DE929667C - Turbomaschine mit verstellbaren Leitschaufeln - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 30. JUNI 1955

N 78151a/ 14c

Die Erfindung betrifft Axial-Turbomaschinen (Turbinen oder Verdichter) mit Leitschaufeln, die zwischen inneren und äußeren Ringen angeordnet und in ihnen um radiale Achsen schwenkbar gelagert sind.

Bei manchen Maschinen kann der eine Ring nicht fest mit benachbarten Teilen der Maschine verbunden sein, entweder wegen der thermischen Ausdehnung oder deswegen, weil in seiner Nähe keine geeigneten festen, d. h. nicht umlaufenden Punkte vorhanden sind, an denen er sicher befestigt werden könnte. Trotzdem ist eine genaue Lagerung der beiden Ringe relativ zueinander erforderlich. Bei festen Leitschaufeln treten derartige Schwierigkeiten nicht auf, da diese Schaufeln eine durchaus brauchbare feste Verbindung zwischen den beiden Ringen darstellen. Sind die Schaufeln jedoch hinsichtlich ihres Anstellwinkels einstellbar, so müssen sie in den beiden Ringen mit soviel Spielraum schwenkbar angeordnet sein, daß ein Klemmen nicht auftreten kann. Dies bedeutet, daß der eine Ring von dem anderen nicht mittels der einstellbaren Schaufeln gehalten werden kann. Trotzdem ist eine genaue gegenseitige Lagerung der beiden Ringe sehr wichtig, z. B. weil die Zapfen der einstellbaren Leitschaufeln genau radial ausgerichtet sein müssen.

Das Problem einer geeigneten nachgiebigen Lagerung der Ringe kann durch radiale Streben gelöst werden, die mit Zwischenräumen im Schaufelkranz angeordnet sind. Diese Lösung zeigt jedoch den Nachteil, daß die wirksame Durchlaßfläche des Schaufelkranzes hierbei in bemerkenswertem Maße verringert wird. Die Erfindung gibt eine bessere Lösung dieses Problems.

Die Erfindung betrifft also eine Axial-Turbomaschine mit einem Leitschaufelkranz, der aus

einem inneren und aus einem äußeren Ring und aus verstellbaren Leitschaufeln besteht, die sich von dem einen zum anderen Ringe hin erstrecken und in ihnen um radiale Achsen schwenkbar gelagert sind. Die Erfindung besteht darin, daß feste, d. h. nicht verstellbare Leitschaufeln zwischen den verstellbaren Leitschaufeln eingefügt sind und die beiden Ringe so miteinander verbinden, daß die Lager jeder Leitschaufel stets miteinander radial fluchten.

ίο Die festen Schaufeln können unter einem Anstellwinkel angeordnet werden, der für eine bestimmte Belastung der Turbomaschine berechnet ist. Bei dieser Belastung weisen sie ihre beste Wirkung auf, bei jeder anderen Belastung jedoch zeigen sie eine immer noch gute Wirkung und sind weniger störend als flache radiale Streben.

Üblicherweise sind die Schaufelenden so geformt, daß Teile von ihnen, wenn die einstellbaren Schaufeln sich in ihrer Endlage befinden, an entsprechen-

ao den Teilen der benachbarten Schaufelenden zur Anlage kommen und so als Anschlag wirken.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der äußere Ring am Maschinengehäuse befestigt, während der innere Ring lediglich durch die nicht einstellbaren Schaufeln gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform, die sich beispielsweise für eine Flugzeug-Gasturbinenanlage eignet, kann der innere Ring mit einem sogenannten Ausgleichskolben ausgerüstet sein, der wenigstens einen Teil des Axialdrucks der heißen, auf die Leitschaufeln drückenden Gase dadurch aufnimmt, daß auf seine rückwärtige Oberfläche ein Gasdruck einwirkt, der diesen Teil des Axialdrucks und andere längs gerichtete Kräfte im wesentlichen ausgleicht. Handelt es sich um eine Gasturbinenanlage, so wird dieser Gasdruck üblicherweise vom Kompressor der Anlage geliefert. Die äußeren Enden der festen Leitschaufeln können mit dem äußeren Ring, beispielsweise mittels Gelenken oder Gleitstücken, derart verbunden sein, daß sie sich radial gegenüber dem äußeren Ring bewegen und sich damit ungehindert ausdehnen oder zusammenziehen, aber axial nicht verschieben können. Diese Schaufeln dienen auch zur Zentrierung des inneren-Ringes.

