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Die Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Axialströmungsmaschine der eingangsgenannten Art ist z. B. in der Diplomarbeit von Victor Roberto Gellert (vom Dezember 2000, an der FH-Düsseldorf) mit dem Thema ”Probabilistische Berechnung der Frequenzlage einer Verdichterschaufel mittels Monte Carlo Simulation” auf Seite 14 als Bild 3.6 gezeigt. Die in diesem Dokument und in 1 der vorliegenden Anmeldung gezeigte Axialströmungsmaschine ist als Axialverdichter ausgebildet.
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Wie aus 1 ersichtlich, hat eine solche herkömmliche Axialströmungsmaschine eine Mehrzahl von verstellbaren, einer gemeinsamen Statorstufe 1' der Axialströmungsmaschine zugeordneten Leitschaufeln 10' zum Leiten eines durch die Axialströmungsmaschine hindurchzuführenden Fluids, wobei jede Leitschaufel 10' drehbar gelagert ist und an einem Endabschnitt 11' dieser mit einem ersten Ende 21' eines Stellhebels 20' gekuppelt ist, wobei ein zweites Ende 22' jedes Stellhebels 20' schwenkbar mit einem den Leitschaufeln 10' gemeinsamen Stellelement 30' gekuppelt ist, so dass über eine Stellbewegung des Stellelements 30' gleichzeitig alle Stellhebel 20' verschwenkbar und dadurch gleichzeitig alle Leitschaufeln 10' der Statorstufe 1' verstellbar sind.
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2 und 3 zeigen geschnittene Teilansichten einer solchen herkömmlichen Axialströmungsmaschine. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, sind die jeweiligen Leitschaufeln 10' mit ihrem hier als Wellenzapfen ausgebildeten Endabschnitt 11' drehbar in einer Lagerbuchse 12' gelagert. Der Endabschnitt 11' ist in eine Durchgangsöffnung (nicht bezeichnet) im ersten Ende 21' des Stellhebels 20' eingesetzt. Am Umfang des Endabschnitts 11' ist eine Fläche (nicht bezeichnet) vorgesehen, welche mit einem ebenfalls über eine Öffnung in den Stellhebel 20' eingesetzten, durch Verstemmen darin gesicherten Sicherungsstift 23' zum Übertragen von Stellkraft zusammenwirkt. Der Sicherungsstift 23' bildet einen hinsichtlich einer Übertragung von Stellkraft zum Verstellen der Leitschaufeln 10' schwächsten Punkt in der Verbindung von Stellelement 30' und jeweiliger Leitschaufel 10', so dass es beim Versuch der Rotation einer blockierten 10' Abscheren des zugehörigen Sicherungsstiftes 23' führt.
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Bei einer solchen wie in den 1 bis 3 gezeigten herkömmlichen Axialströmungsmaschine, wie einem Axialkompressor bzw. Axialverdichter, kann es durch einzelne, falsch stehende, verstellbare Leitschaufeln 10' einer Statorstufe 1' der Axialströmungsmaschine zu schwerwiegenden Schäden kommen. Diese Schäden werden durch eine ungleichmäßige Strömungsanregung auf Laufschaufeln (nicht gezeigt) einer folgenden Rotorstufe der Axialströmungsmaschine verursacht. Eine Fehlstellung der einzelnen Leitschaufeln 10' wird dabei durch eine Blockierung der Bewegungsfreiheit in den Lagerbuchsen 12' der einzelnen verstellbaren Leitschaufeln 10' verursacht.
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Aus
DE 1 915 930 C ist eine Vorrichtung an Turbomaschinen bekannt zum frühzeitigen Erkennen von Schaufelschäden, die durch Anreißen von Schaufeln entstehen, wobei der Schaufel ein elektrischer Signalkreis zugeordnet ist, dessen Widerstand durch eine Beeinflussung des Signalkreises wahrnehmbar verändert wird. In die Schaufel ist zumindest im anrissgefährdeten Bereich des Schaufelblattes ein Signaldraht inkorporiert, der im Fall eines Schaufelanrisses den Signalkreis unterbricht und dadurch ein Signal auslöst.
