DE2159929A1

DE2159929A1 - Ringförmiges Laufrad

Info

Publication number: DE2159929A1
Application number: DE19712159929
Authority: DE
Inventors: Lionel Sneyd Park Bristol Haworth (Großbritannien). P
Original assignee: SECR DEFENCE
Current assignee: SECR DEFENCE
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1971-12-01
Publication date: 1972-08-03
Also published as: DE2159929C3; US3799698A; GB1318653A; DE2159929B2; FR2116516B1; FR2116516A1

Description

PATB If ΤΑΓΤΛΥΑΤ,Τ

ing. B. EOLSBIl fi9 AUQSBUTiG

PHIXJPPIIfE-WEiSEn-STBASSB M TSUKHi SXSTS

Augsburg, den 17. April 1972

Amtl.Az.: P 21 59 929-1 Anw. Az.: R. 823

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland_s Whitehall, London, S.W.I, England

Ringförmiges Laufrad

Die Erfindung betrifft ringförmige Laufräder zur Halterung einer Vielzahl von jeweils um ihre Längsachse drehbaren Schaufeln.

Derartige Laufräder finden insbesondere bei Turboluftstrahltriebwerken zur Halterung der Schaufeln

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eines Gebläses mit einstellbarer Schaufelsteigung Verwendung.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den Aufbau eines Laufrades der genannten Art derart zu verbessern, daß sieh im Betrieb eine optimale Verteilung der von den Schaufeln auf das Laufrad übertragenen Kräfte ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung • von einem ringförmigen Laufrad zur Halterung einer Vielzahl von jeweils um ihre Längsachse drehbaren Schaufeln aus. Ein derartiges Laufrad ist gemäß der Erfindung durch zwei mit Abstand voneinander angeordnete Stirnwände gekennzeichnet, welche einerseits in Umfangsrichtung derart gewellt sind, daß sie an ihren radial äußeren Rändern abwechselnd einander genähert und voneinander entfernt sind und dadurch eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Halbringen gebildet ist, die jeweils mit ihren gegenüberliegenden Halbringen öffnungen zur Aufnahme von die Schaufelfüße halternden Lagern bilden, und welche andererseits an ihren radial inneren Rändern jeweils eine achssenkrechte Ringscheibe aufweisen, welch letztere jeweils so angeordnet ist, daß jeweils die, die Schwerpunkte der radial äußeren Halbringe

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enthaltenden achssenkrechten Ebenen die betreffenden Ringscheiben enthalten.

Die Stirnwände haben gemäß der Erfindung eine gewellte Form, welche am radial äußeren Teil des Laufrades am ausgeprägtesten ist und welche mit abnehmendem Radius des Laufrades geringer, schließlich eben wird und in die Ringscheiben übergeht.

Auf Grund dieses Aufbaues des Laufrades nach der Erfindung werden die im Betrieb auf das Laufrad ausgeübten Fliehkräfte hauptsächlich durch Zugbelastungen in den Stirnwänden auf die Ringscheiben übertragen, und zwar unter Biegemomenten von minimaler Ausbildung. Axialbelastungen, die durch die nicht radiale Anordnung der Stirnwände verursacht werden, werden von dem Laufrad als Ganzem im wesentlichen ausgeglichen.

Bei dem Laufrad nach der Erfindung sind die Jeweils einen Schaufelfuß tragenden Lager jeweils

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auf ihrem gesamtem Umfang durch einen Halter mit gleichmäßiger Steifigkeit gehaltert.

In Weiterbildung der Erfindung ist an jeder Stirnwand genau radial außerhalb der Stelle, an welcher die Stirnwände auf die Ringscheiben treffen, ein axial vorragender, zylindrischer Bund angebracht, um das Übertragen nicht radialer Belastungen auf die Ringscheiben zu verhindern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Laufrad aus zwei gleichen Hälften, die längs einer achssenkrechten Teilungsebene miteinander verbunden sind. Bei einem derart aufgebauten Laufrad nach der Erfindung ist es möglich, die nach innen projizierten Schenkel des Neigungswinkels jeder Stirnwand in jedem beliebigen Axialschnitt des Laufrades durch den Flächenschwerpunkt der Ringscheibe hindurchgehen zu lassen.

