DE3542762C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem aus der DE-OS 24 28 969 bekannten verstellbaren Diffusor eines Radialverdichters ergibt sich ein vergleichs­ weise hoher Verstellmittelaufwand; dort kann durch Aufdrehen der betreffenden Diffusorleitschaufeln der jeweilige Strö­ mungsquerschnitt bzw. Engquerschnitt zwischen den benach­ barten Leitschaufeln erweitert werden, um somit eine größere Kennfeldbreite des Verdichters zu ermöglichen. Im bekannten Fall sind die Diffusorleitschaufeln - von innen nach außen gesehen - sich jeweils gleichförmig keilförmig erweiternd aus­ gebildet sowie jeweils um einen verhältnismäßig weit strom­ auf liegenden Drehzapfen verschwenkbar. Die gemeinsame Schau­ felverstellung erfolgt im Wege eines koaxial entlang der be­ treffenden Diffusorwand verdrehbaren Schaufelverstellrings, der mittels Zapfen in jeweils gleichförmig ausgebildete und angeordnete Ausgangslöcher der Diffusorschaufeln eingreift.

Eine dem Oberbegriff (Gattung) des Patentanspruchs 1 und 2 zugrunde gelegte und aus der DE-PS 31 47 334 bekannte Ein­ richtung verlangt einen extrem genauen und hohen Bau- und Her­ stellungsaufwand, um die engsten Strömungsquerschnitte zwi­ schen den Diffusorleitschaufeln steuern zu wollen. Im bekann­ ten Fall erfolgt die Steuerung im Rahmen einer kombinierten Hub-Schub-Bewegung eines Schiebers unter Zuordnung eines bei der Schieberverstellung zwangsgesteuerten, verdrehbaren Klap­ penbauteils. Mit diesem Klappenbauteil soll die druckseitige Kanalöffnung wahlweise freigelegt oder abgesperrt werden. Nur separat von der Verstellung des Klappenteils kann die saug­ seitige Kanalöffnung des Bypass-Kanals vom geneigten äußeren Schieberende verschlossen werden. In der Endstellung "Bypass offen" sollen eine Wandfläche des Schiebers und eine Wand­ fläche des Klappenbauteils im wesentlichen eine geradwandige Kanalwand des Bypass-Kanals ausbilden. Für die Schieber- und Klappenverstellung ist also eine darauf abgestimmte bauliche Mitwirkung praktisch der gesamten Schaufelinnenstruktur erfor­ derlich. Auch dürfte es im bekannten Fall einen nicht unerheb­ lichen Steuer- und Verstellmittelaufwand erfordern (Steuer­ kolben, Gestänge), um eine für sämtliche Diffusorleitschaufeln gleichförmige Verstellkrafteinleitung für die Steuerung der engsten Querschnitte zu ermöglichen.

Demgemäß verlangt die bekannte Lösung einen "urmacherhand­ werklichen", hoch-präzisen und teueren Herstellungsprozeß, wobei die Vielzahl und die erforderliche Genauigkeit der beteiligten Bauteile bzw. Bauteilpartner verhältnismäßig frühzeitige Störanfälligkeiten im Betrieb erwarten lassen.

Aus der DE-PS 9 61 742 ist es bekannt, insbesondere eine Tur­ binenschaufel einer Gasturbine hinsichtlich ihres Anstell­ winkels dadurch verformend auszubilden, daß schaufeldruck- oder saugseitige Profilwandteile aus Werkstoffen mit unter­ schiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen. Im bekann­ ten Fall wird also der überwiegende Teil der Schaufelprofil­ geometrie einer Verformung ausgesetzt. Insoweit stellt der vorliegende bekannte Fall im wesentlichen lediglich eine Alternative zu mit hohem Aufwand zu verstellenden Turbinen­ leitschaufeln von Turbinen dar, ohne einen Weg für eine in wesentlichen Teilen optimierte und vereinfachende Steuerbau­ weise der engsten Strömungsquerschnitte bei einer Einrichtung nach der eingangs genannten Art aufzuzeigen.

Aus der DE-AS 10 55 882 ist es bei einer Brennkraftkolbenma­ schine mit Abgasturbine ("Turbolader") bekannt, eine oder bei­ de Seitenwände des Leitapparates der Abgasturbine ganz oder teilweise aus einem Bimetall zu fertigen, das im Sinne einer Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates verformt werden soll; dies u.a. unter Ausnutzung der Abgas­ temperaturänderung oder unter möglicher Verwendung aus dem Verdichter entnommener Luft (Kühlmittel). Hiermit geht zwar schon eine Verringerung des Bau- und Verstellmittelaufwands im Hinblick auf herkömmliche Leitschaufelverstellkonzepte ein­ her, ohne daß jedoch ein greifbarer Lösungsweg in bezug auf eine Einrichtung nach der eingangs genannten Gattung aufge­ zeigt wäre, um die verhältnismäßig klein dimensionierten By­ paßkanäle im Eintrittsbereich von Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters genau, aerodynamsich störungsfrei sowie mit verhältnismäßig geringem Bauaufwand verschließen oder frei­ legen zu können.

