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Die
Erfindung betrifft ein Leitschaufelgitter einer Gasturbine, insbesondere
eines Flugtriebwerks, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine,
insbesondere ein Flugtriebwerk.
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Leitschaufelgitter
einer Gasturbine werden aus mehreren feststehenden Leitschaufeln
gebildet, die mit einem ebenfalls feststehenden Gehäuse der Gasturbine
verbunden sind. Im Verdichterbereich der Gasturbine, insbesondere
im Bereich eines Niederdruckverdichters oder Mitteldruckverdichters,
in welchem im Vergleich zum Turbinenbereich relativ geringe Temperaturen
herrschen, kommen zur Gewichtsersparung vorzugsweise Leitschaufeln
aus einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial zum Einsatz, die mit dem feststehenden Gehäuse der
Gasturbine verbunden sind, wobei das Gehäuse vorzugsweise aus einem
metallischen Werkstoff gebildet ist. Die Befestigung der Leitschaufeln
am Gehäuse
muss dabei derart erfolgen, dass selbst bei hohen Belastungen des
Leitschaufelgitters ein Lösen
der Verbindung zwischen Leitschaufeln und Gehäuse und damit ein Herauslösen der
Leitschaufel aus dem Gehäuse
sicher vermieden wird.
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Die
US-PS 3 339 833 betrifft eine Axialströmungsmaschine, z. B. einen
Verdichter oder eine Turbine, mit radialen Leitschaufeln, die an
beiden Enden eine formschlüssige
Befestigung in Form einer Schwalbenschwanzverbindung aufweisen.
Die Verbindung kann zusätzlich
durch Verkleben gesichert sein. Die Schaufelmontage kann hier nur
in axialer Richtung erfolgen, was eine geeignete Gehäuseteilung
erfordert.
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Die
US-PS 2 995 294 schützt
ein Leitschaufelgitter, bei dem die radial von außen in ein
Gehäuse montierbaren
Leitschaufeln an ihren radial äußeren Enden
je einen Schwalbenschwanz aufweisen, der für sich nur eine Bewegung radial
nach Innen begrenzt. Um das Gehäuse
herum verläuft
eine Bandage (blade-holding strip), welche die Befestigung vervollständigt. Bei
Versagen der Bandage können
sich mehrere oder alle Schaufeln lösen.
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Die
US-PS 5 074 752 betrifft ein Leitschaufelgitter mit schwingungsdämpfender
Schaufelbefestigung. In die Schwalbenschwanzverbindung am radial äußeren Schaufelende
ist ein kappenartiges Elastomerelement mit ggf. formschlüssigem Einrastbereich
(siehe 6 und 7)
integriert. Wie 5 zeigt, ist eine
zusätzliche, äußere Radialsicherung durch
das Fangehäuse
(Pos. 17) erforderlich, an dem die Elastomerkappe (Post. 25) anliegt.
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Die
DE 37 11 764 C2 schützt ein
Axialleitgitter für
Verdichter, bei dem die Leitschaufeln über umlaufende Faserringe formschlüssig in
einer Umfangsnut eines geteilten Gehäuses gehalten sind. Es ist keine
Montage der Schaufeln radial von außen möglich.
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Die
DE 22 40 970 C2 betrifft
eine Vorrichtung zum Festlegen von Verdichterschaufeln, bei der Laufschaufeln
aus Faserverbundmaterial über Schwalbenschwanzverbindungen
in Nuten eines Rotors gehalten sind. In den Schwalbenschwanz sind keilförmige Spreizelemente
(Pos. 20, 72) fest integriert (eingeklebt). Eine radiale Schaufelmontage
ist nicht möglich,
es handelt sich auch nicht um Leitschaufeln.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Leitschaufelgitter einer Gasturbine sowie eine neuartige
Gasturbine zu schaffen, die sich durch eine einfache Leitschaufelmontage
von radial außen
sowie durch eine einfache Konstruktion mit hoher Sicherheit gegen
Lösen der
Schaufeln abzeichnet.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass das eingangs genannte Leitschaufelgitter durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß weist jede
Leitschaufel am äußeren Ende
eine radiale Ausnehmung, sowie mindestens ein Verankerungselement
zum formschlüssigen
Eingriff in eine Einkerbung oder Nut auf.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Leitschaufeln über die
Verklebung mit dem Gehäuse
hinaus durch eine radial nach Innen und Außen formschlüssige Verbindung im
Gehäuse
zu fixieren. Zusätzlich
zur Klebeverbindung zwischen den Leitschaufeln und dem Gehäuse wird
demnach ein Formschluss zwischen den Leitschaufeln und dem Gehäuse eingeführt, der
selbst bei einem Lösen
der Klebeverbindung die Leitschaufel im Gehäuse hält und so ein Austreten der
Leitschaufel aus dem Gehäuse
verhindert. Auf diese Art und Weise wird ein sogenannter Fail-Safe-Mechanismus bereitgestellt,
der eine besonders sichere Befestigung der Leitschaufeln am Gehäuse ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ist
darüber
hinaus einfach und kostengünstig
realisierbar. Dabei ist einem radial außenliegenden Ende jeder Leitschaufel
mindestens ein Verankerungselement zur formschlüssigen Fixierung der Leitschaufel
in dem Gehäuse
zugeordnet, wobei jedes Verankerungselement in eine entsprechende
Einkerbung bzw. Nut innerhalb des Gehäuses eingreift.
