DE3325756C1 - Verstellbarer Leitapparat - Google Patents
Verstellbarer LeitapparatInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
- F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
- F04D29/46—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
- F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
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- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen verstellbaren Leitapparat einer Strömungsmaschine, insbesondere einer
Abgasturbine eines Turboladers, mit einem Kranz von konzentrisch um eine Rotoraehse angeordneten
Leitschaufeln, welche jeweils zwischen Endbegrenzungen um Schwenkachsen, die im vorderen, den Ausströmkanten
zugeordneten Bereich der Leitschaufeln angeordnet sind, schwenkbar sind und wobei mittels
eines Verstellringes oder dergleichen eine der Endbegrenzungen einstellbar ist.
In der DE-OS 23 29 022 ist ein verstellbarer Leitapparat für die Leitschaufeln einer Gasturbine beschrieben,
deren Leitschaufeln um Schwenkachsen schwenkbar angeordnet sind. Zur Verschwenkung der Leitschaufeln
weisen diese im Bereich ihrer Anströmkanten seitliche Stifte auf, die in. axiale Führungsnuten eines Verstellringes
eingreifen. Die Leitschaufeln können zwar zwischen Endbegrenzungen mittels des Verstellringes geschwenkt
werden, doch ist eine freie Schwenkbarkeit der Leitschaufeln nicht gegeben. Die Leitschaufeln sind
in jedem Betriebsbereich der Gasturbine entsprechend der Einstellung des Verstellringes zwangsgeführt.
In der DE-OS 24 55 361 ist ein verstellbarer Leitapparat einer Turbine bzw. eines Kompressors beschrieben,
bei welchem die Schaufeln einerseits in einem Gehäuse und andererseits an einem Verstellring angelenkt sind.
Dieser Verstellring ist zwischen zwei festen Anschlägen einstellbar. Die Leitschaufeln sind also mechanisch
zwangsweise geführt, wobei ein vergleichsweise großer mechanischer Aufwand erforderlich ist, um jede Leitschaufel
um jeweils zwei Schwenkachsen, wobei ein Exzenter, Langloch oder dergleichen vorgesehen sind, zu
lagern. Ferner müssen für die Verstellung der Leitschaufeln äußere Verstellkräfte in zwei Richtungen aufgebrachtwerden.
Ferner ist in der US-PS 41 79 247 ein Turbolader mit einem verstellbaren Leitapparat beschrieben, bei welchem die Schwenkachsen jeder Leitschaufel mit einem Hebel drehfest verbunden sind. Diese Hebel stehen mit einem Verstellring, welcher ein Langloch oder dergleichen aufweist, in Wirkverbindung, so daß bei einer Drehung des Verstellringes der Hebel und somit auch die zugeordnete Leitschaufel entsprechend gedreht wird. Auch hier ist also eine Zwangsführung vorgesehen, wobei die Stellkräfte in beiden Richtungen aufgebracht werden müssen. Aufgrund der Zwangsführung wird dem strömenden Medium die Strömungsrichtung im Leitapparat vorgegeben. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere im Teillastbereich des von dem Turbolader aufgeladenen Motors, aufgrund von Spalt- und Stoßverlusten hierdurch der Verbrauch nachteilig beeinflußt wird.
Ferner ist in der US-PS 41 79 247 ein Turbolader mit einem verstellbaren Leitapparat beschrieben, bei welchem die Schwenkachsen jeder Leitschaufel mit einem Hebel drehfest verbunden sind. Diese Hebel stehen mit einem Verstellring, welcher ein Langloch oder dergleichen aufweist, in Wirkverbindung, so daß bei einer Drehung des Verstellringes der Hebel und somit auch die zugeordnete Leitschaufel entsprechend gedreht wird. Auch hier ist also eine Zwangsführung vorgesehen, wobei die Stellkräfte in beiden Richtungen aufgebracht werden müssen. Aufgrund der Zwangsführung wird dem strömenden Medium die Strömungsrichtung im Leitapparat vorgegeben. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere im Teillastbereich des von dem Turbolader aufgeladenen Motors, aufgrund von Spalt- und Stoßverlusten hierdurch der Verbrauch nachteilig beeinflußt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitapparat der eingangs genannten Art vorzuschlagen,
welcher einen vergleichsweise einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und bei welchem die Verstellkräfte
auch nur in einer Richtung aufzubringen sind.
Darüber hinaus sollen Spalt- und/oder Stoßverluste im Hinblick auf einen niedrigen Verbrauch reduziert werden.
