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Die Erfindung betrifft einen Leitschaufel-Regler bzw. eine
Leitschaufel-Einstelleinrichtung zum Einstellen mehrerer
Leitschaufeln, die in einer Fluidleitung angeordnet sind,
und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft sie
eine Leitschaufel-Einstelleinrichtung zum Antreiben eines
Satzes von Leitschaufeln, die die Durchsatzeinstellung in
einer Fluidmaschine wie einem Turbokompressor mit
Leitschaufelrad, z.B. einem Axialströmung- oder
Radialströmung-Schaufelrad vornehmen.
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Eine herkömmliche Leitschaufel-Einstellvorrichtung ist z.B.
in der Japanischen Patentveröffentlichung JP-B-57-49759
offenbart. Diese Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf die
beigefügten Figuren 9 bis 11 erläutert, die ein
Leitschaufelrad 1 eines Zentrifugalkompressors und ein Gehäuse 2 für
die die Strömung einstellenden Leitschaufeln sowie den
Leitschaufel-Einstelleinrichtung zeigen, der an einem
Ansaugtrichter 2a angebracht ist. Mehrere Leitschaufeln 3 sind
stromaufwärts bezüglich des Leitschaufelrades 1 angeordnet.
Eine dieser Leitschaufeln 3 ist eine Antriebsleitschaufel
3a. Die äußeren Endbereiche dieser Leitschaufeln 3, 3a
werden drehbar von Schaufelachsen 4, 4a gehalten, die von im
Gehäuse 2 angebrachten Kugellagern 5 gehalten werden. Ein
Antriebsarm 6 ist mit der Achse 4a des Antriebsschaufelrads
verbunden, und eine Verbindungsstange 7 ist mit einem Ende
durch einen Stift 8 mit dem Antriebsarm 6 zusammengefügt,
wobei das andere Ende mit einem Stellglied 9 zusammengefügt
ist. Die Achse 4a der Antriebsleitschaufel wird durch eine
Betätigung des Stellgliedes 9 verdreht.
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Ein Antriebs-Einstellhebel 10 ist an einem Ende mit der
Achse 4a der Antriebsleitschaufel zusammengefügt, und am
anderen Ende dieses Hebels 10 ist ein Einstellring 11 befestigt,
der so angeordnet ist, daß er sich gleitend um den
Außenumfang des Gehäuses 2 anschließend an die Leitschaufelachse 4,
4a dreht, und zwar über eine aus zwei Kreuzgelenken
bestehende Verbindung 12. Da jede Leitschaufelachse 4 mit diesem
Einstellring 11 über einen Führungs-Einstellarm 14 mit einer
ähnlichen Verbindung 13 verbunden ist, werden alle
Leitschaufelachsen 4 synchron mit der Achse 4a der
Antriebsleitschaufel durch den Einstellring 11 verdreht, wenn die Achse
4a der Antriebsleitschaufel durch das Betätigen des
Stellgliedes 9 verdreht wird. So wird der Öffnungsgrad der
Leitschaufeln gewählt.
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Bei diesem herkömmlichen Leitschaufel-Einstellmechanismus
tritt die folgende Schwierigkeit auf. Da sich der
Einstellring 11 um die Oberfläche des Gehäuses 2 bewegt, ist der
Reibungswiderstand groß, so daß das Drehmoment, das das
Stellglied zum Antreiben aller Leitschaufeln 3 aufbringen
muß, groß wird. Wenn dieses Reibungs-Drehmoment verringert
werden könnte, wäre das Drehmoment nur das auf jede
Leitschaufel 3, 3a wirkende Luft-Drehmoment, und demgemäß könnte
das zum Verstellen der Leitschaufeln erforderliche
Drehmoment drastisch verringert werden. Ein großer
Reibungswiderstand führt zu einem schlechten Ansprechverhalten beim
Öffnungs- und Schließvorgang der Leitschaufeln, und es besteht
keine Eignung für einen Fall, bei dem die Leitschaufeln
wiederholt geöffnet und geschlossen werden. Darüber hinaus ist
die Verbindung zwischen den Hebeln und dem Einstellring
kompliziert.
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Die Japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung JP-B-44-21729
offenbart einen anderen Leitschaufel-Einstellmechanismus,
der auf das Verdrehen von Leitschaufeln in einem
Axialkompressor angewandt ist, in dem ein Einstellring an einer
festgelegten Axialposition die Leitschaufelachsen über Hebel
mit kugelförmigen Enden verstellt, die von Lagerhülsen
aufgenommen
werden, die sowohl radial als auch axial in
Öffnungen im Einstellring gleiten. Der Ring ist von der Wand des
Kompressorkanals beabstandet und gleitet an seiner
Innenseite auf den vorspringenden Enden der Leitschaufelachsen.
