NO760674L - - Google Patents

Description

Anordning ved gassturbinmotor.

I

Den foreliggende oppfinnelse vedrører gassturbinmotorer og, nærmere bestemt, en anordning for forankring av viftebladene i en turbokompressormotor.

Turbokompressornctoren er den type av drivverk som idag er mest benyttet på større fly. I turbokompressormotoren, som derved atskiller seg fra turbojetmotoren, blir en del av drivmediums-gassen pumpet aksialt gjennom ett eller flere kompresjonstrinn, og strømmer direkte ut i atmosfæren uten å passere gjennom motorens kjerneparti. Kompresjoristrinnene med direkte utblåsning til atmosfæren benevnes, kompressortrinn, og er som regel anordnet i motorens forende. Forholdet mellom den luftmengde som strømmer gjennom kompressortrinnene og den luftmengde som strømmer gjennom motorens kjerneparti, betegnes som omledningsforholdet. Dette forhold kan ha forskjellig verdi for hver enkelt motormodell, alt etter den ytelse som kreves av det spesielle drivverk. I samtlige turbokompressormotorer vil imidlertid kompressortrinn-' ene bidra med en vesentlig andel, mellom tretti og syttifem pro-sent, av motorens totalytelse ved "take-off", idet den faktiske andel hovedsakelig bestemmes av omledningsforholdet.

Kompressortrinnenes dimensjoner og tyngde varierer pro-porsjonalt med omledningsforholdet. I en typisk turbokompressormotor, JT9D som fabrikeres av Pratt & Whitney Aircraft, en av-deling av United Aircraft Corporation, vil et enkelt kompressortrinn med vidstrakt strømningsbane levere en luftstrøm med et omledningsforhold av ca fem. Selv om skovlene og løpehjulet,

som utgjør kompressortrinnet i JT9D-motoren, er fremstilt av titan, har skovlene en samlet tyngde av 204 kg, mens løpehjulet veier 213 kg. De fleste turbokompressormotorer som idag benyttes i kommersiell tjeneste, gir en forholdsvis høy kompressorytelse ved "take-off" og er utstyrt med løpehjul av motsvarende størr-else som løpehjulet i JT9D-motoren. Et slikt massivt løpehjul

er nødvendig av hensyn til fordelingen av den randspenning som oppstår, når skovlene og løpehjulet roterer med hastigheter over . tretusentohundre omdreininger pr. minutt, når motoren er i drift. Videre er dimensjoneringen foretatt med henblikk på å gi løpe-hjulet tilstrekkelig vridnings- og bøyefasthet, for å forhindre utbøyning under de mest kritiske vibrasjonsforhold.

Et av de mest attraktive trekk ved turbokompressormotoren, sammenliknet med en turbojetmotor med samme ytelse, er det rela-tivt lave støynivå. Dette lave støynivå er oppnådd ved å redusere styrken av turbulensvirkningen mellom de utstrømmende gasser og det omgivende medium. Omledningsforholdet økes ved avledning av ytterligere, kinetisk energi fra kjernega.sstrømmen, for drift av kompressortrinnene. Kjernegasstrømmens utløpshastighet vil derved reduseres, og dette medfører en senkning av skjæretur-bulensnivået.

Ved konstruksjon av motorer med større omledningsforhold,

med kompressorkomponenter av økete dimensjoner, vil det kunne oppnås betydelige ytelsesøkninger, dersom tyngden av løpehjulet kan reduseres uten forringelse av den konstruksjonsmessige forankring av de påmonterte skovler.

Det ér et hovedformål ved foreliggende oppfinnelse å frem-bringe en anordning for forankring av skovlene i en gassturbinmotor.

Ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter løpehjulet som

er forbundet med skovlene, i det minste i ett trinn i en gassturbinmotor, en lukket kanalkonstruksjon, og består av et skiveformet element hvor det i omkretsflaten er utformet en peri-

fer kanal, hvorved det er dannet et fremre og et bakre steg, og hvor det ved skiveperiferien er anordnet et antall bueformeté plugger som er anbrakt ende mot ende mellom det fremre og det bakre steg, slik at det dannes en toroideformet konstruksjon av stort sett rektangelformet tverrsnitt, og hvor de bueformeté

plugger er fastgjort til det fremre og det bakre steg, og hvor skivens ytterflate er utstyrt med en rekke skovlholderslisser som strekker seg gjennom det fremre og det bakre steg og gjennom de mellomliggende, bueformeté plugger.

Et hovedtrekk ved én versjon av foreliggende oppfinnelse

er representert av forbindelsessonen mellom stegene og de bueformeté plugger, som er isolert fra skiveelementets randspen-

ningér på grunn av at skovlholderslissene er nedført til en

dybde som ligger under de bueformeté pluggers indre periferiflate. Et annet, viktig trekk er forbundet med forholdet mellom stegenes radiallengde og aksialavstanden mellom det fremre og det bakre steg, som varieres for å oppnå en grad av vridnings-

og bøyefasthet som vil begrense skovlenes utslag som følge av vibrasjoner, når motoren er i funksjon.

