DE102006052003A1

DE102006052003A1 - Strömungsarbeitsmaschine mit verstellbaren Statorschaufeln

Info

Publication number: DE102006052003A1
Application number: DE102006052003A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing. Gümmer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-08
Also published as: EP1918529A3; US20080131268A1; EP1918529A2

Abstract

tsmaschine mit zumindest einem Strömungskanal, in welchem zumindest eine um eine Drehachse 1 drehbare Statorschaufel 2 angeordnet ist, welche an ihren radialen Endbereichen jeweils einen Drehteller 3 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Drehtellers 3, betrachtet in Richtung der Drehachse 1 der Statorschaufel 2, nicht-kreisrund ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verstellbare Statorschaufeln von Strömungsarbeitsmaschinen wie etwa Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren in axialer, halbaxialer oder auch radialer Bauart. Das Arbeitsmedium (Fluid) kann gasförmig oder flüssig sein.
Einen allgemeinen Stand der Technik derartiger Strömungsarbeitsmaschinen mit verstellbaren Statorschaufeln zeigen beispielsweise die US 2004/0240990 A1 und die US 2004/0115051 A1 .
Im Einzelnen betrifft die Erfindung mindestens eine verstellbare Statorschaufel, gegebenenfalls auch ein verstellbares Vorleitrad, einer Strömungsarbeitsmaschine. Die betreffende Beschaufelung ist innerhalb eines Gehäuses, welches die Durchströmung mindestens eines Rotors und eines Stators mit einem Fluid nach außen begrenzt. Während ein Rotor mehrere an einer rotierenden Welle befestigte Rotorschaufeln umfasst und Energie an das Arbeitsmedium abgibt, besteht ein Stator aus mehreren meist im Gehäuse befestigten Statorschaufeln.
Die aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird insbesondere durch das Wachstum und die Ablösung von Grenzschichten im Bereich der am Ringkanalrand baulich notwendigen Radialspalte zwischen Beschaufelung und Gehäuse beziehungsweise Nabe begrenzt. Besonders an drehbaren Verstellstatoren sind die Radialspalte, die durch Freischnitte vor und hinter der Drehspindel entstehen können, stark ausgeprägt und verursachen beträchtliche Strömungsverluste. Um diese Verluste in Grenzen zu halten, werden üblicherweise möglichst große Drehteller an den inneren und äußeren Enden der Verstellstatoren vorgesehen, um die Erstreckung der Freischnitte in Strömungsrichtung klein zu halten. Nun sind die Drehteller üblicherweise vollständig rund. Da der Durchmesser durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln begrenzt ist, können insbesondere bei engen Schaufelteilungen, wie sie in modernen Maschinen zunehmend zu finden sind, nur Drehteller realisiert werden, deren Durchmesser deutlich kleiner sind als die Profillänge der Schaufel in dem betreffenden Naben- bzw. Gehäusebereich. Es bleibt zwangsläufig ein beträchtlicher Radialspalt vor und/oder hinter dem Drehteller. Der Stand der Technik hält keine Lösung für die Vermeidung derartiger Radialspalte an Verstellstatoren bereit.
Die 1 zeigt einen Teil einer Strömungsarbeitsmaschine im Bereich einer seiner Verstellstatorreihen nach dem Stand der Technik, dargestellt in der Meridianebene. Außer der Verstellstatorreihe selbst sind Bauteile im Naben- 4 und Gehäusebereich 5 angedeutet, die den Verstellstator (Statorschaufel 2) innen wie außen halten.
