DE69916367T2

DE69916367T2 - Schaufelblatt mit veränderlicher Krümmung

Info

Publication number: DE69916367T2
Application number: DE69916367T
Authority: DE
Inventors: Kevin John Weaver
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: GB2339244B; GB9813254D0; DE69916367D1; US6179559B1; EP0965727B1; GB2339244A; EP0965727A3; EP0965727A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel mit veränderlicher Krümmung für ein Gasturbinentriebwerk, wie beispielsweise in der Patentanmeldung US 4 821 758 A beschrieben. Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung einen beweglichen Abschnitt einer Einlassleitschaufel mit variabler Krümmung, die Teil eines Schaufelkranzes im Einlauf eines Gasturbinen-Schubtriebwerks vor der ersten Verdichterrotorstufe bildet.
Um Betriebsstabilität des Verdichters eines Gasturbinen-Schubtriebwerks über einen weiten Bereich von Massenströmungsraten und Betriebsdrehzahlen aufrecht zu erhalten, wird es als ratsam angesehen, eine bewegliche Schaufel einzusetzen. Solche Schaufeln haben zwei hauptsächliche aerodynamische Wirkungen: Die eine ist das Lenken des Luftstroms um einen Winkel, um auf die Schaufeln einer nachfolgenden Rotorstufe aufzutreffen, die zweite ist die Verringerung des effektiven Einlassquerschnitts der Stufe. Da die Abmessungen des Einlasskanals an der Front eines Triebwerks ziemlich groß ist, sind solche Schaufeln entsprechend groß, und die auf eine bewegliche Schaufel wirkenden, aerodynamisch erzeugten Kräfte, wenn sie gegen den ankommenden Luftstrom gedreht wird, sind ebenfalls groß. Gewöhnlich werden solche Schaufeln auf einer Achse im Mittelsehnenbereich gedreht, so daß die Kräfte um die Achse ausbalanciert werden können. Dies verringert die zum Drehen und Halten der Schaufel erforderlichen Betätigungskräfte und folglich die Spannungen und Beanspruchungen, welchen die Schaufel im Vergleich zu einer um eine Kante geschwenkten Schaufel ausgesetzt ist.
In manchen Fällen wird es jedoch notwendig, eine um eine Kante geschwenkte Schaufel einzusetzen, wo die aus hohen und nicht ausgeglichenen, auf die Schaufel wirkenden Kräften resultierenden Probleme bewältigt werden müssen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Lösung dieser Probleme.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Schaufel 4 mit veränderlicher Krümmung für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen, mit einem feststehenden Vorderkantenabschnitt 14 und einem beweglichen Hinterkantenabschnitt 16, der einen Schaufelabschnitt aufweist, der um eine Achse 18 um seine an die stromabwärtige Kante des feststehenden Vorderkantenanbschnitts 14 angrenzende stromaufwärtige Kante 20 schwenkbar montiert ist, wobei ein radial äußerer Rand 22 des beweglichen Abschnitts 16 um die Oberfläche 24 eines umgebenden Gehäuses 8 einander angepasste teilkugelige Flächen in einem mindestens den Schwenkbereich des beweglichen Schaufelabschnitts 16 umfassenden Bereichs bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Rand 40 des beweglichen Schaufelabschnitts 16 mit einem Flansch versehen und so gekrümmt ist, daß er der teilkugeligen Oberfläche 24 des benachbarten Gehäusebereichs 8 angepaßt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Triebwerkeinlassrings mit einem Kranz von Schaufeln mit variabler Krümmung,
2 einen Schnitt des Gehäuses mit drei der Schaufeln mit variabler Krümmung,
3 einen Schnitt durch die beweglichen Abschnitte zweier Schaufeln mit variabler Krümmung, und
4 eine nähere Darstellung der radial äußeren Kante des beweglichen Abschnitts einer Schaufel nach den 1 bis 3, wobei das kreisförmige Lagerteil und der gekrümmte äußere, mit einem Flansch versehene Rand dargestellt sind.
