DE2208724A1

DE2208724A1 - Turbomaschine, insbesondere Axial kompressor

Info

Publication number: DE2208724A1
Application number: DE19722208724
Authority: DE
Inventors: Jacques Edouard Fontenay aux Roses Lamy (Frankreich)
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1971-02-25
Filing date: 1972-02-24
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2126109A1; GB1346023A; FR2126109B1

Description

PATENTANWÄLTE

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. VV. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNH¹ARDT München Hamburg ZZkJQ 12k

telefon= 395314 ₂000 HAMBURG 50, ²²'^Pebruar

TELEGRAMME: KARPATENT KONIGSTRASSE 28

W. 25 181/72 8/Ja

Societe Nationale d'Etude et de Construction de Hoteurs deviation, Paris (Frankreich)

Turbomaschine, insbesondere Axialkompressor.

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf Turbomaschinen und insbesondere auf ixialkornpressoren_f wie diejenigen, die in Gasturbinengruppen oder in lurbostrahltriebwerken von Luftfahrzeugen verwendet werden«

Ea ist bekannt,, daß, wenn einem in einer Mediumströ- ^Wlff ivi 11."Oi"-!T(YhITfVH P^-WPi"!. "hftifftii ^l .^αΛ«ί>"!pp f^in^Tü piii.c^l eines Gleitflugzeuges_p eine schwingende Bewegung erteilt wird, dadurch sein -Auftrieb erhöht und/oder sein Widerstand vermindert werden kann. Dieser Effekt des Schwingens eines Profils, der mit Katsmayr-Effekt bezeichnet wird, ist an die stromab des Profils erfolgende Verschiebung von Wirbeln geknüpft, die an seiner Hinterkante auftreten. Die optimaler Werte der Amplitude und der Frequenz der Schwingungen können durch Experimente und insbesondere auo den Ergebnissen γόη Versuchen im Windkanal be-

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stimmt werden, die in der Zeitschrift "L¹Aeronautique et 1'Astronautique" (Verlag "Air et Cosmos", Paris XVII, rue Alphonse-de-Neuville 13) Nr. 23 (970-7), Seiten 23 bis 37, veröffentlicht und kommentiert sind. Diese optimalen Werte sind von Parametern, wie der Geschwindigkeit der Strömung und ihres mittleren Einfalls, abhängig.

Gemäß der Erfindung wird einem Gitter von Profilen,

welches eine Turbomaschinenstufe bildet, eine schwingende j Bewegung erteilt, wobei der Katzmayr-Effekt nicht dazu ausgenutzt wird, einen Auftrieb zu erhöhen oder einen Widerstand zu vermindern, sondern die Leistung der Maschinenstufe zu verbessern. Die Verbesserung ist umso bedeutsamer, je mehr die Amplitude und die Frequenz der Schwingungen sich den optimalen Werten nähern, welche Punktionen der Arbeitsparameter der Stufe sind und die durch Versuche bestimmt werden können.

Beispielsweise sind die optimalen Werte der Amplitude und der Frequenz der Schwingungen der Schaufeln einer Kompressorstufe von der Drehgeschwindigkeit (oder genauer dem als reduzierte Geschwindigkeit bezeichneten Arbeitsparameter N/V^) und von der aerodynamischen Belastung der Stufe (beispielsweise von dem Parameter P2/P1, d.h. dem Verhältnis der Drücke stromab und stromauf der Stufe) abhängig. Durch Versuche können diese optimalen Werte alo Punktion dieser beiden Parameter bestimmt werden»

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden daher den Schaufeln einer Kompressorstufe Schwingungen mit einer Amplitude und einer Frequenz erteilt, die als Funktion dieser beiden Parameter derart variieren gelassen werden, daß sie in unmittelbarer Nähe ihrer optimalen Werte gehalten werden. Gemäß anderen einfacheren Ausführungsformen kann lediglich die Frequenz variieren gelassen werden, während eine zwischen ihren äußersten optimalen Werten liegende mittlere Amplitude aufrechterhalten wird, oder umgekehrt. Gemäß noch anderen Au3führungsformen

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können die Amplitude und/oder die Frequenz als Funktion von lediglich einem der "beiden oben genannten Parameter variieren gelassen werden.

