[0001] Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit an einer Nabe befestigbaren Lüfterflügeln.
[0002] Lüfterflügel, insbesondere an rotierenden Turbomaschinen, sind einer extremen Fliehkraftbelastung
im Betrieb ausgesetzt. Die zum Einsatz kommenden Lüfterflügel sollen dabei winkelverstellbar
sein, um den Luftdurchsatz verändern zu können.
[0003] Die bisherigen Lüfter weisen Lüfterflügel auf, die mit einem Gewindefuß in die Welle
eingeschraubt sind, was den Nachteil aufweist, dass sich bei einer Winkelverstellung
der Lüfterflügel der Lüfteraußendurchmesser ändert. Dies erfordert aufwendige Nacharbeitung
und aufwändiges Nachwuchten des Lüfters. Außerdem ist dabei nachteilig, dass die Lüfterflügel
an sonst fertigen Rotor nur noch äußerst aufwändig montiert und demontiert werden
können.
[0004] Bei einer Montage der Lüfterflügel durch Gewinde an der Nabe des Lüfters muss nämlich
der Abstand zu den benachbarten Lüfterflügeln zumindest der Hälfte einer Lüfterflügelbreite
entsprechen, damit bei einer Demontage eines Lüfterflügels dieser aus seiner Gewindebohrung
ausgedreht werden kann. D.h., der Abstand der einzelnen Lüfterflügel ist durch diese
Art dieser Befestigung in der Lüfternabe eindeutig vorgegeben.
[0005] Des Weiteren kann erfindungsgemäß die Fliehkraftbeanspruchung der Lüfterflügel auch
durch geeignete, insbesondere hochfeste Materialien kompensiert werden. Um die statische
Aufladung zu vermeiden sind dabei die Lüfterflügel mit leitfähigem Überzug z.B. Lack
versehen. Dieser Überzug löst sich im Betrieb aufgrund Alterung oder mechanischer
Beanspruchung.
[0006] Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lüfter mit einzelnen
Lüfterflügeln zu schaffen, der zum einen den enormen Fliehkraftbeanspruchungen im
Betreib gewachsen ist, insbesondere bei Turbomaschinen mit Drehzahlen größer 3600
Umdrehungen pro Minute, in einfacher Art und Weise zu montieren bzw. zu demontieren
ist, als auch eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist um die statische
Aufladung im Betrieb abzuleiten.
[0007] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Lüfter, der einzelne an einer
Welle oder einem Nabenteil befestigbare Lüfterflügel aufweist, wobei der Lüfter insbesondere
für den Einsatz in Turbomaschinen mit Drehzahlen ab 3600 Umdrehungen pro Minute einsetzbar
ist, wobei die einzelnen Lüfterflügel in Form einer Bajonettverbindung mit Verdrehsicherung
an der Welle oder dem Nabenteil angeordnet sind.
[0008] Durch die Befestigung der Lüfterflügel in Form einer Bajonettbefestigung mit Verdrehsicherung
werden sowohl die Fliehkräfte im Betrieb der Turbomaschine, als auch die vorgebbaren
Winkelverstellungen der Lüfterflügel beherrscht. Die Lüfterflügel sind aufgrund der
Bajonettbefestigung an dem Nabenteil des Rotors der Turbomaschine leicht montier-
und demontierbar. Es ist somit auch bei vergleichsweise enger Stellung der Lüfterflügel
auf dem Nabenteil oder der Welle ein Austausch eines Lüfterflügels gewährleistet.
[0009] Des Weiteren wird durch eine Winkelverstellung der Lüfterflügeln der Lüfteraußendurchmesser
nicht verändert, d.h. der Außenumfang des gesamten Lüfters ändert sich durch eine
Winkelverstellung der Lüfterflügel nicht.
