DE10037837C2 - Aufhängung - Google Patents
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Abstract
Aufhängung einer ringförmigen Sekundärstruktur an einer Primärstruktur in Form einer Speichenzentrierung mit wenigstens drei, gleichmäßig über den Strukturumfang verteilten Gleitführungen, wovon jede zumindest eine lineare Relativbewegung der Strukturen quer zu deren Axialrichtung zulässt. DOLLAR A Die lineare Bewegungsrichtung jeder Gleitführung verläuft zur strukturbezogenen Radialrichtung am Ort der Gleitführung unter einem Winkel mit radialer und tangentialer Richtungskomponente.
Description
Die Erfindung betrifft die Aufhängung einer ringförmigen Sekundärstruktur an einer
Primärstruktur, insbesondere einer heißgasbeaufschlagten Statorstruktur an einer
Gehäusestruktur einer Gasturbine, in Form einer sogenannten Speichenzentrierung,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Speichenzentrierungen werden verwendet, um ringförmige Sekundärstrukturen zent
risch an zumeist ebenfalls ring- bzw. rohrförmigen Primärstrukturen aufzuhängen.
Dabei sollen radiale Relativbewegungen der Strukturen zueinander weitgehend ohne
Zwangskräfte und Deformationen möglich sein, unter Beibehaltung der Konzentrizi
tät. Das Prinzip bietet sich insbesondere dann an, wenn stark unterschiedliche,
thermische Dehnungen zweier konzentrischer Strukturen zu kompensieren sind.
Falls die Sekundärstruktur relativ elastisch, d. h. wenig formstabil ist, sollte diese
möglichst über die Aufhängung stabilisiert und versteift werden.
Aus der DE 198 07 247 C2 ist eine Strömungsmaschine mit Rotor und Stator be
kannt, die wenigstens einen speziell ausgeführten Leitschaufelkranz aufweist. Letzte
rer ist als selbsttragendes Bauteil mit einer Verstärkung am inneren Deckband und
mit einem segmentierten, äußeren Deckband ausgeführt. Der Leitschaufelkranz ist
über eine Speichenzentrierung mit mindestens drei "Speichen" im Gehäuse der
Strömungsmaschine positioniert. Die Gleitführungen der Speichenzentrierung weisen
Lagerzapfen in Lagerbuchsen auf, wobei die lineare Bewegungsrichtung in jeder
Gleitführung radial verläuft, bezogen auf Leitschaufelkranz und Gehäuse.
Es ist ebenso üblich, die Gleitführungen mit in geraden Nuten laufenden Gleitsteinen
zu realisieren, wobei die Bewegungsrichtung wie gewohnt, radial bezüglich der ge
koppelten Strukturen verläuft. Die Erfahrung zeigt, dass an den Gleitelementen kon
ventioneller Speichenzentrierungen oft starker Verschleiß auftritt. Teilweise wurden
bleibende Verformungen der dünnwandigen Sekundärstrukturen festgestellt. Beide
Schadensformen deuten darauf hin, dass in den Führungen offensichtlich größere
Kräfte entstehen, als sie bei ideal rotationssymmetrischen Verhältnissen auftreten
dürften. Die Ursache sind wahrscheinlich nicht-rotationssymmetrische Dehnungszustände
der Strukturen, welche in Gasturbinen insbesondere durch nicht-homogene
Gastemperaturverteilungen hervorgerufen werden können. Besonders bei im Durch
messer großen Strukturen mit einer Vielzahl von Gleitführungen, d. h. von "Spei
chen", steigt die Gefahr des Auftretens hoher Zwangskräfte. Geometrisch bedingt
ändert sich die Orientierung der Bewegungsrichtung von Führung zu Führung nur
wenig, so dass bei einer Dehnung des dazwischenliegenden Sekundärstrukturbe
reichs in beiden Führungen durch Unterschreiten des Reibungswinkels ein Klemmen
auftreten kann, wodurch eine freie Strukturdehnung unmöglich wird. Ein weiterer
Nachteil der konventionellen, radialen Speichenzentrierungen liegt darin, dass diese
"weiche" Sekundärstrukturen nur dann versteifen, wenn die Anzahl der Gleitführun
gen ("Speichen") ungeradzahlig ist.
