DE2203933A1

DE2203933A1 - Betätigungsring für Kompressoren mit variabler Geometrie

Info

Publication number: DE2203933A1
Application number: DE19722203933
Authority: DE
Inventors: Joseph Clayton Cincinnati Ohio Bürge (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-02-01
Filing date: 1972-01-28
Publication date: 1972-08-17
Also published as: US3685920A; GB1368353A; FR2125012A5

Description

Betätigungsring für Kompressoren mit variabler Geometrie

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Axialkompressoren ,wie sie in Gasturbinentriebwerken verwendet werden, und insbesondere auf Verbesserunpen von Betätigungsringen, die bei der Veränderung der Winkelstellung der Schaufeln in derartigen Kompressoren oder Verdichtern verwendet werden.

Axialkompreasoren enthalten im allgemeinen abwechselnde Umfangsreihen von Rotorblättern und an dem Gehäuse angebrachten Schaufeln. Die.-se Blätter und Schaufeln sind radial zur Rotorachse ausgerichtet. Die aerodynamischen Formen dieser Blätter und Schaufeln sind für einen Betrieb bei einem gegebenen Satz von Parametern idealisiert, die den wichtigsten Betriebszustand des Kompressors oder des Gasturbinentriebwerkes darstellen, in dem sich der Kompressor befindet. Bei anderen Betriebsbedingungen, wie z.B. bei einer kleineren Rotordrehzahl, sind die auf einen Auslegungspunkt ausgerichteten aerodynamischen Bedingungen ineffizient bis

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zu einem Punkt, wo der Kompressor tatsächlich zum Stillstand (stall) kommen kann und nicht länger Luft komprimiert.

Eine in großem Umfang¹ angenommene Lösung dieses Problems besteht darin, die Aerodynamik eines Kompressors zu verändern, indem dessen Schaufeln um radial zur Rotorachse verlaufende Achsen geschwenkt v/erden. Ein derartiger Kompressor ist als ein Kompressor mit variabler Geometrie bekannt. Es sind für diese Funktion viele Mechanismen vorgeschlagen und verwendet worden, von denen viele die Anbringung von Hebeln beinhalten, die von mit den Schaufeln verbundenen Wellen hervorragen. Die Hebel von einer Gchaufelreihe sind mit einem Betätigungsring verbunden, der das Koirpressorgehäuse umgibt. Dieser Betätigungsring v/ird dann hin- und hergedreht, um die Schaufeln einer gegebenen Reihe gleichzeitig in eine gewünschte Winkelstellung einzustellen.

Um nun den Kompressor zu montieren und demontieren, ist es wesentlich, wenn nicht sogar absolut notwendig, daft derartige Betätigungsringe zusammengesetzt ausgebildet sind.

Auch wenn es viele akzeptable Betätigungsringe gegeben hat, so treten doch immer wieder Probleme dabei auf, die richtige Winkeleinstellung ihrer einzelnen Komponenten zu erhalten und gleichzeitig für eine leichte Fontage und Demontage zu sorgen. Das letzte Problem wird durch das gewöhnliche Erfordernis weiter kompliziert, dai? der Betätigungsring iir engen Abstand zu dem K omp ress or gehäuse angeordnet sein muß, um das Gewicht und die Triebwerksverkleidung auf ein Minimum herabzusetzen. Dies und zusätzlich die große Anzahl der Schaufelhebel macht es besonders schwierig, die Bolzen und Muttern zu befestigen und zu entfernen, die bei der Verbindung der Komponenten des Betä'tigungsringes verwendet werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Betätigungsring-Einrichtung zu schaffen, die eine genaue Winkeleinstellung ihrer Einzelteile aufweist und die eine leichte Montage und Demontage gestattet, während andere Erfordernisse, wie z.B. minimales Gewicht und kleine Umhül lungs ab messung, beibehalten werden.