[0010] Die Verdrehsicherung eines Lüfterflügels stellt sich durch verschiedene verrastende
Winkelstellungen des Bajonettverschlusses ein, die durch korrespondierende Elemente
von Lüfterfuß und Ausnehmung der Nabe oder eines Einsetzelement in der Nabe gewährleistet
wird. Dabei drückt insbesondere im Stillstand eine Tellerfeder den Lüfterfuß gegen
die verrastenden Elemente, so dass keine unwillkürliche Verstellung, insbesondere
des Winkels erfolgen kann.
[0011] In einer anderen Ausführungsform ist die Vermeidung einer Verdrehung eines Lüfterflügels
durch eine Sicherungsschraube oder Fixierschraube gewährleistet.
[0012] Durch die erfindungsgemäße Befestigung der Lüfterflügel an dem Nabenteil des Lüfters
ist eine bisher nie erreichte enge Flügelstellung möglich. Dies ist insbesondere bei
kleinen Wellendurchmessern von sehr hoch drehenden Turbomaschinen äußerst vorteilhaft.
Damit lassen sich sehr hohe Volumenströme erzeugen, so dass eine äußerst effiziente
Kühlung der Turbomaschine vorliegt.
[0013] Bei sehr hohen Drehzahlen stellt sich jedoch das Problem der statischen Aufladung
und gleichzeitig der Beherrschung der Fliehkräfte.
[0014] Die Lüfterflügel des Lüfters weisen deshalb einen Materialverbund zwischen einem
leitfähigen und hochfesten Material auf. Damit lassen sich die statischen Aufladungen
über den Fußteil und den Bajonettverbindung direkt oder über das Nabenteil, auf die
Welle ableiten
[0015] Vorteilhafterweise weist der Materialverbund ein Materialgeflecht oder eine chemische
Verbindung auf.
[0016] Als besonders wirkungsvoll hat sich ein Materialgeflecht erwiesen, das zumindest
Kohlefasern und Kevlarfasern enthält.
[0017] Um eine glatte Oberfläche zu erhalten befindet sich das Geflecht des Lüfterflügels
in einer Harzmatrix mit leitfähigem Material, insbesondere mit leitfähige Nanopartikeln
oder Ruß.
[0018] Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figuren
zu entnehmen. Darin zeigen:
- FIG 1
- prinzipielle Darstellung eines Rotorabschnitts einer eigenbelüfteten Turbomaschine,
- FIG 2 bis 5
- verschiedene Darstellungen einer Vorrichtung zur Befestigung eines Lüfterflügels an
einem Rotor einer eigenbelüfteten Turbomaschine,
- FIG 6 bis 9
- verschiedene Ansichten einer Lüfterflügels.
[0019] FIG 1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Rotor einer nicht näher dargestellten
Turbomaschine mit ihrem auf einer Stirnseite angeordneten Lüfter 1. Der Lüfter 1 weist
mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Lüfterflügel 2 auf, die an einem Nabenteil
5 des Rotors angeordnet sind. Das Nabenteil 5 ist mit der Welle 3 der Turbomaschine
direkt verbunden. Gemäß FIG 1 ist die eigenbelüftete Turbomaschine mit Lüfterflügeln
2 versehen, die alternativ einzeln an der Welle 3 positioniert sind. Jeder einzelne
Lüfterflügel 2 der eigenbelüfteten Turbomaschine ist über eine erfindungsgemäße Bajonettverbindung
20 an der Welle 3 bzw. dem Rotor oder am Nabenteil 5 positioniert.
[0020] Die Ausnehmungen zur Aufnahme der Lüfterflügel 2, genauer der jeweiligen Fußteile
4 der Lüfterflügel 2, sind direkt in der Welle 3 oder auf einem separaten Nabenteil
5, das wiederum auf der Welle 3 platziert ist.
[0021] Als Bajonettverschluss oder Bajonettverbindung 20 bezeichnet man grundsätzlich eine
Vorrichtung zum vergleichsweise leicht lösbaren Verbinden zweier Teile in der Richtung
ihrer Längsachse. Der eine Teil, welcher über den anderen geschoben wird, besitzt
einen Längsschlitz, an dessen Ende sich rechtwinklig ein kurzer Querschlitz ansetzt.