Schließlich soll auch die Einleitung der Verstellkraft den Verstellring in einfacher Weise und darüber hinaus
auch an der jeweils gewünschten Stelle erfolgen können. Ein kompakter und gewichtsparender Aufbau und
ferner eine hohe Betriebssicherheit soll erreicht werden. Ferner soll bei geringem Gewicht eine funktionsgerechte
Anpassung an die betrieblichen Anforderungen sowie die Einbaubedingungen gegeben sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Leitschaufeln derart angeordnet sind, daß sie unter
Strömungskräften in einem mittels der Endbegrenzungen vorgegebenen Einstellwinkelbereich frei schwenkbar
sind.
so Der vorgeschlagene Leitapparat weist einen vergleichsweise einfachen konstruktiven Aufbau auf, und
Verstellkräfte sind nur in einer Richtung aufzubringen. Innerhalb der durch die Endbegrenzungen vorgegebenen
Grenzen erfolgt bei Normalbetrieb bzw. im Teillastbereich eine automatische Einstellung der Leitschaufeln
entsprechend der Stromlinienrichtung. Somit wird eine nicht unerhebliche Reduzierung von Spalt-
und Stoßverlusten im Teillastbereich erreicht, wenn kein oder auch nur ein geringer Ladedruck für den Motor
erforderlich ist. In diesem Betriebsbereich stellen sich somit die frei schwenkbaren Leitschaufeln auf »Minimalverlust«
ein, ohne daß hierfür ein hoher Kontroll- und Regelaufwand, wie es bei zwangsgeführten Leitschaufeln
erforderlich wäre, vorzunehmen ist. Darüber hinaus muß festgehalten werden, daß bei erhöhtem Ladedruck
im Vergleich mit voll geführten Leitschaufeln übereinstimmende Ergebnisse erzielt werden. Der Leitapparat
weist eine hohe Betriebssicherheit bei einer ein-
fachen Bauweise auf, wobei die Verstellkraft praktisch an jedem gewünschten Punkt eingeleitet werden kann;
eine Anpassung an die jeweiligen Einbauverhältnisse kann ohne Schwierigkeiten erfolgen. Wesentlich ist
hierbei, daß die schwenkbaren Leitschaufeln nicht durch ein äußeres, an ihren Schwenkachsen angreifendes
Drehmoment verstellt werden, sondern daß sie im Teillastbereich frei schwenkbar zwischen den variablen
Endbegrenzungen sind. Andererseits werden die Leitschaufeln bei weiterer Belastung aufgrund den aus
der Strömung resultierenden Schaufelkräften, die zwischen der Schwenkachse und der einstellbaren Endbegrenzung
angreifen, auf den jeweils durch die Endbegrenzung vorgegebenen größtmöglichen Winkel aufgedreht.
Die Einstellung der Endbegrenzung kann bei einem Turbolader beispielsweise nach der Ladedruckcharakteristik
erfolgen. Es bedarf keiner besonderen Hervorhebung, daß bei anderen Strömungsmaschinen die
Einstellbarkeit entsprechend den jeweils zweckmäßigen Parametern vorgenommen werden kann. Es ist ersichtlich,
daß aufgrund der Einstellbarkeit in Abhängigkeit von vorwählbaren Parametern eine optimale Anpassung
an die jeweiligen Anforderungen und Einsatzbedingungen durchführbar ist.
In einer besonderen Ausführungsform weisen die Leitschaufeln einen seitlichen Führungsstift auf, der in
einer verstellbaren Führungsnut gleitet. Es sei festgehalten, daß mittels des oben genannten Verstellringes die
vorgeschlagene Führungsnut in der gewünschten Weise einstellbar ist. Aufgrund der seitlichen Anordnung des
Stiftes bleibt der Durchtrittsbereich zwischen den Leitschaufeln frei.
In einer alternativen Ausführungsform ist in der Wand des Strömungskanals jeweils ein verstellbarer
Führungsstift vorgesehen, welcher in einer an der Stirnseite der Leitschaufeln vorgesehenen Führungsnut oder
an der stromabwärts gelegenen Profilseite gleitet. Bei dieser Ausführungsform bildet der zweckmäßig mit
dem Verstellring direkt verbundene Führungsstift eine zuverlässige Auflagerung bzw. Begrenzung für die
Leitschaufeln, wobei auch hier ein vergleichsweise geringer Fertigungsaufwand erforderlich ist.
In einer besonders wesentlichen Ausgestaltung ist für ein zentripetal durchströmtes Laufrad der Verstellring
mit sägezahnförmigen Auflageflächen für die freien Enden der Leitschaufeln versehen. Die erfindungsgemäßen
sägezahnförmigen Auflageflächen weisen zur Rotorachse einen geringeren Abstand auf als die Schwenkachsen.
