DE1805942A1

DE1805942A1 - Statorstellmechanismus fuer Axialverdichter

Info

Publication number: DE1805942A1
Application number: DE19681805942
Authority: DE
Inventors: Pineda Urbano Agana
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-11-01
Filing date: 1968-10-30
Publication date: 1969-06-26
Also published as: GB1178650A; BE723235A; FR1586566A; US3487992A

Description

Statorstellmechanismus für Axialverdichter Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in Gasturbinen-Triebwerken und insbesondere auf Verbesserungen in Axialverdichtern "veränderlicher Geometrie" , die in derartigen Triebwerken verwendet werden.
Axialverdichter enthalten einen Rotor mit zahlreichen Reihen auf dem Umfang angeordneter Flügelblätter, die entlang ihrer Länge unterteilt sind. Relativ feststehende Statorblätterreihen sind an dem Kompressorgehäuse zwischen den RotorblEtterreihen befestigt, wobei jedes gegenüberliegende Paar oder die Rotor- und Statorblätter eine Kompressorstufe bilden.
Ein anerkanntes Verfahren zur Sicherstellung eines richtigen Betriebes des Verdichters bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen besteht darin, alle oder mehrere Statorreihen um Achsen schwenkbar anzuordnen, die radial zu der Verdichterachse verlaufen.
Für eine derartige Anordnung ist es wünschenswert, ein einziges Stellglied zu verwenden, das mechanisch mit zahlreichen Statorstufen verbunden ist, um diese gleichzeitig nach einem gewünschten Schema zu bewegen. Für eine Stellvorrichtung dieser Art sind mehrere Vorschläge gemacht worden. Während viele durchaus betriebsfähig sind und gegenwärtig den Erfordernissen eines Triebwerkbetriebes genügen, erfordern fortschrittlichere Antriebe bedeutende Verbesserungen hinsichtlich des Gewichtes, der Zuverlässigkeit und der Ummantelung, d.h., des Raumes, der für eine Installation des Systems auf dem Triebwerk erforderlich ist.
Etwas genauer gesagt, weisen andere Antriebselemente eine stark erhöhte Zuverlässigkeit auf, insbesondere was die Haltbarkeit bzw. Standzeit anbetrifft, so daß z. Zt. ein hoher Bedarf an einer Anordnung zur Statorbetätigung besteht, die äußerst unempfindlich ist und lange Abnutzungszeiten aufweist. Zugleich besteht der Wunsch, die Zeit zwischen den Überholungen des Antriebes, in denen das Triebwerk gründlich untersucht und in vielerlei Hinsicht ersetzt wird, stark in die Länge zu ziehen oder die überholungen ganz überflüssig werden zu lassen. Eine deutliche Annäherung an eine erhöhte Unempfindlichkeit durch eine Erhöhung der Abmessungen der Bauelemente ist konträr zu der intensiven Bestrebung, das Gewicht der Einbauten in Luftfahrzeugen zu vermindern. Bei der Betrachtung des Einflusses des gewichtes muß daran erinnert werden, daß die Stellkräfte für das Statorstellsystem von dem Verdichtergehäuse aufgenommen werden müssen. Das Verdichtergehäuse ist wünschenswerterweise eine dünnwandige Außenhaut, die nicht besonders geeignet ist, durch Außenkräfte belastet zu werden. Das Kompressorgehäuse muß aber genügend dick sein, damit eine Biegung verhindert ist, die eine Verschiebung der daran befestigten Statorblätter in einer Art und Weise bewirken würde, die den Betrieb des Kompressors nachteilig beeinflußt.
Ein weiterer Gesichtspunkt für eine Betätigungsanordnung der Statorblätter ist die sich laufend steigernde Forderung, daß die Winkelverstellung der Statorblätter äußerst genau ist, um einen wirksameren Verdichterbetrieb zu erhalten. Dabei ist nicht nur eine Genauigkeit bei der ersten Installation erwünscht, sondern diese Genauigkeit muß auch - wiederum hinsichtlich einer langen Betriebszeit - für längere Betrieb;perioden erhalten bleiben.
Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Stellsystem zur Justierung der Statorblätter in Axialverdichtern zu schaffen und hierbei die oben angeführten Erfordernisse zu erfüllen, um eine verbesserte Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Unempfindlichkeit zu erhalten.
