[0001] Die Erfindung betrifft einen Verdichterrotor einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
[0002] Zur Begrenzung des Risswachstums in einem Werkstoff ist es grundsätzlich anzustreben,
Druckeigenspannungen in den Werkstoff einzubringen. Dies gilt auch für die Schaufelblätter
des Verdichterrotors einer Strömungsmaschine, bei denen Risse beispielsweise durch
Fremdkörper, die auf die Schaufeloberfläche prallen, entstehen können. Solche Fremdkörper
können externe Objekte sein, in welchem Fall von "Foreign Object Damage" (FOD) gesprochen
wird, oder Objekte des Triebwerks sein, für welchen Fall von "Domestic Object Damage"
(DOD) gesprochen wird.
[0003] Um die Robustheit eines Schaufelblattes gegenüber solchen Fremdkörpern zu verbessern,
ist es bekannt, Druckeigenspannungen durch externe Maßnahmen wie z. B. Kugelstrahlen
oder Festwalzen einzubringen. Nachteilig wird dabei auch die Oberflächenrauheit erhöht.
[0004] Aus der
US 7,445,433 B2 ist es bekannt, die Unterseite der Rotornabe eines Verdichterrotors derart periodisch
zu konturieren, dass die Rotornabe im Bereich eines Schaufelfußes jeweils verdickt
ist.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichterrotor einer
Strömungsmaschine bereitzustellen, der eine verbesserte Robustheit gegen durch Fremdkörper
erzeugte Schäden aufweist.
[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Verdichterrotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0007] Danach betrachtet die Erfindung einen Verdichterrotor einer Strömungsmaschine, der
eine Rotorscheibe, eine Rotornabe und eine Mehrzahl von Laufschaufeln aufweist, die
an der Rotornabe angeordnet sind und sich radial nach außen erstrecken. Die Rotornabe
weist eine axial vordere Vorderkante, eine axial hintere Hinterkante, eine Nabenoberseite,
eine vordere Nabenunterseite und eine hintere Nabenunterseite auf. Die vordere Nabenunterseite
erstreckt sich auf der Unterseite der Rotornabe von der Vorderkante in Richtung der
Rotorscheibe und geht in diese über. Die hintere Nabenunterseite erstreckt sich auf
der Unterseite der Rotornabe von der Hinterkante in Richtung der Rotorscheibe und
geht in diese über.
[0008] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die vordere Nabenunterseite
und/oder die hintere Nabenunterseite in Umfangsrichtung der Rotornabe derart konturiert
ist, dass sie im Bereich unterhalb einer Laufschaufel jeweils eine Einbuchtung ausbildet.
Dementsprechend ist die Rotornabe jeweils im Bereich einer Laufschaufel dickenreduziert,
wobei als Dicke der Rotornabe der radiale Abstand zwischen der Nabenoberseite und
der Nabenunterseite bezeichnet wird.
[0009] Durch die Bereitstellung einer Einbuchtung auf der Nabenunterseite jeweils im Bereich
einer Laufschaufel und die damit einhergehende Ausdünnung der Rotornabe jeweils im
Bereich einer Laufschaufel wird die Rotornabe in diesen Bereichen weicher. Hierdurch
wird erreicht, dass die Laufschaufeln sich bei Rotation des Verdichterrotors aufgrund
der Fliehkraft stärker in radialer Richtung aufrichten und dadurch in verstärktem
Maße Druckeigenspannungen in den Laufschaufeln, insbesondere an der Vorderkante und/oder
an der Hinterkante der Laufschaufeln aufgebaut werden. Durch die erhöhten Druckeigenspannungen
wird eine verbesserte Robustheit gegenüber Fremdobjekten, die mit den Laufschaufeln
kollidieren, d.h. eine verbesserte FOD- und DOD-Performance bereitgestellt.
[0010] Es wird darauf hingewiesen, dass die Vorderkante und die Hinterkante auch flächig
ausgebildet sein können, für welchen Fall sie eine vordere Stirnfläche und eine hintere
Stirnfläche bilden. Die Begriffe "Vorderkante" und "Hinterkante" sind somit im Sinne
der vorliegenden Erfindung derart zu verstehen, dass sie sowohl einen kantigen Rand
als auch eine flächige Stirnfläche bezeichnen können.
[0011] Die Erfindung kann sowohl an Axialverdichtern als auch an Radialverdichtern realisiert
sein.
[0012] Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Rotornabe ausgehend von der
Vorderkante und/oder ausgehend von der Hinterkante jeweils unterhalb einer Laufschaufel
eine Einbuchtung ausbildet. Die Einbuchtungen sind somit jeweils an den Rändern der
Rotornabe und daran angrenzend an der Nabenunterseite ausgebildet. Hierdurch wird
erreicht, dass Druckeigenspannungen in besonderem Maße an der Schaufelvorderkante
bzw. der Schaufelhinterkante in die Schaufeln eingebracht werden.
[0013] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einbuchtungen jeweils
konkav ausgebildet sind (wenn in Umfangsrichtung betrachtet) und sich dabei in axialer
Richtung in Richtung der Rotorscheibe erstrecken. Dabei kann vorgesehen sein, dass
die Tiefe der Einbuchtung in Richtung der Rotorscheibe abnimmt, bis sie spätestens
auf der axialen Höhe der Rotorscheibe ganz verschwunden ist. Die Einbuchtungen sind
dementsprechend näherungsweise grabenförmig ausgebildet, wobei der Graben sich ausgehend
von der Vorderkante oder Hinterkante in axialer Richtung erstreckt und dabei in Richtung
der Rotorscheibe in seiner Tiefe abnimmt.
