DE69614794T2 - Betätigungseinrichtung für verstellbare Statorschaufeln - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für schwenkbare oder verstellbare Statorschaufeln.
• Derartige Schaufeln findet man an den Statoren bestimmter Flugzeugmotoren: Je nach Drehzahlen der Maschine möchte man den durch diese Schaufeln strömenden Gasstrom geraderichten, so dass man diese unter der Einwirkung eines Steuermechanismus, der sich auf der anderen Seite des Stators befindet, um ihre Achse schwenken lässt.
• Die Drehzapfen der Schaufeln, die durch den Stator verlaufen, sind mit Steuerhebeln verbunden, die alle mit einem Steuerring verbunden sind, der den Stator umgibt und den ein Steuermechanismus in Drehbewegung versetzt. Ein Beispiel für diese Anordnungen ist in US-A-2 999 630 beschrieben.
• Ferner ist aus EP-A-0 094 296 eine Schaufelstufe bekannt, bei der der Druckverlust in einem Zweitkanal des Turbotriebwerks geregelt wird. Der Steuerring ist über Stangen und abgewinkelte Hebel, die die Hälfte der Schaufeln dergestalt steuern, dass zwei aneinandergrenzende Schaufeln in entgegengesetzte Winkelbewegungen versetzt werden, gelenkig mit Hebeln verbunden.
• Es gibt zahlreiche Arten von Steuermechanismen, bei denen ein Steuerorgan wie z.B. ein Zylinder und ein Übertragungsmechanismus aus Hebeln, Stangen usw. verwendet werden. Die Merkmale dieser Übertragungen sind sehr unterschiedlich, und manche ermöglichen nichtlineare Betätigungen der Schaufeln, d.h. dass ihre Drehbewegung nicht proportional zu der Bewegung des Steuerelement ist. Die Erfindung gehört zu dieser Art Steuervorrichtung und ihr wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Übertragung besonders einfach erfolgt.
• Aus DE-A- 16 01 625 ist ferner eine Steuervorrichtung für verstellbare Statorschaufeln bekannt, die mit Hebeln versehen sind, die mit einem Steuerring verbunden sind, wobei der Steuerring an einer Kurvenscheibe angelenkt ist, die um eine erste feste Achse dreht, wobei die Kurvenscheibe durch einen an der Kurvenscheibe und an der drehenden Steuerkurbel an anderen Stellen als den festen Achsen angelenkten Schwingarm mit einer Steuerkurbel verbunden ist, die um eine parallel zur ersten festen Achse angeordnete zweite feste Achse dreht.
• Erfindungsgemäß ist die Steuervorrichtung dadurch gekenzeichnet dass der Steuerring mit der Kurvenscheibe durch eine gelenkige Übertragungsstange verbunden ist.
• Die Steuervorrichtung kann im Übrigen mehrere Schaufelstufen und mehrere Steuerringe zugleich betreffen. Es können also zur Anwendung der Erfindung weitere Kurvenscheiben vorgesehen werden, die um weitere erste feste Achsen drehen und an weiteren Steuerringen weiterer verstellbarer Statorschaufeln angelenkt sind, wobei die Kurvenscheiben untereinander durch eine Synchronisierstange verbunden sind, die an den Kurvenscheiben an identischen Stellen zu den ersten festen Achsen angelenkt sind. Oder in einer anderen Konzeption sind weitere Kurvenscheiben vorgesehen, die um weitere erste feste Achsen drehen und an weiteren Steuerringen weiterer verstellbarer Statorschaufeln angelenkt sind, wobei die Kurvenscheiben untereinander und mit der drehbaren Steuerkurbel durch eine Synchronisierstange verbunden sind, die an den weiteren Kurvenscheiben und an der Steuerkurbel an identischen Stellen zu den weiteren ersten festen Achsen angelenkt sind.
• Die Erfindung wird nun anhand der folgenden, zu Darstellungszwecken und nicht einschränkenden, beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei
• Fig. 1 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Anlage zeigt,
• die Fig. 2 und 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigen, und
• Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• In Fig. 1 ist der Eingang eines Turbotriebwerks insbesondere mit einem Kompressorabschnitt mit niederem Druck 1 und einem Kompressorabschnitt mit hohem Druck 2 zu sehen. An diesem wurde die Erfindung entwickelt. Jeder der Kompressoren besteht vor allem aus Stufen feststehender Schaufeln 3 und beweglicher Schaufeln 4, die abwechselnd angeordnet sind, wobei die einen an einem Stator 5 befestigt sind, der die ringförmige Zirkulationsbahn 6 der Gase umgibt, und die anderen an einem Rotor 7 befestigt sind, der die Bahn umgrenzt, und sich mit diesem drehen.
