DE102005040574A1

DE102005040574A1 - Spaltkontrollvorrichtung für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102005040574A1
Application number: DE102005040574A
Authority: DE
Inventors: Ingo Jahns
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-15
Also published as: EP1757775A2; EP1757775A3; US20070160463A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindelkontrollvorrichtung für eine Gasturbine mit zumindest einer Reihe von verstellbaren Schaufeln 2 sowie mit einer an eine Schaufelreihe angrenzenden, gasumströmten Fläche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche 4 und die angrenzende Fläche der verstellbaren Schaufel 2 im Wesentlichen in Form eines Kugelflächenrings ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltkontrollvorrichtung für eine Gasturbine.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Lösungen vorbekannt, um eine Spaltkontrolle bei verstellbaren, variablen Schaufeln eines Verdichters einer Gasturbine zu ermöglichen.

Die GB 2 235 730 A sieht vor, die Spaltkontrolle am Gehäuse über ein verstellbares äußeres Deckband vorzunehmen. Die Verstellung des jeweiligen Deckbandsegments wird dabei über einen am Gehäuse montierten Verstellmechanismus gewährleistet. Das Gehäuse und das Innendeckband bilden somit die Grenzflächen für den Gasstrom.

Allgemein ist es bekannt, dass die Verdichtung der Luft durch die Rotorschaufeln es erforderlich macht, den Gaskanal immer enger auszugestalten. Die gasumströmten Flächen das Gehäuse und/oder der Innendeckbänder haben deshalb eine Neigung zur Triebwerksachse. Die variablen Statorschaufeln, welche in den ersten Kompressorstufen vorgesehen sind, werden dabei in dem Gehäuse und im Bereich des Innendeckbandes gelagert. Bei einer weiteren Gestaltungsvariante sind die variablen Statorschaufeln einseitig im Gehäuse eingespannt. Die radial innere Fläche der variablen Staotorschaufel läuft gegen die Rotortrommel. Über einen Verstellmechanismus ist eine Drehung oder Verschwenkung der variablen Statorschaufeln möglich. Bedingt durch diese Drehung ändert sich jedoch der Spalt zwischen dem Gehäuse und der variablen Statorschaufel ebenso, wie der Spalt zwischen dem Innendeckband und der variablen Statorschaufel bzw. der Spalt zwischen der variablen Statorschaufel und dem Rotor. Diese Spaltbildung erweist sich als nachteilig und führt zu aerodynamischen Verlusten.

Im Bereich der Spindel der verstellbaren Schaufel ist es bekannt, diese mit einem sehr großen Durchmesser auszubilden, um dort keine Strömungsverluste entstehen zu lassen.

Im Bereich des Innendeckbandes ist jedoch der Durchmesser der Spindel weitaus geringer als am Gehäuse. Somit ergeben sich Spaltbildungen, und hierdurch bedingt, aerodynamische Verluste. Dies insbesondere bei den unterschiedlichen Anstellwinkeln der Schaufeln. Bei einer einseitigen Lagerung der variablen Statorschaufel sind die Spaltverluste noch größer, da dort keine Spindel vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spaltkontrollvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine Minimierung des Spalts ermöglicht und aerodynamische Verluste minimiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die jeweils an die Schaufelreihe angrenzende, gasumströmte Fläche im Wesentlichen in Form eines Kugelflächenrings ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es dabei möglich, diesen speziell ausgeformten gasumströmten Bereich entweder am Gehäuse, am Innendeckband oder an dem Rotor (einseitige Lagerung der variablen Statorschaufel) vorzusehen. Die Erfindung ist somit sowohl auf den radial innenliegenden Bereich der Schaufel als auch auf den radial außenliegenden Bereich der Schaufel anwendbar.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Form eines Kugelflächenrings definiert sich aus der Oberfläche einer flachen Scheibe, die aus einer Kugeloberfläche ausgeschnitten wird. Es liegt somit in Axialrichtung eine gleichmäßige Wölbung dieser Fläche vor.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Drehachsen der verstellbaren Statorschaufeln senkrecht zur Oberfläche der gasumströmten Fläche angeordnet sind. Es ist somit sichergestellt, dass die Drehachse stets durch den Kugelmittelpunkt verläuft. Die Flächen der variablen Statorschaufeln, die mit dem kugeligen Bereich der gasumströmten Flächen in Kontakt stehen, werden mit einer leicht größeren Kugel verschnitten. Somit ergibt sich in jeder Verdrehstellung der Schaufel ein konstanter Spalt zwischen dem Gehäuse bzw. dem Innendeckband/Rotor und dem jeweiligen axial äußeren oder axial inneren Ende der Schaufel.