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ΠΙ öse Aufgaben werden erfindungsgemäJ? durch eine Betätigungsring-•vi nrichtung gelöst, die wenigstens zwei Sektoren aufweist, an denen d:"e Schaufelhebel befestigt sind. Diese Sektoren haben eine '■Jinke laus dehnung von weniger als lBO und sind durch Brückenelenente verbunden, um einen vollständigen Ring zu bilden. Die Brückenelerente sind an benachbarten Endabschnitten der Sektoren befestigt und überlagern diese. Die Verbindung zwischen jedeir Brückenelen.ent und einem Sektcrenabschnitt urfai?t zwei Bolzen und eine Führungsbuchse. Die Füh rungs buchse erstreckt sich irit einer festen Passung durch genau ausgerichtete, radiale Löcher in dem Brückenelernent und dem Sektor hindurch, um eine genaue Winkeleinstellung zu erhalten. Der eine Bolzen führt mit einer losen Passung durch die Führungsbuchse hindurch, damit dieser leicht in eine Mutter auf der Innenfläche des Sektors eingeschraubt oder aus dieser herausgeschraubt werden kann. Der andere Bolzen erstreckt sich mit einer losen Passung durch ausgerichtete radiale Löcher in dem Brückeneleir.ent und dem Sektor- hindurch, so daP er ebenfalls in eine Futter auf der Innenfläche des Sektors eingeschraubt werden kann. Mit den losen Passungen der Bolzen können die Kuttern leicht gegen Drehung gehalten werden, wenn die Bolzen gedreht werden, um die Einrichtung zu befestigen oc üu lösen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Kerkiralen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes, in dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist.

Fig. 2 ist eine Querschnitts darstellung in vergrößertem Maßstab Won einem Abschnitt des Kompressorgehäuses und des aus Fig. 1 ersichtlichen Betätigungsringes.

Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung im noch größeren NaPstab nach einem Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Fig. fc ist eine Darstellung der Betätigungsring—Einrichtunp in kleinerem MaRstab.

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- L· —

trieb ^ig. 1 ist eine vereinfachte AuPenansicht eines Gasturbinenwerkes.

Innerhalb eines zus airmen gesetzt ausgebildeten Außengehä'uses 10 befinden sich, in St römungs richtung der Reihe nach angeordnet, ein Konpressor, ein Brenner und eine Turbine, die einen hochenergetischen Treibmittelstrom erzeugt. Ein Teil der Energie dieses Treibmittels tromes treibt die Turbine an, die ihrerseits den Rotor des Kompressors antreibt, wie es insgesamt bekannt ist. Der Rest der Energie in derr Treibmittelstror kann in eine Vortriebskraft umgewandelt werden, inder. dieser aus einer Düse 12 a us rest often wird.

Der Konpressor dieses Triebwerkes ist ein vielstufiger Axialströmungskonpressor, der abwechselnde, auf derr Umfang· angeordnete Reihen von Rotorblättern und feststehende Statorschaufeln aufweist. Einire oder alle Reihen der Statorscheufeln sind durch eine Schwenkbewegung um ihre radial zur Rotorachse verlaufende Achse einstellbar. Eine derartige Einstellung, zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit den Kompressors w fib rend eines von dem Auslegepunkt abv;ei chenden Betriebes ist allgemein bekannt. In einer einstellbaren Schaufelreihe sine die einzelnen Schaufeln i;it Stumme !welle η 1.'! auf der; Gehäuse 10 gelappt, die durch dieses hindurchragen. Von den StürmeIweilen jedor einstellbaren Sch\-ufelreihe erstrecken r: i ch ■lebe! IC zu einem 3et"ti gungsring lR f"r ^iese Schaufelreihe. Um alle einstellbaren Schaufeln gleichzeitig zu schwenken, sind die Betätigungsringe auf entsprechende V/eise durch Verbindungsglieder 2C mit einer Arm 22 verbunden, der bei 2·'» auf dc-rr Gehäuse schwenkbar angebracht ist. las entgegenresetzte 7! η de des Armes 22 irst rat einem Betätigungsglied 26 verbunden, ras durch bekannte Kittel gesteuert wird, um den irr. 22 zu schwenken und somit die VJinkelstel lungen der einstellbaren Schaufeln zu verändern. Ein ähnlicher irr und ein entsprechendes ßetätirungsglied kann auf der entgegengesetzten Seite des Gehäuses 10 vorgesehen sein, ur die auf die Betätigungsringe übe-rtragenen Kräfte ir Gleichgewicht zu halten. Das hier angegebene Betätigungssystem ist mit seinen Einzelheiten in dem US Patent 3 31¹* 595 beschrieben. Es sei auch darauf hingewiesen, dal? andere Kechanismen zur Drehung derartiger Betätigungsringe zur "Verfügung stehen.