[0014] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung gilt für zumindest einen Schnitt durch die
Nabe in einer Ebene quer zur Drehachse, dass die Einbuchtung und die maximale Schaufelfußdicke
in Umfangsrichtung Winkelbereiche abdecken, die sich überschneiden. Mit anderen Worten
überschneiden sich die Einbuchtung und die maximale Schaufelfußdicke, wenn man sie
in radialer Richtung übereinander schiebt. Die Schaufelfußdicke ist dabei derart definiert,
dass sie die Dicke (d.h. den Abstand in Umfangrichtung zwischen Saugseite und Druckseite)
der Schaufel plus die Erstreckung in Umfangsrichtung der beiden Abrundungen, auch
als "fillet" bezeichnet, umfasst, die den Übergang von der eigentlichen Schaufel zur
Rotornabe bilden. Somit ist die maximale Schaufeldicke der sich in Umfangsrichtung
erstreckende Bereich einer Laufschaufel, der sich von der Abrundung der Schaufel auf
der Saugseite bis zur Abrundung der Schaufel auf der Druckseite der Schaufel erstreckt.
[0015] Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Einbuchtungen in Umfangsrichtung
über eine Länge erstrecken, die zwischen der halben und der fünffachen maximalen Schaufelfußdicke,
insbesondere zwischen der maximalen Schaufelfußdicke und der dreifachen maximalen
Schaufelfußdicke liegt. Dies soll für mindestens einen Schnitt durch die Nabe in einer
Ebene quer zur Drehachse gelten, insbesondere an der Vorderkante und/oder der Hinterkante
der Rotornabe.
[0016] Weiter kann vorgesehen sein, dass für mindestens einen Schnitt durch die Nabe in
einer Ebene quer zur Drehachse gilt, dass die durch eine Einbuchtung bereitgestellte
maximale Dickenreduktion der Rotornabe im Bereich zwischen 5% und 30%, insbesondere
im Bereich zwischen 10% und 20% bezogen auf die Dicke der Rotornabe in der Mitte zwischen
zwei benachbarten Laufschaufeln beträgt.
[0017] Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Konturierung der vorderen Nabenunterseite
und/oder die Konturierung der hinteren Nabenunterseite in Umfangsrichtung periodisch
in dem Sinne erfolgt, dass die Einbuchtungen an allen Laufschaufeln die gleiche relative
Position zur Laufschaufel aufweisen. Beispielsweise sind die Einbuchtungen jeweils
symmetrisch bezogen auf die Laufschaufeln ausgebildet.
[0018] Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Konturierung der
vorderen Nabenunterseite und/oder die Konturierung der hinteren Nabenunterseite in
Umfangsrichtung nichtperiodisch in dem Sinne erfolgt, dass die Einbuchtungen zumindest
an einigen der Laufschaufeln sich in Bezug auf die relative Position zur Laufschaufel
unterscheiden. Dies führt dazu, dass solche Laufschaufeln eine andere Eigenfrequenz
besitzen. Eine solche Ausgestaltung ist daher mit dem Vorteil einer Verstimmung des
Systems und damit der Vermeidung von Resonanzbedingungen verbunden. Durch die Verstimmung
des Systems wird verhindert, dass bei der Eigenfrequenz Energie zu anderen Schaufeln
transportiert wird bzw. dieser Effekt wird reduziert.
[0019] Eine Verstimmung des Systems durch eine nichtperiodische Anordnung der Einbuchtungen
in Bezug auf die Laufschaufeln ist insbesondere von Vorteil bei Verdichterrotoren,
die eine nur geringe Dämpfung im Übergang zwischen Schaufel und Rotornabe aufweisen.
Eine geringe Dämpfung im Übergang zwischen Schaufel und Rotornabe liegt insbesondere
dann vor, wenn der Verdichterrotor in BLISK-Bauweise ausgeführt ist, für welchen Fall
die Rotorscheibe, die Rotornabe und die Laufschaufeln integral (einstückig) ausgebildet
sind (BLISK = "Bladed Disk"), oder wenn der Verdichterrotor in BLING-Bauweise ausgeführt
ist, für welchen Fall die Rotornabe und die Laufschaufeln integral (einstückig) ausgebildet
sind (BLING = "Bladed Ring"). Dementsprechend ist in Ausgestaltungen der Erfindung
vorgesehen, dass der Verdichterrotor in BLISK-Bauweise oder in BLING-Bauweise ausgebildet
ist.
[0020] In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Verdichterrotor der Verdichterrotor
eines Radialverdichters und mit integralem Radialverdichterlaufrad ausgeführt.
[0021] Für den Fall einer nichtperiodischen Konturierung der Nabenunterseite sieht eine
Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Konturierung derart nichtperiodisch erfolgt,
dass die relative Position der Einbuchtungen zur jeweiligen Schaufel für eine Gruppe
von benachbarten Schaufeln von Schaufel zu Schaufel um den gleichen Betrag in Umfangsrichtung
wandert. Die Bezeichnung "in Umfangsrichtung" schließt dabei auch ein Verschieben
entgegen der Umfangsrichtung ein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die relative
Position der Einbuchtungen zur jeweiligem Schaufel bei einer betrachteten Gruppe von
benachbarten Schaufeln derart in Umfangsrichtung wandert, dass, wenn d2 die maximalen
Schaufelfußdicke und n die Anzahl der Schaufeln der betrachteten Gruppe ist, die Einbuchtungen
von Schaufel zu Schaufel um einen Winkel in Umfangsrichtung verschoben sind, der gleich
d2/n ist. Eine Gruppe von benachbarten Schaufeln weist dabei beispielsweise zwischen
drei und sieben, insbesondere zwischen vier und sechs Schaufeln auf.