Der andere Teil besitzt dagegen ein Gegenelement, z.B. eine bzgl. des Umfangs abschnittsweise
Erhebung, das über den Längsschlitz in den Querschlitz eingeführt wird, und damit
eine feste Verbindung bewirkt.
[0022] Die Verbindung der beiden Teile Welle 3 oder Nabenteil 5 mit den Lüfterflügeln 2
erfolgt also über eine Steck-Dreh-Bewegung. Die Gegenelemente am Lüfterfuß oder Fußteil
4, also z.B. die Erhebung, auch als Wulst 9 bezeichnet, laufen jedoch nicht rund um
den Fußteil 4, sondern sind unterbrochen; sonst wäre ein Ineinanderstecken des Wulstes
9 in den Querschlitz 14 nicht möglich. Die Erhebungen 9 am Fußteil 4 können tellerförmig
oder konusförmig ausgeführt sein.
[0023] Um eine positionsstabile Lage des Lüfterflügels 2 an der Welle 3 oder am Nabenteil
5 zu erhalten sind mehrere Varianten möglich.
[0024] Wenn die Erhebungen bzw. Wülste 9 leicht schräg in der Ebene senkrecht zur Steckrichtung
liegen, werden durch eine Drehbewegung beide Teile gegeneinander gepresst. Der Bajonettverschluss
arbeitet also in diesem Fall wie ein abschnittsweises Gewinde.
[0025] In einer vorteilhaften Ausgestaltung wie beispielsweise in FIG 2, 3, 5 dargestellt,
ist als Verdrehsicherung dieser Steck-Dreh-Verbindung zusätzlich eine Raste oder eine
Sicherungsschraube 7 bzw. Fixierschraube vorgesehen, die in die Welle 3 oder dem Nabenteil
5 geschraubt ist. Die Raste ist beispielsweise durch eine gezackte Oberfläche im Bereich
des Querschlitzes 14 der Drehverbindung realisiert.
[0026] Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Tellerfeder 13 in
der Ausnehmung vorgesehen, in die der Fußteil 4 eingesetzt und verdreht wird, so dass
der Wulst 9 in dem Querschlitz positioniert ist. Die Tellerfeder 13 drückt dabei nun
radial gegen den Lüfterfuß und bewirkt somit eine exakte Positionierung. Insbesondere
in Verbindung mit der gezackten Oberfläche des horizontal verlaufenden Querschlitzes
ergibt sich eine ausreichende Verdrehsicherung, deren Wirkung sich bei hohen Drehzahlen
der Turbomaschine aufgrund der Fliehkraft 11 noch verstärkt.
[0027] Das Nabenteil 5 ist mit der Welle 3 der Turbomaschine direkt verbunden, so dass eine
eigenbelüftete Turbomaschine vorliegt. Um einen ausreichenden Luftdurchsatz durch
die Turbomaschine zu erhalten, werden die Lüfterflügel 2 auf der Welle bzw. dem Nabenteil
5 vergleichsweise eng gestaffelt. Da aber eine Montage von engstehenden Lüftern mit
herkömmlichen Gewindeverbindungen nicht möglich ist, wird die erfindungsgemäße Bajonettverbindung
angewendet. Dabei wird der Lüfterflügel 2 durch eine Steck-Dreh-Bewegung, wie sie
oben bereits näher erläutert ist, in einem geeigneten Fußteil der Nabe des Lüfters
1 oder der Welle angeordnet und positioniert. Mittels einer Raste oder Sicherungsschraube
7 wird der Lüfterflügel 2 in seiner Winkelposition exakt positioniert, so dass durch
die Positionierung sämtlicher Lüfterflügel ein vorbestimmbarer axialer Luftdurchsatz
durch die Turbomaschine gewährleistet wird.
