DE3707723A1 - Vorrichtung zur drallerzeugung in der anstroemung von turbo-maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drallerzeugung in der An­ strömung von Turbo-Verdichtern, Turbo-Pumpen und Turbinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Die gezielte Drallerzeugung in der Anströmung von Turbo-Maschinen ist eine häufig angewandte Maßnahme, um durch Änderung des Belastungsgrades die Maschinen zu steuern und zu regeln. Damit lassen sich beispielsweise bei konstanter Leistungsaufnahme (Verdichter, Pumpe) oder -abgabe (Tur­ bine) des Rotors seine Drehzahl, bei konstanter Drehzahl seine Leistung variieren. Ein Gegendrall (entgegengesetzt zur Rotor-Drehrichtung) be­ wirkt eine Maschinenbelastung und damit beispielsweise eine Drehzahlre­ duzierung, ein Gleichdrall bzw. Mitdrall (in Rotor-Drehrichtung) führt zu einer Maschinenentlastung und damit beispielsweise zu einer Drehzahl­ erhöhung.

Es wurden schon zahlreiche Vorrichtungen zur Drallerzeugung vorgeschla­ gen, von denen jede ihre spezifischen Vor- und Wachteile hat.

Die DE-AS 11 01 684 zeigt Variationsmöglichkeiten bei Drallreglern für Ventilatoren, welche nach dem Überlagerungsprinzip arbeiten. Dabei wird ein Teil der Luft mit Drall, der andere Teil drallos angesaugt. Hierfür sind getrennt einmündende Zuströmleitungen erforderlich, die Drallströ­ mung wird durch tangentiale Einmündung der einen Zuströmleitung oder durch Einbau fester Leitschaufeln in diese Zuströmleitung erzeugt. Das Mischungsverhältnis wird durch querschnittsändernde Organe in der drallosen Zuströmleitung geregelt, z. B. durch Klappen oder Schieber. Nachteilig bei dieser Lösung sind der Platzbedarf sowie der Bauaufwand für die getrennten Zuströmleitungen. Infolge der Strömungsüberlagerung ist zu erwarten, daß das Regelverhalten nicht linear ist und sogar Sprungstellen aufweist, was eine gezielte Regelung sehr erschwert.

Eine strömungstechnisch besonders günstige, konstruktiv aber sehr auf­ wendige Lösung wird bei Strahltriebwerks-Axialverdichtern und -Radial­ verdichtern angewendet. Bei diesen sind in einer oder mehreren Ebenen Schaufelgitter mit einer Vielzahl von radial ausgerichteten, um ihre Achsen drehbaren Leitschaufeln angeordnet. Im Hinblick auf eine synchro­ ne Verstellung jedes Gitters müssen alle seine Schaufeln mechanisch ge­ koppelt sein, sei es durch Hebel, Wellen oder Schaltkulissen. Infolge der radialen Schaufelausrichtung ergeben sich dabei komplizierte, räum­ liche Gebilde. Die Vielzahl von Lagerstellen sowohl an den Schaufeln als auch am Verstellmechanismus erhöht die Versagenswahrscheinlichkeit ganz beträchtlich.

Eine gewisse konstruktive Vereinfachung bietet demgegenüber die Ausfüh­ rung nach der DE-AS 10 21 532. Diese faßt die große Anzahl von Schaufeln in drei oder vier Gruppen mit jeweils parallelen Drehachsen zusammen. Aber auch hier ist die Zahl der Schaufeln, Lagerstellen und Betätigungs­ elemente noch beträchtlich.

Die EP-OS 00 90 122 beschreibt eine Steuervorrichtung für einen Ottomo­ tor mit Abgasturbolader, bei welchem dem Radialverdichter des Turbola­ ders eine Vorrichtung zur Drallerzeugung vorgeschaltet ist. Diese be­ steht aus mehreren schwenkbaren Schaufeln (33), welche in gleichen Ab­ ständen rund um die Verdichterachse angeordnet sind und radial von außen nach innen umströmt werden. Die Schaufelachsen (35) verlaufen parallel zur Verdichterachse, der Verstellbereich reicht von drallfrei (Schaufel­ stellung radial, 90°) bis Mitdrall (Schaufelstellung ca. 30°). Die Ver­ stellung erfolgt in Abhängigkeit von der Gashebelstellung und dem Druck in der Ansaugleitung des Motors, wobei der Mitdrall (hohe Verdichter­ drehzahl) bei Leerlauf am stärksten ist. Die Anordnung dient primär da­ zu, das sog. Turboloch zu beseitigen, das heißt die Ansprechverzögerung beim Beschleunigen zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, daß der Rotor des Turboladers im Motorleerlauf durch Mitdrall in einem Zustand hoher kinetischer Energie (Drehzahl) gehalten wird. Auch bei dieser Art der Drallerzeugung sind der konstruktive Aufwand und die Ausfallgefahr relativ groß.

