-
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit einer Mehrzahl von in einem Strömungskanal angeordneten Leitschaufeln, die mittels wenigstens einer Einstelleinrichtung verstellbar sind.
-
Strömungsmaschinen mit variablen Leitschaufelsystemen (variable guide vanes, VGV) sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt. Üblicherweise umfasst eine solche Strömungsmaschine eine Einstelleinrichtung, bei welcher die in einem Strömungskanalgehäuse angeordneten Leitschaufeln mit Leitschaufelachsen verbunden sind. Die Leitschaufelachsen sind durch eine Wand des Strömungskanalgehäuses geführt und über Verstellhebel mit einem gegebenenfalls segmentierten Einstellring (Unison Ring) gekoppelt. Der Einstellring, welcher auf einer Gehäuseaußenseite des Strömungskanals gelagert ist, kann über einen oder mehrere pneumatische, hydraulische oder elektromotorische Aktuatoren in Umfangsrichtung angetrieben werden und bewegt die im Strömungskanal angeordneten Leitschaufeln rotatorisch über die Bewegung der Leitschaufelachsen. Der oder die Aktuatoren sind ihrerseits am Strömungskanalgehäuse festgelegt. Hierdurch kann ein relativer Winkel der Leitschaufeln gegenüber einer Haupterstreckungsachse des Strömungskanals in Abhängigkeit des Betriebszustands der Strömungsmaschine eingestellt und verändert werden. Eine derartige Einstelleinrichtung für Leitschaufeln einer Strömungsmaschine ist beispielsweise in der
EP 2 204 549 A2 offenbart.
-
Als nachteilig an diesen bekannten Strömungsmaschinen ist der Umstand anzusehen, dass aufgrund der vergleichsweise hohen Elastizitäten und Toleranzen über die kinematische Kette der Einstelleinrichtung nur eine vergleichsweise ungenaue Positionierung der Leitschaufeln ermöglicht ist. Darüber hinaus wird die Montage der Einstelleinrichtung am Strömungskanalgehäuse aufgrund der vergleichsweise hohen Anzahl an Schnittstellen der Einstelleinrichtung erschwert.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine erhöhte Stell- und Wiederholgenauigkeit der Leitschaufeln sowie eine einfachere Montage der Einstelleinrichtung am Strömungskanalgehäuse ermöglicht ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Aktuator der Einstelleinrichtung ausschließlich unter Vermittlung des wenigstens einen Einstellrings und/oder der Leitschaufelachsen am Strömungskanalgehäuse gehalten ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Aktuator der Einstelleinrichtung nicht wie bislang unmittelbar am Strömungskanalgehäuse oder einem anderen Gehäuse der Strömungsmaschine, sondern ausschließlich über eine oder mehrere Komponenten der Einstelleinrichtung selbst, das heißt lediglich mittelbar am Strömungskanalgehäuse festgelegt ist. Hierdurch kann die Toleranzkette der Einstelleinrichtung vorteilhaft verringert werden, wodurch sich eine erhöhte Robustheit mit entsprechend verbesserter Stellgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit ergibt. Darüber hinaus muss der wenigstens eine Aktuator bei der Montage der Einstelleinrichtung nicht zusätzlich am Strömungskanalgehäuse positioniert und befestigt werden, wodurch sich eine entsprechende Vereinfachung und damit eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis bei der Montage und Demontage ergibt. Weiterhin entfällt die Notwendigkeit, das Strömungskanalgehäuse mit entsprechenden Schnittstellen bzw. Anbindungspunkten versehen zu müssen. Die Einstelleinrichtung ist daher besonders einfach skalierbar und leicht an unterschiedliche Gehäusetypen anpassbar. Der Aktuator und der wenigstens eine Einstellring können dabei grundsätzlich im Außenbereich einer radial inneren Wand des Strömungskanalgehäuses und/oder im Außenbereich einer radial äußeren Wand des Strömungskanalgehäuses angeordnet sein.