IT9020858A1

IT9020858A1 - Dispositivo per compensare lo squilibrio di un rotore di compressione radiale

Info

Publication number: IT9020858A1
Application number: IT020858A
Authority: IT
Inventors: Gerhard Brueckner; Harald Sassmannshausen; Berhard Woehrl
Original assignee: Mtu Motoren Und Turbinen Union Muenchen
Priority date: 1989-07-26
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1992-01-04
Also published as: IT9020858A0; FR2650344A1; GB2234358A; DE3924715C2; GB2234358B; DE3924715A1; IT1244287B; JPH0378599A; FR2650344B1; JP2997712B2; US5129284A; GB9016280D0

Description

Γ 4 LOG. 1990

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Ine.Nr.: 02-04446 Descrizione dell' invenzione industriale avente per titolo: "Dispositivo per compensare lo squilibrio di un rotore di compressore radiale”

a nome della ditta MTU Motoren- und Turbinen Union Muenchen GmbH, con sede a Monaco (Rep. Fed. di Germania) ed elettivamente domiciliata presso un mandatario dello studio de Dominicis & Mayer S.r.1., Milano, P.le Marengo 6.

Inventori: Gerhard Brueckner; Berhard Woehrl; Harald Sass mannshaus en

Riassunto del trovato

Viene indicato un dispositivo per compensare lo squilibrio su un rotore di compressore radiale di una macchina fluidodinamica, specialmente per la compensazione statica dello squilibrio su una girante di compressore radiale, a due flussi, munita di palette dorso a dorso di un propulsore con turbina a gas, in cui nella zona periferica radialmente esterna della girante del compressore è previsto almeno un foro assiale, riempito da un inserto, che chiude il foro all'estremità, con copertura superficiale aerodinamica, fra parti vicine delle palette radiali.

Descrizione dal trovato

L'invenzione si riferisce ad un dispositivo conformemente alla definizione introduttiva della rivendicazione 1.

Specialmente in cosiddette giranti di compressori radiali "a doppio flusso", percorse radialmente, dotate di palette radiali dorso su dorso, rispettivamente bilateralmente e realizzate integralmente, non esiste praticamente una possibilità di compensare squilibri dei dischi mediante locale asportazione di materiale, oppure mediante locale aggiunta di materiale, in modo che i profili delle palette, realizzati in maniera estremamente precisa corrispondentemente ai criteri di dimensionamento, e le strutture dei canali non subiscono pregiudicazioni di tipo aerodinamico.

In concetti di rotore di tale tipo la girante radiale a doppio flusso è ottenuta riunendo, rispettivamente saldando, estremità d'albero anteriori e posteriori, così da formare una struttura rotorica unitaria, per poter soddisfare ai necessari requisiti di rigidezza e resistenza, nonostante andamenti di contorno che in misura relativamente forte sono tesi verso l'interno verso l'asse rotorico. I restringimenti dell' andamento del contorno periferico del rotore, che in tal caso spazialmente sono rappresentati slanciati in misura relativamente ampia radialmente verso l'interno, in combinazione con lunghezza costruttiva relativamente grande, sono dovuti fra l'altro al fatto che per diametri rotorici locali relativamente modesti preassegnati, si presuppongono portate di masse relativamente alte e velocità di afflusso relativamente alte nella girante radiale a doppio flusso del compressore. In seguito alla modalità costruttiva descritta non si possono realizzare anche cosiddetti "rotoli inerziali" ossia traversini di materiale periferico, asportabili dall'interno per la compensazione dello squilibrio, dal lato anteriore rispettivamente posteriore del mozzo nel materiale della girante a due flussi, il che in ogni caso sarebbe realizzabile utilizzando giranti addizionali staccabili dall'albero. Ciò tuttavia, in combinazione con diametri rotorici relativamente grandi, rispettivamente ai due lati della girante del compressore a doppio flusso. Una girante addizionale, sganciabile, rispettivamente staccabile, non è desiderata molteplicemente anche poiché essa provoca un indebolimento del rotore in termini di resistenza, anche se con un concetto di tale tipo flange periferiche o similari, di nuovo a guisa di rotoli inerziali, sarebbero copribili dalla rispettiva girante addizionale aerodinamicamente senza irregolarità. Soltanto squilibri dinamici locali potrebbero essere corretti in.un rotore menzionato di tale tipo con girante di compressore a due flussi, insieme ad estremità d'albero raccordate saldamente ad .essa anteriormente e posteriormente, rispettivamente facenti parte integrale del rotore, in quanto si effettuerebbe localmente un'asportazione di materiale nella rispettiva zona di supporto sulle estremità d'albero, senza poter in tal caso tuttavia influenzare le correzioni di uno squilibrio statico della girante a due flussi, contenente la massima massa rotorica.