[0022] Wenn somit beispielsweise eine betrachtete Gruppe vier Schaufeln aufweist, so ist
die Einbuchtung von Schaufel zu Schaufel um 25 % der maximalen Schaufelfußdicke verschoben.
Dabei gilt natürlich weiterhin, dass die Einbuchtung bei jeder Schaufel zumindest
teilweise im Bereich unterhalb der Schaufeln ausgebildet ist. Im Umfangsrichtung des
Verdichterrotors können sich solche Gruppen verstimmter Schaufeln aneinander anschließen
und dabei zusammen die Verdichterbeschaufelung bilden.
[0023] Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt einen Verdichterrotor
mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Danach ist vorgesehen, dass die vordere Nabenunterseite
und/oder die hintere Nabenunterseite derart konturiert sind, dass für jeden Meridionalschnitt
durch die Rotornabe gilt, dass im Meridionalschnitt die Begrenzungslinie der vorderen
Nabenunterseite zumindest angrenzend an die Vorderkante und/oder die Begrenzungslinie
der hinteren Nabenunterseite zumindest angrenzend an die Hinterkante durch eine Ellipse
beschreibbar ist.
[0024] Dieser Erfindungsaspekt sieht somit einen ganz bestimmten Verlauf der Begrenzungslinie
der vorderen Nabenunterseite und/oder der hinteren Nabenunterseite angrenzend an die
Vorderkante bzw. Hinterkante vor, nämlich einen elliptischen Verlauf, d.h. einen Verlauf,
bei der die Begrenzungslinie zumindest teilweise auf einer Ellipse liegt. Eine solche
Form der Nabenunterseite ist mit dem Vorteil verbunden, dass an der Nabenunterseite
angreifende Kräfte effektiv in die Rotorscheibe geleitet werden.
[0025] Ein Meridionalschnitt erfolgt entlang der axialen und radialen Richtung und enthält
die Drehachse. Die Aussage, dass das genannte Merkmal für jeden Meridionalschnitt
durch die Rotornabe gilt, bedeutet, dass die beschriebene Ausgestaltung der Nabenunterseite
umfangssymmetrisch ist.
[0026] Gemäß einer Ausgestaltung ist die Begrenzungslinie in ihrer gesamten Länge bis zum
Übergang in die Rotorscheibe elliptisch ausgebildet. Eine weitere Ausgestaltung kann
vorsehen, dass sich die Begrenzungslinie an der Nabenunterseite von der Vorderkante
oder Hinterkante über eine Länge in Richtung der Rotorscheibe erstreckt, deren axiale
Komponente im Bereich zwischen 10 % und 30 % der axialen Erstreckung (zwischen Vorderkante
und Hinterkante) der Rotornabe beträgt. Dieser Bereich bezieht sich auf die axiale
Komponente, d.h. die Projektion der Begrenzungslinie auf die axiale Richtung. Diese
wird betrachtet, da die Begrenzungslinie auch eine radiale Komponente in Richtung
der Drehachse aufweist.
[0027] Ein Verdichterrotor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder Rotor einer Verdichterstufe
einer Strömungsmaschine. Beispielsweise kann der Verdichterrotor ein Fanrotor, ein
Rotor eines Niederdruckverdichters, ein Rotor eines Mitteldruckverdichters oder ein
Rotor eines Hochdruckverdichters sein.
[0028] Eine Strömungsmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise ein
Flugtriebwerk, insbesondere ein Turbofan-Triebwerk, oder eine Gasturbine zur Energieerzeugung.
[0029] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Turbofantriebwerks, in dem
die vorliegende Erfindung realisierbar ist;
- Figur 2a
- eine schematische Darstellung eines Verdichterrotors im Meridionalschnitt;
- Figur 2b
- eine schematische Darstellung des Verdichterrotors der Figur 2a in einer Ansicht von
vorne, d.h. in axialer Richtung;
- Figur 3
- in Ansicht von vorne ein Ausführungsbeispiel eines Verdichterrotors mit einer unterhalb
einer Laufschaufel ausgebildeten Einbuchtung, wobei lediglich eine Laufschaufel und
eine zugehörige Einbuchtung dargestellt sind;
- Figur 4
- in Ansicht von vorne ein Ausführungsbeispiel eines Verdichterrotors mit jeweils unterhalb
einer Laufschaufel ausgebildeten Einbuchtungen, wobei mehrere Laufschaufeln und Einbuchtungen
dargestellt sind;
- Figur 5
- in Ansicht von vorne ein Ausführungsbeispiel eines Verdichterrotors mit jeweils unterhalb
einer Laufschaufel ausgebildeten Einbuchtungen, wobei mehrere Laufschaufeln und Einbuchtungen
dargestellt sind und wobei die Einbuchtungen mit sich ändernder Position zu den Laufschaufeln
an der Nabenunterseite ausgebildet sind;
- Figur 5
- eine schematische Darstellung eines Verdichterrotors, bei dem die Rotornabe an der
Nabenunterseite eine elliptische Begrenzungslinie ausbildet; und
- Figur 6
- eine schematische Darstellung eines Verdichterrotors, der eine weitere Konturierung
an der Nabenunterseite der Rotornabe aufweist.
[0030] Die Figur 1 zeigt schematisch ein Turbofantriebwerk 100, das eine Fanstufe mit einem
Fan 10 als Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter
30, eine Brennkammer 40, eine Hochdruckturbine 50, eine Mitteldruckturbine 60 und
eine Niederdruckturbine 70 aufweist.