Dadurch ist der Leitschaufel-Verdrehhebel schwierig zu
bearbeiten, und er ruft hohe Herstellkosten hervor, da eine
Kugelformbearbeitung für die kugelförmige Lagerung und die
Spitze des Hebels erforderlich ist.
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DE-A-26 18 727 zeigt einen anderen
Leitschaufel-Einstellmechanismus, bei dem ein Einstellring über flexible Hebel mit
den Leitschaufeln, die mit dem Ring über Kreuzgelenke
verbunden sind, verbunden ist. Der Ring selbst wird durch die
Leitschaufelachsen und die flexiblen Hebel getragen.
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Um die Schwierigkeiten beim vorstehend beschriebenen Stand
der Technik zu überwinden, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Leitschaufel-Einstelleinrichtung zu schaffen,
die den Reibungswiderstand für den Einstellring verringern
kann, und die einfach ist und die Herstellkosten erniedrigen
kann.
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Die erfindungsgemäße Leitschaufel-Einstelleinrichtung ist in
Anspruch 1 dargelegt.
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Bei einer Form der Erfindung sind die Leitschaufelachsen an
ersten Enden von Hebeln befestigt, und zweite Enden der
Hebel sind mit dem Einstellring über Verbindungen verbunden,
die den Ring und die zweiten Enden für eine gemeinsame
Bewegung in Umfangsrichtung einzwängen, während eine
Relativbewegung jedes zweiten Endes und des Rings in der Richtung
möglich ist, die eine Komponente parallel zur jeweiligen
Leitschaufelachse aufweist. Der Einstellring ist sowohl in
Umfangsrichtung als auch axial verstellbar, und die zweiten
Enden der Hebel werden durch die Verbindungen so
beansprucht,
daß sie sich sowohl in Umfangsrichtung als auch
axial mit dem Ring bewegen.
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Vorzugsweise sind das zweite Ende jedes Hebels und der Ring
durch ein erstes Element und ein zweites Element
miteinander verbunden, wobei das erste Element entweder ein Stift
oder ein den Stift aufnehmendes Lager ist, und das zweite
Element das andere Teil des Stifts und des Lagers ist,
wobei sich das erste Element an einem festgelegten Ort des
Hebels und das zweite Element an einem festgelegten Ort des
Rings befindet.
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Das Lager verfügt vorzugsweise über ein kugelförmiges
Lagerteil, das den Stift in seiner Mitte verschiebbar und drehbar
aufnimmt, und über ein das kugelförmige Lagerteil
aufnehmendes Gehäuse.
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Der Einstellring ist von der Wand der Leitung beabstandet.
Elastische Einrichtungen, z.B. Federn können zwischen den
Hebeln und dem Einstellring angeordnet sein, um die Position
des Rings beizubehalten.
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Die auf den Außenumfang des Einstellrings wirkenden
Trägereinrichtungen sind geeignet an mindestens drei voneinander
getrennten und um den Ring herum beabstandeten Stellen
angeordnet. Vorzugsweise liegen nicht mehr als sechs der
getrennten und beabstandeten Orte vor. Jede Trägereinrichtung
kann eine Rolle aufweisen, die den Außenumfang des Rings
berührt.
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Die Erfindung schafft auch einen Turbokompressor mit
Einlaßleitung, Leitschaufeln in der Leitung zum Einstellen des in
den Kompressor eingelassenen Gases, und mit einer wie
vorstehend beschrieben aufgebauten
Leitschaufel-Einstelleinrichtung zum Einstellen der Positionen der Leitschaufeln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun durch
nichtbeschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Teils einer
Leitschaufel-Einstelleinrichtung für einen Turbokompressor
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
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Fig. 2 eine Vorderansicht auf die Leitschaufeln der
Leitschaufel-Einstelleinrichtung ist, und zwar im Teilschnitt
und in Richtung des Pfeils A in Fig. 1;
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Fig. 3 ein vergrößerter Teilquerschnitt entlang der Linie B
in Fig. 2 ist;
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Fig. 4 eine erläuternde Darstellung ist, die die Bewegung
des Einstellrings von Fig. 1 in axialer Richtung zeigt;
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Fig. 5 eine Teilseitenansicht ähnlich der von Fig. 1 ist,
die die Hauptteile der Leitschaufel-Einstelleinrichtung
zeigt;
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Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie C-C in
Fig. 5 ist;
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Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung ist, die den
Lagerbereich von Fig. 6 zeigt;
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Fig. 8 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer zweiten,
die Erfindung verkörpernden Leitschaufel-Einstelleinrichtung
in Anwendung auf die Einlaß-Einstelleitschaufeln eines
Turbokompressors ist;
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Fig. 9 ein Längsschnitt ist, der die bereits erörterte
herkömmliche
Leitschaufel-Einstelleinrichtung zeigt;
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Fig. 10 eine Seitenansicht ist, die Bereiche der
Antriebsleitschaufel der in Fig. 9 dargestellten Einstelleinrichtung
zeigt; und
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Fig. 11 ein Querschnitt entlang der Linie I-I von Fig. 10
ist.
