DE1935534U

DE1935534U - Axialturbine oder -verdichter mit einstellbaren endleitschaufeln.

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Publication number: DE1935534U
Application number: DEB59918U
Authority: DE
Original assignee: Bristol Siddeley Engines Ltd
Current assignee: Bristol Siddeley Engines Ltd
Priority date: 1963-11-29
Filing date: 1964-11-27
Publication date: 1966-03-31
Also published as: US3285567A; BE656394A; GB992941A; GB1099677A

Description

PATENTANWALT HAMBURG 36 · NEUER WALL 4H · FERNRUF 36 74 88 UND 86 41 15 TEI₁IIOBAMM-AlISOHRIrT 1 KE SHDAP ATENT

B 59 918/Uc Gbm

Bristol Siddeley Engines Ltd.

28. Dezember 1965

Axialturbine oder -verdichter mit einstellbaren Endleitschaufeln

Wenn eine Axialturbine oder ein -verdickter mit Auslaßkanälen verseilen ist, die teilweise oder ganz von einer Oberfläche begrenzt werden, die mit Bezug auf die läuferachse nicht koaxial ist, d. h. keine Umlauffläche um die Läuferachse bildet, dann ist es möglich, daß die Umfangsverteilung des Arbeitsströmungsmittels, welches durch die Laufschaufeln hindurchströmt, in der Weise ungleichmäßig wird, daß eine schädliche Schwingung der Laufschaufeln auftreten kann. Es können z. B. einige verhältnismäßig große radiale Schaufeln unmittelbar hinter der !Turbine oder dem Verdichter vorhanden sein, die den Durchfluß des Strömungsmittels in Bereichen, die axial mit den Schaufeln fluchten, verlangsamen wurden, oder das Strömungsmittel, welches den Verdichter oder die lurbine verläßt, kann durch zwei mit Umfangsabstand angeordnete Auslässe entlassen werden, so daß die Strönungsmittelgeschwindigkeit in den Bereichen, die axial mit den Auslassen ausgerichtet sind, größer als an anderen Stellen wäre.

Ein älterer Vorschlag der Anmelderin "bezieht sich auf Mittel zur Verbesserung solcher Bedingungen durch Vorsehung eines ieitschaufelringes zwischen den in Präge kommenden laufschaufeln und der nicht koaxialen Oberfläche, die die Ursache der Strömung ist, wobei dieser Ring so ausgebildet ist, daß er eine Umfangsveränderung in der Form, im Angriffswinkel oder im Abstand hat, so daß er die durch die nicht koaxiale Oberfläche verursachte Schwingung vermindert oder ausschaltet.

Gemäß der !Teuerung schließt eine Axialturbine oder ein -verdichter eine Endreihe von leitschaufeln ein, die so angeordnet sind, daß sie eine Einzeleinstellung ihrer Austrittswinkel gestatten. Vorzugsweise sind alle Schaufeln des leitschaufelendringes einstellbar, jedoch kann die Einstellbarkeit wahlweise auf Schaufeln begrenzt werden, die in einem oder mehreren Segmenten des Ringes liegen, d. h. auf eine Reihe von Schaufeln, die nicht einen vollständigen Ring bilden.

Eine solche Anordnung ermöglicht es, daß gede Maschine einer 3?ertigungsserie individuell abgestimmt wird, um die besten Ergebnisse zu erzeugen, und gestattet es auch, daß Maschinen gleicher Ausführung mit Auslaßkanälen von unterschiedlichen !Formen benutzt werden, wobei die Austrittswinkel der leitkranzendschaufeln so eingestellt werden, daß sie dem zu benutzenden Auslaßkanal angepaßt sind. Die Anordnung kann auch in einer Versuchs-Maschine benutzt werden, um die beste An-

Ordnung der korrigierenden Schaufeln festzulegen, wobei dann die IFertigungsmaschinen mit entsprechenden, nicht einstellbaren Schaufeln versehen sind.