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Einstellring mittels des wenigstens einen Aktuators axial bezüglich der Haupterstreckungsachse des Strömungskanals und/oder in Umfangsrichtung des Strömungskanals bewegbar ist, um den relativen Winkel der Leitschaufeln einzustellen. Durch eine axiale, das heißt translatorische Bewegung bezogen auf die Haupterstreckungsachse des Strömungskanals bzw. auf die Triebwerksachse wird eine axial-parallele Verschiebung des als Stellglied fungierenden Einstellrings erreicht, welche eine besonders präzise Einstellbarkeit des Leitschaufelwinkels erlaubt. Darüber hinaus ist es möglich, den Einstellring über seinen Umfang unterschiedlich weit translatorisch zu bewegen, wodurch ein Verkippen des Einstellrings und damit eine unterschiedliche Winkeleinstellung der über den Umfang des Strömungskanalgehäuses verteilten Leitschaufeln ermöglicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Einstellring in Umfangsrichtung des Strömungskanals bzw. des Strömungskanalgehäuses bewegbar ist, um eine rotatorische Bewegung des Einstellrings in Umfangsrichtung in eine rotatorische Bewegung der Leitschaufelachsen umzuwandeln.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der wenigstens eine Einstellring über jeweils mindestens einen Verstellhebel mit den Leitschaufelachsen verbunden ist. Hierdurch ist eine einfache Anpassbarkeit der Einstelleinrichtung an unterschiedliche geometrische Rahmenbedingungen der Strömungsmaschine sowie an eine gewünschte Kraftwandlung und Kraftumlenkung ermöglicht. Der bzw. die Verstellhebel können grundsätzlich jede geeignete Form und Länge aufweisen und beispielsweise linear, gekrümmt und/oder gewinkelt ausgebildet sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehreren oder allen Leitschaufelachsen ein gemeinsamer Aktuator zugeordnet ist oder dass jeder Leitschaufelachse ein jeweiliger Aktuator zugeordnet ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Einstellung der zur präzisen Betätigung des wenigstens einen Einstellrings erforderlichen Stellkraft und ermöglicht eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedliche Aktuatoren- und Turbinentypen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der wenigstens eine Aktuator selbsthemmend und/oder bremsbar ausgebildet ist und/oder elektromechanisch, elektromotorisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder piezoelektrisch betätigbar ist. Hierdurch ist neben einer hohen konstruktiven Freiheit auch eine besonders hohe Stell- und Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Insbesondere die Verwendung von einem oder mehreren piezoelektrischen Aktuatoren ermöglicht zudem neben einer besonders präzisen Einstellbarkeit des Leitschaufelwinkels eine erhebliche Gewichtseinsparung.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einstelleinrichtung schwimmend am Strömungskanalgehäuse gelagert ist. Da die zu verstellenden Leitschaufeln bzw. die mit diesen verbundenen Leitschaufelachsen, das heißt die Drehachsen der VGVs üblicherweise symmetrisch um das Strömungskanalgehäuse angeordnet sind, kann die sogenannte Speichenzentrierung vorteilhaft für eine schwimmende Lagerung ausgenutzt werden. Dies erlaubt eine besonders schnelle, einfache und selbstzentrierende Montage der Einstelleinrichtung am Strömungskanalgehäuse.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der wenigstens eine Aktuator derart radial oberhalb einer zugeordneten Leitschaufelachse angeordnet ist, dass sein Schwerpunkt zumindest annähernd auf einer Drehachse der Leitschaufelachse liegt. Durch diese „mittige” bzw. zentrierte Anordnung des Aktuators in der Verlängerung der Leitschaufelachse kann die Lagerkraft auf die Leitschaufelachsen der VGVs minimiert werden, da zumindest im Wesentlichen eines reines Drehmoment mit einer entsprechend geringen Lagerreibung übertragen wird. Grundsätzlich kann der Aktuator bzw. sein Gehäuse unmittelbar an der Leitschaufelachse abgestützt sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einstelleinrichtung wenigstens einen zweiten Einstellring, der mit den Leitschaufelachsen gekoppelt ist. Dies erlaubt eine weitere Verbesserung der Stell- und Wiederholgenauigkeit.
