DE102008032661A1

DE102008032661A1 - Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102008032661A1
Application number: DE200810032661
Authority: DE
Inventors: Werner Humhauser
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-14
Also published as: WO2010003405A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem axial durchströmbaren Gehäuse, an welchem ein Leitschaufelsystem (10) befestigt ist, welches eine Vielzahl von Leitschaufeln (12) umfasst, die an ihren jeweiligen, radial inneren Endbereichen (14) mit einem statischen Innenring (16) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (16) ein in Strömungsrichtung vorderes und ein in Strömungsrichtung hinteres Ringsegment (18a, 18b) umfasst, die von einem bezüglich der Ringsegmente (18a, 18b) radial innen liegenden Verbindungsring (20) zumindest bereichsweise umgriffen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Eine derartige Strömungsmaschine ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Die Strömungsmaschine, welche insbesondere als thermische Gasturbine ausgebildet sein kann, umfasst dabei ein axial durchströmbares Gehäuse, an welchem ein Leitschaufelsystem befestigt ist, welches eine Vielzahl von Leitschaufeln umfasst, die an ihren jeweiligen, radial inneren Endbereichen mit einem statischen Innenring gekoppelt sind. Mithilfe des Leitschaufelsystems ist eine einfache Strömungsbeeinflussung eines Arbeitsmediums der Strömungsmaschine möglich.
Als nachteilig ist jedoch der Umstand anzusehen, dass der statische Innenring nur schwer an die Endbereiche der Leitschaufeln gekoppelt werden kann. Beispielsweise ist es bekannt, den Innenring in Umfangsrichtung in mehrere Innenringsegmente zu teilen. Damit diese Innenringsegmente ohne Verformung an die Endbereiche gekoppelt werden können, müssen ihre Umfangswinkel jedoch sehr gering sein. Hieraus ergeben sich während des Betriebs der Strömungsmaschine häufig Schwingungsprobleme. Zusätzlich ergeben sich aufgrund von Spaltverlusten Wirkungsgradsenkungen bei erhöhtem Verschleiß an den Stoßflächen der Innenringsegmente. Eine alternative Kopplung unter Verformung der Innenringsegmente ist zudem sehr aufwändig und kostenintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen höheren Wirkungsgrad besitzt und kostengünstiger herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Koppeln eines statischen Innenrings mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine – soweit anwendbar – als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, welche einen erhöhten Wirkungsgrad besitzt und kostengünstiger herstellbar ist, ist erfindungsgemäß da durch geschaffen, dass der Innenring ein in Strömungsrichtung vorderes und ein in Strömungsrichtung hinteres Ringsegment umfasst, die von einem bezüglich der Ringsegmente radial innen liegenden Verbindungsring zumindest bereichsweise umgriffen sind. Hierdurch wird die Anzahl an Stoßflächen erheblich reduziert, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad aufgrund der verringerten Spaltverluste ermöglicht ist. Durch die ebenfalls verringerte Anzahl an Bauteilen werden zudem die Herstellungs- und Montagekosten signifikant reduziert. Zudem kann die Strömungsmaschine geometrisch wesentlich kleiner und leichter ausgebildet werden, da keine Haken, Schrauben oder dergleichen zum Koppeln des Innenrings an den Endbereichen der Leitschaufeln erforderlich sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbindungsring wenigstens zwei Teilsegmente umfasst. Auf diese Weise kann der Verbindungsring besonders einfach radial von innen auf die Ringsegmente aufgeschoben werden, wodurch die Montage zusätzlich vereinfacht, beschleunigt und verbilligt wird.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Verbindungsring die Ringsegmente mit einer Vorspannung umgreift. Hierdurch ist eine besonders zuverlässige Lagefixierung zwischen dem Verbindungsring und den Ringsegmenten gegeben, wodurch eine erhöhte Schwingungsfestigkeit des Innenrings sowie eine erhöhte mechanische und thermische Stabilität gegeben sind. Mithilfe der Vorspannung kann zudem auf zusätzliche Schraubenverbindungen oder dergleichen verzichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen wenigstens einem Ringsegment und dem Verbindungsring ein Drahtsegment angeordnet ist, mittels welchem das Ringsegment und der Verbindungsring aneinander festgelegt sind. Auch ein derartiges Drahtsegment ermöglicht eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen dem Ringsegment und dem Verbindungsring bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten und geringem Gewicht.
Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass das Leitschaufelsystem verstellbar ausgebildet ist. Hierdurch können die relativen Lagen der Leitschaufeln bezüglich des Gehäuses optimal an die jeweils vorherrschenden Betriebsbedingungen angepasst und die Strömungseigenschaften des Arbeitsmediums der Strömungsmaschine entsprechend genau eingestellt werden.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn die Leitschaufeln an ihren jeweiligen Endbereichen Zapfen umfassen, die drehbar in jeweiligen, zwischen den Ringsegmenten angeordneten Buchsen gelagert sind. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, die Leitschaufeln mit einem vorgegebenen beziehungsweise einstellbaren Winkel gegenüber dem Gehäuse anzuordnen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Verbindungsring zumindest ein Dichtelement trägt. Dies ermöglicht vorteilhaft den Verzicht auf zusätzliche Dichtungsträger, wodurch entsprechende Kosten- und Gewichtsvorteile erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufeln zwischen Laufschaufeln zweier drehbar im Gehäuse gelagerter Laufschaufelräder der Strömungsmaschine angeordnet sind. Hierdurch ist eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine ermöglicht, da das Arbeitsmedium während des Betriebs der Strömungsmaschine das in Strömungsrichtung gesehen vordere Laufschaufelrad mit nur wenig Drall verlassen würde. Mithilfe der Leitschaufeln kann dem Arbeitsmedium der gewünschte Drall aufgeprägt werden, den das darauf folgende Laufschaufelrad für einen stabilen Betrieb benötigt.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass das zumindest eine Dichtelement mit einem korrespondierenden, an wenigstens einem Laufschaufelrad befestigten Dichtelement zusammenwirkt. Die beiden Dichtelemente ermöglichen somit die Ausbildung eines so genannten Inner Air Seals, wodurch eine besonders zuverlässige und verlustfreie Strömungsführung durch das Gehäuse der Strömungsmaschine ermöglicht ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koppeln eines statischen Innenrings an radial innere Endbereiche einer Vielzahl von Leitschaufeln eines Leitschaufelsystems, welches an einem axial durchströmbaren Gehäuse einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, befestigt wird. Ein erhöhter Wirkungsgrad und eine kostengünstigere Herstellung der Strömungsmaschine ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass ein Ringsegment des Innenrings an einer in Strömungsrichtung vorderen Seite der Endbereiche der Leitschaufeln und ein Ringsegment an einer in Strömungsrichtung hinteren Seite der Endbereiche der Leitschaufeln angeordnet wird, wonach ein Verbindungsring zumindest im Wesentlichen radial von innen auf die Ringsegmente bewegt wird, bis er die Ringsegmente zumindest bereichsweise umgreift. Hierdurch kann der Innenring auch bei geometrisch kleinen Gehäusen schnell und einfach mon tiert werden, wodurch entsprechende Kostensenkungen erzielt werden. Zudem ergeben sich im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten in Umfangsrichtung segmentierten Innenringen weniger Leckagen, so dass die Strömungsmaschine einen höheren Wirkungsgrad besitzt. Aufgrund des vereinfachten Montageprozesses können zudem engere Toleranzen eingehalten werden. Weiterhin kann auf die Verwendung von Haken, Schrauben oder dergleichen verzichtet werden, was insbesondere bei geometrisch kleinen Gehäusen von Vorteil ist, da hier in der Regel kein ausreichender Bauraum für derartige Verbindungsmittel verfügbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Ringsegmenten und dem Verbindungsring Drahtsegmente angeordnet und die Ringsegmente gegenüber dem Verbindungsring lagegesichert werden. Hierdurch wird eine mechanisch besonders stabile Verbindung zwischen den Ringsegmenten und dem Verbindungsring hergestellt, wodurch auch bei hoher Beanspruchung der Strömungsmaschine keine Schwingungsprobleme auftreten können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische seitliche Schnittansicht eines Bereichs eines Gehäuses einer Strömungsmaschine.
