DE1003512B - Axialturbine, insbesondere Gasturbine, mit schwenkbaren Leitschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Axialturbinen, insbesondere Gasturbinen, mit schwenkbaren Leitschaufeln, die sich quer durch den ringförmigen Durchflußweg des durch die Turbine strömenden Arbeitsmittels erstrecken und an ihrem radial nach innen liegenden Ende eine Spindel aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auch bei sehr hohen Temperaturen einwandfrei arbeitenden Leitapparat zu schaffen, bei dem ein einfaches Verstellen der Leitschaufeln gesichert ist. Hierzu kommt es vor allem darauf an, daß die einzelnen Leitschaufeln in bezug auf die Turbinenachse eine sehr genaue Lage einnehmen, da alle Ungenauigkeiten den Wirkungsgrad der Turbine herabsetzen. Anderseits muß auf die Wärmedehnung der Leitschaufeln in radialer Richtung zur Turbinenachse, d. h. in axialer Richtung der einzelnen Schaufeln, Rücksicht genommen werden.

Man kennt bereits Gasturbinen mit schwenkbaren Leitschaufeln, bei denen die Leitschaufeln an ihren radial zur Turbine außenliegenden Enden im Turbinengehäuse gelagert sind und sich in ihrer axialen Richtung nach der Turbinenachse hin ausdehnen können. Diese bekannte Anordnung hat zur Folge, daß die äußeren Lagerstellen der einzelnen Schaufeln gegenüber der Turbinenachse verhältnismäßig weit außen liegen, wobei zwischen diesen Lagerstellen und der Turbinenachse noch die wesentlichen Temperaturbeanspruchungen und damit auch Temperaturdehnungen auftreten, die durch die heißen, zwischen den Lagerstellen und den inneren Turbinenteilen axial strömenden Gase hervorgerufen werden. Deshalb haben diese bekannten Turbinen den Nachteil, daß selbst bei einer ganz sorgfältigen Zentrierung der Lagerstellen der Leitschaufeln in bezug auf die Turbinenachse zumindest während des Betriebes Ungenauigkeiten und insbesondere Verzugserscheinungen auftreten, die die Leistungsfähigkeit der Turbine herabsetzen. Überdies läßt sich bei solchen Turbinen das mit den erwähnten Lagerstellen versehene Turbinengehäuse nur umstandlieh auseinandernehmen.

Erfindungsgemäß wird die eingangs erläuterte Aufgabe unter Vermeidung der genannten Mängel dadurch gelöst, daß bei einer Turbine der vorliegenden Gattung die Leitschaufeln in radialer Richtung durch ein das innere Ende der Spindel abstützendes und im Inneren des ringförmigen Durchflußweges angeordnetes Spuroder Drucklager festgelegt und federnd gegen das Lager gedrückt sind.

Durch diese Anordnung der die Zentrierung bewirkenden S chaufel lagerung an den nahe der Turbinenachse gelegenen Schaufelenden läßt sich eine genaue Zentrierung besonders einfach durchführen, und außerdem können durch die Betriebstemperatur auf-Axialturbine, insbesondere Gasturbine,
mit schwenkbaren Leitschaufeln

Anmelder:

Power Jets (Research and Development)
Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 15. Oktober 1953 und 4. Oktober 1954

Sydney William Henry Perry, Farnborough, Hampshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

tretende Wärmedehnungen sich auf diese Lagerstellen kaum auswirken, da die wesentlichen Temperaturbeanspruchungen erst außerhalb der Lagerstellen entstehen. Außerdem können die einzelnen Schaufeln durch die federnde Abstützung gegen das innere Lager sich ohne Zwang entsprechend den jeweiligen Temperaturbeanspruchungen in bezug auf die Turbinenachse radial nach außen ausdehnen.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird zur Abdichtung der in ihrer axialen Richtung mehr oder weniger beweglich gelagerten Leitschaufeln die Anordnung von aus dünnem, biegsamem Metall hergestellten Hülsen oder eines entsprechenden Balges vorgeschlagen, um vor allem die in radialer Richtung außenliegenden Lager gegen den Durchflußweg heißer Gase abzuschirmen.

Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Radialschnitt durch die Konstruktion der Lagerung einer in Ansicht dargestellten drehbaren Einlaßleitschaufel im Statorteil der Turbine,

Fig. 2, 3 und 4 entsprechende Darstellungen dreier abweichender Ausführungsformen,

Fig. 5 eine ähnliche Darstellung einer Zwischenleitschaufel, bei der lediglich der hintere Schaufelteil schwenkbar ausgeführt ist,

Fig. 6 eine Teildarstellung des Betätigungshebels für das Schwenken der Schaufel.

Die in der Fig. 1 dargestellte Leitschaufel 1 ist eine Schaufel eines Leitkranzes, der zwischen einer in

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bewegung der Leitschaufel. Eine ähnliche Dichtung 13^s ist vor dem inneren Lager der Schaufel vorgesehen; diese Dichtung kann aber auch fortgelassen werden, wenn der durch die Feder 7 erzeugte Axialdruck das Bodenstück l^a der Schaufel und die Spindel 5 nahe genug an die innere Wandung 2 herandrückt, um das Einhalten eines genügend kleinen, das Entweichen von Gas verhindernden Spalts zu gewährleisten.

Auf dem Ende der Spindel 6, das über die Lagerbuchse 19 herausragt, sitzt der Ansatz eines Betätigungshebels 8 für die Drehung der Schaufel, der durch eine Mutter 8^d festgehalten wird. Das Führungsstück 10 ist zylindrisch und greift vollständig um den

radialer Richtung innenliegenden Wandung 2 und einer in zwei Hälften 3^a und 3* geteilten äußeren Wandung liegt. Diese Wandungen sind Ringe, die konzentrisch um die Achse der Turbine angeordnet sind; sie begrenzen innen und außen"den ringförmigen Gasdurchflußweg in der Turbine. Hohlzapfen bzw. -spindeln 5 und 6 sind an dem inneren und dem äußeren Ende der Schaufel 1 vorgesehen. Die Hohlspindel 5 kann als gesonderter Teil hergestellt und an ein flaches Bodenstück 1" der Schaufel angeschweißt sein. Die Spindel 6 kann ebenfalls als getrennter Teil angefertigt und mit einem flachen oberen Paßstück l^b am Kopf der Schaufel verschweißt sein. Die innere Wandung 2 hat Löcher 2^a, durch die die Spindeln 5 hindurchtreten.

Jede Spindel 5 endet in einem konischen Drehzapfen 15 Stator der Turbine herum. Auf diesem ringförmigen 15, der vorzugsweise aus Titancarbid hergestellt ist Führungsstück 10 ist ein Kranz von Rollen 14 ange- und in einer Spurlagerpfannell läuft, die z.B. aus ordnet. Ein Steuerring9 ist auf diesen Rollen gela-Eisen oder Stahl besteht und eine durch Nitrieren ge- gert, so daß er um die Achse der Turbine gedreht werhärtete Lauffläche hat. An der inneren Wandung 2 ist den kann. Er wird durch einen Bordring 27, der an ein Tragring 4 befestigt, der einen kleineren Durch- 20 das ringförmige Führungsstück 10 durch Schraubenmesser hat als die innere Wandung 2 und konzentrisch bolzen 27^a angeschraubt ist, in seiner Lage gehalten, innerhalb dieser Wandung angeordnet ist. Dieser Jeder Betätigungshebel 8 hat einen Hebelarm, der — Tragring 4 hat in einer konzentrischen Ringlinie an- wie aus Fig. 6 zu ersehen ist ■— in einer Gabel 8" geordnete Näpfe 4^a, die die Spurlagerpfannen 11 auf- endet, die einen auf dem Steuerring 9 sitzenden Zapnehmen. Der Tragring 4 und die Wandung 2 sind mit- 25 fen 9^a umfaßt, so daß eine Drehbewegung des Ringes einander und mit dem Ringteil 16 des Turbinenstän- — wie leicht einzusehen ist — sämtliche Betätigungsders durch Schraubenbolzen 4⁶ verschraubt. hebel 8 und damit sämtliche Leitschaufeln 1 schwenkt. Die Wandungsteile 3^a und 3* stoßen in einer Zwi- Ein Betätigungsglied 20 ist über den Gelenkzapfen 21 schenradialebene aneinander und sind durch Schrau- an einem besonderen Arm 8^b eines der Betätigungsbenbolzen 3^C, die jeweils zwischen benachbarten Leit- 30 hebel 8 angelenkt.

