DE3924715A1 - Einrichtung zur unwuchtkompensation an einem radialverdichterrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei radialdurchströmten, Rücken an Rücken bzw. beidseitig mit Radialschaufeln bestückten und integral gefertigten sogenannten "doppelflutigen" Radialverdichterlaufrädern besteht praktisch keine Möglichkeit, Scheibenunwuchten durch örtlichen Materialabtrag oder durch örtliche Materialhinzufügung so zu kompensieren, daß die ent­ sprechend den Auslegungskriterien genauestens gefertigten Schau­ felprofile und Kanalstrukturen keine aerodynamische Beeinträchtigung erfahren.

Bei derartigen Rotorkonzepten ist das doppelflutige Radialrad mit vorderen und hinteren Wellenstummeln zu einer einheitlichen Rotor­ struktur zusammengebaut bzw. verschweißt, um trotz verhältnismäßig stark nach innen gegen die Rotorachse angezogenen Konturverläufen den notwendigen Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen entsprechen zu können. Die dabei räumlich verhältnismäßig weit radial nach innen geschwungen dargestellten Einschnürungen des Rotorumfangskonturver­ laufs, in Verbindung mit vergleichsweise großer Baulänge, haben ihre Ursache u. a. darin, daß bei verhältnismäßig geringen vorgegebenen örtlichen Rotordurchmessern verhältnismäßig hohe Massendurchsätze und Zuströmgeschwindigkeiten in das doppelflutige Radialrad des Ver­ dichters vorausgesetzt werden. Aufgrund der beschriebenen Bauweise sind auch sogenannte "Wuchtbunde" nicht realisierbar, d. h., zwecks Unwuchtkompensation von innen abarbeitbare Umfangsmaterialstege, na­ benvorder- bzw. -hinterseitig im Material des doppelflutigen Rades, was allenfalls in Verwendung von der Welle lösbarer Vorsatzläufer realisierbar wäre. Dies allerdings in Verbindung mit vergleichsweise großen Rotordurchmessern, jeweils zu beiden Seiten des doppelflutigen Verdichterrades. Ein lösbares bzw. abziehbares Vorsatzlaufrad ist auch deshalb vielfach nicht erwünscht, weil es eine festigkeitsmäßige Schwä­ chung des Rotors verursacht, obwohl bei einem derartigen Konzept wie­ derum wuchtbundartige Umfangsflansche oder dergleichen aerodynamisch strörungsfrei vom betreffenden Vorsatzlaufrad abdeckbar wären. Ledig­ lich dynamische örtliche Unwuchten ließen sich bei einem derartigen genannten Rotor mit doppelflutigem Verdichterrad nebst vorn und hinten daran fest angeschlossenen bzw. rotorintegralen Wellenstummeln korri­ gieren, indem örtlicher Materialabtrag im jeweiligen Lagerbereich an den Wellenstummeln vorgenommen würde, ohne dabei allerdings einen Einfluß auf Korrekturen einer statischen Unwucht des doppelflutigen Rades selbst nehmen zu können, welches die größte Rotormasse bein­ haltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für einen Rotor mit doppelflutigem, Rücken an Rücken beschaufelten Radialrad anzugeben, mit der auf vergleichsweise einfache Weise, trotz verhält­ nismäßig ausgeprägter Durchmessereinschnürung am Rotor, insbesondere eine statische Radscheibenunwucht, bzw. Restunwucht, ohne nennenswerte aerodynamische und festigkeitsmäßige Beeinträchtigung betriebssicher beseitigt werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Paten­ tanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung vermeidet u. a. die Nachteile, die sich aus bekannten Restunwuchtkompensationsmethoden im Turboladerbau ergeben, nämlich an den Schaufeloberflächen, im Bereich deren Eintrittskanten am Laufrad, Materialentnahmen vorzusehen, die im Hinblick auf verlangte hohe Ver­ dichterdruckverhältnisse, im Sinne von Änderungen an den Schaufelober­ flächen praktisch nicht mehr zulässig sind; dies auch aus schwingungs­ technischen Gründen, d. h., eine auf das Betriebsverhalten abgestimm­ te, vorgegebene Eigenfrequenz einer Schaufel soll nicht mehr verändert werden.