Die Kurvenform kann den jeweiligen Anforderungen entsprechend vorgegeben werden. Zweckmäßig
sind die Kurven derart vorgegeben, daß einem Verstellwinkel des Verstellringes auch ein definierter Verstellwinkel
der Schaufeln zugeordnet ist, wobei vor allem auch eine lineare Abhängigkeit ohne Schwierigkeiten
vorgegeben werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform für ein axial durchströmtes Laufrad liegen die freien Enden der
Leitschaufeln teilweise auf dem im Strömungskanal angeordneten Verstellring auf, welcher in axialer Richtung
verstellbar ist. Auch bei dieser Ausführungsform befindet sich der Verstellring in Strömungsrichtung hinter
den Schwenkachsen, so daß das durch die Schaufelkräfte bewirkte Aufdrehen durch das Anlagen der freien
Enden an den Verstellring begrenzt wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine Abgasturbine,
F i g. 2 teilweise eine Ansicht in Blickrichtung A) bzw. einen Schnitt entlang Schnittlinie 11 gem. F i g. 1,
F i g. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Axialschnittes durch den Strömungskanal von Axial-Leitschaufeln,
F i g. 4 teilweise eine in die Zeichenebene projizierte Ansicht in Blickrichtung fingern. F i g. 3.
F i g. 1 zeigt rein schematisch eine Abgasturbine mit einem zentripetal durchströmten Laufrad 2. Es ist ein
spiralförmiger Einströmkanal 4 vorhanden, durch welchen in gewohnter Weise das radial nach innen strömende
Abgas zu den über den Umfang verteilt angeordneten Leitschaufeln 6 gelangt. Die Leitschaufeln 6 sind in
einem Gehäuse 8 um eine Schwenkachse to schwenkbar angeordnet, wobei die Schwenkachse sich im Bereich
der Anströmkante befindet. Im Gehäuse 8 ist ferner ein in geeigneter Weise um die Rotorachse 12 drehbarer
Verstellring 14 angeordnet. Die Leitschaufeln liegen mit ihren freien, radial nach innen weisenden Enden
16 auf einem Vorsprung 18 des Verstellringes 14 auf.
Der Verstellring 14 bzw. der Vorsprung 18, wobei entsprechende Vorsprünge auch für die übrigen über den
Umfang verteilten Leitschaufeln vorhanden sind, weist eine nachfolgend noch zu erläuternde sägezahnförmige
Kontur auf. Durch diese Vorsprünge 18 sind für die jeweiligen Leitschaufeln 6 innere Endbegrenzungen geschaffen,
an welchen sich die Leitschaufeln bei zunehmender Belastung anlegen; im übrigen sind die Leitschaufeln
um ihre Schwenkachse 10 frei schwenkbar. Mittels geeigneter Verstellmittel, welche bevorzugt
pneumatisch oder auch mechanisch ausgebildet sind, ist der Verstellring 14 in die gewünschte Winkelstellung
bezüglich der Rotorachse 12 einstellbar.
F i g. 2 zeigt im linken Teil eine Ansicht in Blickrichtung A und ferner im rechten Teil einen Schnitt entlang
Schnittlinie II gem. Fig. 1. Der Verstellring 14 weist an
seiner radialen Außenfläche die sägezahnförmig ausgebildeten Vorsprünge 18 auf, wobei jeder Leitschaufel 6
ein derartiger Vorsprung 18 zugeordnet ist. In der Zeichnung ist die Stellung gezeigt, in welcher der Strömungsquerschnitt
zwischen den Leitschaufeln am größten ist. Durch Drehen des Verstellringes 14 um die Rotorachse
12 in Richtung des Pfeiles 20 wird der Strömungsquerschnitt verringert. Die freien Enden 16 der
Leitschaufeln 6 werden auf der sägezahnförmigen Kontür in radialer Richtung nach außen bewegt. Durch den
derart ausgebildeten Verstellring 14 ist die innere variable Endbegrenzung für die Leitschaufeln 6 geschaffen.
Die äußere Endbegrenzung wird bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform durch die Ümfangsrichtung
jeweils nächst folgende Leitschaufel gebildet. Bei geringer Belastung stellen sich die Leitschaufeln 6 entsprechend
der Druck- und Strömungsverhältnisse zwischen diesen beiden Endbegrenzungen ein, wodurch Spalt-
und Stoßverluste auf ein Minimum reduziert werden und folglich in diesem Teillastbereich, im Vergleich zu
voll geführten Leitschaufeln, sich nicht unerheblich geringere Verluste ergeben. Erfindungsgemäß sind die sägezahnförmigen
Kurven bzw. Oberflächen der Vorsprünge 18 derart ausgebildet, daß eine proportionale
Abhängigkeit zwischen der Änderung des Drehwinkels des Verstellringes 14 und der Änderung des Einstellwinkels
der Leitschaufeln 6 gegeben ist. Ferner ist von wesentlicher Bedeutung, daß im Bereich der Vorsprünge
18 des Verstellringes 14 und somit im Bereich der Abströmkanten bzw. der freien Enden der Leitschaufeln 6
eine Verengung der Strömungsbreite gegeben ist.