L'invenzione si pone il compito di indicare un dispositivo per un rotore con girante radiale a due flussi, dotata di palette dorso a dorso, con cui in maniera relativamente semplice, nonostante un restringimento diametrale relativamente accentuato sul rotore è possibile sicuramente eliminare specialmente uno squilibrio statico del disco della girante, rispettivamente squilibrio residuo, senza apprezzabile pregiudicazione di tipo aerodinamico e di resistenza.

Il problema posto viene risolto secondo l'invenzione con le caratteristiche contenute nella parte caratterizzante della rivendicazione 1.

L'invenzione evita, fra l' altro, gli inconvenienti risultanti da noti metodi di compensazione dello squilibrio residuo nella costruzione di turbocompressori e precisamente di prevedere sulle superfici delle palette, nell' ambito dei relativi bordi di entrata sulla girante, asportazioni di materiali, che praticamente non sono più ammessi in relazione ai richiesti elevati rapporti di compressione di compressori nel senso di variazioni sulle superfici delle palette; ciò anche per motivi tecnici delle vibrazioni, ossia non si dovrà più modificare una preassegnata frequenza propria di una paletta, adattata al comportamento di esercizio.

L' invenzione rende possibile una chiusura aereodinamica, a superficie complanare, di rispettivi fori passanti assiali, e quindi delle pareti dei canali di flusso nel disco della girante. Secondo l'invenzione gli inserti nel senso più ampio potrebbero essere anche descritti come tappi di chiusura. In tal caso lo squilibrio (squilibrio residuo statico) potrebbe essere eliminato sostanzialmente ad esempio mediante successiva realizzazione di un foro passante assiale in corrispondenza del punto della massima massa eccentrica, con successivo riempimento del foro con contemporanea chiusura delle estremità del foro tramite un inserto, che in termini di peso localmente risulterebbe sostanzialmente più leggero della massa del disco tolta per effetto del foro.

Tuttavia in maniera estremamente opportuna si possono prevedere in serie, per il rotore finito, rispettivamente per la girante, più fori passanti distribuiti uniformemente su un determinato raggio, sul contorno, che andrebbero chiusi tutti, e precisamente con inserti, ad esempio in distribuzione mista relativamente al loro rispettivo peso specifico proprio, rispetto al peso specifico del disco della girante nel senso dell'esigenza della compensazione dello squilibrio residuo.

Poiché nel caso di fori assiali, le forze centrifughe sono perpendicolari all'asse dei fori, fondamentalmente non si dovrà contare sul fatto che l'inserto o gli inserti oppure i tappi vengano proiettati fuori dai fori, specialmente quando in direzione radiale si prevedono fori passanti assiali relativamente lunghi, con lughezza di sostegno relativamente lunga.

Tuttavia, nell'esecuzione dell' invenzione si possono prevedere elementi di sicurezza assiali degli inserti, qualora ad esempio una incollatura o pressatura locale dell' inserto non venisse considerata sufficiente in relazione ai risultanti numeri di giri e forze centrifughe. Con la produzione degli inserti, possibile secondo l'invenzione, in materiale sintetico, insieme a locali cariche di materiale (sfere di piombo o similari) in ogni caso si dovrebbe curare affinchè le cariche (masse estremamente grandi) vengano a situarsi nella zona di mezzeria trasversale locale del disco; ossia le cariche dovranno essere disposte in modo che esse, in relazione a forze centrifughe agenti perpendicolarmente rispetto all' estensione assiale delle cariche, sono sostenute su una zona corposa di materiale del foro di grande estensione superficiale.

Ad esempio nel caso di giranti a due flussi, che di serie sono già dotate di fori assiali distribuiti uniformemente sul contorno, si potrebbero tenere pronti ad esempio una serie di inserti o tappi prefabbricati in materiale sintetico, che sono presenti con cariche di differente peso adattate alle esigenze. Durante l'equilibratura gli inserti di peso adatto potrebbero essere scelti programmati tramite calcolo e successivamente inseriti, rispettivamente ad esempio incollati, nel rispettivo foro.

