EP0393531A1 - Vorrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln - Google Patents

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EP0393531A1
EP0393531A1 EP90107101A EP90107101A EP0393531A1 EP 0393531 A1 EP0393531 A1 EP 0393531A1 EP 90107101 A EP90107101 A EP 90107101A EP 90107101 A EP90107101 A EP 90107101A EP 0393531 A1 EP0393531 A1 EP 0393531A1
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EP
European Patent Office
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expansion
lever
rod
support housing
adjusting
Prior art date
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Application number
EP90107101A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0393531B1 (de
Inventor
Joachim Popp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH filed Critical MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Publication of EP0393531A1 publication Critical patent/EP0393531A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0393531B1 publication Critical patent/EP0393531B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/20—Devices dealing with sensing elements or final actuators or transmitting means between them, e.g. power-assisted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting guide vanes in a turbo engine by means of the thermal expansion of an expansion rod which is acted upon by working gas, which is fixed at one end in a fixed position on a support housing and is articulated at its other end to the short lever arm of a transmission lever pivotally fastened in the support housing.
  • the arrangement according to the invention has the essential advantage that a direct adjustment of the guide vanes can be carried out without connecting an external control loop. This results in both shorter response times and a lower risk of system errors.
  • the adjustment is purely mechanical and is therefore advantageously independent of electrical, hydraulic or other components.
  • the arrangement is characterized by an exceptionally simple construction.
  • the long lever arm of the transmission device designed as a transmission lever is connected to the adjusting ring by a connecting shaft which is articulated in a similar manner, the connecting shaft being able to be made of the same material as the expansion rod and thus also functioning as an expansion rod.
  • the connecting shaft does not have the same effect as the primary expansion rod, since its change in length cannot be multiplied by the translation factor of the translation lever. It is possible to design the translation device as a one- or two-armed lever or as meshing gears.
  • the expansion rod preferably has stiffening ribs to prevent buckling, which at the same time increases its surface area and allows faster heating or cooling.
  • Such longitudinal stiffening ribs can also be attached to the connecting shaft.
  • the transmission lever is preferably designed with one arm and aligned radially in the support housing or in the turbo engine.
  • the pivot point of the transmission lever can be provided outside or inside, depending after which solution causes less weight or is structurally easier to implement.
  • the expansion rod is flushed with working gas. Rooms that are permanently flowed through by this working gas are particularly suitable for this. B. blow-off rooms of compressors for cooling or sealing air - because due to the high heat transfer medium flowing medium / expansion rod short reaction times can be achieved. It is also possible to provide suitable baffles through which the air blown off by the compressor is led directly to the expansion rod and which can also advantageously shorten the reaction times.
  • the device is coupled to a plurality of adjusting rings of different compressors or compressor stages.
  • the adjustable guide vane stages located one behind the other generally have to be adjusted synchronously if there has been a shift in the compressor operating point.
  • One possibility of coupling different adjusting rings is to connect them via a rotatable shaft, which shaft can be articulated either directly on the transmission lever or indirectly on the adjusting ring coupled to the transmission lever.
  • An alternative coupling option is that several adjusting rings are coupled via a common push rod, an adjusting lever with a defined transmission ratio of its lever arms being provided between each adjusting ring and the push rod. This makes it possible to control each vane stage according to its individual flow specifications. It is also possible to design the shaft or the push rod to be flexible, in order to be able to transmit the adjustment movement even when the housing specifications are unfavorable per se.
  • the expansion rod or the connecting shaft it is necessary for the expansion rod or the connecting shaft to have a significantly different coefficient of thermal expansion than the surrounding support housing.
  • the expansion coefficient of the expansion rod can be significantly larger or also significantly lower than that of the support housing. It has been shown that the ratio of the two coefficients of linear expansion should be at least 2, with significantly larger values being achievable by suitable choice of material.
  • Preferred materials for the support housing are, for example, X10, 17-4 PH, which have an ⁇ of approximately 11 ⁇ 10 ⁇ 61 / grd. EPC10 or INCO 904 with an ⁇ of approx. 4 ⁇ 10 ⁇ 61 / grd is suitable as material for the expansion rod. It is also conceivable to manufacture the expansion rod from a ceramic, in particular a fiber-reinforced ceramic, since this material also has an extremely low expansion coefficient of less than 4 ⁇ 10 ⁇ 61 / grd.
  • a further advantageous embodiment provides that the device is arranged in the region of a high-pressure compressor and is coupled to adjusting rings of a low-pressure compressor via a push rod or shaft.
