DE1931832A1

DE1931832A1 - Getriebe zur Veraenderung der Anstellung einer Rotorschaufel

Info

Publication number: DE1931832A1
Application number: DE19691931832
Authority: DE
Inventors: Ellinger John Henry
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1968-06-22
Filing date: 1969-06-23
Publication date: 1971-02-11
Also published as: GB1265150A; FR2011484A6; US3601499A; JPS492202B1

Description

DIPL.-ING. OONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

IMUNCHSN 2, 23· Juni unser zeichen: 12θ8θ - K/vM

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England

Getriebe zur Veränderung der Anstellung einer Rotorsohaufel

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zur Veränderung der Anstellung von stromlinienförmig gestalteten Schaufeln eines Gebläses und zwar betrifft die Erfindung insbesondere eine Verbesserung oder Abwandlung der Erfindung, die Gegenstand des Hauptpatentes P 16 01 64.Q.J5 ist.

Bei der Anordnung gemäß Hauptpatent sind mehrere stromlinienförmig gestaltete Schaufeln vorgesehen, die von einer Hauptwelle angetrieben werden, um um die Wellenachse herum gedreht zu werden und jede Schaufel ist so gelagert, daß wenigstens ein Teil der Widerstandsfläche um die Längsachse der Schaufel drehbar ist, und es ist ein Getriebe antriebsmäßig mit jedem der hinsichtlich der Anstellung veränderbaren Teile verbunden, um diesen Teil um seine Längsachse zu drehen, und das Getriebe hat dabei wenigstens eine Betriebsart, in der die Teile um ihre Längsachse derart gedreht werden, daß beim Erreichen der Gleichgewichtsstellung jede Störung, die die Luftwiderstandsflächen oder die Wasserwiderstandsflächen beeinflußt, eine Störung der Weliendrehung zur Folge hat, wodurch dann das Getriebe so eingestellt wirdj daß die Wirkung der Störung besätigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Anordnung dadurch zu verbessern, daß ein besonders einfaches Getriebe Anwendung findet, das so angetrieben werden kann, daß die Steigung der

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Schaufeln beträchtlich geändert werden kann» wobei z.B. die Sohubrichtung des Gebläses umgekehrt werden kann.

Gemäß der Erfindung besteht das Getriebe für die hinsichtlich ihres Anstellwinkels veränderbaren Schaufeln aus einem gemeinsamen Getrieberad, das direkt oder indirekt die Widerstands-flächen der Schaufeln zwecks Veränderung ihrer Steigung antreibt, wobei mehrere Compound-Planetenräder antriebsmäßig mit dem gemeinsamen Bad oder einem Fortsatz hiervon und mit der Antriebswelle des Gebläses in Eingriff stehen, wobei ein Träger die Planetenräder trägt und Antriebsmittel eine Drehung des Trägers bewirken, wodurch die Antriebswelle gedreht wird, und wobei in einer zweiten Betriebsart der Träger stationär gegenüber dem festen Aufbau des Gebläses gehalten wird.

Vorzugsweise ist der Antrieb so angeordnet, daß in einer dritten Arbeitsweise der Träger mit einer Drehzahl gedreht werden kann, die von jener Drehzahl unterschieden ist, die während der ersten und der zweiten Betriebsart auftritt.

Der Antrieb besteht vorzugsweise aus einem elektrischen Schrittschaltmotor. So kann der Schrittsehaltmotor zwei Paare von Polrin-' gen aufweisen un<t zwar ist jeweils ein Polring eines jeden Paares auf dem Träger gelagert, während der andere Teil eines jeden Paares auf der Antriebswelle bzw. dem festen Aufbau montiert ist.

Die elektrische Stromzuführung nach den Polen kann über eine Bürsten- und Schleifringanordnung erfolgen, wodurch der Strom den Polringen nur des Trägers zugeführt wird. Um eine Abnutzung der Bürsten zu vermindern und eine Sicherheitsvorkehrung zu schaffen, die verhindert, daß der Motor betätigt wird, während das Gebläse mit hoher Drehzahl läuft, sind die Bürsten vorzugsweise in Radialrichtung nach innen durch Federn soweit vorgespannt, daß diese Federn die Zentrifugalkräfte, die die Bürsten von den Schleifringen abzuheben suchen, nur solange überwinden, als das Gebläse mit niedriger Drehzahl läuft, so daß sich die Bürsten abheben können, wenn das Ge-

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blase mit ho&cr Drehzahl läuft.