Secondo l'invenzione esiste la possibilità di produrre, rispettivamente approntare, gli inserti più leggeri, di uguale peso oppure più pesanti del rispettivo materiale del rotore, ovvero del disco, e fissarli così nei fori del disco della girante ad esempio con distribuzione corrispondentemente mista, in adattamento all' esigenza della compensazione dello squilibrio.

In base ai disegni l'invenzione è ulteriormente illustrata esemplificativamente.

In particolare:

la Fig. 1 mostra una sezione longitudinale centrale schematica di una parte rotorica, in spaccato dal lato del tronco d'albero, di un compressore radiale con girante del compressore radiale a doppio flusso dotata di palette dorso a dorso,

la Fig. 2 mostra una parte radialmente esterna di una girante di compressore radiale secondo la Fig. 1, con un inserto di materiale sintetico, contenente una carica.di sfere di piombo, per una locale compensazione dello squilibrio,

la Fig. 3 mostra una parte radialmente esterna di una girante di compressore radiale secondo la Fig. 1, con foro passante assiale, fusiforme, convergente/divergente in direzione longitudinale, per un inserto,

la Fig. 4 mostra una parte radialmente esterna di una girante di compressore radiale secondo la Fig. 1 con un foro passante assiale, contenente una cava anulare centrale per un inserto e

la Fig. 5 mostra una parte radialmente esterna di una girante di compressore radiale secondo la Fig. 1 con inserto in due parti, bloccato in un foro passante assiale mediante giunzione a guisa di vite/cono.

La Fig. 1 illustra il dispositivo per la compensazione dello squilibrio su un rotore 1 di compressore radiale, qui specialmente per la compensazione statica dello squilibrio sulla girante 2 di compressore radiale, eseguita a doppio flusso e con palette dorso su dorso, di un propulsore con turbina a gas. In tal caso il disco R della girante, nella zona periferica radialmente esterna della girante 2 del compressore presenta un foro assiale 3, che è riempito da un inserto 4, che chiude con copertura superficiale aerodinamica il foro 3 dal lato terminale, fra vicine parti delle palette radiali. In tal modo il prelevamento di massa del materiale, provocato mediante il foro assiale 3, sul disco R della girante, insieme al successivo riempimento per mezzo di un inserto di materiale sintetico 4', estremamente leggero, rappresenta una compensazione dello squilibrio, e precisamente nel corso dello spostamento, costituito dalla posizione eccentrica del baricentro rotorico S, rispetto all'asse rotorico A. Col presupposto che sussista uno spostamento del baricentro rotorico conformemente a S' (sfalsato di 180" rispetto a S), allora lo squilibrio da ciò risultante potrebbe parimenti essere compensato nell'ambito della configurazione dell'inserto 4, contenuta nel foro 3 già precedentemente citato, purché questo inserto 4 presenti un peso specifico corrispondentemente alto. In altre parole pertanto i corrispondenti spostamenti dei baricentri rotorici S, S', rispetto al relativo asse rotorico A, rappresentano spostamenti di massa eccentrici, simmetrici al disco della girante, laddove i rispettivi baricentri S, S' sono situati in un piano di mezzeria E intersecante verticalmente l'asse rotorico A. Inoltre al rotore 1 secondo la Fig. l appartengono estremità d'albero 4 e 5, saldate rispettivamente frontalmente ad esempio con il disco R della girante. Inoltre per quanto riguarda la Fig. 1, ad esempio si può partire dal fatto che sulle estremità esterne delle estremità d'albero 4 e 5, rappresentate in spaccato sono situate giranti radiali non ulteriormente rappresentante e che alimentano la girante 2 del compressore radiale, a doppio flusso, con aria compressa, corrispondentemente alle frecce F, rispettivamente F'. La girante 2 del compressore radiale, a doppio flusso, dotata di palette dorso su dorso, su entrambi i lati presenta palette di girante di compressore radiale 6, rispettivamente 7, che si restringono continuamente in direzione del flusso e dalle quali aria del compressore, altamente compressa, con velocità di deflusso relativamente alta può essere addotta ad un sistema diffusore, dal quale l'aria compressa può quindi defluire in maniera adeguata in una camera di combustione del propulsore con turbina a gas. Inoltre dalla Fig. 1 è riconoscibile che alle due estremità d'albero 4 e 5 è impresso un andamento esterno del contorno periferico U, che si restringe in maniera relativamente ampia in direzione verso l'asse rotorico A e prosegue in modo continuo, con copertura superficiale, nel relativo contorno, lato-mozzo, del disco R della girante, oltre le estremità di inserimento. In tal caso uno o più fori passanti 3 per i rispettivi inserti 4 si estendono pertanto sempre rispettivamente fra due vicine palette 6, rispettivamente 7, del compressore radiale, che da parte loro sono disposte rispettivamente ad uniformi distanze reciproche sul contorno del disco della girante. In relazione allo spostamento già precedentemente citato del baricentro rotorico S, rispettivamente S', rispetto all'asse rotorico A, l'inserto 4, ad esempio di materiale sintetico, presenta pertanto o un peso specifico minore, rispettivamente un peso specifico maggiore di quello del materiale del disco R della girante. Per la sicurezza di esercizio è inoltre importante che l'inserto 4' in ogni caso presenta un coefficiente di dilatazione termica che è pari o simile a quello del disco della girante. Gli inserti 4' (Fig. 1), rispettivamente 8 (Fig. 2), possono essere fatti pertanto ad esempio di materiale sintetico, nonché eventualmente in una o più parti.

