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Drehbare Laufschaufel für Turbomaschinen Bei drehbaren Laufschaufeln
rotierender Turbomaschinen müssen die V erstellmechanismen neben den hydraulischen
Kraftmomenten und den mechanischen Reibungskraftmomenten auch noch gewisse 'Momente
der Fliehkräfte aufnehmen. An einem einfachen Beispiel soll im folgenden erklärt
werden, wie ein solches Fliehkraftmoment zustande kommt.
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In Fig. i der Zeichnung ist ein dreiachsiges Koordinatensystem aufgezeichnet,
das mit der Winkelgeschwindigkeit co um seine 3,-Achse rotiert. Auf der --Achse
ist eine drehbare Hantel befestigt, die also die allgemeine Rotationsbewegung um
die 3,-Achse mitmachen muß. Zeichnet man die Fliehkräfte F der beiden Hantelmassen
ein, so sieht man, daß diese irgendwo durch die y-Achse gehen müssen. Im allgemeinen
liegen diese Kräfte windschief zur --Drehachse der Hantel, so daß sie auf diese
ein Drehmoment ausüben, und zwar so, daß sich die Hantel mit ihrer Längsachse in
Richtung der Umfangsgeschwindigkeit, d. h. parallel zur x-Achse. stellen will.
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Auch eine drehbare Laufschaufel will durch ihre Fliehkräfte um ihre
Drehachse in die Umfangsrichtung gedreht werden. Dabei wirkt das resultierende Drehmoment
notgedrungen auf die Vorrichtung, die das Drehen der Schaufel besorgen muß (zumindest
während des Drehens selbst, falls nämlich die Schaufel in gewissen Lagen verklinkt
wird). Im allgemeinen
sind diese Fliehkraftnioniente klein, bei
groJen -cllaufelii jedoch oder hei liolien Drehzahlen werden sie un-rulässi@ gri7L@.
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Erfindungsgemäß werden nun auf der Schaufeldrehachse Zusatz massen.
deren Län-sachse ungefähr senkrecht zum Schaufelblatt steht, angebracht, die die
Aufgabe haben, der erwähnten Drehrtionientwirkung der Fliehkräfte in einer 1Veise
entgegenzuwirken, daß sie in allen Lagen der Schaufel im wesentlichen ausgeglichen
wird. Vorteilhaft ist dabei. wenn diese Zusatzmasse innerhalb des inneren Schaufeldurchmessers
möglichst ini l"otorinnern unter-ebracht sind. damit sie erstens in der Strömung
keine unerwünschten Zusatzwiderstände bilden und damit zweitens keine zu groben
ZusatzbeIasttingen der Schaufeldreh lager entstellen.
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Es ist bekannt. zur selbsttätigen Verstellung eines Propellers die
Flielil<räfte selbst zur Verstellarbeitsleistung Heranzuziehen, während jedoch
die drehbaren Laufschaufeln von Turbomaschinen über einen t"ers tellnieclianismus
durch fremde Verstellkräfte (Servomotor, Handverstellung usw.i bewegt werden. Bei
den hohen Drehzahlen, wie sie zwar bei Turbomaschinen. nicht aber bei Propellern
vorkommen, treten nun so große Zentrifugalrnomente auf, daß die durch die VerstelI-mechanismen
übertragenen Verstellkräfte zu groß werden können. Mit den Zusatzmassen wird also
nicht eine bestimmte Regelcharakteristik erstrebt wie bei den selbsttätigen VerstellpropeIlern,
sondern die Verstellmechanismen :ollen durch einen mehr oder weniger vollständigen
Ausgleich der Zentrifugalinomente weitgehend entlastet werden, und zwar sind das
gerade solche Verstellmechanismen, wie sie beim selbsttätigen Verstellpropeller
nicht vorhanden sind.
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Die Gesamtheit dieser Zusatzmassen sei im folgenden mit AusgIeichkörper
bezeichnet, im Gegensatz zum eigentlichen Schaufelkörper. Ausgleichkörper zum Schaufelkörper
ztilammen werden Drehkörper genannt.
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An Hand der Zeichnung (Fig.2), die beispielsweise eine Ausführung
der Erfindung in perspektivischer Ansicht zeigt. sei diese näher erläutert.
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Der Ausgleichkörper kann z. B. in einem auf der Schaufeldrehachse
i montierten liailtelartigen Körper ?bestehen. dessen Längsachse ungefähr senkrecht
zum Schaufelblatt 3 stellt. Er könnte aber z. B. auch nur in der einen Hälfte einer
solchen Hantel bestehen; das genügt in allen Fällen. wo die Schaufeldrehachse radial
zur Rotationsachse steht. Unter hantelartig oder haIbhantelartig soll hier ein um
eine Achse drehbarer Körper verstanden werden. der zwei aufeinander. senkrechte,
durch seine Drehachse gehende Bezugsebenen A und B besitzt, für die die planarm
Trägheitsmomente sehr verschieden sind. Unter den planarm Trägheitsmomenten eines
Körpers, bezogen auf eine Ebene, versteht man bekanntlich die Summation aller mit
dem Ouadrat ihrer Abstände von dieser Ebene multiplizierten Massenteile. Das bedeutet.