Die Erfindung weist einen besonderen Vorteil im Pail von Kompressoren oderner Turbostrahltriebwerke auf, bei welchen die Grenzen der Betriebssicherheit bei geringer Geschwindigkeit ungenügend sind, line schwingende Bewegung der Schaufeln der Kopfstufe ermöglicht tatsächlich, das Abreißen des Turbostrahltrieberks zu verhindern.

Die auf den Gebieten der Materialien und der Technologie erzielten Fortschritte, welche jetzt Kompressorräder mit änderbarer Steigung herausteilen gestatten, machen die Verwirklichung eines Mechanismus relativ leicht, welcher imstande ist, den Schaufeln des Kompressorrotors $ eine schwingende Bewegung zu erteilen.

Es können auch Statorschaufeln, beispielsweise diejenigen eines Eingangsleitrades schwingen gelassen werden. Dadurch, daß der Statorbeschaufelung einer Kompressorstufe eine schwingende Bewegung erteilt wird, wird nicht nur die Leistung dieser Beschaufelung, sondern auch diejenige der nachfolgenden Rotorbeschaufelung erhöhte Es ist offensichtlich, daß die Eotorschaufein und die Statorschaufeln auch gleichzeitig schwingen gelassen v^erden können. Man kann auch die Schaufeln einer oder mehrerer Stufen schwingen lassen_e

Die Anwendung der Erfindung auf das Kopfgebläse eines Kompressors eines Luftfahrzeug-Turbostrahltriebwerks führt zu einem Leistungsgewinn sowie zu einer größeren Stabilität des gesamten Turbostrahltriebwerks und zu einer Erhöhung der Belastung oder Ladung des Gebläses. Diese Ladungserhöhung kann sogar ermöglichen, die Anzahl der Stufen des Gebläses auf eine einzige zu vermindern. Diese Vorteile gleichen die G evd-Chts erhöhung, die durch die Mechanismen hervorgerufen wird, welche für diese Anwendung der Erfindung erforderlich sind, weitestgehend aus.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung "beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist ein Prinzipschema einer Vorrichtung, welche gestattet, den Rotorschaufeln einer Kompressorstufe eine schwingende Bewegung zu erteilen, deren Amplitude und Frequenz Funktionen der reduzierten Geschwindigkeit und der aerodynamischen Belastung sind.

Fig.2 ist eine axiale Halbschnittansicht eines Teils eines Kompressorrotors, und sie zeigt eine Vorrichtung, die den Schaufeln einer Stufe eine schwingende Bewegung erteilt. Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach der Linie III-III

der Fig. 2„
Fig, 4 ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht, die

eine andere Ausführungsform wiedergibt. Fig. 5 ist eine Schnittansicht nach der Linie V-V der Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Rad eines Axialkouipressora bezeichnet, das um seine Achse X-X¹ in Drehung versetzt wird. Das Rad iot teilweise im Axialschnitt dargestellt. Es trägt die Rotorbeschaufelung einer Komperasorstufe, die eine Mehrzahl von Schaufeln 2 aufweist", deren jede mittels eines Kugellagers 3 um eine mit Bezug auf das Had radial vorlaufende Achse Y-Y' schwenkbar angeordnet ist.

Eine allgemein mit 4 bezeichnete Steuervorrichtung, die weiter unten näher erläutert wird, gestattet, sämtliche Schaufeln 2 um ihre entsprechenden Achsen Y-Y' gleichzeitig nach beiden Seiten einer mittleren Stellung ' zu verschwenken, die mit Hilfe üblicher Mittel bestimmt worden iat, um das gewünschte Arbeiten des Kompressors zu erhalten. Die Amplitude und die Frequenz der den Schaufeln 2 von der Steuervorrichtung 4 erteilten schwingenden Schwenkbewegung sind Funktionen der Parameter Ν/"/1? und P2/P1, welche durch vorhergehende Versuche bestimmt worden

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sind, um optimale leistungswerte des Kompressors zu erhalten.

