DE2821415C2 - Axialverdichter - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter mit einem Laufrad mit verstellbaren Laufradflügeln, deren Fußteil über em die Drehbewegung des Laufradflügels ermöglichendes Lager mit dem äußeren Ende einer radial zu dem Verdichter-Laufrad ge_:egenen Laufradflügel-Befestigungsachse verbunden ist. die mit ihrem inneren Ende auf der Außenseite eines Laufradnabenkranzes anliegend, starr an diesem befestigt ist.

Ein Axialverdichter dieser Art ist durch die DE-OS 22 43 090 bekannt. Hierbei sind mehrere kreisförmig um die radiale Schaufelradachse angeordnete Zugstäbe vorgesehen, die ein dünnes, möglichst drehsteifes Rohr konzentrisch umgeben oder von einem solchen Rohr umgeben sind, das den Schaufelbefestigungsflansch mit einem nabenseitig gehaltenen Verstellring fest verbindet. Beim Drehen des Rohres um seine Längsachse, um die Laufradschaufel zu verstellen, erfahren die Zugstangen sowohl eine Biegung in Umfangsrichtung als auch eine Verdrehung um den entsprechenden Verstellwinkel des Rohres. Die Spannung, mit der der Laufradbefe- sostigungsflansch gegen den nabenseitigen Verstellring gezogen wird, hängt weitgjhend von dieser Torsion und Verbiegung der Zugstäbe ab. Mit zunehmendem Verstellwinkel wächst daher die aufzuwendende Verstellkraft des Verstellrings und dementsprechend die Reibung und der Verschleiß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Axialverdichter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches dahingehend zu verbessern, daß die Laufradflügel-Befestigungsachse große Zentrifugalkräfte, d. h. Zugkräfte, aufzunehmen vermag, ohne in schwerer Konstruktion ausgeführt werden zu müssen und hierbei die die Drehbewegung der Laufradschaufeln bewirkenden Verdichterteile keiner Zug-, Dreh- oder Torsionsbeanspruchung ausgesetzt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verdichter mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß die Laufradflügel-Befestigungsachse durch zwischen dem äußeren Ende der Achse und dem Nabenkranz wirkende Vorspannungsmittel in Längsrichtung gegen den Nabenkranz vorgespannt ist.

Der Unteranspruch beinhaltet Merkmale, die der Verbesserung und Weiterbildung der Merkmale des Hauptanspruches dienen.

Das Wesen des Verdichters nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Spannelemente zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte unabhängig und unbeeinflußt von der Verstellvorrichtung der Laufräder wirken. Hierdurch kann jede gewünschte Vorspannung der Mittel zum Verbinden der Laufradflügel-Befestigungsachse mit der Laufradnabe gewählt werden, ohne die Drehbewegung der Laufradschaufeln zu beeinflussen wie auch umgekehrt Spannungsbelastungen an den Laufradflügel-Befestigungsachsen während des Laufs des Verdichters auf einfache und wirksame Weisen ebenso wie große Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der Laufradflügel-Befestigungsachsen vermieden werden können, die die Laufradnabe schwächen würden.

Ap sich ist es irn Maschinenbau allgemein bekannt, dynamisch oder statisch belastete Bauteile entgegen ihrer Belastung vorzuspannen. Bei Übertragung dieses Prinzips auf einen Axialverdichter nach der Gattung des Hauptanspruches ergab entweder die Lösung nach der vorstehend genannten DE-OS 22 43 090 oder die Notwendigkeit des Vorspannens eines sich drehenden Teils in Form eines die Laufradbefestigungsachse darstellenden Rohres. Die Erfindung beschreitet den Weg des Vorspannens der Laufradflügel-Befestigungsachse und der Anordnung eines davon getrennten, die Drehbewegung des Laufradflügels ermöglichenden Lagers.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Axialverdichters nach der Erfindung dargestellt und zwar zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den Verdichter, dessen Laufradflügel in verschiedenen Stellungen wiedergegeben sind,

F i g. 2 einen Teil des in F i g, 1 darstellten Schnittes im größeren Maßstab und unter Weglassung des Laufradflügels und

F i g. 3 eine zum Teil im Schnitt wiedergegebene Teilfrontansicht des Verdichters nach Fig. 1. Zur besseren Darstellung ist hierbei die Abschirmungsvorrichtung fortgelassen.