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Vorzugsweise
sind die Leitschaufeln an einem radial außenliegenden Abschnitt federelastisch ausgebildet,
derart, dass beim Einstecken bzw. Einführen einer Leitschaufel in
eine entsprechenden Ausnehmung des Gehäuses dieser radial außenliegende
Abschnitt federelastisch zusammendrückbar ist, und dass nach dem
vollständigen
Einstecken bzw. Einführen
der Leitschaufel in die entsprechende Ausnehmung des Gehäuses mindestens
ein Verankerungselement in mindestens eine dem Gehäuse zugeordnete
Einkerbung bzw. Nut einrastet, um die Leitschaufel formschlüssig am
Gehäuse
zu fixieren.
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Die
erfindungsgemäße Gasturbine
ist im Patentanspruch 7 definiert.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 einen
schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Leitschaufelgitter
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Bereich einer Leitschaufel und eines Gehäuses einer Gasturbine;
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2 die
Leitschaufel der 1; und
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3 einen
schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Leitschaufelgitter
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Bereich einer Leitschaufel und eines Gehäuses einer Gasturbine.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in
größerem Detail
beschrieben.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Leitschaufelgitter 10 in
stark schematisierter Darstellung, wobei in 1 ein Ausschnitt aus
einer Leitschaufel 11 gezeigt ist, die mit einem Gehäuse 12 verbunden
ist. 1 zeigt das Leitschaufelgitter 10 in
axialer Blickrichtung. Die radiale Richtung ist in 1 durch
einen Pfeil 13, die Umfangsrichtung des Leitschaufelgitters 10 ist
durch einen Pfeil 14 visualisiert.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Gehäuse 12 aus
einem metallischen Werkstoff gebildet, wobei zur Gewichtseinsparung
in das Gehäuse 12 von
radial außen
taschenförmige
Ausnehmungen 15 eingebracht sind. Die Leitschaufeln 11 sind
im gezeigten Ausführungsbeispiel
vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet, wobei
die Leitschaufeln 11 in eine Ausnehmung 16 des
Gehäuses 12 eingesteckt
sind. Die Leitschaufeln 11 sind dabei von radial außen in die
entsprechenden Ausnehmungen 16 des Gehäuses 12 eingesteckt, was
bedeutet, dass die Leitschaufeln 11 beginnend mit einem
radial innenliegenden Ende ihres Schaufelblatts von radial außen in die
entsprechende Ausnehmung 16 eingesteckt und in dieser Richtung
vollständig
in die Ausnehmung 16 eingeführt werden. Die Ausnehmungen 16 sind
daher in ihrer Kontur an ein Querschnittsprofil der Leitschaufeln 11 bzw.
der Schaufelblätter
der Leitschaufeln 11 angepasst.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist jede Leitschaufel 11 in
einer in die Ausnehmung 16 des Gehäuses 12 eingesteckten
Position formschlüssig
im Gehäuse 12 fixiert
und zusätzlich
mit dem Gehäuse 12 verklebt.
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Zur
formschlüssigen
Fixierung der Leitschaufeln 11 im Gehäuse 12 sind im Ausführungsbeispiel
der 2 einem radial außenliegenden Ende 17 der
Leitschaufel 17 zwei Verankerungselemente 18 zugeordnet.