Die !Teuerung ist insbesondere auf Axialverdichter anwendbar, die die Hiederdruckstufe eines Gasturbinentriebwerkes vom Bypass-Typ darstellen, d. h. eines Triebwerkes, in welchem ein Seil der von dem Hiederdruckverdiehter geförderten Luft in einem Hochdruckverdichter weiter komprimiert wird, durch die Terbrennung erwärmt und in einer die Verdichter antreibenden Turbinenanlage expandiert wird, während der übrige Teil der Luft den Hochdruckverdichter und den übrigen Teil der Anlage umgeht. Es kann erwünscht sein, ein solches Triebwerk entweder mit einem koaxialen Kanal zu versehen, der die vorbeigeführte Luft zu einer Strahldüse an dem hinteren Ende des Triebwerkes führt, oder mit einem Kanal, von dem die vorbeigeführte Luft durch einen oder mehrere seitliche Auslässe abgegeben wird, oder es können wieder Auslaßkanäle mit unterschiedlichen Anordnungen von Auslässen vorhanden sein, die mit einem Triebwerk derselben grundsätzlichen Bauart benutzt werden sollen. Derartige unterschiedliche Auslaßkanäle für die vorbeigeführte Luft können Unterschiede in der. Durchflußverteilung durch die sich bewegenden Schaufeln des Verdichters hervorbringen, von denen einige bei bestimmten Drehzahlen der Maschine gefährliche Schwingungen in den Schaufeln erregen können.

Zur Ermöglichung einer Verminderung oder einer Ausschaltung

solcher Schwingungen ist der EFiederdruckverdiehter gemäß der !Teuerung wenigstens in dem !eil seines Auslaßkanals, der die vorbeigeführte luft fördert, mit einer letsben Reine von leitsehaufeln versehen, die so angeordnet sind, daß sie eine Einzeleinstellung ihrer Austrittswinkel gestatten.

Auch der Auslaß einer Turbine kann einstellbare leitschaufeln gemäß der !Teuerung einschließen. Beispielsweise kann "bei einem Gasturbinentriebwerk vom Bypass-Iyp sowie bei einigen anderen Eriebwerksformen der G-asaustritt aus der üurbine zu einem gabelförmigen Austrittskanal führen, der seitliche Auslässe vorsieht, und in einem solchen lalle werden die einstellbaren le it schaufeln benutzt, um {jegliche Iiaufsehaufelschwingungen zu vermindern oder auszuschalten, welche durch die von den seitlichen Auslässen verursachte ungleichmäßige TJmf angs flußvert eilung hervorgerufen werden können.

Die Steuerung wird anhand der Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Is zeigen:

Pig. 1 einen teilweise schematischen Längsschnitt durch einen Axialverdichter mit einer letzten Reihe von ieitschaufeln, deren Ausstellwinkel einzeln einstellbar sind,

Pig. 2 zeigt eine wahlweise mögliehe Anordnung in einem Verdichter ähnlieh demjenigen der !ig. 1,

Pig. 3 einen Längsschnitt durch den Auslaßkanal eines

Verdichters zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk vom Bypass-£yp,

4 einen Längsschnitt zur teilweise schematischen Darstellung einer Anwendungsart der !Teuerung auf die Turbine eines Gasturbinentriebwerkes, von dem die Abgabe durch zwei umlaufende Düsen abgegeben werden und

3?ig. 5 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 4 in einem größeren Maßstab zur Darstellung der Schaufelformen.

Der in Pig. 1 gezeigte Verdichter umfaßt ein Statorgehäuse 1 mit einer Reihe von Einlaßführungssehaufeln 2, die ein vorderes Lager 3 für einen Läufer 4 halten, der an seinem hinteren Ende in Lagern 5 und 6 gelagert ist, die von einem Statorbauteil 7 aufgenommen werden, der die innere Begrenzung eines ringförmigen Auslaßkanals 8 bildet. Der Bauteil 7 ist durch einige verhältnismäßig große Schaufeln 9 von stromlinienförmigem Querschnitt, der sieh quer über den Auslaßkanal 8 erstreckt, mit dem Gehäuse 1 verbunden.