  • the device is arranged in the region of a high-pressure compressor and is coupled to adjusting rings of a low-pressure compressor via a push rod or shaft.
  • the front stages of a compressor in particular the stages of a low-pressure compressor, are equipped with adjustable guide blades, while the last rows of blades of a high-pressure compressor have only rigid guide blades.
  • air is often branched off as sealing air or cooling air in the area of the last high-pressure compressor stages, so that it is suitable to arrange the adjusting device according to the invention in the area of the high-pressure compressor.
  • the invention can be arranged in the context of axial compressors, radial compressors or combined axial and radial compressors, with a coupling of the guide vanes of the radial and axial compressor also making sense. It is also possible for the invention in the context of the door Use the vane guide vane adjustment, whereby the expansion rod is preferably supplied with working gas which is branched off behind the turbine stage.
  • the transmission lever is articulated with its pivot point in the support housing, as a result of which the thermally induced rotation angle of the adjusting ring results from the change in length of the expansion rod relative to the support housing, multiplied by the transmission ratio of the transmission lever.
  • An alternative embodiment of the invention provides that the transmission lever is articulated directly on the adjusting ring and two expansion rods attached to it at one end are articulated thereon. In this embodiment, two expansion rods are provided, which results in a larger angle of rotation of the adjusting ring with otherwise the same parameters. It is possible to manufacture both expansion rods with approximately the same coefficient of linear expansion, i. that is, both are made of the same material. In this case, the expansion rods will be arranged on both sides of the transmission lever. Alternatively, it is also possible to use two expansion rods with significantly different coefficients of linear expansion. In this case, both expansion rods will be arranged on the same side of the transmission lever.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the pivot point of the fixedly articulated end of the torsion bar can be displaced relative to the support housing in the direction of expansion by means of an adjusting motor.
  • This makes it possible to carry out an overlapping adjustment of the guide vanes independently of the temperature-controlled adjustment, for example via the electronic engine control unit. It is also possible, instead of changing the fixed pivot point of the torsion bar, to make the pivot point of the transmission lever movable.
  • the adjustment motor can be carried out hydraulically, pneumatically or electrically.
  • FIG. 1 In the cross section shown in FIG. 1 through the compressor of a turbo engine, a compressor rotor 1 can be seen, on which radially oriented compressor blades 2 distributed over the circumference are attached.
  • the pivoting of the guide vanes 5 is achieved in that they are connected to pivot levers 6, which in turn are movably mounted in a circumferentially rotatable adjusting ring 7 in several degrees of freedom.
  • the adjusting ring 7 is mounted on the housing 4 by means of guide rails 8, which can also be supported by rollers for damping friction.
  • the adjustment of the adjusting ring 7 by the gas temperature occurs in that an expansion rod 9 is attached at one end to a support housing 10 by means of a swivel joint 12, and is articulated at its other end to a transmission lever 11.
  • the translation lever 11 is rotatably mounted with its pivot point 13 in the support housing 10. It has a short lever arm k to the articulation point of the expansion rod 9 and a long lever arm l to the articulation point of a connecting shaft 14.
  • the ratio l / k should preferably be greater than 3.
  • the connecting shaft 14 serves to couple the adjusting ring 7 to the transmission lever 11.
  • the inventive adjustment of the guide vanes 5 by hot gas takes place in that 4 working gas can pass from the flow channel 3 into the outer space 17 via openings 16 in the flow channel wall.
  • the expansion rod 9 is heated to the working gas temperature, whereby it assumes a length defined by its coefficient of linear expansion.
  • the support housing 10 is heated by the working gas, but a different thermal expansion from the expansion rod 9 occurs because the support housing 10 has a substantially different coefficient of linear expansion.
  • the working gas located outside is preferably passed on for cooling turbine components, as sealing air for sealing the storage chamber or for ventilation of the cabin.
  • a shaft 18 which is coupled to the adjusting ring 7 via a linkage lever 20 provided with a roller 19, and which follows the movement forced on the adjusting ring 7.
  • the rotation of the shaft 18 is used to control further adjusting rings which is attached to further adjusting rings via analog coupling devices 19, 20.
  • FIG. 2 corresponds essentially to that of FIG. 1 with the difference that the transmission lever 11a is no longer pivoted in the support housing 10a, but on the adjusting ring 7a. Furthermore, two expansion rods 9a and 9b are articulated on the transmission lever 11a, both of which have approximately the same coefficient of linear expansion. The expansion rods 9a and 9b are each pivotally articulated at their other end with respect to the support housing 10a. In this embodiment, the position of the adjusting ring 7a is changed in that the two extension rods 9a and 9b change in their axial extent, and thus lead to a change in the position of the transmission lever 11a.
