DE102012107419A1

DE102012107419A1 - Anstellwinkeländerungsmechanismus für offenliegenen Rotoraufbau

Info

Publication number: DE102012107419A1
Application number: DE102012107419A
Authority: DE
Inventors: Aleksander Krzysztof Szymandera
Original assignee: GE Aviation Systems Ltd
Current assignee: GE Aviation Systems Ltd
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US9376202B2; CN102953759A; GB2493980A; US20130052016A1; GB201114795D0; FR2980513A1; GB2493980B; CN102953759B; BR102012021375A2; US20160368592A1; CA2786182A1

Abstract

Diese Anmeldung bezieht sich auf einen Mechanismus zum Ermöglichen einer unabhängigen Anstellwinkelsteuerung von Profilblättern von gegenläufigen Rotoranordnungen. Der Mechanismus ist von besonderem Nutzen, wenn er bei "Offenrotor"-Gasturbinen angewendet wird. Ein Anstellwinkeländerungsmechanismus (40) für eine Offenrotorgasturbinenmaschine (10) wird offenbart, wobei die Maschine eine erste Rotoranordnung (20) und eine zweite Rotoranordnung (30) aufweist, wobei eine Mehrzahl von Profilblättern (21, 31) in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und gegenläufiger Beziehung zueinander angeordnet ist. Der Anstellwinkeländerungsmechanismus umfasst eine Aktoranordnung (50), die angepasst ist, dass sie an einer nicht rotierenden Rahmen (12) der Maschine befestigt wird, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor (51) und einen zweiten Aktor (52) aufweist, wobei die Aktoranordnung drehisolierbar von und koppelbar mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung derart ist, dass im Gebrauch, ein Ansteuersignal von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung unabhängig von dem Anstellwinkel der Profilblätter der zweiten oder ersten Rotoranordnung induziert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Gegenstand der Erfindung ist ein Mechanismus zum Ermöglichen einer unabhängigen Anstellwinkelsteuerung von Profilblätter von gegenläufigen Rotoranordnungen. Die Anmeldung ist von besonderem Nutzen, wenn sie bei "Offenrotor"-Gasturbinen eingesetzt wird.
STAND DER TECHNIK
Gasturbinenmaschinen, die eine so genannten "Offenrotor"-Anordnung einsetzen, sind bekannt. Der offene oder offenliegende Rotor ist im Wesentlichen ein Hybrid aus herkömmlichen Turbobläser- und Turboprop-Gasturbinenmaschinen, bieten aber einen verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad gegenüber beiden herkömmlichen Maschinenformen. Eine Turbobläser-Maschine arbeitet nach dem Prinzip, dass ein zentraler Gasturbinenkern ein Bypassflügelrad antreibt, wobei das Flügelrad an radialen zwischen einer Triebwerksgondel und dem Triebwerkskern angeordnet und von diesem angetrieben ist. Eine Offenrotormaschine arbeitet stattdessen nach dem Prinzip, dass sich das Bypass-Flügelrad außerhalb der Triebswerksgondel befindet. Dies erlaubt die Verwendung größerer Flügelradblätter, um auf ein größeres Luftvolumen als eine Turbobläsermaschine zu wirken, und hilft dadurch, mehr Schub zu erzeugen, als bei herkömmlichen Maschinenformen. Ein optimale Leistung wurde bei einer Offenrotorbauform gefunden, die eine Flügelradanordnung mit zwei gegenläufigen Rotoren aufweist, wobei jede Rotoranordnung eine Gruppe von Profilblätter trägt, die sich außerhalb der Maschinengondel befinden. Im Aussehen ähneln die Flügelradblätter einer Offenrotormaschine den Propellerblättern einer herkömmlichen Turboprop-Maschine.
Die Verwendung von gegenläufigen Rotoranordnungen bietet technische Herausforderungen bei der Übertragung von Leistung von dem Turbinenkern zum Antreiben der Profilblätter der entsprechenden zwei Rotoranordnungen in entgegengesetzten Richtungen.