Die Erfindung beinhaltet außerdem die Anwendung eines erfindungsgemäßen Laufrades, welches mit einer Vielzahl von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Laufschaufeln versehen ist, die an ihren Schaufelfüßen jeweils in Lagern um ihre Längsachse drehbar gelagert

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sind, bei einem Turboluftstrahltriebwerk.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Ringe in radialer Richtung derart bemessen, daß eine Vielzahl von in umfangsmäßigen Abständen nebeneinander angeordneten und von dem Laufrad wegragenden Zylindern gebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines Turboluft

strahltriebwerkes mit einem Laufrad nach der Erfindung,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung

ein Gebläselaufrad nach der Erfindung für das in Fig. 1 dargestellte Triebwerk,

Fig. J5 einen Schnitt auf der

Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt auf der

Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt auf der

Linie V-V in Fig. 3, und

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Fig. 6 einen Schnitt auf der Linie III-III

in Fig. 2, wobei jedoch eine Schaufel in das Laufrad nach der Erfindung eingesetzt ist.

In Fig. 1 ist ein Mantelstrom-Turboluftstrahltriebwerk mit einem Grundtriebwerk 1 dargestellt, welch letzteres einen Verdichter 2, eine Brennkammeranordnung 3 und eine Turbine 4 aufweist. Das Grundtriebwerk wird nicht näher beschrieben, da dessen Aufbau keinen Teil der Erfindung bildet. Das Grundtriebwerk erzeugt heiße Gase, die zum Antrieb eines in einem Gebläsekanal 6 angeordneten Gebläses 5 verwendet werden.

Die Steigung der Gebläseschaufeln ist einstellbar, d.h. die Schaufeln sind derart an einem Laufrad gehaltert, daß sie zwecks Änderung ihres Anstellwinkels um ihre Längsachsen drehbar sind. Die Schaufeldrehung erfolgt über eine Steigungsverstellvorrichtung 7» welche von beliebiger geeigneter Bauart sein kann und welche nicht näher beschrieben wird.

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Während des normalen Triebwerksbetriebes sind die Gebläseschaufeln auf eine Steigung eingestellt, bei welcher ein Vorwärtsschub erzeugt wird und Luft durch den Gebläsekanal 6 hindurch nach hinten, d.h. von einem Einlaß 8 zu einer Düse 10 hin strömt. Ein Teil dieses Luftstromes wird in einen Einlaß 9 des Grundtriebwerkes abgezweigt. Die Gebläseschaufeln sind außerdem in eine Stellung drehbar, in welcher ein Umkehrschub erzeugt wird und Luft durch den Gebläsekanal 6 hindurch nach vorn, d.h. von der Düse 10 zum Einlaß 8 hin strömt.

In den Fig. 2 bis 5 ist ein ringförmiges Laufrad dargestellt, an welchem die Gebläseschaufeln befestigt sind und welches zwei geneigte Stirnwände 10 und 11 aufweist, die an ihren radial inneren Rändern jeweils mit einer radial gerichteten Ringscheibe 12 bzw. 13 versehen sind«

Die Stirnwände verlaufen an ihren radial äußeren Rändern abwechselnd aufeinander zu und voneinander weg und bilden dadurch eine Folge von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Ringen 14, welche öffnungen 15 zur Aufnahme von Lagern bilden, die bei zusammengebautem, d.h. mit Schaufeln versehenem Laufrad die Schaufelfüße

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haltern. Stege 16 zwischen den Ringen Ik werden von Verbindungsteilen zwischen den Stirnwänden gebildet.

Die Stirnwände sind derart geformt, daß sie in die Form der Ringe übergehen. Zu diesem Zweck weisen die Stirnwände im Bereich ihrer radial äußeren Ränder eine gewellte Form auf, so daß sie abwechselnd um den Durchmesser einer öffnung 15 voneinander entfernt und an einer Vielzahl von Stegen 16 miteinander verbunden sind.

Die Fig. U und 5 zeigen Querschnitte durch die Stirnwände auf den Linien IV-IV und V-V in Fig. 3, aus welchen die sich mit kleiner werdendem Radius ergebende Änderung der Größe der Wellungen hervorgeht, welche an den radial äußeren Rändern der Stirnwände ein Maximum hat und genau oberhalb der Ringscheiben Null ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sind die Stirnwände derart geneigt, daß sie auf einer Umfangslinie in einem Punkt P zusammenlaufen. Die Kräfte in den Stirnwänden haben deshalb Axialkomponenten, welche an verschiedenen Stellen um das Laufrad herum verschieden groß sind. Obwohl sich alle diese Axialkomponenten, wenn man da3 Laufrad als Ganzes betrachtet, ausgleichen werden,

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werden sie doch örtlich versuchen, die ebenen Ringscheiben zu verziehen.

Unter diesem Gesichtspunkt ist es deshalb von' Vorteil, die Neigungswinkel der Stirnwände derart zu wählen, daß die Projektionen der Stirnwände nach innen zu auf einer Umfangslinie durch die Ringscheibe hindurch zusammenlaufen und vorzugsweise durch den Flächenschwerpunkt der Ringscheibe hindurchgehen, in welchem der Querschnitt für die Aufnahme der Belastung groß genug ist.