  • the adjusting ring 7a also actuates a pivot lever 21, the shaft 22 of which (in analogy to the shafts 15 of the guide vane 5 via pivot lever 6) is connected to the adjusting ring 7a.
  • a push rod 23 is attached, which is connected to other collars of other rows of guide vanes.
  • FIG. 3 shows the mode of operation of the push rod 23, which is connected on the one hand to an adjusting ring 7b and on the other hand to different adjusting rings 7c, 7d, 7e.
  • the adjusting ring 7b is connected to the adjusting device according to the invention with the difference that no adjusting vanes are directly adjusted by the adjusting ring 7b, but that only one adjusting signal is taken from it.
  • the compressor 24 shown has a flow channel 3a narrowing in the axial direction, with compressor blades 2 and guide blades 5 and 25 being provided alternately.
  • the front guide vanes 5 are adjustable in the flow direction, while the rear guide vanes 25 are rigidly attached to the flow channel wall 4.
  • a plurality of L-shaped adjustment levers 26a, b, c are articulated on the push rod 23.
  • the second lever arms are connected via forks 27 to the adjusting rings 7c, 7d and 7e.
  • This movement of the adjusting rings 7c, d, e in the circumferential direction is converted into a pivoting of the guide vanes 5 via the kinematics already described in the context of FIG. 1.
  • the ratio of the lever arms of the adjustment levers 26a, b, c is individually selected so that an optimal adjustment of the associated guide vanes 5 can be achieved.
  • the adjustment of the adjusting ring 7 and thus the guide vane 5 can be carried out in addition to the thermal scattering via the electronic engine control unit in that the expansion rod 9 is moved forwards or backwards in its axial direction by means of a connected actuating gear 28 (FIG. 5).
  • This relative movement to the support housing 10 is amplified via the transmission lever 11 and passed on to the rotary ring 7 by means of the connecting shaft 14, so that it is displaced in a defined manner in the circumferential direction.
  • This movement is in turn passed on to the radial shafts 15 of the guide vanes 5 via the pivot levers 6, so that the latter are pivoted.
  • a push rod 29 is axially extended on the expansion rod 9 and is guided through the support housing 10 via a bushing 30.
  • the actuating gear 28 itself is fastened to the support housing 10 and is controlled by the drive unit control unit 31.
  • an externally controlled or regulated blade adjustment can be superimposed.
  • a "coarse" adjustment that can be achieved by the thermal adjustment can be finely adjusted, or unsteady adjustments or rapid adjustments can be carried out without delays that may occur in the thermal control circuit.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln durch Thermodehnung weist einen Dehnstab (9) auf, der gegenüber einem Stützgehäuse (10) einen wesentlich anderen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist und in Umfangsrichtung des Turbotriebwerkes ausgerichtet ist und über einen Übersetzungshebel (11) mit einem Stellring (7) verbunden ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine Leitschaufelverstellung in Abhängigkeit der Arbeitsgastemperatur erzielen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung von Leitschau­feln in einem Turbotriebwerk mittels der Thermodehnung eines von Ar­beitsgas beaufschlagten Dehnstabes, der einendig ortsfest an einem Stützgehäuse angebracht ist, und mit seinem anderen Ende am kurzen Hebelarm eines im Stützgehäuse schwenkbar befestigten Übersetzungshe­bels angelenkt ist.
  • Es ist bekannt, die Verstellung von Leitschaufeln in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsgases regeln zu lassen, wobei diesem Re­gelkreis eine externe Steuerung der Triebwerksregeleinheit überlagert sein kann. Beispielsweise aus der US-PS 3 377-799, US-PS 3 628 329 oder der US-PS 4 391 093 sind gattungsgemäße Verstellvorrichtungen bekannt geworden, bei denen ein Stab innerhalb einer perforierten Hülse axial bewegbar angeordnet ist. Die Hülse wird dabei von Arbeits­gas aus dem Verdichter umströmt, so daß sich diese bei Temperaturände­rungen zunächst gegenüber dem innen verlaufenden Stab ausdehnt. Diese Dehnungsdifferenz wird zur Verstellung der Leitschaufeln verwendet. Nach längerer Zeit wird der im Inneren der perforierten Hülse liegende Stab durch das über die Bohrungen einströmende Arbeitsgas ebenfalls erwärmt, so daß sich die Relativdehnung zwischen Stab und Hülse wieder zu null wird. Diese Verstellung ist demnach zur Regelung instationärer Vorgänge geeignet. Die Übertragung der Dehnungsdifferenz auf die Leit­schaufeln geschieht gemäß dieser vorbekannten Anordnungen dadurch, daß die Vorrichtung in den Rückkopplungskreis eines Schaufelstellkreises geschaltet ist. Dazu ist die Vorrichtung in ein zur Feststellung der aktuellen Schaufelposition vorgesehenen Drahtseilzug eingefügt und, somit wird bei Aktivierung der Verstellvorrichtung eine beabsichtigte Verfälschung des Istwertgebers für die Regelvorrichtung herbeigeführt.