Hier nicht explizit dargestellt, aber ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung, sind Verstellstatoranordnungen, bei denen eine Lagerung allein im Gehäuse oder in der Nabe der 1 mit vollem Radialspalt am jeweils anderen Schaufelende vorgesehen ist.
Auf der rechten Seite ist die Ansicht A-A dargestellt, die einen parallel zur Drehachse des Verstellstators (Statorschaufel 2) orientierten Blick auf die innere Strömungspfadbegrenzung (Nabe) zeigt. Die hier dargestellte Bauweise nach dem Stand der Technik sieht voneinander getrennt in der Nabe gelagerte Drehteller der einzelnen Verstellschaufeln vor. Das Schaufelblatt ragt dabei deutlich mit seiner Vorder- und/oder Hinterkante über den Drehteller hinaus.
Die Darstellung ist beispielhaft für die Nabe vorgenommen, doch findet sich eine prinzipiell gleiche Anordnung der Drehteller bei drehachs-paralleler Perspektive auf die gehäuseseitige Begrenzung des Strömungspfades der Strömungsarbeitsmaschine.
Die vorliegende Erfindung betrifft Statoren (Statorschaufel 2), die an mindestens einem Schaufelende drehbar gelagert sind und über eine Spindel um eine Drehachse 1 verstellt werden können. Wie in allen hier gezeigten Darstellungen erfolgt die Anströmung der betreffenden Schaufelreihe, wie durch den dicken Pfeil angedeutet, von links nach rechts.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare Statorschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung des Standes der Technik eine weitgehende oder auch vollständige Vermeidung von Radialteilspalten am Schaufelende durch einen besonderen Anschnitt des sonst runden Drehtellers erreicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist für den Einsatz in einer Strömungsarbeitsmaschine eine verstellbare Statorschaufel geschaffen, die an mindestens einem ihrer Enden einen Drehteller aufweist, dessen Querschnitt, betrachtet in Richtung der Drehachse des Verstellstators (Statorschaufel 2), wesentlich von einer kreisrunden Form abweicht, derart, dass durch Anschnitt der kreisrunden Form an gegenüberliegenden Seiten des Drehtellers zwei gerade oder kurvenförmig gestaltete Flanken entstehen, und die Drehteller benachbarter Verstellstatoren in überlappenden kreisförmigen Ausnehmungen im Gehäuse- bzw. Nabenbauteil gelagert sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Verstellstators (Statorschaufel 2) nach dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Lösung für einen Verstellstator,
3 eine weitere erfindungsgemäße Lösung für einen Verstellstator,
4 eine weitere erfindungsgemäße Lösung für einen Verstellstator,
5 eine Prinzipdarstellung möglicher Drehpositionen des erfindungsgemäßen Verstellstators,
6 einen erfindungsgemäßen Drehtellergrundriss, gekrümmte Flanken, Ansicht A-A,
7 einen weiteren erfindungsgemäßen Drehtellergrundriss, gerade Flanken, Ansicht A-A,
8 Beispiele für erfindungsgemäße Drehtellerquerschnitte, Schnitt B-B.