Die Erfindung ermöglicht einen aerodynamische flächenbündigen Ver­ schluß betreffender Axial-Durchgangsbohrungen, und damit der Strö­ mungskanalwände in der Radscheibe. Erfindungsgemäß könnten die Ein­ sätze im weitesten Sinne auch als Verschlußstopfen umschrieben werden. Dabei könnte die Unwucht (statische Restunwucht) z. B. durch nach­ trägliches Einbringen einer axialen Durchgangsbohrung an der Stelle der größten exzentrischen Masse im wesentlichen beseitigt werden mit anschließender Füllung der Bohrung unter gleichzeitiger Verschließung der Bohrungsenden über einen Einsatz, der gewichtlich örtlich we­ sentlich leichter als die durch die Bohrung entnommene Scheibenmasse wäre.

Äußerst zweckmäßig, können jedoch mehrere Durchgangsbohrungen gleich­ förmig auf einem bestimmten Radius, am Umfang verteilt, serienmäßig beim fertigen Rotor bzw. Rad vorhanden sein, die sämtlichst zu ver­ schließen wären, und zwar mit Einsätzen, z. B. in gemischter Vertei­ lung bezüglich ihres jeweils eigenen spezifischen Gewichts zum spezi­ fischen Gewicht der Radscheibe im Sinne der Restunwuchtkompensations­ erfordernisse.

Da bei axialen Bohrungen die Fliehkräfte senkrecht auf der Bohrungs­ achse stehen, ist grundsätzlich nicht damit zu rechnen, daß der oder die Einsätze oder Stopfen aus den Bohrungen abgeschleudert werden, insbesondere wenn verhältnismäßig lange axiale Durchgangsbohrungen mit relativ langer Stützlänge in radialer Richtung vorgesehen werden.

In Ausgestaltung der Erfindung können jedoch axiale Sicherungsmittel der Einsätze vorgesehen werden, sofern z. B. eine örtliche Einklebung oder -pressung des Einsatzes im Hinblick auf die auftretenden Drehzah­ len und Fliehkräfte als nicht ausreichend anzusehen wären.

Bei in Ausgestaltung der Erfindung möglicher Fertigung der Einsätze aus Kunststoff nebst örtlichen Materialfüllungen (Bleikugeln oder dergleichen) wäre in jedem Fall darauf zu achten, daß die Füllungen (größten Massen) im örtlichen Quermittenbereich der Scheibe zu liegen kommen; d. h., die Füllungen sollten so angeordnet sein, daß sie, im Hinblick auf im rechten Winkel zur axialen Füllungserstreckung an­ greifende Fliehkräfte, an einem großflächigen Materialfleischbereich der Bohrung abgestützt sind.

Bei z. B. serienmäßig schon mit gleichförmig über dem Umfang verteil­ ten Axialbohrungen ausgestatteten doppelflutigen Rädern könnten z. B. eine Reihe vorgefertigter Kunststoffeinsätze oder -stopfen auf Abruf gehalten werden, die mit auf den Bedarf abgestimmten unterschiedlich schweren Füllungen vorliegen. Beim Wuchten könnten die gewichtlich geeigneten Einsätze rechnerisch programmiert ausgewählt und dann in die betreffende Bohrung eingesetzt, bzw. z. B. eingeklebt werden.

Gemäß der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Einsätze gewichtlich leichter, gleich oder schwerer als das betreffende Rotor- bzw. Schei­ benmaterial zu fertigen bzw. bereitzustellen, und so z. B. in ent­ sprechend gemischter Verteilung, in Anpassung an das Unwuchtkompen­ sationserfordernis, in den Bohrungen der Radscheibe festzulegen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Mittellängsschnitt eines wel­ lenstummelseitig abgebrochenen Rotorabschnitts eines Radial­ verdichters mit doppelflutigem, Rücken an Rücken beschaufelten Radialverdichterrad,

Fig. 2 einen radial äußeren Abschnitt eines Radialverdichterrades nach Fig. 1 mit einem eine Bleikugelfüllung enthaltenden Kunststoffeinsatz für eine örtliche Unwuchtkompensation,

Fig. 3 einen radial äußeren Abschnitt eines Radialverdichterrades nach Fig. 1 mit spindelförmiger in Längsrichtung konvergent/ divergenter axialer Durchgangsbohrung für einen Einsatz,

Fig. 4 einen radial äußeren Abschnitt eines Radialverdichterrades nach Fig. 1 mit einer axialen, eine mittlere Ringnut enthal­ tenden Durchgangsbohrung für einen Einsatz und

Fig. 5 einen radial äußeren Abschnitt eines Radialverdichterrades nach Fig. 1 mit in einer axialen Durchgangsbohrung durch schraub-/kegelartige Verbindung verklemmten doppelteiligen Einsatz.