  • Ausgehend von dieser vorbekannten Anordnung ist es Aufgabe der vor­liegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Verstellvorrichtung derart auszubilden, daß sie eine direkte Verstellung der Leitschaufeln ohne die Einschaltung eines separaten Regelkreises ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 im gegebenen Merkmal gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß eine direkte Verstellung der Leitschaufeln ohne Zuschaltung eines externen Regelkreises durchgeführt werden kann. Dadurch ergeben sich sowohl kürzere Reaktionszeiten als auch eine geringere Gefahr von System­fehlern. Die Verstellung erfolgt rein mechanisch und ist somit vor­teilhafterweise unabhängig von elektrischen, hydraulischen oder son­stigen Komponenten. Ferner zeichnet sich die Anordnung durch eine außergewöhnlich einfache Konstruktion aus.
  • Dadurch
    - werden Teileanzahl, Herstell- und Logistikkosten drastisch ver­ringert
    - wird Montage und Wartung verkürzt und vereinfacht
    - wird das Ausfallrisiko elektrischer, hydraulischer Komponenten des Regelkreises eliminiert bzw. das der mechanischen Komponenten minimiert.
  • Weiterhin von Vorteil ist, daß die Anordnung durch die direkte Um­spülung mit dem Arbeitsgas unproblematisch und verzögerungslos auf z. B. Lastwechsel des Triebwerks reagiert. Durch direkte, mechanische Übertragung des Signals "Differenzdehnungs-Änderung = Lastewechsel" auf die Verstell-Leitschaufeln entfallen auch die bekannten Verzöge­rungen in den elektrischen, hydraulischen oder sonstigen Stellgliedern des Regelkreises.
  • Vorzugsweise ist der lange Hebelarm der als Übersetzungshebel ausge­führten Übersetzungsvorrichtung einen weit ähnlich angelenkten Verbin­dungsschaft mit dem Stellring verbunden, wobei der Verbindungsschaft aus dem gleichen Werkstoff wie der Dehnstab gefertigt sein kann und somit auch als Dehnstab fungieren kann. Dabei hat er jedoch nicht die gleiche Wirkung wie der primäre Dehnstab, da seine Längenänderung nicht mit dem Übersetzungsfaktor des Übersetzungshebels multiplizier­bar ist. Es ist dabei möglich, die Übersetzungsvorrichtung als ein- oder zweiarmigen Hebel auszubilden oder als kämmende Zahnräder.
  • Der Dehnstab weist vorzugsweise Versteifungsrippen gegen Ausknicken auf, wodurch gleichzeitig dessen Oberfläche vergrößert wird und eine schnellere Aufheizung bzw. Abkühlung erfolgen kann. Derartige Ver­steifungslängsrippen können ebenfalls am Verbindungsschaft angebracht sein.
  • Vorzugsweise ist der Übersetzungshebel einarmig ausgeführt und radial im Stützgehäuse bzw. im Turbotriebwerk ausgerichtet. Dabei kann der Drehpunkt des Übersetzungshebels außen oder innen vorgesehen sein, je nachdem welche Lösung weniger Gewicht verursacht oder konstruktiv einfacher zu verwirklichen ist.
