DE964551C

DE964551C - Leitschaufel-Verstellvorrichtung fuer Turbomaschinen

Info

Publication number: DE964551C
Application number: DEP9359A
Authority: DE
Inventors: John Constantine Grey
Original assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Current assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Priority date: 1952-03-14
Filing date: 1953-03-13
Publication date: 1957-05-23
Also published as: GB731822A; FR1076326A

Description

P 9359 AUSGEGEBEN AM 23. MAI 1957

BIBLIOTHEK

DES DEUTSCHEN PATENTAMTES

Die Erfindung geht aus von einer Leitschaufel-Verstellvorrichtung für Turbomaschinen, welche sich zusammensetzt aus einem Ring, der innerhalb des Maschinengehäuses gehalten und angeordnet ist, aus mechanischen Verbindungen zwischen dem Ring und jeder Leitschaufel für das gleichzeitige Verstellen der Schaufeln entsprechend der Bewegung des Ringes und aus Mitteln, welche durch das Gehäuse arbeitsmitteldicht zwecks Bewegens des Ringes von einer Stelle außerhalb des Gehäuses her hindurchgeführt sind. Es ist bekannt, den Betätigungsring an der Innenseite des Maschinengehäuses anzuordnen und den Ring von außerhalb des Gehäuses her über eine einzige Spindel zu steuern, welche durch die Gehäusewand hindurchgeführt wird. Bei den bekannten Verstellvorrichtungen muß der Ring entweder lose bzw. mit großem Spiel aufsitzen, wodurch die genaue Einstellung der einzelnen Schaufeln oder Schaufelblätter beeinträchtigt wird, oder er würde bei den hohen Arbeitstemperaturen, mit denen bei einer Gasturbine zu rechnen ist, ver-

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dreht oder verbogen werden, wodurch sogar ein Bruch der Einstellvorrichtung eintreten könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

diese Nachteile zu vermeiden. Die Erfindung besteht in erster Linie darin, daß der Ring mit einem Spalt oder Schlitz versehen wird, welcher den Ring in Umfangsrichtung unterbricht.

Der Schlitz oder Spalt im Betätigungsring dient dazu, der Wärmeverformung Rechnung zu tragen, ίο welche sehr stark bei einer Turbomaschine in Erscheinung treten kann, bei welcher die Arbeitstemperatur sehr hoch ist, z. B. in einer Turbine, oder bei welcher große Änderungen der A'rbeitstemperatur auftreten. Die Wärmeverformung des Betätigungsringes kann so stark sein, daß dieser sich festklemmt. Bevor dies jedoch erfolgt, werden, wenn der verformte Ring betätigt wird, einige der Schaufeln mehr verstellt als andere Schaufeln. Der Schlitz oder Spalt kann dadurch erzielt werden, daß der Ring in einer Richtung, parallel zu seiner Achse, von einer Umfangsfläche des Ringes her betrachtet, geschnitten wird. Alternativ kann die Schnittlinie auch geneigt zur Achse verlaufen. In Weiterentwicklung dieses Erfindungsgedankens kann der Schlitz oder Spalt auch in einem gewissen Ausmaß in Umfangsrichtung oder schraubenförmig verlaufen, so daß der Ring zu einem Teilstück eines Schraubenkörpers wird.

Um die Gefahr einer Schädigung durch Wärmeverformung, die den Ring zum Festklemmen bringt, so daß er in Umfangsrichtung unbeweglich wird, weiterhin herabzusetzen, kann der Ring nur an mit Abstand voneinander vorgesehenen Einzelstellen gehalten bzw. gelagert werden. Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist dasjenige der Radialströmungsturbomaschinen (Radial-Einwärts- oder -Auswärtsströmungsturbinen und Zentrifugalverdichter); jedoch ist die Erfindung auch für das Einregeln der S tänder schaufeln in Axial-Strömungsturbinen oder -Verdichtern brauchbar.

Im Falle einer Radial-Strömungsturbomaschine kann der Betätigungsring federnd nachgiebig gegen die Kanten der Leitschaufeln, welche er einregelt, gepreßt werden, wodurch eine Dichtung zwischen diesen Kanten und dem Gehäuse der Turbomaschine erzielt wird. Wenn der Ring schraubenförmig ausgebildet ist, so kann seine eigene federnde Nachgiebigkeit den zu diesem Zweck erforderlichen Federdruck liefern.

