VSV

Eine variable Leitschaufel ist ein Satz von ortsfesten Turbinenschaufeln in einem Strahltriebwerk oder einer Gasturbine, die sich drehen können, um den Winkel zu ändern, in dem sie die einströmende Luft oder das Gasgemisch lenken. Im Gegensatz zu feststehenden Leitschaufeln, die an einer Position verbleiben, schwenken VSVs um eine gemeinsame Welle oder einen Hebelmechanismus, wodurch das Motorsteuersystem ihren Anstellwinkel während des Betriebs kontinuierlich anpassen kann. Dies hält den Verdichter oder die Turbine über einen breiten Drehzahl- und Lastbereich bei Spitzeneffizienz.

VSVs findet man am häufigsten in den Verdichterstufen von Turbofan- und Turbojet-Triebwerken, wo sie zwischen rotierenden Rotor-Schaufeln angebracht sind. Mit steigender Motordrehzahl ändert sich die Geschwindigkeit der einströmenden Luft; wenn die Leitschaufeln feststehen würden, würde die Strömung bei niedriger Drehzahl von den Schaufelflächen abreißen, was zu Strömungsabriss und Schubverlust führt. Durch Schließen (Verringerung des Anstellwinkels) bei niedriger Drehzahl und Öffnen bei hoher Drehzahl halten VSVs den korrekten Strömungswinkel relativ zu den Rotorschaufeln über den gesamten Betriebsbereich. Einige Militärmotoren setzen VSVs in mehreren Stufen ein, um noch feinere Kontrolle zu erreichen.

Die mechanische Gestänge, die VSVs antreibt, verläuft typischerweise um die Außenseite des Motorgehäuses und verbindet sich mit jeder Schaufel über einzelne Arme oder einen gemeinsamen Ring. Ein hydraulischer Aktuator oder ein Elektromotor empfängt ein Signal von der Motorsteuereinheit und bewegt dieses Gestänge auf Grundlage der Motordrehzahl, der Einlasstemperatur und des Verdichterverhältnisses. Die Schaufeln selbst müssen hohe Temperaturen, schnelle Lastwechsel und große Fliehkräfte aushalten, daher werden sie üblicherweise aus Titanlegierungen oder nickelbasierten Superlegierungen gefertigt.

Typische Ausfallarten und Wartung

VSV-Ausfälle entstehen typischerweise durch Festsitzen (statische Reibung, die den Mechanismus blockiert), Korrosion in den Lagern oder im Gestänge oder Bruch der Schaufelwurzel, wo sich Spannungen konzentrieren. Eine blockierte VSV-Schaufel kann zu Verdichterpumpen führen, einem gefährlichen Zustand, bei dem die Strömung umkehrt und der Motor kurzzeitig Schub verliert. Fremdkörperaufnahme kann auch die engen Spalte um die Schaufeln beschädigen. Moderne Motoren verfügen über Positionssensoren, um zu erkennen, ob eine VSV blockiert oder außer Synchronisation mit dem Steuersignal geraten ist.

VSVs erhöhen die Komplexität und das Gewicht eines Motors, weshalb manche Bauarten feststehende Leitschaufeln verwenden oder nur im vorderen Bereich Einlassführungsschaufeln einsetzen. Allerdings rechtfertigen die Effizienzgewinne durch VSVs über einen breiten Betriebsbereich oder verschiedene Lastprofile oft die zusätzlichen Kosten und Wartungsaufwände, besonders bei Hochbypass-Turbofan-Triebwerken, bei denen breite Betriebsbereiche während Steigflug, Reiseflug und Sinkflugphasen erforderlich sind.