  • Zur Erzeugung der Dehungsdifferenzen ist der Dehnstab von Arbeitsgas umspült. Dazu eignen sich besonders Räume, die von diesem Arbeitsgas permanent durchströmt werden - z. B. Abblaseräume von Verdichtern für Kühl- oder Sperrluft -, da infolge des hohen Wärmeübergangswerkes strömendes Medium/Dehnstab kurze Reaktionszeiten erreicht werden kön­nen. Es ist auch möglich geeignete Leitbleche vorzusehen, durch welche die vom Verdichter abgeblasene Luft direkt an den Dehnstab herange­führt wird und womit ebenfalls vorteilhafterweise die Reaktionszeiten verkürzt werden können.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Vorrichtung mit mehreren Stellringen verschiedener Verdichter bzw. Verdichterstufen gekoppelt ist. Dies ist möglich, da die hinterein­ander liegenden verstellbaren Leitschaufelstufen im allgemeinen syn­chronisiert verstellt werden müssen, wenn sich eine Verschiebung des Verdichterarbeitspunktes ergeben hat. Eine Möglichkeit der Kopplung verschiedener Stellringe besteht darin, diese über eine drehbare Welle zu verbinden, wobei diese Welle entweder direkt am Übersetzungshebel oder indirekt an dem mit dem Übersetzungshebel gekoppelten Stellring angelenkt sein kann. Eine alternative Koppelmöglichkeit besteht darin, daß mehrere Stellringe über eine gemeinsame Schubstange angekoppelt sind, wobei zwischen jedem Stellring und der Schubstange ein Anpas­sungshebel mit definiertem Übersetzungsverhältnis seiner Hebelarme vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, jede Leitschaufelstufe ent­sprechend ihrer individuellen Strömungsvorgaben anzusteuern. Dabei ist es auch möglich, die Welle bzw. die Schubstange biegsam auszuführen, um Verstellbewegung auch bei an sich ungünstigen Gehäusevorgaben wei­terleiten zu können.
  • Für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es notwendig, daß der Dehnstab, bzw. der Verbindungsschaft, einen wesentlich andern Wärmedehnungskoeffizienten als das umgebende Stützgehäuse aufweist. Dabei kann der Ausdehnungskoeffizient des Dehnstabes wesentlich größer oder auch wesentlich geringer sein als derjenige des Stützgehäuses. Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis der beiden Längenausdehnungskoef­fizienten zumindest 2 sein sollte, wobei durch geeignete Werkstoffwahl wesentlich größere Werte erzielbar sind. Bevorzugte Werkstoffe für das Stützgehäuse sind beispielsweise X10, 17-4 PH, die ein α von ca. 11·10⁻⁶1/grd aufweisen. Als Werkstoff für den Dehnstab ist EPC10 oder INCO 904 mit einem α von ca. 4·10⁻⁶1/grd geeignet. Es ist auch denk­bar, den Dehnstab aus einer Keramik, insbesondere einer faserver­stärkten Keramik zu fertigen, da auch dieser Werkstoff einen ausge­sprochen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 4·10⁻⁶1/grd aufweist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung sieht vor, daß die Vorrichtung im Bereich eines Hochdruckverdichters angeordnet ist und über eine Schubstange oder Welle mit Stellringen eines Niederdruckverdichters gekoppelt ist. So sind häufig nur die vorderen Stufen eines Ver­dichters, insbesondere die Stufen eines Niederdruckverdichters mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattet, während die letzten Schau­felreihen eines Hochdruckverdichters lediglich starre Leitschaufeln besitzen. Andererseits wird häufig im Bereich der letzten Hochdruck­verdichterstufen Luft als Sperrluft oder Kühlluft abgezweigt, so daß es geeignet ist, die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung im Bereich des Hochdruckverdichters anzuordnen.
  • Die Erfindung kann im Rahmen von Axialverdichtern, Radialverdichtern oder kombinierten Axial- und Radialverdichtern angeordnet sein, wobei auch eine Kopplung der Leitschaufeln des Radial- und Axialverdichters sinnvoll ist. Genauso ist es möglich die Erfindung im Rahmen der Tur­ binenleitschaufelverstellung einzusetzen, wobei der Dehnstab vorzugs­weise mit Arbeitsgas beaufschlagt wird, das hinter der Turbinenstufe abgezweigt wird.