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Aus
DE 922 130 B ist ein kraftbeanspruchtes Maschinenteil bekannt, das bei Überbeanspruchung zur Vermeidung größerer Schäden zerstört werden soll, wobei die Zerstörung einen Schaltvorgang auslöst, durch den z. B. ein Antriebsmotor der Maschine stillgelegt wird. Gemäß
DE 922 130 B ist das kraftbeanspruchte Maschinenteil ein Scherstift, der zugleich als Unterbrecher eines elektrischen Stromkreises ausgebildet ist.
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Aus
EP 1 727 971 B1 ist eine Anordnung bekannt zur Detektion einer Beschädigung einer Komponente einer Strömungsmaschine. Die Anordnung weist eine zur Erfassung einer Messgröße bestimmte Messleitung, die zumindest teilweise durch das Innere der Komponente verläuft, so dass eine Beschädigung der zu überwachenden Komponente auch zu einer Veränderung der Messleitung führt, und eine Auswerteeinheit auf, an die die Messleitung zumindest mit ihrem einen Ende angeschlossen ist und die zur Auswertung einer durch die Veränderung der Messleitung hervorgerufenen Änderung der Messgröße ausgebildet ist.
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Weiterhin ist aus der
US 2008 0 273 965 A1 ein berührungsloses Sensorsystem zur Schadensdetektion bekannt. Die
EP 1 105 622 B1 offenbart eine Befestigungsvariante von Leitschaufeln einer Gasturbine an einem Endabschnitt eines Stellhebels.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialströmungsmaschine bereitzustellen, bei der auf einfache und zuverlässige Weise eine Fehlstellung einzelner Leitschaufeln so rechtzeitig erfassbar ist, dass aus der Fehlstellung resultierende Folgeschäden sicher vermieden werden können.
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Dies wird mit einer Axialströmungsmaschine gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Alarmierung, z. B. über die Begrenzung der Stellkraft, voraussetzen würde, dass die Steigerung der Verstellkraft bei einzelnen, blockierten Leitschaufeln signifikant ist. Dies ist aber gerade bei Axialströmungsmaschinen mit mehreren verstellbaren Leitschaufel-Stufen nicht der Fall, da hier nicht unterschieden werden kann, ob es sich um die Blockade einer einzelnen Leitschaufel handelt oder um die betriebsbedingte Erhöhung der Stellkraft auf alle Leitschaufeln.
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Gemäß der Erfindung ist eine Axialströmungsmaschine mit einer Mehrzahl von verstellbaren, einer gemeinsamen Stufe der Axialströmungsmaschine zugeordneten Leitschaufeln zum Leiten eines durch die Axialströmungsmaschine hindurchzuführenden Fluids bereitgestellt, wobei jede Leitschaufel drehbar gelagert ist und an einem Endabschnitt dieser mit einem ersten Ende eines Stellhebels gekuppelt ist, wobei ein zweites Ende jedes Stellhebels schwenkbar mit einem den Leitschaufeln gemeinsamen Stellelement gekuppelt ist, so dass über eine Stellbewegung des Stellelements gleichzeitig alle Stellhebel verschwenkbar und dadurch gleichzeitig alle Leitschaufeln verstellbar sind. Die erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungsabschnitt des zweiten Endes jedes Stellhebels mit dem Stellelement eine konstruktiv schwächst ausgeführte Stelle vorgesehen ist, welche einen hinsichtlich einer Übertragung von Stellkraft zum Verstellen der Leitschaufeln schwächsten Punkt in der Verbindung von Stellelement und jeweiliger Leitschaufel bildet, dass alle Stellhebel an einer vom jeweiligen ersten Ende dieser um einen bestimmten Abstand entfernten Position dieser über eine Signalleitung mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Signalleitung eine Zugfestigkeit aufweist, die kleiner als eine einer zum Verstellen der Leitschaufeln erforderlichen Minimalstellkraft entsprechende Zugfestigkeit ist, und dass eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die mit der Signalleitung verbunden ist und die eingerichtet ist, eine Unterbrechung der Signalleitung zu erfassen und bei Unterbrechung der Signalleitung ein Unterbrechungssignal zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung ist somit eine Axialströmungsmaschine bereitgestellt, bei der auf einfache und zuverlässige Weise eine Fehlstellung einzelner Leitschaufeln so rechtzeitig erfassbar ist, dass aus der Fehlstellung resultierende Folgeschäden sicher vermieden werden können. Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine und deren Leitschaufel-Verstellmechanismus gewährleistet, dass bei Blockierung von bereits einer Leitschaufel, z. B. in deren Lagerbuchse, über die Auswerteeinrichtung automatisch ein Signal zur Alarmierung von z. B. einem Bediener erzeugt und ggf. das Herunterfahren der Strömungsmaschine eingeleitet werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine ist ein gegenüber einer Alarmierung per Stellkraftbegrenzung sehr fehlalamierungssicheres und dennoch zuverlässiges Ansprechverhalten zur Erkennung von Blockaden realisiert. Insbesondere liegt ein Vorteil der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine im sehr zeitnahen Ansprechen schon bei bereits nur einer einzigen blockierten Leitschaufel, welche eine Überschreitung einer durch die Sollbruchstelle definierten Maximalstellkraft und damit ein Brechen der Sollbruchstelle und daraufhin ein Zerreißen der Signalleitung verursacht.