Fig. 1 veranschaulicht die Einrichtung zur Unwuchtkompensation an einem Radialverdichterrotor 1, hier insbesondere zur statischen Un­ wuchtkompensation an einem doppelflutig ausgebildeten, Rücken an Rüc­ ken beschaufelten Radialverdichterrad 2 eines Gasturbinentriebwerks. Dabei weist die Radscheibe R im radial äußeren Umfangsbereich des Verdichterrads 2 eine Axialbohrung 3 auf, die von einem Einsatz 4 ausgefüllt ist, der die Bohrung 3 endseitig, zwischen benachbarten Radialschaufelpartien aerodynamisch flächendeckend verschließt. Auf diese Weise stellt die durch die Axialbohrung 3 hervorgerufene Mate­ rialmassenentnahme an der Radscheibe 3 nebst anschließender Füllung durch einen extrem leichten Kunststoffeinsatz 4 eine Unwuchtkompensa­ tion dar, und zwar im Wege der durch die exzentrische Position des Rotorschwerpunktes S gebildete Verlagerung gegenüber der Rotorachse A. Vorausgesetzt, es läge eine Verlagerung des Rotorschwerpunktes gemäß S′ vor (um 180° zu S versetzt), so könnte die daraus entstehende Unwucht ebenfalls im Wege der in der zuvor schon genannten Bohrung 3 ent­ haltenen Konfiguration des Einsatzes 4 kompensiert werden, sofern dieser Einsatz 4 ein entsprechend höheres spezifisches Gewicht auf­ weist. Mit anderen Worten stellen also die entsprechenden Verlagerun­ gen der Rotorschwerpunkte S, S′ zur betreffenden Rotorachse A ex­ zentrische radscheibensymmetrische Massenverlagerungen dar, wobei die betreffenden Schwerpunkte S, S′ in einer die Rotorachse A vertikal schneidenen Mittelebene E liegen. Zum Rotor 1 nach Fig. 1 gehören ferner jeweils stirnseitig z. B. mit der Radscheibe R verschweißte Wellenstummel 4 und 5. Ferner kann zu Fig. 1 beispielsweise davon ausgegangen werden, daß auf den äußeren abgebrochen dargestellten Enden der Wellenstummel 4 und 5 nicht weiter dargestellte Radialräder sitzen, die das doppelflutige Radialverdichterrad 2 mit verdichteter Luft entsprechend den Pfeilen F bzw. F′ versorgen. Das doppelflutige, Rücken an Rücken beschaufelte Radialverdichterrad 2 weist auf beiden Seiten sich in Richtung der Strömung kontinuierlich verjüngende Radialverdichterlaufschaufeln 6 bzw. 7 auf, aus denen hochkomprimierte Verdichterluft mit verhältnismäßig hoher Abströmgeschwindigkeit einem Diffusorsystem zugeführt werden kann, aus dem die verdichtete Luft dann in geeigneter Weise in eine Brennkammer des Gasturbinentriebwerks abströmen kann. Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, daß den beiden Wel­ lenstummeln 4 und 5 eine verhältnismäßig weit in Richtung auf die Rotorachse A eingeschnürter äußerer Verlauf der Umfangskontur U aufge­ prägt ist, die sich kontinuierlich flächendeckend in der diesbezüg­ lichen nabenseitigen Kontur der Radscheibe R, über die Einsatzenden hinweg, fortsetzt. Eine oder mehrere axiale Durchgangsbohrungen 3 für die betreffenden Einsätze 4 erstrecken sich dabei also immer jeweils zwischen zwei benachbarten Radialverdichterschaufeln 6 bzw. 7, die ihrerseits jeweils in gleichförmigen gegenseitigen Abständen über dem Radscheibenumfang angeordnet sind. In Relation zur zuvor schon genannten Verschiebung des Rotorschwerpunktes S bzw. S′ zur Rotorachse A weist also der Einsatz 4, z. B. aus Kunststoff, entweder ein niedrigeres spezifisches Gewicht bzw. ein höheres spezifisches Gewicht als der Werkstoff der Radscheibe R auf. Für die Betriebs­ sicherheit ist ferner wichtig, wenn der Einsatz 4 in jedem Fall einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der demjenigen der Radscheibe gleich oder ähnlich ist. Die Einsätze 4 (Fig. 1) bzw. 8 (Fig. 2) kön­ nen also beispielsweise aus Kunststoff sowie gegebenenfalls ein- oder mehrteilig, gefertigt sein.

Ferner besteht die Möglichkeit, die betreffenden Einsätze 4 bzw. 8 aus einem durch Kohle-, Glas- oder Keramikfasern verstärkten Kunststoff herzustellen.