[0031] Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 weisen jeweils eine Mehrzahl
von Verdichterstufen auf, die jeweils einen Rotor und einen Stator umfassen. Das Turbofantriebwerk
100 der Figur 1 weist des Weiteren drei separate Wellen auf, eine Niederdruckwelle
81, die die Niederdruckturbine 70 mit dem Fan 10 verbindet, eine Mitteldruckwelle
82, die die Mitteldruckturbine 60 mit dem Mitteldruckverdichter 20 verbindet und eine
Hochdruckwelle 83, die die Hochdruckturbine 50 mit dem Hochdruckverdichter 30 verbindet.
Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenn das Turbofantriebwerk beispielsweise
keinen Mitteldruckverdichter und keine Mitteldruckturbine besitzt, wären nur eine
Niederdruckwelle und eine Hochdruckwelle vorhanden.
[0032] Das Turbofantriebwerk 100 weist eine Triebwerksgondel 1 auf, die eine Einlauflippe
14 umfasst und innenseitig einen Triebwerkseinlauf 11 ausbildet, der einströmende
Luft dem Fan 10 zuführt. Der Fan 10 weist eine Mehrzahl von Fan-Schaufeln 101 auf,
die mit einer Fan-Scheibe 102 verbunden sind. Der Annulus der Fan-Scheibe 102 bildet
dabei die radial innere Begrenzung des Strömungspfads durch den Fan 10. Radial außen
wird der Strömungspfad durch ein Fangehäuse 2 begrenzt. Stromaufwärts der Fan-Scheibe
102 ist ein Nasenkonus 103 angeordnet.
[0033] Hinter dem Fan 10 bildet das Turbofantriebwerk 100 einen Sekundärstromkanal 4 und
einen Primärstromkanal 5 aus. Der Primärstromkanal 5 führt durch das Kerntriebwerk
(Gasturbine), das den Mitteldruckverdichter 20, den Hochdruckverdichter 30, die Brennkammer
40, die Hochdruckturbine 50, die Mitteldruckturbine 60 und die Niederdruckturbine
70 umfasst. Dabei sind der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30
von einem Umfangsgehäuse 29 umgeben, dass innenseitig eine Ringraumfläche bildet,
die den Primärstromkanal 5 radial außen begrenzt. Radial innen ist der Primärstromkanal
5 durch entsprechende Kranzoberflächen der Rotoren und Statoren der jeweiligen Verdichterstufen
bzw. durch die Nabe oder mit der Nabe verbundene Elemente der entsprechenden Antriebswelle
begrenzt.
[0034] Im Betrieb des Turbofantriebwerks 100 durchströmt ein Primärstrom den Primärstromkanal
5, der auch als Hauptströmungskanal bezeichnet wird. Der Sekundärstromkanal 4, auch
als Nebenstromkanal, Mantelstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet, leitet im Betrieb
des Turbofantriebwerks 100 vom Fan 10 angesaugte Luft am Kerntriebwerk vorbei.
[0035] Die beschriebenen Komponenten besitzen eine gemeinsame Rotations- bzw. Maschinenachse
90. Die Rotationsachse 90 definiert eine axiale Richtung des Turbofantriebwerks. Eine
radiale Richtung des Turbofantriebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
[0036] Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung eines Verdichterrotors,
d.h. des Rotors einer Verdichterstufe von Bedeutung, wobei ein oder mehrere Verdichterrotoren
des Niederdruckverdichters, des Mitteldruckverdichters oder des Hochdruckverdichters
in der nachfolgend beschriebenen Weise ausgebildet sein können.
[0037] Die Figur 2a zeigt im Meridionalschnitt und die Figur 2b in einer Ansicht von vorne,
d.h. in Strömungsrichtung, den grundlegenden Aufbau eines Verdichterrotors 2. Die
Figur 2b zeigt dabei in Ansicht von vorne lediglich einen Kreissektor des Verdichterrotors.
[0038] Der Verdichterrotor 20 weist eine Rotorscheibe 21, eine Rotornabe 22 und eine Mehrzahl
von Laufschaufeln 23 auf. Die Rotorscheibe 21 ist um eine Drehachse drehbar, die in
einer axialen Richtung x verläuft (z.B. die Rotationsachse 90 der Figur 1). Die Rotornabe
22 bildet den radial äußeren Rand der Rotorscheibe 21 oder ist mit dieser verbunden.
Die Laufschaufeln 23 erstrecken sich jeweils radial nach außen und sind an der Rotornabe
22 in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet. Sie bilden den Laufschaufelkranz des
Verdichterrotor 2.
[0039] Die Beschreibung des Verdichterrotors 20 erfolgt in einem zylindrischen Koordinatensystem,
das die Koordinaten x, r und ϕ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale
Richtung und ϕ den Winkel in Umfangsrichtung an. Von der x-Achse ausgehend zeigt die
radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie "vor", "hinter", "vordere" und "hintere"
beziehen sich immer auf die axiale Richtung, die im Wesentlichen gleich der Strömungsrichtung
ist.
[0040] Die Laufschaufeln 23 weisen eine Vorderkante 231, eine Hinterkante 232, eine Druckseite
234, eine Saugseite 235 und eine Schaufelspitze 236 auf. Ein gesonderter Schaufelfuß
ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen, da der Verdichterrotor
in BLISK-Bauweise ausgeführt ist, d.h. Rotorscheibe 21, Rotornabe 22 und die Laufschaufeln
23 sind integral ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Alternativ
können die Laufschaufeln jeweils einen Schaufelfuß besitzen, der in einer entsprechenden
Aussparung in der Rotornabe befestigt ist. Auch kann alternativ vorgesehen sein, dass
der Verdichterrotor in BLING-Bauweise ausgeführt ist, wobei die Rotornabe 22 und die
Laufschaufeln 23 integral ausgebildet sind.