Jeder Seite der Leitschaufel 11 ist dabei ein derartiges
Verankerungselement 18 zugeordnet. Bei einer in die Ausnehmung 16 eingesteckten Position
der Leitschaufel 11 greifen die Verankerungselemente 18 in
entsprechende Einkerbungen bzw. Nuten 19 innerhalb des
Gehäuses 12 ein.
Die Wirkverbindung zwischen den Verankerungselementen 18 und
den Nuten 19 sorgt für
die formschlüssige Fixierung
der Leitschaufeln 11 im Gehäuse 12 der Gasturbine.
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Wie 2 entnommen
werden kann, ist dem radial außenliegenden
Ende 17 der Leitschaufel 11 neben den Verankerungselementen 18 weiterhin eine
sich im Wesentlichen in radialer Richtung (Pfeil 13) erstreckende
Ausnehmung 20 zugeordnet. Die Ausnehmung 20 ist
als keilförmiger
Schlitz ausgebildet. Die als keilförmiger Schlitz ausgeführte Ausnehmung 20 verleiht
der Leitschaufel 11 in dem radial außenliegenden Abschnitt 17 ein
federelastisches Verhalten. Beim Einführen der Leitschaufel 11 in
die Ausnehmung 16 des Gehäuses 12 lassen sich
die von der Ausnehmung 20 begrenzten, die Verankerungselemente 18 aufweisenden
Schenkel im Bereich des radial außenliegenden Endes 17 der
Leitschaufel 11 im Sinne der Pfeile 21 zusammendrücken, damit beim
Einschieben der Leitschaufel 11 in die Ausnehmung 16 die
Verankerungselemente 18 nicht über die Innenabmessung der
Ausnehmung 16 vorstehen. Sobald die Leitschaufel 11 vollständig in
die Ausnehmung 16 eingesteckt bzw. eingeführt ist,
schnappen bzw. rasten die Verankerungselemente 18 in die
entsprechenden Einkerbungen bzw. Nuten 19 des Gehäuses 12 ein.
Hierdurch kann eine besondere einfache, formschlüssige Fixierung der Leitschaufel 11 im Gehäuse 12 realisiert
werden. Die Nute 19, in welche die Verankerungselemente 18 nach
dem vollständigen
Einstecken bzw. Einführen
der Leitschaufel 11 in die Ausnehmung 16 des Gehäuses 12 einrasten, können auf
einfache Art und Weise durch Fräsen
hergestellt werden. An der äußeren Geometrie
des Gehäuses 12 sind
keine Veränderungen
erforderlich.
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Die
auf die obige Art und Weise im Gehäuse 12 formschlüssig fixierten
Leitschaufeln 11 sind zusätzlich mit dem Gehäuse 12 verklebt.
Das Verkleben der Leitschaufeln 11 mit dem Gehäuse 12 erfolgt nach
der formschlüssigen
Fixierung derselben im Gehäuse 12.
Um während
des Betriebs der Gasturbine unter Belastung ein Zusammendrücken der
durch die Ausnehmung 20 begrenzten Schenkel der Leitschaufel 11 zu
vermeiden, wird die Ausnehmung 20 nach erfolgter formschlüssiger Fixierung
der Leitschaufeln 11 im Gehäuse 12 befüllt. So
kann die Ausnehmung 20 zum Beispiel durch einen Keil 22 befüllt werden,
der in die Ausnehmung 20 eingeklebt ist. Weiterhin ist
es möglich,
die gesamte Ausnehmung 20 mit Klebstoff aufzufüllen. Hierdurch
wird, wie bereit erwähnt,
das Zusammendrücken
der Leitschaufel 11 im radial außenliegenden Abschnitt 17 während des
Betriebs der Gasturbine und damit ein ungewolltes Lösen der
formschlüssigen
Fixierung vermieden.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters 23 in stark
schematisierter Darstellung. Da das Ausführungsbeispiel der 3 im
Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
der 1 entspricht, werden zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen
für gleiche Baugruppen
gleiche Bezugsziffern verwendet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 durch
die Ausgestaltung des Verankerungselements 24 zur formschlüssigen Fixierung
der Leitschaufel 11 im Gehäuse 12, nämlich in
einer Nut 19 des Gehäuses 11.