Eine für die Verwendung bei einem Flugzeug-Turbo-Düsen-Antrieb geeignete Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigt

Fig. ι eine Seitenansicht der Antriebsmaschine, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. ι in einem größeren Maßstabe,

Fig. 3 einen Teil eines Längsschnittes gemäß der Linie III-III in Fig. 2 in einem noch größeren Maß stäbe und

Fig. 4 eine Teilansicht, die die Form der Schaufelenden der einstellbaren Schaufeln erkennen läßt. Die in Fig. 1 dargestellte Antriebsmaschine besitzt einen Luftkompressor 10 an ihrem vorderen Ende, der in eine ringförmige Verbrennungskammer oder eine Vielzahl einzelner Verbrennungskammern 11, die Seite an Seite um die Hauptachse der Maschinenanlage herum angeordnet sind, hineinbläst. Die heißen Gase aus der Verbrennungskammer oder den Verbrennungskammern 11 strömen durch einen Kranz von Leitschaufeln 12 und dann durch eine Turbine 13-, um schließlich durch eine Vortriebsdüse 14 in die Atmosphäre zu gelangen. Die Tifrbine 13 treibt den Kompressor 10 über eine hohle Welle 15 an, die sich mitten durch die Maschinenanlage hindurch erstreckt.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Kranz von Leitschaufeln 12, der vor der Turbine 13 angeordnet ist. Der innere Ring des Leitschaufelkranzes stellt einen Ausgleichkolben 16 (s. Fig. 3) dar, der aus einer ringförmigen Platte 17 mit einem kurzen rückwärts gerichteten Flansch 18 am Innenrand und einem längeren rückwärts gerichteten Flansch 19 am Außenrand besteht. Auf der Turbinenwelle 15 befindet sich eine Scheibe 20, die mit dem Flansch 18 zusammen eine Dichtung bildet, indem sie nur einen ganz geringen Zwischenraum gegenüber dem Innenflansch 18 aufweist. Der Ausgleichkolben 16 ist auch mit einem Teil der Wandung oder der Wandungen 21 der Verbrennungskammer bzw. -kammern 11 verbunden, die eine erhebliche thermische Ausdehnung in axialer Richtung aufweist beziehungsweise aufweisen, wobei eine nicht dargestellte Gleitfuge eine derartige Ausdehnung zuläßt. Durch diese Gleitfuge wird außerdem bewirkt, daß die Wandung bzw. Wandungen 21 den Aus- 90· gleichkolben 16 bei dieser Axialbewegung nicht beeinträchtigen können.

Der Leitschaufelkranz muß dem Axialdruck widerstehen können, den die heißen Gase auf ihn ausüben, und um zu vermeiden, daß dieser ganze Druck von dem äußeren Ende der Schaufeln 12 aufgenommen werden muß, wird aus dem Kompressor 10 (Fig. 1) Druckluft durch die Hohlwelle.15 und Kanäle 22 und 23 der Rückseite des Ausgleichkolbens zugeführt. Hierdurch wird bewirkt, daß ein Teil des Drucks von dem inneren Ende der Schaufeln 12 bzw. dem Ausgleichkolben aufgenommen wird. Der Luftdruck wird auch so groß gewählt, daß er einen zusätzlichen Axialdruck ausgleicht, der beispielsweise von den Wandungen der Verbrennungskammer auf den Ausgleichkolben ausgeübt wird, wenn diese ihn berühren.

Der am Außenrand des Ausgleichkolbens vorgesene Flansch 19 trägt die inneren Enden der einzelnen Leitschaufeln 12 (s. Fig. 2). Die Mehrzahl dieser Leitschaufeln ist auf diesem Flansch schwenkbar befestigt, und jede dieser Schaufeln besitzt einen Drehzapfen 24, der sich in einer Bohrung des Flansches befindet. An jedem Drehzapfen ist eine Kurbel 25 befestigt, deren Bewegung die Schaufel um eine radiale Achse verschwenkt. Eine Möglichkeit für den Antrieb der Kurbeln besteht in der Verwendung eines ringförmigen Einstellgliedes 31.