Die EP 1881176 A2 (Rolls-Royce plc, 23. Januar 2008) offenbart eine Maschine, die eine im Aufbau einer Offenrotormaschine entspricht, wobei die Maschine einen Mechanismus zum Ermöglichen einer unabhängigen Anstellwinkelsteuerung der jeweiligen Profilblätter einer ersten Rotoranordnung und einer zweiten Rotoranordnung aufweist, wobei die erste und die zweite Rotoranordnung gegenläufig um eine Längsachse der Maschine angetrieben werden.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, eine verbesserte Alternative zu der in der EP 1881176 A2 offenbarten Maschinenanordnung zu schaffen, wobei die Erfindung den Wirkungsgrad gegenüber bekannten Bauformen verbessern soll.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Anstellwinkeländerungsmechanismus für eine Offenrotorgasturbinenmaschine vorgesehen, wobei die Maschine eine erste Rotoranordnung und eine zweite Rotoranordnung mit mehreren Profilblättern aufweist, die in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und in gegenläufiger Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der Anstellwinkeländerungsmechanismus eine Aktoranordnung aufweist, die dafür eingerichtet ist, dass sie an einem nicht drehenden Gehäuse der Maschine befestigt wird, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor und einen zweiten Aktor aufweist, wobei die Aktoranordnung drehentkoppelbar von und kuppelbar mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung derart ausgebildet ist, dass im Gebrauch ein Ansteuersignal von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung unabhängig von dem Anstellwinkel der Profilblätter der zweiten oder ersten Rotoranordnung induziert.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Turbinenmaschine vorgesehen, die eine erste Rotoranordnung und eine zweite Rotoranordnung aufweist, wobei die erste und die zweite Rotoranordnung jeweils mehrere Profilblätter aufweist, die in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und in gegenläufiger Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der Anstellwinkel der Profilblätter der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung unabhängig voneinander einstellbar sind, wobei die Maschine ferner eine Aktoranordnung aufweist, die an einem nicht drehenden Rahmen der Maschine befestigt ist, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor und einen zweiten Aktor aufweist, wobei die Aktoranordnung derart drehentkoppelt von und gekuppelt mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung ist, dass im Gebrauch ein Ansteuersignal von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter des jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung induziert.
Mit "gegenläufig" ist gemeint, dass die Profilblätter der ersten und der zweiten Rotoranordnung so angeordnet sind, dass sie in entgegengesetzten Richtungen zueinander drehen. Es wird bevorzugt, dass die Profilblätter der ersten und der zweiten Rotoranordnung so angeordnet sind, dass sie in entgegengesetzten Richtungen um eine gemeinsame Achse drehen und axial entlang dieser Achse beabstandet sind. Zum Beispiel können die jeweiligen Profilblätter der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung koaxial montiert und beabstandet sein, wobei die Blätter der ersten Rotoranordnung dazu eingerichtet sind, dass sie im Uhrzeigersinn um die Achse rotieren, und die Blätter der zweiten Rotoranordnung eingerichtet sind, dass sie entgegen dem Uhrzeigersinn um die Achse drehen (oder umgekehrt).
Indem sichergestellt wird, dass die Aktoranordnung dazu angepasst ist, an einem nicht rotierenden Rahmen befestigt zu werden, bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass Öltransferlager überflüssig werden, die ansonsten erforderlich wären, falls die Aktoranordnung selbst in der Lage wäre, relative zu dem Rahmen zu drehen. Dieses Merkmal bietet den bedeutenden Vorteil, dass die Zuverlässigkeit verbessert und die Komplexität des Schmiersystems minimiert werden, das für die Maschine erforderlich ist, und dass die potenziellen Leckagewege für Öl reduziert werden, da es den Bedarf an Öltransferlagern zwischen dem Rahmen und der Aktoranordnung vermeidet. Dieses Merkmal ist auch nützlich, um erhöhte Öldrücke in der Betätigungsanordnung der Maschine zu ermöglichen. Ölsystemdrücke in der Größenordnung von rund 3000 psi sind durch die Anwendung der Erfindung potentiell machbar. Dieser Druck ist viel höher als für Anordnungen, die auf die Verwendung von Öltransferlager angewiesen sind. Ferner ermöglicht dieses Merkmal auch eine einfache Implementierung eines Blattstellungssensors. Der Blattstellungssensor kann sich auf dem nichtrotierenden Rahmen (als Teil der Aktoranordnung) befinden und vermeidet dadurch die Notwendigkeit, elektrische Signale zwischen einem rotierenden und einem nicht rotierenden Rahmen zu übertragen.
Vorzugsweise wird durch Verwendung eines oder mehrerer Lageranordnungen eine Drehentkopplung und Ankopplung der Aktoranordnung an sowohl die erste als auch die zweite Rotoranordnung ermöglicht. Zweckmäßigerweise werden Lager ausgewählt, die dazu eingerichtet sind, eine Übertragung von Axiallast zu ermöglichen. Zum Beispiel sind für eine effiziente Übertragung einer Axiallast Schräglager besonders geeignet.