schaufeln angeordnet sind, miteinander verbunden. Die Teile 1 bis 10 und 20 sowie 21 in den Fig. 2, 3 Jede Spindel 6 hat einen konischen Teil 6^a, der durch und 4 sind bereits oben beschrieben worden. Diese eine rohrförmige Öffnung hindurchragt, die durch Figuren zeigen jedoch abweichende Ausführungsforhalbzylindrische Wandteile 3^d und 3^e der Wandungs- men des inneren Spurlagers, des äußeren Lagers und ringe 3^a und 3^b gebildet wird. In den auf diese Weise 35 der Abdichtung sowie eine abweichende Form des entstandenen Hohlraum 3^f kann durch die Einlaß- ringförmigen Führungsstückes. Die Besonderheiten öffnung 3^S unter Druck stehende Kühlluft eingeleitet dieser Ausführungen werden nacheinander unter Hinwerden. Ein zylindrischer Teil der Spindel 6 dringt weis auf diese Figuren erläutert, durch einen Ringdeckel 17 hindurch und ist in einem In Fig. 2 ist das Spurlager im Ring 4, das den Zap-Zapfenhalskugellager 12 gelagert, das auf diese Weise 4° fen der Spindel 5 aufnimmt, ein Kugeldrucklager 22. weit außerhalb des Durchlaßweges für die heißen Gase Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der liegt. Einer der Laufringe 12^a des Kugellagers 12 ist das Spurlager nur eine einzige, zentral angeordnete auf die Spindel 6 aufgezogen. Der ringförmige Wan- Kugel 23 aufweist, die z. B. aus Titancarbid hergedungsteil 3⁶ trägt den Flansch 10° des Führungsstückes stellt sein kann und zwischen konischen Sitzflächen 10, in dem für jede Spindel 6 eine halbzylindrische 45 24^a an der Spindel 5 und 24^& in dem zur Aufnahme Ausnehmung 10⁶ vorgesehen ist, in der das Kugellager der Sitzfläche bestimmten Napf 4" des Tragringes 4 12 durch einen bekannten halbzylindrischen Lager- liegt. Die Sitzflächen können aus nitriertem Eisen deckel 18 befestigt werden kann, der zusammen mit oder Stahl bestehen.

der Ausnehmung 10^& ein Kugellagergehäuse bildet. Fig. 2 zeigt das gleiche äußere Lager wie Fig. 1. In

Dieses Gehäuse ist auf seiner Innenseite durch eine mit 5° Fig. 3 jedoch ist eine typische Spitzenlagerung dar

einem inneren Radialflansch versehene Buchse 19 ausgekleidet, in der zwischen dem Flansch und der Stirnfläche des Außenringes des Kugellagers 12 eine Druckfeder 7 angeordnet ist, die die Leitschaufel 1 gegen ihr inneres Spurlager 11 drückt.

Die Öffnung in dem Ringdeckel 17, der den Raum 3^f begrenzt, ist gegen das Entweichen von Gas oder Luft durch eine als Drehkörper ausgebildete Dichtung abgeschlossen, die aus einer konischen Hülse 13 aus sehr

gestellt, bei der eine Lagerspitze 25, die axial verschiebbar in der ihrerseits in einem Ansatz 10^c des
Führungsstückes 10 sitzenden Buchse 26 geführt ist,
durch eine Druckfeder 7 gegen die konische Körnerfläche 6* am Ende der Spindel 6 gedrückt wird. Das
Ende der Spindel ist mit einer Fassung 8^d versehen,
in die der Zapfen eingreift. Die Feder 7 stützt sich dabei auf den Ansatz 10^e und einen Druckteller 25° an
der Lagerspitze 25. In Fig. 4 ist die Lagerspitze 25⁶

dünnem und elastischem Material besteht und deren 60 etwas anders geformt, und dieDruckfeder7^a hat einen enges Ende mit der Spindel 6 fest und dicht verbun- kleineren Durchmesser; sie ist dafür aber länger. Die

Spitze und die Feder sind in einem Federgehäuse 27
angeordnet, das in den Ansatz 10** des Führungsstückes 10 mit Gewinde eingeschraubt und dessen

den ist, während ihr Ende von größerem Querschnitt, das durch eine nach außen gerichtete abgerundete Ringsicke 13^e aufgeweitet ist, in einer Ringlinie

gegen die innere Oberfläche der Bohrung des Ring- 65 axiale Lage zwecks Einstellung des Federdruckes deckeis 17 anliegt. Der Gasdruck innerhalb dieser durch Drehen verändert werden kann. Für das Festdünnen Hülse 13 dehnt die Hülse aus und übt so den legen des Federgehäuses 27 ist die Ringmutter 28 vorerforderlichen Dichtungsdruck an der Gleitfläche zwi- gesehen.