BAD ORIGINAL

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Für diese beschriebene Umgebung zeigen die Figuren 2,3 und 4 die vorliegende Erfindung. Der Korroressorabschnitt des Gehäuses 10 umfaßt zwei halb zylindrische Schalen 2 6, die durch Bolzen 32 verbundene Längsflansche 30 aufweisen. Jeder Betätigungsring umfaßt zwei Sektoren 34 von hohlem, quadratischem Querschnitt und einer Winkelausdehnung von etwas weniger als l80 . Jedes Paar der Sektoren ist durch Brücken 36 miteinander verbunden, an denen die Verbindungsglieder 20 bei 38 schwenkbar angebracht sind. Jedes Ende von jedem Sektor 34 ist auf entsprechende Weise durch Bolzen 40 und 42 mit jeder der Brücken 36 verbunden. Jeder Bolzen 40 führt durch ein LOch in der Brücke 36 und durch ein Rohr 44 hindurch, das an seinen entgegengesetzten Enden an den Wänden des rohrförmigen Abschnittes 34 angekümpelt ist, und ist dann in eine Mutter 46 eingeschraubt, um die Brücke auf dem Sektor 34 zu befestigen. Es bes-teht genügend Spielraum zwischen deir Körper des Bolzens 40 und der Brücke und dem Rohr 44, damit der Bolzen frei gedreht werden kann, während die Kutter 46 gegen Drehung gehalten ist, wenn der Bolzen für eine feste Klen;im-n r-kung gedreht wird. Jeder Bolzen 42 führt durch eine Führungshülse 48 hindurch. Die in Fig. 3 gezeigte Führungshülse führt durch ein Loch in der Brücke 36 und durch ein Rohr 50 hindurch, das an seinen entgegengesetzten Enden an den Sektor 34 angekümpelt ist. Die Führungshülse weist an ihrem Außenende einen mit einem Flansch versehenen Kopf 52 auf und endet kurz vor dem Innenende des Rohres 50. Auf den Bolzen 42 ist eine Mutter 54 geschraubt und befestigt ebenfalls die Brücke an dem Sektor 34. Zwischen dem Körper des Bolzens 42 und der Führungshülse 48 ist eine lose Passung vorgesehen, so daß auch dieser Bolzen frei gedreht v/erden kann, während die Mutter 54 durch einen Schlüssel gegen Drehung gehalten ist, wenn der Bolzen für eine feste Klemmwirkung gedreht wird.

Mt der beschriebenen Betätigungsring-Einrichtung wird durch die Führungstiülsen 48 eine genaue bogenförmige Einstellung der Sektoren erhalten. Die Löcher hierfür können genau vorgearbeitet sein, um für eine extrem enge oder feste Passung mit dem Außendurchmesser der Hülse oder sogar einen Festsitz zu sorgen. Alternativ kann eine angepaßte Einrichtung dadurch hergestellt werden, daß die Sektoren und Brücken auf eine Einspannvorrichtung gebracht und die

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Löcher für die Führunps--.hülsen linienförmig· aufgerieben werden. Bein: Einsatz der Einrichtung würden vorzugsweise zunächst die Führungshülsen 48 und Bolzen 42 zusammengesetzt und die Muttern 54 durch Drehung der Bolzen 42 befestigt werden. Dann würden die Bolzen 40 eingesetzt und in die Muttern 46 eingeschraubt werden. Alle Bolzen 40 und 42 drehen sich frei, so daß ein Zusammenbau stark erleichtert ist, indem einfach die Muttern 46 und 5'i in der zusammengedrängten Arbeitsfläche des Aul?enraumes des Koiroressorgehäuses gegen Drehung gehalten werden.