Jede Schaufel 2 ist mit einem Zapfen 2a versehen, der an seinem Ende ein Zahnrad 5 trägt, und die Zahnräder 5 sämtlicher Schaufeln 2 kämmen mit einer Zahnung 6a eines Kranzes 6, der sich um die .Achse X-X¹ drehen kann, wobei er in einem Lageransatz 1a des Rades 1 gleitet. Dieser Kranz 6 ist auf seiner der Zahnung 6a gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Zahnung 6b versehen, die mit einem Zahnrad 7a an einer radialen Y/elle 7 kämmt, welche von einem Lager 1b des Rades abgestützt ist und ein weiteres Zahnrad 7b aufweist. Dieses Zahnrad 7b kämmt seinerseits i-Bit einem Zahnrad 8a auf der Welle eines Motors 8, der gleichachsig zu dem Rad 1 angeordnet und mit diesem verbunden ist. Der Motor 8 wird von der Steuervorrichtung 4 derart betätigt, daß er dem Zahnrad 8a eine schwingende Drehbewegung erteilt, die Über clas Zahnrad 7b auf die Welle 7 übertragen wird, deren Zahnrad 7a den Zahnkranz 6 abwechsö3.nd in der oinon und der anderen Richtung um -die Achse X-X¹ verschwenkt,, Die Schwenkbewegung des Zahnkranzes 6 wird gleichzeitig auf sämtliche Schaufeln 2 über die Zahnräder 5 übertragen, die ihrerseits auf die Schaufeln eine schwingende Schwenkbewegung um ihre betreffenden Achsen Y-Y¹ übertragen«

Die Steuervorrichtung 4 weist einun Regler 9 auf, der· über zwei Leitungen 10 und 11 /snplitudfcnsignale bzw. PrequonKsißnalo empfängt, die von einem Rechner 12 verarbeitet sind, der über eine Leitung 15 das Signal Έ/~·/~Τ und über eine Leitung 14 das Signal P2/P1 empfängt, wobei das Signal P2/P1 von einem weiteren Rechner 15 verarbeitet ist, dor über Leitungen 16 und 17 Signale der Drücke P1 bzw* P2 empfängt, welche von Sonden 16a Lkw. 17a festgestellt werden, die atr-ornauf b/AVo stromab der Schaufeln 2 angeordnet sind. Der Regler 9 läßt den Motor 8 abwechselnd in der einon und der anderen Richtung derart drehen, daß

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die Amplitude und die Frequenz der Schwingungen der Schaufeln 2 durch die über die Leitungen 10 und 11 empfangenen Signale bestimmt aind₀

. Eine solche Steuervorrichtung kann von den Fachleuten verwirklicht werden, l>ie Signale N/Vt und P2/P1 werden in der Technik des Regeins von Turbomaschinen laufend angewendet. Die Verwirklichung eines Rechners, wie des Rechners 12, der Auagangssignale zu liefern vermag, die aus Versuchen empirisch erhaltene Funktionen der Signale N/Vt und P2/P1 sind, liegt im Bereich der Kenntnisse des Fachmanns. Wenn der Motor 8 beispielsweise ein Elektromotor ist, ist es leicht, einen Regler, wie den Regler 9, zu verwirklichen, der den Motor abwechselnd in der einen und der anderen Richtung erregt, um dem Zahnrad 8a eine schwingende Drehbewegung zu erteilen, deren Frequenze und Amplitude durch die von dem Rechner 12 gelieferten Signale bestimmt sind.