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In den Zeichnungen der vorliegenden Ausführungsbeispiele der
Erfindung sind gleiche Bezugsziffern zum Kennzeichnen
derselben oder ähnlichen Komponenten wie in Fig. 9, die eine
Vorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt, verwendet, und
diese werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.
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Zunächst wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der mehrere
Durchflußeinstell-Leitschaufeln 3, 3a in voll geöffneter
Stellung innerhalb der Gehäusewand 2 der Einlaßleitung eines
Turbokompressors dargestellt sind. Fünf Leitschaufeln sind
dargestellt. Die Leitschaufeln werden durch sich radial
erstreckende Leitschaufelachsen 20, 21 gehalten, die von
Lagern in der Wand 2 gehalten werden. Die längere
Leitschaufelachse 20 ist die Antriebsleitschaufel-Achse, die die
Antriebsleitschaufel 3a trägt und von einer Stellgliedstange 7
über einen Hebel 6 auf ähnliche Weise wie für Fig. 9
beschrieben, angetrieben wird. Der Einstellring 30 dieses
Ausführungsbeispiels ist im Schnitt in Fig. 2 dargestellt.
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Jede Leitschaufelachse 20, 21 ist mit dem Ring 30 über einen
Hebel 22 verbunden, der stabil an einem Ende der
Leitschaufelachse befestigt ist und an seinem anderen Ende einen
stabil befestigten Stift 23 trägt. Die Stifte 23 erstrecken
sich parallel zu den Achsen der Leitschaufelachsen 20, 21,
und sie sind über einen Lagermechanismus 24, 25, der
nachstehend detaillierter beschrieben wird, am Ring 30
befestigt.
Fig. 2 zeigt auch die Stifte 23 umgebende
Schraubenfedern 26, die für eine nach außen wirkende elastische Kraft
sorgen, die zwischen den Hebeln 22 und den Lagern 24, 25
wirkt, um den Ring 30 nach außen zu drücken. Dies hat
Zentrierwirkung auf den Ring 30. Der Ring 30 wird auch von
Lagern 31 gehalten, die unten detaillierter beschrieben
werden, die mit seinem Außenumfang an drei voneinander
beabstandeten und getrennten Stellen in Eingriff stehen, wie
dies aus Fig. 2 erkennbar ist. Fig. 2 zeigt auch, daß der
Ring 30 deutlich von der Wand 2 der Leitung beabstandet ist.
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Fig. 1 zeigt die Kugellager 5, durch die die
Leitschaufelachsen 20, 21 in der Leitungswand 2 gehalten werden, und sie
zeigt, wie der Ring 30 an seiner radialen Außenseite durch
das Lager 31 gehalten wird. Dieses Lager 31 erlaubt es,
zusammen mit der Verbindung zwischen den Stiften 23 und dem
Ring 30, dem Einstellring 30, sich sowohl in Umfangsrichtung
als auch axial in bezug auf die Achse der Leitung 20 zu
bewegen.
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Fig. 3 zeigt den Aufbau des Lagers 31 detaillierter. Eine
feststehende Stange 31 trägt verschiebbar ein Rollager 32,
das eine Rolle 33 trägt, deren Oberfläche in rollender
Berührung mit der Außenumfangsseite des Rings 30 steht und an
seinen axialen Enden Flansche aufweist, um den Ring 30 zu
halten. Das Lager 32 kann entlang des steifen Stabes 31
gleiten, damit sich der Einstellring 30 axial bewegen kann.