  • Der Übersetzungshebel ist in einer Ausführung der Erfindung mit seinem Drehpunkt im Stützgehäuse angelenkt, wodurch sich der thermisch be­dingte Drehwinkel des Stellringes durch die Längenänderung des Dehn­stabes gegenüber dem Stützgehäuse, multipliziert mit dem Übersetzungs­verhältnis des Übersetzungshebels ergibt. Eine alternative Ausführung der Erfindung sieht vor, daß der Übersetzungshebel direkt am Stellring angelenkt ist und zwei einendig ortsfest angebrachte Dehnstäbe an diesem angelenkt sind. Bei dieser Ausführung sind also zwei Dehnstäbe vorgesehen, wodurch sich ein größerer Drehwinkel des Stellringes bei sonst gleichen Parametern ergibt. Dabei ist es möglich, beide Dehnstä­be mit etwa dem gleichen Längenausdehnungskoeffizienten zu fertigen, d. h., daß beide aus dem gleichen Werkstoff bestehen. In diesem Fall werden die Dehnstäbe beidseitig des Übersetzungshebels angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich zwei Dehnstäbe mit wesentlich unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten einzusetzen. In die­sem Fall werden beide Dehnstäbe auf der gleichen Seite des Überset­zungshebels angeordnet sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der Drehpunkt des ortsfest angelenkten Endes des Drehstabes mittels eines Verstellmotors in Dehnungsrichtung relativ zum Stützgehäuse ver­schiebbar ist. Dadurch ist es möglich, eine sich überlagernde Verstel­lung der Leitschaufeln unabhängig von der Temperatur geregelten Ver­stellung durchzuführen, beispielsweise über die elektronische Trieb­werksregeleinheit. Es ist genauso möglich, statt den ortsfesten Dreh­punkt des Drehstabes zu verändern, den Drehpunkt des Übersetzungs­hebels verschiebbar auszuführen. Der Verstellmotor kann dabei hydrau­lisch pneumatisch oder elektrisch ausgeführt sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Turboverdichter,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch einen weiteren Turboverdichter,
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Hochdruckverdichter,
    • Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Schubstange gemäß Fig. 3,
    • Fig. 5 einen Verstellmotor für den Dehnstab.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt durch den Verdichter eines Turbotriebwerkes ist ein Verdichterrotor 1 zu sehen, an dem über dem Umfang verteilte radial ausgerichtete Verdichterlaufschaufeln 2 ange­bracht sind. Ein ringförmiger Strömungskanal 3, durch welchen im Be­trieb Arbeitsgas in Richtung der Zeichenblattnormalen strömt ist in­nenseitig durch den Verdichterrotor 1, und außenseitig durch die Strömungskanalwand 4 begrenzt. In dieser sind regelmäßig über dem Umfang verteilte Leitschaufeln 5 schwenkbar befestigt, wobei das Ver­schwenken der Leitschaufeln 5 dadurch erreicht wird, daß diese mit Schwenkhebeln 6 verbunden sind, welche wiederum in einem in Umfangs­richtung drehbaren Stellring 7 in mehreren Freiheitsgraden beweglich angebracht sind. Der Stellring 7 ist dabei mittels Führungsschienen 8, die auch durch Rollen zur Reibungsdämpfung unterstützt sein können, auf dem Gehäuse 4 gelagert.
  • Die Verstellung des Stellringes 7 durch die Gastemperatur geschieht dadurch, daß ein Dehnstab 9 mit seinem einen Ende mittels eines Dreh­gelenks 12 an einem Stützgehäuse 10 angebracht ist, und mit seinem anderen Ende an einem Übersetzungshebel 11 angelenkt ist.
  • Der Übersetzungshebel 11 ist mit seinem Drehpunkt 13 im Stützgehäuse 10 drehbar gelagert. Er weist einen kurzen Hebelarm k zum Anlenkpunkt des Dehnstabes 9, und einen langen Hebelarm l zum Anlenkpunkt eines Verbindungsschaftes 14 auf. Dabei ist das Verhältnis l/k vorzugsweise größer als 3 zu wählen. Der Verbindungsschaft 14 dient zur Ankopplung des Stellringes 7 am Übersetzungshebel 11.
  • Die erfindungsgemäße Verstellung der Leitschaufeln 5 durch Heißgas erfolgt dadurch, daß über Öffnungen 16 in der Strömungkanalwand 4 Arbeitsgas aus dem Strömungskanal 3 in den Außenraum 17 gelangen kann. Hierbei wird der Dehnstab 9 auf die Arbeitsgastemperatur erhitzt, wodurch er eine durch seine Längenausdehungskoeffizienten festgelegte Länge einnimmt. Gleichzeitig wird das Stützgehäuse 10 durch das Ar­beitsgas erwärmt, wobei jedoch eine vom Dehnstab 9 unterschiedliche Wärmeausdehnung dadurch eintritt, daß das Stützgehäuse 10 einen we­sentlich anderen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist. Somit tritt also eine Relativdehnung zwischen Dehnstab 9 und Stützgehäuse 10 auf, welche wieder mittels des Übersetzungshebels 11 verstärkt über den Verbindungsschaft 14 auf den Stellring gegeben wird. Vorzugsweise wird das im Außenraum befindliche Arbeitsgas weitergeleitet zur Kühlung von Turbinenbauteilen, als Sperrluft zur Lagerkammerabdichtung oder zur Kabinenbelüftung.