Wenn das Laufrad jedoch aus einem einzigen Stück besteht, ist das Bearbeiten der Ringscheiben zwecks Erzielung dieser bevorzugten Neigungswinkel schwierig. Diese Schwierigkeit kann durch das Anbringen axial vorragender Urafangsbunde 17 und 18 in der Nähe der Linie P überwunden werden, welche die axialen Belastungskomponenten direkt aufnehmen und das übertragen dieser Komponenten auf die Ringscheibe verhindern. Der Bund 18 ist Über eine Schweißverbindung mit einer Antriebswelle 19 des Laufrades verbunden, während der Bund mit einer nicht dargestellten Nasenhaube verbunden ist.

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Die Ringscheiben sind wegen der radialen Neigung der Stirnwände jeweils unterhalb des Schwerpunktes derselben auf beiden Seiten einer durch eine Mittellinie A-A des Laufrades hindurchgehenden achssenkrechten Ebene angeordnet. Die radialen Belastungen, welche im Betrieb durch auf das Laufrad einwirkende Fliehkräfte hervorgerufen werden, werden deshalb hauptsächlich durch Radialkräfte in den Stirnwänden auf die Ringscheiben übertragen; außerdem werden dadurch weniger Biegekräfte erzeugt.

Bei anderen Ausführungsbeispielen des Laufrades nach der Erfindung kann es vorkommen, daß die Radialebenen, in welchen die Schwerpunkte der Ringscheiben liegen, nicht genau unterhalb der Schwerpunkte der betreffenden Stirnwände liegen. Das Kriterium für die Positionierung" der Ringscheiben besteht darin, eine optimale Verteilung nicht radialer Beanspruchungen in dem Laufrad, welche sich von einem Laufrad zum anderen ändern können, zu erzielen. Im allgemeinen geht aufgrund der Dicke der Ringscheiben eine Radialebene durch den Schwerpunkt der Stirnwand auf einer Seite der Mittellinie A-Adurch die betreffende Ringscheibe hindurch.

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Bei einer bevorzugten Ausführungform des Laufrades nach der Erfindung kann dieses aus zwei Hälften hergestellt sein, welche längs einer achssenkrechten Teilungsebene, beispielsweise mittels Schrauben, miteinander verbindbar sind. Ein derartiger Aufbau vereinfacht die Herstellung des Laufrades und ermöglicht es, den Neigungswinkel der Stirnwand jedes beliebigen Schnittes des Ringkörpers derart auszubilden, daß eine Projektion der Stirnwand nach innen zu durch die Ringscheibe hindurchgeht, und zwar nahe bei oder durch deren Flächenschwerpunkt hindurch. Die Axialkomponenten der Stirnwandkräfte werden dann innerhalb der Ringscheibe an einer Stelle aufgenommen, an welcher der Ringscheibenquerschnitt groß genug ist, um die Belastungen aushalten zu können. Die Bunde 17 und 18 sind für diesen Zweck nicht erforderlich, obgleich sie trotzdem zur Befestigung einer Nasenhaube auf der einen Seite und einer Antriebswelle auf der anderen Seite vorgesehen sein können.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch das Laufrad nach der Erfindung mit einer eingesetzten Schaufel. Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung ist so getroffen, daß die Schaufel, ihre Lager und ihre Verstellvorrichtung außerhalb des Laufrades zusammengebaut und von einer radial

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außerhalb des Laufrades gelegenen Stelle aus geraeinsam in eine öffnung eingeführt und eingeschraubt werden können.

Die Schaufel 5 weist einen mit einem Innengewinde versehenen Fußteil 20 auf. Das Innengewinde 21 ist auf ein entsprechendes Außengewinde eines Bolzens 22 aufschraubbar. Um den Schaufelfuß 20 herum ist ein Distanzring 23 mit einer Vertiefung 24 für eine nicht dargestellte Dichtung angeordnet. Eine Mutter 26, welche den Distanzring umschließt, weist eine Fläche 27 auf, die mit der Dichtung zusammenwirkt und ein Auslecken von Strömungsmittel an der Dichtung verhindert. Die Mutter 26 weist außerdem eine Fläche 28, welche einen äußeren Laufring für ein Lager 29 bildet, und ein Außengewinde 30 auf, mittels welchem die Mutter in ein entsprechendes, in einem der Ringe 1*4 des Laufrades gebildetes Innengewinde einschraubbar ist. Ein weiterer Distanzring 32 umschließt den Schaufelfuß zwischen dem Bolzen 22 und der Mutter 26. Dieser weitere Distanzring ist mit einer Fläche 33, welche einen Innenlaufring für das Lager 29 bildet, einer Fläche 3¹J, die an einer entsprechenden Fläche des Distanzringes 23 anliegt, einer Gruppe von Anschlägen 35, die mit entsprechenden Anschlägen an dem Schaufelfußteil 20 zusammenwirken, und

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mit einer weiteren Reihe von Anschlägen 36 versehen, die mit einer entsprechenden Reihe von Anschlägen an einem Arretierungsring 37 zusammenwirken.