Angesichts dieser Nachteile bekannter Speichenzentrierungen besteht die Aufgabe
der Erfindung darin, eine Aufhängung für eine ringförmige Sekundärstruktur an einer
Primärstruktur nach Art einer Speichenzentrierung mit mindestens drei unterschied
lich orientierten Gleitführungen zu finden, die Zwangskräfte und -deformationen so
wie Verschleiß verhindert bzw. weitgehend reduziert und die eine Versteifung nach
giebiger Sekundärstrukturen unabhängig davon ermöglicht, ob die Anzahl der Gleit
führungen gerade oder ungerade ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in
Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Erfindungsgemäß ist die lineare Bewegungsrichtung jeder Gleitführung um einen
Winkel β zur Radialrichtung der Strukturen schräggestellt, so dass die Relativbewe
gung eine radiale und eine tangentiale Komponente erhält. Dadurch wird ein Füh
rungsklemmen mit all seinen Nachteilen mit hoher Sicherheit vermieden. Dies gilt für
homogene und nicht-homogene Maßänderungen der Sekundärstruktur. Bei homoge
ner, rotationssymmetrischer Dehnung oder Kontraktion der Sekundärstruktur führt
diese kinematisch bedingt auch eine kleine Relativdrehung zur Primärstruktur aus,
was in den allermeisten Fällen tolerierbar ist. Bei nicht-homogener, örtlich unter
schiedlicher Dehnung bzw. Kontraktion der Sekundärstruktur wird diese abweichend
von der Kreisringgestalt in gewissem Maß elastisch verformt. Die daraus resultierenden
Gleitführungskräfte sind aber wesentlich kleiner als bei Klemmung einer konven
tionellen, radialen Speichenzentrierung. Ebenso werden sich die Formabweichungen
in tolerablen Grenzen halten. Die formstabilitätserhöhende Wirkung der Erfindung
kann dazu führen, dass die Sekundärstruktur elastischer und leichter ausgeführt
werden kann, als bei einer üblichen Speichenzentrierung.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Aufhängung nach dem
Hauptanspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Dabei
zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Fig. 1 eine Querschnitt durch eine Aufhängung mit 8 Gleitführungen unter Wieder
gabe zweier verschiedener, rotationssymmetrischer Dehnungszustände der Sekun
därstruktur,
Fig. 2 eine Teilquerschnitt durch die Aufhängung gemäß Fig. 1 mit einem asym
metrischen Dehnungszustand der Sekundärstruktur,
Fig. 3 eine Gleitführung mit starrem Gleitstein und Nut,
Fig. 4 eine Gleitführung mit schwenkbarem Gleitstein und Nut, und
Fig. 5 eine Gleitführung mit Zapfen und Buchse.
Die Darstellungen gemäß Fig. 1 und 2 sind weitestgehend schematisch ausgeführt,
um die Erfindung möglichst einfach und verständlich wiederzugeben. Die Aufhängung
1 in Form einer sogenannten Speichenzentrierung umfasst acht gleichmäßig über
den Umfang verteilte Gleitführungen 10, deren Winkelabstand somit jeweils 45° be
trägt. Die mittels der Aufhängung 1 gekoppelten Strukturen, Primärstruktur 2 und
Sekundärstruktur 6, sind konkret nur als schraffierte Bruchstücke im oberen Bereich
von Fig. 1 angedeutet. Anstelle der realen, ringförmigen Sekundärstruktur 6 wird
hier ein geschlossenes Polygon mit starren Sehnen S1 bis S8 und mit Gelenken zwi
schen den Sehnen in den Gleitführungen 10 betrachtet. Die acht von der Struktur
mitte ausgehenden, um jeweils 45° versetzten, radialen Geraden zeigen nur die
strukturbezogene Radialrichtung R zu den bzw. in den Sehnengelenken an und sind
nicht als Strukturelemente zu verstehen. Die Gleitführung 10 auf der Winkelhalbie
renden (45°) des rechten, oberen Quadranten zeigt, dass die lineare Bewegungsrichtung
L der Gleitführung 10 um einen Winkel β von der Radialrichtung R abweicht und
somit de facto eine radiale und eine tangentiale Bewegungskomponente aufweist.
