DE1053871B - Schaufelrad fuer mit hohen Drehzahlen und bei hohen Temperaturen betriebene Gasturbinen und Verdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufelräder für mit hohen Drehzahlen und bei hohen Temperaturen betriebene Gasturbinen und Verdichter.

Für den erwähnten Verwendungszweck ist bereits (in Schaufelrad bekannt, das eine erste Nabe aufweist, die mit ihr aus einem Stück bestehende bzw. mit ihr fest verbundene Schaufeln trägt, welche sich aus einer radialen Richtung an den diametralen Enden des Rades in eine axiale Richtung in der Nähe der Radnabe erstrecken, sowie eine zweite zur ersten Nabe gleichachsige und mit dieser verbundene Nabe, welche mit Schaufeln versehen ist, die mit den axial gerichteten Teilen der von der ersten Nabe getragenen Schaufeln zusammenwirken.

Bei dieser Anordnung ist jedoch nicht zu vermeiden, daß bei den Turbinenschaufeln Schwingungen auftreten, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Schwingungen der Turbinenschaufeln zu dämpfen und das Auftreten von Resonanzschwingungen zu verhindern.

Dies wird gemäß der Erfindung vor allem dadurch erreicht, daß die Schaufeln der zweiten Nabe sich dämpfend an die axial gerichteten, von der ersten Nabe getragenen Schaufeln anlegen.

Hierdurch wird nicht nur der Vorteil erzielt, daß das Schaufelrad in einer Gasturbine oder in einem Verdichter bei höheren Temperaturen und Umlaufgeschwindigkeiten betrieben werden kann, so daß eine erhöhte nutzbare Leistung bei einer gegebenen Baugröße erzielbar ist, sondern auch, daß die Schaufelräder trotz höherer Temperaturen und Drehzahlen eine längere Lebensdauer haben. Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen Seitenriß eines Turbinenrades gemäß der Erfindung, bei welchem Teile weggebrochen und Teile im Schnitt dargestellt sind,

Fig. 2 eine teilweise Endansicht des Turbinenrads gemäß der Erfindung, bei welcher Teile weggebrochen und Teile im Schnitt dargestellt sind,

Fig. 3 eine Teilansicht in vergrößertem Maßstab und im Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 eine Teilansicht von der Seite und in vergrößertem Maßstab der zusammenwirkenden Teile der Radschaufeln und der Schaufeln des abströmseitigen Teils und

Fig. 5 eine Teilansicht im Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4.

In Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 ein Turbinenrad, das mit einem Nabenteil 11 versehen ist, mit dem freitragende Schaufelteile 12 fest verbunden sind, die dem Rad ein annähernd sternförmiges Aussehen geben.

Schaufelrad für mit hohen Drehzahlen

und bei hohen Temperaturen betriebene

Gasturbinen und Verdichter

Anmelder:

The Garrett Corporation, Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Pienzenauerstr. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 17. Juni 1954

Werner T. von der Nuell, Santa Monica, Calif.,

Richard W. Winslow, Phoenix, Ariz.,

und William D. Whitaker, Encino, Calif. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

Die Schaufeln 12 bestehen aus einem Stück mit dem Nabenteil des Rads oder sind in anderer Weise mit diesem fest verbunden und erstrecken sich, wie am besten Fig. 2 zeigt, in radialer Richtung. Der Nabenteil des Rads endet in einer Mittellage zwischen den Schaufeln an einer Stelle, die von der Achse des Rads um einen Abstand nach außen liegt, der geringer als 75 % des Halbmessers des Rads ist. An der Radnabe 11 ist eine abströmseitige Nabe 13 mit Hilfe von Bolzen 14 befestigt. Die von der abströmseitigen Nabe 13 getragenen Schaufeln 15 " sind mit abgeschrägten Teilen 16 ausgebildet, welche abgeschrägte Teile 17 der Schaufeln 12, wie sich am besten aus Fig. 3 ergibt, übergreifen. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Schaufeln 12 mit äußeren Enden 18 versehen, die sich radial erstrecken und mit Austrittskantenteilen 19., die sich in axialer Richtung, benachbart den Kanten der Abströmschaufeln 15, erstrecken. Der Querschnitt der Schaufeln 12 nimmt zur Kante 19 und zu den Abströmteilschaufeln 15 hin ab. Der Mittelteil 20 zwischen den Schaufeln 12 endet in einem beträchtlichen Abstand von den Enden 18 der Schaufeln nach innen, so daß der Halbmesser des schweren Nabenteils 11 wesentlich kleiner als der der Schaufeln 12

809 787/135

Claims (8)

1. ist, was vom Gesichtspunkt der Fliehkraftbeanbpruchungen einen Vorteil bedeutet. Ferner haben die Schaufeln 12 einen sich von der Achse des Rads zu dessen Umfang verringernden Querschnitt, so daß der Querschnitt eines radialen Schnitts dieser Schaufeln 12 in Richtung zu den äußeren Enden 18 abnimmt.