Die oben genannten Aufgaben werden in einem Axialverdichter gelöst, der ein Gehäuse mit einem darin befindlichen Rotor aufweist.
An dem Rotorgehäuse sind wechselseitig Flügelblätter befestigt, die in Reihen auf dem Umfang angeordnet sind. Die Blätter zahlreicher an dem Gehäuse befestigter Reihen sind um Achsen schwenkbar, die radial zu dem Rotor verlaufen. Es ist ein Statorstellmechanismus vorgesehen, der ein hin- und herbewegbares Stellglied aufweist, von dem ende für eine Bewegung des entgegengesetzten Endes in einer Ebene, die im allgemeinen senkrecht auf der Rotorachse steht, starr an dem Gehäuse befestigt ist. Eine axial verlaufende Verteilerwelle weist zahlreiche Hebelarme auf, die in radialer Richtung von dieser Welle abstehen, wobei das bewegbare Ende des Stellgliedes mit einem der Hebelarme verbunden ist. Ein Gestänge verbindet jeden der anderen Hebelarme mit einer gegebenen Reihe schwenkbarer Statorblätter und sorgt für eine gleichzeitige Verstellung aller Statorblätter in AbhEngigkeit von der Bewegung des Stellgliedes.
Gemäß dieser Erfindung enthält ein Axialverdichter-ein Gehäuse, einen Rotor in dem Gehäuse, der Reihe nach auf dem Umfang angeordnete Flügelblätter und Statorreihen, die abwechseln auf dem Rotor und dem Gehäuse angebracht sind, wobei die Blätter zahlreicher, an dem Gehäuse befestigter Statorreihen um Achsen schwenkbar sind, die radial zu dem Rotor verlaufen, und einem Stator-Einstellmechanismus, der ein hin- und herbewegbares Stellglied aufweist, von dem ein Ende fest an dem Gehäuse montiert ist für eine Bewegung des entgegengesetzten Endes in einer Ebene, die im allgemeinen auf der Rotorachse senkrecht steht, wobei eine um die eigene Längsachse drehbare, axial verlaufende Steuerwelle zahlreiche, radial von der Welle abstehende Hebelarme aufweist, das andere Ende des Stellgliedes zur Übertragung einer Drehbewegung auf die Steuerwelle mit einem der Hebelarme verbunden ist, wobei jeder der andere Hebelarme mit einer gegebenen Reihe schwenkbarer Schaufeln über ein Gestänge verbunden ist, so daß alle Statorschaufeln in Abhängigkeit von der Bewegung des Stellgliedes verstellbar sind.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinen-Triebwerk, das diese Erfindung enthält.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt den Steuermechanismus, der aus Fig. 1 ersichtlich-ist.
Fig. 3 ist die Ansicht dieses Verstellmechanismus.
Fig. 4 ist ein Schnittbild entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Schnittbild entlang der Linie V-V in Fig. 3.
Fig. 6 ist ein Schnittbild entlang der Linie VI-VI in Fig. 3.
Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 einer normalerweise zum Antrieb von Luftfahrzeugen verwendeten Art. Die Luft tritt an einem Einlaß 12 in das Triebwerk 10 ein und wird durch einen Kompressor 14 verdichtet, um die Verbrennung des Treibstoffes in einem Verbrennungsraum 16 zur Erzeugung eines heißen Gasstromes zu unterstützen, der durch eine Düse 18 ausgestoßen wird, um eine Vortriebskraft zu erzeugen.
Der Verdichter 14 selbst ist ein Axialverdichter, dessen innere Einzelheiten hier nicht gezeigt sind, da diese zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind. Ein derartiger Verdichter enthält jedoch einen Rotor mit Flügelblättern, die in Reihen auf dem Umfang und in axialer Richtung entlang der Rotorlänge mit Abstand angeordnet sind. Zwischen jeder Reihe der Rotorblätter befindet sich eine Reihe Statorblätter, die an dem Verdichtergehäuse 20 befestigt sind, das üblicherweise aus 2 halbzylindrischen Gehäuseteilen besteht, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Bestimmte Statorreihen sind schwenkbar an den Verdichtergehäuseteilen gelagert, so daß sie um Achsen verstellt werden können, die radial zu der Hauptachse des Verdichters verlaufen.
In dem vorliegenden Beispiel und zu Darstellungszwecken sind die letzten fünf Statorreihen in dieser Art verstellbar, um einen möglichst guten Verdichterbetrieb unter veränderlichen Betriebsbedingungen zu erzielen.
