DE3819232A1 - Einstellbare statorschaufelanordnung fuer einen axialstroemungskompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine einstellbare Stator­ schaufelanordnung für Kompressoren, und zwar insbesondere für Axialströmungskompressoren für Gasturbinentrieb­ werke.

Die Kompressoren von Gasturbinentriebwerken sind allge­ mein mit einstellbaren Statorschaufeln versehen, und ins­ besondere trifft dies für Kompressoren zu, die ein rela­ tiv hohes Druckverhältnis besitzen, damit gewährleistet ist, daß der Kompressor über seinen vollen Drehzahlbe­ reich jeweils mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Die ein­ stellbaren Statorschaufeln werden benutzt, um den Luft­ einfallswinkel auf eine Rotorschaufelstufe auf Winkel zu korrigieren, die die Schaufeln tolerieren können, ohne daß die Strömung abbricht oder bei relativ niedrigen Kom­ pressordruckverhältnissen und Kompressordrehzahlen ein Pumpen auftritt.

Die Winkelstellung einer einstellbaren Statorschaufel wird durch einen Betätigungshebel gesteuert, der an einem Steuerring sitzt, welcher koaxial zum Statorgehäuse ange­ ordnet ist.

Es ist erwünscht, den radialen Zwischenraum zwischen dem Statorgehäuse und dem Steuerring so klein als möglich zu halten, damit ein Fehler oder eine Diskrepanz der Winkel­ einstellung der Statorschaufel vermieden wird. Im Betrieb ist die Temperatur des Statorgehäuses niedriger als die Temperatur der das Statorgehäuse umgebenden Luft, in der der Steuerring liegt.

Infolgedessen dehnt sich der Steuerring mehr aus als das Statorgehäuse, wodurch der Zwischenraum zwischen dem Steuerring und dem Statorgehäuse vergrößert wird, was zur Folge hat, daß der Fehler oder die Diskrepanz in der Win­ kelstellung der Statorschaufel zunimmt.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axialströ­ mungskompressor zu schaffen, bei der der Fehler oder die Diskrepanz der Winkelstellung der Statorschaufel verrin­ gert wird.

Die Erfindung geht aus von einer einstellbaren Stator­ schaufelanordnung für einen Axialströmungskompressor mit mehreren in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegen­ den radial verlaufenden einstellbaren Statorschaufeln, von denen jede drehbar im Statorgehäuse gelagert ist, mit einem Steuerring, der koaxial zum Statorgehäuse liegt und dieses koaxial umgibt, wobei jede einstellbare Stator­ schaufel mit dem Steuerring durch einen Betätigungshebel verbunden ist und der Steuerring im radialen Abstand zu dem Statorgehäuse über einen Zwischenraum distanziert ist. Bei einer derartigen Anordnung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Materialstücke in Um­ fangsrichtung radial zwischen dem Steuerring und dem Sta­ torgehäuse angeordnet sind, wobei diese Materialstücke einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um den Zwischenraum zwischen dem Steuerring und dem Sta­ torgehäuse einzustellen, wodurch der Fehler der Winkelstellung der einstellbaren Statorschaufel vermin­ dert wird.

Die Materialstücke können in Umfangsrichtung auf dem Steuerring angeordnet sein, wobei sie sich radial nach innen nach dem Statorgehäuse erstrecken.

Jedes Materialstück kann in einem eigenen Gehäuse unter­ gebracht sein, wobei die Gehäuse abnehmbar am Steuerring befestigt sind.

Die Materialstücke können radial vom Statorgehäuse mit­ tels eines vorbestimmten Abstandes distanziert sein.

Die Materialstücke können im gleichen Winkelabstand zu­ einander angeordnet werden.

Die Materialstücke können aus einem Polyimidkunstharz oder einem Stahl mit hohem Ausdehnungskoeffizienten be­ stehen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer einstellbaren Statorschaufelanordnung für einen Axialströ­ mungskompressor gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im größeren Maßstab einen Teilschnitt der ein­ stellbaren Statorschaufelanordnung, betrachtet in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer bekannten einstell­ baren Statorschaufelanordnung.