Idealerweise ist die Aktoranordnung derart angeordnet, dass der erste und der zweite Aktor konzentrisch angebracht sind. Eine solche Anordnung ist als ein "doppelter ringförmiger Aktor" bekannt. Diese Anordnung der Aktoranordnung minimiert das Volumen, das für die Aktoranordnung in einer Gasturbinenmaschine erforderlich ist – eine Umgebung, in der eine effiziente Raumnutzung wesentlich ist. Vorzugsweise ist die Aktoranordnung ein doppelter ringförmiger Aktor, wobei der erste und der zweite Aktor koaxial entlang oder parallel zu der Mittelachse der Maschine angebracht sind. Die Verwendung von ringförmigen Aktoren hat den Vorteil, dass die Anzahl von Aktoren reduziert wird, die innerhalb der Maschine erforderlich sind, und hat das Potenzial, die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern.
Es wird bevorzugt, dass eine erste Lageranordnung sowohl dem ersten Aktor als auch der ersten Rotoranordnung zugeordnet ist, wobei eine zweite Lageranordnung sowohl dem zweiten Aktor als auch der zweiten Rotoranordnung zugeordnet ist. Die Lageranordnungen sind vorzugsweise derart angepasst, dass ein Verstellsignal des ersten oder des zweiten Aktors über die jeweilige erste oder die zweite Lageranordnung an die jeweilige erste oder zweite Rotoranordnung übertragbar ist, wobei die erste und die zweite Lageranordnung jeweils mit den Profilblättern der jeweiligen ersten und der zweiten Rotoranordnung derart kuppelbar ist, dass im Gebrauch das übertragene Verstellsignal in ein Drehausgangssignal gewandelt wird, um dadurch den Anstellwinkel der Profilblätter des jeweiligen ersten oder der zweiten Rotoranordnung einzustellen.
Zweckmäßigerweise ist ein erstes Lager relativ zu dem ersten Aktor derart angebracht, dass ein Verstellsignal des ersten Aktors auf eine axiale Stirnfläche des ersten Lagers wirkt, um dadurch eine entsprechende Axiallast auf einen ersten axial verschiebbaren ringförmigen Anker zu übertragen, der mit der ersten Rotoranordnung drehbar ist, wobei die Profilblätter der ersten Rotoranordnung an einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden Wellen angebracht sind, die in Umfangsrichtung um den ersten Anker angeordnet sind. Das erste Lager kann mit den Profilblättern der ersten Rotoranordnung mittels einer Zapfen- und Wälzkörperanordnung gekoppelt sein. In einer solchen Steck-und Rollenanordnung wird eine Kombination aus einem Zapfen und einer Walze einer oder mehreren der sich radial erstreckenden Wellen zugeordnet, auf denen die Profilblätter der ersten Rotoranordnung montiert sind. Unter weiterer Erläuterung, kann sich die Walze in einer ringförmigen Nut befinden, die in einer Oberfläche des ersten Ankers vorgesehen ist, wobei die Walze geeignet ist, um die ringförmige Nut des ersten Ankers unter der Wirkung der übertragenen Axiallast zu gleiten. Die Walze ist von der (den) Längsachse(n) der zugehörigen einen oder mehreren sich radial erstreckenden Wellen versetzt, wobei der Zapfen jede Walze mit der zugeordneten einen oder mehreren der sich radial erstreckenden Wellen verbindet. In Gebrauch bewirkt die übertragene Axialkraft, die durch das erste Lager übermittelt wird, dass sie eine axiale Verschiebung des ersten Ankers relativ zu der ersten Rotoranordnung induziert, wodurch induziert wird, dass die Walze, die sich darin befindet, um die ringförmige Nut gleitet, wobei das Gleiten der Wälzkörper auf den Zapfen bewirkt, dass sich die zugeordnete eine oder mehreren der sich radial erstreckenden Wellen um ihre Längsachse(n) verdrehen, um dadurch die gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der ersten Rotoranordnung zu erzeugen. Vorzugsweise ist jede der sich radial erstreckenden Wellen einer entsprechenden Kombination aus Zapfen und Walze zugeordnet.
Eine ähnliche Anordnung, wie oben in dem obigen Abschnitt kurz dargestellt ist, kann auch oder alternativ für die zweite Rotoranordnung vorgesehen sein.
