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DE1053871B - Blade wheel for gas turbines and compressors operated at high speeds and at high temperatures - Google Patents

Blade wheel for gas turbines and compressors operated at high speeds and at high temperatures

Info

Publication number
DE1053871B
DE1053871B DEG17404A DEG0017404A DE1053871B DE 1053871 B DE1053871 B DE 1053871B DE G17404 A DEG17404 A DE G17404A DE G0017404 A DEG0017404 A DE G0017404A DE 1053871 B DE1053871 B DE 1053871B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
blades
hub
wheel
wheel according
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEG17404A
Other languages
German (de)
Inventor
Werner T Von Der Nuell
Richard W Winslow
William D Whitaker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Garrett Corp
Original Assignee
Garrett Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Garrett Corp filed Critical Garrett Corp
Publication of DE1053871B publication Critical patent/DE1053871B/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/045—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type the wheel comprising two adjacent bladed wheel portions, e.g. with interengaging blades for damping vibrations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufelräder für mit hohen Drehzahlen und bei hohen Temperaturen betriebene Gasturbinen und Verdichter.The invention relates to paddle wheels for use at high speeds and at high temperatures operated gas turbines and compressors.

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.For the purpose mentioned, it is already known (in paddle wheel, which has a first hub, which consists of one piece with her or is firmly connected to her blades, which are from a radial direction at the diametrical ends of the wheel to an axial direction nearby the wheel hub, as well as a second hub coaxial with the first hub and connected to it, which is provided with blades, which with the axially directed parts of the carried by the first hub Blades work together.

Bei dieser Anordnung ist jedoch nicht zu vermeiden, daß bei den Turbinenschaufeln Schwingungen auftreten, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer beeinträchtigen.With this arrangement, however, it is unavoidable that the turbine blades will vibrate occur, which affect the efficiency and the service life.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Schwingungen der Turbinenschaufeln zu dämpfen und das Auftreten von Resonanzschwingungen zu verhindern.The object of the invention is therefore to dampen the vibrations of the turbine blades and their occurrence to prevent resonance vibrations.

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.According to the invention, this is achieved above all in that the blades of the second hub are apply damping to the axially directed blades carried by the first hub.

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 zeigtThis not only has the advantage that the impeller in a gas turbine or in a Compressor can be operated at higher temperatures and rotational speeds, so that an increased usable power can be achieved for a given size, but also that the paddle wheels have a longer service life despite higher temperatures and speeds. Other goals and Advantages of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawings. It shows

Fig. 1 einen Seitenriß eines Turbinenrades gemäß der Erfindung, bei welchem Teile weggebrochen und Teile im Schnitt dargestellt sind,Fig. 1 is a side elevation of a turbine wheel according to the invention with parts broken away and Parts are shown in section,

Fig. 2 eine teilweise Endansicht des Turbinenrads gemäß der Erfindung, bei welcher Teile weggebrochen und Teile im Schnitt dargestellt sind,Figure 2 is a partial end view of the turbine wheel according to the invention with parts broken away and parts are shown in section,

Fig. 3 eine Teilansicht in vergrößertem Maßstab und im Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,Fig. 3 is a partial view on an enlarged scale and in section along the line 3-3 of Fig. 1,

Fig. 4 eine Teilansicht von der Seite und in vergrößertem Maßstab der zusammenwirkenden Teile der Radschaufeln und der Schaufeln des abströmseitigen Teils undFigure 4 is a partial side view, on an enlarged scale, of the cooperating parts of the impeller blades and the blades of the downstream part and

Fig. 5 eine Teilansicht im Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4.FIG. 5 is a partial view in section along the line 5-5 in 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.In Fig. 1 and 2, 10 denotes a turbine wheel which is provided with a hub part 11, with which cantilevered blade parts 12 are fixedly connected to the Give the wheel an almost star-shaped appearance.

Schaufelrad für mit hohen DrehzahlenBucket wheel for high speeds

und bei hohen Temperaturen betriebeneand operated at high temperatures

Gasturbinen und VerdichterGas turbines and compressors

Anmelder:Applicant:

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

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

Pienzenauerstr. 2, PatentanwältePienzenauerstr. 2, patent attorneys

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 17. Juni 1954Claimed priority: V. St. v. America June 17, 1954

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

Richard W. Winslow, Phoenix, Ariz.,Richard W. Winslow, Phoenix, Ariz.,

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

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

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 12The blades 12 are integral with the hub portion of the wheel or are otherwise associated with firmly connected to this and extend, as best shown in FIG. 2, in the radial direction. The hub part of the wheel ends in a central position between the blades at a point away from the axis of the Wheel is outwardly by a distance that is less than 75% of the radius of the wheel. On the wheel hub 11, a hub 13 on the downstream side is fastened with the aid of bolts 14. The one from the downstream Hub 13 carried blades 15 "are formed with tapered parts 16, which tapered Parts 17 of the blades 12, as can best be seen from FIG. 3, overlap. As Fig. 1 shows, the Blades 12 are provided with outer ends 18 which extend radially and are provided with trailing edge portions 19., which extend in the axial direction, adjacent to the edges of the discharge blades 15. The cross section the blades 12 decreases towards the edge 19 and towards the outflow part blades 15. The middle part 20 between the blades 12 ends at a considerable distance from the ends 18 of the blades inside, so that the radius of the heavy hub part 11 is significantly smaller than that of the blades 12