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Somit können, durch ungleichmäßige Strömungsanregung auf die Laufschaufeln der folgenden Rotorstufe verursachte Schaufelbrüche und Rotorschäden sicher vermieden werden. Zusätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine eine Detektierung, in welcher Stufe der Axialströmungsmaschine sich eine oder mehrere blockierte Leitschaufeln befinden, da jede einzelne Stufe der Axialströmungsmaschine einen separaten Leitschaufel-Verstellmechanismus mit separater Signalleitung aufweisen kann. Die Signalleitungen der unterschiedlichen Stufen können alle mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung oder jede mit einer separaten Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Axialströmungsmaschine ist sowohl für Neuanlagen als auch für Nachrüstungen geeignet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Endabschnitt einer jeden Leitschaufel eine Außenkontur mit einer Außenfläche auf, wobei das erste Ende eines jeden Stellhebels eine Öffnung mit einer eine Innenfläche aufweisenden Innenkontur hat, und wobei der Endabschnitt einer jeden Leitschaufel in die Öffnung des ersten Endes des jeweils zugeordneten Stellhebels eingesetzt ist, so dass die Innenfläche und die Außenfläche zur Stellkraftübertragung aneinander anliegen.
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Mit dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine bzw. von deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist eine zuverlässige, formschlüssige Verbindung zwischen dem Endabschnitt (z. B. einem Wellenzapfen) der Leitschaufel und erstem Ende des Stellhebels gegeben. Vorteilhafterweise erlaubt die vorgenannte Ausbildung im Reparatur- bzw. Wartungsmodus ein schnelles, wenig aufwendiges Auswechseln des Stellhebels, insbesondere auch ohne Auswechseln der Leitschaufel.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Ende jedes Stellhebels eine Öffnung auf, in die ein Achsenelement eingesetzt ist, wobei das Achsenelement ein erstes Ende, das auf einer ersten Seite des Stellhebels daraus vorsteht, und ein zweites Ende aufweist, das auf einer bezüglich der ersten Seite in eine entgegengesetzte Richtung weisenden zweiten Seite des Stellhebels daraus vorsteht, wobei das erste Ende des Achsenelements mit der Sollbruchstelle versehen ist und mit dem Stellelement drehbeweglich gekuppelt ist, und wobei das zweite Ende des Achsenelements Befestigungsmittel aufweist, mittels denen die Signalleitung an dem zweiten Ende des Achsenelements befestigt ist.
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Bei dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine bzw. von deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist die Sollbruchstelle auf der Position des zweiten Endes des Stellhebels angeordnet, so dass bei blockierter Leitschaufel durch die Hebelübersetzung schon geringste Verstellbewegungen der Stellhebel zum Reißen der Signalleitung zwischen entsprechend blockiertem Stellhebel und einem benachbarten nicht blockierten Stellhebel führen.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine bzw. von deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist die Möglichkeit, mit geringem konstruktiven Aufwand eine direkte Verbindung von zweitem Ende des Stellhebels, mittels integriertem Befestigungsmittel, mit der Signalleitung vorzusehen. Durch unterschiedliche Dimensionierung des ersten Endes des Achsenelements bzw. dessen Sollbruchstelle kann die erforderliche Scherkraft, welche zuverlässig zum Sollbruch führt, je nach Stufe der Axialströmungsmaschine variiert werden.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungsmittel eine Klemmeinrichtung auf.