Das Laufrad 10 des in der Zeichnung dargestellten Axialverdichters besitzt die Laufradnabe 11, die die einstellbaren Laufradflügel 12 trägt. Das Axialverdichter-Laufrad 10 ist von einem Gehäuse 13 umschlossen und sitzt fest auf dem Ende einer Welle 14, die mit einem nicht dargestellten Motor zum Antrieb des Laufrades vprbunden ist. Der mittlere Abschnitt 15 der Laufradnabe 11 ist an seinem Umfang mit einer Ringscheibe 16 verbunden, auf deren Umfang ein Nabenlaufkranz 17 sitzt.

Jeder Laufradflügel 12 weist einen kreisförmigen Fußteil 18 auf, der unter Zwischenschaltung eines Lagers 19 (F i g. 3) mit dem äußeren Ende einer Laufrad-Befestigungsachse 20 drehbar verbunden ist, die radial zu dem Laufrad angeordnet ist. Alle Laufradflügel-Befestigungsachsen 20 sind als Hohlachsen ausgebildet und liegen mit ihrer Innenseite an einem einen ebenen Sitz bildenden Umfangsabschnitt des Nabenkranzes 17 unter axialer Vorspannung an.

Die Laufradflügel-Befestigungsachsen 20, die eine zylindrische Außenfläche besitzen, stehen durch Schrauben 21 unter Vorspannung und sind durch diese gesichert. Die Köpfe der Schrauber, wirken auf das radial

äußere Ende der zugeordneten Laufradflügel-Befestigungsachsen 20 über einen Deckel 22, der mit der Befestigungsachse 20 verbunden ist. Die Schrauben 21 sind frei durch die ihnen zugeordnete Laufradflügel-Befestigungsachse 20 geführt und in die Gewindebohrungen 23 im Nabenkranz 17 eingeschraubt Die Schrauben 21 werden so fest angezogen, daß die ihnen zugeordnete Laufradflügel-Befestigungsachse 20 die gewünschte Vorspannung erhält.

Jedes Laufradflügellager 19 ist in einem Lagergehäuse 24 angeordnet, das gegen den Fußteil 18 des jeweils zugeordneten Laufradflügels und zur Außenseite der zugeordneten Laufradflügel-Befestigungsachse 20 hin abgedichtet ist. Über eine Bohrung 25, die in dem Dekkel 22 vorgesehen ist, steht das Lagergehäuse 24 mit einer Schmiermittelkammer 26 in Verbindung, die sich von dem Lagergehäuse radial einwärts auf das Laufrad 10 zu erstreckt wobei die Kammer 26 durch das rohrförmige Innere der Laufradflügel-Befestigungsachse 20 gebildet wird. Für das Zuführen des Schmiermittels in die Kammern 26 sind Kanäle 27 mit nicht dargestellten Nippeln vorgesehen. Die Schmiermittelkanä!.; 27 sind ferner mit Rückschlagventilen od. dgl. ausgerüstet nriit denen der gewünschte Schmierdruck erreicht werden kann und mit denen ein unbeabsichtigtes Austreten des Schmiermittels aus den Kanälen 27 verhindert wird. Das Schmiermittel wird in die Lagergehäuse 24 gedrückt, um die Lager wirkungsvoll unter Mithilfe der Zentrifugalkraft während des Arbeitens des Axialverdichters und eines möglichen Überdrucks in den Schmiermittelkammern 26 zu schmieren. Alternativ kann die Kammer 26 auch ein anderes Medium als ein Schmiermittel aufnehmen, das die Lager gegen die schädlichen physikalischen und/oder chemischen Einflüsse des Gases schützt, das mit dem Axialverdichter zu fördern ist