Die Erfindung soll nunmehr ausführlicher an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung erläutert werden, und zwar zeigt Fig. ι einen Längsschnitt durch eine Radial-Einwärtsströmungsturbine,

Fig.-2. einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie 2-2 in Fig. i,

Fig. 3 ein Teilstück aus Fig. 1, in einem vergrößerten Maßstab dargestellt, welches den Düsenschaufelbetätigungsring veranschaulicht,

Fig. 4 in schaubildlicher Darstellung eine Düsenschaufel mit zugehörigem Betätigungsring, in Richtung des Pfeiles 4 in Fig. 3 gesehen, Fig. s in schaubildlicher Darstellung den Betätigungsring, gesehen in Richtung des Pfeiles 4 in Fig· 3,

Fig. 6 in ähnlicher schaubildlicher Wiedergabe einen Betätigungsring für eine abgeänderte Ausführungsform' der Erfindung,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine einstufige Axialturbine bzw. einen Axialverdichter, während Fig. 8 in räumlicher Darstellung ein Teilstück eines Verstellringes wiedergibt, bei welchem der Spalt oder Schlitz, von der Umfangsfläche des Ringes her gesehen, im wesentlichen schraubenförmig ausgebildet ist.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen eine einstufige Radial-Einwärtsströmungsturbine, bei welcher Gas durch ein Schneckengehäuse 14 zugeleitet und dann dem Außenumfang des Läufers 10 vermittels eines Ringes von Düsenschaufeln 11 zugeführt wird, welche um Lager 12 schwenkbar sind, die in den Turbinengehäusewandungen sitzen, derart, daß ihr Winkel und die Gasdurchlaßquerschnitte, welche durch die Schaufeln festgelegt werden, veränderlich sind. Die Schaufeln 11 sind an einem Punkt angelenkt, der etwa auf einem Drittel der in Strömungsrichtung gemessenen Schaufellänge liegt, und zwar von ihren Innenenden aus gemessen. An den äußeren oder Gaseintrittsenden ist jede Schaufel mit einem go Stift 15 versehen, der in einem Stück mit der Schaufel ausgebildet sein kann und sieh in Achsrichtung der Turbine, d. h. parallel zur Drehachse der Schaufel, erstreckt. An der Stelle gegenüber dem Stift 15 weist die benachbarte Wandung des Turbinendüsengehäuses eine ringförmige Aussparung 16 auf, in welcher der Betätigungsring 17 sitzt, der die Verstellbewegung der Düsenschaufeln hervorruft. Der Ring 17 sitzt frei auf einer Stufe bzw. einer Schulter 35 des Gehäuses und vermag eine begrenzte Umfangsbewegung in der Aussparung vermittels teilweiser Drehung auf der Schulter auszuführen. Da der Ring von heißen Gasen bestrichen wird, könnte er, wenn nicht Schritte unternommen werden, dies zu verhindern, die Neigung haben, unter dem Einfluß der Wärmeverformung sich festzuklemmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Gefahr des Festklemmens dadurch herabgesetzt, daß der Ring in einer Richtung geschnitten ist, welche als ra- no dial anzusprechen ist, wenn vom Ende her betrachtet und als axial, wenn vom Umfang her betrachtet, und zwar an dem einen Punkt 18 (vgl. Fig. 5), so daß eine Verformung infolge· Wärmeeinwirkung leichter auszugleichen ist. Um weiterhin die Gefahr des Festklemmens herabzusetzen, wird der Ring 17 nicht auf der Gehäuseschulter 35 rund um deren gesamten Umfang gehalten, sondern er ist nur an verschiedenen, mit Abstand voneinander vorgesehenen Stellen, beispielsweise an vier mit gleichem Abstand voneinander vorgesehenen Punkten 19 (vgl. Fig· S)» gehalten. Zwischen diesen Stellen ist der Innenumfang des Ringes nach außen ausgespart oder freigelegt, so daß dort ein Spiel zwischen Ring und Halteschulter vorhanden ist. Um die

Kontaktfläche zwischen Ring und Schulter zu verringern, wird der Innendurchmesser des Ringes und der Schulter so klein wie möglich gewählt. Die sich berührenden Flächen von Ring und Schulter können selbstschmierend, beispielsweise von graphitischer Ausbildung, sein. Der Betätigungsring 17 ist in Umfangsrichtung mit einer Reihe von Schlitzen 20 versehen, von denen jeder sich nach innen in einer Richtung erstreckt, die sowohl mit der radialen als auch mit der tangentialen Richtung des Ringes einen Winkel einschließt. Die Schlitze 20 sind am besten aus Fig. 4 zu ersehen. Jeder Schlitz 20 nimmt einen der Stifte 15 auf, welche an den Außenenden der Düsenschai*feln n sitzen.