Der Winkel β ist bevorzugt größer gewählt, als der in der Gleitführung 10 maximal zu
erwartende Reibungswinkel α, so dass mit hoher Sicherheit kein Klemmen der Gleit
paarung zu befürchten ist. Bei der vorliegenden gedanklich vereinfachten Aufhän
gung 1 mit gelenkigem Sehnenpolygon, deren Gleitführungen 10 um einen Winkel β
im Uhrzeigersinn zur Radialrichtung R schräggestellt sind, führt die Längenänderung
(Dehnung, Kontraktion) einer Sehne zu einer Gleitbewegung in der Gleitführung an
dem im Uhrzeigersinn vorne liegenden Sehnenende, da je Sehne jeweils nur eine
Gleitführung um deutlich mehr als den Reibungswinkel zur Sehnenquerrichtung
schräggestellt ist, wohingegen die andere Gleitführung etwa quer zur Sehne steht.
Zum besseren Verständnis dieser Kinematik ist die Gleitführung 10 rechts oben in
Fig. 1 mit zusätzlichen Angaben versehen. Neben der strukturbezogenen Radialrich
tung R am Ort der Gleitführung, der linearen Bewegungsrichtung L der Gleitführung
10 und dem Winkel β zwischen R und L erkennt man strichpunktiert die gerade Ver
längerung V der Sehne S8, die Querrichtung/Transversalrichtung T - im 90°-Winkel -
zur Sehne S8 sowie den Winkel βeff zwischen L und T. Des weiteren ist gepunktet
der sogenannte Reibkegel der Gleitführung 10 angedeutet, dessen Spitzenwinkel
doppelt so groß wie der Reibungswinkel α ist. Da die Bewegungsrichtung L hier
senkrecht zur angrenzenden Sehne S7 verläuft, ist der Reibkegel spiegelsymmetrisch
bezüglich S7. Da die Verlängerung V deutlich außerhalb des Reibkegels liegt, führt
eine Längenänderungen von S8 zu einer definierten, klemmungsfreien Bewegung des
"Gelenks" zwischen S8 und S7 in L-Richtung. Somit würde es theoretisch genügen,
den Winkel βeff größer als α zu wählen. Da eine reale, homogene Sekundärstruktur
sich anders verhält, als das einfache, gelenkige Sehnenpolygon, sollte sicherheits
halber bereits der Winkel β größer als α sein.
Zum besseren Verständnis soll an dieser Stelle kurz auf Begriffe wie Reibungszahl
und Reibungswinkel eingegangen werden. Der Zusammenhang zwischen der Rei
bungszahl f und dem Reibungswinkel α ist wie folgt:
f = tanα
Somit ist α die Umkehrfunktion des Tangens von f:
α = invtanf
Aus technischen Lexika sind folgende Werte für f zu entnehmen:
Festkörperreibung | f |
Metall/Metal | 0,3 ÷ 1,5 |
Keramik/Keramik | 0,2 ÷ 1,5 |
Kunststoff/Metall | 0,2 ÷ 1,5 |
Grenzreibung | 0,1 ÷ 0,2 |
Mischreibung | 0,01 ÷ 0,1 |
Flüssigkeitsreibung | ≈ 0,01 |
Bei Vorgabe konkreter Reibungszahlen ergeben sich folgende Reibungswinkel:
f | a |
0,2 | 11,3° |
0,3 | 16,7° |
0,5 | 26,6° |
1,0 | 45,0° |
Im Falle der dargestellten Aufhängung 1 mit 8 "Speichen" beträgt der Winkel β
22,5°. Diese Schrägstellung wäre voraussichtlich ausreichend für eine maximale
Reibungszahl f < 0,4. Bei höherer Reibung müsste die Schrägstellung β zur Radialen
entsprechend vergrößert werden.