Eine Gegenlaufen der Profilblätter der ersten und der zweiten Rotoranordnung wird vorzugsweise durch Verwendung eines Umlaufgetriebes ermöglicht, um einen Drehantrieb auf sowohl die erste als auch die zweite Rotoranordnung zu übertragen, wobei die erste und die zweite Rotoranordnung in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden, wobei die Aktoranordnung angeordnet ist, um räumlich von dem Umlaufgetriebe entkoppelt zu werden. Mit räumlicher Entkopplung ist gemeint, dass kein Teil der Aktoranordnung durch das Umlaufgetriebe verläuft. Das Umlaufgetriebe kann zweckmäßigerweise ein herkömmliches Planetengetriebe sein. Beispielsweise weist bei einer Form der Erfindung das Planetengetriebe ein Sonnenrad, das von der Maschine angetrieben wird, Planetenräder, die der ersten Rotoranordnung zugeordnet sind, und ein Hohlrad auf, das der zweiten Rotoranordnung zugeordnet ist, wobei die Planetenräder und das Hohlrad eine gegenläufige Drehung der ersten und der zweiten Rotoranordnung ermöglichen. Eine räumliche Entkopplung der Aktoranordnung von dem Umlaufgetriebe bietet die Vorteile einer potenziell zuverlässigeren Konstruktion der Aktoranordnung/des Anstellwinkelsteuermechanismus/der Maschine als bei der bekannten Konstruktion, die in EP 1881176 A2 beschrieben ist. Die Konstruktion der EP 1881176 A2 hängt von Aktorstangen ihrer Aktoranordnung für mindestens eine ihrer zwei Rotoranordnungen ab, die durch ein Umlaufgetriebe verlaufen, entweder "durch" oder "zwischen" Planetenrädern (wie in Absatz 8 der EP 1881176 A2 angegeben), und erhöht dadurch sowohl die Komplexität der Konstruktion für diese bekannte Konstruktion als auch die Anzahl der möglichen Fehlerarten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Offenrotorgasturbinenmaschine.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Maschine der 1, die einen Anstellwinkelsteuermechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst. Diese Figur zeigt die allgemeine Anordnung der Rahmen einer vorderen Rotoranordnung und einer hinteren Rotoranordnung und einen nicht rotierenden Rahmen der Maschine.
3 zeigt eine detaillierte Schnittansicht der Maschine und des Anstellwinkelsteuermechanismus, die in 2 gezeigt sind.
4 zeigt eine detaillierte Schnittansicht der vorderen Rotoranordnung der 2 und 3.
5 zeigt eine detaillierte Schnittansicht der hinteren Rotoranordnung der 2 und 3.
6 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht der hinteren Rotoranordnung, die in 5 gezeigt ist.
7 zeigt eine detaillierte perspektivische Detailansicht sowohl der vorderen als auch der hinteren Rotoranordnung, die in 4, 5 und 6 gezeigt sind.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer typischen Offenrotorgasturbinenmaschine 10, für die der Anstellwinkelsteuermechanismus der Erfindung besonders geeignet ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Maschine 10 eine vordere Rotoranordnung 20, auf der eine Anordnung von Profilblättern 21 montiert ist, sowie eine hintere Rotoranordnung 30 auf, auf der eine Anordnung von Profilblättern 31 montiert ist. Sowohl die vorderen als auch die hinteren Strömungsprofilblätter 21, 31 sind jeweils zur Rotation um eine zentrale Längsachse 11 der Maschine 10 in gegenläufigen Drehrichtungen montiert – angezeigt durch Pfeile ω₂₀ und ω₃₀ in 1.
Die Schnittansicht der 3 zeigt, dass die Maschine 10 einen Anstellwinkelsteuermechanismus 40 mit einer Aktoranordnung 50 aufweist. Die Aktoranordnung 50 ist deutlicher in 4 (begrenzt durch eine gepunktete ovale Linie) gezeigt. Die Aktoranordnung ist an einem statischen, nicht-rotierenden Rahmen 12 der Maschine 10 befestigt. Der Rahmen 12 ist (durch nicht gezeigte Mittel) an dem äußeren Gehäuse oder Gondel der Maschine 10 befestigt. 2 zeigt die allgemeinen Ränder des statischen nicht-rotierenden Rahmens 12, der vorderen Rotoranordnung 20 und der hinteren Rotoranordnung 30. Die jeweiligen Drehrichtungen ω₂₀, ω₃₀ sind auch für die Profilblätter 21, 31 der vorderen und der hinteren Rotoranordnung 20, 30 gekennzeichnet.
Ein Planetengetriebe 60 ist in der Maschine 10 eingebaut, um einen Drehantrieb auf sowohl die vordere als auch die hintere Rotoranordnung 20, 30 (siehe 2) zu übertragen. Die Bauteile des Planetengetriebes 60 sind in den Figuren nicht gezeigt.
Die Aktoranordnung 50 ist ein doppelter ringförmiger hydraulischer Aktor mit einem vorderen Aktor 51 und einem hinteren Aktor 52, die relativ zueinander konzentrisch und um die Längsmaschinenachse 11 montiert sind (wie deutlicher in 4 gezeigt ist). Der vordere Aktor 51 ist mit der vorderen Rotoranordnung 20 gekoppelt, wobei der hintere Aktor 52 mit der hinteren Rotoranordnung 30 gekoppelt ist. Die Konstruktion der vorderen Aktor-/Rotoranordnung und der zugehörigen Teile werden getrennt von denen der hinteren Aktor-/Rotoranordnung und den zugehörigen Teilen beschrieben.