Es können z. B. vier derartige Schaufeln vorhanden sein. Der Läufer 4 nimmt vier Ringe von sieh bewegenden Schaufeln 10 auf, zwischen denen sich drei Ringe von Leitsehaufein 11 befinden, die in dem Gehäuse 1 gehalten sind. In dem Gehäuse ist ein Endring von Leitschaufeln 12 angeordnet,

PA. 075 701*10.2.66

und zwar durch Stege 13, die sich durch das Gehäuse hindurcherstre.ck an, so daß ihre Ausstellwinkel zum Schluß des Arbeitsstromungsmittels durch den Verdichter hindurch einzeln eingestellt werden können. Es können beispielsweise dreißig oder mehrerer solcher Schaufeln vorhanden sein. "Verriegelungsmittel 14- auf der Außenseite des Gehäuses gestatten eine Verriegelung der Schaufeln in ihren eingestellten Stallungen, Die Einstellung wird derart geführt, daß jegliche Schwingung der Laufschaufeln vermindert oder ausgeschaltet, die durch das Vorhandensein der Schaufeln 9 oder eines Kanals hervorgerufen werden können, der an dem Auslaßende des Verdichters befestigt ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten abgewandelten Anordnung umfassen die Leitschaufeln des Endringes einen nicht einstellbaren vorderen Randteil 12a und einen einstellbaren hinteren Eandteil 12b. Hierdurch ist es möglich, den Austrittswinkel zu verändern, ohne eine entsprechende Veränderung des Anstellwinkeln vorzunehmen.

Ifig. 3 zeigt eine Weise, in welcher die Heuerung auf einen Verdichter angewendet werden kann, in welchem der Stator eine kreisförmige Wand 15 einschließt, welche den Auslaß in einen äußeren Ring 16 und einen inneren Ring 17 unterteilt. Bei Einbau in einem Gasturbinentriebwerk vom Bypass-Typ führt der äußere Ring die Bypass-luft und kann entweder mit dem ringförmigen Kanal koaxial mit dem Verdichter verbunden sein, in

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welchem lalle der Kanal wahrscheinlich nicht die Ursache von Durchflußveränderungen durch die laufschaufeln wird, die gefährliche Schwingungen in ihnen erregen könnten, obwohl die Schaufeln 9 a in dem äußeren Ring, die in !deiner Anzahl, z. B. vier, vorhanden und verhältnismäßig groß sind, eine solche Wirkung verursachen könnten. Wahlweise kann der äußere Ring mit einem Kanal verbunden werden, der einen oder mehrere, nicht koaxiale Auslässe hatj in diesem Falle werden Teränderungen im Durchfluß durch die laufschaufeln verursacht, die Schwingungen in ihnen erregen können, wenn nicht zwischen den Auslässen und den laufschaufeln eine erhebliche länge eines koaxialen Kanals vorhanden ist, der nicht durch Schaufeln oder leitschaufeln unterteilt ist. Der innere Ring 17 führt luft zu einem Hochdruckverdichter, der wahrscheinlich keine aufströmseitigen Durchflußstörungen verursacht, jedoch können Schaufeln 9 b, die Fortsetzungen der Schaufeln 9 a darstellen und den Ring 17 überqueren, solche Störungen verursachen.

Bei diesem Beispiel schließt sich an den letzten Ring der laufschaufeln 10 ein Ring nicht einstellbarer leitschaufeln 18 an, die sich vollständig über den Auslaßkanal vor der ürennungswand 15 hinwegerstrecken, und es ist ein letzter Ring einzeln einstellbarer leitschaufeln 19 vorhanden, die sieh nur quer über den äußeren ringförmigen Kanal 16 hinwegerstrecken. Jede Schaufel 19 liegt mit einem Stegabschnitt 20 mit kreisförmigem Querschnitt in einer Bohrung in dem Statorgehäuse 1, an welchem aus sich eine Verlängerung 21 mit einem Yierkant oder einer Keilverzahnng forterstreckt, die eine Feineinstellplatte 22 aufnimmt, die auf dem Gehäuse sitzt, line Mutter 23 gestattet

eine Verriegelung der Schaufeln in ihrer lage nacli der Einstellung. Es können beispielsweise dreißig oder mehr solcher Schaufeln vorhanden sein, die mehr oder weniger gleichmäßig um den Ring 16 herum verteilt sind, oder es kann eine oder können mehrere Gruppen (d. h. nicht kreisförmige Reihen) solcher Schaufeln jeweils in einem Bereich vorhanden sein, in welchem eine Korrektur der Durchflußverteilung erforderlich ist oder erforderlich werden kann.