Gemäß den Zeichnungen zeigt 1 einen Triebwerkseinlassring, der allgemein mit 2 bezeichnet ist, und einen Ring von zehn Schaufeln 4 mit variabler Krümmung umfasst, der mit gleichen Abständen um den Einlaßring des Triebwerks beabstandet sind. Außerdem ist eine erste, allgemein mit 6 bezeichnete erste Verdichterrotorstufe sichtbar. Der Einlassring ist von einer Triebwerksgehäusekonstruktion 8 umgeben, die teilweise aufgeschnitten ist, um mehr Einzelheiten der Schaufeln 14 sichtbar zu machen. Die Schaufeln 4 verlaufen in etwa radialer Richtung zwischen dem äußeren Triebwerksgehäuse 5 und einer inneren konzentrischen Konstruktion, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, innerhalb derer ein Fronttriebwerkslager (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann, welches das vordere Ende einer Triebwerkswelle lagert, die die Rotorstufe 6 trägt. Die Front der kreisförmigen Lagergehäusekonstruktion 10 ist durch eine herkömmliche verjüngte Nasenhaube 12 umschlossen. Im allgemeinen weisen die Schaufeln 4 zum Abstützen des Frontwellenlagers einen feststehenden und lasttragenden Abschnitt auf. Dieser feststehende stromaufwärtige Schaufelabschnitt hat eine teilweise tragflügelförmige Gestalt, wie in 2 deutlich ersichtbar ist. Der feststehende Teil jeder der Schaufeln ist mit 14 bezeichnet, und in allen Zeichnungen tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
In 2 sind die feststehenden Schaufelabschnitte 14 teilweise geschnitten dargestellt, um die Tragflügelform deutlicher zu zeigen. Es versteht sich, daß die Dicke der Schaufeln in stromabwärtiger Richtung bis zur stromaufwärtigen Kante der beweglichen Abschnitte 16 jeder der Schaufeln allmählich zunimmt. Die beweglichen Abschnitte 16 entsprechen der Gesamttragflächenform, die für die Schaufeln erforderlich ist.
Die beweglichen Schaufelabschnitte 16 sind für eine typische Bewegung um eine radiale Achse 18 montiert, die durch ein spindelförmiges Teil 20 verläuft, das einstückig mit der stromaufwärtigen Kante der Schaufelabschnitte ausgebildet ist. Die für die beweglichen Schaufelabschnitte 16 erforderliche Winkelbewegung beträgt bis etwa 70° als maximale Auslenkung. Natürlich besteht bei einem so großen Schwenkbogenbereich der radial äußeren Kanten 22 der Schaufeln die Gefahr des Anstoßens an der Ringform der Innenwandfläche 24 des Triebwerksgehäuses 8. Um diesen Schaufelbewegungsbereich zu ermöglichen und Spalte zwischen der radial äußeren Schaufelkante 22 und der Gehäusewand 24 zu vermeiden, entsprechen diese beide einer teilkugeligen Konfiguration. Daher kann ein konstanter und minimaler Spalt zwischen der Kante 22 und der Wand 24 über den gesamten Bereich der Schaufelbewegung aufrecht erhalten werden.
Die beweglichen Schaufelabschnitte 16 sind, wie ersichtlich ist, an ihrer stromaufwärtigen Kante angelenkt, so dass im Betrieb bei relativ großen Auslenkungswinkeln beträchtliche Kräfte auf der Druckseite der Schaufeln aufgrund der Luftstrombewegung erzeugt werden. Daraus folgt, daß zum Bewegen und Halten einer Winkelstellung der Schaufeln beträchtliche Betätigungskräfte erforderlich sind und diese in beträchtlichen Spannungen innerhalb der Tragflügelabschnitte der Schaufel resultieren.
Ein Schaufelbetätigungsmechanismus (nicht dargestellt) ist auf der radial äußeren Seite des ringförmigen Triebwerksgehäuses 8 vorgesehen.