Aus dem Abstrakt zur japanischen Patentanmeldung 59-18 208 ist eine berührungslos arbeitende labyrinthartige Spaltdich­ tung zwischen Rotor und Stator eine Turbomaschine bekannt, bei der ein statorseitig verankerter Packungsring entlang seiner Oberfläche in axialem Abstand angeordnete Dichtrippen auf­ weist, die in gleichförmig wechselnder radialer Längener­ streckung in Umfangsnuten eingreifen bzw. mit geringen Abständen zu örtlichen Rotorgegenflächen - zwischen Nuten - angeordnet sein sollen. Dabei sollen die Dichtrippen aus einer Memory-Legierung gefertigt sein derart, daß die Rippen - unter vorgegebener Beeinflussung aus erhöhter örtlicher Umgebungs­ temperatur - an den äußeren Enden jeweils in gleicher seitlicher Richtung und Form umgebogen werden; mithin soll damit also über den gesamten Betriebszustand ein angemessener Dichtspalt aufrechterhalten werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgae zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die bei einem extrem geringen mechanischen Verstell­ mittelaufwand gewichtlich leicht ist und unter extrem geringer Raumbeanspruchung eine genaue, zuverlässige Steuerung der engsten Querschnitte gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach der eingangs genannten Art (Oberbegriff des Patentanspruchs 1) durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 oder 2 enthaltenen Erfindungsmerkmale gelöst.

Bei Bimetallen handelt es sich bekanntlich um die Verbindung zweier Metallstreifen verschieden großer Wärmedehnung (unter­ schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten), die z.B. durch Schweißung oder Verklebung miteinander verbunden sind, wobei sich die Streifenkombination bei einer Temperaturänderung krümmt.

Der Begriff "Memory-Legierungen" bzw. des "Memoryeffektes" beruht auf der ursprünglich gemachten Erkenntnis, daß eine bestimmte Legierung bei Über- oder Unterschreitung charakte­ ristischer Temperaturwerte zwischen zwei Gefügephasen im Festzustand wechseln kann. Besonders ausgeprägt und exakt tritt dieser "Memory-Effekt" bei einer Nickel-Titanlegierung auf.

Der Begriff des "Memory-Effekts" beruht also auf dem experi­ mentell gewonnenen Eindruck, daß das betreffende Legierungs­ bauteil sich an seine frühere Form "erinnert", wodurch Begriffe wie "Formgedächtnis-Effekt" (englisch: "shape memory effect") geprägt wurden.

Bezüglich Anspruch 2 (Memorylegierungsbauteil) wird davon ausgegangen, daß das betreffende Absperrelement eine ihm bei niedriger Temperatur mechanisch aufgeprägte Form zunächst un­ verändert selbst dann beibehält, wenn die Beaufschlagungstem­ peratur ansteigt. Erst dann, wenn diese Beaufschlagungstempe­ ratur einen sogenannten "Schwellenwert" überschreitet, "erinnert" sich das betreffende Bauteil an seinen ursprüngli­ chen Formzustand, geht also in seine ursprüngliche Form über. Im Wege dieser Rückverformung ist das betreffende Bauteil in der Lage, mechanische Arbeit im Sinne eines Öffnens oder Verschließens der Bypaßkanäle zu leisten.

Während bei einem Bimetallbauteil (Anspruch 1) die beiden hin­ sichtlich Wärmedehnung stark differierenden Streifen den gewünschten variablen Verformungseffekt erzeugen, sind dafür beim Memory-Effekt (Anspruch 2) zwei sich unterschied­ lich ausbildende Werkstoffkristallstrukturen veranwortlich.

Während ferner beim Bimetallbauteil, bei entsprechender Er­ wärmung, eine stetige Verformung zugrunde gelegt werden kann, muß beim Memorybauteil eher eine plötzliche oder "sprunghafte" Verformung zugrunde gelegt werden, d.h., der Übergang zwischen den beiden Formzuständen findet in einem Temperaturbereich von nur wenigen Grad C statt.