Nachstehend wird ein Ausftihrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen«

Fig. 1 eine teilweise abgebrochene Ansicht eines Gasturbinenstrahitriebwerks mit einem Gebläse und einem Getriebe gemäß der Erfindung,

Pig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt eines Teils* des Triebwerks nach Fig.l, woraus deutlicher der Getriebeantrieb nach der Erfindung ersichtlich ist.

Fig.l zeigt ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Gasgenerator 10 und einem Gebläseabschnitt 11. Der Gasgenerator 10 besteht aus der üblichen Kombination von Kompressor, Verbrennungseinrichtung, Turbine und Äbgasdüse. Der Hauptteil dieser Anordnung ist unsichtbar und liegt hinter dem Gehäuse des Gasgenerators. Die ersten wenigen Stufen des Kompressors sind jedoch durch das Gehäuse sichtbar, welches bei 12 abgebrochen ist.

Das Gebläse selbst verdichtet, wie bekannt, ein großes Luftvolumen, von dem ein Teil zur Aufladung des Gasgenerators 10 benutzt wird, während der Rest außerhalb des Gehäuses des Gasgenerators abfließt und einen getrennten Antriebsschub liefert.

Das Gebläse selbst besitzt eine Verkleidung 13, die in der Zeichnung teilweise abgebrochen dargestellt 1st, so daß die inneren Teile des Gebläses sichtbar werden. Diese bestehen aus mehreren äußeren Schaufelabschnitten l4, die an einem Schaufelring 15 nach außen ansetzen und jeder äußere Schaufelabschnitt ist drehbar um seine eigene Achse auf den Schaufelring 15 gelagert. Der Schaufelring wird von mehreren inneren Schaufelabschnitten 16 von der Nabe des Gebläses getragen, das eine Gebläsehauptwelle 17 aufweist, die am stromoberseitigen Ende über sich selbst zurückgezogen ist und so eine im wesentlichen zylindrische Lagerung für ' die inneren Sofaaufelabschnitte 16 bildet.

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Um die tuPeren Sehaufelabsohnitfcen 1% um ihre Längsachsen zu echwenken, diuiiit ihr« Anstellung geändert werden kann, sind mehrere Meilen X6 liach WiMm durch äi· ifaie und durch 4ie inneren Schaufelabsöhniite 3.6 in den Sehaufelring IS hineingeführt. innerhalb die- «ea Schaufelrings let das erforderliche Getriebe vorgesehen, durch das die äuSeren Sohaufelabschnltte 14 von ihren Wellen 18 getragen werden» Dieses Getriebe ist vorzugsweise gleich der Anordnung gemäß Hauptpateni;.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist jede Antriebswelle durch eine Öffnung 17 der Nabe des Gebläses geführt und endet in einem Ritzel 20. Sie Ritzel sind In einem Lager geführt und außerdem durch eine Sohublageranordnung von einer trägerhülee 21 abgestützt. Sämtliche Ritzel 20 kämmen mit einem einzigen Kegelrad 22, das die Hauptwelle 17 umgibt und von lAgern auf einer Hülse 23 getragen wird, die an der Welle 17 befestigt ist. Sine weitere Gruppe von Lagern bewirkt die Aufrechterhaltung einer Axialausrichtung zwischen Kegelrad 22 und Trägerhülse 21 und demgemäß gegenüber den Ritzeln 20, Der so beschriebene Aufbau entspricht völlig dem Aufbau nach dem Hauptpatent.