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Fig. 4 zeigt das Prinzip der axialen und umfangsmäßigen
Bewegung des Einstellrings 30 und des Lagers 24, das den Stift
23 des Hebels 22 aufnimmt, der sich um die Leitschaufelachse
21 dreht. Wenn sich die Leitschaufelachse 21 um einen Winkel
von α Grad dreht, bewegt sich der Einstellring 30 um den Weg
Δx in axialer Richtung (nach rechts) ausgehend von der
Ursprungsposition (p1) zu einer zweiten Position (p2). Auch
bewegt sich der Einstellring 30 in Umfangsrichtung, und die
Lager 24, 25 zwingen den Stift 23 dazu, daß er sich sowohl
axial als auch in Umfangsrichtung mit dem Ring 30 verstellt.
Da der Hebel 22 sich in einer Ebene bewegt, muß sich der
Stift 23 relativ zum Ring 30 in der Richtung parallel zur
Leitschaufelachse 21 bewegen. Diese Bewegung, die durch den
Aufbau der Lager 24, 25 zugelassen wird, ist durch Fig. 6
veranschaulicht, in der die zwei Positionen des Stifts 23,
die den Positionen (p1) und (p2) entsprechen, dargestellt
sind. Es ist erkennbar, daß sich die Lager 24, 25 und der
Stift 23 relativ um den Weg Δh bewegt haben. Tatsächlich
gleitet der Stift im Lager, und das Ausmaß dieser
Gleitbewegung reicht dazu aus, das erwünschte Einstellausmaß für
die Leitschaufeln zu ermöglichen.
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Der Aufbau der Lager 24, 25 ist in Fig. 7 im Detail
dargestellt. Das Lager besteht aus einer Büchse 24a, die ein
Gleitlager bildet, das den Stift 23 gleitend aufnimmt. So
kann sich der Stift 23 axial in bezug auf die Büchse 24a
bewegen, und er kann sich auch in der Büchse 24a verdrehen.
Die Büchse 24a ist durch Preßpassung fest in der mittleren
Öffnung eines kugelförmigen Lagerteils 24 angebracht, das
sich seinerseits kugelförmig, d.h. um zwei zueinander
rechtwinklige Achsen, innerhalb eines Gehäuses 25 drehen kann,
das eine Oberfläche entsprechend der kugeligen Außenseite
des Lagerteils 24 aufweist. Das Gehäuse 25 ist im Ring 30
befestigt.
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Der Stift 23 ist, wie genannt, positionsmäßig am Hebel 22
fixiert. Die in Fig. 7 dargestellte Lageranordnung ist
ihrerseits positionsmäßig im Ring 30 fixiert, erlaubt es
jedoch dem Stift 23, daß er sich relativ zum Ring 30 in der
Ebene des Rings 30 durch die Bewegung des Lagerteils 24 im
Gehäuse 25 verschwenken kann. Diese Schwenkbewegung ist
erforderlich, damit der Stift 23 parallel zur
Leitschaufelachse
21 bleibt, wenn sich der Ring 30 in Umfangsrichtung um
die Leitung dreht. Zusätzlich kann sich der Stift 23 relativ
zum Ring 30 in der Richtung der Leitschaufelachse 21 dadurch
bewegen, daß er entlang der Büchse 24a gleitet.
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Obwohl das kugelförmige Lagerteil 24 das Verschwenken der
Büchse 24a um zwei zueinander rechtwinkligen Achsen zuläßt,
ist es tatsächlich nur erforderlich, daß der Stift 23
relativ zum Ring 30 in der Ebene des Rings verschwenken kann.
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Sowohl die Gleitlagerbüchse 24a als auch das kugelförmige
Lager 24 in seinem Gehäuse 25 sind käuflich erhältliche
Standardgegenstände, die wie in Fig. 7 dargestellt,
zusammengebaut werden, um das spezielle Lager zu ergeben, wie es
bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
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Alle Hebel 22, Stifte 23 sowie Lager 24, 25 sind um den Ring
30 herum identisch. Ein Stellglied 9 für die Leitschaufel-
Einstelleinrichtung der Fig. 1 bis 7 ist von herkömmlicher
Art und entspricht dem Stellglied 9 von Fig. 10. Der Betrieb
des Stellglieds 9 verursacht die Verdrehung der Achse 20 der
Antriebsleitschaufel, die ihrerseits den Ring 30 in
Umfangsrichtung antreibt. Dann wird der Ring 30 durch die Stifte 23
dazu gezwungen, daß er sich sowohl axial als auch in
Umfangsrichtung verstellt, und er verdreht seinerseits alle
Leitschaufelachsen 21, um alle Leitschaufeln übereinstimmend
einzustellen.