En av de største fordeler ved oppfinnelsen består i den vesentlig reduserte tyngde av løpehjulet, som er gjort mulig ved denne konstruksjon av stegtype. Følgelig kan akseltvkkélsen ved en gassturbinmotor som er utstyrt med et slikt løpehjul av redus-ert tyngde, minskes i tilsvarende grad under opprettholdelse av samme, kritiske rotorhastighet.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et forenklet sideriss, med en delvis utsnittet seksjon, av en turbokompressormotor, hvor et parti av vifteanordningen er vist i snitt.

Fig. 2 viser et snitt langs linjen 2-2 i fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 i fig. 2.

Et forenklet sideriss av en turbokompressormotor 10 med et ytterhus 12 som er delvis utsnittet for å vise et snitt av en vifteanordning 14, er vist i fig. 1. Vifteanordningen omfatter et antall skovler 16 som er fastgjort til et løpehjul 18. Løpe-hjulets indre del er forbundet med en aksel 20 i en rotoranordning. Som det fremgår av fig. 2, omfatter hver av skovlene 16

et sokkelparti 22 som er innført i en motsvarende skovlsliss 24

i løpehjulet 18. Fig. 3 viser at løpehjulet 18 omfatter et fremre steg 26, et bakre steg 28 og et sokkelparti 30. En bueformet plugg 32 med en indre periferiflate 34 forbindér det fremre steg med det bakre steg langs løpehjulets periferiflate 36.

Løpehjulet er en massiv konstruksjon for forankring av

en rekke skovler. I den førnevnte turbokompressormotor av typen JT9D er førtiseks skovler, hver med en vekt av ca. 4,5 kg, forbundet med løpehjulet ved en rotasjonshastighet av mer enn tretusentohundre omdreininger pr. minutt. Da hver skovl tvinges radielt utad av sentrifugalkreftene, vil skovlene i forening fremkalle strekkspenninger i løpehjulet. Den maksimale strekkspenning i ethvert punkt begrenses til en akseptabel verdi, ved å anordne en tilstrekkelig materialtverrsnittsflate.

I tillegg til den nødvendige materialtverrsnittsflate må

i

løpehjulet ha tilstrekkelig vridnings- og bøyefasthet, for at de mest kritiske vibrasjonsfrekvenser skal kunne begrenses til ver-dier over motorens driftsområde. Under kritiske vibrasjonsforhold vil særlig anstrengte sektorer av løpehjulet utbøyes i den

. fremre og den bakre aksialretriing, hvorved det oppstår såvel

bøye- som vridningsspenninger i løpehjulsmaterialet. Det oppstår alvorlige og ofte destruktive bøyespenninger i skovlene, idet disse tvinges til å følge det forvridde løpehjul. I konvensjon-elle konstruksjoner økes akseltykkelsen og tverrsnittsflaten av det massive løpehjul, for å oppnå den nødvendige stivhet. Denne tverrsnittsflate som er øket av hensyn til den nødvendige stivhet, overstiger den flate som er nødvendig for fordeling av strekkspenningen, og representerer en overflødig tyngde som,

ifølge foreliggende oppfinnelse, elimineres som følge av en mer veloverveid anvendelse av materialet for løpehjulet.

I versjonen ifølge fig. 3 er det anordnet en minimums-tverrsnittsflate som vil redusere den maksimale strekkspenning i løpehjulet til en akseptabel verdi. Denne minimumsflate har slik konturform at det dannes en konstruksjon med ønsket vridnings- og bøyefasthet. Den kasseformete konstruksjon, innbefatt-ende det fremre steg 26 og det bakre steg 28, som er vist i fig. 3, har den nødvendige stivhet. Det fremre og det bakre steg som befinner seg i en innbyrdes aksialavstand A, strekker seg over en radiallengde B, som vist i fig. 3. I den førnevnte JT9D-konstruksjon er det foretrukkete forhold mellom aksialavstanden og radiallengden A/B ca. syv tiendedeler (0,7), og for de fleste, likeverdige konstruksjoner vil et forhold mellom fire tiende-

deler (0,4) og én (1,0) være akseptabelt. -Selv om det er åpen-

bart at et forhold større enn én (1,0) vil gi øket bøyefasthet,

er aksialavstanden A begrenset av bredden av skovlsokkelen som er individuelt dimensjonert i hver motor, med henblikk på skovl-ens optimale styrke og tyngde.