[0028] Vorteilhaft ist außerdem, dass sich durch eine Winkelverstellung der Lüfterflügel
2 der Lüfteraußendurchmesser nicht ändert. Aufwendige Nacharbeiten und damit verbundenes
Nachwuchten des Rotors aufgrund des Verstellens der Lüfterflügeln 2 sind somit nicht
mehr notwendig. Dies ist umso wichtiger, je höher die Drehzahlen der Turbomaschinen
sind.
[0029] In dem typischen Drehzahlenbereich der Turbomaschinen von 3600 bis 20000 Umdrehungen
pro Minute wirkt sich mangelndes Auswuchten äußerst nachteilig auf das Fliehkraftverhalten
und die Lebensdauer der Lager aus.
[0030] Bei diesen Drehzahlen laden sich erfahrungsgemäß Lüfterflügel 2 elektrostatisch auf.
Um diese Ladungen abzuführen, sind leitfähige Überzüge nicht mehr ausreichend, da
sich u.a. aufgrund der starken Fliehkräfte 11 der Überzug von den Lüfterflügeln ablöst
oder abplatzt.
[0031] Dadurch dass die Lüfterflügel 2 des Lüfters 1 einen Materialverbund zwischen einem
leitfähigen und hochfesten Material bilden, werden solche Ablösungserscheinungen vermieden.
[0032] Der Materialverbund nach FIG 8 stellt ein Materialgeflecht zumindest Kohlefasern
und Kevlarfasern dar. Das Materialgeflecht weist Kohlefasern 16 wegen der elektrischen
Leitfähigkeit und Kevlarfasern 15 wegen der Festigkeit auf. Diese Fasern 15, 16 bilden
damit nicht nur die Lüfterschaufel 8 sondern den gesamten Lüfterflügel 2, so dass
die Fasern 15, 16 bei Herstellung des Lüfterflügels 2 bereits in den Fußteil 4 eingezogen
werden. Damit ist jederzeit eine elektrische Spannungsableitung 12 gewährleistet.
[0033] Vorteilhafterweise ist das Geflecht des Lüfterflügels 2 in einer Harzmatrix 18 mit
leitfähigem Material, insbesondere leitfähige Nanopartikel 17 oder Ruß angeordnet.
[0034] Damit ergibt sich eine mechanisch hochtragfähige Materialkombination des Lüfterflügels
2, die leitfähig ist.
1. Lüfter (1), der einzelne an einer Welle (3) oder einem Nabenteil (5) befestigbare
Lüfterflügel (2) aufweist, wobei der Lüfter (1) insbesondere für den Einsatz in Turbomaschinen
mit Drehzahlen ab 3600 Umdrehungen pro Minute einsetzbar ist, wobei die einzelnen
Lüfterflügel (2) in Form einer Bajonettverbindung (20) mit Verdrehsicherung an der
Welle (3) oder dem Nabenteil (5) angeordnet sind.
2. Lüfter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterflügel (2) winkelverstellbar sind, ohne den Außendurchmesser des Lüfters
(1) zu verändern.
3. Lüfter (1) nach Anspruch 1 oder 2, , dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung der Lüfterflügel (2) als Rasten und/oder Fixierschrauben (7)
ausgeführt ist.
4. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, , dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterflügel (2) des Lüfters (1) einen Materialverbund zwischen einem leitfähigen
und hochfesten Material bilden.
5. Lüfter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialverbund ein Materialgeflecht oder eine chemische Verbindung darstellt.
6. Lüfter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialgeflecht zumindest Kohlefasern (16) und Kevlarfasern (15) enthält.
7. Lüfter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Geflecht des Lüfterflügels sich in einer Harzmatrix (18) mit leitfähigem Material,
insbesondere leitfähige Nanopartikel (19) oder Ruß befindet.
8. Anwendung eines Lüfters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei eigenbelüfteten
Turbomaschinen.