Gegenüber diesen Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Drallerzeugung zu schaffen, welche bei guter strömungsmechanischer Wirksamkeit und zumindest annä­ hernd linearem Regelverhalten besonders einfach, billig und ausfallsi­ cher ist und welche sowohl in Gasen als auch in Flüssigkeiten ohne be­ sondere Anpassung der nachgeschalteten Maschinen praktisch überall ein­ gesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im Gegensatz zu den üblichen Schaufelgittern sieht die Erfindung nur ei­ nen einzigen schwenkbaren, einseitig nach hinten gepfeilten Flügel vor, welcher zentral vor dem Rotor der Turbo-Maschine angeordnet ist. Durch Einstellen eines Anstellwinkels bezüglich der Anströmrichtung bildet sich hinter dem Flügel ein stabiler Wirbel bzw. Drall aus, welcher sich stromabwärts fortsetzt. Die Drehrichtung des Dralls ist von der Flügel­ anstellrichtung abhängig, seine Drehgeschwindigkeit, bzw. die Größe des Winkels, d.h. der Abweichung der Strömung von der Längsachse von Einlauf und nachgeschalteter Turbomaschine, von der Größe des Flügelanstellwin­ kels und der Anströmgeschwindigkeit. Der Abstand zwischen Flügelhinter­ kante und Verdichtereintritt ist bei einer Flügellänge (L) größer als der halbe Eintrittsdurchmesser (D) weniger bedeutungsvoll.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in stark verein­ fachter Darstellung:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Drall­ erzeugung, welche einem Radialverdichter zugeordnet ist,

Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen horizontalen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 einen vergleichbaren Schnitt wie Fig. 1, mit geänderter Flügel­ stellung und Drallrichtung,

Fig. 5 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Drallerzeugung, welche einer Windenergieanlage zugeordnet ist.

Die Vorrichtung 1 zur Drallerzeugung in den Fig. 1 bis 5 besteht im wesentlichen aus einem festen, zylindrischen Einlauf mit strömungsgün­ stiger Mündung sowie aus einem einseitig gepfeilten, um die Schwenkach­ se W beweglichen Flügel 3 im Einlauf. Die Vorrichtung 1 ist am Gehäuse eines Radialverdichters 7 angeflanscht, welcher beispielsweise Teil ei­ nes PKW-Abgasturboladers sein kann. Infolge der asymmetrischen Form des Flügels 3 und infolge seines Anstellwinkels α zur Strömungsrichtung S bildet sich ein stabiler Wirbel aus, symbolisch dargestellt von vier ge­ krümmten Pfeilen. Der Wirbel versetzt das parallel zur Rotorachse Y an­ strömende Medium in Rotation, die erzielte Drallrichtung R α ist aus Fig. 2 ersichtlich. Falls der Rotor 5 des Radialverdichters 7 mit glei­ chem Drehsinn rotiert, spricht man von Gleichdrall oder Mitdrall, falls der Rotor 5 entgegen R α rotiert, handelt es sich um Gegendrall. Bei Abgasturboladern wird vorzugsweise Gleichdrall angewandt, um den Rotor 5 bei Leerlauf des PKW-Motors auf hoher Drehzahl zu halten, wodurch der Lader bei nachfolgenden Beschleunigungsvorgängen schneller anspricht, d.h. das "Turboloch" vermieden wird. Gegendrall könnte man beispielswei­ se benutzen, um die maximale Laderdrehzahl zu begrenzen, d.h. den Lader abzubremsen. Außerdem kann durch den Gegendrall der Ladedruck bzw. Lie­ ferdruck des nachgeschalteten Verdichters bzw. Laders erhöht werden.

Die Form des Flügels 3 ist am deutlichsten in Fig. 3 zu sehen, sie ent­ spricht einem rechtwinkeligen Dreieck, dessen eine Kathete parallel zur Strömungsrichtung S, und dessen andere Kathete (Austrittskante) quer zur Strömungsrichtung S angeordnet ist. Die Schwenkachse W des Flügels 3 schneidet die Rotorachse Y im rechten Winkel. Die Flügellänge L ist grö­ ßer als der halbe Eintrittsdurchmesser D des Rotors 5 und wird von der Rotorachse Y bzw. ihrer Projektion auf die Flügelfläche halbiert. Die dargestellte Dreiecksform des Flügels 3 ist nur als Beispiel zu verste­ hen, es sind auch vier- oder mehreckige Formen denkbar, deren Kanten ge­ rade oder gekrümmt sein können. Im Hinblick auf ein identisches Regel­ verhalten bei Gleich- und Gegendrall ist es allerdings erforderlich, daß der Flügel 3 in sich eben ist und nicht verwunden bzw. geschränkt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, daß mit einem Anstellwinkel β, welcher dem ursprünglichen Anstellwinkel α entgegengerichtet ist, auch eine entge­ gengesetzte Drallrichtung R _β erzielt wird. Es versteht sich, daß mit zunehmendem Anstellwinkel α oder β auch die Intensität des Dralls, d. h. seine Rotationsgeschwindigkeit, zunimmt. Bei α=β=0° ist kein Drall vorhanden.