• Die feststehenden Schaufeln 3 können sich in Wirklichkeit um einen Drehzapfen 8 drehen, der durch den Stator 5 hindurch verläuft. Der Drehzapfen 8 jeder Schaufel 3 endet in einem Hebel 9. Die Hebel 9 jeder der Schaufelstufen sind mit einem gemeinsamen Steuerring 10 verbunden.
• In den Fig. 2 und 3 ist zu sehen, dass die Verbindung der Hebel 9 einer Schaufelstufe mit dem entsprechenden Steuerring 10 durch Gelenke 11 erfolgt, die den Steuerring 10 festhalten und dabei gleichzeitig ermöglichen, dass dieser sich um sich selbst dreht. Das kann erreicht werden, indem der Steuerring mit einer Übertragungsstange 12 versehen wird, deren Ende 13 dergestalt gelenkig an ihm befestigt, ist, dass die Übertragungsstange 12 Winkelbewegungen ausführen kann, und deren anderes Ende 14 an einer Kurvenscheibe 15 in der Form eines abgewinkelten Hebels und genauer ausgedrückt am Ende eines der Arme 16 dieses abgewinkelten Hebels angelenkt ist. Eine am Stator fest sitzende Achse 17 verläuft durch die Abwinkelung der Kurvenscheibe 15, damit diese sich drehen kann, und ihr anderer Arm 18 erstreckt sich in entgegengesetzter Richtung zu der Übertragungsstange 12 und rägt an seinem Ende ein weiteres Gelenk 19, das dazu gedacht ist, eine Synchronisierstange 20 zu halten, die im rechten Winkel zu dem Steuerring 10, d.h. in der axialen Richtung der Maschine angeordnet ist. Die Synchronisierstange 20 ist in gleicher Weise an weitere Kurvenscheiben 15 angelenkt, über die die Steuerung weiterer feststehender Schaufelstufen 3 erfolgt, und zwar durch vergleichbare Übertragungen wie die soeben beschriebene, die insbesondere aus einem Steuerring 10 für jede der Stufen bestehen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die weiteren Kurvenscheiben, die mit 15a, 15b, 15c usw. bezeichnet sind, an Übertragungsstangen 12 angelenkte Arme 16a, 16b bzw. 16c usw. unterschiedlicher Längen 1, 1a, 1b, 1c usw. aufweisen. Dadurch können, wie sich unten deutlich zeigen wird, die feststehenden Schaufelstufen 3 unterschiedlich gesteuert werden, d.h. sie können unterschiedlich gedreht werden. Die zweiten Arme 18 hingegen sind alle gleich lang und sind parallel angeordnet, obwohl die Synchronisierstange 20 an den Kurvenscheiben 15, 15a, 15b, 15c usw. an identischer Stelle der festen Achsen 17, 17a, 17b, 17c usw. angelenkt ist.
• Der Steuermechanismus besteht im Gegensatz zu einer zuvor von der Anmelderin angenommenen Lösung nicht aus einem Hebel, der an der feststehenden Achse 17 der zuerst betrachteten Kurvenscheibe 15 befestigt ist und dessen Aufgabe darin besteht, diese zu drehen, um über alle Kurvenscheiben 15 und die Synchronisierstange 20 die Übertragungsstangen 12 zu ziehen oder zu schieben. Statt dessen wird eine Steuerkurbel 21 vorgesehen, die um eine parallel zu den ersten festen Achsen 17, 17a, 17b, 17c usw. angeordnete zweite feste Achse 26 dreht, sowie ein Schwingarm 22, dessen Enden angelenkt sind, und zwar das erste Ende 23 an dem Ende der Steuerkurbel 21, und das zweite Ende 24 an einem Teil des zweiten Arms 18, das von der festen Achse 17 entfernt ist.
• Das Regelverhalten der Steuerung des Drehwinkels β der Schaufeln 3 als Funktion des Drehwinkels α der Steuerkurbel 21 hängt im wesentlichen von der Länge L des Schwingarms 22 zwischen den Gelenken 23 und 24 und von Radien R&sub1; und R&sub2; ab, die an den Kurvenscheiben 15 zwischen der festen Achse 17 und den Gelenken 14 und 24 gemessen werden. Bei diesem Mechanismus, bei dem sich die Steuerkurbel 21, der Schwingarm 22, die Kurvenscheiben 15, 15a, 15b, 15c usw., die Synchronisierstange 20 und die Übertragungsstangen 12 im wesentlichen in einer Ebene erstrecken, die im rechten Winkel zu den festen Achsen 17, 17a, 17b, 17c usw. und 26 liegt, erhält man schließlich die folgende Formel, ausgehend von Anfangs- Winkelpositionen α&sub0; und β&sub0;:
• β + β&sub0;/2 = Arc tg t,
• wobei t eine Wurzel der Gleichung t²(Z - K) + 2tT - Z - K = 0 ist,
• wobei T = [R&sub2;sin(α - α) - x], E = [-R&sub2;cos(α&sub0; - α) + y] und K = L² - (T² + Z² + R&sub1;²)/2R&sub1;
• dabei sind x und y die Maße des Abstandes zwischen der festen Achse 26 und der festen Achse 17, projiziert auf die zur Synchronisierstange 20 bzw. zu den Steuerringen 10 parallel verlaufenden Achsen, sobald diese in die Ebene der Fig. 2 und 3 projiziert sind.