In Fig. 1 ist ein Turbofangasturbinentriebwerk (10) dar­ gestellt, das in axialer Strömungsrichtung hintereinander einen Fanabschnitt (14) mit einem Einlaß (12) am strom­ oberseitigen Ende, einen Kompressorabschnitt (16), ein Verbrennungssystem (18), einen Turbinenabschnitt (20) und eine Abgasdüse (22) aufweist. Das Turbofangasturbinen­ triebwerk (10) arbeitet in herkömmlicher Weise derart, daß Luft durch den Einlaß (12) eingesaugt wird, die durch den Fan (14) und den Kompressor (16) verdichtet und dem Verbrennungssystem (18) zugeführt wird. In das Verbren­ nungssystem (18) wird Brennstoff eingespritzt und ver­ brannt, um heiße Gase zu erzeugen, die die Turbinen im Turbinenabschnitt (20) durchströmen und diese antreiben, bevor die Gase durch die Abgasdüse (22) in die Atmosphäre ausgeblasen werden. Die Turbinen treiben ihrerseits den Fan (14) und den Kompressor (16) über (nicht dargestell­ te) Wellen.

Der Kompressor (16) weist einen Rotor (24) auf, der meh­ rere im axialen Abstand zueinander angeordnete Stufen von Rotorschaufeln (26) besitzt. Die Rotorschaufeln (26) in jeder Stufe sind in Umfangsrichtung angeordnet und erstrecken sich radial vom Rotor (24) nach außen. Koaxial zum Rotor (24) ist ein diesen umschließendes Statorgehäu­ se (28) angeordnet, das radial von den Rotorschaufeln durch ein sehr kleines Schaufelspitzenspiel distanziert ist. Das Statorgehäuse (28) besitzt mehrere axial im Ab­ stand zueinander liegende Stufen von Statorschaufeln (30), und die Statorschaufeln (30) jeder Stufe sind in Umfangsrichtung angeordnet und erstrecken sich radial vom Statorgehäuse (28) nach innen.

Die Stufen der Rotorschaufeln und der Statorschaufeln wechseln in Achsrichtung ab.

Eine der Statorschaufelstufen am stromaufwärtigen Ende des Kompressors umfaßt einstellbare Statorschaufeln (32), die sämtlich drehbar im Statorgehäuse (28) gelagert sind. Die einstellbaren Statorschaufeln (32) weisen an ihren radial äußeren Enden radial durch entsprechende Öffnungen des Statorgehäuses (28) hindurchstehende Spin­ deln (34) auf, um die Statorschaufeln (32) im Statorge­ häuse (28) drehbar zu lagern.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Steuerring (38) ersichtlich, der koaxial zu dem Statorgehäuse (28) liegt und dieses koaxial umschließt. Jede einstellbare Statorschaufel (32) ist mit dem Steuerring (38) über einen Betätigungshebel (36) verbunden. Die Betätigungshebel (36) sind drehbar am Steuerring (38) über radial verlaufende Spindeln (40) ge­ lagert, die durch Öffnungen (42) des Steuerrings (38) hindurchstehen und außerdem durch zwischen den Spindeln (40) und dem Steuerring (38) in den Öffnungen (42) ange­ ordnete Buchsen (44 und 46).

Der Steuerring (38) ist radial vom Statorgehäuse (28) durch einen Zwischenraum getrennt und er besitzt mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Gehäuseteile (48), die lösbar am Steuerring (38) durch Bolzen (50) festgelegt sind, die radial durch Öffnungen (54) im Steuerring (38) geführt sind. Im Steuerring (38) sind Büchsen (56) ange­ ordnet, die die Bolzen (50) aufnehmen, und Abstandshalter (52) liegen zwischen dem Steuerring (38) und dem Gehäuse­ teil (48). Die Gehäuseteile (48) sind radial auf der Innenseite des Steuerrings (38) angeordnet und jeder Ge­ häuseteil (48) weist eine Ausnehmung (58) auf, um ein Materialstück (60) aufzunehmen, das einen hohen Expan­ sionskoeffizienten besitzt. Die Materialstücke (60) er­ strecken sich radial von der Ausnehmung (58) in den Ge­ häuseteilen (48) nach innen und stehen radial vor. Die Anordnung ist derart, daß ein relativ kleiner anfänglicher Zwischenraum gegenüber dem Statorgehäuse (28) gebildet ist.

