DE4223965C2 - Rotoranordnung mit variabler Geometrie für eine Axialströmungs-Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung mit variabler Geometrie für eine Axialströmungs-Turbomaschine.

Es ist bekannt, daß die Geometrie, nämlich Form, Größe und Position der Schaufeln eines Turbomaschinenrotors einen be­ trächtlichen Einfluß auf Leistung und Wirkungsgrad der Ma­ schine hat. Eine gewählte Geometrie der Rotorschaufeln ist aber nur immer für eine bestimmte Betriebsbedingung optimal. Zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen wäre daher eine entsprechend variable Geometrie der Rotorschaufeln wünschenswert.

Aus der DE-OS-21 07 949 ist eine Leitschaufelanordnung mit variabler Schaufelgeometrie bekannt. Dort ist ein Sekundär­ schaufelkranz axial überlappend mit einem Primärschaufelkranz angeordnet und relativ dazu zwischen zwei Einstellungen dreh­ bar, wobei die Sekundärschaufeln in ihren Endstellungen je­ weils an einer Primärschaufel anliegen. Bei dieser bekannten Anordnung wird allerdings bezweckt, je nach Bedarf eine un­ terschiedliche Strömungsdrosselung zu erzeugen, und zwar durch Veränderung des Strömungsquerschnitts des Gesamtleit­ apparats zwischen einem Maximun und einem Minnimum. Befinden sich die Sekundärschaufeln in der Mittenposition zwischen den Primärschaufeln, ist der engste Strömungsquerschnitt des Ge­ samtleitapparats erreicht.

Aus der GB-PS-1 085 390 ist eine Rotoranordnung mit zwei ge­ geneinander drehverstellbaren Rotorteilen vorgesehen, wobei dort außerdem die Schaufeln noch um ihre Schaufelachsen dreh­ bar sind. Eine Verstellbarkeit der beiden Rotorteilen relativ zueinander während des Maschinenlaufs ist allerdings - entge­ gen eines diesbezüglichen Hinweises in der dortigen Beschrei­ bung - nicht möglich, weil das Verstellen das Lösen von Schrauben, anschließend die Verstellbewegung und sodann das Wiederfestziehen der Schrauben erfordert. Das kann bei umlau­ fenden Rotor nicht gemacht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es hingegen, einen Turbomaschinen­ rotor mit variabler Schaufelgeometrie zu schaffen, und zwar derart, daß die Schaufelgeometrie während des Maschinenlaufs in Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen verän­ derbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die im Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Anordnung er­ möglicht also durch Verstellung eines auf einem rückwärtigen Trägerteil angeordneten Sekundärschaufelkranzes zwischen seinen beiden Endstellungen relativ zu einem auf einen Front­ seitigen Träger angeordneten Primärschaufelkranz, die Schau­ felgeometrie so zu verändern, daß unterschiedliche Strömungs­ austrittswinkel erreicht werden, während der Strömungsein­ trittswinkel vorzugsweise gleichbleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die anliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung von schräg vorne einer Rotoran­ ordnung nach der vorliegenden Er­ findung,

Fig. 2 einen Axialhalbschnitt durch eine Rotoranordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Anzahl von Rotorschau­ feln einer Rotoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstel­ lung der in Fig. 3 gezeigten Ro­ torschaufeln in alternativen Positionen,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine Rotoranordnung nach der Erfin­ dung,

Fig. 6 eine Ansicht der Welle der An­ ordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Axialhalbschnitt durch eine weitere Rotoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Stirnansicht einer weiteren Rotoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 9 eine Stirnansicht einer noch weiteren Rotoranordnung nach der Erfindung, und

Fig. 10 eine Stirnansicht der Anordnung nach Fig. 9 mit veränderter Posi­ tion der Rotorschaufeln.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Rotoranordnung 10, die für ir­ gendeine Turbomaschine wie beispielsweise einen Verdichter oder eine Turbine Anwendung finden kann, obwohl die Rotor­ anordnung 10 als "Gebläse-Stufe" bzw. Niederdruckverdichter­ stufe besonders geeignet ist. Die Anordnung 10 weist einen Primär- bzw. Frontrotor 11 und einen Sekundär- bzw. Rückrotor 12 auf, die beide auf einer Welle 13 um die Maschinen­ achse 14 drehbar montiert sind.