Bei der Anordnung nach dem Hauptpatent 1st ein Antrieb vorgesehen, durch welchen das Kegelrad 22 mit der gleichen Drehzahl wie die Welle 17 gedreht werden kann oder stattdessen stationär gegenüber dem festen Aufbau des Triebwerks verbleibt, so daß zwei Betriebsarten geschaffen werden, wobei in der einen Betriebsart die äußeren Schaufelabschnitte 14 mit fentern Winkel angestellt bleiben, während in der anderen Betriebsart diese Schaufelabschnitte hinsichtlich ihrer Anstellung verändert werden, bis die Hauptwelle 17 relativ zum festen Aufbau des Triebwerks zur Ruhe kommt, so daß kein weiterer Antrieb auf die äußeren Schaufelabsohnitte übertragen wird.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Antriebsmechanismus für das Kegelrad 22 zu schaffen, der eine Veränderung der Anstellung der Qtbläsesohaufein soweit «rmöglioht, daß eine Schubumkehr durch dae Oebliee 11 erfolgen kann. Bin sol·*

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eher Antrieb muß drei 'funktionell*' Erfordernisse -gusStaliott asu Jenen erfüllen, die bei der Anordnung nach dem Hauptpatent zu erfüllen waren. Sq muß die Verdrillung und die Anordnung der Schaufeln die Möglichkeit schaffen, die Schaufelbewegung soweit fortsetzen zu können, bis ein genügender Grad von negativer Anstellung zur Schubumkehr erhalten wird. Die Festlegung der Nabenfläche, die am Triebwerkseirilaß Turbulenz erzielt,und eine unwirksame Strömungsbedingung an den Schaufelspitzen erfordert eine unkonventionelle Form der anzuordnenden Gebläseschaufeln. Zweitens muß es möglich sein, die Steigung der Schaufeln bis zu einer negativen Stellung zu verdrehen, während das Gebläse leerläuft, so daß Mittel vorgesehen werden müssen, die eine Änderung der Anstellung verhindern und den Getriebeantrieb abschalten, wenn das Triebwerk mit hoher Drehzahl läuft. Drittens sollte es aus praktischen Erwägungen möglich sein, die Anstellung der Schaufeln mit einer Geschwindigkeit von etwa 20° pro Sekunde zu ändern.

Das nachstehend beschriebene Getriebe wird diesen Forderungen gerecht. Um das Kegelrad 22 anzutreiben, ist das Rad mit einem zylindrischen Axialfortsatz 24 ausgestattet, der einen Zahnkranz 25 besitzt. Diese Zähne kämmen mit einem ersten Zahnrad 26 eines Planetengetriebes 27« das von einem zylindrischen Lager 28 des Trägeraufbaues 29 getragen wird. Der andere Zahnkranz JJO des Planetengetriebes kämmt mit einem Zahnkranz 31, der in der Hülse 23 ausgebildet ist und sich demgemäß mit der Welle 17 dreht. Aus der Zeichnung ist nur ein Planetengetriebe 27 dargestellt, tatsächlich sind aber drei oder noch mehr derartige Getriebeanordnungen im gleichen Winkelabstand um die Welle 17 verteilt.

Der Träger $9 ist mit einer Kupplung ausgestattet, die eine Antriebsverbindung mit der Welle 17 herzustellen gestattet oder stattdessen eine Verbindung mit dem festen Aufbau des Triebwerk·- , um es mit einer dritten unterschiedlichen Drehzahl umlaufen zu lassen. So weist der Träger 29 an seinem inneren Umfang zwei PoI-ringe 32 und 33 auf. Diese Polringe wirken mit Polringen 34 bzw.

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35 zusamme», Dei¹ Polring 34 wird von der Hülse 23 getragen, während der Polring 35 am festen Aufbau 36* de» Triebwerks angeordnet ist und das Frontlager 37 der Welle 17 trägt. Die Polringe 34 und 35 sind passive Ringe und besitzen keine elektrischen Verbindungen, während die Polringe 32 und 33 aktive Ringe sind und,wie durch die strichlierten Linien 33 bzw. 39 angedeutet, über eine Bürsten-Schleifringanordnung 40 mit Strom versorgt werden.