Das Statorgehäuse und der Steuerring bestehen beispiels­ weise aus Titan und die Materialstücke mit hohem Ausdeh­ nungskoeffizienten bestehen aus Stahl mit hohem Ausdeh­ nungskoeffizienten oder vorzugsweise aus einem Polyimid­ kunstharz, welches unter der Handelsbezeichnung "Vespel" von Du Pont hergestellt wird, es können jedoch auch ande­ re Materialien mit hohem Ausdehnungskoeffizienten benutzt werden, d. h. mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der von Titan oder größer als der von ir­ gendwelchen Materialien, aus denen das Statorgehäuse bzw. der Steuerring hergestellt ist.

Der Steuerring (38) ist drehbar im Statorgehäuse (28) gelagert und der Steuerring (38) wird durch einen (nicht dargestellten) Kolbenantrieb gedreht, um die Winkelstel­ lung der einstellbaren Statorschaufeln (32) zu verän­ dern.

Die einstellbaren Statorschaufeln (32) werden benutzt, um den Einfallswinkel der Luft auf die stromabwärtige Stufe der Rotorschaufeln auf solche Einfallswinkel zu korrigie­ ren, die die Rotorschaufeln tolerieren können, ohne daß die Strömung abreißt oder ein Pumpen bei relativ niedri­ gen Kompressordruckverhältnissen und niedrigen Kompressor­ drehzahlen eintritt.

Das Spiel zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuer­ ring (38) sollte so klein als möglich sein, um den Fehler oder die Diskrepanz der Statorschaufel-Winkelstellung zu vermindern. Das Spiel zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuerring (38) bei bekannten Anordnungen ermöglicht, wie aus Fig. 4 ersichtlich und dort durch den Pfeil C an­ gedeutet, eine Relativbewegung, und jede Relativbewegung zwischen den beiden Teilen aus einer Koaxialstellung er­ zeugt Veränderungen oder Fehler in den Winkelstellungen der einstellbaren Statorschaufeln (32) gegenüber der ge­ wünschten Winkelstellung. Die Relativbewegung erzeugt keine gleichförmige Veränderung und keinen gleichförmigen Fehler in den Winkelstellungen gegenüber der gewünschten Winkelstellung, sondern es gibt einen Bereich von Veran­ derungen von Null bis zu einer maximalen Veränderung. Es gibt zwei diametral gegenüberliegende Stellungen mit einem Fehler von im wesentlichen Null, d. h. die Stator­ schaufeln in der Horizontalebene sind bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel mit keinem Fehler behaftet, und es gibt zwei diametral gegenüberliegende Stellungen mit maximalem Fehler, d. h. die Statorschaufeln in der Vertikalebene weisen diesen Maximalfehler auf. Je größer der Zwischen­ raum zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuerring (38), um so größer die mögliche Veränderung oder der Feh­ ler in der Winkelstellung der einstellbaren Statorschau­ feln (32).

Wenn das Gasturbinentriebwerk (10) in Betrieb ist, dann erhöht sich die Temperatur der durch den Kompressor (16) strömenden Luft, wenn diese axial abfließt, und daher ist die Temperatur des Statorgehäuses (28) am stromaufwärti­ gen Ende niedriger als am stromabwärtigen Ende. Der Steuerring (38) liegt in der Strömung der Luft, die eine relativ höhere Temperatur hat als am stromaufwärtigen Ende des Statorgehäuses (28). Der Steuerring (38) dehnt sich daher mehr als das stromaufwärtige Ende des Stator­ gehäuses (28) aus, in dem die einstellbaren Statorschau­ feln (32) angeordnet sind, und demgemäß vergrößert sich der Zwischenraum zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuerring (35), was eine Veränderung der Winkelstellung der einstellbaren Statorschaufeln (32) mit sich bringt.