Das Gehäuse jedes Lagers 19 ist mit Hilfe nicht dargestellter Schrauben oder anderer Befestigungselemente fest mit der Innenseite des Fußteils 18 des jeweils zugeordneten Laufradflügels 12 verbunden und umschließt das "ußere Ende der zugeordneten Laufradfiügel-Befestigungsachse 20. Die Lager 19 des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sind Axialkugellager, die zwischen einem der Achse 20 zugekehrten Flansch 28 und einem der Achse 20 abgekehrten Flansch 29 angeordnet sind. Die Lage des Lagers 19 ist durch ein zylindrisches Teil des Dee'cels 22 koaxial zu dem kreisförmigen Fußteil 18 des zugeordneten Laufradflügets 12 bestimmt. Durch die in der Zeichnung dargestellte Ausbildung und Anordnung der Teile wird der Laufradflügel 12 mit den; zugeordneten Fußteil 18 und dem Lagergehäuse 24 durch die während des Laufes des Rades 10 auftretenden Zentrifugalkräfte radial nach außen gedrückt. Der Flansch 28 des Lagergehäuses 24 drückt die zwischen ihnen angeordneten Laufringe und Lagerkugeln, derart in Richtung auf die Flansche des Deckels 22, daß die jeweilige Stellung des Laufradflügels 12 fixiert wird, so daß während des Arbeitens des Axialverdichters kein Spiel in den Lagern aufkommen kann. Bei stillstehendem Axialverdichter-Laufrad 10 wird die Stellung jedes Laufradflügels 12 durch eine Federvorrichtung festgelegt, die die Flansche 28 und 29 gegeneinander zu drücken versucht. Zur dieser Federvorrichtung gehört eine Druckfeder 30 mit kleinem Durchmesser, die zwischen der der Hohlachse 20 zugekehrten Innenseite des Laufradflügels 12 und der äußeren Endfläche der Befestigungsachse 20 angebracht ist. Die Feder 30 ist hierbei ^:n einer Ausnehmung des Dekkels 22 angeordnet. Hierdurch kann die Feder 30 über den Deckel 22 auf die Laufradflugel-Befestigungsachse 20 und über den Kopf einer in den Fiügelfußteil 1.8 eingeschraubten selbsthemmenden Schraube 31 auf den Fußteil 18 des Laufradflügels einwirken. Die Öffnung 25 in dem Deckel 22 führt in die die Feder 30 aufnehmende Ausnehmung. Ein Durchlaß oder eine Nut, durch die das Schmiermittel dem Lager 19 in dem Lagergehäuse 24 in der gewünschten Weise zugeführt wird, ist zwischen der Wand der Ausnehmung und dem Deckel 22 auf der

ίο einen Seite und der Feder 30, dem Schraubenkopf und dem Flügelfußteil 18 auf der anderen Seite angeordnet. Hierdurch wird der Federvorrichtung wie auch dem Boden der Ausnehmung und dem Kopf der Schraube Schmiermittel zugeführt, so daß auf diese Weise und wegen der kleinen Berührungsfläche zwischen den Teilen bei der Drehbewegung der Laufradflügel 12 nur minimale Reibungskräfte entstehen.

Damit die Laufradflügel 12 gleichmäßig und gleichzeitig gedreht werden können und um die Laufradflügel auf den gewünschten Anstellwinkel einzustellen, ist eine für alle Laufradflügel gemeinsame einstellvorrichtung vorgesehen. Diese besteht aus einer kreisförmigen Einstellscheibe 32. die gegenüber dem Axialverdichter-Laufrad 10 in Axialrichtung verschieblich ist Hierfür besitzt die Einstellscheibe 32 einen zentralen zylindrischen Teil 33, der koaxial zum Axialverdichter-Laufrad 10 angeordnet und auf einem zylindrischen Abschnitt 34 des mittleren Abschnitts 15 der Laufradnabe 11 montiert ist. Die Einstellscheibe trägt mehrere Bewegungs-Übertragungshebel 35, die sich zwischen der Einstellscheibe und einem zugeordneten Flügel erstrecken, wobei das der Scheibe 32 abgekehrte Ende jedes Hebels unter Zwischenschaltung eines Lagers 36 mit einem entsprechenden Flügel-Einstellarm 37 verbunden ist, der seinerseits wiederum starr mit dem ihm zugeordneten Laufradflügel 12 verbunden ist und dabei gegenüber seiner Drehachse radial nach außen hervorsteht, so daß das Lager 36 im Abstand zur Drehachse des zugeordneten Lagers 19 gelegen ist. Die Laufflügel-Einsteriarme 37 sind als Teile des Lagergehäuses 24 ausgebildet und stehen über diese Gehäuse mit dem Fußteil 18 der entsprechenden Laufradflügel 12 in Verbindung.