Selv om det massive kompressor-løpehjul.i de fleste, kjente konstruksjoner er fremstilt av titan, vil løpehjulets tyngde, og følgelig motortyngden, reduseres i vesentlig grad ved anvendelse av den lukkete kanalkonstruksjon ifølge foreliggende oppfinnelse. I . en JT9D-motor og i motorer av tilsvarende størrelse vil tyngden av løpehjulet reduseres med ca. 45,4 kg. En annen fordel består i at denne reduksjon.av løpehjulets tyngde blir supplert av motsvarende reduksjoner i opplagringskomponentenes dimensjoner, slik at f.eks. rotorakslens materialtykkelse kan minskes under opprettholdelse av en ekvivalent, kritisk hastighet.

Løpehjulet 18 fremstilles på den måte, at det først ut-formes en perifer kanal i ytterflaten av et skiveformet element, slik at det dannes et fremre steg 26 og et bakre steg 28 i periferien av den utformete del. To eller flere bueformeté plugger 32 innføres ende mot ende mellom det fremre og det bakre steg ved skiveperiferien, og fastgjøres til stegene i denne sone, slik at det dannes en toroideformet konstruksjon med stort sett rektangelformet tverrsnitt. I én versjon er de bueformeté plugger fastsveiset til det fremre og det bakre steg i forbindelsessonene 38, som vist i fig. 3, men det kan også med fordel benyttes andre fastgjøringsmetoder, f.eks. liming med diffusjonsbindemidler, lodding o.l. Selv om mekaniske forankringsdeler, såsom bolter eller nagler, generelt øker tyngden av løpehjulmontasjen, kan slike mekaniske midler være egnet for fastgjøring av de bueformeté plugger til det fremre og det bakre steg, i enkelte versjoner av oppfinnelsen. De forankrete, bueformeté plugger øker løpehjulets stivhet og motstand mot aksialutbøyning under vibrasjonspåvirkning.

Som det fremgår av fig. 2, er skovlslissene 24 nedført i periferien 3 6 av løpehjulet 18 i slik dybde, at bunnen av slissene er beliggende radielt innenfor pluggenes 32 periferiflate 34. Følgelig vil de sveisesømmer eller limfugér som forbinder pluggene med løpehjulets fremre og bakre steg, forløpe utenfor hjulets kraftoverførende ytterkant, i soner uten randspenninger. Hvis det anvendes to eller flere plugger 34, ender de innbyrdes tilgrensende segmenters motvendte endepartier ved en av skovlslissene 24.

Ovenstående beskrivelse og de medfølgende tegninger omfatter foretrukne versjoner av oppfinnelsen, men det vil være innlysende for fagmannen, at ulike forandringer og utelatelser i forbindelse med utforming og detaljer vil kunne gjennomføres uten derved å avvike fra oppfinnelsens ramme.

Claims (7)

1. Rotoranordning for gassturbinmotor, karakterisert ved at den omfatter en skovlbæreskive med et fremre steg og et bakre steg som er forbundet med hverandre ved skiveperiferien ved hjelp av en bueformet plugg, og med en rekke stort sett aksialt forløpende slisser som er utformet i den ytre skive-periferi, samt en rekke kompressorskovler, hvor den enkelte skovl rager utad i radial retning fra den enkelte aksialsliss i skiven.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den bueformeté plugg har en indre omkretsflate, og at rekken av slisser er nedfø rt i skivens ytterperiferi til en dybde under pluggens indre omkretsflate.

3. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det fremre og det bakre, steg er beliggende i en innbyrdes avstand (A) og at det fremre og det bakre steg har en lengde (B ) i radial retning, hvorved forholdet mellom aksialavstanden og radiallengden- (A/B) ligger mellom fire tiendedeler (0,4) og én (1,0).

4. Anordning i samsvar med krav 3, karakterisert ved at forholdet mellom aksialavstanden og radiallengden (A/B) utgjør ca. syv tiendedeler (0,7) .

5. Fremgangsmåte for fremstilling av et løpehjul for en turbokompressormotor, karakterisert ved utforming av en perifer kanal i ytterflaten av en skiveformet del, for fremstilling av et element med et fremre steg og et bakre steg, innføring ende mot ende av et antall bueformeté plugger som hver har en indre omkretsflate, i kanalen, slik at det dannes en toroideformet konstruksjon med stort sett rektangelformet tverrsnitt, fastgjøring av de bueformeté plugger, til det bakre og det fremre steg ved skiveperiferien, samt utforming av en rekke slisser i skiveperiferien, som strekker seg gjennom det bakre og det fremre steg og gjennom én eller flere av de mellomliggende, bueformeté plugger, slik at den i radial retning innerste del av hver sliss befinner seg under pluggens innerperiferi.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at slissene løper stort sett i aksial retning over skiveperiferien.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at utformingen av slissene dessuten inn-befatter plassering av en av slissene ved hver skjøt mellom tilstøtende, bueformeté plugger. i