Der Frontrotor weist ein Trägerteil 15 in Form einer Scheibe und eine Reihe von Schaufeln 16 auf, die etwa radial von der Frontrotorscheibe 15 mit gleichen gegenseitigen Winkelab­ ständen wegragen.

Der Rückrotor 12 weist ein Trägerteil 17 in Form einer Scheibe und eine Reihe von Schaufeln 18 auf, die etwa radial von der Rückrotorscheibe 17 mit gleichen gegenseitigen Win­ kelabständen wegragen. Die Frontrotorschaufeln 16 und die Rückrotorschaufeln überdecken einander in Axialrichtung und sind gestaffelt angeordnet, so daß jede Rückrotorschaufel 18 umfangsmäßig zwischen zwei benachbarten Frontrotorschau­ feln 16 angeordnet ist.

Die beiden Rotoren 11 und 12 sind so angeordnet, daß der Rückrotor 12 um einen vorgegebenen Drehwinkelbereich um die Mittelachse 14 relativ zum Frontrotor 11 drehbar ist. Dieser vorgegebene Drehwinkelbereich ist so gewählt, daß die Rück­ rotorschaufeln 18 zwischen zwei umfangsmäßigen Positionen be­ wegbar sind, nämlich einer Stellung, in welcher die Rück­ rotorschaufel an der einen Frontrotorschaufel des Front­ rotorschaufelpaars anstößt, zwischen denen sie angeordnet ist, und einer Stellung, in welcher sie an der anderen Front­ rotorschaufel dieses Frontrotorschaufelpaars anstößt. Die Rotoranordnung hat deswegen eine variable Geometrie.

Dieses variable Geometriekonzept ist deutlicher aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, welche zwei Frontrotorschaufeln 16 und jeweils drei Rückrotorschaufeln 18 zeigen. Dabei sind die Schaufeln 16 und 18 zum besseren Verständnis in übertrieben vereinfachter Form dargestellt. Die in diesen beiden Figuren dargestellten Kompositschaufeln haben, wie deutlich sichtbar ist, unterschiedliche Form, und deshalb haben die beiden ver­ schiedenen Kompositschaufelformen unterschiedliche Arbeits­ funktionen. Die hinteren Schaufeln überlappen die Hinterkanten der vorderen Schaufeln, und der Drallwinkel des aus der Rotorstufe austretenden Luftstroms ist in den beiden Schau­ felpositionen unterschiedlich, obwohl der Eintrittswinkel der Stufe der gleiche bleibt.

Es ist ersichtlich, daß die spezifische Arbeit der Rotorstufe proportional dem Ausdruck

tan α2 - tan α1

wobei α2 der Austrittswinkel und α1 der Einlaßwinkel ist. Diese Winkel sind definiert als die Winkel der Profilmittel­ linie bzw. deren Tangente an der Schaufelvorderkante bzw. der Schaufelhinterkante mit der Maschinenachse, wobei die Profil­ mittellinie der Ort aller Punkte mit gleichem Abstand zwischen Saugseite und Druckseite des Schaufelprofils ist. Zur Verdeutlichung der Wirksamkeit des Konzepts variabler Geometrie sei angenommen, daß der Einlaßwinkel konstant 12° beträgt und der Auslaßwinkel in der einen Position der hinteren Schaufeln 48° und in der anderen Position der hinteren Schaufeln 42° beträgt. Berechnungen zeigen eine Steigerung der spezifischen Arbeit um 31%, wenn der Aus­ trittswinkel auf 48° verändert wird.

Selbst bei einer Veränderung des Austrittswinkels von 44° auf 46° erhält man eine Zunahme der spezifischen Arbeit um 9°.