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Mit dieser Ausgestaltung der Befestigungsmittel wird eine einfache und damit kostengünstige und außerdem schnelle Montierbarkeit/Demontierbarkeit der Signalleitung an dem Achsenelement gewährleistet. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass gemäß der Erfindung die Signalleitung auch direkt an den jeweiligen Stellhebeln befestigt sein kann, z. B. mittels eines Klebepunktes, eines Lötpunktes, der Klemmeinrichtung, Herumwickeln um den jeweiligen Stellhebel usw.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die Klemmeinrichtung auf: eine Gewindebohrung und eine Nut, die zueinander benachbart in dem zweiten Ende des Achsenelements ausgebildet sind, ein Klemmelement, das eine Durchgangsbohrung und einen Klemmabschnitt aufweist, und eine Gewindeschraube, wobei die Signalleitung in die Nut eingelegt ist, so dass die Signalleitung um ein bestimmtes Querschnittsmaß dieser aus der Nut vorsteht, wobei das Klemmelement so an dem zweiten Ende des Achsenelements angeordnet ist, dass die Gewindebohrung zu der Durchgangsbohrung fluchtet und dass der Klemmabschnitt die Nut überlappt, und wobei die Gewindeschraube durch die Durchgangsbohrung hindurchgeführt ist und mit einem Gewindeabschnitt dieser in einen Gewindeabschnitt der Gewindebohrung eingeschraubt ist, so dass die aus der Nut vorstehende Signalleitung zwischen dem Klemmabschnitt des Klemmelements und einem Bodenabschnitt der Nut festgeklemmt ist.
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Mit dieser Ausgestaltung der Klemmeinrichtung ist eine einfache und robuste, im Falle einer Reparatur/Wartung schnell lösbare bzw. wieder herstellbare Verbindung zwischen zweitem Ende des Stellhebels und Signalleitung gegeben. Vorteilhafterweise kann die Klemmeinrichtung für im Querschnitt bzw. in der Materialfestigkeit unterschiedlich dimensionierte Signalleitungen genutzt bzw. ausgelegt werden. Zu diesem Zweck könnte beispielsweise der Querschnitt der Nut an eine Querschnittsveränderung der Signalleitung angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Signalleitung als elektrische Signalleitung ausgebildet und elektrisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden.
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Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann über die elektrische Signalleitung ein Signalstrang, insbesondere ein Signalkreis bzw. Stromkreis, realisiert sein, wobei die Auswerteeinrichtung z. B. eine durch eine Leitungsunterbrechung verursachte Widerstandsänderung im Signalstrang und/oder z. B. eine durch eine Leitungsunterbrechung verursachte Stromunterbrechung und/oder z. B. eine durch eine Leitungsunterbrechung verursachte Signallaufzeit-Änderung erfassen kann.
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Dies kann bei einer offenen Signalleitung z. B. mit einer am freien Ende dieser vorgesehenen Signalreflexionseinrichtung, welche in regelmäßigen Zeitabständen über die Signalleitung gesendete Signalimpulse an die Auswerteeinrichtung zurücksendet, so dass eine veränderte Signallaufzeit, eine fehlende Rücksendung usw. als Leitungsunterbrechung detektiert wird, oder bei einer geschlossenen Signalleitung z. B. über eine kurz vor einem Eingang der Auswerteeinrichtung vorgesehene Signalmodulationseinrichtung realisiert sein, welche die über einen Ausgang der Auswerteeinrichtung in regelmäßigen Zeitabständen in die Signalleitung gesendeten Signalimpulse am Eingang der Auswerteeinrichtung moduliert, so dass bei fehlender Modulation oder fehlendem Signal eine Leitungsunterbrechung detektiert wird.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung als elektrische Leitung, insbesondere als dünner Metalldraht, ist die Signalleitung robust, preiswert und einfach zu installieren. Bei einer einfachen Widerstandmessung, wobei die Signalleitung als geschlossene elektrische Signalleitung bzw. einen Stromkreis bzw. Signalkreis bildend ausgestaltet ist, kann ein Reißen der Signalleitung durch eine Widerstandsänderung erfasst werden. Eventuell temperaturbedingte Widerstandsänderungen können über einen zusätzlich vorgesehenen, signalmäßig mit der Auswerteeinrichtung gekoppelten Temperatursensor und geeignete, das temperaturabhängige Widerstandsverhalten der Signalleitung beschreibende, in der Auswerteeinrichtung gespeicherte Daten (z. B. Graphen) berücksichtigt werden.