Besonders günstig ist es, wenn die gasumströmte Fläche zur horizontalen, die Drehachse der Gasturbine umfassenden Ebene in axialer Richtung geneigt ist. Der Kugelflächenring wird somit nicht im Äquator der Kugel angeordnet, sondern seitlich versetzt. Somit ist eine Verjüngung oder Verengung des Strömungsquerschnitts des Verdichters möglich. Da die Drehachse der verstellbaren Statorschaufel durch den Kugelmittelpunkt verläuft, ist somit die Drehachse axial nach vorne geneigt.

Durch die erfindungsgemäße Spaltkontrollvorrichtung ist es somit möglich, eine exakte Spaltkontrolle vorzunehmen. Der Spalt bleibt dabei über den gesamten Verstellbereich der Schaufel konstant. Es ergeben sich somit kleinere Spalte im Betriebspunkt des Kompressors, wodurch der Wirkungsgrad erhöht und die aerodynamischen Verluste verringert werden.

Erfindungsgemäß versteht es sich, dass die Form einer Kugelfläche auch geringfügig verlassen werden kann, so dass von der Idealform geringfügig abgewichen wird. Dies ist durch die Erfindung mit abgedeckt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Seiten-Teil-Schnittansicht einer verstellbaren, variablen Verdichterschaufel,
2 eine perspektivische Teilansicht einer Schaufelreihe mit Gehäuse und Innendeckband,
3 eine schematische Seitenansicht des Innendeckbands sowie der Schaufel,
4 eine perspektivische Ansicht der Darstellung der 3,
5 eine vergrößerte Teilansicht, analog der Darstellung der 3,
6 eine weitere vergrößerte Teilansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
7 eine perspektivische Ansicht zur Erklärung des Kugelflächenrings,
8 eine vergrößerte Teildarstellung der erfindungsgemäßen Schaufel mit Spindel,
9 eine schematische Seiten-Teil-Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
10 eine vergrößerte Teilansicht des Ausführungsbeispiels in 9.
Die erfindungsgemäße Spaltkontrollvorrichtung umfasst ein aus dem Stand der Technik bekanntes Gehäuse 1 einer Gasturbine, an welchem mittels einer Spindel 10 und eines im Einzelnen nicht weiter zu erläuternden, da aus dem Stand der Technik bekannten Verstellmechanismus eine Schaufel 2 gelagert ist. Diese ist Teil eines Kompressors, so wie dies aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.
Der radial innenliegende Bereich der Schaufel 2 ist an einem Innendeckband 3 gelagert. Die 1 zeigt weiterhin die Darstellung einer Drehachse 7 der Schaufel 2 sowie die sich zwischen den Enden der Schaufel 2 ergebenden Spalte 8 oder Abstände 8.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine gasumströmte Fläche 4 (siehe beispielsweise 2) des Gehäuses 1 und/oder des Innendeckbandes 3 eine Neigung zur Triebwerksdrehachse in axialer Richtung aufweisen, so dass sich der Gaskanal während der Verdichtung der Luft verengt (siehe 1).
Die gasumströmten Flächen bei einem Schnitt quer zur Triebwerksachse sind ringförmig oder kreisförmig, so wie dies durch das Bezugszeichen 5 der 4 dargestellt ist.
Erfindungsgemäß ist die Drehachse 7 der variablen Statorschaufel (Schaufel 2) so angeordnet, dass sie senkrecht auf der Oberfläche des Innendeckbandes 3 liegt. Die Drehachse 7 der Schaufel 2 ist somit, abhängig von der geforderten Neigung der gasumströmten Fläche 4, axial nach vorne geneigt.
In axialer Richtung wird die gasumströmte Fläche 4 erfindungsgemäß so gestaltet, dass sie dieselbe Krümmung (Bezugszeichen 6 in 3) hat, wie in Umfangsrichtung (Bezugszeichen 5 der Kreisform gemäß 4). Die gasumströmte Fläche 4 bildet somit einen Ausschnitt aus einer Kugel oder einen Kugelflächenring, so wie sich dies aus der Darstellung einer Kugel 9 in 7 ergibt.
Die Schaufel 2 (Statorschaufel) wird mit einem Abstand (Spalt 8) zum Innendeckband 3 angeordnet ist so ausgebildet, dass das Ende der Schaufel 2 ebenfalls einen Teil einer Kugelfläche bildet. Der Abstand bzw. Spalt 8 ist somit lediglich abhängig von den Fertigungstoleranzen und den thermischen Ausdehnungen. Im Übrigen bleibt der Abstand bei jeder Drehung oder Verstellung der Schaufel 2 konstant, da zwei Kugeloberflächenteile relativ zueinander bewegt werden.
Die 5 zeigt die variable Statorschaufel im voll geöffneten Zustand, während in 6 die Statorschaufel im vollständig geschlossenen Zustand dargestellt ist. Es ergibt sich, dass in beiden diesen Betriebszuständen der Spalt 8 konstant bleibt.
Auch der im Gasstrom liegende Teil einer Spindel 10 der Schaufel 2 wird erfindungsgemäß in günstiger Weiterbildung mit der Form einer Kugel verschnitten und steht somit nicht mehr im Gasstrom.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, Anforderungen der Gaskanaloberfläche hinsichtlich Stetigkeit und Anströmwinkel in dem gasumströmten Bereich des Rotors zu realisieren.
Die vorstehenden Ausführungen haben sich auf das Innendeckband 3 bezogen. Es ist selbstverständlich, dass die radial innenliegende Fläche des Gehäuses 1 sowie der radial außenliegende Endbereich der Schaufel 2 ebenfalls in der beschriebenen Kugelform ausgebildet sein können.
In einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung ist die verstellbare Statorschaulel einseitig gelagert (12). Die Statorschaufel hat keine innere Spindel. Der radial innenliegende Bereich der verstellbaren Statorschaufel läuft gegen die Rotortrommel 11. Die gegenüberliegenden Flächen der variablen Verstellschaufel (12) und des Rotors (11) sind wie oben beschrieben kugelförmig ausgebildet.