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Obwohl der Einstellring 30, wie er bei diesem
Ausführungsbeispiel dargestellt ist, vom Führungsteil 31 gehalten wird,
zu dem ein Wälzlager gehört, kann alternativ auch ein
Gleitlager verwendet werden, das die axiale Bewegung des
Einstellrings 30 zuläßt.
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Es ist zu beachten, daß der Mechanismus dieses
Ausführungsbeispiels
Eigenschaften mit besonders geringer Reibung
aufweist. Reibungswiderstand entsteht nur durch die Wälzlager
33 und die Bewegung der Stifte 23 in den Lagern 24, 25,
neben dem Widerstand der Lager 5 und dem Drehmoment, wie es
von den Leitschaufeln 3 durch die strömende Luft ausgeübt
wird. Die Gesamtreibung ist klein. Der Mechanismus kann auch
einfach hergestellt werden und ist daher hinsichtlich der
Herstellung wirtschaftlich. Er unterliegt geringer Abnutzung
während des Betriebs und sorgt demgemäß für eine genaue
Einstellung der Leitschaufeln.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8
dargestellt, in der Einzelteile, die solchen der Fig. 1
bis 7 entsprechen, mit denselben Bezugsziffern versehen
sind und nicht im einzelnen beschrieben werden. Fig. 8 zeigt
ein Kompressorrad 1 einer Radialturbine und eine
Einlaßleitung 2 zu diesem Rad 1. In der Leitung sind
Einstelleitschaufeln angebracht, die von Leitschaufelachsen 21 gehalten
werden, die sich durch die Wand 2 hindurch erstrecken. Über
Hebel 22 und Stifte 23 sowie Lager 24, 25, wie in den Fig. 1
bis 7 dargestellt, werden diese Leitschaufelachsen 21
übereinstimmend durch den Einstellring 30 eingestellt, der in
diesem Fall eine ringförmige Platte ist, die in
Umfangsrichtung und axial bewegbar ist. Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem der Fig. 1 bis 7 dahingehend, daß
die Lager 24, 25 nicht in der Platte sondern auf kurzen
Zapfen angebracht sind, die axial von der Platte hochstehen und
durch Muttern in den korrekten Positionen zum Aufnehmen der
Stifte 23 stabil an der Platte 30 befestigt sind. So sind,
wie beim vorigen Ausführungsbeispiel, die Lager 24, 25
hinsichtlich ihrer Position bezogen auf den Einstellring 30
fixiert. Fig. 8 zeigt auch eine von drei Rollen 33, die mit
dem Außenumfang des Einstellrings 30 in Eingriff stehen, und
die an der feststehenden Stange 31 drehbar und gleitend
angebracht sind, die durch eine Stange 34 am Rahmen des
Kompressors
gehalten wird.
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Es ist ersichtlich, daß der Mechanismus dieser
Ausführungsbeispiele die Eigenschaft besonders geringer Reibung
aufweist. Reibungswiderstand wird nur durch die Rollenlager 33
und die Bewegung der Stifte 23 in den Lagern 24, 25 erzeugt,
neben dem Widerstand der Lager 5 und dem Drehmoment, das
durch die strömende Luft auf die Leitschaufeln 3 wirkt. Die
Gesamtreibung ist klein. Der Mechanismus kann auch einfach
hergestellt werden und ist daher hinsichtlich der
Herstellung wirtschaftlich. Er erfährt geringe Abnutzung während
des Betriebs und sorgt so für eine genaue Einstellung der
Leitschaufeln.
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Die Anzahl von Einstelleitschaufeln beträgt in einem
Turbokompressor typischerweise 11, jedoch kann jede geeignete
Anzahl in anderen Vorrichtungen verwendet werden, auf die die
Erfindung in großem Umfang anwendbar ist.
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Obwohl bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen die
Darstellung dergestalt ist, daß der Stift 23 am Hebel 22
und das Lager am Einstellring 30 befestigt sind, können
diese Positionen auch umgekehrt werden.
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Die minimale Anzahl von Trägerlagern am Außenumfang des
Einstellrings 30 beträgt drei, um eine konzentrische Bewegung
in Umfangsrichtung zu erhalten. Es können mehr Trägerlager
verwendet werden, jedoch ist hinsichtlich der Einfachheit
des Aufbaus und der Einstellbarkeit das bevorzugte Maximum
für die Praxis sechs.