Es ist klar, daß verschiedene Möglichkeiten die Erzielung der Relativbewegung zwischen dem Frontrotor 11 und dem Rückro­ tor 12 verfügbar sind. Einige Ausführungsbeispiele werden nachstehend beschrieben.

In den Fig. 5 und 6 ist die Welle 13 aus Abschnitten 19 und 20 ausgebildet. Der vordere Abschnitt 19 trägt den Front­ rotor 11 auf einer geradlinigen Keilverzahnung 21, und der hintere Abschnitt 20 trägt den Rückrotor 12 auf einer schrä­ gen Keilverzahnung 22. Wenn die beiden Rotoren 11 und 12 axial relativ zueinander auf der Welle verschoben werden, dreht sich der Rückrotor 12 relativ zum Frontrotor 11.

Die Rotoren 11 uns 12 können in ihrer stromabwärtigen Position durch irgend einen Arretiermechanismus arettiert werden, der lösbar ist, um eine Verschiebung der Rotoren in stromaufwärtiger Richtung unter aerodynamischen und Träg­ heitskräften zu ermöglichen, um so die relative Drehung zwischen den Rotoren zu bewirken. Alternativ dazu ist ein T- Stück 23 vorgesehen, um die Rotoren in der einen Position zu arretieren, und dieses ist Mittel einer Leitspindel oder eines Druckmittelkolbens in die andere Position bewegbar.

In Fig. 7 ist das vordere Trägerteil 15 starr auf der Welle befestigt, während das hintere Trägerteil 17 frei drehbar auf der Welle 13 montiert ist. Das hintere Trägerteil 17 wird in seiner ersten Position relativ zum vorderen Trägerteil 15 durch einen Arretierungsstift (nicht dargestellt) oder ein ähnliches Element arretiert. Dieser Stift kann mittels eines Elektromagneten gesteuert werden, so daß das Trägerteil bei Freigabe sich um die Welle relativ zum ersten Trägerteil 15 dreht, bis die hinteren Schaufeln 18 in der zweiten Position an den vorderen Schaufeln 16 anstoßen. Diese relative Drehung wird durch aerodynamische und Trägheitskräfte bewirkt. Jedoch erfolgt diese Positionsänderung nur in einer Richtung.

Fig. 8 zeigt das vordere Trägerteil 15 mit einem Teil seiner Schaufeln 16 und das hintere Trägerteil 17 mit zwischen ihnen angeordneten Federn 24. Wenn ein Arretiermechanismus gelöst wird, bewirkt die Kraft der Federn 24 die relative Drehung zwischen dem Frontrotor 11 und dem Rückrotor 12. Selbstver­ ständlich können die Federn 24 durch Kolben ersetzt werden, die, wenn sie doppeltwirkend sind, auch einen Arettierungs­ mechanismus ersetzten und die Relativbewegung in den beiden Drehrichtungen bewirken können. Die Fig. 9 und 10 zeigen auf der Welle 13 montierte vordere und hintere Trägertei­ le 15, 17 die durch Arme 25 miteinander verbunden sind, die mittels Zapfen 26 am vorderen Trägerteil 15 montiert sind und Schlitze 27 zur Aufnahme von Führungszapfen 28 aufweisen, die am hinteren Trägerteil 17 angeordnet sind. Wenn ein Arretie­ rungsmechanismus gelöst wird, bewirken sowohl die Fliehkraft als auch aerodynamische und Trägheitskräfte die relative Drehung zwischen den beiden Rotoren 11 und 12. Die Drehung wird dabei natürlich durch die Arm- bzw. Schlitzlänge be­ grenzt und entspricht dem Winkelabstand zwischen den Schaufeln.

Die obigen Ausführungsbeispiele beziehen sich nur auf Axial­ strömungsmaschinen, aber es ist klar, daß das gleiche Konzept in entsprechender Weise auch bei Radialströmungsmaschinen An­ wendung finden kann.