• Der Winkel β stellt also eine Sinusfunktion des Winkels α dar.
• Die Steuerkurbel 21 kann nach einem üblichen Konzept durch die Stange 27 eines Zylinders 28 gedreht werden, der an einem festen Punkt 29 angelenkt ist.
• Die den Hebeln 9 und den Schaufeln 3 zugedachten Drehwinkel β sind bei den einzelnen Stufen unterschiedlich und sind, genauer ausgedrückt, proportional zu den Längen 1, 1a, 1b, 1c usw. der Arme 16a, 16b bzw. 16c usw. zwischen der festen Achse 17 und dem Gelenk 14 der Übertragungsstange 12, d.h. dass die Kurven der Drehbewegungen alle sinusförmig sind.
• Bei dem Konzept von Fig. 4 ist eine der Statorschaufelstufen 3, und zwar die linke in dieser Darstellung, ebenfalls mach einem nicht-linearen Gesetz verschoben, die anderen jedoch unterliegen einem Gesetz der Proportionen mit den Bewegungen des Steuerorgans. Unter Beibehaltung der Begriffe von Fig. 2 und Fig. 3 findet sich hier die Synchronisierstange 20 wieder, an der die Kurvenscheiben 15b, 15c usw. angelenkt sind. Die Modifizierungen betreffen die Kurvenscheiben 15 und 15a: die Kurvenscheibe 15, die nun mit 115 bezeichnet ist, ist nicht mit der Synchronisierstange 20 verbunden, und ihr zweiter Arm 18 ist durch einen Arm 118 mit einer anderen Form ersetzt, der dazu gedacht ist, ein Gelenk 123 aufzunehmen, das ihn mit einem Ende eines Schwingarms 122 verbindet, der analog oder vergleichbar dem Schwingarm 22 ist und dessen anderes Ende durch ein Gelenk 124 mit einer Ausstülpung 125 verbunden ist, die an einer Kurvenscheibe 115a ausgeformt ist, welche ansonsten der Kurvenscheibe 15a gleicht und an der gleichen Stelle sitzt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die feste Gelenkachse 117a der Kurvenscheibe 115a keine träge Achse ist, sondern eine Steuerachse, die von dem Steuerorgan abhängt. Mit einem Wort: die Steuerkurbel 21 der vorhergehenden Ausführung fällt weg, und die Kurvenscheibe 115a ist ein Antriebshebel.

Claims (3)

1. Steuervorrichtung für verstellbare Statorschaufeln (3), die mit Hebeln (9) versehen sind, die mit einem Steuerring (10) verbunden sind, wobei der Steuerring (10) an einer Kurvenscheibe (15, 115) angelenkt ist, die um eine erste feste Achse (17) dreht, wobei die Kurvenscheibe (15, 115) durch einen Schwingarm (22, 122)mit einer Steuerkurbel (21, 115a) verbunden ist, die um eine parallel zur ersten festen Achse (17) angeordnete zweite feste Achse (26, 117a) dreht, wobei dieser Schwingarm (22, 122)an der Kurvenscheibe und an der drehenden Steuerkurbel an anderen Stellen als den festen Achsen angelenkt ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Steuerring (10) mit der Kurvenscheibe (15, 115) durch eine gelenkige Übertragungsstange (12) verbunden ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass sie weitere Kurvenscheiben (15a, 15b, 15c ...) aufweist, die um weitere erste feste Achsen (17a, 17b, 17c ...) drehen und an weiteren Steuerringen (10) weiterer verstellbarer Statorschaufeln (3) angelenkt sind, wobei die Kurvenscheiben untereinander durch eine Synchronisierstange (20) verbunden sind, die an den Kurvenscheiben an identischen Stellen zu den ersten festen Achsen angelenkt sind.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass sie weitere Kurvenscheiben (15b, 15c ...) aufweist, die nm weitere erste feste Achsen (17b, 17c ...) drehen und an weiteren Steuerringen weiterer verstellbarer Statorschaufeln (3) angelenkt sind, wobei diese weiteren Kurvenscheiben untereinander und mit der drehbaren Kurbel (115a) durch eine Synchronisierstange (20) verbunden sind, die an den weiteren Kurvenscheiben und an der drehbaren Kurbel an identischen Stellen zu den weiteren ersten festen Achsen und zu der zweiten festen Achse (117a) angelenkt sind.