sehen beiden Teilen aus. Eine solche Dichtung erlaubt Die abweichende Form einer gasdichten Abdichtung

selbstverständlich eine axiale und auch eine Dreh- 70 gemäß Fig. 2 besteht aus einer größeren Zahl von in-

einandergreifenden, dünnen, biegsamen Metallhülsen 29. Die innerste dieser Hülsen ist gasdicht an der Spindel 6 befestigt, die äußere an dem Ringdeckel 30. Die Hülsen 29 sind an ihren Enden durch Balgverbindungen in der Weise mit benachbarten Hülsen vereinigt, daß die einen mehrfach gefalteten Balg ergebenden Hülsen sowohl eine axiale Verschiebung als auch —■ unter Torsionsbeanspruchung der Hülsen — eine Drehung der Spindel 6 gestatten.

In Fig. 3 besteht die Dichtung aus etwas abweichend geformten Hülsen 29''. In einigen Fällen dürfte es möglich sein, mit der — wenn auch unvollkommenen — Dichtung durch eine Dichtungsbuchse 17^ft auszukommen, die sich von dem in Fig. 4 dargestellten Ringdeckel 17° radial nach innen erstreckt. *5

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die besonders für Zwischenleitschaufeln geeignet ist, die zwischen Laufschaufelkränzen der Turbine angeordnet sind. Bei dieser Ausführung wird der schwenkbare Teil der Leitschaufel lediglich durch den hinteren, d. h. den Abströmteil 31" der fest eingebauten Leitschaufel 31 gebildet, der gegenüber der festen Leitschaufel 31 geschwenkt werden kann, wie aus der in üblicher Weise in die Darstellung der Schaufel eingefügten Schnittzeichnung hervorgeht. Die Leitschaufeln 31 bestehen aus einem Stück mit den Wandungsringen 32^a und 33", die die innere und äußere Begrenzung für den Gasdurchnußweg bilden. Der Wandungsring 32^a hat Löcher, durch die die inneren Spindelzapfen 35 hindurchragen. Der Wandungsring 33* vervollständigt zusammen mit dem Wandungsring 33° die äußere Begrenzungsfläche für den Gasstrom. Durch in der Trennfuge der Ringe vorgesehene Ausnehmungen führen die äußeren Spindeln 36 hindurch. Die Spindeln können mit dem schwenkbaren Schaufelteil 31^a aus einem Stück bestehen. Auf dem Wandungsring 32^a ist ein innerer Tragring 34 aufgeschraubt, der Spurlagerpfannen 11 trägt, die ähnlich den in Fig. 1 dargestellten Pfannen ausgeführt sind. Die Spindel 36 führt durch Öffnungen in dem zweiteiligen äußeren Tragring hindurch, die durch die halbzylindrischen Teile 40° und 40⁶ gebildet werden und von denen die ersteren durch Schraubenbolzen 41" mit dem Teil 41 des Turbinenständers verbunden sind, an dem gleichzeitig der Ring 33" befestigt ist. Das äußere Lager ist bereits an Hand der Fig. 4 beschrieben worden. Die Dichtung ist so ausgeführt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung ist der Betätigungsmechanismus, der bereits vorher beschrieben wurde, nicht dargestellt.

Claims (14)

Patentansprüche^

1. Axialturbine, insbesondere Gasturbine, mit schwenkbaren Leitschaufeln, die sich quer durch den ringförmigen Durchflußweg des durch die Turbine strömenden Arbeitsmittels erstrecken und an ihren radial nach innen liegenden Enden eine Spindel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (1, 31^a) in radialer Richtung durch ein das innere Ende der Spindel (5, 35) abstützendes und im Inneren des ringförmigen Durchflußweges angeordnetes Spur- oder Drucklager (11, 22, 23) festgelegt und federnd gegen das Lager gedrückt sind.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spurlager eine Spurpfanne (11) enthält und die Spindel (5, 35) an ihrem radial nach innen liegenden Ende mit einem sich auf die Spurpfanne (11) abstützenden Zapfen (15) versehen ist.

3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (15) aus hitzebeständigem Material besteht.

4. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spurlager eine Spurpfanne (24^&) und eine sich auf die Spurpfanne abstützende Kugel (23) enthält und die Spindel (5) sich mit ihrem radial inneren Ende auf die Kugel (23) abstützt.

5. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucklager ein Kugeldrucklager (22) ist.

6. Turbine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel (1) eine radial nach außen ragende Spindel (6, 36) aufweist, die in einem in radialer Richtung außerhalb des Durchflußweges angeordneten Lager (12, 6^ft, 25⁶) gelagert ist.

7. Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Lager (12, 6_b, 25^&) zusammen mit der äußeren Spindel (6, 36) in der Längsrichtung der Leitschaufel (1) verschiebbar ist und durch eine elastische Druckkraft in Richtung auf das innere Spurlager (11,22,23) gedrückt wird.

8. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Lager (12) ein Kugellager ist, dessen innerer Laufring (12^α) fest mit der äußeren Spindel (6, 36) verbunden und dessen äußerer Laufring koaxial zu der äußeren Spindel verschiebbar eingebaut ist, und daß dieser äußere Laufring unter der Wirkung einer elastischen Druckkraft steht, die ihn in Richtung auf das Spurlager (11) drückt.

9. Turbine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein verschiebbares Glied (25), das koaxial zu der äußeren Spindel (6, 36) verschiebbar ist und durch eine elastische Kraft in Richtung auf das äußere Ende der Spindel gedrückt wird, wobei das verschiebbare Glied (25) und das äußere Ende der äußeren Spindel (6, 36) an ihren einander benachbarten Enden einerseits mit einem Zapfen (6⁶,25*) und anderseits mit einer Fassung (8^d) versehen sind, in die der Zapfen eingreift.

10. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Spindeln (5, 35, 6, 36) der Leitschaufel (1) durch eine Öffnung in einer der Begrenzungswände (2, 32°, 3", 33°, 33⁶) des Arbeitsmediumdurchflußweges hindurchragt und daß ein die Spindel führendes Lager (11, 22, 23, 12, 6⁶, 25⁶) mit Abstand von dem Arbeitsmitteldurchflußweg angeordnet und in ein durch die Begrenzungswand gegen den Durchströmungsweg des Arbeitsmediums abgeschirmtes Stützglied (4, 34, 18, 10^c, 10^rf) eingebaut ist.

11. Turbine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine die eine der Spindeln (5, 35, 6, 36) umgebende und mit ihr verbundene Dichtung (13⁶,13, 29, 29^J), die sich an die Trennwand (2, 3^S, 3⁶, 33°, 33⁶) anlegt, durch welche die Spindel hindurchführt, wobei die Dichtung zwar das Entweichen des die Turbine durchfließenden Arbeitsmediums durch die Öffnung in der Trennwand verhindert, aber eine freie Winkelbewegung der Spindel um ihre Achse und eine axiale Verschiebung dieser Spindel gestattet.

12. Turbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine aus dünnem, biegsamem Metall hergestellte Hülse (13⁶, 13) ist, die

koaxial zur Spindel (5 bzw. 6) angeordnet, an ihrem radial außenliegenden Ende fest mit der Spindel verbunden ist und mit ihrem innenliegenden Ende an der Innenfläche der öffnung in der Trennwand (2 bzw. 3°, 3⁶) bzw. der öffnung in einem in der Trennwand (3^ß, 3^δ) eingelassenen Ringdeckel (17) dichtend gleitet.

13. Turbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung ein axial und tangential elastischer Balgen (29) ist, der aus mehreren ineinandergreifenden Hülsen aus dünnem Metall besteht, die koaxial zur Spindel angeordnet sind und von denen die innere Hülse an einem ihrer Enden fest mit der Spindel (6) verbunden ist, die äußere Hülse an einem Ende mit der Trennwand (3°, 3^b) befestigt ist, während die jeweils dazwischenliegenden Hülsen mit ihrem einen Ende mit der in ihrem Inneren gelegenen Hülse und mit ihrem anderen Ende mit einer außerhalb gelegenen Hülse vereinigt sind.

14. Turbine nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel in einen feststehenden Ausströmteil (31) und einen Schwenkarm Abströmteil (31^a) unterteilt ist, wobei das Spurlager (11) des schwenkbaren Abströmteils (31°) in einem Tragglied (34) angeordnet ist, das an dem radial inneren Ende (32^a) des festen Schaufelteiles (31) befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 021 872,
467.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

©609 837/230 2.57