Die zusammengedrängte Natur dieser Arbeitsfläche ist ferner in den Figuren 2 und 3 dargestellt, die an dem Betätigungsring befestigtet cha ufelheb el l6 zeigen. Die Hebel 16 können in der Weise angebracht sein, wie es in dem US Patent 3 5C2 260 beschrieben ist. Diese Verbindung entnält einen Kugelzapfen 5£, der durch Bolzen 60 an den Sektoren 34 befestigt ist. Die Schaufeln des Kompressors sind in einem; so engen Abstand angeordnet, dal³ sie auch mit den Brücken 36 verbunden sein müssen. Deshalb sind die Kugelzapfen 5ß durch kürzere Bolzen 62 daran befestigt, damit andere Hebel 16 damit verbunden werden.

Die Brücke 36 enthält Innenschenkel 64, die die Endabschnitte der Sektoren 34 umfassen, und einen nach auPen ragenden Flansch 66 auf der dazu entgegengesetzten Seite, bis zu den. sich die Hebel erstrecken. Ferner besitzt der Basisabschnitt 68, der an den Außenflächen der Sektoren 34 angreift, einen Zwischenabschnitt, dessen Außenfläche mit dem: gleichen Radius gebildet ist wie die Au^Renflächen der Sektoren 34. Dies gestattet die Verwendung identischer Hebel und Kugelzanfen für alle Schaufeln der Statorreihe.

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Claims

Patentansprüche

letätigungsring fur einen /xialkcir.nressor, der ein AuPengehäuje,.eine auf den Umfang angeordnete Reihe von Schaufelwellen, die sich von den Gehäuse erstrecken, und Hebel aufweist, die η ich von diesen Wellen erstrecken und deren Außenenden mit dem Betätigungsring verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daP. der Betatifungsring; (18) wenigstens zv/ei Sektoren (3¹O mit v/eniger als l8O ° Winkelausdehnung·, r'rückeneleirente (36), die die Sektoren (34) zur Bildung einer das Gehäuse auf 36Ο umschließenden Struktur miteinander verbinden und die benachbarte Endabschnitte der Sektoren (3¹O überbrücken bzw. überlagern und von denen jedes überlagernde Brückenelement (36) relativ zu der entsprechenden Endabschnitt des Sektors angeordnet und durch Führungshülsen (¹IS) an diesem befestigt ist, die radial durch .jedes Brückenelement (36) und jeden Sektor (3¹O rcit einer festen Passung dazwischen hindurchführen, so daß jedes Brückenelement (36) und jeder Sektor (3¹O bezüglich der Winkelstellung genau einstellbar ist, ferner einen ersten Bolzen (42), der rit einer losen Passung durch die Führungsbuchse (¹IB) hindurchführt, eine erste butter (5¹O, die auf das Innenende des ersten Bolzens (42) geschraubt ist, einen zweiten Bolzen (40), der gegenüber den' ersten Bolzen (42) im Winkel versetzt ist und durch fluchtende radiale Löcher in jedem Brückenelement (36) und Sektor (3¹O mit einer losen Passung hindurchführt, und eine zweite Kutter (46) aufweist, die auf das Innenende des zweiten Bolzens (40) aufgeschraubt ist.
2. Betätigungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchsen (48) an den Außenenden der Brückenelemente (3¹S) und die zweiten Bolzen (40) innen von den ersten Bolzen (42) angeordnet sind.

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3. BetätiEunfsrinp nach Anspruch 2, dadurch fekennzei chnet , daP die Führunrsbuchsen (48) an ihren Aussenenden mit Flanschen versehene Köpfe (52) aufweisen, die das Brückenelement (3^) drücken.

Betati^unpsrinp· nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß Basisab.Tchnitte (68) der Brücken elemente (36) zwischen den Sektoren (3^) Außenflächen aufweisen, die mit dem fleichen Radius wie die Außenflächen der Sektoren (Ji¹O gebildet sind, und Schaufelhebel mit diesen ßrückenzv/is chenabs chni tten (68) verbunden sind.

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