1: Gehäuse
2: Verstellbare Statorschaufel
3: Innendeckband
4: Gasumströmte Fläche
5: Kreisform
6: Krümmung
7: Drehachse
8: Spalt/Abstand
9: Kugel
10: Spindel
11: Rotor mit integrierten Schaufeln/konventioneller Rotor mit Umfangsnuten für Rotorschaufeln
12: Einseitig gelagerte verstellbare Statorschaufel

Claims

Spindelkontrollvorrichtung für eine Gasturbine mit zumindest einer Reihe von verstellbaren Schaufeln (2) sowie mit einer an eine Schaufelreihe angrenzenden, gasumströmten Fläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (4) und die angrenzende Fläche der verstellbaren Statorschaufel in Form eines Kugelflächenrings ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (4) eine gasumströmte Fläche eines Gehäuses (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (4) eine gasumströmte Fläche eines Innendeckbandes ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (4) eine gasumströmte Fläche des Rotors ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse der verstellbaren Schaufel (2) senkrecht zur Oberfläche der gasumströmten Fläche (4) angeordnet ist und somit durch den Kugelmittelpunkt verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Schaufel (2) im Wesentlichen senkrecht auf der gasumströmten Fläche (4) steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der verstellbaren Leitschaufel (2) leicht von dem Kugelmittelpunkt abweicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gasumströmte Fläche (4) zur horizontalen, die Drehachse der Gasturbine umfassenden Ebene in axialer Richtung geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (7) der verstellbaren Schaufel (2) axial nach vorne geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Endbereich der Schaufel (2) in Form eines Teils einer Kugelfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gasumströmte Bereich der Spindel der verstellbaren Leitschaufel (2) kugelförmig ausgebildet ist.