Die einzige Figur zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Bereichs eines Gehäuses einer als thermische Gasturbine ausgebildeten Strömungsmaschine (nicht dargestellt). Am Gehäuse der Strömungsmaschine ist ein Leitschaufelsystem 10 befestigt, welches eine Vielzahl von Leitschaufeln 12 umfasst, die an ihren jeweiligen, radial inneren Endbereichen 14 mit einem gegenüber dem Gehäuse statischen Innenring 16 gekoppelt sind. Der Innenring 16 umfasst seinerseits ein in Strömungsrichtung vorderes Ringsegment 18a sowie ein in Strömungsrichtung hinteres Ringsegment 18b, die von einem bezüglich der Ringsegmente 18a, 18b radial innen liegenden Verbindungsring 20 bereichsweise umgriffen sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verbindungsring 20 einstückig oder in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet ist und demnach zwei oder mehr Teilsegmente umfasst. Der Verbindungsring 20 umgreift die Ringsegmente 18a, 18b im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Vorspannung, wodurch auf zusätzliche Schraubenverbindungen oder Ähnliches verzichtet werden kann. Dies erlaubt zusätzlich zur vereinfachten Montage eine Reduzierung von Kosten und Gewicht und ermöglicht eine geometrisch wesentlich kleinere Bauweise der Strömungsmaschine. Zur weiteren Optimierung der mechanischen Eigen schaften des Innenrings 16 sind zwischen den Ringsegmenten 18a, 18b und dem Verbindungsring 20 Drahtsegmente 22a, 22b angeordnet, die für eine zusätzliche Lagesicherung der drei Bauteile sorgen. Das Leitschaufelsystem 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel verstellbar ausgebildet. Hierbei sind die Leitschaufeln 12 sowohl an ihren radial inneren Endbereichen 14 als auch an nicht gezeigten radial äußeren Endbereichen gegenüber dem Gehäuse verdrehbar angeordnet. Zu diesem Zweck umfassen die Leitschaufeln 12 an ihren radialen Endbereichen 14 jeweils einen Zapfen 24, der drehbar in einer zwischen den Ringsegmenten 18a, 18b angeordneten Buchse 26 gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, die Leitschaufeln um die Achse I zu verdrehen, wodurch eine verbesserte Strömungsführung eines durch das Gehäuse strömenden Arbeitsmediums der Strömungsmaschine ermöglicht ist. Die Leitschaufeln 12 sind zwischen Laufschaufeln 28a, 28b zweier drehbar im Gehäuse gelagerter Laufschaufelräder 30a, 30b der Strömungsmaschine angeordnet. Um eine optimale Durchströmung des Gehäuses sicherzustellen, trägt der Verbindungsring 20 drei Dichtelemente 32a bis 32c, die mit korrespondierenden Dichtelementen 32a' bis 32c' zusammenwirken und ein Einbrechen von Arbeitsmedium in einen Innenraumbereich 34 des Gehäuses verhindern. Die Dichtelemente 32a bis 32c sind dabei vorliegend als so genannte Honeycombs, die korrespondierenden Dichtelemente 32a' bis 32c' als so genannte Dichtfins ausgebildet. Die korrespondierenden Dichtelemente 32a' bis 32c' sind dabei über einen so genannten Finträger 36 drehfest am ersten Laufschaufelrad 30a festgelegt und bilden gemeinsam mit den Dichtelementen 30a bis 30c ein so genanntes Inner Air Seal. Anstelle der gezeigten Abdichtung mithilfe von Honeycombs und Dichtfins können natürlich auch alternative Dichtkonzepte wie Bürstendichtungen oder Labyrinthdichtungen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 32a bis 32c des Verbindungsrings 20 als Dichtfins und die Dichtelemente 32a' bis 32c' als Honeycombs ausgebildet sind.