Außer den oben erwähnten Merkmalen gibt es natürlich noch weitere Merkmale der Schaufelauslegung, welche die Leistung des Rotors beeinflussen. Beispielsweise hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft sein kann, wenn der durch ein Schaufelpaar ge­ bildete Kompositabschnitt parallele Seiten hat. Die Dicke einer oder beider Schaufeln sollte mit dem Radialabstand von der Maschinenmittelachse zunehmen, wenn Spalte zwischen den Schaufeln vermieden werden sollen. Manchmal können solche Spalte jedoch vorteilhaft sein, da dann Luft durch den Spalt von der Hochdruckseite der Schaufel übertreten und die Grenz­ schicht auf der Niederdruckseite verstärken kann. Dies ver­ ringert eine Ablösungstendenz der Grenzschicht auf der Niederdruckseite von der Schaufeloberfläche. Diese Strömungs­ ablösung markiert eine Grenze, bis zu welcher Nutzarbeit durch einen oder an einem Luftstrom geleistet werden kann.

Außerdem beeinträchtigt das Dicken/Sehnen-Verhältnis einer Schaufel die Leistung, da es schwierig ist, große Änderungen des Austritts- (oder Eintritts-) Winkels mit schlanken Kom­ positschaufeln zu erreichen. Dünne Schaufeln mit kleinen Dicken/Sehnenverhältnissen zeigen bessere Leistung, aber die Verbesserung ist nicht so beträchtlich wie bei dickeren, stärker gekrümmten Schaufeln.

Außerdem hat sich gezeigt, daß eine Steigerung des Anstell­ winkels der Schaufeln entlang ihrer Länge die Dicke des Überlappungsbereichs der Kompositschaufel wirksam vergrößern und dadurch die Drehwirkung auf den Luftstrom steigen kann (der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen einer Linie durch die Schaufel mit Bezug auf die Mittelachse).

Außerdem ist es möglich, die radialen Höhen der Primär­ schaufeln und Sekundärschaufeln unterschiedlich zu machen. Eine solche Anordnung kann in einer Anzahl von Anwen­ dungsfällen nützlich sein, wo es gewünscht wird, die Gebläsegeometrie zur Veränderung des Massendurchsatzes lediglich durch ein Kerntriebwerk zu verändern, während der Gebläsekanal- bzw. Bypassdurchsatz im wesentlichen konstant bleibt.

Die Erfindung ist bei einem Triebwerk nützlich, dessen aero­ dynamische Auslegung für den Reiseflug optimiert ist, während eine andere aerodynamische Auslegung für eine andere Flugphase, beispielsweise für den Start, besser geeignet ist. Die Aerodynamik der Rotorstufe ist in der einen Geometrie für die bestmögliche Leistung beim Start bzw. bei Start und Be­ schleunigung und in der zweiten Geometrie für die bestmög­ liche Leistung im Reiseflugzustand ausgelegt. Die erste Kon­ figuration kann für maximale Leistung und die zweite Konfi­ guration für bestmögliche Wirtschaftlichkeit optimiert sein. Der Rotor wird dann anfänglich in der ersten Konfiguration arretiert und anschließend freigegeben oder betätigt, um während des Fluges in die zweite Konfiguration bewegt zu werden. Der Übergang zwischen den beiden Konfigurationen sollte nur kurzzeitig sein.

Claims (13)