Vordere Aktor-/Rotoranordnung
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, weist der vordere Aktor 51 einen Kolben 511 auf, der hin und her parallel zu der Maschinenachse 11 gleiten kann. Ein ringförmiger Flansch 512 erstreckt sich von der Außenwand des Kolbens 511 nach außen. Der Flansch 512 stößt gegen die inneren Laufring eines Transferlagers 513, wobei das Lager konzentrisch um den vorderen Aktor 51 angeordnet ist. Der äußere Laufring des Transferlagers 513 ist mit einem Anker 514 verbunden, wobei der Anker an der vorderen Rotoranordnung 20 montiert und mit dieser drehbar ist. Wie deutlicher in den 4 und 7 gezeigt, weist der Anker 514 eine ringförmige Nut 515 auf, die in seiner radial nach außen weisenden Oberfläche vorgesehen ist. Die vordere Anordnung von Profilblättern 21 ist an der vorderen Rotoranordnung 20 montiert, wie im folgenden Abschnitt beschrieben ist.
Wie in den 4 und 7 gezeigt ist, befindet sich eine Mehrzahl von radial erstreckenden Wellen 22 um die vordere Rotoranordnung 20, wobei ein einziges der Profilblätter 21 an jeder Welle (durch nicht gezeigte Mittel) montiert ist. Die Wellen 22 sind mit dem Anker 514 durch eine Zapfen- und Wälzkörperanordnung 516 gekoppelt (am deutlichsten in 7 gezeigt). Die Zapfen- und Wälzkörperanordnung 516 weist einen zylindrisch geformten Wälzkörper 517 auf, der sich in der ringförmigen Nut 515 des Ankers 514 befindet, wobei ein Zapfen 518 wiederum den Wälzkörper 517 mit einer der radial erstreckenden Wellen 22 verbindet. Jede der Wellen 22 ist mit dem Anker 514 durch ihre eigene Kombination aus Zapfen und Wälzkörper gekoppelt ist.
Im Gebrauch wirkt ein Ansteuersignal 1 von dem vorderen Aktor 51 der Aktoranordnung 50, dass der Kolben 51 axial parallel zu der Maschinenachse 11 verschoben wird. Dadurch wirkt der ringförmige Flansch 512 des Kolbens 511 auf den inneren Laufring des Transferlagers 513 mit Axiallast F₅₁ (4). Lediglich beispielsweise kann die Axiallast F₅₁ in der Größenordnung von 75 klbf sein. Die Axiallast F₅₁ wird auf den Anker 514 über den äußeren Laufring des Transferlagers 513 übertragen und bewirkt dadurch, dass der Anker parallel zu der Maschinenachse 11 gleitet. Dieses axiale Verschieben des Ankers 514 bewirkt, dass jeder der Wälzkörper 517 in Umfangsrichtung um die ringförmige Nut 515 des Ankers 514 gleitet, wobei der Zapfen 518 wiederum wirkt, dass seine jeweilige radial erstreckende Welle 22 um die Längsachse 23 der Welle verdreht wird (siehe 7), um dadurch den Anstellwinkel des Profilblatts 21, das daran angebracht ist, einzustellen.
Auf diese Weise wird der vordere Aktor 51 mit der vorderen Rotoranordnung 20 gekoppelt, was dazu führt, dass die axiale Verschiebung und die induzierte Axiallast F₅₁ des vorderen Aktor 51 in ein Rotationsausgangssignal umgewandelt werden, um den Anstellwinkel der Blätter 21 der vorderen Rotoranordnung einzustellen.
Hintere Aktor-/Rotoranordnung
Wie in den 3, 4 und 5 gezeigt, weist der hintere Aktor 52 einen Kolben 521 auf, der hin und her parallel zu der Maschinenachse 11 gleiten kann. Eine ringförmige Stirnfläche des Kolbens 521 stößt gegen den inneren Laufring des Transferlagers 522a, wobei das Lager konzentrisch um den statischen nicht-rotierenden Rahmen 12 montiert ist. Axial erstreckende Transferstangen 523 erstrecken sich zwischen dem äußeren Laufring des Transferlagers 522a und dem inneren Laufring eines weiteren Transferlagers 522b (siehe 3 & 5). Pendellager 524 sind an beiden Enden der Transferstangen 523 an der Grenzfläche zu dem Transferlagern 522a, b aufgenommen.