In Fig. 1 sind die Sehnen S1 bis S8 jeweils zweifach dargestellt, nämlich als durch
gezogene und als gestrichelte Geraden. Das durchgezogene Sehnenpolygen steht für
einen "kalten" kontrahierten Zustand der Sekundärstruktur 6. Das gestrichelte, grö
ßere Sehnenpolygon steht für einen "heißen", gleichmäßig gedehnten Zustand der
Sekundärstruktur 6. Die Primärstruktur 2 soll dabei - der Einfachheit halber - geo
metrisch unverändert bleiben, so dass der primärstrukturzugehörige Teil der Gleit
führungen 10 sich nicht bewegt. Bei gleicher Dehnung - oder Kontraktion - aller
Sehnen bleiben die Gelenkwinkel des Sehnenpolygons ersichtlich unverändert. Für
die reale Sekundärstruktur 6 bedeutet dies, dass sich zwar ihr Durchmesser, aber
nicht ihre Form (Kreisring) ändert, wobei auch die konzentrische Lage zur Primär
struktur 2 bleibt. Es ist auch zu erkennen, dass das Sehnenpolygon - und damit die
Sekundärstruktur - beim Übergang von der durchgezogenen zur gestrichelten Positi
on eine kleine Drehbewegung um einen Winkel γ im Uhrzeigersinn ausführt, und zwar
infolge des Winkels β der Gleitführungen 10. Bei praktischen Anwendungen ist diese
erfindungsbedingte, geringe Verdrehung für die Strukturfunktion in der Regel ohne
Belang.
Im Unterschied zu Fig. 1 zeigt Fig. 2 eine asymmetrische Dehnung des Sehnen
polygons. In der Praxis von Turbomaschinen können Betriebszustände mit stark
asymmetrischer Temperaturverteilung über den Strömungsquerschnitt auftreten. So
soll gemäß Fig. 2 im wesentlichen nur die Sehne S1 thermisch gedehnt werden.
Dabei macht die Gleitführung 10 im "Gelenk" zwischen S1 und S8 eine Ausweichbe
wegung im Winkel β schräg nach oben rechts. Die Sehne S8 wird dabei um ihr rech
tes "Gelenk" zur Sehne S7 mitgeschwenkt, in ihrer Länge aber praktisch nicht ver
ändert. Die durch die Gleitführungen 10 vorgegebene Kinematik führt dazu, dass
eine Bewegung in der Gleitführung 10 zwischen S1 und S8 nach oben rechts bei
gleichbleibender Sehnenlänge von S8 nur eine vernachlässigbar kleine Bewegung in
der Gleitführung zwischen S8 und S7 - nach links unten - zur Folge hat, welche in
Fig. 2 praktisch nicht darstellbar ist. Somit macht die Sehne S8 de facto nur eine
Schwenkbewegung um ihr "Gelenk" zu S7, die Sehne S7 bleibt in ihrer Lage, ebenso
wie die Sehne S2. Man erkennt aber, dass sich die "Gelenkwinkel" zwischen den
Sehnen S2/S1, S1/S8 und S8/S7 ändern. Für die reale Sekundärstruktur 6 bedeu
tet dies, dass sie asymmetrisch verformt wird und nicht mehr exakt kreisrund ist. Die
tatsächlichen Maß- und Formänderungen sind dabei aber in der Regel so klein, dass
ihre Auswirkungen auf die Funktion und die mechanische Belastung vernachlässigt
werden können. Die ohne die vorliegende Erfindung auftretenden Zwangskräfte und
-verformungen wären in aller Regel schädlicher.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen konkrete Ausführungsbeispiele von Gleitführungen 11 bis
13 mit erfindungsgemäßer Schrägstellung β.
