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Vorrichtung zur Regelung des Düsenleitkanalquerschnittes von Gasturbinen,
insbesondere Abgasturbinen Die Regelung des Wärmegefälles der Abgasturbinen geschieht
heute,durchweg durch Abblasen von Abgas vor dem Eintritt in den Leitapparat, wenn
der dem Sollwert des Gefälles entsprechende Druck vor der Turbine überschritten
wird. Das Abblasen bedeutet einen Energieverlust, der erheblich sein kann, wenn
.die Abgasmenge sich in weiten Grenzen ändert, wie es bei Höhenflugmotoren der Fall
ist. Bei Auslegung des Düsenquerschnittes der Turbine für .die größte Abgasmenge
ist es andererseits erforderlich, zwecks Aufrechterhaltung des der erforderlichen
Leistung entsprechenden Wärmegefälles bei sich ändernder Abgasmenge die Größe des
Düsenquerschnittes im Betrieb zu verändern.
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Vorrichtungen zur Änderung des Düsenquerschnittes während des Betriebes
sind zwar bekannt, sie sind aber nicht zur Verwendung unter den besonderen Betriebsbedingungen
geeignet, mit denen bei Abgasturbinen für Flugmotoren gerechnet werden muß. Das
aus dem Dampfturbinenbau bekannte Regelverfahren durch Drosseln mit Hilfe eines
oder mehrerer gleichzeitig betätigter Schieber, die sich auf einer zur Turbinenachse
konzentrischen Kreisbahn bewegen, ist nicht verwendbar, weil die hohe Temperatur
(bis über iooo° C) des Treibmittels die Benutzung von Schiebern überhaupt unmöglich
macht und weil dieses Verfahren ,die volle Beaufschlagung der Turbine auf dem ganzen
Umfang, die für günstigste Auslegung meist erforderlich ist, ausschließt. Auch eine
Regelung durch Ändern des Düsenwinkels, wie sie auch für Gasturbinen schon vorgeschlagen
wurde, kann bei
Abgasturbinen für Flugmotoren nicht verwendet werden,
da mit Rücksicht auf den Radwirkungsgrad die Änderung des Düsenwinkels eine Anpassung
der Drehzahl erfordert, die bei ortsfesten Gasturbinenanlagen mit Leistungsregelung
durch Änderung des Düsenwinkels sich von selbst im richtigen Sinne vollzieht, da
sie Zweck der Regelung ist, während im Flugmotorenturboladerbetrieb bei kleiner
werdender Gasmenge in der Höhe infolge Absinkens der Luftdichte .durch Ändern der
Düsenquerschnittsfläche Drehzahl und Leistung gerade konstant gehalten -,werden
soll. Insbesondere die Abgasturbine für den Flugmotor erfordert also eine Regelung,
die bei gleichbleibendem Düsenwinkel erfolgt, die in heißem Abgas einwandfrei arbeitet,
die volle Beaufschlagung des Umfangs zuläßt und die von außen betätigt werden kann,
ahne daß durch austretendes Gas Verluste und Brandgefahren verursacht werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung des Düsenleitkanalquerschnittes
von Gasturbinen, insbesondere Abgasturbinen, mit Hilfe drehbarer, als Leitschaufeln
ausgebildeter Absperrklappen. Sie wird diesen Forderungen dadurch gerecht, daß erfindungsgemäß
alle oder ein Teil der den Querschnitt der Düsenleitkanäle regelnden Absperrklappen
mit je einer Öffnungs- und Schließnase versehen sind und die Absperrklappen durch
einen die öffnungs- oder Schließnasen mitnehmenden Regelschieber nach einander geöffnet
oder nacheinander geschlossen werden. In Weiterbildung der Erfindung ist jede Absperrklappe
mit einem Sperrglied versehen, das die benachbarten Absperrklappen in der offenen
und geschlossenen Stellung an der Bewegung hindert.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung. Das Fortschrittliche
dieser Erfindung liegt also in der Verwendung von Regelorganen und Betätigungselementen,
die für hohe Gastemperaturen geeignet sind und deren Arbeitsweise auf die Betriebsverhältnisse
und den besonderen Regelzweck bei Abgasturbinen abgestellt ist.
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Abb. i stellt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes mit
auswechselbaren Regelklappen im Schnitt in geschlossenem Zustand dar; Abb. 2 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Regelorgane des gleichen Ausführungsbeispiels,
aus der die gegenseitige Sperrung ,der Klappen in geöffnete@m Zustand zu ersehen
ist; Abb. 3 zeigt dieselben Klappen und ihre gegenseitige Sperrung im geschlossenen
Zustand; Abb. 4 veranschaulicht die Betätigung der Regelklappen durch einen Regelschieber;
Abb. 5 gibt die Befestigung beispielsweise zweier symmetrisch angeordneter Regelschieber
an einem Zahnkranz in Ansicht und Schnitt wieder, der im Ausführungsbeispiel in
vier Zahnritzeln geführt und durch die verlängerte Welle eines der Ritzel angetrieben
wird; Abb. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
für niedrigere Gastemperaturen, bei dem die Regelklappen, die mit den Betätigungs-
und Sperrhebeln im Blechstanzverfahren aus einem Stück herstellbar sind, geöffnet
dargestellt sind; Abb.7 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel wie Abb. 6, jedoch mit
geschlossenen Regelklappen.