F i g. 3 zeigt rein schematisch den Leitapparat für eine Abgasturbine mit einem hier nicht weiter dargestellten
axial durchströmten Leitrad. Konzentrisch zur Rotorachse ist der Verstellring 14 zu sehen, welcher hier als
ein Hohlring ausgebildet ist und welcher erfindungsgemäß im Strömungskanal radial außen angeordnet ist.
Die Leitschaufeln 6 sind um im wesentlichen radial ausgerichtete Schwenkachsen 10 schwenkbar, welche sich
am vorderen Ende bzw. im Bereich der Anströmkanten befinden. Das freie Ende bzw. die Abströmkante der
Leitschaufel 6 liegt mit einem kleinen, radial außen liegenden Teil an der Stirnfläche des Verstellringes 14 an.
Der Verstellring 14 ist in geeigneter Weise im Gehäuse 22 geführt, und er ist parallel zur Rotorachse 12 beispielsweise
über einen Bolzen 24 verstellbar.
F i g. 4 zeigt in die Zeichenebene projiziert einen Teil des Leitapparates in Blickrichtung B gem. F i g. 3. Das
Gehäuse 22 weist für den Bolzen 24 einen schräg liegenden Schlitz 26 auf, so daß nicht nur eine axiale Verstellbarkeit
in Richtung der Rotorachse sondern gleichzeitig auch eine Drehung um die Rotorachse für den Verstellring
14 gegeben ist. Erfindungsgemäß ist dadurch eine leichte Einstellbarkeit des Verstellringes gewährleistet.
Die Leitschaufeln 6 liegen, wie in Verbindung mit F i g. 3 ohne weiteres erkennbar, mit dem äußeren Teil ihrer
Abströmkante an dem Verstellring 14 an, der somit die eine Endbegrenzung bildet. Durch Bewegung des Ver-Stellringes
14 in Richtung des Pfeiles 20 wird auch bei dieser Ausführungsform die Endbegrenzung verändert.
Es bedarf keiner besonderen Hervorhebung, daß die andere Endbegrenzung durch die benachbarte Leitschaufel
jeweils gegeben ist. Mit zunehmendem Ladedruck wird die durch den Pfeil 28 angedeutete Kraftkomponente
des einströmenden Mediums größer, wodurch die Leitschaufeln 6 fest an die mittels des Verstellringes
14 vorgegebene Endbegrenzung gedrückt werden. Bei geringerem Ladedruck, also im Teillastbereich,
geht die genannte Komponente gegen Null, und die erfindungsgemäß zwischen den Endbegrenzungen frei
schwenkbaren Leitschaufeln stellen sich in die jeweils günstigste Winkelstellung automatisch ein. Eine nicht
unwesentliche Reduzierung von Spalt- und Stoßverlusten ist gegeben.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
45
55
60
Claims (5)
1. Verstellbarer Leitapparat einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Abgasturbine eines Turboladers,
mit einem Kranz von konzentrisch um eine Rotorachse angeordneten Leitschaufeln, welche jeweils
zwischen Endbegrenzungen um Schwenkachsen, die im vorderen, den Ausströmkanten zugeordneten
Bereich der Leitschaufeln angeordnet sind, schwenkbar sind, wobei mittels eines Verstellringes
oder dergleichen eine der Endbegrenzungen einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitschaufeln (6) derart angeordnet sind, daß sie unter den Strömungskräften in einem mittels der
Endbegrenzungen vorgegebenen Einstellwinkelbereich frei schwenkbar sind,
2. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1, wobei
jede Leitschaufel seitlich einen Stift aufweist, welcher in eine Führungsnut eingreift, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels der verstellbaren Führungsnut der Einstellwinkelbereich vorgebbar ist.
3. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Seitenwand des
Strömungskanales für jede Leitschaufel (6) ein verstellbarer Führungsstift vorgesehen ist, der in einer
an der Stirnseite der Leitschaufel (6) vorgesehenen Führungsnut oder an der stromabwärts gelegenen
Profilseite der Leitschaufel (6) gleitet.
4. Verstellbarer Leitapparat für ein zentripetal durchströmtes Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verstellring (14) einen Teil der Wand des Strömungskanales bildet und
als Endbegrenzungen an Vorsprüngen (18) sägezahnförmige Auflageflächen für die freien Enden
(16) der Leitschaufeln (6) aufweist.
5. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein axial durchströmtes
Laufrad die freien Enden der Leitschaufeln teilweise auf einem im Strömungskanal angeordneten
und als Hohlring ausgebildeten Verstellring (14) aufliegen.
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