Die axiale Verstellung der Scheibe 32, die sich normalerweise zusammen mit dem Axialverdichter-Laufrad 10 dreht, erfolgt mit Hilfe eines doppeltwirkenden Zylinderkolbenaggregats 38 aus einem Kolben 39 und einer aus dem Zylinder 40 axial herausgeführten Kolbenstange 41. Diese ist mit ihrem äußeren Ende mittels eines Verbindungselements 42 fest mit der Laufradnabe Hl verbunden, während der Zylinder 40 über die Teile 43, 44 fest mit dem mittleren zylindrischen Teil 33 der Einstellscheibe 32 verbunden ist. Mit dem Druckzylinder 38 sind in bekannter Weise Vorrichtungen 45 verbunden, die wahrend des Laufs des Axial Verdichters der einen oder der anderen Seite des Kolbens 39 Antrebsmedium zuführen. Während des Laufs des Axialverdichter kann die Zuführung des Antriebsmediums in bekannter Weise dadurch überwacht werden, daß die Laufradflügel 12 selbsttätig in den Stellungen gehalten werden, in denen der Axialverdichter beispielsweise einen konstanten Gasfluß, einen konstanten Gasdruck öd. dgl. erzeugt.

Die Bewegungsübertragungshebel 35 sind mit einem Ende jeweils starr mit der Einstellscheibe 32 durch eine Befestigungsvorrichtung 46 verbunden und mit ihrem äußeren Ende für eiii? Längs- sowie eine allseitige Bewegung in den Lagern 36 gelagert Hierzu weisen die Bewegungsübertragungshebel 35 an ihrem lagerseitigen Ende einen Zapfen 47 auf, der in einer Bohrung

beweglich angeordnet ist, die in einem allseitig bewegbaren und im wesentlichen sphärischen Lagerelement angeordnet ist, wie dies aus F i g. 3 hervorgeht. Die Einstellscheibe 32 ist ebenfalls auf dem zylindrischen Nabenabschnitt 34 drehbar aufgebracht. Wenn die F.instelischeibe 32 verstellt wird, bewegt sich der Zapfen 47 auf einer bogenförmigen Bahn um die Drehachse des zugeordneten Laufradflügels 12 während der Drehung desselben. Gleichzeitig dreht sich die Einstellscheibe 32 etwas um den Nabenteil 34, wobei die Zapfen 47 eine geringfügige Drehbewegung und eine Axialbewegung in den zugeordneten Lagern 36 ausführen.

Nach der Darstellung in F i g. 3 sind die Einstellarme 37 derart ausgeführt, daß sie die Lagergehäuse für die Lager 36 bilden, wobei die Lagergehäuse durch Dichtungen 48 abgedichtet sind, die an den Zapfen 47 anliegen. Die in die Einstellarme 37 eingearbeiteten Lagergehäuse stehen über die Kanäle 49 mit dem Inneren des LdgcfgehdüSeS 24 ιϋΓ die Ldgcr 59 in Verbindung, wobei die Kanäle derart angeordnet sind, daß das Schmiermittel aus der Kammer 26 infolge der während des Laufs des Verdichters auftretenden Zentrifugalkräfte über die öffnungen 25 in dem Deckel, die Lagergehäuse 24 und den Kanal 49 in die Gehäuse der Lager 36 gcurückt wird.