Ein Anker 525 ist um den äußeren Laufring des Transferlagers 522b montiert, wobei der Anker mit der hinteren Rotoranordnung 30 drehbar ist. Wie deutlicher in 5 gezeigt, weist der Anker 525 eine ringförmige Nut 526 auf, die in seiner radial nach außen weisenden Oberfläche vorgesehen ist. Die hintere Anordnung von Profilblättern 31 ist an der hinteren Rotoranordnung 30 montiert, wie in dem folgenden Abschnitt beschrieben ist.
Eine Mehrzahl von radial erstreckenden Wellen 32 befindet sich um die hintere Rotoranordnung 30, wobei ein einziges der Profilblätter 31 an jeder Welle (durch nicht gezeigte Mittel) montiert ist. Die Wellen 32 sind mit dem Anker 525 durch eine Zapfen- und Wälzkörperanordnung 527 gekoppelt (am deutlichsten in 6 gezeigt). Die Zapfen- und Wälzkörperanordnung 527 weist einen zylindrisch geformten Wälzkörper 528 auf, der sich in der ringförmigen Nut 526 des Ankers 525 befindet, wobei ein Zapfen 529 wiederum den Wälzkörper 528 mit einer der radial erstreckenden Wellen 32 verbindet. Jede der Wellen 32 ist mit dem Anker 525 durch ihre eigene Kombination aus Zapfen und Wälzkörper gekoppelt.
Im Gebrauch, wirkt ein Ansteuersignal von dem hinteren Aktor 52 der Aktoranordnung 50, dass der Kolben 521 axial entlang der Maschinenachse 11 verschoben wird. Dadurch wirkt die ringförmige Stirnfläche des Kolbens 521 auf den inneren Laufring des Transferlagers 522a mit einer Axiallast F₅₂ (siehe Figuren 3 & 5). Lediglich beispielsweise kann die Axiallast F₅₂ in der Größenordnung von 55 klbf sein. Die Axiallast F₅₂ wird von dem äußeren Laufring des Transferlagers 522a über die sich axial erstreckenden Transferstangen 523 an den äußeren Laufring des Transferlagers 522b und dadurch an den Anker 525 übertragen. Die Axiallast F₅₂ bewirkt dadurch, dass das Transferlager 522b und der Anker 525 parallel zu der Maschinenachse 11 gleiten. Dieses axiale Gleiten des Ankers 525 bewirkt, dass jeder der Wälzkörper 528 in Umfangsrichtung um die ringförmige Nut 526 des Ankers 525 gleitet, wobei der Zapfen 529 wiederum wirkt, dass seine jeweilige radial erstreckende Welle 32 um die Längsachse 33 der Welle verdreht wird (siehe 6 und 7), um dadurch den Anstellwinkel des daran montierten Profilblatts 31 einzustellen.
Auf diese Weise wird der hintere Aktor 52 mit der hinteren Rotoranordnung 30 gekoppelt, was dazu führt, dass die axiale Verschiebung und die induzierte Axiallast F₅₂ des hinteren Aktors 52 in ein Rotationsausgangssignal umgewandelt werden, um den Anstellwinkel der Blätter 31 der vorderen Rotoranordnung einzustellen.
Die Transferlager 513 und 522a, b stellen sicher, dass sowohl der erste als auch der zweite Aktor 51, 52 dreh-isoliert von, aber mit der ersten bzw. der zweiten Rotoranordnung 20, 30 gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform können die Transferlager Schräglager sein, weil diese besonders gut beim Übertragen von Axiallasten sind. Jedoch können andere bekannte Lagerarten verwendet werden, die zum Ermöglichen der Übertragung von Axiallast geeignet sind.
Für die oben kurz erläuterte Zapfen- und Wälzkörperanordnung bereits erwähnt, wird der Umfang, um den der Anstellwinkel der Profilblätter 21, 31 eingestellt wird, von dem Betrag der axialen Verschiebung des jeweiligen Aktors 51, 52 abhängig sein.
Für die Maschine 10, die in den Figuren gezeigt und oben beschrieben ist, ist die Aktoranordnung 50 angeordnet, dass sie räumlich von dem Planetengetriebe 60 entkoppelt wird.
Die vorstehende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung wird lediglich zu Darstellungszwecken angegeben und soll nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken, wie er in den Ansprüchen definiert ist.