Im Wege der reinen Gefügewandlung ergeben sich somit beim Memorybauteil praktisch keine Reib- oder anderweitige Ver­ schleißerscheinungen; beispielhaft hierzu später noch genann­ te Materialien können als "dauerfest" bezeichnet werden. Letzteres gilt sinngemäß auch für die betreffend genannte Bimetall-Werkstoff-Auswahl.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 ergeben sich aus den Patentansprüchen 3 bis 6.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung im Rahmen eines Diffusorleitschaufelsteuerkonzepts für einen Radialverdichter eines Gasturbinentriebwerks erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen achsparallelen Schnitt einer Radialver­ dichtersektion nebst Diffusor,

Fig. 2 einen achsnormalen Teilschnitt des Verdichters nebst Diffusor nach Fig. 1,

Fig. 3 ein aus der Ansicht nach Fig. 2, jedoch unter einem abweichenden Anstellwinkel wiedergegebenes anströmseitiges Ende einer Diffusorleitschaufel nebst als Memorylegierungsbauteil ausgebildetem Absperrelement, in zwei verschiedenen Endstellungen,

Fig. 4 eine in Blickrichtung A der Fig. 3 gesehene Diffusorsektion,

Fig. 5 eine Darstellung im Sinne der Fig. 3, jedoch mit als Bimetallbauteil ausgebildetem Absperrelement.

In Fig. 1 ist schematisch eine Radialverdichterstufe darge­ gestellt mit dem Laufrad 1 und daran befestigten Radialver­ dichterlaufschaufeln 2. Dem Radialverdichterlaufradaustritt ist ein Radialdiffusor 3 nachgeschaltet mit Diffusorleit­ schaufeln 4, wobei der Radialdiffusor 3 austrittsseitig in einen Rohrkrümmer 5 einmündet, der mit einer Luftsammelspirale 6 verbunden ist, über welche die komprimierte Luft einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkammer eines Gasturbinen­ triebwerks zugeführt werden kann. Mit dem Laufrad 1 des Radialverdichters wird also die von außen über die Welle zugeführte Antriebsenergie in potentielle und kinetische Energie des Strömungsmediums umgewandelt. In dem mit den Leitschaufeln 4 ausgestatteten Diffusor 3 wird dann die kinetische Energie durch Verzögerung noch teilweise in potentielle Energie (Druck) umgewandelt. Die genannte Verzögerung wird durch die Kontur der Diffusorleitschaufeln 4 bestimmt. Den minimalen Durchsatz begrenzen die Diffusorengflächen 7 (Fig. 2). Durch Öffnen im Eintrittsbereich der Diffusorleitschaufeln 4 angeordneter, die Schaufeldruck- und Saugseite untereinander verbindender Bypasskanäle 8 läßt sich also die jeweilige Diffusorengfläche 7 und damit auch der Durchsatz erweitern.

Nach Fig. 3 und 4 sind die Absperrelemente 9 (ausgebildet z.B. als Memorylegierungsbauteile) von ihrem vorderen Ende 10 aus im Eintrittsbereich der Leitschaufeln 4 derart verformbar an­ geordnet, daß sie in einer ersten Endstellung (Vollaststellung /Bypasskanal 8 gänzlich verschlossen) mit ihrem hinteren Ende die Schaufelsaugseite wandbündig verriegeln. Je nach dem, ob das Absperrelement 9 als Bimetallelement (s.h. auch Fig. 5) ausgebildet oder aus einer Memory-Legierung gefertigt ist, kann die Steuerung der engsten Querschnitte 7 kontinuierlich (Bi­ metallelement) oder mehr sprunghaft (Memorylegierung) in Rela­ tion zur vorgegebenen Verformungs- oder Umschlags- bzw. Schwell­ temperatur erfolgen. Die klappenartige Verformung der Absperr­ elemente aus der Teillaststellung in die Vollaststellung (gestrichelt dargestellte Position) erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur der Verdichterluft L bzw. bei Überschrei­ tung einer vorgegebenen Temperatur der in den Diffusor 3 ein­ strömenden Verdichterluft L. Bei Unterschreitung einer vorge­ gebenen Temperatur der Verdichterluft L wird das Absperrele­ ment 9 in die erste bzw. Teillaststellung zurückverformt. Im Falle einer Memory-Legierung "erinnert" sich das Absperrele­ ment bei Erreichung einer vorgegebenen Verformungstemperatur (Umschlagstemperatur) an den ihm ursprünglich aufgeprägten Formzustand gemäß der Vollaststellung und wandert bei ent­ sprechender Verformungstemperaturunterschreitung verhältnis­ mäßig rasch wieder in die erste bzw. Teillaststellung zurück.