[0041] Da in den Figuren 2a, 2b der Verdichterrotor in BLISK-Bauweise ausgeführt ist, geht
das Schaufelblatt unmittelbar in die Rotornabe 21 über. Dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele,
die in den Figuren 2 bis 7 dargestellt sind.
[0042] Die Rotornabe 22, die auch als Schaufelplattform bezeichnet werden kann, besitzt
eine Vorderkante 221, eine Hinterkante 222 und eine Nabenoberseite 223, die sich von
der Vorderkante 221 zur Hinterkante 222 erstreckt und von der die Laufschaufeln 23
abstehen. Die Nabenoberseite 223 bildet eine Kranzoberfläche, die im Betrieb des Verdichterrotors
den Strömungskanal durch den Laufschaufelkranz radial innen begrenzt.
[0043] Die Rotornabe 22 weist des Weiteren eine vordere Nabenunterseite 224, die sich auf
der Unterseite der Rotornabe 22 von der Vorderkante 221 in Richtung der Rotorscheibe
21 erstreckt und in diese übergeht, und eine hintere Nabenunterseite 225 auf, die
sich auf der Unterseite der Rotornabe 22 von der Hinterkante 222 in Richtung der Rotorscheibe
21 erstreckt und in diese übergeht.
[0044] Die Rotorscheibe 21 weist einen scheibenförmigen Bereich 211 und einen Scheibenfuß
212 auf.
[0045] Die Figur 3 zeigt schematisch in einer Ansicht von vorne ein erstes Ausführungsbeispiel.
Wie bei der Figur 2b ist bei der Figur 3 lediglich ein Kreissektor dargestellt. Es
ist vorgesehen, dass die vordere Nabenunterseite 224 in Umfangsrichtung der Rotornabe
22 derart konturiert ist, dass sie jeweils im Bereich unterhalb einer Laufschaufel
23 eine Einbuchtung 40 ausbildet. Im Bereich der Einbuchtung 40 ist die Dicke der
Rotornabe 22 dementsprechend reduziert. Durch die Dickenreduktion im Bereich der Laufschaufel
23 ist die Rotornabe 22 dort weicher ausgebildet, so dass sich die Laufschaufel 23
bei Rotation aufgrund der auftretenden Fliehkräfte stärker aufrichten und dabei in
verstärktem Maße Druckeigenspannungen in die Schaufel 23, insbesondere in die Vorderkante
der Schaufel 23 einbringen kann.
[0046] Die Einbuchtung 40 erstreckt sich sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung.
Die Oberfläche der Einbuchtung 40 besitzt dementsprechend sowohl in Umfangsrichtung
als auch in radialer Richtung einen größeren Radius (d.h. radialen Abstand von der
Drehachse) als die Bereiche an der Nabenunterseite 224, die keine Einbuchtung ausbilden.
[0047] Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Einbuchtung 40 an der Vorderkante
221 der Rotornabe beginnt und sich von dort in axialer Richtung in Richtung der Rotorscheibe
21 erstreckt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Tiefe der Einbuchtung 40 in Richtung
der Rotorscheibe 21 abnimmt und sie ab einer bestimmten axialen Erstreckung ganz verschwunden
ist (z.B. nach einer axialen Erstreckung, die im Bereich zwischen 10% und 30% der
axialen Erstreckung der Rotornabe 22 liegt). Die durch die Einbuchtung 40 erreichte
Weichheit ist somit insbesondere im Randbereich der Rotornabe 22 realisiert.
[0048] Die Einbuchtung 40 ist konkav und kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen.
Sie weist bevorzugt sanfte Übergänge zu den nicht mit einer Einbuchtung versehenen,
angrenzenden Bereichen der Nabenunterseite 224 auf.
[0049] Die Einbuchtung 40 ist im Bereich unterhalb der Laufschaufel 23 an der Nabenunterseite
224 ausgebildet. Dies wird im Folgenden weitergehend erläutert. Die Laufschaufel 23
besitzt eine Schaufeldicke d1, die durch den Abstand zwischen der Saugseite 235 und
der Druckseite 234 definiert ist. Im Übergang zur Nabenoberseite 223 bildet die Laufschaufel
an der Saugseite 235 und der Druckseite 234 in an sich bekannter Weise eine Abrundung
237, 238, auch als "fillet" bezeichnet auf. Als maximale Schaufelfußdicke d2 wird
die Schaufeldicke d1 plus der Dicke in Umfangsrichtung der Abrundungen 237, 238 bezeichnet.
Die maximale Schaufelfußdicke d2 ist somit der sich in Umfangsrichtung erstreckende
Bereich der Laufschaufel 23 an deren Schnittpunkt mit der Narbenoberfläche 223, der
sich von der Abrundung 237 auf der Saugseite 235 bis zur Abrundung 238 auf der Druckseite
234 der Schaufel 23 erstreckt.
[0050] Mit der maximalen Schaufelfußdicke d2 korrespondiert ein Winkelbereich Δϕ1 des Polarwinkels
ϕ des betrachteten zylindrischen Koordinatensystems. Ebenso korrespondiert ein Winkelbereich
Δϕ2 mit der Einbuchtung 40, der sich vom Anfang der Einbuchtung 40 bis zum Ende der
Einbuchtung 40 in Umfangsrichtung erstreckt. Da die Einbuchtung 40 im Bereich unterhalb
einer Laufschaufel 23 ausgebildet ist, überschneiden sich die Einbuchtung 40 und die
maximale Schaufelfußdicke d2 in Umfangsrichtung. Dies bedeutet, dass sich die Winkel
Δϕ1 und Δϕ2 zumindest teilweise überschneiden. Mit anderen Worten liegt zumindest
ein Abschnitt der Einbuchtung 40 in radialer Richtung unterhalb der maximalen Schaufelfußdicke
d2. Dabei ist es nicht notwendig, dass, wie im Ausführungsbeispiel der Figur 3, der
Winkel Δϕ1 vollständig innerhalb des Winkels Δϕ2 liegt. So lange irgendeine Überschneidung
vorliegt, liegt die Einbuchtung 40 im Bereich unterhalb einer Laufschaufel 23 im Sinne
der vorliegenden Erfindung.