Bei der in Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Ausführungsform sind die Schaufeln 2 in dem Rad 1 mit Hilfe von drei Sätzen von Kugellagern 3 nach Art von Kompressorschaufeln mit änderbarer Steigung derart angeordnet, daß jede Schaufel 2 um ihre Achse Y-Y¹ wie im Fall der Ausführungsform gemäß Figo 1 schwenkbar ist. Das Rad 1 ist von einer Hohlwelle 18 abgestützt„ Das Ende des Zapfens 2a jeder Schaufel 2 ist mit einer Zähnung 19 versehen, die mit einer Zahnung 20a an einer Stange 20 kämmt, die in Bohrungen 21 und 21a des Rades 1 verschiebbar gelagert ist₀ Die beiden Enden der Stange 20 liegen an komplementären ringförmigen Nockenflächen 22 bzw. 22a an, die an zwei Platten 23 bzw. 23a ausgebildet sind, welche mit einer gleichachsig zu der Hohlwelle 18 verlaufenden Welle 24 verbunden sind. Diese Welle 24 wird von einer Antriebsvorrichtung 25 in Drehung versetzt, die von einem feststehenden Teil 26 des Kompressors Eibgestützt ist.

Die Antriebsvorrichtung 25 kann von beliebiger Art,

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beispielsweise von mechanischer, hydraulischer oder elektrischer Art, sein, und sie wird von einer aicM dargestellten Einrichtung derart gesteuert, daß sis ίΐΐ© Y/elle 24 mit einer regelbaren Drehgeschwindigkeit as.« treibt. Wenn die DrehgeschwindigkeitoJ_m der Welle 24 ?os der Drehgeschwindigkeit LJ_n der Hohlwelle 18 verschieden ist, verschieben sich die Enden jeder Stange 20 längs der Nockenflächen 22 bzw_o 22a, welche derart ausgebildet sind, daß sie jeder Stange 20 während dieser Verschiebung eine schwingende Translationsbewegung erteilen, deren. Frequenz der Differenz der Drehgeschwindigkeit und proportion

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nal ist. Die Bewegung jeder Stange 20 wird über ihre Zahnung 20a und die Zahnung 19 an dem Schaufelsapfen 2a auf die zugehörige Schaufel 2 übertragen» ao daß diese eine schwingende Schwenkbewegung um ihre Achse Y-Y' erfährt. Diese Ausführung gestattet, wenn den komplementären Nockenflächen 22 und 22a eine zweckentsprechende Ausbildung gegeben wird, die Schaufeln miteinander in Phase schwingen zulassen.

Da die Frequenz der Schwingungen der Differenz der Drehgeschwindigkeiten uj_& und u^ proportional ist, ist es durch Steuern der Antriebsvorrichtung 25 nach einem Verfahren, das dem oben, in Verbindung mit -^ig* 1 beschriebe» nen analog ist, möglich, diese Frequenz als Funktion der A *r*1-!. η A +· c· r\ i"i **·*-. v^/-ν4* λ ι·* f\ λ<* !"λ^υ¹."^.^«? πΛ^γ· γ?** t*ez.fr pa"? Vi

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Bei der in Fig. 4 und 5 wiedergegebenen Ausführungsform, bei welcher die Elemente, die eine gleiche Aufgabe wie diejenigen der Aueführungsform gemäß Fig, 2 und 3 ausführen, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist jede Schaufel 2 in dem Rad 1 wieder mit Hilfe von drei Sätzen von Kugellagern 3 angeordnet. In dem Fuß 27 jeder Schaufel 2 irrt eine radiale Gewindebohrung 28 ausgebildet, in welche das Gewindeende 29a einer Stange 29 eingeschraubt int, die in einer Bohrung 1c verschiebbar ist, welche in dem Rad 1 in radialer Ausrichtung mit der Gewindebohrung

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28 ausgebildet ist. Die Stange 29 ist an ihrem anderen Ende rechtwinklig umgebogen, um einen sich parallel zur Achse X-X¹ des Kompressors erstreckenden Finger 29b zu bilden« Das Ende dieses Fingers 29b ist mit einem Kugellager 30 versehen, das in einer ringförmigen Nut 31 aufgenommen ist, die in einer mit der Welle 24 verbundenen Platte 32 ausgebildet ist.