Es können die Absperrelemente 9 am jeweils vorderen von einer klappenartigen Verformung nicht betroffenen Ende 10 mit der betreffenden Leitschaufel 4 oder - wie in Fig. 4 dargestellt - am vorderen Ende 10, über beidseitig radial auskragende Endab­ schnitte 11, 12 mit Leitwandabschnitten 13, 14 des Diffusors 3 fest verbunden sein. Durch örtliches Einlegen des von der Ver­ formung nicht betroffenen vorderen Endes 10 der Absperrelemen­ te 9 in entsprechende Gehäusestrukturen - vor einer Verschwei­ ßung - ist auch eine vorteilhafte Einsatzmöglichkeit bei geschweißten Diffusoren gegeben.

Im Falle eines z. B. im Gußverfahren hergestellten Diffusors 3 kann das jeweilige Absperrelement 9 am vorderen, von einer Verformung nicht betroffenen Ende 10 in den Gußwerkstoff der betreffenden Leitschaufel 4 oder der Leitwandabschnitte 13, 14 des Diffusors 3 fest eingebunden sein.

Demnach sind gemäß Fig. 4 die Absperrelemente 9 in einer in Bezug auf deren vorderes Ende 10 endflächenparallelen Ebene teilweise örtlich festgelegt; in bezug auf diese Ebene können die Absperrelemente klappenartig im Sinne einer z. B. mehr kontinuierlichen (Bimetall - Fig. 5) oder mehr sprunghafen (Memory-Legierung - Fig. 3 und 4) Bewegung als Funktion einer betriebsbedingt vorgegebenen Temperaturüber- oder -unter­ schreitung der zugeführten Verdichterluft L verformt werden.

Nicht weiter dargestellt, wäre es aber auch durchaus möglich, die Absperrelemente entlang ihres gesamten endflächenparalle­ len, von der Verformung nicht betroffenen Endes örtlich festzulegen.

Ein besonders vorteilhafter und wirksamer Einsatz der Ein­ richtung ergibt sich dadurch, daß die Bimetallbauteile einerseits aus Nickel-Mangan-Stahl (große Wärmedehnung) und andererseits aus Nickel-Stahl (kleine Wärmedehnung) zu ferti­ gen sind.

Die Memory-Legierungsbauteile sollten vorteilhafterweise aus NiTi- oder CuZnAL- oder CuAlNi-Legierungen gefertigt sein.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Steuerung der engsten Strömungsquerschnitte zwischen den Diffusorleitschaufeln eines Radialverdichters eines Gasturbinentriebwerks, wobei die Diffusorleitschaufeln die Druck- und Saugseite untereinander verbindende Bypass­ kanäle in ihrem Eintrittsbereich aufweisen, die durch Ab­ sperrelemente verschließbar sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Die Absperrelemente (9) sind als Bimetallbauteile aus­ gebildet und in Abhängigkeit von der Temperatur der Verdichterluft klappenartig verformbar;
• b) die Absperrelemente (9) sind von ihrem vorderen Ende (10) aus im Eintrittsbereich der Diffusorleitschaufeln (4) derart verformbar angeordnet, daß sie den Bypasskanal (8) ent­ weder an der Schaufelsaugseite wandbündig verriegeln (Vollaststellung) oder durch gänzliches Einfahren in eine Ausnehmung der Schaufel öffnen (Teillaststellung).

2. Einrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Die Absperrelemente (9) sind als Memorylegierungsbau­ teile ausgebildet und in Abhängigkeit von der Tempera­ tur der Verdichterluft klappenartig verformbar;
• b) die Absperrelemente (9) sind von ihrem vorderen Ende aus im Eintrittsbereich der Diffusorleitschaufeln (4) derart verformbar angeordnet, daß sie den Bypasskanal (8) mit ihrem hinteren Ende entweder an der Schaufel­ saugseite wandbündig verriegeln (Vollaststellung) oder durch gänzliches Einfahren in eine Ausnehmung der Schaufel öffnen (Teillaststellung).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Absperrelement (9) am vorderen, von einer klappenartigen Verformung nicht betroffenen Ende (10) mit der betreffenden Leitschaufel (4) oder Leitwandab­ schnitten (13, 14) des Diffusors (3) fest verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, für einen durch Gießen hergestellten Diffusor, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Absperrelement (9) am vorderen von einer Ver­ formung nicht betroffenen Ende (10) in den Gußwerkstoff der betreffenden Leitschaufel (4) oder in Leitwandabschnit­ te (13, 14) des Diffusors (3) fest eingebunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallbauteile einerseits aus einem Nickel-Mangan-Stahl (große Wärmedehnung) und andererseits aus einem Nickel -Stahl (kleine Wärmedehnung) gefertigt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Memorylegierungsbauteile aus einer NiTi- oder einer CuZnAL- oder einer CuAlNi-Legierung gefertigt sind.