Ein Teil des Außenumfanges des Ringes 17 trägt Zähne 21 (vgl. Fig. 4 und 5), welche mit einem Ritzel 22 kämmen, das auf einer Welle 23 sitzt, die im Turbinengehäuse gelagert ist und durch dieses durchführt, so daß durch leichtes Drehen der Welle der Betätigungsring in Umfangsrichtung bewegt wird, wodurch die Düsenschaufeln um ihre Lagerstellen gedreht werden. Das Ritzel 22 sitzt ebenfalls in der Gehäuseaussparung oder Ringnut 16, welche den Betätigungsring aufnimmt. Eine beliebige (nicht gezeigte) Gasabdichtung muß dort . vorgesehen werden, wo die Ritzelwelle 23 durch das Gehäuse 13 hindurchführt. Es ist nicht nötig, eine solche an einer Anzahl von Punkten vorzusehen, wie es der Fall wäre, wenn der Betätigungsring außerhalb des Turbinengehäuses sitzen würde. Der Betätigungsring 17 kann federnd nachgiebig gegen die Kanten der Ständerschaufeln n gepreßt werden, wodurch eine Dichtung zwischen diesen Kanten und dem Gehäuse 13 erzielt wird. Eine (nicht gezeigte) Feder kann zu diesem Zweck Anwendung finden.

Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Steuereinrichtung ist besonders deutlich aus Fig. 4 zu ersehen. Eine Drehung der Welle 23 in Richtung des Pfeiles A bewegt den Ring 17 in Umfangsrichtung in Richtung des Pfeiles B. Durch diese Bewegung wird der Stift 15 einer jeden Schaufel veranlaßt, sich innerhalb des zugehörigen Schlitzes 20 in eine neue Stellung zu bewegen, wie diese durch gestrichelte Linien angedeutet ist, wodurch die Schaufel um ihre Lagerstelle 12 geschwenkt wird.

Die vorbeschriebene bauliche Ausführungsform

kann in verschiedener Hinsicht abgeändert werden.

Beispielsweise können (wie in Fig. 6 gezeigt) RoI-len oder Kugeln 31 auf dem Ring 17 oder der Schulter 35 an den Lagerstellen 19 vorgesehen werden. Die Rollen oder Kugeln können in in Umfangsrichtung verteilt vorgesehenen Aussparungen 32 im Ring 17, wie gezeigt, oder auch in Aussparungen im Nabenteil sitzen. Zusätzlich zu der Innenhalterung, die durch die Schulter gegeben ist, kann der Ring 17 an seinem Außenumfang durch Rollen oder Kugeln oder auch vermittels Gleitsitzes mit der äußeren Umfangswandung der Aussparung 16 von dieser geführt werden, natürlich mit Ausnahme derjenigen Stelle, an welcher das Ritzel 22 sitzt. Außerdem kann der Schnitt 18 im Ring in schraubenförmiger Richtung (vom Außenumfang her gesehen) ausgebildet werden. Dadurch wird der Ring zu einem Teil eines Schraubenkörpers und liefert so eine natürlich federnde Nachgiebigkeit, welche den Ring gegen die Aussparung 16 zu pressen sucht.

Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf eine Turbine. Doch kann die Erfindung auch bei einem Zentrifugalverdichter Anwendung finden, in welchem Falle die Schaufeln als verstellbare Diffusorschaufeln wirksam sind.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung-(vgl. Fig. 7) kommt eine einstufige Axialturbine oder ein einstufiger Axialverdichter, Leitschaufeln 25 und Laufschaufeln 24 jn Betracht. Ein Betätigungsring 26 zum Verstellen der Leitschaufeln sitzt in einer Nut 27 in der Gehäusewandung 28. Der Ring 26 ist, ähnlich wie Ring 17 beim ersten Ausführungsbeispiel, geteilt. Die Leitschaufeln 25 sind mit radial verlaufenden Stiften 29 versehen, welche in Aussparungen in der Gehäusewandung 28 gelagert sind. Jeder Stift 29 trägt einen an seinem Ende in einer Kugel auslaufenden Hebel 30, welcher in eine Aussparung 36 im Betätigungsring 26 eingreift. Der Ring 26 wird in Umfangsrichtung über ein Ritzel 33 bewegt, welches mit Zähnen auf dem Ring 26 kämmt, wobei das Ritzel 33 durch 9x3 eine Welle 34, in ähnlicher Weise wie bei den vorbeschriebenen Radialmaschinen, bewegt wird. Diese Bewegung des Ringes 26 verstellt die Leitschaufeln 25. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel muß eine Gasdichtung dort vorgesehen werden, wo die Welle 34 durch das Maschinengehäuse hindurchführt. Wiederum ist dies hier nicht an einer Anzahl von Stellen notwendig, wie das der Fall wäre, wenn der Betätigungsring außerhalb des Gehäuses angeordnet sein würde.

Die Betätigungsringe 17 und 26 sind geschlitzt bzw. geteilt, und zwar zwecks Berücksichtigung der thermischen Ringverformung. Wie bereits ausgeführt worden ist, könnte die Verformung ein Festklemmen des Ringes auf seiner Halteschulter bewirken. Wenn aber, bevor das Festklemmen erfolgt, der verformte Ring betätigt würde, dann würden einige der Düsenschaufeln um einen größeren Winkel als andere Schaufeln geschwenkt, wodurch die Schaufelkanäle und die Anströmwinkel ungleich wurden. Infolge der Trennfuge im Betätigungsring vermag der Ring sich in Umfangsrichtung rund um seine Halteschulter zu öffnen und zu schließen, wodurch sichergestellt wird, daß bei allen Arbeitstemperaturen die Schaufeln in genau übereinstimmender Weise untereinander eingestellt werden.

Fig. 8 zeigt in räumlicher Darstellung den Betätigungs- oder Verstellring 17, bei welchem der Spalt, oder Schlitz 18 schräg bzw. schraubenförmig ausgebildet ist, derart, daß der Ring zu einem Teilstück eines Schraubenkörpers wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Leitschaufel-Verstellvorrichtung für Türbomaschinen, bestehend aus einem Ring, der

innerhalb des Maschinengehäuses gehalten und angeordnet ist, aus mechanischen Verbindungen zwischen dem Ring und jeder Leitschaufel für das gleichzeitige Verstellen der Schaufeln entsprechend der Bewegung des Ringes und aus Mitteln, welche durch das Gehäuse arbeitsmitteldicht zwecks Bewegens des Ringes von einer Stelle außerhalb des Gehäuses her hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ίο der Ring einen Spalt oder Schlitz aufweist, welcher den Ring in Umfangsrichtung unterbricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt oder Schlitz sich in radialer Richtung erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt oder Schlitz, von einer Umfangsfläche des Ringes her gesehen, im wesentlichen schraubenförmig ist, so daß der

ao Ring zu einem Teilstück eines Schraubenkörpers wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring an seinem Innenumfang nur an mif Abständen voneinan-

■35 der vorgesehenen Stellen für das Ausführen einer Bewegung in Umfangsrichtung gehalten ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring an seinem Innenumfang auf Kugeln oder Rollen gehalten ist, welche in Aussparungen im Ring oder im Gehäuse der Turbomaschine sitzen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring innerhalb einer Aussparung in dem Gehäuse der Turbomaschine angeordnet ist, durch das zur Betätigung des Ringes in an sich bekannter Weise eine Welle arbeitsmitteldicht hindurchgeführt ist, die an ihrem inneren Ende ein Ritzel trägt, welches mit Zähnen auf dem Ring kämmt, und daß Mittel für das federnd nachgiebige Anpressen des Ringes gegen eine Wandung der Aussparung vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkraft des federnden Ringes zum federnd nachgiebigen Anpressen des Ringes gegen eine Wandung der Aussparung benutzt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Schaufeldrehpunktes von der Schaufelströmkante ungefähr ein Drittel der Länge der Profilmittellinie der Schaufeln beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften·
Deutsche Patentschrift Nr. 834655;
USA.-Patentschrift Nr. 2 428 830.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 609 736/211 12.56 (709 522/292 5.57)