daß ein Großteil der Massen große Abstände von der einen Ebene, A, aber kleiner
von der andern. B, haben inul.). In dieser anderen Ebene B liegt dann die obenerwähnte
Längsachse des Körpers. Nach dieser Beschreibung wären neben gewöhnlichen Hanteln
auch z. B. zweifiigelige Flugzeu-llropeller oder die drehbare Laufschaufel selbst
hantelartig, während eine in ihren Angeln drehbare Tür oder eine Handkurbel nur
halbliantelartig wären, d. li. hauptsächlich auf der einen Seite der Ebene--1 Massenteile
besäßen.
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Der Ausgleichkörper liegt also zweckmäßig im Innern der Rotortrommel,
und zwar möglichst nahe an der Rotationsachse, da sich dadurch einerseits die Drehrnomentwirkung
gleichbleibt. aber anderseits die Fliehkräfte an sich kleiner werden und das Schublager
des Schaufelkörpers nicht unnötig belasten. Der Ausgleichkörper kann auch so ausgebildet
werden, daß an ihm die Vorrich:ung für das Drehen der Schaufel angreift. Der gesamte
Drehkörper kann nun in mehreren Lagern geführt werden, es genügt aber unter Umständen
auch ein einziges Lager, da die Fliehkraft der Schaufel zentrierend wirkt.
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Wenn es möglich ist, wird man die Schaufelachse immer ungefähr radial
stellen. In diesem Fall gelingt der Massenausgleich immer ohne weiteres, auch wenn
z. B. der Schwerpunkt des Schaufelkörpers nicht in seiner Drehachse liegt. Steht
die Drehachse aber im Winkel oder gar windschief zur Rotorachse, so müssen auch
gewisse Bedingungen an die Form des Schaufelkörpers selbst gestellt werden. Am besten
werden dann sowohl Schaufel- als Ausgleichkörper so geformt, daß jeder für sich
seinen Schwerpunkt etwa auf der Drehachse hat und diese bei beiden ungefähr einer
Hauptträgheitsachse entspricht.
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Für solche Drehkörper, deren Drehachse also entweder ungefähr radial
steht oder im allgemeinen Fall sowohl für den Schaufel- als auch für den Ausgleichkörper
im großen Ganzen eine Hauptträgheitsachse durch den Schwerpunkt ist, kann der Massenausgleich
auf einer Balanciervorrichtung kontrolliert und korrigiert werden, wie sie im Prinzip
in Fig. 3 zu sehen ist. Ein Drehgestell 4 rotiert uni die beiden Halbachsen ;. In
diesem Drehgestell ist der zu balancierende Drehkörper 3 so gelagert. daß seine
Achse i senkrecht auf den I-lalbaclisen 5 steht und ihre Verlangerung
schneidet.
Der Schwerpunkt des Drehkörpers soll dabei nicht zu weit von diesem Schnittpunkt
entfernt sein, da sonst nur unnötig große Zentrifugalkräfte entstehen. Auf das Balancieren
selbst hat der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse allerdings keinen Einfluß,
weswegen ja ein Balancieren in der angegebenen Art überhaupt möglich ist.
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Das Balancieren kann nun in der Weise geschehen, daß der Drehkörper
im Stillstand so gestellt wird, daß das Schaufelblatt im Winkel, z. B. 45°, zur
Drehachse steht. Dann wird das Drehgestell in Umlauf versetzt. Sind die Ausgleichmassen
noch zu klein, so stellt sich das Schaufelblatt senkrecht zur Drehachse, sind sie
zu groß, parallel dazu. Die Vorrichtung kann auch so gebaut sein,, daß der Drehkörper
in der Ausgangslage federnd festgehalten wird. Wird das Drehgestell jetzt in Umlauf
versetzt, so kann durch Messung des Verdrehwinkels das resultierende Moment der
Fliehkräfte unmittelbar gemessen und daraus die Korrekturmasse berechnet werden.
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Ist der Massenausgleich für eine Schaufelblattlage von etwa q.5° gelungen,
balanciert man nun noch für Schaufellagen von etwa o oder 9o°. Das dient zur Kontrolle
und zur Korrektur des Winkels zwischen der Längsachse des Ausgleichkörpers und dem
Schaufelblatt. Ist dieser Winkel nicht korrekt, will sich der Drehkörper nun beim
Balancieren in eine solche Lage stellen, daß das Schaufelblatt wieder etwa unter
q.5° zur Achse zu stehen käme. Nennen wir diese Lage die Balancierendlage, so muß
der Winkel zwischen dem Ausgleichkörper und dem Schaufelkörper so verändert werden,
daß, in eben dieser Endlage betrachtet, der spitze Winkel zwischen der Ausgleichkörperlängsachse
und der Drehachse verkleinert wird.