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Diese Anordnungen bestehen jeweils aus einem Schleifring 4l, der am festen Aufbau 36 montiert ist und an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, wie durch die strichpunktierten Linien 42 angedeutet. Auf dem Schleifring 41 laufen mehrere Kohlebürsten 43, die nach innen auf den Schleifring durch Federn 44 vorgespannt sind. Die Bürsten und Federn werden vom Trägeraufbau 29 gelagert und sind über Drähte 38 oder 39 mit ihrem jeweiligen Polring verbunden. Die Vorspannung der Federn 44 ist genau und derart berechnet, daß nur bei niedriger Drehzahl der Welle 17, wenn xtzk der Träger 29 mit der gleichen Drehzahl vie die Welle umläuft, die Federbelastung ausreicht, um die Zentrifugalbelastung zu überwinden. Da mm sich bei höheren Drehzahlen der Welle die Bürsten automatisch vom Schleifring.abheben, wird die Abnutzung vermindert und es wird eine zufällige Betätigung der Polringe bei hohen Drehzahlen des Gebläses vermieden. Die verschiedenen Gruppen von Polringen sind derart angeordnet, daß der Träger 29 als Stator eines elektrischen Schrittschaltmotors betätigt werden kann.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Im Normalbetrieb des Triebwerkes ist der Trägerring 29, der den Stator des Schrittschaltmotors bildet, durch die Ringe der Pole 32 und 34 mit der Welle 17 verriegelt. Unter diesen Umständen laufen die Planetenräder 27 mit der Welle um, jedoch drehen Sie sich nicht um ihre eigene Achse. Hierdurch wird bewirkt, daß sich das Kegelrad 22 mit der gleichen Drehzahl wie die Welle 17 dreht, so daß eine Drehung der Ritzel 20 und infolgedessen eine Veränderung der Anstellung der Sohaufein Verhindert wird. Wenn keine Relativbewegung zwischen den Teilen des

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Antriebs auftritt, iat di@ Äbnufcsung minimal sind 4er Leiaftungsverbrauch vernaehlMseigöar#f&tsächlieh 1st öS fflögllehj die Stärke der Permanentmagnete -u&vfQlv%n$& "ffö Sü wählen, 4&B;beim t«|jl«ti;-«in«e Erregerstromes^" "

Wenn eine Schubumkehr erforderlich ist, wird ei;, BetätigijngsBtrora Über die Drähte 38 und %2 I^

ringe dem Polring 32zugeiiSirt;.- in bekannter Weiss bewirkt eine Drehung des trägers 29» Die PlanetenrSder 27 fierden β© anlaßt, sich um ihre eigane Achse zu drehen imd UiBaulaufen und es wird demgemäß ein Antrieb Über dies« Räder auf das Kegelrad 22 und demgemäß auf die äu&iren Schaufelabschnitte ausgeübt. Bei dieser speziellen ausbildung 1st die Getriebeanordnung so ausgelegt, das sich ein Übersetzungsverhältnis von 10si ergibt., so daß die Lagerbelastungen der Planetsnräder vermindert sind und die Drehzahl der Hader 2? \ur. ihre Achsen verhältnismäßig gering ist, eo daS Schmierprobleme vermindert werden und.es einfach ißt, die Impulse nach den Polen su führen. Um zu entscheiden^ wann die Schubumkehrstellung der Schaufeln erreicht ist, kann man die Schritt impulse zählen, al® <äen Schleifringen zugeführt werden* Pa jeder Impuls eine tfinkelbittagttng "«wisohen träger 29 und Welle 17 erzeugt, 1st es möglich^ die Winkelbewegung zu berechnen, die die äuSeren Schaufelabschnitte durchführen*

Wenn es aus irgendwelchen Gründen erforderlich ist, die Schaufeln des Gebläses in die Segelstellung zu überführen, um die Nabe stillzusetzen, dann werden die Polringe 33 und 35 erregt, so daS der Träger 29 elektromagnetisch Mt dein festen Aufbau 36 gekuppelt 1st. Dann drehen sich die Planetenrlder 27 um Hire eignen Achsen, aber sie laufen nicht um und dies bewirkt einen Schlupf zwischen 4er Welle 17 und dem Kegelrad 22, -so daß sich das Kegelrad dreht und die Schaufeln in die Segelstellung überführt. Diese Bewegung setzt sich fort,bis entweder die Welle 17 zum Stillstand kommt und in diesem Fall 1st kein Schlupf mehr zwischen dem Kegelrad 22 und der Welle 17 vorhanden und infolgedessen hurt die Bewegung der S_chaufein, auf, oder bis die Welle den Überholvorgang ausführt, wenn die Schaufeln in ihrem entgegengesetzten Sinn gedreht werden, bis