Der Radialverdichter 7 nach Fig. 1 bis 5 steht stellvertretend für eine Strömungsmaschine, welche dem Arbeitsmedium Energie zuführt. Ebenso hät­ te der Axialverdichter eines Strahltriebwerkes oder eine Turbopumpe für flüssige, inkompressible Medien dargestellt werden können. Die Wirkungs­ weise der Erfindung ist immer die gleiche.

Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen Strömungsmaschinen dar, welche dem Arbeitsmedium Energie entziehen, d. h. Turbinen aller Art. Beispiel hierfür ist die Windturbine der Windenergieanlage 8 in Fig. 6. Der Ro­ tor 6 der Windenergieanlage 8 besitzt eine horizontale Achse Z und ist über ein strömungsgünstiges Gehäuse zur Aufnahme seiner Lagerung, des Getriebes, des Stromgenerators etc. am oberen Ende eines säulenförmigen Mastes angeordnet. Zur Anpassung an wechselnde Windrichtungen ist das ganze Oberteil um die vertikale Säulenachse drehbar. Die Vorrichtung 2 zur Drallerzeugung ist - wie in Fig. 1 bis 5 - in Strömungsrichtung S vor dem Rotor 6 zentrisch angeordnet. Dabei fällt auf, daß hier ein fe­ stes Einlaufgehäuse fehlt. Dieses ist nicht unbedingt erforderlich, die erfindungsgemäße Drallerzeugung funktioniert auch in der freien Strom­ röhre. Die Schwenkachse X des drallerzeugenden Flügels 4 geht von einer Verlängerung des Anlagen-Oberteils aus und verläuft horizontal, quer zur Rotorachse Z. Dadurch wird vermieden, daß der Flügel 4 im angestellten Zustand ein Drehmoment um die vertikale Säulenachse ausübt, welches den Drehantrieb des Anlagen-Oberteils belasten würde. Die dargestellte Lö­ sung erzeugt demgegenüber ein Biegemoment, welches von der Anlagenstruk­ tur aufgenommen wird.

Windenergieanlagen werden für mittlere, statistisch zu erwartende Wind­ geschwindigkeiten ausgelegt, von denen die tatsächlichen Geschwindigkei­ ten häufig erheblich abweichen. Speziell im Hinblick auf eine Einspei­ sung des erzeugten Stromes in das öffentliche Netz ist eine bestimmte, möglichst konstante Generator- und somit Turbinendrehzahl erforderlich. In gewissen Grenzen läßt sich die Drehzahl des Rotors 6 durch Verstel­ lung seines Blattanstellwinkels regeln. Bei extrem niedrigen oder hohen Windgeschwindigkeiten genügt auch dies nicht mehr, die Anlage muß dann abgeschaltet bzw. abgebremst und stillgesetzt werden, wobei im Falle von sehr hohen Windgeschwindigkeiten die Rotorblätter in eine aerodynamisch unwirksame Segelstellung verdreht werden. Solche Blattverstellvorrich­ tungen arbeiten in der Regel relativ langsam und ermöglichen keine be­ friedigende Anpassung an schnell wechselnde Windgeschwindigkeiten. Hier kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 helfen, sowohl den möglichen Ar­ beitsbereich zu vergrößern und damit die durchschnittliche Nutzungsdauer zu erhöhen, als auch eine wesentlich schnellere und damit genauere An­ passung zu ermöglichen, wodurch der Wirkungsgrad steigt. So erlaubt es das Erzeugen von Mitdrall, den Rotor 6 bei sehr niedrigen Windgeschwin­ digkeiten auf ausreichend hoher Drehzahl zu halten, umgekehrt läßt sich der Rotor 6 bei hohen Windgeschwindigkeiten durch Gegendrall zeitlich unbegrenzt aerodynamisch bremsen. Bei entsprechend leichter und steifer Bauweise des Flügels 4, vorzugsweise in Faserverbundtechnik, lassen sich hohe Verstellgeschwindigkeiten realisieren, welche auch bei sehr böigem Wetter noch eine zufriedenstellende Anpassung gewährleisten.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Drallerzeugung in der Anströmung von Turbo-Verdich­ tern, Turbo-Pumpen und Turbinen, insbesondere von Windturbinen, PKW-Ab­ gasturboladern und Flugtriebwerks-Verdichtern, zu Steuerungs- und Rege­ lungszwecken, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ro­ tor (5, 6) der Turbo-Maschine ein schwenkbarer, plattenförmiger Flügel (3, 4) angeordnet ist, daß die Schwenkachse (W, X) des Flügels (3, 4) zumindest annähernd senkrecht zur Rotorachse (Y, Z) verläuft und diese entweder schneidet oder in geringem seitlichen Abstand kreuzt, daß die Flügelfläche eine asymmetrische, einseitig nach hinten gepfeilte Form besitzt, daß die Flügellänge (L) quer zur Strömungsrichtung (S) minde­ stens halb so groß ist wie der Eintrittsdurchmesser (D) des Rotors (5, 6) und sich von der Rotorachse (Y, Z) bzw. von deren Projektion in die Flügelebene nach beiden Seiten erstreckt.