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In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die Signalleitung gemäß der Erfindung natürlich auch als optische, als fluidgefüllte oder als akustische Signalleitung realisiert sein kann, wie z. B. in
EP 1 727 971 B1 beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Axialströmungsmaschine als Axialverdichter bzw. Axialkompressor zum Verdichten des Fluids ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch auf alle Axialströmungsmaschinen, insbesondere mehrstufige Axialströmungsmaschinen, mit einem Schaufel-Verstellmechanismus anwendbar, wie z. B. auch Turbinen und Radialverdichter.
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Im Fazit wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch eine konstruktive Änderung an der Leitschaufelansteuerung durch eine z. B. angefräste Fläche der Sicherungsstift aus dem Stand der Technik ersetzt. Durch die stärkere Ausführung der Konstruktion an dieser Stelle, verschiebt sich der Schwachpunkt des Verstellantriebes auf die Befestigung der Verstellrolle bzw. des Gleitsteins, also auf die mit dem Stellelement verbundene, andere Seite des Verstellhebels. Kommt es nun zu einer Blockade der Leitschaufeln in der Buchse, schert also die Befestigung der Verstellrolle (des Gleitsteins) ab. Der Verstellhebel und die Leitschaufel sind immer noch starr miteinander verbunden.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine blockierte Leitschaufel zu detektieren und die Stufe in der diese Leitschaufel sich befindet zu erkennen. Hierzu verbindet gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein dünnes, durchgehendes Kabel (Signalleitung) alle Verstellhebel einer Stufe miteinander.
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Zur Fixierung des Kabels am Verstellhebel dient eine halbkreisförmige Klemme, welche durch eine mit Loctite® gesicherte Schraube verschraubt ist.
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Kommt es nun zu einer oben beschriebenen Blockade der Leitschaufel, schert die Befestigung der Verstellrolle bzw. des Gleitseins ab. Die Verstellhebel bewegen sich nicht mehr parallel zueinander. Die relative Längung zwischen einer sich bewegenden Leitschaufel und der blockierten Leitschaufel führt zum Zerreißen der Signalleitung. Durch eine elektronische Schaltung wird dieses Reißen zur Anzeige gebracht und die Alarmierung z. B. eines Operators generiert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine Axialströmungsmaschine gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß dem Stand der Technik.
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4A zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4B zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt eine schematische Ansicht von Betriebszuständen eines Leitschaufel-Verstellmechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Nun werden unter Bezugnahme auf die 4A bis 6 Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine beschrieben, wobei der Grundaufbau einer solchen Axialströmungsmaschine dem in 1 gezeigten entspricht, weshalb im Folgenden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen, jedoch ohne Apostroph bezeichnet sind.
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Eine erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine weist eine Mehrzahl von verstellbaren, einer gemeinsamen Stufe 1 der Axialströmungsmaschine zugeordneten Leitschaufeln 10 zum Leiten eines durch die Axialströmungsmaschine hindurchzuführenden Fluids auf.
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Jede Leitschaufel 10 ist drehbar gelagert und an einem Endabschnitt 11 dieser mit einem ersten Ende 21 eines Stellhebels 20 gekuppelt. Ein zweites Ende 22 jedes Stellhebels 20 ist schwenkbar mit einem den Leitschaufeln 10 gemeinsamen Stellelement 30 (siehe 5) gekuppelt, so dass über eine Stellbewegung des Stellelements 30 (welches z. B. als Verstelltrommel oder Verstellring ausgebildet ist) gleichzeitig alle Stellhebel 20 verschwenkbar und dadurch gleichzeitig alle Leitschaufeln 10 verstellbar sind.
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An einem Verbindungsabschnitt des zweiten Endes 22 jedes Stellhebels 20 mit dem Stellelement 30 ist eine Sollbruchstelle 24 (siehe 5) vorgesehen, welche einen hinsichtlich einer Übertragung von Stellkraft zum Verstellen der Leitschaufeln 10 schwächsten Punkt in der Verbindung von Stellelement 30 und jeweiliger Leitschaufel 10 bildet.