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sie eine Stellung einnehmen, um die Habe stillzusetzen. Dieser Zyklus tritt auf, wenn eine Änderung irgendeines Parameters die Leerlauf drehzahl ändert. Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung eine Bückkoppelungswirkung besitzt, ähnlich jener, wie sie bei der Anordnung gemäß Hauptpatent vorhanden ist»

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet die Benutzung von Synchrongetriebehülse und Kupplungen, die der Abnutzung unterworfen sind, wob.ei jeder Schleifringe Anwendung finden. Infolge der Konstruktion der Bürsten-Schleifringanordnung nach der Erfindung wird .jedoch erreicht, daß im Betrieb meist die Bürsten nicht mit den Schleifringen in Eingriff stehen und so eine sehr geringe Abnutzung stattfindet. Daraus ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße System eine Anordnung schafft, die spezielle Erfordernisse der Steuerungsmöglichkeiten erfüllt.

Durch Anwendung eine Schrittschaltmotors als Antrieb werden mehrere Funktionen in einem einzigen Motor in vorteilhafter Weise vereinigt. So bilden die Spulen des Schrittschaltmotors elektromagnetische Kupplungen zwischen dem Träger 29 und dem festen Aufbau des Triebwerks bzw. der Hauptwelle 17. Außerdem bewirkt der Motor einen Antrieb,der besser gesteuert werden kann als ein normaler Elektromotor. Der Schrittschaltmotor kann präzise in einer vorbestimmten Stellung angehalten werden. Es wird auch die Möglichkeit geschaffen, daß die Gesamtdrehung, die auf den Träger ausgeübt wird, genau durch Summation der elektrischen Impulse gemessen werden kann.

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Claims

P a t e η t a η s ρ ν Ü ο h e *

1. yerstellschaufelanordnung mit mehreren aerodynamischen Schaufeln, >/die von einer Hauptwelle getragen werden und sich um die Achse der Welle drehen, wobei wenigstens ein Teil der Schaufeln um die Schaufellängsachse drehbar ist und ein Getriebe antriebsmäßig mit den Verstellschaufeln verbunden ist, um sie um ihre Längsachse zu verdrehen, nach Patent Nr (Patentanmeldung P 16 01 640.3-13),
dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein gemeinsames Getrieberad (22) aufweist, das direkt, oder indirekt die Schaufeln zwecks Veränderung ihrer Anstellung bewegt, daß mehrere Planetenräder (27) antriebsmäßig " sowohl mit dem gemeinsamen Getrieberad oder einem Portsatz hiervon und mit der Antriebswelle (17) des Gebläses kämmen, und daß ein Träger (29) die Planetenräder lagert, und daß Antriebsmittel (32,33*34,35) in einer ersten Betriebsart den Träger um die Antriebswelle umlaufen lassen und in einer zweiten Betriebsart den Träger stationär gegenüber dem festen Aufbau des Gebläses halten..

2. Verstellschaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (32,33,34,35) in einer dritten Betriebsart den Träger (29) mit einer Drehzahl umlaufen läßt, die unter schiedlich 1st von der Drehzahl in der ersten und zweiten Betriebsart .

3. Verstellschaufelanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (32,33*34,35) aus einem elektrischen Schrittschaltmotor besteht.

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4. Verstellschaufelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittschaltmotor aus zwei Paaren von Polringen besteht, wobei ein Polring (22,23) jedes Paares auf dem Träger gelagert ist, während der andere Pqlring (34,35) Jedes Paares auf. der Antriebswelle (17) bzw. dem festen Aufbau (36) gelagert ist.

5· Verstellschaufelanordnung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromzuführung nach den Polen über Bürsten (43) und Schleifringe (41) erfolgt, die nur die Polringe des Trägers mit Strom versorgen.

6. Verstellschaufelanordnung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten (43) radial nach innen durch Federn derart vorgespannt sind, daß die Zentrifugalkraft, die die Bürsten von den Schleifringen abzuheben sucht, durch die Federkraft nur bei geringen Drehzahlen des Gebläses überwunden wird, so daß

sich die Bürsten bei hohen Drehgeschwindigkeiten abheben.

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