Ein Ring 22 (unison ring) zur einheitlichen Verstellung der Blätter umgibt das Verdichtergehäuse in der Nähe jeder verstellbaren Statorschaufelreihe (Fig. 2 und 6). Die verschiedenen Statorschaufeln einer jeden auf dem Umfang angeordneten Reihe weist hieran befestigte Hebel 24 auf, die mit dem gegenüberliegenden Ring 22 durch geeignete Mittel verbunden sind, die eine allseitige Bewegung zwischen dem Verbindungspunkt mit den Ringen und dem Verbindungspunkt der Hebelarme mit den Statorschaufeln erlauben.
Ein Bügel 26 (Fig. 2 und 4) ist an jedem der Ringe 22 befestigt und über ein Zwischenstück 30 mit einer Steuerwelle 28 verbunden. Dieses Zwischenstück 30 ist zwischen dem Bügel 26 und einem von der Welle 28 abstehenden Hebelarm 32 angeordnet. Die Verbindungen zwischen dem Zwischenstück 30 und dem Bügel 26 und ebenso die Verbindungen zwischen dem-Zwischenstück 30 und dem Hebelarm 32 sind vorzugsweise über kugelförmige Verbindungsstücke hergestellt, wie z.B. über eine Kugel und ein Lager, damit eine allseitige Bewegung zwischen dem Zwischenstück und dem Bügel 26 und dem Hebelarm 32 erlaubt ist. Die Zwischenstücke 30 sind vorzugsweise Spannvorrichtungen, um eine genaue Ersteinstellung der Winkel der Statorblätter zu ermöglichen.
Die Steuerwelle 28 ist an Stützen 34 angelenkt, die an dem Gehäuse 20 befestigt sind. Die Lager für die Welle 28 sind kugelförmig und selbsteinstellendy um die Montage der Welle 28 an dem Verdichtergehäuse 20 zu erleichtern. Das Kolbenstangenende 36 eines Stellgliedes 38 ist mit einem von der Steuerwelle 28 abstehenden Hebelarm 4o verbunden. Das entgegengesetzte oder zylindrische Ende des Stellgliedes 38 ist mit einem Stützträger 42 verbunden, der an dem Verteilergehäuse 20 befestigt ist. Das Stellglied 38 weist zweckmäßige Hydraulikverbindungen auf, die eine unter Drucggesetzte Flüssigkeit zu dem einen oder anderen Ende des Stellgliedes lenkt, um eine Hin- und Herbewegung des Kolbenstangenendes 36 zu bewirken.
Die Verbindungen des Stellgliedes 38 mit dem Stützträger 42 und dem Hebelarm 40 sind vorzugsweise kugelförmig, Wobei Kugeln und Lager verwendet werden.
Wenn das Kolbenstangenende 36 des Stellgliedes 38 verstellt wird (in einer zur Achse der Rotordrehung senkrechten Ebene), um die Steuerwelle 28 hin- und herzudrehen, so werden die verschiedenen, hiermit verbundenen Statorreihen gleichzeitig in Form einer Schwenkung verdreht, um den Luftstrom durch den Verdichter richtig zu regulieren. Die Steuerung und die Vorrichtung, die das Stellglied 38 unter Druck setzt, um eine derartige Verstellung zu erzielen, sind dem Durchschnittsfachmann bekannt und sie gehören nicht zu dieser Erfindung.
Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Anordnung für sehr wenige Verbindungspunkte zwischen der Energiequelle, d.h. dem Stellglied 38, und den einzustellenden Statorblättern sorgt.
Weiterhin kann das Stellglied 38 im wesentlichen tangential zu dem Verdichtergehäuse angeordnet werden und somit ist der für den Statoreinstellmechanismus erforderliche Mantelraum sehr klein gemacht. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung einer Verbindungsvorrichtung zur Übertragung aller Kräfte, daß alle Verbindungen über kugelförmige Verbindungen oder kugelförmige Befestigungen hergestellt werden, wie im Falle der Lager für die Welle 28, und dadurch ist ein hoher Sicherheitsgrad bei sehr geringen Einbau- und Herstellungskosten sichergestellt.
Ferner sei erwähnt, daß die tangentiale Anordnung des Stellgliedes 38 es möglich macht, auch die Kraftbelastungen auf das Verdichtergehäuse 20 im wesentlichen tangential auszurichten, wo sie auf den Stützträger 42 und die Stützen 34 übertragen werden.
Dadurch werden die Biegekräfte auf das Verdichtergehäuse sehr gering gehalten, und die Gehäusemasse ist verringert, die erforderlich ist, um den Stellkräften standzuhalten.