Grundsätzlich umfasst dieser einen in Umfangsrichtung beweglichen Verbindungsring, mit welchem die Spindeln 20 jeder der Schaufeln mittels eines Betätigungshebels (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden sind. Wie in 4 deutlicher gezeigt ist, ist das radial äußere Ende der Schaufeln mit einem Spindelfortsatz 26 ausgebildet, der durch eine kreisförmige Öffnung 28 im Triebwerksgehäuse 8 hindurchragt. Die Betätigungshebel stehen mit den Spindelverlängerungen 26 in Eingriff. Die radial inneren Enden der Spindeln 20 sind ebenfalls mit einem Spindelfortsatz 30 ausgebildet, der in einem Lager oder einer Buchse 32 sitzt, wie in 1 gezeigt ist. Wo die Spindel 20 durch das Triebwerksgehäuse 8 verläuft, ist ein Lagerteil 34 mit vergrößertem Durchmesser vorgesehen, das konzentrisch mit der Spindel und der Schwenkachse 18 ist. Vorzugsweise weist das Bauteil 34, wie in 4 gezeigt ist, eine abgeschrägte Fläche 36 auf, die mit einer ähnlich abgeschrägten Fläche einer Buchse, die in der Gehäusewand 8 sitzt, zusammenwirkt oder davon einen minimalen Spielraum hat. Die Lagerkräfte werden durch ein mit der Achse 18 und der Öffnung 32 im Gehäuse 8 konzentrisches Lager auf einer ringförmigen Lagerfläche 38 am Bauteil 34 aufgenommen. Die Ebene der ringförmigen Fläche 38 ist senkrecht zur Achse 18.
Es versteht sich, daß auf den beweglichen Schaufelabschnitt 16 durch die Spindel 26 ausgeübte Betätigungskräfte notwendigerweise von beträchtlicher Größe sind, wobei die Sehnenlänge des Schaufelabschnitts 16 berücksichtigt werden muß, da diese Schaufeln im Triebwerkseinlauf angeordnet sind und deshalb die Schaufeln von großer Abmessung sind. Diese großen Kräfte haben das Potential, große Spannungen innerhalb des Schaufelabschnitts zu erzeugen, die aufgenommen werden müssen, wenn sie nicht in der Fortpflanzung von Spannungsrissen resultieren sollen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung dieser Probleme durch Ausbildung des beweglichen Schaufelabschnitts 16 mit einem Flansch 40 an seiner radial äußeren Kante. Wie in 4 gezeigt ist, folgt der Flansch 40 der teilkreisförmigen Form der Schaufelkante und verjüngt sich von einer maximalen Breite an der Schaufelabschnittspitzel 20 zur Hinterkante 21 der Schaufel. Bei der besonderen Ausführungsform ist der Durchmesser des Bauteils 34 größer als die maximale Breite des Flanschs 40, und die Kanten des Bauteils und der Flansch gehen ineinander über, und der Flansch 40 verjüngt sich in stromabwärtiger Richtung auf die Breite des Schaufelabschnitts 16 an der Hinterkante 21.
Aus Gründen der aerodynamischen und mechanischen Effizienz gehend der Flansch 40 und das Bauteil 34 auf der Gaskanalseite der Schaufel sanft von ihrer Maximalabmessung in die Schaufelblattoberfläche des beweglichen Schaufelabschnitts über. Dieser Übergang erfolgt mittels einer gekrümmten Fläche, die in 4 allgemein mit 42 bezeichnet ist. Diese gekrümmte Oberfläche läuft in radial einwärtiger Richtung auf die Schaufelbreite zusammen und läuft zur Hinterkante des beweglichen Schaufelabschnitts 16 hin aus. Auf diese Weise werden abrupte Änderungen der Tragflügeloberflächenform vermieden, die zu Diskontinuitäten und Spannungskonzentrationen führen könnten. Der Flansch 40 versteift die Schaufel insbesondere hinsichtlich ihrer Torsionsteifigkeit, und hebt die Grundresonanzfrequenz oberhalb des Triebwerksbereichs an, um damit eine Erregung zu vermeiden. Die Flanschverjüngung und der allmähliche Übergang der Flanschunterseite in die Schaufeltragflächenform trägt zur Vermeidung einer Spannungserhöhung oder Spannungskonzentration durch allmähliche Verjüngung und so der Verteilung von auf die Schaufel und die Spindel wirkenden Kräfte bei. In ähnlicher Weise leitet die abgeschrägte Fläche 36 des Bauteils 34 Spannungen allmählich ein und vermeidet Spannungserhöher wie beispielsweise scharfe Ecken in hohen Kräften unterworfenen Bereichen.
