DE3924715C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Unwuchtkompensation eines Radialverdichterrotors einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der CH-PS 6 18 268 bekannt ist.

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 Radialverdichterrad 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 störungsfrei 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.

Die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als Stand der Technik zugrunde gelegte CH-PS 6 18 268 behandelt eine druckschleusenartige Einrichtung mit der ein Aus- oder Nachwuchten bei einer Turbomaschine ermöglicht werden soll, deren Innenraum gegenüber der Atmosphäre einen Über- oder Unterdruck aufweist. Unter dortigem Hinweis auf die Verwendung von Öffnungen für die Aufnahme von Unwuchtgewichten läßt der bekannte Fall örtlich abgestufte Sackloch-Bohrungen erkennen, die verschlußseitig an der einen äußeren Radscheibenstirnseite enden sollen. Die Unwuchtkompensationsproblematik eines radial durchströmten, insbesondere Rücken an Rücken beschaufelten Rotors eines Radialverdichters, findet in der genannten CH-PS keinerlei greifbaren Niederschlag.

Die DE 88 06 991 U1 behandelt außen an äußeren Deckwänden eines Rotorlaufrads (Radialventilator) in schwalbenschwanzartigen Ringnuten anzuordnende Unwuchtgewichte, die aus einer knetbaren Masse gefertigt sein sollen. Eine derartige Anordnung und Ausbildung dürfte den bei neuzeitlichen Turbomaschinen auftretenden Temperaturen und Fliehkräften nicht gewachsen sein.

Die US-PS 8 61 463 sieht als Unwuchtkompensationsmaßnahmen beiderseits an einer Radscheibe festgelegte, kragenartige Radabschnitte vor, die mit über dem Umfang gleichförmig verteilten, nach oben offenen, sacklochartigen Ausnehmungen ausgestattet sind; je nach Unwuchtkompensationsbedarf soll zumindest eine Ausnehmung mit einer (blei-) schrotartigen Materialfüllung versehen und dann am offenen Ende mit einem deckelartigen Schraubpfropfen - mit der Oberfläche bündig - verschließbar sein.

Der bekannte Fall erzwingt eine kragenartig abgestufte, spezifische Radscheibenkonfiguration, die mit den gewichtlichen und "aerodynamisch schlanken" Anforderungen eines neuzeitlichen, insbesondere Rücken an Rücken beschaufelten, also "doppelflutigen" Radial­ verdichterrotors nicht im Einklang stehen.

Bei einem aus der DE-OS 19 53 127 bekannten Fall sollen zum dynamischen Auswuchten eines Werkstücks bzw. eines scheibenartigen Aufnahmekörpers Tariergeschosse als Unwuchtgewichte in Richtung eines durch äußere Ringnuten festgelegten Durchmessers bei sich drehendem Scheibenkörper abgeschossen werden; jeweils soll dabei das Tariergeschoß einen zwischen zwei nach außen offenen Ringnuten befindlichen Steg durchbrechen und von einem die eine äußere Nutöffnung abdeckenden Ring im Scheibenkörper verbleibend, zurückgehalten werden.

Die DE-PS 8 94 922 behandelt die Verwendung von Tariergewichten in der Art halbkreisförmiger Ringhälften unterschiedlichen spezifischen Gewichts, die in aufeinander abgestimmten Umfangsteilungen unwuchtkompensatorisch aneinander festlegbar sein sollen, um so, in achskonzentrischer Relation zu einem Läufer, letzteren auswuchten zu können. Die aus den Ringhälften zusammengesetzte Anordnung soll in einer konzentrischen Umfangsaussparung des Läufers - mittels Schrauben - versenkt gehalten sein.

Die DE-PS 5 85 457 behandelt eine Vorrichtung zum Massenausgleich wellenelastischer Körper, z. B. eines Prüfkörpers mittels voll-, teil- oder halbzylindrischer Ausgleichsstücke, die längs gleichförmig über dem Umfang beabstandeter und parallel zur Läuferachse sich erstreckender Axialbohrungen örtlich entsprechend positioniert werden sollen, gegebenenfalls über einen axial verschiebbaren Dorn.

Ausgehend von einer Einrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für einen doppelflutigen Rücken an Rücken beschaufelten Radialverdichterrotor geeignete Einrichtung anzugeben, mit der auf vergleichsweise einfache Weise, trotz verhältnismäßig ausgeprägter Durchmessereinschnürung am Rotor, eine statische Radialverdichterrad- oder Restunwucht, ohne nennenswerte aerodynamische und festigkeitsmäßige Beeinträchtigung, betriebssicher beseitigt werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Patent­ anspruchs 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 wird somit nicht mehr verändert.

Ferner wird ein aerodynamischer günstiger oberflächenbündiger Ver­ schluß der betreffenden axialen Durchgangsbohrungen, und damit der Strö­ mungskanalwände in dem Radialverdichterrad ermöglicht. Es könnte z. B. die Unwucht (statische Restunwucht) 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 gestaltbar wäre.

Äußerst zweckmäßig, können jedoch mehrere axiale Durchgangsbohrungen gleich­ förmig auf einem bestimmten Radius, am Umfang verteilt, serienmäßig beim fertigen Rotor bzw. Radialverdichterrad 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 des Radialverdichterrades, um eine statische Unwucht zu kompensieren.

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

In Ausgestaltung der Erfindung (Ansprüche 7 und 8) können 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 aus Blei 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 axialen Durchgangsbohrungen ausgestatteten doppelflutigen Rädern könnten z. B. eine Reihe vorgefertigter Kunststoffeinsätze 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 werden.

Es 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 Durchgangsbohrungen des Radialverdichterrades 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 und divergent ausgebildeter axialer Durchgangsbohrung für einen Einsatz und

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

Fig. 1 veranschaulicht die Einrichtung zur Unwuchtkompensation an einem Radialverdichterrotor 1 zur statischen Un­ wuchtkompensation an einem doppelflutig ausgebildeten, Rücken an Rüc­ ken beschaufelten Radialverdichterrad 2 eines Gasturbinentriebwerks. Dabei weist der Radialverdichterrotor 1 im radial äußeren Umfangsbereich des Radialverdichterrades 2 eine axiale Durchgangsbohrung 3 auf, die von einem Einsatz 4′ ausgefüllt ist, der die axiale Durchgangsbohrung 3 endseitig, zwischen benachbarten Radialschaufelpartien gegenüber der Oberfläche des Radialverdichterrotors 1 oberflächenbündig verschließt. Auf diese Weise stellt die durch die axiale Durchgangsbohrung 3 hervorgerufene Mate­ rialmassenentnahme am Radialverdichterrad 2 nebst anschließender Füllung durch einen extrem leichten Einsatz 4′ aus einem Kunststoff 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 Durchgangsbohrung 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 Radialverdichterrotor 1 nach Fig. 1 gehören ferner jeweils stirnseitig z. B. mit dem Radialverdichterrad 2 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 Radialverdichterschaufeln 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 ein verhältnismäßig weit in Richtung auf die Rotorachse A eingeschnürter äußerer Verlauf der Umfangskontur U aufge­ prägt ist, die kontinuierlich oberflächenbündig in die nabenseitige Kontur des Radialverdichterrades 2 übergeht. 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′, aus Kunststoff entweder ein niedrigeres spezifisches Gewicht bzw. ein höheres spezifisches Gewicht als der Werkstoff des Radialverdichterrotors 1 an der Radscheibe 2 auf. Für die Betriebs­ sicherheit ist ferner wichtig, daß der Einsatz 4′ ein thermisches Ausdehnungsverhalten aufweist, das demjenigen des Radialverdichterrades 2 des Radialverdichterrotors 1 gleich oder ähnlich ist. Die Einsätze 4 (Fig. 1) bzw. 8 (Fig. 2) sind ferner 8 aus einem durch Kohle- und/oder Glas- und/oder Keramikfasern verstärkten Kunststoff gefertigt.

Ferner ist die Möglichkeit vorgesehen, daß der Kunststoff der Einsätze 4′ bzw. 8 ein Thermoplast oder Poly­ imid ist. Je nach Wahl der Faser­ arten oder deren Orientierung können die Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der Einsätze 4′ bzw. 8 mit denjenigen des Radialverdichterrades 2 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 Füllung auf. Dabei besteht die Bleifüllung aus in den Einsatz, und zwar in einen zylindrischen Hohlraum 9 desselben, eingelagerten und/oder 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 Füllung aus Blei einzugießen oder aber - anstelle dieser Bleifüllung - die betreffende Füllung 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 hierzu die axiale Durchgangsbohrung 10′ in Längsrichtung konvergent und/oder divergent ausgebildet sein.

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

Im Hinblick auf sämtliche zuvor beschriebenen und erörterten Aus­ gleichsgewichtskonfigurationen kann das Rücken an Rücken doppelflutig beschaufelte Radialverdichterrad des Radialverdichterrotors in nicht darge­ stellter Weise auf einem oder mehreren Radien mit vorgefertigten gleichförmig über dem Umfang verteilt angeordneten axialen Durchgangs- bohrungen ausgestattet sein, die alle entsprechend der zu kompensierenden Unwucht von Einsätzen gefüllt und verschlossen sind.

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

Claims (9)

1. Einrichtung zur Unwuchtkompensation eines Radialverdichterrotors einer Strömungsmaschine mit mindestens einer im radial äußeren Umfangsbereich des Radialverdichterrotors angeordneten Axialbohrung, die einen Einsatz aufweist, der die Axialbohrung endseitig gegenüber der Oberfläche des Radialverdichterrotors oberflächenbündig verschließt und der als Wuchtgewicht zur Kompensation der Unwucht dient, dadurch gekennzeichnet, daß zur statischen Unwuchtkompensation eines doppelflutigen, Rücken an Rücken beschaufelten Radialverdichterrotors (1) eines Gasturbinenwerks

• - die Axialbohrung als axiale Durchgangsbohrung (3; 10′; 13) im Radialverdichterrad (2) zwischen benachbarten Radialschaufelpartien des Radialverdichterrotors (1) ausgebildet ist,
• - der Einsatz (4′, 8) die axiale Durchgangsbohrung (3; 10′; 13) ausfüllt und
• - einen durch Kohle- und/oder Glas- und/oder Keramikfasern verstärkten Kunststoff aufweist, wobei der Einsatz (4′, 8) ein gleiches oder ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten wie der Werkstoff des Radialverdichterrads (2) sowie ein höheres oder niedrigeres spezifisches Gewicht als der Werkstoff des Radialverdichterrades (2) besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff des Einsatzes (4′; 8) ein Thermoplast oder ein Polyimid als Kunstharz ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4′; 8) eine aus Blei bestehende Füllung aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus Blei aus in den Einsatz (4; 8) eingelagerten und/oder eingebetteten Kugeln (10) besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus in den Einsatz (4; 8) eingegossenem Blei besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung von einer in den Einsatz (4; 8) eingewickelten und/oder eingeklopften Bleifolie gebildet ist.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Durchgangsbohrung (3; 10′; 13) spindelförmig, in Längsrichtung konvergent und/oder divergent ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4; 8) mit einem etwa mittigen, wulstartigen Umfangsabschnitt in eine Ringnut (12) der axialen Durchgangsbohrung (13) eingreift.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rücken an Rücken beschaufelte doppelflutige Radialverdicherrad (2) des Radialverdichterrotors (1) auf einem oder mehreren Radien mit vorgefertigten, gleichförmig über dem Umfang zueinander verteilt angeordneten, axialen Durchgangsbohrungen (3; 10′; 13) ausgestattet ist, die alle entsprechend der zur kompensierenden Unwucht von Einsätzen (4′; 8) gefüllt und verschlossen sind.