Esiste inoltre la possibilità di realizzare i rispettivi inserti 4, rispettivamente 8, con un materiale sintetico rinforzato mediante fibre di carbonio, vetro o ceramica. Inoltre l'invenzione prevede la possibilità di realizzare l'inserto o gli inserti 4, rispettivamente 8, con fibre del genere già precedentemente menzionato, incorporate in una matrice di resina artificiale, ad esempio materia termoplastica o poliimmide, oppure anche di combinazioni di dette fibre. A seconda della scelta dei tipi di fibre o delle loro direzioni di disposizione, i coefficienti di dilatazione termica, degli inserti 4, rispettivamente 8, possono essere portati a coincidere con quelli del disco R della girante, nel senso di una dilatazione di esercizio possibilmente uniforme. Mediante determinate direzioni di avvolgimento delle rispettive fibre o combinazioni di fibre (rinforzo periferico) si possono inoltre compensare sollecitazioni centrifughe relativamente alte agenti sugli inserti 4, rispettivamente 8, e precisamente per l'ottenimento di deformazioni possibilmente modeste degli inserti 4, rispettivamente 8.

Conformemente alla Fig. 2 l'inserto 8 di materiale sintetico presenta una carica di materiale costituita di piombo. In tal caso la carica di piombo è costituita di sfere di piombo 10 incorporate, rispettivamente inserite, nell'inserto e precisamente in una cavità cilindrica 9 di questo: A seconda dell'esigenza della compensazione dello squilibrio è possibile variare la lunghezza costruttiva L della cavità cilindrica 9 dell'inserto 9 (Fig. 2), per garantire a seconda delle esigenze una maggiore o minore carica con sfere di piombo.

Come alternativa rispetto alla Fig. 2, esisterebbe inoltre la possibilità di colare nella cavità 9 dell'inserto 8 (Fig. 2) una carica di piombo, oppure di formare però -al posto di questa carica di piombo-, la rispettiva carica di materiale con una foglia di piombo avvolta e/oppure battuta nella cavità 9 dell'inserto 8.

Fondamentalmente l'inserto 4 (Fig. 1), rispettivamente 8 (Fig. 2), può essere incollato nel rispettivo foro passante assiale 3. Qualora questo tipo di fissaggio (incollatura) menzionato per ultimo non dovesse risultare sufficiente in relazione alle risultanti sollecitazioni centrifughe, le figure 3 e 4 prevedono aggiuntivi elementi di fissaggio assiali ed agenti meccanicamente, per gli inserti ivi non rappres entati .

Pertanto conformemente alla Fig. 3 l'inserto può essere fissato in direzione radiale in un foro passante fusiforme 10', convergente/divergente in direzione longitudinale, del disco R della girante.

Conformemente alla Fig. 4, invece, l' inserto ivi non rappresentato può penetrare, con una parte periferice circa centrale, a guisa di ingrossamento in una cava anulare 12 del foro passante assiale 13.