  • Ebenfalls dargestellt ist eine Welle 18 die über einen mit einer Rolle 19 versehenen Anlenkhebel 20 mit dem Stellring 7 gekoppelt ist, und die dem Stellring 7 aufgezwungene Bewegung mitmacht. Die Drehung der Welle 18 wird zur Steuerung weiterer Stellringe verwendet, die über analoge Koppelvorrichtungen 19, 20 an weiteren Stellringen angebracht ist.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung entspricht im wesentlichen derjenigen von Fig. 1 mit dem Unterschied, daß der Übersetzungshebel 11a nicht mehr im Stützgehäuse 10a, sondern am Stellring 7a drehbar angelenkt ist. Ferner sind am Übersetzungshebel 11a zwei Dehnstäbe 9a und 9b angelenkt, die beide etwa den gleichen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Dehnstäbe 9a und 9b sind mit ihrem anderen Ende jeweils gegenüber dem Stützgehäuse 10a drehbar angelenkt. Bei dieser Ausführung erfolgt die Veränderung der Position des Stellringes 7a dadurch, daß sich beide Dehnstäbe 9a und 9b in ihrer axialen Erstreckung verändern, und so zu einer Positionsverände­rung des Übersetzungshebels 11a führen.
  • Durch den Stellring 7a wird ferner ein Schwenkhebel 21 betätigt, des­sen Schaft 22 (analog den Schäften 15 der Leitschaufel 5 über Schwenk­hebel 6) mit dem Stellring 7a in Verbindung steht. An dem Schwenk­hebel 21 ist eine Schubstange 23 angebracht, die mit weiteren Stell­ringen anderer Leitschaufelreihen in Verbindung steht.
  • In Fig. 3 ist die Wirkungsweise der Schubstange 23 zu erkennen, die einerseits mit einem Verstellring 7b, und andererseits mit ver­schiedenen Stellringen 7c, 7d, 7e in Verbindung steht. Der Stellring 7b ist dabei mit der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung verbunden mit dem Unterschied, daß vom Stellring 7b keine Leitschaufeln direkt verstellt werden, sondern daß von ihm nur ein Verstellsignal ab­genommen wird.
  • Der dargestellte Verdichter 24 weist einen sich in axialer Richtung verengenden Strömungskanal 3a auf, wobei abwechselnd Verdichterschau­feln 2 und Leitschaufeln 5 bzw. 25 vorgesehen sind. Dabei sind die in Strömungsrichtung vorderen Leitschaufeln 5 verstellbar, während die hinteren Leitschaufeln 25 starr an der Strömungskanalwand 4 angebracht sind.
  • Ein Teil des Arbeitsgases strömt aus dem Strömungskanal 3a über am Umfang verteilte Öffnungen 16 in den Außenraum 17, wodurch der dort angebrachte Dehnstab 9 eine der Temperatur entsprechende Länge an­nimmt. Über den an der Strömungskanalwand 4, die sich ebenfalls ent­sprechend ihrer Temperatur dehnt, drehbar abgestützten Übersetzungs­hebel 11 und den Verbindungsschaft 14 wird diese Differenzlängenände­rung an den Stellring 7b übertragen. Mit diesem ist über den Schaft 22 die Schubstange 23 verbunden, die sich hierdurch im wesentlichen in ihrer Axialrichtung bewegt.
  • Wie in Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4 erkennbar ist, sind an der Schubstange 23 mehrere L-förmige Anpassungshebel 26a, b, c angelenkt. Deren zweite Hebelarme sind über Gabeln 27 mit den Verstellringen 7c, 7d und 7e verbunden. Über die bereits im Rahmen der Fig. 1 beschrie­bene Kinematik wird diese Bewegung der Stellringe 7c, d, e in Umfangs­richtung in ein Verschwenken der Leitschaufeln 5 umgewandelt. Dabei ist das Verhältnis der Hebelarme der Anpassungshebel 26a, b, c in­dividuell so gewählt, daß eine optimale Verstellung der zugehörigen Leitschaufeln 5 erzielbar ist.
  • Die Verstellung des Stellringes 7 und somit der Leitschaufel 5 kann zusätzlich zur thermischen Streuerung über die elektronische Trieb­werksregeleinheit dadurch erfolgen, daß der Dehnstab 9 mittels eines angeschlossenen Stellgetriebes 28 (Fig. 5) in seiner axialen Richtung nach vorn oder hinten bewegt wird. Diese Relativbewegung zum Stützge­häuse 10 wird über den Übersetzungshebel 11 verstärkt, und mittels des Verbindungsschaftes 14 an den Drehring 7 weiter gegeben, so daß dieser definiert in Umfangsrichtung verschoben wird. Diese Bewegung wird wiederum über die Schwenkhebel 6 an die radialen Schäfte 15 der Leit­schaufeln 5 weiter gegeben, so daß letztere verschwenkt werden.