Wie in den 2 und 3 deutlicher gezeigt ist, gehen die Außenkanten der gekrümmten Unterseite des Bauteils 34 und des Flanschs 40 in die teilkugelige Fläche 24 des Triebwerksgehäuses 8 über. Außerdem ist der bewegliche Schaufelabschnitt 16 im Gehäuse derart montiert, daß die abgeschrägte Fläche 34 innerhalb der Montageöffnung 28 in der Gehäusewand 24 liegt, um so Diskontinuitäten noch weiter zu vermeiden. Der stromaufwärtige Bereich des Schaufelabschnitts 16, der eine Spindel 20 enthält, ist entlang seiner Länge mit einem Abschnitt konstanten Radiuses ausgebildet, der entsprechend gekrümmten Hinterkantenabschnitt am stromabwärtigen Rand der feststehenden Schaufelabschnitte 14 angepaßt ist.

Claims

Schaufel (4) mit veränderlicher Krümmung für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem feststehenden Vorderkantenabschnitt (14) und einem beweglichen Hinterkantenabschnitt (16), der einen Schaufelabschnitt aufweist, der um eine Achse (18) um seine der stromabwärtigen Kante des feststehenden Vorderkantenabschnitts (14) angrenzende stromaufwärtige Kante (20) schwenkbar montiert ist, wobei ein radial äußerer Rand (22) des beweglichen Abschnitts (16) um die Oberfläche (24) eines umgebenden Gehäuses (8) einander angepasste teilkugelige Flächen in einem mindestens den Schwenkbereich des beweglichen Schaufelabschnitts (16) umfassenden Bereich bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Rand (40) des beweglichen Schaufelabschnitts (16) mit einem Flansch versehen und so gekrümmt ist, daß er der teilkugeligen Oberfläche (24) des benachbarten Gehäusebereichs (8) angepasst ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Flansch versehene äußere Rand (40) der Schaufel (16) zur Schaufelschwenkachse (18) hin am breitesten ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Flansch versehene äußere Rand (40) zur Schaufelhinterkante (21) hin verjüngt ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Flansch versehene äußere Rand (40) in radialer Richtung mindestens an der Druckseite der Schaufel in deren Schaufelblattoberfläche übergeht.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtige Kante des mittleren Abschnitts der Schaufel (16) eine Spindel (20) aufweist, die konzentrisch mit der Schwenkachse (18) einstückig mit dem Schaufelblattabschnitt der Schaufel ausgebildet ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (20) in radialer auswärtiger Richtung vorspringt und für den Eingriff durch einen Schaufelbetätigungsmechanismus adaptiert (26) ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisförmiges Lagerteil (34) zur Montage der Schaufel (16) in einem Triebwerksgehäuse (18) einstückig mit der Spindel (20) und dem mit einem Flansch versehenen äußeren Rand der Schaufel ausgebildet ist, wobei das Lagerteil konzentrisch mit der Achse (18) der Spindel (20) ist und einen Durchmesser aufweist, der größer als die Breite des Flanschs (40) ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerteil (34) mit einer abgeschrägten radial äußeren Fläche (36) ausgebildet ist.
Schaufel mit veränderlicher Krümmung nach Anspruch 7 oder 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Fläche (35) des Lagerteils (34) in die Spindel (20) und die Schaufelblattfläche (42) der Schaufel (16) übergeht.