1. Rotoranordnung mit variabler Geometrie für eine Axialströ­ mungs-Turbomaschine, mit einem auf einem frontseitigen Trä­ gerteil (15) angeordneten Kranz von Primärschaufeln (16) und einem auf einem rückwärtigen Trägerteil (17) angeordneten Kranz von Sekundärschaufeln (18), wobei die Sekundärschaufeln (18) jeweils mit mindestens einem Teil zwischen zwei jeweils benachbarten Primärschaufeln (16) angeordnet sind, so daß eine mindestens teilweise axiale Überlappung zwischen den beiden Schaufelkränzen gegeben ist, und wobei der Kranz der Sekundärschaufeln (18) in Umfangsrichtung relativ zu dem Kranz der Primärschaufeln (16) zwischen zwei vorgegebenen Endstellungen drehbeweglich ist, wobei in der einen Endstel­ lung jede Sekundärschaufeln (18) an einer umfangsmäßigen Seite einer der beiden Primärschaufeln (16) anliegt, zwischen denen sie angeordnet ist, und mit dieser zusammen eine Kompositschaufel mit einer ersten Schaufelgeometrie ein­ schließlich eines ersten Strömungsaustrittswinkels bildet, und in der anderen Endstellung jede Sekundärschaufel (18) an der anderen umfangsmäßigen Seite der jeweils anderen der bei­ den Primärschaufeln (18) anliegt, zwischen denen sie angeord­ net ist, und mit dieser zusammen eine Kompositschaufel mit einer zweiten Schaufelgeometrie einschließlich eines zweiten Strömungsaustrittswinkels bildet, und wobei die beiden Schau­ felkränze während des Rotorlaufs zum Zwecke der Veränderung des Strömungsaustrittswinkels relativ zueinander drehbeweg­ lich sind.

2. Rotoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Sekundärschau­ feln (18) axial nach hinten nicht über die Hinterkanten der Primärschaufeln (16) überstehen.

3. Rotoranordnung nach Anspruch 2, wobei die Sekundärschau­ feln (18) axial vorwärts nicht über die Vorderkante der Pri­ märschaufeln (16) überstehen.

4. Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verstellung der Sekundärschaufeln (18) mit Bezug auf die Pri­ märschaufeln (16) von der einen Endstellung in die andere Endstellung nur den Strömungsaustrittswinkel, nicht aber den Strömungseintrittswinkel der jeweils gebildeten Komposit­ schaufeln verändert.

5. Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die radial verlaufenden Seitenflächen der Überlappungsbereiche der jeweiligen Kompositschaufeln zueinander parallel verlau­ fen.

6. Rotoranordnung nach Anspruch 5, wobei die Dicke der parallelen Bereiche der Kompositschaufeln mit der Distanz von der Rotordrehachse zunimmt.

7. Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Primärschaufeln (16) und die Sekundärschaufeln (18) eine unterschiedliche radiale Höhe haben.

8. Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das vordere Trägerteil (15) auf einer axialen Keilverzahnung (21) der Welle (13) montiert ist und das hintere Trägerteil (17) auf einer schrägen Keilverzahnung (22) der Welle montiert ist, und daß die beiden Trägerteile axial auf der Welle ver­ schiebbar sind, derart, daß die Axialverschiebung in die relative Drehbewegung zwischen den beiden Trägerteilen umge­ setzt wird.

9. Rotoranordnung nach Anspruch 8, wobei die beiden Träger­ teile (15, 17) in einer stromabwärtigen Position arretiert werden, derart, daß eine Freigabe des Arretierungsmechanismus eine stromaufwärtige Verschiebbung der Trägerteile aufgrund von aerodynamischen Kräften und Trägheitskräften ermöglicht.

10. Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das eine Trägerelement (15) fest auf der Welle (13) montiert ist und das andere Trägerelement (17) frei drehbar auf der Welle angeordnet und in seiner einen Endposition durch Arre­ tierungsmittel arretierbar ist, so daß das zweite Träger­ element bei Freigabe relativ zum ersten Trägerelement in seine andere Endstellung bewegbar ist.

11. Rotoranordnung nach Anspruch 10, wobei die Relativdreh­ bewegung durch aerodynamische Kräfte und Trägheitskräfte erfolgt.

12. Rotoranordnung nach Anspruch 10, wobei die Arretierungs­ mittel einen durch einen Elektromagneten steuerbaren Arre­ tierungsstift aufweisen.

13. Rotoranordnung nach Anspruch 10, wobei Feder- oder Kol­ benelemente zwischen den beiden Trägerteilen (15, 17) zu deren gegenseitiger Relativbewegung angeordnet sind.