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Alle Stellhebel 20 einer Stufe 1 der hier als Axialverdichter ausgebildeten Axialströmungsmaschine sind an einer vom jeweiligen ersten Ende 21 dieser um einen bestimmten Abstand entfernten Position dieser über eine elektrische Signalleitung 40 (siehe 5 und 6) mechanisch miteinander verbunden.
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Die elektrische Signalleitung 40 weist erfindungsgemäß eine Zugfestigkeit auf, die kleiner als eine einer zum Verstellen der Leitschaufeln 10 erforderlichen Minimalstellkraft entsprechende Zugfestigkeit ist.
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Im Sinne dieser Erfindung ist die Minimalstellkraft als solche Stellkraft definiert, wie sie in einem Leerlaufzustand oder Außerbetriebszustand der Axialströmungsmaschine und bei optimaler Leichtgängigkeit aller Stellhebel 20 zum Verschwenken eines einzigen Stellhebels mit zugeordneter Leitschaufel 10 erforderlich ist.
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Ferner ist erfindungsgemäß eine Auswerteeinrichtung 50 (siehe 6) vorgesehen, die elektrisch mit der elektrischen Signalleitung 40 verbunden ist und die eingerichtet ist, eine Unterbrechung der elektrischen Signalleitung 40 zu erfassen und bei Unterbrechung der elektrischen Signalleitung 40 ein Unterbrechungssignal zu erzeugen. Hinsichtlich der Erfassung einer Unterbrechung der elektrischen Signalleitung 40 wird auf die im allgemeinen Teil der Beschreibung der Erfindung genannten Möglichkeiten bzw. möglichen Ausführungsformen verwiesen, wobei jede dieser Möglichkeiten als für die in Bezug auf die 4A bis 6 beschriebenen Ausführungsformen anwendbar zu betrachten ist.
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4A und 4B zeigen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterschiedliche perspektivische Ansichten, in denen ein Leitschaufel-Verstellmechanismus für eine Leitschaufel 10 dargestellt ist.
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Die Leitschaufel 10 ist in einer Lagerbuchse 12 drehbar gelagert und an dem hier als Wellenzapfen ausgebildeten Endabschnitt 11 dieser mit dem ersten Ende 21 des Stellhebels 20 gekuppelt.
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Der Endabschnitt 11 einer jeden Leitschaufel 10 weist die hier in Form eines Außendurchmessers gestaltete Außenkontur mit zwei einander diametral gegenüberliegenden parallel zueinander angeordneten Außenflächen 11A auf (in 4B nur eine der Außenflächen 11A sichtbar).
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Das erste Ende 21 eines jeden Stellhebels 20 weist eine Durchgangsbohrung 21A auf, wobei in das erste Ende 21 korrespondierend zur Durchgangsbohrung 21A auf einer Seite eine im Querschnitt rechteckige Nut eingefräst ist, welche eine Innenkontur mit zwei einander gegenüberliegenden parallel zueinander angeordneten Innenflächen 21B definiert.
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Der Endabschnitt 11 einer jeden Leitschaufel 10 ist ausfallsicher in die Öffnung des ersten Endes 21 des jeweils zugeordneten Stellhebels 20 eingesetzt, so dass die Innenflächen 21B der die Öffnung bildenden Nut und die Außenflächen 11A des Endabschnitts 11 zur Stellkraftübertragung formschlüssig aneinander anliegen. Die formschlüssige Form kann in beliebiger Ausführung vorliegen, zum Beispiel auch polygonartig.
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Das zweite Ende 22 jedes Stellhebels 20 weist eine in Form einer Durchgangsbohrung ausgebildete Öffnung 22A auf, in die ein in Form eines Rundbolzens ausgebildetes Achsenelement 25 ausfallsicher eingesetzt ist.
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Das Achsenelement 25 weist ein erstes Ende 25A auf, das auf einer ersten Seite des Stellhebels 20 daraus vorsteht. Das erste Ende 25A des Achsenelements 25 ist mit der Sollbruchstelle 24 (in 4A und 4B nicht gezeigt, siehe hierzu 5) versehen und mit dem Stellelement 30 (in 4A und 4B nicht gezeigt, siehe z. B. 1 und 5) gekuppelt. Die Sollbruchstelle 24 kann z. B. als umlaufende Rille, ein- oder zweiseitige Nut oder Kerbnut oder ähnlich ausgebildet sein.