[0051] Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Einbuchtung auch im Bereich der hinteren
Nabenunterseite 225 (vgl. Figur 2a) in die Rotornabe 22 eingebracht sein. Für diesen
Fall liegen im Betrieb, wenn der Verdichterrotor rotiert, erhöhte Druckeigenspannungen
insbesondere im Bereich der Hinterkante der Schaufel 23 vor.
[0052] Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dem Ausführungsbeispiel der Figur
3 entspricht. Die Figur 4 zeigt dabei verglichen mit der Figur 3 einen größeren Kreissektor
der Rotornabe 22, so dass eine Mehrzahl von Einbuchtungen 41, 42, 43 dargestellt sind.
Die Einbuchtungen 41, 42, 43 sind wie bei der Figur 3 jeweils zentriert unter der
zugehörigen Laufschaufel 23 angeordnet. Sie weisen die gleiche relative Position zur
jeweiligen Laufschaufel 23 auf.
[0053] In der Figur 4 ist erkennbar, dass sich die Dicke der Rotornabe 22 im Bereich einer
Einbuchtung 41, 42, 43 ändert. Da sich die Tiefe der Einbuchtung 41, 42, 43 in axialer
Richtung verändert, kann eine Dickenänderung dabei immer nur für einen betrachteten
Schnitt in einer Ebene quer zur Drehachse quantitativ betrachtet werden. In der Figur
4 ist die Dickenänderung an der Vorderkante 221 der Rotornabe 22 dargestellt. Im Bereich
der Einbuchtungen 41, 42, 43 ändert sich die Dicke von einer Dicke d3 in der Mitte
zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 23 zu einer Dicke d4. Die Dickenreduktion
der Rotornabe 22 von d3 auf d4 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 5% und 30%,
insbesondere im Bereich zwischen 10% und 20% bezogen auf die Dicke d3.
[0054] Die Einbuchtungen 41, 42, 43 erstrecken sich in Umfangsrichtung ϕ beispielsweise
über eine Länge, die zwischen der halben (d2/2) und der fünffachen (5*d2) maximalen
Schaufelfußdicke d2, insbesondere zwischen der maximalen Schaufelfußdicke (d2) und
der dreifachen (3*d2) maximalen Schaufelfußdicke d2 liegt, wobei die maximale Schaufelfußdicke
d2 wie in Bezug auf die Figur 3 erläutert definiert ist. Dies gilt für mindestens
einen Schnitt durch die Nabe in einer Ebene quer zur Drehachse, insbesondere an der
Vorderkante 221 und/oder der Hinterkante 222 der Rotornabe 22.
[0055] Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Konturierung der vorderen
Nabenunterseite 224 in Umfangsrichtung ϕ nichtperiodisch in dem Sinne erfolgt, dass
die Einbuchtungen zumindest an einigen der Laufschaufeln sich in Bezug auf die relative
Position zur Laufschaufel unterscheiden. Dabei erfolgt eine nichtperiodische Konturierung
derart, dass die relative Position der Einbuchtungen zur jeweiligen Schaufel für eine
Gruppe von benachbarten Schaufeln von Schaufel zu Schaufel in Umfangsrichtung wandert.
[0056] Die Figur 5 betrachtet hierbei eine Gruppe von vier Schaufeln 23, von denen drei
Schaufeln 23 dargestellt sind, bei denen sich die relative Position der zugehörigen
Einbuchtungen 44, 45, 46 von Schaufel zu Schaufel ändert und dabei in Umfangsrichtung
ϕ wandert. Wenn d2 die maximale Schaufelfußdicke ist (die wie in Bezug auf die Figur
3 definiert ist) und wenn n die Anzahl der Schaufeln der betrachteten Gruppe ist,
so sind die Einbuchtungen von Schaufel 23 zu Schaufel 23 um einen Winkel Δϕ in Umfangsrichtung
verschoben, der gleich d2 geteilt durch n ist.
[0057] Bei der in der Figur 5 betrachteten Gruppe von vier Schaufeln ist die Einbuchtung
44 zentriert zu der zugehörigen Schaufel 23 angeordnet. Die Einbuchtung 45 ist dem
gegenüber um den Winkel Δϕ = d2/4 in Umfangsrichtung ϕ verschoben. Die Einbuchtung
46 ist gegenüber der Einbuchtung 45 um einen weiteren Winkel Δϕ = d2/4 in Umfangsrichtung
ϕ verschoben, sodass die Gesamtverschiebung gegenüber der Einbuchtung 44 bei Δϕ =
d2/2 beträgt. Bei der in der Figur 5 nicht mehr dargestellten in Umfangsrichtung darauffolgenden
Einbuchtung liegt die Gesamtverschiebung gegenüber der Einbuchtung 44 bei Δϕ = d2*3/4.