  • Hierzu ist, wie in Fig. 5 dargestellt, am Dehnstab 9 eine Schubstan­ge 29 axial verlängernd angebracht, die über eine Buchse 30 durch das Stützgehäuse 10 geführt ist. Das Stellgetriebe 28 selber ist am Stützgehäuse 10 befestigt und wird von der Treibwerksregeleinheit 31 angesteuert. Hierdurch läßt sich zusätzlich zur thermischen Verstel­lung durch axiales Verschieben der Schubstange 29 und somit des Dehnstabes 9 eine von außen gesteuerte oder geregelte Schaufelverstel­lung überlagen. Insbesondere kann eine durch die thermische Verstel­lung erzielbare "grobe" Verstellung feinjustier werden, oder in­stationäre Verstellungen bzw. schnelle Verstellungen können ohne im thermischen Regelkreis möglicherweise auftretenden Verzögerungen durchgeführt werden.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln in einem Turbotrieb­werk mittels der Thermodehnung eines von Arbeitsgas beaufschlagten Dehnstabes, der einendig ortsfest an einem Stützgehäuse angebracht ist, und mit seinem anderen Ende an einer Übersetzungsvorrichtung angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (9) gegen­über einem Stützgehäuse (10) einen wesentlich anderen Läng­enausdehnungskoeffizienten aufweist, und die Übersetzungsvorrich­tung (11) mit einem leitschaufelgekoppelten Stellring (7) ver­bunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­setzungsvorrichtung als Übersetzungshebel ausgebildet ist dessen langer Hebelarm über einen beidendig angelenkten Verbindungsschaft (14) mit dem Stellring (7) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (9) Versteifungslängsrippen gegen Ausknicken auf­weist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (9) in Umfangsrichtung des Turbotriebwerkes ausge­richtet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­setzungshebel (11) einarmig ausgeführt und radial im Turbotrieb­werk ausgerichtet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie von abgezweigter Verdichterluft umspült ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie von zu anderen Zwecken benötigter Verdichterabblaseluft umströmt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit mehreren Stellringen (7a,b,c) verschiedener Verdichter bzw. Ver­dichterstufen gekoppelt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei­ter Stellring über eine Welle (18) angekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stellringe (7c,d,e) über eine gemeinsame Schubstange (23) ange­koppelt sind, wobei zwischen jedem Stellring (7c,d,e) und der Schubstange (23) ein Anpassungshebel (26a,b,c) mit definiertem Übersetzungsverhältnis seiner Hebelarme vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (18) bzw. Schubstange (23) biegsam ausgeführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Drehpunkt des ortsfest angelenkten Endes des Drehstabes (7) mittels eines Stellgetriebes (12) in Dehnungsrich­tung relativ zum Stützgehäuse (10) verschiebbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Dehnstab (7) einen wesentlich geringeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als das Stützgehäuse (10).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (7) einen Längenausdehnungskoeffizienten <5·10⁻⁶ ¹/grd aufweist, und das Stützgehäuse (10) einen Längenausdehnungs­koeffizienten> 9·10⁻⁶ ¹/grd aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Über­setzungsverhältnis der Hebelarme (l/k) des Übersetzungshebels (11) größer als 3 beträgt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (7) aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (7) aus einer Keramik besteht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgehäuse (10) aus einer Titan-Basis-Legierung, einer Chrom-Nickel-Kupfer-Basis-Legierung oder einer Kobalt-Basis-Legie­rung besteht.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­kennzeichnet, daß sie im Bereich eines Hochdruckverdichters ange­ordnet ist, und über eine Schubstange (23) oder Welle (18) mit Stellringen eines Niederdruckverdichters gekoppelt ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verstellung eines Radialverdichters dient.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verstellung von Turbinenleitschaufeln dient.
22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­setzungshebel (11) mit seinem Drehpunkt (13) im Stützgehäuse (10) angelenkt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­setzungshebel (11a) direkt am Stellring (7a) angelenkt ist, und zwei eindendig ortsfest angebrachte Dehnstäbe (9a,b) an diesen angelenkt sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dehnstäbe (9a,b) etwa gleichen Längenausdehnungskoeffizienten auf­weisen und beidseitig des Übersetzungshebels (11a) angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Längenausdehnungskoeffizient des einen Dehnstabes (9a,b) minde­stens doppelt so groß ist wie derjenige des anderen Dehnstabes (9b), und beide auf der gleichen Seite des Übersetzungshebels (11a) angeordnet sind.
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