So ist beim Ausführungsbeispiel
der 3 das Verankerungselement 24 verschiebbar
bzw. beweglich ausgeführt
und in einer sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung (Pfeil 14)
erstreckenden Ausnehmung 25 innerhalb des radial außenliegenden
Endes 17 der Leitschau fel 11 geführt. Beim
Ausführungsbeispiel
der 3 ist dem radial außenliegenden Ende 11 neben
der sich im Wesentlichen in radialer Richtung (Pfeil 13)
erstreckenden Ausnehmung 20 weiterhin die sich im Wesentlichen
in Umfangsrichtung (Pfeil 14) erstreckende Ausnehmung 25 zugeordnet. In
dieser Ausnehmung 25 ist das Verankerungselement 24 beweglich
geführt.
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Beim
Einschieben bzw. Einstecken der Leitschaufel 11 von radial
außen
in die Ausnehmung 16 des Gehäuses ist das Verankerungselement 24 in
die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckende Ausnehmung 25 derart
zurückgezogen,
dass das Verankerungselement 24 nicht über die Abmessungen der Leitschaufel 11 vorsteht.
Daraus folgt, dass im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 das
Verankerungselement 24 beim Einschieben bzw. Einstecken
der Leitschaufel 11 in die Ausnehmung 16 nicht
mit der Innenabmessung der Ausnehmung 16 kollidiert, und
daher das radial außenliegende Ende 17 der
Leitschaufel 11 auch nicht federelastisch zusammengedrückt werden
muss. Nach erfolgtem Einstecken bzw. Einführen der Leitschaufel 11 in
die Ausnehmung 16 des Gehäuses wird das Verankerungselement 24 in
die Einkerbung bzw. Nut 19 eingeschoben und bewirkt so
die formschlüssige
Fixierung der Leitschaufel 11 im Gehäuse 12. In dieser Position
des Verankerungselements 24 wird sodann die Ausnehmung 20 vorzugsweise
mit Klebstoff 26 aufgefüllt,
um so ein Lösen
der formschlüssigen
Fixierung zu vermeiden. Das Ausfüllen
der Ausnehmung 20 mit Klebstoff 26 erfolgt vorzugsweise
während
der ohnehin vorzunehmenden Verklebung der Leitschaufel 11 mit
dem Gehäuse 12.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen,
die Leitschaufeln 11 eines Leitschaufelgitters 10 derart
mit dem Gehäuse 12 der
Gasturbine zu verbinden, dass die Leitschaufeln 11 einerseits
im Gehäuse 12 formschlüssig fixiert und
andererseits mit dem Gehäuse 12 verklebt
sind. Die formschlüssige
Fixierung der Leitschaufeln 11 am Gehäuse 12 erfolgt über Verankerungselemente 18 bzw. 24,
die in entsprechende Einkerbungen bzw. Nuten 19 innerhalb
des Gehäuses 12 eingreifen.
Die formschlüssige
Fixierung der Leitschaufeln 11 am Gehäuse 12 verhindert
selbst bei einem eventuellen Lösen
der Klebeverbindung ein radiales Herausrutschen bzw. Verkippen der
Leitschaufeln 11 aus dem bzw. im Gehäuse 12.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zur
Befestigung der Leitschaufeln 11 des Leitschaufelgitters 10 am
Gehäuse 12 ist
konstruktiv einfach sowie kostengünstig realisierbar. Es ist
keine Veränderung
der äußeren Geometrie
des Gehäuses 12 erforderlich.
Die Nuten 19 zum Einrasten der Veranke rungselemente 18 bzw. 24 lassen
sich mit einem geeigneten Fräser einfach
in das Gehäuse 12 einbringen.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Befestigung von Leitschaufeln
aus einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial an einem metallischen Gehäuse einer Gasturbine, insbesondere
eines Flugtriebwerks. Derartige Leitschaufeln aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial
finden insbesondere im Bereich eines Niederdruckverdichters oder
Mitteldruckverdichters der Gasturbine Verwendung, in welchem gegenüber den
heißen
Teilen der Gasturbine, insbesondere im Vergleich zur Turbine, relativ
geringe Temperaturen vorliegen.
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- 10
- Leitschaufelgitter
- 11
- Leitschaufel
- 12
- Gehäuse
- 13
- Pfeil
- 14
- Pfeil
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Ende
- 18
- Verankerungselement
- 19
- Nut
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Pfeil
- 22
- Keil
- 23
- Leitschaufelgitter
- 24
- Verankerungselement
- 25
- Ausnehmung
- 26
- Klebstoff