Beim Zusammenbauen der Schaufel und des Laufrades werden zunächst der Distanzring 23, die Mutter 26, die Dichtung 25, das Lager 29 und der Distanzring 32 am Schaufelfuß angebracht. Anschließend wird der Bolzen in das Gewinde 21 im Schaufelfuß eingeschraubt und dadurch die Anordnung aus den genannten Teilen zusammengehalten. Diese Anordnung wird sodann mittels der Mutter 26 in das Laufrad eingeschraubt.

Der Arretierungsrxng 37 ist eingepaßt und greift in die Anschläge 35 an dem Distanzring 23 und in Anschläge 40 an dem Bolzen ein, wenn der übrige Teil der Anordnung, zu welchem der nicht dargestellte Antrieb von der Steigungsverstellvorrichtung her gehört, eingebaut ist.

Andere Ausführungsformen der beschriebenen Anordnung können unter Verwendung des Laufrades nach der Erfindung mühelos konstruiert werden. Wenn beispielsweise das Laufrad aus zwei Hälften besteht, kann das Einbauen der

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Schaufeln in das Laufrad leichter vorgenommen werden, ohne daß der Schaufeluß mit Mitteln versehen zu werden braucht, welche das Zusammenbauen einer Anordnung ermöglichen, die dann von außen her eingeschraubt wird. Bei einem derartigen Laufrad nach der Erfindung kann deshalb auf die Mutter 26 verzichtet werden, wodurch lediglich geringfügige weitere Konstruktionsänderungen erforderlich werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des Laufrades nach der Erfindung können die Ringe 14 radial derart verlängert werden, daß sie eine Vielzahl von in umf angsniäß igen Abständen nebeneinander angeordneten Zylindern bilden, die von dem Laufrad wegragen und die Schaufelfüße aufnehmen. Durch diese Anordnung lassen sich die aufgrund von Fliehkräften in dem Laufrad auf die Schaufelfuße einwirkenden Kräfte, welche ein Verziehen der runden öffnungen 15 hervorzurufen versuchen, verringern.

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Claims

Patentansprüche t

fIT)Ringförmiges Laufrad zur Halterung einer Vielzahl von jeweils um ihre Längsachse drehbaren Schaufeln, gekennzeichnet durch zwei mit Abstand voneinander angeordnete Stirnwände (10, 11), welche einerseits in ümfangsrichtung derart gewellt sind, daß sie an ihren radial äußeren Rändern abwechselnd einander genähert und voneinander entfernt sind und dadurch eine Vielzahl von in Ümfangsrichtung nebeneinander angeordneten Halbringen (14) gebildet ist, die jeweils mit ihren gegenüberliegenden Halbringen öffnungen (15) zur Aufnahme von die Schaufelfüße halternden Lagern bilden, und welche andererseits an ihren radial inneren Rändern jeweils eine achssenkreehte Ringscheibe (12 bzw. 15) aufweisen, welch letztere jeweils so angeordnet ist, daß jeweils die, die Schwerpunkte der radial äußeren Halbringe enthaltenden achssenkrechten Ebenen die betreffenden Ringscheiben enthalten.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung der Seitenwände (10, 11) am Außenumfang des Laufrades am größten ist und mit kleiner werdendem Radius an den Ringscheiben (12, 13) bis auf Null abnimmt.

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3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus zwei Hälften besteht, die längs einer achssenkrechten Teilungsebene miteinander verbunden sind.
4. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwände (10, 11) radial außerhalb der Ringscheiben (12, 13) jeweils mit einem Axialbund (17, 18)' versehen sind, um eine Übertragung nicht radialer Belastungen auf die Ringscheiben zu vermeiden.
5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (14) in radialer Richtung derart bemessen sind, daß eine Vielzahl von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten und von dem Laufrad wegragenden Zylindern gebildet ist.
6. Anwendung eines Laufrades nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches mit einer Vielzahl von in umfangsmäßigen Abständen angeordneten Laufschaufeln versehen ist, die an ihren Schaufelfüßen jeweils in Lagern um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, bei einem Turboluftstrahltriebwerk.

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