Ferner sieht die Erfindung die Möglichkeit vor, den oder die Einsätze 4 bzw. 8 aus in eine Kunstharzmatrix, z. B. ein Thermoplast oder Poly­ imid, eingebetteten Fasern der zuvor schon genannten Art oder aber auch deren Fasernkombinationen zu fertigen. Je nach Wahl der Fase­ rarten oder deren Anordnungsrichtungen können die Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der Einsätze 4 bzw. 8 mit denjenigen der Radscheibe R im Sinne einer möglichst gleichförmigen betrieblichen Dehnung miteinander in Einklang gebracht werden. Durch bestimmte Wicklungsrichtungen der betreffenden Fasern oder Faserkombinationen (Umfangsverstärkung) kön­ nen ferner verhältnismäßig hohe auf die Einsätze 4 bzw. 8 einwirkende Fliehkraftbelastungen kompensiert werden, und zwar im Sinne möglichst geringer Deformationen der Einsätze 4 bzw. 8.

Gemäß Fig. 2 weist der Kunststoffeinsatz 8 eine aus Blei bestehende Materialfüllung auf. Dabei besteht die Bleifüllung aus in den Einsatz, und zwar in einen zylindrischen Hohlraum 9 desselben, eingelagerten bzw. eingebetteten Bleikugeln 10. Je nach Unwuchtkompensationserfor­ dernis kann die Baulänge L des zylindrischen Hohlraumes 9 des Ein­ satzes 8 (Fig. 2) variiert werden, um eine je nach Bedarf größere oder kleinere Füllung mit Bleikugeln zu gewährleisten.

Als Alternative zu Fig. 2 bestünde ferner die Möglichkeit, in den Hohlraum 9 des Einsatzes 8 (Fig. 2) eine Bleifüllung einzugießen oder aber - anstelle dieser Bleifüllung - die betreffende Materialfüllung von einer in den Hohlraum 9 des Einsatzes 8 eingewickelten und/oder eingeklopften Bleifolie zu bilden.

Grundsätzlich kann der Einsatz 4 (Fig. 1) bzw. 8 (Fig. 2) in die je­ weilige betreffende axiale Durchgangsbohrung 3 eingeklebt werden. Sofern diese zuletzt genannte Befestigungsart (Klebung) im Hinblick auf auftretende Fliehkraftbelastungen nicht ausreichen sollte, sehen die Fig. 3 und 4 zusätzliche axiale und mechanisch wirkende Befe­ stigungsmittel der dort nicht dargestellten Einsätze vor.

Gemäß Fig. 3 kann also der Einsatz in einer spindelförmigen, in Längsrichtung konvergent/divergenten Durchgangsbohrung 10 der Rad­ scheibe R in axialer Richtung festgelegt sein.

Gemäß Fig. 4 hingegen kann der dort nicht dargestellte Einsatz mit einem etwa mittigen, wulstartigen Umfangsabschnitt in eine Ringnut 12 einer axialen Durchgangsbohrung 13 eingreifen.

Gemäß Fig. 5 besteht der Einsatz aus zwei mittels einer Schraube 14 gegeneinander verspannten und dabei in einer axialen Durchgangs­ bohrung 3 durch Pressung (Preßflächen P) festgelegten Bauteilen 15 und 16. Dabei sind die beiden Bauteile 15, 16 mittels der Schraube 14 an aufeinander abgestimmten rotationssymmetrischen Kegelsitzflächen (Kontur K) gegeneinander verspannt. Bei der Einrichtung nach Fig. 5 ist die genannte Schraube 14 mit ihrem Schraubenkopf beweglich inner­ halb entsprechender Aussparungen des einen Bauteils 16 geführt und greift auf der anderen Seite in ein Gewinde G des anderen Bauteils 15 ein. Grundsätzlich können gemäß Fig. 5 beide Bauteile 15 und 16 aus ein und demselben Werkstoff mit dem gleichen spezifischem Gewicht gefertigt sein, auch könnten beide Bauteile 15 und 16 aus einem Kunst­ stoff gefertigt sein; während die Schraube 14 aus einem metallischem Werkstoff besteht, und damit den verhältnismäßig zu den beiden Bau­ teilen 15 und 16 größten Massenanteil und damit Ausgleichsgewichtsan­ teil bereitstellt.

