DE3819232A1 - Einstellbare statorschaufelanordnung fuer einen axialstroemungskompressor - Google Patents
Einstellbare statorschaufelanordnung fuer einen axialstroemungskompressorInfo
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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.
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