Claims

ANSPRÜCHE:

1) Axialverdichter mit einem Gehäuse, einem Rotor in dem Gehäuse, der Reihe nach auf dem Umfang angeordneter Flügelblätter und Statorreihen, die abwechselnd auf dem Rotor und dem Gehäuse angebracht sind, wobei die Blätter zahlreicher, an dem Gehäuse befestigter Statorreihen um Achsen schwenkbar sind, die radial zu dem Rotor verlaufen, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Stator-Einstellmechanismus ein hin- und herbewegbares Stellglied (38) aufweist, von dem ein Ende fest an dem Gehäuse (20) montiert ist für eine Bewegung des entgegengesetzten Endes in einer Ebene, die im allgemeinen auf der Rotorachse senkrecht steht, wobei eine um die eigene Längsachse drehbare, axial verlaufende Steuerwelle (28) zahlreiche, radial von der Welle abstehende Hebelarme (32) aufweist, das andere Ende des Stellgliedes (38) zur Übertragung einer Drehbewegung auf die Steuerwelle (28) mit einem der Hebelarme (32) verbunden ist, wobei jeder der anderen Hebelarme mit einer gegebenen Reihe schwenkbarer Schaufeln über ein Gestänge (30) verbunden ist, so daß alle Statorschaufeln in Abhängigkeit von der Bewegung des Stellgliedes (38) verstellbar sind.

2) Axialverdichter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Gestänge (30) einen Ring (22)(unison ring) zur einheitlichen Verstellung der Statorschaufeln, der jeweils eine Reihe schwenkbarer Statorschaufeln zugeordnet ist, eine die einzelnen Statorschaufeln mit dem gegenüberliegenden Ring (22) verbindende Hebelvorrichtung und ein Zwischenstück aufweist, das jeden Ring (22) auf entsprechende Weise mit einem der anderen Hebelarme (32) verbindet.

3) Axialverdichter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß für die Steuerwelle (28) kugelförmig befestigte Lager vorgesehen sind, kugelförmige Verbindungen zur Verbindung des hin- und herbewegbaren Stellgliedes (38) mit dem Gehäuse (20) und der Steuerwelle (28) vorgesehen sind, und ferner kugelförmige Verbindungen zwischen den Zwischenstücken und den anderen Hebelarmen (32) sowie den Ringen (22) vorgesehen sind.