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Die Regelvorrichtung nach den Abb. i bis 5 wirkt wie folgt: Eine dem
gewünschten Regelbereich entsprechende Anzahl der Düsenleitkanäle ist mit Absperrklappen
a versehen, die den Düsenleitkanal am Gaseintritt öffnen oder schließen und deren
Drehachsen b in der Boden- und Deckwand des Leitkanals gelagert sind. Auf der durch
die Düsendeckwand c hindurch verlängerten Achse sind die öffnungsnase d, die Schließnase
Bund die beiden Sperrhebel f und g befestigt, die in vorliegendem Ausführungsbeispiel
zu je einem aus einem Stück gearbeiteten oder geschweißten Klinkelement zusammengefaßt
sind. Beim Regelvorgang werden diese Klinkelemente nacheinander durch einen oder
mehrere Regelschieber h betätigt, die zur Verminderung des Düsenquerschnittes in
der einen, zur Vergrößerung in ,der anderen Richtung an den Elementen entlanggeführt
werden, so daß sie im ersten Fall die Schließnasen e, im letzten die Öffnungsnasen
d
mitnehmen, die Klappen a also nacheinander schließen bzw. öffnen. Die Festlegung
der Klappen in den beiden Endstellungen erfolgt durch die beiden Sperrhebel f und
g, wie aus Abb. 2 und 3 hervorgeht.
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Betrachtet man die Abb. 2 und denkt man sich den Regelschieber
h gegen die Öffnungsnase d ge-,drückt, so liegt die Fläche f1 an der
Stelle g1 des Sperrhebels g an. Die Absperrklappe a, die links von der durch denRegelschieber
gehaltenen Absperrklappe liegt, kann somit ihre Stellung nicht verändern. Das gleiche
gilt für die weiter links angeordneten Klappen. Sind die Absperrklappen geschlossen,
d. h. drückt die Nase hl .des Regelschiebers h gegen die Schließnase
e, so liegt nunmehr die Nase g2 des Absperrhebels g an der Fläche f1 des
Hebels f, so daß die rechts von dem durch den Regelschieber gehaltenen Absperrschieber
angeordneten Absperrschieber sich nicht öffnen können.
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Die jeweils letzte Regelklappe in einer Reihe von Klappen in der einen
Regelstellung und die. darauffolgende erste Klappe in der anderen Regelstellung
werden vom Regelschieber selber gesperrt, wie aus Abb. 4 ersichtlich ist. In jeder
Stellung der Schieber sind also sowohl die offenen als auch .die geschlossenen Klappen
gesperrt. In diesem Ausführungsbeispiel sind, wie aus Abb. 5 hervorgeht, die Schieber
h zwecks Führung auf einer Kreisbahn an einem Zahnkranz h befestigt, der seinerseits
in drei oder mehreren Zahnritze'ln l geführt wird. Die Führung des Zahnkranzes kann
auch beispielsweise durch Fübrungsknac'ken am Gehäuse oder anderweitig erreicht
werden. Der Antrieb des Zahnkranzes erfolgt über die verlängerte Welle m eines der
Führungsritzel 1, die durch die Gehäusewand hindurchgeführt und durch eine Stopfbuchse
abgedichtet wird. Der Regelungsantrieb liegt außerhalb des heißen Gasstromes in
einem nach außen abgedichteten Ring raun yt, der nötigenfalls mit einer Durchflußkü.hlung
versehen werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
können
die Regelklappen einzeln ausgebaut und ausgewechselt werden.
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Die Regelung kann, statt am Gaseintritt in die Leitkanäle auch am
Gasaustritt aus den Leitkanälen erfolgen. Außerdem können jeweils mehrere Leitkanäle
durch eine Klappe gleichzeitig geschlossen werden. Die Klappen selber können auch
als Düsenleitbteche verwendet werden, so daß die festen Düsenleitkanäle in Fortfall
kommen.
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Zur Vermeidung des Nachbrennens be-i Betrieb des Motors bzw. Gaserzeugers
mit Luftmangel infolge Durchtretens der Kühlluft durch die Klappenlagerung in die
Leitkanäle kann die Kühlung des abgedichteten Ringraumes n durch kaltes Abgas erfolgen.
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Für Turbinen mit Betriebstemperaturen, die eine Anordnung der Regelorgane
im Gasstrom zulassen, ist eine Vereinfachung in der- Herstellung dadurch möglich,
daß die Regelklappen mit Betätigungs- und Sperrhebeln aus Blech .gestanzt werden
können, wie es die Abb. 6 und 7 für das zweite Ausführungsbeispiel zeigen.
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Die Absperrklappen a1 werden in Scharnieren o geführt, die Öffnungsbewegung
durch die mit der Absperrklappe verbundene Öffnungsnase dl und die Schließbewegung
durch Einwirken unmittelbar auf die Absperrklappen eingeleitet. Die Sperrung der
Absperrklappen in geöffnetem und geschlossenem Zustand erfolgt ähnlich, wie es die
Abb. i bis q. zeigen. Dadurch, daß, z. B. im geschlossenen Zustand, den Abb. 7 dargestellt,
die rechts angeordnete Absperrklappe a1 von dem Regelschieber in der Schließ stellung
gehalten wird, kann die links daneben liegende Klappe sich nicht öffnen, weil die
Kante 92' sich gegen die Fläche fi legt.
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In Anwendung auf den Abgasturbolader bietet die vorliegende Erfindung
.die Möglichkeit, durch vorübergehendes Schließen einer bestimmten Anzahl von Klappen
a oder a1 die größtmögliche Beschleunigung der aufgeladenen Brennkraftmaschine zu
erzielen.