   Wie sich aus Fig. 3 und 4 ergibt, befinden sich die sich übergreifenden Flächen 16 und 17 der Schaufeln 15 und 12 in einer Ebene im rechten Winkel zur Achse des Rads 10 und in einer weiteren Ebene, die mit dieser einen Winkel von annähernd 45° einschließt. Die Abströmschaufeln 15 sind mit Kanten 21 versehen, die sich im Abstand von den Kanten 19 der Schaufeln 21 befinden, so daß jede der Schaufeln 12 und 15 mit ihrer Eigenfrequenz schwingen kann. Der Unterschied in den Schwingungsfrequenzen der Schaufeln 12 und 15 verursacht eine Schwingungsdämpfung der Schaufeln durch Interferenz miteinander an den Flächen 16 und 17. Die Kanten 19 und 21 der Schaufeln 12 und 15 sind mit einem spitzen Winkel zur Achse des Rads angeordnet, so daß sich eine zweckmäßige Anordnung für die Lage der sich übergreifenden Flächen 16 und 17 ergibt.

   Die Wirkungsweise des Turbinenrads gemäß der Erfindung ist im wesentlichen wie folgt. Wenn das Rad 10 mit hohen Drehzahlen umläuft und durch ein Gas von hoher Temperatur angetrieben wird, verursacht die erhöhte Temperatur der Schaufeln 12 eine Verringerung ihrer Zugfestigkeit, wodurch die in diesen zulässigen Fliehkraftbeanspruchungen herabgesetzt werden. Wenn die Schaufeln 12 mit maximaler Temperatur und Fliehkraftbeanspruchung betrieben werden, werden die Schwingungswirkungen durch die Dämpfungswirkung auf ein Mindestmaß herabgesetzt, die durch die Berührung der sich übergreifenden Flächen 16 und 17 der Schaufeln 12 und 15 hervorgerufen werden. Daher wird die freitragende Konstruktion der Schaufel 12, welche unter hohen Betriebsbeanspruchungen zum Schwingen neigt, nicht zu Resonanzschwingungen angeregt, so daß die Schwingungsamplitude auf einem Mindestmaß gehalten wird, wodurch das Arbeiten der Schaufeln 12 unter hohen Temperaturen und hohen Betriebsbeanspruchungen ermöglicht wird. Die im wesentlichen sternförmige Radkonstruktion mit freitragenden Schaufeln ergibt daher bei einer gegebenen Drehzahl ein Mindestmaß an Fliehkraftbeanspruchung in den Schaufeln und in der Nabe. Um aus der für diese Radschaufelkonstruktion eigentümlichen vergleichsweise niedrigsten Beanspruchung Nutzen ziehen zu können, müssen Mittel zur Dämpfung solcher Schaufeln vorgesehen werden, da sie über keine Scheibenabstützung an ihren radialen Enden verfügen. Ein sternförmiges Rad mit freitragenden Schaufeln kann an sich mit hohen Temperaturen und Drehzahlen betrieben werden, jedoch kann die gemeinsame Wirkung von thermischen und Fliehkraftbeanspruchungen, wenn gleichzeitig Resonanzschwingungen auftreten, zum Bruch der Schaufeln führen. Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß infolge des Zusammenwirkens des sternförmigen Rads samt seinen freitragenden Schaufeln mit Mitteln für das Dämpfen der Schaufeln das Turbinenrad gemäß der Erfindung mit hohen Temperaturen und Drehzahlen betrieben werden kann.

   Die Erfindung ist auch für Verdichter brauchbar.

   P A T E N T A X S P R Ü CHE:

   ίο 1. Schaufelrad für mit hohen Drehzahlen und

   bei hohen Temperaturen betriebene Gasturbinen und Verdichter mit Schaufeln, welche mit einer ersten Nabe aus einem Stück bestehen bzw. mit dieser fest verbunden sind und sich aus einer radialen Richtung an den diametralen Enden des Rades in eine axiale Richtung in der Nähe der Radnabe erstrecken, einer zweiten zur ersten Nabe gleichachsigen und mit dieser verbundenen Nabe, welche mit Schaufeln versehen ist, die mit den axial gerichteten Teilen der von der ersten Nabe getragenen Schaufeln zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der zweiten Nabe sich dämpfend an die axial gerichteten, von der ersten Nabe getragenen Schaufeln anlegen.
2. 2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Nabenteil in der Mitte zwischen den von diesem getragenen Schaufeln an einer Stelle endet, die von der Radachse mit einem Abstand nach außen liegt, welcher weniger als 75% des Halbmessers des Rades beträgt.
3. 3. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der ersten Nabe in Richtung auf die Schaufeln der zweiten Nabe abnehmenden Querschnitt haben.
4. 4. Schaufelrad nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln einander nur an einer Stelle übergreifen, die näher an ihrem Umfang als an ihren Nabenteilen liegt.
5. 5. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der ersten Nabe in radialer Richtung von außen nach innen zunehmenden Querschnitt haben.
6. 6. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der zweiten Nabe in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt haben.
7. 7. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der sich nicht überlappenden Teile der Schaufeln der ersten und der zweiten Nabe innen in Nabennähe mit Abstand übereinander angeordnet sind.
8. 8. Schaufelrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses im wesentlichen sternförmig ausgebildet ist und freitragende Schaufeln trägt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 873 014;
   britische Patentschrift Nr. 696 817.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen