DE102012215413A1

DE102012215413A1 - Baugruppe einer Axialturbomaschine

Info

Publication number: DE102012215413A1
Application number: DE201210215413
Authority: DE
Inventors: Jens ORTMANNS; Bernd Becker; Johannes Zinkewitz; Andreas Scholz; Roland Heinrich; Andrew Cox; Knut Rosenau
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: DE102012215413B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Axialturbomaschine, die mindestens ein Nachleitrad (5a, 5b) eines Verdichters und einen sich an das Nachleitrad (5a, 5b) in Strömungsrichtung anschließenden Diffusor (6) aufweist. Es ist vorgesehen, dass mindestens ein Nachleitrad (5a, 5b) und der Diffusor (6) gesondert hergestellt sind oder gesondert hergestellte Teile umfassen, wobei das Nachleitrad (5a, 5b) und der Diffusor (6) oder die gesondert hergestellten Teile, die diese bilden, über Verbindungsbereiche (81–88) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe einer Axialturbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Baugruppe ist beispielsweise in einem Strahltriebwerk angeordnet.
Es ist bekannt, dass am Ende eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine ein Nachleitrad angeordnet ist, dass den Drall aus der Strömung nimmt, um eine axiale Abströmung aus dem Verdichter zu ermöglichen. Bevor die Strömung einer anschließenden Brennkammer zugeführt wird, wird sie in einem Diffusor möglichst verlustarm mit dem Ziel eines maximalen Druckrückgewinns verzögert. Es ist weiter bekannt, ein solches Ausgangsleitrad und einen solchen Diffusor als ein integrales Bauteil auszubilden, dass mit der Brennkammer verbunden ist.
Aus der WO 2010/063583 A1 ist eine Axialturbomaschine bekannt, bei der ein Ringdiffusor stromab eines Nachleitrads einer Verdichterstufe angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass sowohl die Außenwand des Nachleitrads als auch die Außenwand des Ringdiffusors durch einen Leitschaufelträger gebildet sind, so dass der Ringdiffusor am Nachleitrad befestigt ist.
Aus der US 2011/031 81 72 A1 ist ein Axialverdichter mit einer Tandemanordnung von zwei hintereinander angeordneten Schaufelreihen beschrieben.
Es besteht ein Bedarf, Baugruppen der genannten Art mit geringen Toleranzen auszubilden, um negative Einflüsse auf die Strömungsumlenkung im Nachleitrad und Druckverluste zu vermeiden.
Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Baugruppe einer Axialturbomaschine mit einem Nachleitrad und einem Verdichter bereitzustellen, bei der zumindest das Nachleitrad mit geringen Toleranzen ausgeführt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach sieht die vorliegende Erfindung eine Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad am Ausgang eines Verdichters und einem sich an das Nachleitrad in Strömungsrichtung anschließenden Diffusor vor. Das mindestens ein Nachleitrad und der Diffusor sind gesondert hergestellt oder das mindestens eine Nachleitrad und der Diffusor umfassen gesondert hergestellte Teile, wobei das Nachleitrad und der Diffusor oder die gesondert hergestellten Teile, die das Nachleitrad und den Diffusor bilden, über Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit vor, das Nachleitrad eines Verdichters und einen sich daran anschließenden Diffusor nicht als integrales, einstückig ausgebildetes Teil auszubilden, sondern aus mehreren, unabhängig voneinander hergestellten Teilen zusammenzusetzen.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Nachleitrad sowie der Diffusor jeweils eine unabhängig voneinander hergestellte, vorgefertigte Baugruppe bilden, die miteinander verbunden werden. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Nachleitrad und/oder der Diffusor aus mehreren gesondert hergestellten Teilen bestehen, die nicht vorab zu einer Unterbaugruppe zusammengesetzt werden, sondern die bei ihrer Zusammensetzung insgesamt das mindestens eine Nachleitrad und den Diffusor bilden. Die erfindungsgemäße Lösung umfasst zahlreiche Möglichkeiten einer gesonderten Herstellung einzelner Komponenten der Baugruppe und deren Verbindung zu Unterbaugruppen oder zu der Gesamtbaugruppe.
Die erfindungsgemäße Lösung ist mit dem Vorteil einer höheren Fertigungsgenauigkeit in Bezug auf die Geometrie des mindestens einen Nachleitrads gekennzeichnet. Durch eine getrennte Fertigung eines Nachleitrads vom Diffusor kann eine höhere Güte des Nachleitrads beispielsweise in Bezug auf Oberfläche und Geometrie erreicht werden, mit dem Vorteil verringerter Nachleitradverluste und einer verbesserten Strömungsumlenkung.
Diese Vorteile kommen in besonderem Maße zur Geltung, wenn die Baugruppe zwei in Strömungsrichtung in Tandemanordnung hintereinander angeordnete Nachleiträder umfasst, wie es eine Ausgestaltung der Erfindung vorsieht. Dabei weist jedes Nachleitrad genau eine Schaufelreihe auf. Durch die höhere Fertigungsgenauigkeit in Bezug auf die Geometrie der Tandemanordnung kann erreicht werden, dass die Tandemgeometrie nahe am optimalen aerodynamischen Design liegt und eine verlustreduzierte Strömung des Nachleitrads in Tandemanordnung erfolgt.
Ein Nachleitrad wird auch als Ausgangsleitrad oder OGV ("Outlet Guide Vane") bezeichnet. Ein solches Nachleitrad wird üblicherweise durch die Statorstufe der letzten Verdichterstufe eines Verdichters bereitgestellt. Der Diffusor besitzt die Aufgabe, die Geschwindigkeit der aus dem Verdichter kommenden Luft zu reduzieren. Dabei wird die kinetische Energie der Strömung in eine statische Druckerhöhung gewandelt und die Luft möglichst gleichmäßig verteilt einer Brennkammer zugeführt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung bei Verwendung von zwei Nachleiträdern in Tandemanordnung ist vorgesehen, dass die beiden Nachleiträder gesondert hergestellt sind oder gesondert hergestellte Teile umfassen, die über Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest die Schaufeln der Schaufelreihen der beiden Nachleiträder gemeinsam hergestellt und an einem Annulusring einseitig eingespannt sind.
Eine weitere Ausgestaltung einer Baugruppe mit zwei Nachleiträdern in Tandemanordnung sieht vor, dass das axial vordere der Nachleiträder eine erste bauliche Einheit und das axial hintere der Nachleiträder zusammen mit dem Diffusor eine zweite bauliche Einheit bereitstellt, die über Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung ist somit nur eines der Nachleiträder unabhängig von dem Diffusor hergestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite bauliche Einheit mit dem hinteren der Nachleiträder und dem Diffusor in kostengünstiger Weise aus einem Gussteil hergestellt ist, während das axial vordere der Nachleiträder mit hoher Fertigungsgenauigkeit ausgebildet ist.
Zur Bereitstellung einer hohen Fertigungsgenauigkeit eines oder mehrerer Nachleiträder der Baugruppe werden diese beispielsweise mittels Schmieden, Fräsen, Sintern, Erodieren, Schleifen oder elektrochemischem Abtragen (ECM) hergestellt.
Die einzelnen, gesondert hergestellten Komponenten der Baugruppe sind beispielsweise durch eine Schraubverbindung, insbesondere eine Flanschverbindung, und/oder eine Schweißverbindung miteinander verbunden. Die Verbindung der Komponenten erfolgt dabei in Verbindungsbereichen, die beispielsweise durch die Schraub- oder Schweißverbindungen gebildet sind. Dabei können grundsätzlich beliebige ausreichend stabile Verbindungstechniken zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Nachleitrad eine radial innen liegende Leitradnabe und einen radial außen liegenden Gehäusering auf. Der Diffusor weist einen radial innen liegenden Diffusorring und einen radial außen liegenden Diffusorring auf. Zwischen Leitradnabe und Gehäusering sowie zwischen radial innen liegendem und radial außen liegendem Diffusorring ist jeweils der Strömungskanal ausgebildet. Dabei sind die radial innen liegenden Leitradnabe und der radial innen liegende Diffusorring sowie der radial außen liegenden Gehäusering und der radial außen liegende Diffusorring über Verbindungsbereiche miteiander verbunden sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaufeln der Schaufelreihe des mindestens einen Nachleitrads sowohl an der Leitradnabe als auch am Gehäusering eingespannt. Die Schaufeln sind somit zweifach eingespannt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die Schaufeln der Schaufelreihe des mindestens einen Nachleitrads einseitig am Gehäusering oder an der Leitradnabe eingespannt, so dass sie ein freies Ende besitzen. Bei dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die nicht mit der Schaufelreihe verbundene Komponente (also die Leitradnabe, wenn die Schaufelreihe am Gehäusering einseitig eingespannt ist, oder der Gehäusering, wenn die Schaufelreihe an der Leitradnabe einseitig eingespannt ist) als gesondert hergestelltes Teil ausgebildet ist, das mit dem angrenzenden Diffusorring verbunden ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schaufeln der Schaufelreihen durch Einzelschaufeln einer Einzelschaufelreihe erzeugt worden sind, in die nachträglich ein Schlitz eingebracht worden ist. Ein solcher Schlitz kann beispielsweise durch Erodieren, Schleifen, Fräsen oder elektrochemisches Abtragen eingebracht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen sein, dass zwei Nachleiträder in Tandemanordnung in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Schaufeln der Schaufelreihe des einen Nachleitrads einseitig am Gehäusering und die Schaufeln der Schaufelreihe des anderen Nachleitrads einseitig an der Leitradnabe eingespannt sind, so dass eine unterschiedliche Zuordnung der Schaufelreihen zu Gehäusering und Leitradnabe vorliegt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gehäusering mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln einer oder mehrerer Schaufelreihen an einem Teil-Gehäusering befestigt oder ausgebildet sind, und wobei der Teil-Gehäusering in eine ringförmige Aussparung in einem weiteren Teil-Gehäusering eingesetzt wird. Diese Ausgestaltung erleichtert es, eine oder mehrere Schaufelreihen zu fertigen, da durch ihre Verbindung lediglich mit einem Teil-Gehäusering eine kleinere und leichter zu bearbeitende Unterbaugruppe vorliegt.
Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass in den Diffusor Streben zur Aufnahme mechanischer Lasten integriert sind. Solche Streben werden auch als „Struts“ bezeichnet. Sie dienen allgemein der Aufnahme struktureller oder mechanischer Lasten und verbinden insbesondere die Innenwand und die Außenwand des Diffusors. Auf Streben kann jedoch verzichtet werden, wenn ein mit dem Diffusor verbundenes Nachleitrad eine ausreichende strukturelle Stärke aufweist, um die erforderlichen mechanischen Lasten aufzunehmen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schaufeln der Schaufelreihe mindestens einen Nachleitrads zweiseitig eingespannt sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei eine das Nachleitrad bildende Unterbaugruppe und eine den Diffusor bildende Unterbaugruppe entlang Verbindungsbereichen miteinander verbunden sind;
2 zwei Nachleiträder in Tandemanordnung zum einen in Schnittdarstellung und zum anderen in einer Darstellung als Strömungsgitter unter Darstellung des axialen und tangentialen Abstands zwischen den Schaufeln zweier in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Schaufelreihen;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei die Baugruppe zwei gesondert hergestellte und miteinander verbundene Nachleiträder in Tandemanordnung umfasst;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei zwei Nachleiträder in Tandemanordnung vorgesehen und deren Schaufelreihen einseitig eingespannt sind;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei zwei Nachleiträder in Tandemanordnung vorgesehen sind und das axial hintere der Nachleiträder zusammen mit dem Diffusor eine bauliche Einheit bildet;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei die Baugruppe zwei Nachleiträder in Tandemanordnung umfasst, die jeweils gesondert hergestellt und miteinander verbunden sind, wobei die Schaufelreihen der Nachleiträder jeweils einseitig eingespannt sind;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei zwei Nachleiträder in Tandemanordnung vorgesehen sind und eines der Nachleiträder einseitig an einem Gehäusering und das andere der Nachleiträder einseitig an einer Leitradnabe eingespannt ist;
8 ein Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor, wobei zwei Nachleiträder in Tandemanordnung vorgesehen sind, deren Schaufelreihen an einem Teil-Gehäusering angeordnet sind;
9 schematisch die Herstellung zweier Schaufelreihen durch Ausbildung eines Schlitzes in den Einzelschaufeln einer Einzelschaufelreihe;
10 ein Ausführungsbeispiel einer Baugruppe mit mindestens einem Nachleitrad und einem Diffusor entsprechend der 1, wobei in den Diffusor zusätzlich Streben zur Aufnahme mechanischer Lasten integriert sind;
11 in vereinfachter Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Strahltriebwerks, in das eine erfindungsgemäße Baugruppe integriert ist; und
12 eine Baugruppe mit einem Nachleitrad und einem Verdichter gemäß dem Stand der Technik.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer in ein Strahltriebwerk integrierten Baugruppe beschrieben. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten jedoch in gleicher Weise für andere Axialturbomaschinen.
Die 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Strahltriebwerkes 1, das in an sich bekannter Weise eine Fanstufe 10 mit einem Fan als Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter 30, eine Brennkammer 40, eine Hochdruckturbine 50, eine Mitteldruckturbine 60 und eine Niederdruckturbine 70 aufweist. Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 weisen jeweils eine Mehrzahl von Verdichterstufen auf, die jeweils eine Rotorstufe und eine Statorstufe umfassen.
Die Fanstufe 10 weist ein Fangehäuse 15 auf, das innenseitig eine Ringraumfläche aufweist, die einen Sekundärstromkanal 4 des Strahltriebwerkes 1 radial außen begrenzt. Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 sind von einem Umfangsgehäuse 25 umgeben. Dieses weist innenseitig eine Ringraumfläche 26 auf, die den Strömungskanal 3 für den Primärstrom des Strahltriebwerkes radial außen begrenzt. Radial innen ist der Strömungskanal 3 durch entsprechende Kranzoberflächen der Rotoren und Statoren der jeweiligen Verdichterstufen bzw. durch die Nabe oder durch mit der Nabe verbundene Elemente der entsprechenden Antriebswelle gebildet. Der Strömungskanal 3 für den Primärstrom wird auch als Ringraum und die Fläche 26 als Ringraumfläche bezeichnet.
Die beschriebenen Komponenten besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse 2, die die Mittelachse für die Statorstufen und die Gehäuse sowie die Rotationsachse für die Rotorstufen des Strahltriebwerks darstellt.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist der Übergangsbereich zwischen dem Hochdruckverdichter 30 und der Brennkammer 40 von besonderer Bedeutung, in dem ein Nachleitrad und ein Diffusor ausgebildet sind. Bevor die Erfindung anhand der 1 bis 10 im Einzelnen erläutert wird, wird zum besseren Verständnis der Erfindung unter Bezugnahme auf die 12 kurz auf den Stand der Technik eingegangen.
Die 12 zeigt eine Baugruppe, die ein Nachleitrad 5 und einen Diffusor 6 umfasst, wobei der Diffusor mit Streben 7, die der Aufnahme mechanischer Lasten dienen, ausgebildet ist. Das Nachleitrad 5 und der Diffusor 6 bilden ein integrales Bauteil, das beispielsweise als kostengünstiges Gussteil ausgebildet ist. Das integrale Bauteil ist strukturell mit einem inneren Brennkammergehäuse 41 der Brennkammer der Axialturbomaschine verbunden. Dementsprechend ist das das Nachleitrad 5 und den Diffusor 6 umfassende Bauteil physisch von einem stromauf liegenden Axialverdichter getrennt, von dem in der 12 ein Verdichtergehäuse 31 sowie die letzte Rotorstufe 32 mit einem Rotor 321, einer Rotornabe 322 und einer Rotorscheibe 323 dargestellt ist.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 1 zeigt eine Baugruppe mit zwei in Tandemanordnung ausgebildeten Nachleiträdern 5a, 5b sowie einem Diffusor 6. Das in Strömungsrichtung axial vordere Nachleitrad 5a umfasst einen radial außen liegenden Gehäusering 51 und eine radial innen liegende Leitradnabe 52. Zwischen diesen ist eine Schaufelreihe mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Leitradschaufeln 53a angeordnet.
In entsprechender Weise umfasst das in Strömungsrichtung stromab des ersten Nachleitrads 5a angeordnete Nachleitrad 5b einen radial außen liegenden Gehäusering 51, eine radial innen liegende Leitradnabe 52 und eine Schaufelreihe mit Leitradschaufeln 53b. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, ist ein gemeinsamer Gehäusering 51 und eine gemeinsame Leitradnabe 52 der beiden Nachleiträder 5a, 5b vorgesehen. Ob ein oder mehrere Nachleiträder vorhanden sind, bestimmt sich in der Terminologie der vorliegenden Beschreibung anhand der Anzahl von Schaufelreihen.
Die Schaufeln 53a, 53b der beiden Schaufelreihen sind jeweils an beiden Enden eingespannt, d.h. zum einen mit dem Gehäusering 51 und zum anderen mit der Leitradnabe 52 verbunden. Die einzelnen Schaufeln können dabei in konventioneller Weise ausgeführt sein. Die durch die beiden Nachleiträder 5a, 5b gebildete Unterbaugruppe wird vor ihrer Verbindung mit dem Diffusor 6 separat hergestellt. Dabei kann sowohl vorgesehen sein, dass sie einstückig ausgebildet ist, als auch, dass sie aus mehreren Bauelementen besteht, die miteinander verbunden sind.
Der Diffusor 6 umfasst einen äußeren Diffusorring 61 und einen inneren Diffusorring 62, die in Strömungsrichtung divergieren. Der innere Diffusorring 62 und der äußere Diffusorring 61 können getrennt voneinander gefertigt sein.
Eine axiale Strömung verläuft in der Baugruppe zwischen dem Gehäusering 51 und der Leitradnabe 52 sowie zwischen dem inneren Diffusorring 62 und dem äußeren Diffusorring 61. Der Gehäusering 51 und der äußere Diffusorring 61 bilden dabei zusammen einen Außenring des den Strömungskanal begrenzenden Ringraums und die Leitradnabe 52 und der innere Diffusorring 62 bilden zusammen einen Innenring des den Strömungskanal begrenzenden Ringraums. Das Nachleitrad dient dazu, den Drall aus der Strömung zu nehmen und diese axial auszurichten. Im Diffusor 6 wird die kinetische Energie der Strömung in eine statische Druckerhöhung umgewandelt und die Strömung anschließend dem Brennraum zugeführt.
Zur Verbindung der Nachleiträder 5a, 5b, die eine strukturelle Einheit bilden, mit dem Diffusor 6 sind zwei Flanschverbindungen 81, 82 vorgesehen. Durch die Flanschverbindungen 81, 82 werden der Gehäusering 51 mit dem radial außen liegenden Diffusorring 61 und die Leitradnabe 52 mit dem radial innen liegenden Diffusorring 62 verbunden. Die Flanschverbindungen 81, 82 können jeweils umlaufend oder alternativ entlang bestimmter Verbindungsbereiche ausgebildet sein. Dabei wird darauf hingewiesen, dass eine mechanische Verbindung zwischen den dargestellten Komponenten alternativ auch in anderer Weise, beispielsweise durch Schweißen und Bereitstellen einer entsprechenden Schweißnaht als Verbindungsbereich erfolgen kann.
Die 2 zeigt in Schnittdarstellung und in der Darstellung als Strömungsgitter zwei Nachleiträder in Tandemanordnung unter Darstellung des axialen und tangentialen Abstands zwischen zwei Schaufeln 53a, 53b der jeweiligen Schaufelreihen. Dabei spielt der axiale und tangentiale Abstand zwischen zwei Schaufel 53a, 53b eine wichtige Rolle für das Verlustniveau der Schaufelpassage.
Gemäß der 2 liegt ein axialer Abstand ∆x/c_ax von etwa 1 % und ein tangentialer Abstand ∆Φ/s von etwa 10 % vor, wobei

– ∆x der axiale Abstand (d.h. der Abstand in Strömungsrichtung) zwischen der Hinterkante einer Schaufel 53a der vorderen Schaufelreihe und der Vorderkante einer angrenzenden Schaufel 53b der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Schaufelreihe ist,
– c_ax der axiale Abstand zwischen der Vorderkante der Schaufel 53a der vorderen Schaufelreihe und der Hinterkante der Schaufel 53b der darauffolgenden Schaufelreihe ist,
– s der der Abstand in Umfangsrichtung (auch als tangentiale Richtung bezeichnet) zwischen den Vorderkanten zweier Schaufeln 53a der vorderen Schaufelreihe und
– ∆Φ der Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Hinterkante einer Schaufel 53a der vorderen Schaufelreihe und der Vorderkante einer Schaufel 53b der in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Schaufelreihe ist.

Diese Abstände sind entlang des gesamten Umfangs der Schaufelreihen konstant. Die idealen Werte für ∆x/c_ax und ∆Φ/s eines idealen axialen und tangentialen Abstands können für eine konkrete Tandemanordnung zweier Nachleiträder berechnet werden. Ihre möglichst exakte Einstellung ermöglicht es, Strömungsverluste zu minimieren. Durch die Trennung der aus Nachleitrad 5a, 5b und Diffusor 6 bestehenden Baugruppe in mindestens zwei gesondert hergestellte Unterbaugruppen kann die Herstellung der Nachleitradschaufeln 53a, 53b fertigungstechnisch mit der gewünschten hohen Präzision und Güte erfolgen.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Baugruppe, bei dem im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 auch der Gehäusering 51a, 51b und die Leitradnabe 52a, 52b bei jedem der beiden Nachleiträder 5a, 5b gesondert ausgebildet ist. Dementsprechend sind die Gehäuseringe 51a, 51b und die Leitradnaben 52a, 52b jeweils über eine Flanschverbindung 83, 84 miteinander verbunden. Statt einer Flanschverbindung kann auch ein in anderer Weise bereitgestellte Verbindung, beispielsweise eine Schweißverbindung bereitgestellt werden.
Die Ausführungsvariante der 3 ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Schaufelreihen 53a, 53b der beiden Nachleiträder 5a, 5b einzeln gefertigt und beim Zusammenbau mit hoher Präzision positioniert werden können. Durch die bessere Zugänglichkeit der einzeln gefertigten Schaufelreihen 53a, 53b und damit verbundene verbesserte Fertigungsmöglichkeiten kann eine noch höhere Präzision im Aufbau der Tandemanordnung mit den Nachleiträdern 5a, 5b erreicht werden.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele der 4 bis 8 weisen die Gemeinsamkeit auf, dass die Fertigung der Leitradschaufeln 53a, 53b und die Fertigung zumindest derjenigen Annulusteile, an denen die Schaufeln nicht eingespannt sind, getrennt voneinander erfolgt und die entsprechenden Bauteile dann durch geeignete Verbindungsbereiche miteinander verbunden werden. Als Annulusteile werden dabei diejenigen Teile bezeichnet, die den Ringraum des Strömungskanals bilden, d. h. die Leitradnabe 52, der innere Diffusorring 62, der Gehäusering 51 und der äußere Diffusorring 61. Durch die getrennte Herstellung als Einzelteile und anschließendem Zusammenbau kann eine höhere Genauigkeit der Tandemgeometrie erreicht werden. Es wird ermöglicht, eine aerodynamisch optimale Positionierung der zwei Leitradschaufeln 5a, 5b in Tandemanordnung umzusetzen.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich vom Ausführungsbeispiel der 1 dadurch unterscheidet, dass die Schaufelreihen mit den Leitradschaufeln 53a, 53b einseitig am Gehäusering 51 eingespannt sind. Dementsprechend verläuft zwischen den Schaufelenden und der Leitradnabe 52 ein Nabenspalt 54. Dabei sind zum einen der Gehäusering 51 und die Schaufelreihen 53a, 53b und zum anderen die Leitradnabe 52 als gesonderte Teile hergestellt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schaufeln 53a, 53b gesondert gefertigt und anschließend mit dem Gehäusering 51 verbunden werden. Alternativ werden die Schaufeln 53a, 53b und der Gehäusering 51 gemeinsam hergestellt, wobei eine solche gemeinsame Herstellung als einstückiges Bauteil erfolgen kann, aber nicht muss. Eine Ausführungsvariante hierzu wird weiter unten anhand der 9 erläutert werden.
Durch den Wegfall der Verbindung der Leitradschaufeln 53a, 53b mit der Leitradnabe 52 ist es erforderlich, eine mechanische Verbindung zwischen dem radial inneren Teil der Baugruppe, der durch die Leitradnabe 52 und den inneren Diffusorring 62 gebildet ist, und dem radial äußeren Teil der Baugruppe, der durch den Gehäusering 51 und den radial äußeren Diffusorring 61 gebildet ist, bereitzustellen. Dies erfolgt über Streben 7, die in den Diffusor 6 integriert sind. Solche Streben 7 dienen der Aufnahme mechanischer Kräfte. Es wird darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung von Streben 7 auch bei einer Ausgestaltung mit beidseitig eingespannten Schaufeln entsprechend der 1 vorgesehen sein kann.
Die Verbindung des Gehäuserings 51 mit dem radial äußeren Diffusorring 61 erfolgt über eine Flanschverbindung 81 und die Verbindung der Leitradnabe 52 mit dem radial inneren Diffusorring 62 über eine Flanschverbindung 82. Wiederum gilt, dass die Verbindung der genannten Bauteile über eine Flanschverbindung nur beispielhaft zu verstehen ist und die Verbindung auch in anderer Weise bereitgestellt werden kann.
Leitradschaufeln, die wie in der 4 nur einseitig eingespannt sind, unter Ausbildung eines freien Endes, werden auch als „cantilevered" bezeichnet und Leitradschaufeln, die entsprechend den 1 und 3 beidseitig eingespannt sind, auch als „banded".
Die 5 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der das in Strömungsrichtung hintere Leitrad 5b eine gemeinsame Unterbaugruppe mit dem Diffusor 6 bildet. Die Leitradschaufeln 53b des hinteren Nachleitrads 5b werden dabei mit dem äußeren Diffusorring 61 verbunden, der in seinem vorderen Bereich gleichzeitig den Gehäusering des hinteren Nachleitrads 5b darstellt. Ebenso bildet der innere Gehäusering 61 in seinem an die Leitradschaufeln 53b angrenzenden Bereich die Leitradnabe des Nachleitrads 5b aus.
Der Diffusor 6 umfasst des Weiteren Streben 7, die die mechanischen Lasten zwischen den Gehäuseteilen übernehmen.
Die vordere Leitradschaufel 5a umfasst einen Gehäusering 51a, in den einseitig die Leitradschaufeln 53a eingespannt sind, und eine Leitradnabe 52a. Zwischen den Enden der Leitradschaufeln 53a und der Leitradnabe 52a befindet sich ein Nabenspalt 54. Ein solcher ist auch zwischen den Enden der Leitradschaufeln 53b des axial hinteren Nachleitrads 5b und dem inneren Diffusorring 62 ausgebildet.
Die Verbindung zwischen dem Gehäusering 51a und dem äußeren Diffusorring 61 erfolgt über eine Flanschverbindung 85 und die Verbindung zwischen der Leitradnabe 52 und dem inneren Diffusorring 62 über eine Flanschverbindung 86. Es gilt wiederum, dass die Verbindung auch in anderer Weise bereitgestellt werden kann.
Die 6 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der auch das zweite Nachleitrad 5b durch gesonderte Bauteile hergestellt ist, wobei das zweite Nachleitrad 5b einen gesondert ausgebildeten Gehäusering 51b, in den einseitig die Leitradschaufeln 53b eingespannt sind, und eine Leitradnabe 52b aufweist, die über Verbindungsbereiche 81, 83 bzw. 82, 84 mit den angrenzenden Bauteilen 61, 51a bzw. 62, 52a verbunden sind. Die dargestellte Ausgestaltung entspricht somit bis auf dem Umstand der Ausgestaltung der 3, das in der Ausgestaltung der 6 die Leitradschaufeln 53a, 53b einseitig eingespannt sind und zusätzlich Streben 7 zur Übernahme mechanischer Lasten im Diffusor 6 ausgebildet sind.
Beim Ausführungsbeispiel der 6 wird der äußere Annulusring und der innere Annulusring, die den Ringraum des Strömungskanals begrenzen, durch die Bauteile 51a, 51b, 61 und 52a, 52b, 62 gebildet.
Eine weitere Ausführungsvariante zeigt die 7, bei der die Leitradschaufeln 53a des vorderen Nachleitrads 5a mit dem Gehäusering 51 und die Leitradschaufeln 53b des hinteren Nachleitrads 5b mit der Leitradnabe 52 verbunden sind, wobei jeweils eine einseitige Einspannung unter Ausbildung von Nabenspalten 54, 55 vorgesehen ist. Der Gehäusering 51 und der äußere Diffusorring 61 sind über einen Verbindungsbereich 81 und die Leitradnabe 52 und der innere Diffusorring 62 über einen Verbindungsbereich 82 miteinander verbunden. Im Übrigen entspricht die Anordnung der 7 der Anordnung der 4.
Natürlich kann die abwechselnde Anordnung der Schaufeln an Gehäusering und Leitradnabe auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, für welchen Fall die Schaufeln 53a des vorderen Nachleitrads 5a an der Leitradnabe 52 und die Schaufeln 53b des hinteren Nachleitrads 5b am Gehäusering 51 einseitig eingespannt sind.
Die 8 zeigt eine Ausführungsvariante einer Baugruppe, bei der die Leitradschaufeln 53a, 53b der beiden Nachleiträder 5a, 5b an einem Ringeinsatz 51’ ausgebildet sind, der einen Schaufelträger bildet. Dieser Ringeinsatz 51’ bildet einen Teil eines mehrteiligen Gehäuserings aus. Der andere Teil des Gehäuserings wird durch die an den Spalt, in den der Ringeinsatz 51’ eingesetzt wird, angrenzenden Komponenten gebildet. Die Leitradschaufeln 53a, 53b sind in einseitiger Einspannung in Tandemanordnung an dem Ringeinsatz 51’ ausgebildet oder befestigt. Der Ringeinsatz 51’ ist mittels Schweißverbindungen 87, 88 mit den angrenzenden Gehäuse- bzw. Diffusorbereichen verbunden.
Die Verwendung eines Ringeinsatzes 51', an dem die Leitradschaufeln mindestens eines Nachleitrads ausgebildet sind, ermöglicht die Bereitstellung einer kleineren und besser zugänglichen Komponente, die gesondert hergestellt werden kann.
Ein mögliches Herstellungsverfahren einer Bauform mit Gehäusering 51 und daran einseitig eingespannten Leitradschaufeln 53a, 53b ist in der 9 dargestellt. Danach wird zunächst eine Einzelschaufel mit dem Gehäusering 51 verbunden oder einstückig mit diesem hergestellt und wird anschließend ein Schlitz 9 in die Einzelschaufel eingebracht, wobei die Leitradschaufeln 53a, 53b entstehen. Der Schlitz wird beispielsweise durch Erodieren, Schleifen, Fräsen oder elektrochemisches Abtragen (ECM) hergestellt.
Die in Bezug auf die 4 bis 6 beschriebenen Ausführungsvarianten mit jeweils einseitiger Einspannung der Leitradschaufeln 53a, 53b können alternativ auch mit einer beidseitigen Einspannung der Leitradschaufeln 53a, 53b realisiert werden. Dies ist beispielhaft in der 10 dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel entsprechend der 4 zeigt, wobei jedoch die Leitradschaufeln 53a, 53b sowohl am Gehäusering 51 als auch an der Leitradnabe 52 eingespannt sind. Dabei ist eine einheitliche Struktur des Gehäuserings 51 und der Leitradnabe 52 für beide Nachleiträder 5a, 5b vorgesehen.
Die Verbindung des Gehäuserings 51 mit dem äußeren Diffusorring 61 erfolgt über eine Flanschverbindung 81 und die Verbindung der Leitradnabe 52 mit dem inneren Diffusorring 62 über eine Flanschverbindung 82, wobei statt einer Flanschverbindung auch andere Verbindungsarten vorgesehen sein können.
In sämtlichen Ausführungsbeispielen der 1 bis 10 kann vorgesehen sein, dass der Diffusor 6 entsprechend der 12 mit der Brennkammer des Strahltriebwerks, beispielsweise mit einem inneren Brennkammergehäuse verbunden ist. Grundsätzlich ist es jedoch ebenfalls denkbar, dass die in den 1 bis 10 dargestellte Baugruppe statt mit der Brennkammer mit dem Verdichter strukturell verbunden ist, an dessen Ausgang das oder die Nachleiträder der erfindungsgemäßen Baugruppe angeordnet sind.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. So sind die Art der Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Baugruppe sowie deren Formen und Abmessungen lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch stellt die Verwendung zweier Nachleiträder in Tandemanordnung lediglich ein Ausführungsbeispiel dar und ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/063583 A1 [0003]
US 2011/0318172 A1 [0004]

Claims

Baugruppe einer Axialturbomaschine, die mindestens ein Nachleitrad (5a, 5b) eines Verdichters und einen sich an das Nachleitrad (5a, 5b) in Strömungsrichtung anschließenden Diffusor (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nachleitrad (5a, 5b) und der Diffusor (6) gesondert hergestellt sind oder gesondert hergestellte Teile umfassen, wobei das Nachleitrad (5a, 5b) und der Diffusor (6) oder die gesondert hergestellten Teile, die diese bilden, über Verbindungsbereiche (81–88) miteinander verbunden sind.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nachleiträder (5a, 5b) in Tandemanordnung in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei jedes Nachleitrad (5a, 5b) genau eine Schaufelreihe (53a, 53b) aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Nachleiträder (5a, 5b) gesondert hergestellt sind oder gesondert hergestellte Teile (51, 51a, 51b, 52, 52a, 52b, 53a, 53b) umfassen, die über Verbindungsbereiche (83–86) miteinander verbunden sind.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schaufeln (53a, 53b) der Schaufelreihen der beiden Nachleiträder (5a, 5b) gemeinsam hergestellt und an einem Annulusring (51, 52) einseitig eingespannt sind.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das axial vordere der Nachleiträder (5a) eine erste bauliche Einheit und das axial hintere der Nachleiträder (5b) zusammen mit dem Diffusor (6) eine zweite bauliche Einheit bereitstellt, die über Verbindungsbereiche (85, 86) miteinander verbunden sind.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (81–88) jeweils durch eine Schraubverbindung, insbesondere eine Flanschverbindung, und/oder eine Schweißverbindung gebildet sind.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nachleitrad (5a, 5b) eine radial innen liegenden Leitradnabe (52, 52a, 52b) und einen radial außen liegenden Gehäusering (51, 51a, 51b) und der Diffusor (6) einen radial innen liegenden Diffusorring (62) und einen radial außen liegenden Diffusorring (61) umfasst, wobei die radial innen liegenden Leitradnabe (52, 52a, 52b) und der radial innen liegende Diffusorring (62) sowie der radial außen liegenden Gehäusering (51, 51a, 51b) und der radial außen liegende Diffusorring (61) über Verbindungsbereiche (81, 82, 85, 86) miteiander verbunden sind.
Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (53a, 53b) der Schaufelreihe des mindestens einen Nachleitrads (5a, 5b) sowohl am Gehäusering (51, 51a, 51b) als auch an der Leitradnabe (52, 52a, 52b) eingespannt sind.
Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (53a, 53b) der Schaufelreihe des mindestens einen Nachleitrads (5a, 5b) einseitig am Gehäusering (51, 51a, 51b) oder an der Leitradnabe (52, 52a, 52b) eingespannt sind und ein freies Ende besitzen.
Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (53a, 53b) der Schaufelreihen durch Einzelschaufeln einer Einzelschaufelreihe erzeugt worden sind, in die nachträglich ein Schlitz (9) eingebracht worden ist.
Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nachleiträder (5a, 5b) in Tandemanordnung in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Schaufeln (53a) der Schaufelreihe des einen Nachleitrads (5a) einseitig am Gehäusering (51, 51a, 51b) und die Schaufeln (53b) der Schaufelreihe des anderen Nachleitrads (5b) einseitig an der Leitradnabe (52, 52a, 52b) eingespannt sind.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusering (51, 51') mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (53a, 53b) einer oder mehrerer Schaufelreihen an einem Teil-Gehäusering (51') befestigt oder ausgebildet sind, der in eine ringförmige Aussparung in einem weiteren Teil-Gehäusering eingesetzt ist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere und der radial äußere Diffusorring (61, 62) als gesondert hergestellte Teile ausgeführt sind, wobei der radial innere Diffusorring (62) mit der Leitradnabe (52, 52b) und der radial äußere Diffusorring (61) mit dem Gehäusering (51, 51b) verbunden ist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Diffusor (6) Streben (7) zur Aufnahme mechanischer Lasten integriert sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (6) ohne Streben zur Aufnahme mechanischer Laster ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Nachleitrad (5a, 5b) zur Übernahme sowohl aerodynamischer Lasten als auch mechanischer Lasten ausgebildet ist.
Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (6) an einer Brennkammer der Axialturbomaschine befestigt sind.