Die nicht einstellbaren leitschaufeln 18 können mit gleichmäßigem Abstand angeordnet sein und ein normales Ausmaß einer Wölbung oder Verdrehung aufweisen, um die von den !laufschaufeln 10 abgegebene Luft in die asiale Richtung abzulenken. Sie können wahlweise jedoch so ausgebildet sein, daß sie eine Umfangsveränderung in der Umlenkwirkung aufweisen, wenn dieses erforderlieh ist, um die Wirkung der Durchflußstörungen auszugleichen, die durch die Schaufel 9 b verursacht werden, und diese Veränderung kann gleichzeitig auch ganz oder teilweise die Wirkung der Durchflußstörungen ausgleichen, die durch die Schaufeln 9 a verursacht werden, so daß die einstellbaren Schaufeln 19 frei bleiben, um die Wirkungen des Kanals vorzunehmen, der eine Verlängerung des äußeren Ringes 16 bildet. Die Schaufeln 19 haben daher vorzugsweise keine Wölbung oder Verdrehung und sind innerhalb eines Bereiches von etwa 10° in beiden Richtungen von einer mittleren Axialflußeinstellung aus einstellbar.

Wahlweise können die Schaufeln 19 eine Verdrehung aufweisen, wenn diese bä.m Ausgleich des Strömungsmusters unterstützend

mitwirkt, das durch den nicht koaxialen Auslaßkanal erzeugt wird, und/oder es kann eine Wölbung eingeführt werden, so daß das Ausrichten des Verdiehterflusses in gerader linie zwischen dem festen leitring 18 und den einstellbaren Schaufeln 19 geteilt wird. Um die Durchflußstörungen zu korrigieren, die durch einen Auslaßkanal verursacht werden, wenn an jeder Seite des Triebwerkes eine Auslaßöffnung vorhanden ist, können die Schaufeln 19 in zwei Reihen angeordnet werden, die sich jeweils über Böden an dem Oberteil und dem Boden des Ringes 16 erstrecken. Anstelle der festen Anordnung der leitschaufeln 18 können sie auch im Hinblick auf die Anstellung innerhalb eines begrenzten Bereiches einstellbar sein.

Das Sriebwerk, dessen hinterer Bndteil in 3?ig. 4 gezeigt ist, umfaßt eine Yerbrennungsanlage 20 a, von dem aus Yerbrennungsprodukte durch eine Reihe von Düseneinlaßschaufeln 21 a hindurch zu den beweglichen Schaufeln 22 a einer Hochdruekturbine 23 a strömen, welche über eine hohle Welle 24 einen Hochdruckverdichter (nicht gezeigt) antisLbt. lach dem Verlassen der Schaufeln 22a strömen die Gase durch die leit- und laufschaufeln 25, 26, 27 und 28 einer Zweistufenniederdruckturbine 29, die einen Hiederdruekverdiehter (nicht gezeigt) über eine Welle 30 antobt, die sich koaxial durch die Welle 24 hindurcherstreekt. Die Abgase, welche die laufschaufeln 28 der zweiten Stufe der ETiederdruckturbine verlassen, strömen in den Abgaskanal 31 zwischen einer kleinen Anzahl, z. JB. sieben, großen Schaufeln 32 ein, die ein Gehäuse 33 für die lagerungen der Wellen 24 und 30 stützen. Der Abgaskanal 31 ist gabelartig ausgebildet, um zwei seitliche Auslässe 34 zu bilden, auf denen jeweils eine Gasablenkdüse 35 drehbar angeordnet ist.