Diese Anmeldung bezieht sich auf einen Mechanismus zum Ermöglichen einer unabhängigen Anstellwinkelsteuerung von Profilblättern von gegenläufigen Rotoranordnungen. Der Mechanismus ist von besonderem Nutzen, wenn er bei "Offenrotor"-Gasturbinen angewendet wird. Ein Anstellwinkeländerungsmechanismus 40 für eine Offenrotorgasturbinenmaschine 10 wird offenbart, wobei die Maschine eine erste Rotoranordnung 20 und eine zweite Rotoranordnung 30 aufweist, wobei eine Mehrzahl von Profilblättern 21, 31 in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und gegenläufiger Beziehung zueinander angeordnet ist. Der Anstellwinkeländerungsmechanismus umfasst eine Aktoranordnung 50, die angepasst ist, dass sie an einer nicht rotierenden Rahmen 12 der Maschine befestigt wird, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor 51 und einen zweiten Aktor 52 aufweist, wobei die Aktoranordnung dreh-isolierbar von und koppelbar mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung derart ist, dass im Gebrauch, ein Ansteuersignal von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung unabhängig von dem Anstellwinkel der Profilblätter der zweiten oder ersten Rotoranordnung induziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1881176 A2 [0004, 0005, 0015, 0015, 0015]

Claims

Anstellwinkeländerungsmechanismus (40) für eine Offenrotorgasturbinenmaschine (10), wobei die Maschine eine erste Rotoranordnung (20) und eine zweite Rotoranordnung (30), eine Mehrzahl von Profilblättern (21, 31), die in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und in gegenläufiger Beziehung zueinander (ω₂₀, ω₃₀) angeordnet sind, wobei der Anstellwinkeländerungsmechanismus eine Aktoranordnung (50) aufweist, die dazu eingerichtet ist, an einem nicht rotierenden Rahmen (12) der Maschine befestigt zu werden, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor (51) und einen zweiten Aktor (52) aufweist, wobei die Aktoranordnung derart drehentkoppelbar von und koppelbar mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung ist, dass in Gebrauch ein Ansteuersignal (F₅₁, F₅₂) von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der jeweiligen ersten oder der zweiten Rotoranordnung unabhängig von dem Anstellwinkel der Profilblätter der zweiten oder der ersten Rotoranordnung induziert.
Anstellwinkelsteuermechanismus (40) nach Anspruch 1, wobei die Aktoranordnung (50) angeordnet ist, im Gebrauch räumlich von einem Getriebe entkoppelt zu werden, wobei das Getriebe zum Übertragen eines Drehantriebs auf eine oder beide der ersten und der zweiten Rotoranordnung (20, 30) angepasst ist.
Anstellwinkelsteuermechanismus (40) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Anstellwinkelsteuermechanismus ferner eine oder mehrere Lageranordnungen (513, 522a, b) aufweist, die angeordnet sind, dass sie die Aktoranordnung (50) von der ersten und der zweiten Rotoranordnung (20, 30) drehentkoppeln und mit dieser koppeln.
Anstellwinkelsteuermechanismus (40) nach Anspruch 3, wobei die eine oder mehreren Lageranordnungen eine erste Lageranordnung (513) und eine zweite Lageranordnung (522a, b) aufweisen, wobei die erste Lageranordnung sowohl dem ersten Aktor (51) als auch der ersten Rotoranordnung (20) zugeordnet ist und die zweite Lageranordnung (522a, b) sowohl dem zweiten Aktor (52) als auch der zweiten Rotoranordnung (30) zugeordnet ist, wobei die erste und die zweite Lageranordnung derart ausgebildet sind, dass ein Verstellsignal des ersten oder des zweiten Aktors über die jeweilige erste oder zweite Lageranordnung an die jeweilige erste oder zweite Rotoranordnung übertragbar ist, wobei die erste und die zweite Lageranordnung jeweils mit den Profilblättern (21, 31) der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung derart koppelbar (516, 527) sind, so dass im Gebrauch das übertragene Verstellsignal in eine Rotationsausgangssignal gewandelt wird, um dadurch den Anstellwinkel der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung einzustellen.
Anstellwinkelsteuermechanismus (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Aktor (51, 52) konzentrisch montiert sind.
Turbinenmaschine (10) umfassend eine erste Rotoranordnung (20) und eine zweite Rotoranordnung (30), wobei die erste und die zweite Rotoranordnung jeweils mehrere Profilblätter aufweisen (21, 31), die in Umfangsrichtung an jeder Rotoranordnung montiert und in gegenläufiger Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der Anstellwinkel der Profilblätter der ersten Rotoranordnung und der zweiten Rotoranordnung unabhängig voneinander einstellbar sind, wobei die Maschine ferner eine Aktoranordnung (50) aufweist, die an einem nicht rotierenden Rahmen (12) der Maschine befestigt ist, wobei die Aktoranordnung einen ersten Aktor (51) und einen zweiten Aktor (52) aufweist, wobei die Aktoranordnung derart drehentkoppelt von und gekoppelt mit der ersten und der zweiten Rotoranordnung ist, dass im Gebrauch ein Ansteuersignal (F₅₁, F₅₂) von dem ersten oder dem zweiten Aktor eine entsprechende gewünschte Änderung des Anstellwinkels der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung induziert.
