken
Seite der Plattform 11 angeordnet ist, wie in Fig. 3B angedeutet. Auf diese Weise wird das in
Fig. 3B dargestellte Ergebnis erzielt, nämlich daß ein Aufschlagpunkt ggf nahe der Plattform
der beim Lösen einer Schaufel getroffenen nächsten Schaufel liegt.
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Die Vergrößerung des Querschnitts eines Schaufelblatts eines Turbotriebwerkrotors bedeutet
eine Modifizierung der Form des Blatts und damit eine Modifizierung seiner aerodynamischen
Eigenschaften und seiner Leistung. Die anfänglichen Formen der Schaufelblätter sollten diesen
eine maximale Leistung ermöglichen. Man könnte daher meinen, daß durch die Modifizierung
des Querschnitts eines Schaufelblatts, die eine leichte Modifizierung der Form des Blatts und
insbesondere der Druckseite mit sich bringt, die aerodynamische Leistung der Schaufel zum
schlechteren modifiziert wird. Messungen und Versuche haben ergeben, daß dies nicht der Fall
ist, und daß die dynamische Leistung einer erfindungsgemäß modifizierten Schaufel
gleichwertig mit der Leistung der bisherigen Schaufeln ist, was überraschend sein könnte. Es wird
betont, daß dies keine weiteren Nachteile für die erfindungsgemäßen Schaufeln mit sich bringt.