In einem triebwerk dieser Art würden die Gase, die den letzten Ring der sich bewegenden Turbinensehaufeln 28 verlassen, normalerweise ein gewisses Ausmaß an Umfangswirbelung wenigstens bei bestimmten laufbedingungen aufweisen, und die Schaufeln wurden einen tragflügeiförmigen Querschnitt haben, um diese Turbulenz soweit als praktisch durchführbar im Interesse einer Verminderung der aerodynamischen Yerluste in dem Abgaskanal und den Düsen 35 auszusehalten. Bei diesem Beispiel ist jedoch ein zusätzlicher Ring von Leitschaufel! 37 vorgesehen, um die Turbulenz der G-asabgabe zu vermindern, bevor das Gas die Schaufeln 32 erreicht. Der Ring kann beispielsweise vierzig oder mehr Schaufeln umfassen. Dieses macht es möglich, die Kraft der Hiederdruekturbine zu erhöhen, indem laufschaufeln 28 benutzt werden, welche das Gas mit erhöhter Turbulenz abgeben, wie es in Pig. 5 durch den verhältnismäßig großen Winkel 36 angedeutet ist, ohne die Yerluste in dem Abgaskanal 31 ernsthaft zu erhöhen. Die leitschaufeln 37 vermindern den Turbulenzwinkel auf einen gemäßigten Wert, der durch den Winkel 38 in Pig. 5 angedeutet ist, und mit dem die verhältnismäßig wenigen großen Schaufeln 32 in befriedigender Weise fertig werden können.

Die Feuerung findet bei diesem Beispiel in der Porm Anwendung, daß die Schaufeln 37 in einer Weise angeordnet werden, die die Einzeleinstellung ihrer Anstellwinkel zur Axialrichtung gestattet. Durch die Durchführung solcher Einzeleinstellungen ist es möglich, zu verhindern, daß die laufschaufeln 28 durch die von den Schaufeln 32, der gabelförmigen Porm des Ablaßkanals 31 oder der Gegenwart der Düsen 35 verursachten

Störungen des Strömungsmusters in gefährlichem Maße in Schwingung versetzt werden.

In einigen Fällen schwankt das Ausmaß der !Turbulenz der Abgabe, die den letzten Ring der Turbinenlaufschaufeln 28 verlassen, in nennenswertem Maße mit den Betriebsbedingungen des Triebwerkes. Um dieser Erscheinung Herr zu werden, kann der anfänglichen Einstellung der Schaufeln 37 des zusätzlichen Ringes in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Triebwerkes eine gemeinsame Anstellungsveränderung überlagert werden. Zu diesem Zweck besitzt jede Schaufel 37 nach der Darstellung in lig. 4 innere und äußere Zapfen 39 und 40, und der äußere Zapfen ist einstellbar an einem Arm 41 befestigt, dessen anderes Ende einen Stift 42 aufnimmt, der in einen Schlitz in einem Ring 43 eingreift, der in Abhängigkeit von einem Triebwerksbetriebsparameter gedreht werden kann, um auf alle Schaufeln 37 gleiche Anstellveränderungen zu übertragen.

Im allgemeinen muß das Vorhandensein einer nicht koaxialen Oberfläche in dem Auslaßkanal eines Verdichters und in einem geringeren, obwohl manchmal nennenswerten Ausmaß in einer Turbine Schwingungen der !aufschaufeln verursachen, da durch sie eine ungleichmäßige Umfangsverteilung des Strömungsmittelflusses entsteht. Damit jegliche leigung der ungleichmäßigen Durchflußverteilung zur Verursachung von Schwingungen in den laufschaufeln vermindert oder ausgeschaltet wird, sollten die einstellbaren laufschaufeln verändert werden, um eine leigung zur Strömungsablenkung hinter Bereichen zu schaffen, in welchen die nicht koaxiale Oberfläche oder Oberflächen dazu neigen, die Strömungsgeschwindigkeit zu vermindern. Um-