Die Vergrößerung des Spiels zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuerring (38) wird durch Materialstücke (60) mit hohem Ausdehnungskoeffizienten kompensiert, die sich radial nach innen ausdehnen, wenn der Steuerring (38) sich radial nach außen ausdehnt, wodurch der wirk­ same Zwischenraum zwischen dem Statorgehäuse (28) und dem Steuerring (38) verringert wird, wodurch wiederum die Diskrepanz der Winkeleinstellung oder der Fehler der Win­ keleinstellung der einstellbaren Statorschaufeln (32) vermindert wird.

Die Materialstücke (60) mit hohem Ausdehnungskoeffizien­ ten verhindern auch einen zu kleinen Zwischenraum und ein Festfressen zwischen Statorgehäuse (28) und Steuerring (38) bei relativ niedrigen Temperaturen.

Ein Kompressor kann mehrere Stufen mit einstellbaren Sta­ torschaufeln aufweisen und das Prinzip der Benutzung von Materialstücken mit hohem Ausdehnungskoeffizienten kann bei allen diesen Stufen mit einstellbaren Statorschaufeln An­ wendung finden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Mate­ rialstücke mit hohem Expansionskoeffizienten am Steuer­ ring angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Material­ stücke mit hohem Ausdehnungskoeffizienten am Statorge­ häuse festzulegen. Es ist jedoch ein anfänglicher Zwi­ schenraum zwischen den Materialstücken und dem Steuerring erforderlich, und die Abmessungen der Materialstücke än­ dern sich, damit eine axiale Bewegung des Steuerrings in Richtung stromauf und stromab stattfinden kann, wenn der Einstellwinkel der einstellbaren Statorschaufeln geändert wird.

Claims (7)

1. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axialströmungskompressor mit mehreren in umfangs­ richtung im Abstand zueinander angeordneten radial verlaufenden einstellbaren Statorschaufeln, von de­ nen jede drehbar in einem Statorgehäuse gelagert ist, mit einem Steuerring, der das Statorgehäuse koaxial umgibt, wobei jede Statorschaufel mit dem Steuerring über einen Betätigungshebel verbunden ist und der Steuerring radial durch einen Zwischen­ raum vom Statorgehäuse getrennt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Materialstücke (60) in Umfangsrichtung ra­ dial zwischen dem Steuerring (38) und dem Statorge­ häuse (28) angeordnet sind, die einen relativ hohen Expansionskoeffizienten aufweisen, um den Zwischen­ raum zwischen dem Steuerring (38) und dem Statorge­ häuse (28) einzustellen, wodurch die Gefahr eines Fehlers in der Winkelstellung der einstellbaren Sta­ torschaufel (32) vermindert wird.

2. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ stücke (60) in Umfangsrichtung auf dem Steuerring (38) angeordnet sind und sich radial vom Steuerring (38) nach dem Statorgehäuse (28) nach innen er­ strecken.

3. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Material­ stück (60) in einem eigenen Gehäuse (48) angeordnet ist und daß die Gehäuse (48) lösbar am Steuerring (38) befestigt sind.

4. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Materialstücke (60) radial vom Statorgehäuse (28) durch einen vorbestimmten Zwischenraum distanziert sind.

5. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ stücke (60) im gleichen Winkelabstand zueinander an­ geordnet sind.

6. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ stücke (60) aus Polyimidkunstharz hergestellt sind.

7. Einstellbare Statorschaufelanordnung für einen Axial­ strömungskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ stücke (60) aus Stahl mit einem hohen Ausdehnungs­ koeffizienten bestehen.