Bei der in Umfangsrichtung danach folgenden Einbuchtung liegt beispielsweise wieder
eine zentrierte Anordnung bezogen auf die zugehörige Schaufel 23 vor, entsprechend
der Einbuchtung 44 der Figur 5. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass trotz der
vorgenommenen Verschiebungen in Umfangsrichtung stets das Kriterium erfüllt ist, dass
die Einbuchtungen 44, 45, 46 jeweils im Bereich unterhalb einer Laufschaufel 23 liegen
und somit die Winkelbereiche Δϕ1 und Δϕ2, die die maximale Schaufelfußdicke d2 und
die Einbuchtungen 44, 45, 46 jeweils abdecken, sich jeweils zumindest überschneiden.
[0058] Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Verschiebung der Einbuchtungen auch im
Bereich der hinteren Nabenunterseite 225 (vgl. Figur 2a) realisiert sein.
[0059] Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich durch eine bestimmte Konturierung
der vorderen Nabenunterseite und/oder hinteren Nabenunterseite auszeichnet. Es ist
entsprechend der Figur 2a ein Verdichterrotor 20' vorgesehen, der eine Rotorscheibe
21, eine Rotornabe 22 und eine Mehrzahl von Laufschaufeln 23 aufweist, wobei die Laufschaufeln
23 jeweils eine Vorderkante 231, eine Hinterkante 232, eine Druckseite 234, eine Saugseite
235 und eine Schaufelspitze 236 aufweisen. Die Rotornabe 22 besitzt eine Vorderkante
221, eine Hinterkante 222, eine Nabenoberseite 223, eine vordere Nabenunterseite 224
und eine hintere Nabenunterseite 225. Die Rotorscheibe 21 weist einen scheibenförmigen
Bereich 211 und einen Scheibenfuß 212 auf.
[0060] Es ist vorgesehen, dass im Meridionalschnitt die Begrenzungslinie 226 der vorderen
Nabenunterseite 224 zumindest angrenzend an die Vorderkante 221 durch eine Ellipse
beschreibbar ist. Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass im Meridionalschnitt
die Begrenzungslinie 227 der hinteren Nabenunterseite 225 zumindest angrenzend an
die Hinterkante 222 durch eine Ellipse beschreibbar ist. Die beschriebene Konturierung
ist dabei umfangssymmetrisch, das heißt sie gilt für jeden Meridionalschnitt durch
die Rotornabe 22.
[0061] Es kann vorgesehen sein, dass die Begrenzungslinie 226 und/oder die Begrenzungslinie
227 in ihrer gesamten Länge bis zum Übergang in die Rotorscheibe 21 bzw. deren scheibenförmigen
Bereich 211 elliptisch ausgebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die
Begrenzungslinie 226 und/oder die Begrenzungslinie 227 nur über einen Teil ihrer Länge
elliptisch ausgebildet ist, beispielsweise über einen an die Vorderkante 221 bzw.
Hinterkante 222 angrenzenden Abschnitt, dessen axiale Komponente im Bereich zwischen
10 % und 30 % der axialen Erstreckung der Rotornabe 22 (d.h. zwischen Vorderkante
221 und Hinterkante 222) liegt.
[0062] Die Figur 7 zeigt weitere umfangssymmetrische Konturierungen der Rotornabe 22 im
Bereich der Nabenunterseite. Dabei weist die vordere Nabenunterseite 224 und/oder
die hintere Nabenunterseite 225 eine Einbuchtung 228, 229 gegenüber einem gestrichelt
dargestellten geradlinigen Verlauf auf, die sich umfangssymmetrisch erstreckt. Hierdurch
wird allgemein die Weichheit der Rotornabe 22 im Bereich der Außenkanten 221, 222
vergrößert.
[0063] Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele. Beispielsweise ist die Form der Einbuchtungen
in den Figuren 3-5 lediglich beispielhaft zu verstehen.
[0064] Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen
Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert
werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb
dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
1. Verdichterrotor einer Strömungsmaschine, der aufweist:
- eine Rotorscheibe (21), die um eine Drehachse drehbar ist, die eine axiale Richtung
(x) definiert, wobei eine radiale Richtung (r) senkrecht zur axialen Richtung (x)
und eine Umfangsrichtung (ϕ) senkrecht zur axialen und zur radialen Richtung (x, r)
verläuft,
- eine Rotornabe (22), die den radial äußeren Rand der Rotorscheibe (21) bildet oder
mit dieser verbunden ist, und
- eine Mehrzahl von Laufschaufeln (23), die an der Rotornabe (22) angeordnet sind
und sich radial nach außen erstrecken,
- wobei die Rotornabe (22) aufweist: eine axial vordere Vorderkante (22), eine axial
hintere Hinterkante (222), eine Nabenoberseite (223), von der die Laufschaufeln (23)
abstehen, eine vordere Nabenunterseite (224), die sich auf der Unterseite der Rotornabe
(22) von der Vorderkante (221) in Richtung der Rotorscheibe (21) erstreckt und in
diese übergeht, und eine hintere Nabenunterseite (225), die sich auf der Unterseite
der Rotornabe (22) von der Hinterkante (222) in Richtung der Rotorscheibe (21) erstreckt
und in diese übergeht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vordere Nabenunterseite (224) und/oder die hintere Nabenunterseite (225) in Umfangsrichtung
(ϕ) der Rotornabe (22) derart konturiert ist, dass sie im Bereich unterhalb einer
Laufschaufel (23) jeweils eine Einbuchtung (40-46) ausbildet.
2. Verdichterrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (22) ausgehend von der Vorderkante (221) und/oder ausgehend von der
Hinterkante (222) jeweils unterhalb einer Laufschaufel (23) eine Einbuchtung (40-46)
ausbildet.
3. Verdichterrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (40-46) konkav ausgebildet ist und sich in axialer Richtung in Richtung
der Rotorscheibe (21) erstreckt.
4. Verdichterrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Einbuchtung (40-46) in Richtung der Rotorscheibe (21) abnimmt.
5. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Schnitt durch die Rotornabe (22) in einer Ebene quer zur Drehachse
gilt, dass die Einbuchtung (40-46) und die maximale Schaufelfußdicke (d2) in Umfangsrichtung
(ϕ) Winkelbereiche (Aϕ2, Δϕ1) abdecken, die sich überschneiden, wobei die maximale
Schaufelfußdicke (d2) definiert ist als der sich in Umfangsrichtung erstreckende Bereich
einer Laufschaufel (23), der sich von der Abrundung (237) der Schaufel (23) auf der
Saugseite (235) bis zur Abrundung (238) der Schaufel (23) auf der Druckseite (234)
der Schaufel (23) erstreckt.
6. Verdichterrotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (40-46) sich in Umfangsrichtung (ϕ) über eine Länge erstreckt, die
zwischen der halben und der fünffachen maximalen Schaufelfußdicke (d2), insbesondere
zwischen der maximalen Schaufelfußdicke (d2) und der dreifachen maximalen Schaufelfußdicke
(d2) liegt.
7. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Schnitt durch die Rotornabe (22) in einer Ebene quer zur Drehachse
gilt, dass die durch eine Einbuchtung (40-46) bereitgestellte maximale Dickenreduktion
der Rotornabe (22) im Bereich zwischen 5% und 30%, insbesondere im Bereich zwischen
10% und 20% bezogen auf die Dicke (d3) der Rotornabe (22) in der Mitte zwischen zwei
benachbarten Laufschaufeln (23) beträgt.
8. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung der vorderen Nabenunterseite (224) und/oder die Konturierung der
hinteren Nabenunterseite (225) in Umfangsrichtung (ϕ) periodisch in dem Sinne erfolgt,
dass die Einbuchtungen (41-43) an allen Laufschaufeln (23) die gleiche relative Position
zur Laufschaufel (23) aufweisen.
9. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung der vorderen Nabenunterseite (224) und/oder die Konturierung der
hinteren Nabenunterseite (225) in Umfangsrichtung (ϕ) nichtperiodisch in dem Sinne
erfolgt, dass die Einbuchtungen (44-46) zumindest an einigen der Laufschaufeln (23)
sich in Bezug auf die relative Position zur Laufschaufel (23) unterscheiden.
10. Verdichterrotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung derart nichtperiodisch erfolgt, dass die relative Position der Einbuchtungen
(44-46) zur jeweiligen Leitschaufel (23) für eine Gruppe von benachbarten Leitschaufeln
(23) von Schaufel zu Schaufel in Umfangsrichtung (ϕ) wandert.
11. Verdichterrotor nach Anspruch 9 oder 10, soweit rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Position der Einbuchtungen (44-46) zur jeweiligem Schaufel bei einer
betrachteten Gruppe von benachbarten Laufschaufeln (23) derart in Umfangsrichtung
(ϕ) wandert, dass, wenn d2 die maximale Schaufelfußdicke und n die Anzahl der Laufschaufeln
der betrachteten Gruppe ist, die Einbuchtungen (44-46) von Schaufel zu Schaufel um
einen Winkel in Umfangsrichtung (ϕ) verschoben sind, der gleich d2 geteilt durch n
ist.
12. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterrotor (2) in BLISK-Bauweise ausgebildet ist, wobei die Rotorscheibe
(21), die Rotornabe (22) und die Laufschaufeln (23) integral ausgebildet sind.
13. Verdichterrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterrotor (2) in BLING-Bauweise ausgebildet ist, wobei die Rotornabe (22)
und die Laufschaufeln (23) integral ausgebildet sind.
14. Verdichterrotor einer Strömungsmaschine in BLISK- oder BLING-Bauweise, der aufweist:
- eine Rotorscheibe (21), die um eine Drehachse drehbar ist, die eine axiale Richtung
(x) definiert, wobei eine radiale Richtung (r) senkrecht zur axialen Richtung (x)
und eine Umfangsrichtung (ϕ) senkrecht zur axialen und zur radialen Richtung (x, r)
verläuft,
- eine Rotornabe (22), die den radial äußeren Rand der Rotorscheibe (21) bildet oder
mit dieser verbunden ist, und
- eine Mehrzahl von Laufschaufeln (23), die an der Rotornabe (22) angeordnet sind
und sich radial nach außen erstrecken,
- wobei die Rotornabe (22) aufweist: eine axial vordere Vorderkante (22), eine axial
hintere Hinterkante (222), eine Nabenoberseite (223), von der die Laufschaufeln (23)
abstehen, eine vordere Nabenunterseite (224), die sich auf der Unterseite der Rotornabe
(22) von der Vorderkante (221) in Richtung der Rotorscheibe (21) erstreckt und in
diese übergeht, und eine hintere Nabenunterseite (225), die sich auf der Unterseite
der Rotornabe (22) von der Hinterkante (222) in Richtung der Rotorscheibe (21) erstreckt
und in diese übergeht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vordere Nabenunterseite (224) und/oder die hintere Nabenunterseite (225) derart
konturiert ist, dass für jeden Meridionalschnitt durch die Rotornabe (22) gilt, dass
im Meridionalschnitt die Begrenzungslinie (226) der vorderen Nabenunterseite (224)
zumindest angrenzend an die Vorderkante (221) und/oder die Begrenzungslinie (227)
der hinteren Nabenunterseite (225) zumindest angrenzend an die Hinterkante (222) durch
eine Ellipse beschreibbar ist.
15. Verdichterrotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungslinie (226, 227) in ihrer gesamten Länge bis zum Übergang in die Rotorscheibe
(21) elliptisch ausgebildet ist.