Die ringförmige Nut 31 verläuft exzentrisch mit Bezug auf die Achse X-X¹, so daß, wenn die Welle 24 von der Antriebsvorrichtung 25 mit einer Geschwindigkeit in Drehung versetzt wird, die von der Drehgeschwindigkeit _D der V/eile 18 verschieden ist, jede der Stangen 29 in a

ihrer Bohrung 1c in άβηι Rad 1 in einer Translationsbewegung mit einer Amplitude, die gleich der Exzentrizität e der ringförmigen Hut 31 ist (Fig. 5), und mit einer Frequenz schwingt, die der Differenz üj -Lj_m proportional ist. Das Gewinde in der -"ohrung 28 der Schaufel 2 und das Gewinde 29a der Stange 29 haben eine sehr große Steigung, um eine umkehrbare Schraubverbindung zu bilden, welche die Translationsschwingungen der Stange 29 in Schwenkschwingungen der Schaufel 2 umwandelt. Die Frequenz dieser Schwingungen ist der Differenz uj_o - uj noch proportional, und ihre Amplitude ist*der Exzentrizität e der ringförmigen Nut 31 proportional.

An den beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Abwandlungen möglich. Insbesondere könnte die Exzentrizität e der ringförmigen Nut¹31 regelbar sein, was ermöglichen würde, auch die Amplitude der Schwingungen der Schaufeln zu regeln,.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsfonnen sich auf einen Axialkompressor beziehen, wird der Rahmen der Erfindung nicht verlassen, wenn den Schaufeln einer oder mehrerer Stufen einer Turbomaschine anderer Art, beispielsweise einer Turbine, eine schwingende Bewegung erteilt wird ο

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Claims

Pat entansρrüehe

1. Turbomaschine, insbesondere Axialkompressor, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche jeder der Schaufeln eines eine Stufe der Turbomaschine bildenden Schaufelgitters zwangsläufig Schwingungen um eine radiale Schwenkachse zwecks Verbesserung der Leistung der Stu&fe erteilt»

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine "Vorrichtung, welche die Frequenz oder die Amplitude 'der Schwingungen oder ihre Frequenz und ihre Amplitude als Funktion eines oder mehrerer Arbeitsparameter der Maschinenstufe, wie ihrer Drehgeschwindigkeit und der Drükke stromauf und stromab der Stufe, regelt»

3. Kompressor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, welche die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen oder ihre Frequenz und ihre Amplitude als funktion von wenigstens zwei Parametern regelt, welche die Drehgeschwindigkeit des Kompressors bzw· die -aerodynamische Belastung der Stufe darstellen»

4. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Drehgeschwindigkeit des Kompressors darstellende Parameter die reduzierte Geschwindigkeit Έ/~/Έ ist«

5o Kompressor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die aerodynamische Belastung der Stufe darstellende Parameter das Verhältnis P2/P1 der Drücke stromab und stromauf der Stufe isto

6. Kompressor nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung eine Einrichtung aufweist, welche die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen oder ihre Frequens und ihre Amplitude in der Nähe voiyoptimalen Werten hält, die durch Versuche als Funktion des oder der Parameter bestimmt sind.

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7. Turbomaschine oder Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Schaufelgitter, welches eine Stufe des Rotors der Turbomaschine bzw· des Kompressors bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung jeder der Schaufeln um ihre Schwenkachse mit der auf den Rotor bezogenen Winkelstellung eines Steuerorgans verknüpft ist, welches koaxial zu dem Rotor derart in Drehung versetzt .· wird, daß die Schaufeln mit einer Frequenz schwingen, die der Differenz der Drehgeschwindigkeit dieses Organs und der Drehgeschwindigkeit des Rotors proportional ist.

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