Zur Montage des Innenrings 16 wird zunächst die Buchse 26 auf den Zapfen 24 geschoben. Anschließend werden die Ringsegmente 18a, 18b radial von unten an der Buchse 26 der Leitschaufel 12 angeordnet, wonach der Verbindungsring 20 radial von innen auf die Ringsegmente 18a, 18b aufgeschoben wird, bis er die gezeigte Stellung erreicht. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ringsegmente 18a, 18b und der Verbindungsring 20 miteinander korrespondierende Anschläge 38 umfassen, mittels welchen die Endlage definiert ist. Anschließend werden die Drahtsegmente 22a, 22b eingeführt und die Ringsegmente 18a, 18b gegenüber dem Verbindungsring 20 lagegesichert.

Claims

Strömungsmaschine, insbesondere thermische Gasturbine, mit einem axial durchströmbaren Gehäuse, an welchem ein Leitschaufelsystem (10) befestigt ist, welches eine Vielzahl von Leitschaufeln (12) umfasst, die an ihren jeweiligen, radial inneren Endbereichen (14) mit einem statischen Innenring (16) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (16) ein in Strömungsrichtung vorderes und ein in Strömungsrichtung hinteres Ringsegment (18a, 18b) umfasst, die von einem bezüglich der Ringsegmente (18a, 18b) radial innen liegenden Verbindungsring (20) zumindest bereichsweise umgriffen sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsring (20) wenigstens zwei Teilsegmente umfasst.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsring (20) die Ringsegmente (18a, 18b) mit einer Vorspannung umgreift.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem Ringsegment (18a, 18b) und dem Verbindungsring (20) ein Drahtsegment (22a, 22b) angeordnet ist, mittels welchem das Ringsegment (18a, 18b) und der Verbindungsring (20) aneinander festgelegt sind.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitschaufelsystem (10) verstellbar ausgebildet ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (12) an ihren jeweiligen Endbereichen (14) Zapfen (24) umfassen, die drehbar in jeweiligen, zwischen den Ringsegmenten (18a, 18b) angeordneten Buchsen (26) gelagert sind.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsring (20) zumindest ein Dichtelement (32a, 32b, 32c) trägt.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (12) zwischen Laufschaufeln (28a, 28b) zweier drehbar im Gehäuse gelagerter Laufschaufelräder (30a, 30b) der Strömungsmaschine angeordnet sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Dichtelement (32a, 32b, 32c) mit einem korrespondierenden, an wenigstens einem Laufschaufelrad (30a, 30b) befestigten Dichtelement (32a, 32b, 32c) zusammenwirkt.
Verfahren zum Koppeln eines statischen Innenrings (16) an radial innere Endbereiche (14) einer Vielzahl von Leitschaufeln (12) eines Leitschaufelsystems (10), welches an einem axial durchströmbaren Gehäuse einer Strömungsmaschine, insbesondere einer thermischen Gasturbine, befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringsegment (18a) des Innenrings (16) an einer in Strömungsrichtung vorderen Seite der Endbereiche (14) der Leitschaufeln (12) und ein Ringsegment (18b) an einer in Strömungsrichtung hinteren Seite der Endbereiche (14) der Leitschaufeln (12) angeordnet wird, wonach ein Verbindungsring (20) zumindest im Wesentlichen radial von innen auf die Ringsegmente (18a, 18b) bewegt wird, bis er die Ringsegmente (18a, 18b) zumindest bereichsweise umgreift.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ringsegmenten (18a, 18b) und dem Verbindungsring (20) Drahtsegmente (22a, 22b) angeordnet und die Ringsegmente (18a, 18b) gegenüber dem Verbindungsring (20) lagegesichert werden.