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Alle Stellhebel 20 sind an einer, vom jeweiligen ersten Ende 21 um einen bestimmten Abstand entfernten, Position über die elektrische Signalleitung 40 (in 4A und 4B nicht gezeigt, siehe hierzu 6) mechanisch miteinander verbunden. Wie oben erwähnt, weist die elektrische Signalleitung 40 gemäß der Erfindung eine Zugfestigkeit auf, welche kleiner als eine der zum Verstellen der Leitschaufeln 10 erforderlichen Minimalstellkraft entsprechende Zugfestigkeit ist.
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Die elektrische Signalleitung 40 kann gemäß der Erfindung direkt, z. B. mittels eines Klebepunktes, eines Lötpunktes, einer Klemmeinrichtung, durch Wickeln um den jeweiligen Stellhebel 20 usw. an den jeweiligen Stellhebeln 20 oder an dem Achsenelement 25 zwischen Sollbruchstelle und Stellelement 30 befestigt sein.
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Jeder Stufe 1 der Axialströmungsmaschine ist ein Stellelement 30 und ein durch die elektrische Signalleitung 40 gebildeter Signalstrang zugeordnet. Jedem einzelnen Signalstrang, einer Gruppe von Signalsträngen oder allen Signalsträngen gemeinsam ist eine Auswerteeinrichtung 50 (siehe 6) zugeordnet.
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Die Auswerteeinheit 50 ist elektrisch mit dem/jedem Signalstrang bzw. der/den jeweiligen elektrischen Signalleitung(en) 40 verbunden.
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Die Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, z. B. durch elektrische und/oder elektronische Komponenten und in diesen hinterlegten geeigneten Algorithmen, die Betriebszustände der jeweiligen elektrischen Signalleitung 40 zu erfassen und entsprechende, weiterverarbeitbare Signale zu erzeugen, wie z. B. das Unterbrechungssignal.
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5 zeigt in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer Axialströmungsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 4A und 4B, weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 weist das Achsenelement 25 ein erstes Ende 25A, das auf der ersten, in 5 oberen, Seite des Stellhebels 20 daraus vorsteht, und ein zweites Ende 25B auf, das auf einer bezüglich der ersten Seite in eine entgegengesetzte Richtung (in 5 nach unten) weisenden zweiten Seite des Stellhebels 20 daraus vorsteht.
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Am zweiten Ende 25B des Achsenelementes 25 sind Befestigungsmittel zum Befestigen der elektrischen Signalleitung 40 vorgesehen. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungsmittel eine Klemmeinrichtung 26 auf.
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Die Klemmeinrichtung 26 weist eine Gewindebohrung 26A und eine Nut 26B auf, die in Axialrichtung des Achsenelementes 25 zueinander benachbart aufeinanderfolgend angeordnet sind und die in Radialrichtung des Achsenelementes 25 in dieses eingebracht sind.
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Der Gewindebohrung 26A und der Nut 26B sind ein als schalenförmiges Segment eines Kreiszylinders ausgebildetes Klemmelement 26C und eine Gewindeschraube 26D zugeordnet, wobei ein Außengewinde der Gewindeschraube 26D zu einem Innengewinde der Gewindebohrung 26A korrespondiert.
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Das Klemmelement 26C weist eine Durchgangsbohrung (nicht bezeichnet) und einen benachbarten Klemmabschnitt (nicht bezeichnet) zum Übergreifen der elektrischen Signalleitung 40 auf.
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Die Tiefe der Nut 26B ist um ein bestimmtes Maß geringer als ein jeweiliger Durchmesser der elektrischen Signalleitung 40. Hierdurch überragt die in die Nut 26B eingelegte elektrische Signalleitung 40 radial die Nut 26B um ein bestimmtes Maß.
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Das Klemmelement 26C ist komplementär so am zweiten Ende 25B des Achsenelementes 25 positioniert, dass die Durchgangsbohrung des Klemmelementes 26C zu der Gewindebohrung 26A fluchtet. Dabei übergreift der Klemmabschnitt die Nut 26B und die darin eingelegte elektrische Signalleitung 40.
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Die Gewindeschraube 26B ist durch die Durchgangsöffnung des Klemmelementes 26C hindurchgeführt und in die Gewindebohrung 26A eingeschraubt, wodurch die elektrische Signalleitung 40 zwischen dem Klemmabschnitt des Klemmelementes 26C und einem Bodenabschnitt (nicht bezeichnet) der Nut 26B festklemmt ist.