-
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine Aktuator bezüglich der Haupterstreckungsachse des Strömungskanals radial oberhalb und/oder unterhalb der zwei Einstellringe und/oder radial zwischen den wenigstens zwei Einstellringen angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders flexible Positionierung des wenigstens einen Aktuators, so dass der jeweils vorhandene Bauraum optimal genutzt werden kann.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Leitschaufelachsen bezüglich der Haupterstreckungsachse des Strömungskanals axial zwischen den wenigstens zwei Einstellringen angeordnet sind und/oder wenn die wenigstens zwei Einstellringe bezüglich der Haupterstreckungsachse des Strömungskanals axial auf derselben Seite der Leitschaufelachsen angeordnet sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Leitschaufelachsen entweder zwischen den zwei Einstellringen angeordnet sind oder dass die zwei Einstellringe den Leitschaufelachsen bezüglich der Triebwerksachse vor- oder nachgelagert angeordnet sind. Hierdurch können die geometrischen Vorgaben der Strömungsmaschine bzw. des Strömungskanalgehäuses optimal berücksichtigt werden.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die wenigstens zwei Einstellringe im gleichen radialen Abstand und/oder in unterschiedlichen radialen Abständen zur Haupterstreckungsachse des Strömungskanals angeordnet sind. Durch gleich beabstandete Einstellringe wird eine besonders gleichförmige Drehmomentübertragung auf die Leitschaufelachsen sichergestellt. Alternativ können die Einstellringe übereinander oder ineinander angeordnet werden, um eine besonders kompakte und bauraumsparende Anordnung zu erzielen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der wenigstens eine Einstellring im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist. Hierdurch wird auf konstruktiv einfache Weise ein Wandabschnitt bereitgestellt, an dem der wenigstens eine Aktuator zur Betätigung abgestützt werden bzw. angreifen kann.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine mit verstellbaren Leitschaufeln;
-
2 eine schematische und ausschnittsweise Aufsicht der in 1 gezeigten Strömungsmaschine;
-
3 eine schematische seitliche Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine; und
-
4 eine schematische und ausschnittsweise Aufsicht der in 3 gezeigten Strömungsmaschine.
-
1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 10 und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, in der eine schematische und ausschnittsweise Aufsicht der Strömungsmaschine 10 gemäß dem in 1 gezeigten Pfeil II abgebildet ist. Die Strömungsmaschine 10, welche vorliegend als Flugzeugtriebwerk ausgebildet ist, weist eine Mehrzahl von verstellbaren Leitschaufeln 12 auf, die in einem Strömungskanal angeordneten sind, der mit dem Pfeil 14 gekennzeichnet ist. Der Pfeil 14 gibt dabei die Strömungsrichtung während des Betriebs der Strömungsmaschine 10 an. Man erkennt weiterhin einen Rotor 16, der mit stromab der Leitschaufeln 12 angeordneten Laufschaufeln 18 versehen ist. Die Turbinenachse bzw. die Haupterstreckungsachse des Strömungskanals 14 ist mit dem Bezugszeichen H gekennzeichnet.
-
Zum Verstellen der Leitschaufeln 12 weist die Strömungsmaschine 10 eine Einstelleinrichtung 20 auf. Die Einstelleinrichtung 20 umfasst Leitschaufelachsen oder Leitschaufelwellen 22, die in einem Strömungskanalgehäuse 24 gelagert sind und sich durch eine Wand des Strömungskanalgehäuses 24 erstrecken. Jede Leitschaufelachse 22 ist jeweils mit einer Leitschaufel 12 verbunden. Außerhalb des Strömungskanalgehäuses 24 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Einstellringe 26 angeordnet, die über Verstellhebel 28 mit den Leitschaufelachsen 22 verbunden sind. Die Einstellringe 26 können grundsätzlich segmentiert ausgebildet sein, um ihre Montage zu erleichtern. Man erkennt, dass einer der Einstellringe 26 stromauf und einer der Einstellringe 26 stromab der Leitschaufelachsen 22 angeordnet ist, so dass die Leitschaufelachsen 22 symmetrisch zwischen den Einstellringen 26 liegen. Die Einstellringe 26 weisen denselben radialen Abstand zur Turbinenachse H auf und liegen damit in einer Ebene. Weiterhin erkennt man, dass jede Leitschaufelachse 22 jeweils über einen Verstellhebel 28 mit einem der Einstellringe 26 verbunden ist, wobei die beiden Verstellhebel 28 jeder Leitschaufelachse 22 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leitschaufelachse 22 angreifen und die gleiche Länge besitzen.