Je nach Einsatzbedarf und Anwendungsfall ist es aber durchaus möglich, die beiden Bauteile 15 und I6 aus jeweils unterschiedlichen Materia­ lien mit voneinander abweichendem spezifischen Gewicht zu fertigen. Eine derartige Vorgehensweise könnte dann nützlich sein, wenn es darum geht, exzentrische Massen- bzw. Restunwuchten des Rotors bzw. der Rad­ scheibe R kompensieren zu wollen.

Im Hinblick auf sämtliche zuvor beschriebenen und erörterten Aus­ gleichsgewichtskonfigurationen kann die Radscheibe in nicht darge­ stellter Weise auf einen oder mehreren Radien mit vorgefertigten gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten axialen Durchgangs- und/oder Sacklochbohrungen ausgestattet sein, die jeweils sämtlichst von Einsätzen gefüllt und verschlossen sind, die hinsichtlich deren jeweiligen spezifischen Gewichts unwuchtkompensatorisch zu verteilen wären. Bei Verwendung nicht weiter dargestellter sacklochartiger Axialbohrungen wäre darauf zu achten, daß diese Bohrungen möglichst lang ausgeführt sind, um zu verhindern, daß der oder die Einsätze aufgrund auftretender Zentrifugalbeanspruchungen aus den Bohrungen abgeschleudert werden.

Die Erfindung ist auch für den Einsatz bei Turboladerrotoren, insbe­ sondere im Hinblick auf dortige Radialverdichterrotoren oder -scheiben, geeignet.

Claims (17)

1. Einrichtung zur Unwuchtkompensation an einem Radialverdichterrotor (1) einer Strömungsmaschine, insbesondere zur statischen Unwucht­ kompensation an einem doppelflutigen, Rücken an Rücken beschau­ felten Radialverdichterrad (2) eines Gasturbinentriebwerks, da­ durch gekennzeichnet, daß im radial äußeren Umfangsbereich des Verdichterrads (2) mindestens eine Axialbohrung (3) vorgesehen ist, die von einem Einsatz (4) ausgefüllt ist, der die Bohrung (3) endseitig, zwischen benachbarten Radialschaufelpartien, aerodyna­ misch flächendeckend verschließt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ satz ein niedrigeres spezifisches Gewicht als der Werkstoff der Radscheibe sowie einen mit dem Werkstoff der Radscheibe gleichen oder ähnlichen Wärmekoeffizienten aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ satz ein höheres spezifisches Gewicht als der Werkstoff der Rad­ scheibe sowie einen mit dem Werkstoff der Radscheibe gleichen oder ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4; 8) aus Kunststoff, ein- oder mehrteilig, gefertigt ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4; 8) aus einem durch Kohle-, Glas- oder Keramikfasern verstärkten Kunststoff gefertigt ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4; 8) aus in einer Kunst­ harzmatrix, z. B. ein Thermoplast oder Polyimid, eingebetten Fasern der genannten Art oder deren Fasernkombinationen besteht.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kunststoffeinsatz (8) eine aus Blei bestehende Materialfüllung aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mate­ rialfüllung aus in den Einsatz (8) eingelagerten bzw. einge­ betteten Bleikugeln (10) besteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mate­ rialfüllung aus in den Einsatz eingegossenem Blei besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mate­ rialfüllung von einer in den Einsatz eingewickelten und/oder ein­ geklopften Bleifolie gebildet ist.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4; 8) durch Klebung inner­ halb der Axialbohrung (3) festgelegt ist.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz in einer spindelförmigen, in Längsrichtung konvergent/divergenten Durchgangsbohrung (10) der Radscheibe (R) in axialer Richtung festgelegt ist.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz mit einem etwa mittigen, wulstartigen Umfangsabschnitt (11) in eine Ringnut (12) einer Durchgangsbohrung (13) eingreift.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einsatz aus zwei mittels einer Schraube (14) gegeneinander verspannten und dabei an einer axialen Durchgangsbohrung (3) durch Pressung festgelegten Bauteilen (15, 16) besteht.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile (15, 16) an aufeinander abgestimmten, rotations­ symmetrischen Kegelsitzflächen (K) gegeneinander verspannt sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile (15, 16) aus Materialien gleichen oder unter­ schiedlichen spezifischen Gewichts gefertigt sind.

17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Radscheibe auf einem oder mehreren Radien mit vorgefertigten, gleichförmig über dem Umfang zueinander verteilt angeordneten, axialen Durchgangs- und/oder Sacklochbohrun­ gen ausgestattet ist, die sämtlichst von Einsätzen gefüllt und verschlossen sind, die hinsichtlich deren jeweiligen spezifischen Gewichts unwuchtkompensatorisch verteilt angeordnet sind.