Conformemente alla Fig. 5, l'inserto è costituito di due elementi costruttivi 15 e 16, che sono reciprocamente serrati per mezzo di una vite 14 e cosi facendo sono fissati in un foro passante assiale 3 mediante pressatura (superfici di pressatura P). In tal caso i due elementi costruttivi 15, 16 sono reciprocamente serrati per mezzo della vite 14 su superfici a sede sferica (contorno K), reciprocamente adattate e presentanti simmetria di rotazione. Per il dispositivo secondo la Fig. 5, la vite menzionata 14 con la propria testa è guidata movibile all'interno di corrispondenti rientranze di un elemento costruttivo 16 e sull'altro lato agisce in una filettatura G dell' altro elemento costruttivo 15. Fondamentalmente, conformemente alla Fig. 5, entrambi gli elementi costruttivi 15 e 16 possono essere fatti di uno e di uno stesso materiale di uguale peso specifico, ed entrambi gli elementi costruttivi 15 e 16 potrebbero essere anche fatti di un materiale sintetico; mentre la vite 14 è fatta di un materiale metallico e quindi realizza la massima parte di massa e quindi la massima percentuale di peso di compensazione rispetto ai due elementi costruttivi 15 e 16. A seconda delle esigenze di impiego e del caso di applicazione però è senz'altro possibile realizzare i due elementi costruttivi 15 e 16 con materiali rispettivamente differenti, di peso specifico reciprocamente diverso. Un tale modo di procedere potrebbe essere utile quando è importante compensare squilibri di massa o squilibri residui eccentrici del rotore, rispettivamente del disco R della girante.

In relazione a tutte le configurazioni di masse di compensazione, precedentemente descritte ed illustrate, il disco della girante in modo non rappresentato, su uno o più raggi, può essere dotato di fori passanti e/oppure fori ciechi assiali, disposti distribuiti uniformemente sul contorno e che sono rispettivamente riempiti e chiusi completamente da Inserti, che relativamente al loro rispettivo peso specifico andrebbero distribuiti così da compensare lo squilibrio. Utilizzando fori assiali non ulteriormente rappresentanti a guisa di fori ciechi, sarebbe necessario curare che questi fori siano realizzati il più lunghi possibile per impedire che l'inserto o gli inserti vengano proiettati fuori dai fori in seguito alle risultanti sollecitazioni centrifughe.

L'invenzione è adatta anche per l'impiego per rotori di turbocompressori, specialmente in relazione a locali rotori o dischi di compressori radiali.

Claims

Rivendicazioni 1. Dispositivo per compensare lo squilibrio su un rotore di compressore radiale di una macchina fluidodinamica, specialmente per la compensazione statica dello squilibrio su una girante di compressore radiale a due flussi di un propulsore con turbina a gas, in cui almeno un foro assiale, disposto nella zona periferica radialmente esterna del rotore, presenta un inserto che chiude il foro all'estremità con complanarità parietale rispetto alla superficie rotorica, caratterizzato dal fatto che l'inserto (8) - riempie un foro passante assiale (3), disposto fra vicine parti delle palette radiali del rotore, è fatto di un materiale sintetico rinforzato mediante fibre di carbonio, vetro o ceramica, relativamente alla dilatazione termica è eseguito uguale o similare a quella del rotore, - presenta una densità che è diversa rispetto alla densità del materiale del rotore.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l' inseto (4, 8) è costituito di fibre del genere menzionato, o di loro combinazioni di fibre, incorporate in una materia termoplastica oppure in un poliimide fungente da matrice di resina artificiale.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che l'inserto (8) è eseguito in modo da compensare lo squilibrio mediante una carica di materiale consistente in piombo.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la carica di materiale è costituita di sfere di piombo (10) incorporate, rispettivamente inserite, nell'inserto (8).
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la carica di materiale è costituita di piombo colato nell'inserto.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la carica di materiale è formata da una foglia di piombo inserita ad avvolgimento e/oppure conficcata nell'inserto.
7. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 6, caratterizzato dal fatto che l'inserto è fissato in direzione assiale in un foro passante (10), fusiforme, convergente/divergente in direzione longitudinale, di un disco (R) della girante del rotore.
8. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzato dal fatto che l'inserto con una parte periferica (11) circa centrale, a guisa di ingrossamento, penetra in una cava anulare (16) del foro passante (13).
9. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 8, caratterizzato dal fatto che un disco di girante del rotore del compressore su uno o più raggi è dotato di fori passanti assiali prefabbricati, disposti distribuiti fra di loro uniformemente sul contorno e che sono riempiti e chiusi tutti da inserti, disposti distribuiti con compensazione dello squilibrio relativamente al loro rispettivo peso specifico.