-
Schließlich umfasst die Einstelleinrichtung 20 einen oder mehrere Aktuatoren 30 die schwebend an den beiden Einstellringen 26 gehalten sind. Mit anderen Worten sind der oder die Aktuatoren 30 nicht unmittelbar am Strömungskanalgehäuse 24 oder einem sonstigen Bauteil der Strömungsmaschine 10 befestigt, sondern werden ausschließlich unter Vermittlung der Einstellringe 26 und der mit diesen über die Verstellhebel 28 verbundenen Leitschaufelachsen 22 am Strömungskanalgehäuse 24 gehalten. Die Anzahl der auf dem Umfang des Strömungskanalgehäuses 24 verteilten Aktuatoren 30 ist grundsätzlich nicht beschränkt und kann beispielsweise zwischen eins und der jeweils vorhandenen Anzahl an Leitschaufeln 12 liegen. Jeder Aktuator 30 ist dabei derart radial oberhalb einer zugeordneten Leitschaufelachse 22 angeordnet, dass sein Schwerpunkt zumindest annähernd auf einer Drehachse D der Leitschaufelachse 22 liegt. Bei dieser symmetrischen bzw. zentralen Anordnung des Aktuators 30 über der Drehachse D und zwischen den Einstellringen 26 kann zumindest annähernd ein reines Moment mit einer dementsprechend geringen Lagerreibung auf die Leitschaufelachsen 22 übertragen werden. Der oder die Aktuatoren 30 sind vorzugsweise selbsthemmende bzw. anbremsbare elektromechanische, elektromotorische, hydraulische, pneumatische und/oder piezoaktive Aktuatoren 30. Insbesondere die Verwendung piezoaktiver Aktuatoren 30 bietet den zusätzlichen Vorteil einer besonders hohen Gewichtseinsparung.
-
Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der Einstelleinrichtung 20 erfolgt die Antriebsbewegung des oder der Aktuatoren 30 auf die Leitschaufelachsen 22 nicht wie bisher rein rotatorisch, sondern gemäß dem Doppelpfeil I zunächst translatorisch bzw. achsparallel zur Turbinenachse H, wodurch eine der typischen Drehbewegung der Leitschaufelachsen 22 um ihre Drehachsen D vergleichbare Bewegung initiiert wird, da die axial relativ zueinander beaufschlagten Einstellringe 26 in derselben radialen Ebene liegen. Mit anderen Worten wird die Rotationsbewegung der Leitschaufeln 12 um die Drehachse D durch eine axial-parallele Verschiebung der Einstellringe 26 erzeugt. Die kinematische Kette der Einstelleinrichtung 20 ist dabei erheblich kürzer als bei bislang gängigen Einstelleinrichtungen und darüber hinaus unabhängig von der jeweiligen Gehäusegeometrie, da die Anbindung der gesamten Einstelleinrichtung 20 ausschließlich über die Leitschaufelachsen 22 erfolgt. Da die verstellbaren Leitschaufeln 12 rotationssymmetrisch um den Umfang des Strömungskanalgehäuses 24 angeordnet sind, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel zudem eine sogenannte Speichenzentrierung für eine schwimmende Lagerung der Einstelleinrichtung 20 ausgenutzt. Die Einstelleinrichtung 20 ermöglicht damit eine hohe Stellgenauigkeit sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit und ist zudem kostengünstig und aufgrund der geringen Teilezahl besonders robust. Darüber hinaus ist die Einstelleinrichtung 20 einfach an unterschiedliche Strömungsmaschinen- bzw. Strömungskanalgehäuse-Typen anpassbar und einfach skalierbar.
-
3 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 10 und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 4 erläutert werden, in der eine schematische und ausschnittsweise Aufsicht der Strömungsmaschine 10 gemäß dem in 3 gezeigten Pfeil IV abgebildet ist. Der grundsätzliche Aufbau der Strömungsmaschine 10 und der Einstelleinrichtung 20 sind dabei bereits aus der vorstehenden Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels bekannt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind im vorliegenden Fall beide Einstellringe 26 gemeinsam auf der stromab liegenden Seite der Leitschaufelachsen 22 angeordnet. Grundsätzlich können die Einstellringe 26 auch stromauf der Leitschaufelachsen 22 angeordnet werden. Die Einstellringe 26 liegen im gezeigten Ausführungsbeispiel radial übereinander, sind im Querschnitt L-förmig ausgebildet und schließen gemeinsam den oder die Aktuatoren 30 zumindest teilweise ein, wodurch eine besonders bauraumsparende Anordnung erreicht wird. Der bzw. die Aktuatoren 30 werden damit ebenfalls nur unter Vermittlung der Einstellringe 26 an der Einstelleinrichtung 20 bzw. am Strömungskanalgehäuse 24 gehalten und sind – abgesehen natürlich von ihrer elektronischen Kontaktierung – ansonsten mit keinen weiteren Bauteilen direkt verbunden. Wie man in 4 erkennt, sind die den einzelnen Einstellringen 26 zugeordneten Verstellhebel 28 unterschiedlich lang ausgebildet. Durch die translatorische bzw. axiale Betätigung des oder der Aktuatoren 30 gemäß dem Doppelpfeil III wird auch bei der zweiten Ausführungsform eine rotatorische Bewegung der Leitschaufelachsen 22 um ihre jeweiligen Drehachsen D initiiert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