Die 2 zeigt einen Teil einer Strömungsarbeitsmaschine im Bereich einer seiner Verstellstatorreihen (Statorschaufel 2), dargestellt in der Meridianebene. Außer der Verstellstatorreihe selbst sind Bauteile im Naben- 4 und Gehäusebereich 5 angedeutet, die den Verstellstator (Statorschaufel 2). innen wie außen halten.
Hier nicht explizit dargestellt aber ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verstellstatoranordnungen, bei denen eine Lagerung allein in Gehäuse oder Nabe mit vollem Radialspalt am jeweils anderen Schaufelende vorgesehen ist.
Auf der rechten Bildseite ist die Ansicht A-A dargestellt, die einen parallel zur Drehachse des Verstellstators (Statorschaufel 2) orientierten Blick auf die innere Strömungspfadbegrenzung (Nabe) zeigt.
Die hier dargestellte erfindungsgemäße Lösung sieht eine besondere Form der an den Schaufelenden befindlichen Drehteller 3 vor. Das Schaufelblatt 8 befindet sich hier im Vorderkantenbereich vollständig auf dem Drehteller 3 und ragt lediglich noch mit seiner Hinterkante über den Drehteller 3 hinaus. Der ursprünglich kreisrunde Drehteller 3 hat durch einen Anschnitt an gegenüberliegenden Randzonen des Drehtellers 3 zwei Flanken S, D erhalten, die in dem hier dargestellten Beispiel geradlinig ausgeführt sind. Zwischen der in der Nähe der konvex geformten Saugseite eines Schaufelprofils befindliche Flanke S und der in der Nähe der konkav geformten Druckseite des benachbarten Schaufelprofils befindliche Flanke D besteht ein Spalt, der die Verdrehung des Verstellstators (Statorschaufel 2) über einen bestimmten Winkelbereich erlaubt.
Abweichend von der in 2 gewählten Darstellung kann eine erfindungsgemäße Lösung auch jede andere relative Drehlage zwischen Schaufelprofil und dem angeschnittenen Drehteller 3 aufweisen.
Ganz ähnlich wie die 2 zeigt die 3 eine Verstellstatorreihe in der Meridianebene. Auf der rechten Bildseite ist ebenfalls die Ansicht A-A dargestellt, die einen parallel zur Drehachse des Verstellstators (Statorschaufel 2) orientierten Blick auf die innere Strömungspfadbegrenzung (Nabe) zeigt. Die hier dargestellte erfindungsgemäße Lösung sieht eine Positionierung des Schaufelprofils auf dem Drehteller 3 vor, die in einem Teil des Verstellbereiches des Stator zu einer Überlappung der Schaufelhinterkante mit dem Drehteller 3 einer benachbarten Statorschaufel 2 führt.
Hier nicht dargestellt, doch ebenfalls erfindungsgemäß, ist eine Positionierung des Schaufelprofils, die in einem Teil des Verstellbereiches des Stators zu einer Überlappung der Schaufelvorderkante mit dem Drehteller 3 einer benachbarten Statorschaufel 2 führt.
Ganz ähnlich wie die 2 zeigt die 4 eine Verstellstatorreihe in der Meridianebene. Auf der rechten Bildseite ist die Ansicht A-A dargestellt, die einen parallel zur Drehachse 1 des Verstellstators orientierten Blick auf die innere Strömungspfadbegrenzung (Nabe) zeigt. Die hier dargestellte erfindungsgemäße Lösung sieht eine vollständige Positionierung des Schaufelprofils auf dem Drehteller 3 vor. Der ursprünglich kreisrunde Drehteller 3 hat durch den Anschnitt zwei sehr lange Flanken erhalten, die in dem hier dargestellten Beispiel wieder gerade ausgeführt sind, aber auch gekrümmt verlaufen können.
Die 5 zeigt drei unterschiedliche bei erfindungsgemäßer Ausführung des Verstellstators mögliche Drehpositionen:

a.) bei Verstellung in Richtung hoher Staffelungswinkel der Statorschaufel 2 (tiefer Teillastbereich der Strömungsarbeitsmaschine),
b.) bei mittlerer Drehstellung und entsprechend größtem Spalt zwischen den Flanken (mittlerer Teillastbereich der Strömungsarbeitsmaschine),
c.) bei Verstellung in Richtung kleiner Staffelungswinkel der Statorschaufel 2 (Auslegungsbereich und Überlastbereich der Strömungsarbeitsmaschine)

Wie hier erkennbar ist, ist der Spalt zwischen den Flanken zweier benachbarter Drehteller 3 an den jeweiligen Rändern des Statorverstellbereiches (d.h. bei extrem großen und kleinen Staffelungswinkeln der Verstellstatorschaufel) gering oder auch gleich Null.
In den vorangegangenen Figuren sind zur einfacheren Darstellung des erfindungsgemäßen Konzeptes die gegenüberliegenden Anschnitte des Drehtellers 3 als symmetrisch zur Schaufeldrehachse und mit geradliniger Flanke gezeigt. Über diese Darstellung hinaus gehört es ebenfalls zum erfindungsgemäßen Lösungsumfang, dass die Flanken weder geradlinig noch gleich lang sind.
Die 6 zeigt einen Drehteller 3 in drehachsparalleler Ansicht. Die Schaufel ist zugunsten einer übersichtlicheren Darstellung nicht gezeichnet. Ausgehend von der kreisrunden Form des Drehtellers 3 können erfindungsgemäß zwei sehr unterschiedliche Anschnitte vorgesehen sein, deren Konturen bei richtig gewählter Drehlage des Verstellstators über Teile der Flanke aneinander passen. Die Eindringtiefen S1 und S2 in den Kreis des Durchmessers D können dabei beliebig voneinander abweichen.
Abweichend von der in 6 gewählten Darstellung kann eine erfindungsgemäße Lösung auch andere beliebig geformte Konturen der Flanken S und D aufweisen. Die strömungszugewandte (benetzte) Oberfläche des Drehtellers 3 kann erfindungsgemäß eben oder zur Schaffung eines besonders günstigen Übergangs zwischen Drehtellern 3 benachbarter Statorschaufeln 2 schräg, angeschrägt, wellig oder anderweitig konturiert ausgeführt sein.
Ähnlich wie die 6 zeigt die 7 einen Drehteller 3 in drehachsparalleler Ansicht. Die Statorschaufel 2 ist zugunsten einer übersichtlicheren Darstellung ebenfalls nicht gezeichnet. Ausgehend von der kreisrunden Form des Drehtellers 3 sind hier zwei gerade Flanken mit unterschiedlichen Eindringtiefen S1 und S2 gewählt worden. Dies und auch vorangegangenen Darstellungen zeigen erfindungsgemäße Lösungen, bei denen die an den Flanken entstehenden Kanten zur Oberflache des Drehtellers rechtwinklig sind. Abweichend davon kann es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft sein, die Oberfläche der Flanke nicht parallel zur Schaufeldrehachse 1, sondern gegen diese geneigt und/oder mit einer spezieller Konturierung vorzusehen.
Zur Verdeutlichung zeigt die 8 den in 7 definierten Schnitt B-B durch den Drehteller 3 und einen kleinen Teil des Schaufelblattes 8. Der obere Bildteil zeigt die erfindungsgemäße Lösung mit rechtwinkligen Kanten der Flanken (Drehteller ohne Neigung der Flanken S und D (Ausrichtung etwa parallel zur Drehachse)), der untere Teil des Bildes hingegen zeigt beispielhaft eine aufeinander abgestimmte Neigung/Konturierung der Flanken S und D (Drehteller mit Neigung und Konturierung der Flanken S und D). Auch hier gilt, dass die strömungszugewandte (benetzte) Oberfläche des Drehtellers 3 erfindungsgemäß eben oder zur Schaffung eines besonders günstigen Übergangs zwischen Drehtellern 3 benachbarter Statorschaufeln 2 schräg, angeschrägt, wellig oder anderweitig konturiert ausgeführt sein kann.

1: Drehteller
2: Statorschaufel (Verstellstator)
3: Drehteller
4: Nabenbauteil
5: Gehäusebauteil
6: Durchstoßpunkt der Schaufel-Drehachse 1
7: Strömungszugewandte (benetzte) Oberfläche
8: Schaufelblatt

Claims

Strömungsarbeitsmaschine mit zumindest einem Strömungskanal, in welchem zumindest eine um eine Drehachse (1) drehbare Statorschaufel (2) angeordnet ist, welche an ihren radialen Endbereichen jeweils einen Drehteller (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Drehtellers (3), betrachtet in Richtung der Drehachse (1) der Statorschaufel (2), nicht-kreisrund ausgebildet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Drehtellers (3) durch Anschnitt der kreisrunden Form an gegenüberliegenden Seiten des Drehtellers (3) zwei gerade oder kurvenförmig gestaltete Flanken (S, D) aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehteller (3) benachbarter Statorschaufeln (2) in überlappenden kreisförmigen Ausnehmungen im Gehäusebauteil (5) bzw. Nabenbauteil (4) gelagert sind.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehteller (3) zwei parallele Flanken (S, D) aufweist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) geradlinig ausgebildet sind.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) U-geradlinig ausgebildet sind.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) zueinander die gleiche Länge aufweisen.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) jeweils den gleichen Abstand zur Drehachse (1) aufweisen.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) unterschiedliche Abstände zur Drehachse (1) aufweisen.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) parallel zur Drehachse (1) angeordnet sind.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (S, D) zur Drehachse (1) geneigt und/oder konturiert ausgebildet sind.