Maschine (10) nach Anspruch 6, wobei die Maschine ferner eine oder mehrere Lageranordnungen (513, 522a, b) aufweist, die so angeordnet sind, dass sie die Aktoranordnung (50) von der ersten und der zweiten Rotoranordnung (20, 30) drehentkoppeln und mit dieser koppeln.
Maschine nach Anspruch 7, wobei die eine oder mehreren Lageranordnungen eine erste Lageranordnung (513) und eine zweite Lageranordnung (522a, b) aufweisen, wobei die erste Lageranordnung dem ersten Aktor (51) und der ersten Rotoranordnung (20) zugeordnet ist und die zweite Lageranordnung (522a, b) dem zweiten Aktor (52) und der zweiten Rotoranordnung (30) zugeordnet ist, wobei die erste und die zweite Lageranordnung derart ausgebildet sind, dass ein Verstellsignal des ersten oder des zweiten Aktors über die jeweilige erste oder zweite Lageranordnung an die jeweilige erste oder zweite Rotoranordnung übertragbar ist, wobei die erste und die zweite Lageranordnung jeweils mit den Profilblättern (21, 31) der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung derart koppelbar (516, 527) sind, dass im Gebrauch das übertragene Verstellsignal in eine Rotationsausgangssignal gewandelt wird, um dadurch den Anstellwinkel der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung einzustellen
Maschine nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Zapfen- und Wälzkörperanordnung (516, 527) für das Koppeln von der ersten oder der zweiten Lageranordnung mit den Profilblättern (21, 31) der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung (20, 30).
Maschine nach Anspruch 9, wobei eine oder beide der ersten und der zweiten Lageranordnung (513, 522a, b) ein Lager aufweisen, das derart relativ zu dem jeweiligen ersten oder zweiten Aktor (51, 52) montiert ist, dass ein Verstellsignal von dem ersten oder dem zweiten Aktor auf eine axiale Stirnseite des Lagers wirkt, um dadurch eine entsprechende Axialkraft (F₅₁, F₅₂) auf einen axial verschiebbaren ringförmigen Anker (514, 525) zu übertragen, der drehbar mit der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung (20, 30) verbunden ist, wobei die Profilblätter (21, 31) der jeweiligen ersten oder der zweiten Rotoranordnung an einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden Wellen (22, 32) montiert sind, die in Umfangsrichtung um den Anker angeordnet sind, wobei die Zapfen- und Wälzkörperanordnung (516, 527) eine Kombination aus einem Zapfen (518, 529) und einem Wälzkörper (517, 528) aufweist, die einer oder mehreren der sich radial erstreckenden Wellen zugeordnet sind, wobei sich die Wälzkörper in einer ringförmigen Nut befinden, die in einer Oberfläche des Ankers vorgesehen ist, wobei der Wälzkörper dazu eingerichtet ist, unter der Wirkung der übertragenen Axialkraft um die ringförmige Nut des Ankers zu gleiten, wobei der Wälzkörper von einer Längsachse der zugeordneten einen oder mehreren sich radial erstreckenden Wellen versetzt ist, wobei der Zapfen jeden der Wälzkörper mit der zugeordneten einen oder mehreren sich radial erstreckenden Wellen derart verbindet, dass das Gleiten des Wälzkörpers um die ringförmige Nut des Ankers auf den Zapfen wirkt, um die zugeordnete eine oder mehreren sich radial erstreckenden Wellen zu verdrehen und dadurch den Anstellwinkel der Profilblätter der jeweiligen ersten oder zweiten Rotoranordnung einzustellen.
Maschine (10) nach Anspruch 10, wobei jede Welle der Mehrzahl von sich radial erstreckenden Wellen (22, 32) einer jeweiligen Kombination aus Zapfen und Wälzkörper zugeordnet ist.
Maschine (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Aktoranordnung (50) derart ausgebildet ist, dass der erste und der zweite Aktor (51, 52) konzentrisch angeordnet sind.
Maschine (10) nach Anspruch 12, wobei die Aktoranordnung (50) entlang oder parallel zu einer Längsachse der Maschine (11) montiert ist.
Maschine (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, ferner umfassend ein Umlaufgetriebe (60) zum Übertragen eines Drehantriebs auf sowohl die erste und als auch die zweite Rotoranordnungen (20, 30), wobei die erste und die zweite Rotoranordnung in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden, wobei die Aktoranordnung so angeordnet ist, dass sie räumlich von dem Umlaufgetriebe entkoppelt ist.
Anstellwinkeländerungsmechanismus oder Turbomaschine so, wie sie hier unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.