gekehrt sollten in Bereichen, in denen die Durchflußgesehwindigkeit infolge der nicht koaxialen Oberfläche oder Oberflächen größer als.an anderen Orten ist, die einstellbaren Schaufeln so verändert werden, daß der Durchlaß durch sie veranlaßt wird,¹ in der Abströmrichtung zu konvergieren. Die Einstellungen der letzten leitschaufeln haben die leigung, die Umfangsverteilung des Flusses durch die Laufschaufeln auszugleichen und vermindern dadurch die leigung zur Erzeugung gefährlicher Schwingungen in den laufschaufeln oder schalten diese vollständig aus. Es ist jedoch nicht notwendig, einen vollständigen Ausgleich für schmale Bereiche eines stark gestörten Durchflusses vorzusehen, sondern es braucht nur eine periodische, vorzugsweise sinusförmige Veränderung in der G-rundfrequenz der Durehflußstörung oder in. einem ganzzahligen Vielfachen derselben und bei geeigneter Phasenbeziehung zu ihr vorgenommen zu werden, um den etwa entstandenen Iiaufschaufelschwingungen entgegenzuarbeiten.

Claims

A. 005 055-5. U6 DR. ING. H. NEGENDANK PATENTANWALT HAMBURG 86 · NEUER WAlL 411 . PERNRTTF 36 74 28 TTND 86 41 15 TELEGRAMM-ANSCHRIFT t ΝΈ GEDAF ATBNT B 59 918/14c &bm Bristol Siddeley Engines Ltd. 28. Dezember 1965 Schutzansprüche

1. Axialturbine oder -verdienter zur Verwendung mit einem Auslaßkanal, der wenigstens teilweise durch eine Oberfläche begrenzt wird, welche mit Bezug auf die läuferachse des Triebwerkes nicht koaxial und somit in der Lage ist, eine ungleichmäßige ümfangsverteilung des Durchflusses des Arbeitsströmungsmittels durch die Laufschaufeln zu verursachen, die gefährliche Schwingungen der Laufschaufeln verursachen muß, gekennzeichnet durch eine letzte Reihe von Leitschaufeln (12), die so angeordnet sind, daß sie eine Einzeleinstellung ihrer Austrittswinkel gestatten, um eine Yerminderung oder Ausschaltung der durch den ungleichmäßigen Durchfluß verursachten Schwingungen zu ermöglichen.

2. Axialturbine oder -verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (8) mit nicht koaxialen Oberflächen, die eine ungleichmäßige Umfangsflußverteilung verursachen können, durch Schaufeln (9) gebildet ist, die Lager (5» 6) für den Läufer (4) stützen.

3. Axialturbine oder -verdichter nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (8) mit nicht koaxialen OTa er flächen, die eine ungleichmäßige Umfangsflußverteilung verursachen können, aus mit Umfangsabstand angeordneten seitlichen Durchflußauslässen (16, 17) gebildet ist.

4. Axialturbine oder -verdichter nach jedem der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet, daß die letzten einstellbaren leitschaufeln (12) nicht in der einmal eingestellten Stellung fixiert sind, sondern aneinandergekuppelt und mit einer gemeinsamen Anstellwinkelveränderung in unmittelbarer oder mittelbarer Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors (4) beweglich sind, um die !Turbulenz des Strömungsmittels, welches die einstellbaren leitschaufeln verläßt, ständig so niedrig wie möglieh zu halten.

5. Verdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch innere und äußere ringförmige Auslaßkanäle (16, 17) und eine Reihe von einzeln^instellbaren leitschaufeln (19) in dem äußeren Kanal (16).

6. Yerdichter nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch eine Reihe einzeln einstellbarer Leitschaufeln (18), die sieh q,uer über einen gemeinsamen Eingang zu beiden Kanälen (16, 17) erstrecken.

7. Curbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich am letzten Ring der Laufsehaufein (28) unmittelbar

in Abströmrichtung ein Ring von Ie it schaufeln (37) anschließt, τοη denen wenigstens eine der Schaufeln, die eine Reihe "bilden, einzeln einstellbar sind.