Fig. 3 zeigt eine Gleitführung 11 mit einem Gleitstein 14 in einer Nut 17. Die Nut 17
ist in die Primärstruktur 3 integriert, der Gleitstein 14 ist fest mit der Sekundärstruk
tur 7 verbunden bzw. aus dieser herausgearbeitet. Der Gleitstein 14 ist bewusst mit
gerundeten Ecken und mit Gleitflächenspiel in der Nut 17 dargestellt. Im Betrieb, z. B.
bei asymmetrischer Strukturverformung, kann es zu kleinen Kippbewegungen des
Gleitsteins 14 in der Nut 17 kommen, wobei Spiel und Eckenrundung übermäßige
Reibung, Verschleiß und Klemmung verhindern sollen.
Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Gleitführung 12 mit einer in die Primärstruktur 4 inte
grierten Nut 18 und mit einem Gleitstein 15, wobei letzterer aber - im Unterschied
zu Fig. 3 - um eine Achse 16 schwenkbar ist, die fest mit der Sekundärstruktur 8
verbunden ist. Dadurch sind kleine Relativerdrehungen der Strukturen 4,8 problem
los möglich. Die Passung des Gleitsteins 15 in der Nut 18 kann präzise und weitge
hend spielfrei ausgeführt werden.
Fig. 5 schließlich zeigt eine Gleitführung 13 mit einem Zapfen 19 in einer Buchse
21. Der Zapfen 19 ist hier fest mit der Primärstruktur 5 verbunden, die kreiszylindri
sche Buchse 21 ist in eine Verdickung der Sekundärstruktur 9 integriert. Die Mantel
fläche 20 des Zapfens 19 ist ballig sowie rotationssymmetrisch geformt, um Kanten
tragen bzw. Klemmen bei Strukturdrehung zu vermeiden. Die ballige Form kann im
Extremfall einer Kugelform entsprechen.
Claims (6)
1. Aufhängung einer ringförmigen Sekundärstruktur an einer Primärstruktur, insbe
sondere einer heißgasbeaufschlagten Statorstruktur an einer Gehäusestruktur
einer Gasturbine, in Form einer sogenannten Speichenzentrierung mit wenigs
tens drei, in gleichen Winkelabständen über den Strukturumfang verteilten Gleit
führungen, von denen jede zumindest eine lineare Relativbewegung zwischen
Primär- und Sekundärstruktur quer zu deren Axialrichtung zulässt, wobei die line
are Bewegungsrichtung sich von einer Gleitführung zur nächsten um einen Win
kel ändert, der dem Winkelabstand der Gleitführungen entspricht, und wobei die
lineare Bewegungsrichtung jeder Gleitführung zur strukturbezogenen Radialrich
tung am Ort der Gleitführung unter einem Winkel mit radialer und tangentialer
Richtungskomponente verläuft, dadurch gekennzeichnet,
dass der Winkel (β) in Abhängigkeit von dem in jeder Gleitführung (10 bis 13) zu
erwartenden, maximalen Reibungswinkel (α) definiert ist, für den f = tanα gilt, wo
bei f die Reibungszahl ist.
2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β)
größer als der in jeder Gleitführung (10 bis 13) zu erwartende, maximale Rei
bungswinkel (α) gewählt ist.
3. Aufhängung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gleit
führung (10 bis 13) einen Gleitstein (14, 15) und eine Nut (17, 18) oder einen Zap
fen (19) und eine Buchse (21) umfasst, wobei der Gleitstein (14, 15) oder der Zap
fen (19) mit der einen, die Nut (17, 18) oder die Buchse (21) mit der jeweils ande
ren der beiden Strukturen (2 bis 5; 6 bis 9) verbunden ist.
4. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstein
jeder Gleitführung konvex gekrümmte Gleitflächen aufweist, oder dass der Zap
fen (19) jeder Gleitführung (13) eine ballige Mantelfläche (20) aufweist.
5. Aufhängung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstein
(15) jeder Gleitführung (12) um eine in Axialrichtung der Primär- und Sekundär
struktur (4; 8) orientierte Achse (16) schwenkbar angeordnet ist.
6. Aufhängung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eines der beiden, aufeinander gleitenden Elemente Gleitstein (14, 15),
Nut (17, 18) oder Zapfen (19), Buchse (21) eine verschleißfeste, metallische
und/oder keramische Gleitflächenbeschichtung aufweist.
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