In Abständen sind rund um den Außenflansch 19 des Ausgleichkolbens 16 herum feste Schaufeln 26 vorgesehen, die mit dem Flansch fest verbunden sind, beispielsweise mittels Bolzen 27, von denen wenigstens einer Schraubengewinde für die Aufnahme einer Mutter 28 besitzt.

Um die äußeren Schaufelenden herum ist ein Deckring 29 vorgesehen, der gegebenenfalls aus

einzelnen bogenförmigen Stücken bestehen kann. Die Hinterkante dieses Deckringes liegt gegen eine ringförmige Innenschulter des Gehäuses 30 und stellt eine Gasdichtung dar. Im Gehäuse 30 sind ferner Zapfen 32 (Fig. 2) gelagert, die an den äußeren Enden der einstellbaren Schaufeln 12 sitzen. Eine nicht dargestellte Zentriervorrichtung, die auf jeden Zapfen 32 einwirkt, sorgt für deren richtige radiale Lage gegenüber dem Deckring 29. Die Zapfen 32 können sich in ihren Lagern in radialer Richtung bewegen, sind jedoch hierbei gegen eine axiale Verschiebung und eine Drehung um die Maschinenachse gesichert. Die äußeren Enden der Schaufeln 26 besitzen Zapfen 33, die am Gehäuse 30 mit Gliedern 34 befestigt sind, die in einer senkrecht zur Hauptachse der Maschine liegenden Ebene derart angeordnet sind, daß die festen Schaufeln 26 sich radial ausdehnen und zusammenziehen, sich aber nicht axial gegenüber dem Gehäuse 30 verschieben können.

Auf diese Weise ist der Ausgleichkolben 16 im Gehäuse 30 konzentrisch zur Turbinen welle 15 mittels der festen Schaufeln gelagert, und der Ausgleichkolben stellt gleichzeitig die Halterung für die inneren Enden aller Schaufeln dar, deren äußere Enden sieh frei ausdehnen und zusammenziehen können.

Üblicherweise sind die Schaufelenden 35 (Fig. 4)

mit Anschlägen 36 und 37 ausgerüstet, die in den Endlagen der einstellbaren Schaufeln sich gegen entsprechende Anschläge 38 und39 der benachbarten Schaufelenden legen und so eine Begrenzung für die Winkeleinstellung einer jeden Schaufel darstellen.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Axial-Turbomaschine mit einem Leitschaufelkranz, der aus einem inneren und einem äußeren Ring sowie zwischen den Ringen angeordneten, in ihnen um radiale Achsen schwenkbar gelagerten Leitschaufeln besteht, dadurch gekennzeichnet, daß feste Leitschaufeln zwischen den verstellbaren Leitschaufeln eingefügt sind und die beiden Ringe so miteinander verbinden, daß die Lager jeder Leitschaufel stets miteinander radial fluchten.
2. 2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring am Maschinengehäuse befestigt ist, der innere Ring jedoch nur von den festen Schaufeln gehalten wird.
3. 3. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring an seinem Innenumfang axial gleitend gegen die Turbine abgedichtet und daß seine Fläche so bemessen und der hinter ihm liegende Raum mit einer Stelle solchen Drucks verbunden ist, daß der auf seine rückwärtige Oberfläche einwirkende Gasdruck wenigstens einen Teil des von den heißen Gasen auf die Leitschaufeln ausgeübten Axialdrucks im wesentlichen ausgleicht.
4. 4. Turbomaschine gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der festen Leitschaufeln mit dem äußeren Ring derart verbunden sind, daß sie sich ihm gegenüber in radialer Richtung bewegen können, andererseits aber an einer Axialbewegung verhindert sind.
5. 5. Turbomaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelenden derart gestaltet sind, daß sie in den Endlagen der verstellbaren Schaufeln an den Enden der benachbarten Schaufeln anschlagen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   509 520 6.55