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In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die auf die elektrische Signalleitung 40 ausgeübte Klemmkraft größer als die Zugfestigkeit der elektrischen Signalleitung 40 ist. Ferner kann die Gewindeschraube 26B z. B. mittels Klebestoff, wie z. B. Loctite®, gegen Herausdrehen gesichert sein.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 6 der Betrieb der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine, insbesondere das Erkennen einer blockierten bzw. fehlgestellten Leitschaufel 10, beschrieben. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die Folgenden Erläuterungen sowohl für die Ausführungsform gemäß den 4A und 4B als auch für die Ausführungsform gemäß 5 gelten.
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6 zeigt im oberen Bereich die schematische Ansicht eines Störungsfrei- bzw. Normal-Betriebszustandes des Leitschaufel-Verstellmechanismus. Alle Leitschaufeln 10 stehen im gleichen Winkel und somit ist durch die intakte elektrische Signalleitung 40 ein Signalstrang realisiert. Im unteren Bereich der 6 ist schematisch ein durch eine einzelne, falsch stehende Leitschaufel 10 verursachter Störungs-Betriebszustand dargestellt.
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Genauer gesagt hat z. B. durch eine Blockierung der Bewegungsfreiheit in der betreffenden Lagerbuchse 12 des ersten Endes 21 der Leitschaufel 10 verursacht beim Verstellen der Leitschaufel 10 eine vom Stellelement 30 auf den Stellhebel 20 übertragene Stellkraft die Scherfestigkeit der Sollbruchstelle 24 überschritten und ein Abscheren des ersten Endes 25A des Achselementes 25 herbeigeführt.
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Die dadurch auf die elektrische Signalleitung 40 ausgeübte Zugkraft ist größer als die mechanische Zugfestigkeit der elektrischen Signalleitung 40, welche als kleiner als die Minimalstellkraft des Leitschaufel-Verstellmechanismus definiert ist. Das führt zum Reißen der elektrischen Signalleitung 40, wodurch der von der elektrischen Signalleitung 40 gebildete Signalstrang unterbrochen wird, was wiederum von der Auswerteeinrichtung 50 in der im allgemeinen Teil der Beschreibung der Erfindung angegebenen Weise erfasst wird.
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Durch die Blockierung in der Lagerbuchse 12 und das daraus resultierende Abscheren des Achsenelements 25 und Reißen der elektrischen Signalleitung 40 wird eine Fehlstellung der betreffenden Leitschaufel 10 hervorgerufen, wie im unteren Teil von 6 gezeigt.
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Die Auswerteeinheit 50 generiert bei Erfassung des Reißens der elektrischen Signalleitung ein Unterbrechungssignal, welches z. B. an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung weitergeleitet und z. B. zum Herunterfahren bzw. Stoppen der Axialströmungsmaschine verwendet werden kann. Da jeder Stufe 1 eine separate elektrische Signalleitung 40 zugeordnet ist, kann die von der Blockierung bzw. Fehlstellung einer Leitschaufel 10 betroffene Stufe 1 schnell und einfach erfasst und signalisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1'
- Statorstufe
- 10'
- Leitschaufel
- 11'
- Endabschnitt
- 12'
- Lagerbuchse
- 20'
- Stellhebel
- 21'
- erstes Ende
- 22'
- zweites Ende
- 23'
- Sicherungsstift
- 30'
- Stellelement
- 1
- Statorstufe
- 10
- Leitschaufel
- 11
- Endabschnitt
- 11A
- Außenflächen
- 12
- Lagerbuchse
- 20
- Stellhebel
- 21
- erstes Ende
- 21A
- Durchgangsbohrung
- 21B
- Innenflächen
- 22
- zweites Ende
- 22A
- Öffnung
- 24
- Sollbruchstelle
- 25
- Achsenelement
- 25A
- erstes Ende
- 25B
- zweites Ende
- 26
- Klemmeinrichtung
- 26A
- Gewindebohrung
- 26B
- Nut
- 26C
- Klemmelement
- 26D
- Gewindeschraube
- 30
- Stellelement
- 40
- Signalleitung
- 50
- Auswerteeinrichtung