809 787/135809 787/135

Claims (8)

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.is what from the point of view of centrifugal forces means an advantage. Furthermore, the blades 12 have one away from the axis of the wheel its circumference reducing cross-section, so that the cross-section of a radial section of these blades 12 decreases in the direction of the outer ends 18. 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.As can be seen from FIGS. 3 and 4, there are overlapping surfaces 16 and 17 of the blades 15 and 12 in a plane at right angles to the axis of the wheel 10 and in another plane that with this includes an angle of approximately 45 °. The outflow blades 15 have edges 21 provided, which are at a distance from the edges 19 of the blades 21, so that each of the blades 12 and 15 can oscillate with their natural frequency. The difference in the vibrational frequencies of the Blades 12 and 15 cause the blades to vibrate by interference with one another on the surfaces 16 and 17. The edges 19 and 21 of the blades 12 and 15 are pointed with a Angle arranged to the axis of the wheel, so that there is a convenient arrangement for the location of the overlapping areas 16 and 17 results. 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.The operation of the turbine wheel according to the invention is essentially as follows. If that Wheel 10 rotates at high speeds and is driven by a gas of high temperature, caused the increased temperature of the blades 12 reduces their tensile strength, thereby reducing the in these permissible centrifugal forces are reduced. When the blades 12 with maximum Temperature and centrifugal force are operated, the vibration effects are through the damping effect is reduced to a minimum by touching the overlapping Surfaces 16 and 17 of the blades 12 and 15 are caused. Hence the self-supporting Construction of the blade 12, which tends to vibrate under high operating loads, not excited to resonance vibrations, so that the vibration amplitude is kept to a minimum which makes the blades 12 operate under high temperatures and high operational stresses is made possible. The essentially star-shaped wheel construction with self-supporting The blades therefore result in a minimum amount of centrifugal force in the at a given speed Blades and in the hub. In order to compare from the peculiar to this wheel vane construction To be able to benefit from the lowest stress, means for damping such blades must be used be provided because they have no disk support at their radial ends. A Star-shaped wheel with cantilever blades can handle high temperatures and speeds operated, but the combined effect of thermal and centrifugal forces, if resonance vibrations occur at the same time, the blades will break. the end The foregoing shows that as a result of the interaction of the star-shaped wheel and its cantilever blades with means for damping the blades of the turbine wheel according to the invention can be operated at high temperatures and speeds. Die Erfindung ist auch für Verdichter brauchbar.The invention is also useful for compressors. P A T E N T A X S P R Ü CHE:PATENTAXSPR Ü CHE: ίο 1. Schaufelrad für mit hohen Drehzahlen undίο 1. Bucket wheel for high speed and 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.Gas turbines and compressors operated at high temperatures with blades, which with a first hub consist of one piece or are firmly connected to this and consist of a radial direction at the diametrical ends of the wheel in an axial direction near the Extending the wheel hub, a second hub coaxial with the first hub and connected to it, which is provided with blades, which with the axially directed parts of the first hub carried blades cooperate, characterized in that the blades of the second Hub to apply damping to the axially directed blades carried by the first hub. 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.2. paddle wheel according to claim 1, characterized in that that its hub part in the middle between the blades carried by it ends a point which is from the wheel axle at a distance outwardly which is less than 75% of the radius of the wheel. 3. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der ersten Nabe in Richtung auf die Schaufeln der zweiten Nabe abnehmenden Querschnitt haben.3. paddle wheel according to claim 1, characterized in that the blades of the first hub have decreasing cross-section in the direction of the blades of the second hub. 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.4. paddle wheel according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the blades each other overlap only at a point that is closer to their circumference than to their hub parts. 5. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der ersten Nabe in radialer Richtung von außen nach innen zunehmenden Querschnitt haben.5. paddle wheel according to claim 1, characterized in that the blades of the first hub have an increasing cross-section in the radial direction from the outside to the inside. 6. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der zweiten Nabe in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt haben.6. paddle wheel according to claim 1, characterized in that the blades of the second hub have a decreasing cross-section in the direction of flow. 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.7. paddle wheel according to claim 1, characterized in that the edges of the non-overlapping Parts of the blades of the first and the second hub inside near the hub at a distance are arranged one above the other. 8. Schaufelrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses im wesentlichen sternförmig ausgebildet ist und freitragende Schaufeln trägt.8. paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that this in the is essentially star-shaped and carries cantilever blades. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 873 014;
britische Patentschrift Nr. 696 817.Considered publications:
German Patent No. 873 014;
British Patent No. 696 817. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
DEG17404A 1954-06-17 1955-06-16 Blade wheel for gas turbines and compressors operated at high speeds and at high temperatures Pending DE1053871B (en)

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US1053871XA 1954-06-17 1954-06-17

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DE2935923A1 (en) * 1979-09-06 1981-04-02 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart FAN WHEEL

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