Um die empfindlicheren Konstruktionselemente des Axialverdichter-Laufrades 10 vor den von dem Axialverdichter geförderten Gaser, zu schützen, und um gleichzeitig günstige Strömungsbedingungen für diese Gase zu schaffen, weist die Laufradnabe 11 von ihr ausgehende Abschirmelemente 50, 51 und 52 auf. Das Abschirmelement 51 ist ein am Umfang des Verdichters angeordneter Ring mit runden Löchern, die die Fußteile 18 der Laufradflügel 12 aufnehmen, wobei die Zwischenräume zwischen den Löchern und den Fußteilen 18 der Laufradflügel durch Dichtungsringe 53 abgedichtet sind, weiche, wie F i °. 1 erkennen iäöt, in Ausnehmungen eingesetzt sind, die in die Begrenzungswände der Löcher eingearbeitet sind. Das Abschirmelement 52 trägt bei 54 eine Dichtung, die mit dem zylindrischen Teil 54 zusammenwirkt, das gemeinsam mit der Einstellscheibe 32 in axialer Richtung verfahrbar ist.

Zum Einstellen der Begrenzungspositionen für die Axialbewegung der Einstellscheibe 32 und damit auch der Begrenzungsstellungen der Drehbewegung der Laufradflügel 12. sind auf den der Einstellscheibe 32 gegenüberliegenden Seiten jeweils Anschlagselemente 55 (F i g. 1) und Anschlagselemente 56 (F i g. 2) angeordnet Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Anschlagselemente 55 und 56 Muttern und Scheiben auf, die auf den zugehörigen Gewindebolzen 57 axial verstellbar sind. Die Gewindebolzen 57 sind in gleichmäßiger Winkelverteilung um die Welle 14 angeordnet und mit einem Ende axial verstellbar mit dem Nabenteii Ib verbunden, während das andere Ende der Gewindebolzen in den Buchsen 58 des Abschirmelementes 52 geführt ist Der Teil der Scheibe 32, durch den die Gewindebolzen 57 hindurchgeführt sind, ist, wie F i g. 3 bei 59 erkennen läßt, mit Schlitzen versehen, welche gegenüber der Achse des Axialverdichter-Laufrades 10 sowohl eine Längsbewegung als auch eine Drehbewegung der Scheibe 32 zulassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Einstellscheibe 32 von einem Verstärkungsring 60 geführt und gehalten, der zwischen der Scheibe 32 und dem Teil schräg angeordnet ist und der mit Bohrungen für die Gewindebolzen 57 und mit Buchsen 61 versehen ist, gegen die die Anschlagselemente 55 zur Anlage kommen. Auch diese Bohrungen und Buchsen haben einen länglichen oder schlitzförmigen Querschnitt, der die erforderliche Verschiebe- und Drehbewegung der Einstellscheibe 32 ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Axialverdichter mit einem Laufrad mit verstellbaren Laufradflügeln, deren Fu&teil über ein die Drehbewegung des Laufradflügels ermöglichendes Lager mit dem äußeren Ende einer radial zu dem Verdichter-Laufrad gelegenen Laufradflügel-Befestigungsachse verbunden ist. die mit ihrem inneren Ende auf der Außenseite eines Laufradnabenkran- ίο zes anliegend, starr an diesem befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradflügel-Befestigungsachse (20) durch zwischen dem äußeren Ende der Achse und dem Laufradnabenkranz (17) wirkende Vorspannungsmittel (21) in Längsrichtung gegen den Nabenkranz vorgespannt ist.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Laufradflügel-Befestigungsachse (20) mittels Kopfschrauben (21) od. dgl., die in Gewindebö drangen des Laufradnabenkranzes (17) eingeschraubt sind, sowohl vorgespannt als auch mit dem Nabenkranz verbunden ist, wobei der Schraubenkopf gegen das radial äußere Ende der Befestigungsachse (20) wirkt und die Schrauben (21) frei durch die Befestigungsachse (20) hindurchgeführt sind.