DE102009038623B4

DE102009038623B4 - Leitschaufelkranz für den Verdichter einer Fluggasturbine

Info

Publication number: DE102009038623B4
Application number: DE102009038623A
Authority: DE
Inventors: Robert Koletzki
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: DE102009038623A1

Abstract

Bei einem Leitschaufelkranz für den Verdichter einer Fluggasturbine, bestehend aus verstellbaren Leitschaufeln (2), die über äußere Drehzapfen und innere Drehzapfen in Lagerbohrungen (4) des Verdichtergehäuses und eines aus einstückigen Segmenten gebildeten Innendeckbandes (1) gelagert sind, umfasst der innere Drehzapfen einen sich radial erstreckenden Distanzzapfen (10) und ein an diesen angeformtes und sich senkrecht zu diesem erstreckendes, schmales Querlagerelement (11b), das sich in einer an der Innenumfangsfläche des Innendeckbandes ausgeformten und an die Form des Querlagerelements angepassten Lageraufnahme (7) abstützt, die über die Lagerbohrung (4) und einen sich beidseitig von dieser erstreckenden, zum Durchführen des Querlagerelements (11b) vorgesehenen Montageschlitz zur Außenumfangsfläche des Innendeckbandes hin offen ist. Dadurch kann eine gleichbleibend geringe Weite des zwischen dem Innendeckband und dem Leitschaufelblatt erforderlichen Spaltes (13) erzielt werden, so dass die Strömungsverluste gering sind. Der Wärmedehnungsausgleich erfolgt über einen zwischen den Innendeckbandsegmenten vorgesehen Spalt und die radial bewegliche Drehzapfenlagerung am Verdichtergehäuse.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für den Verdichter einer Fluggasturbine, bestehend aus verstellbaren Leitschaufeln, die über äußere und innere Drehzapfen in Lagerbohrungen des Verdichtergehäuses und eines aus einstückigen Segmenten gebildeten Innendeckbandes gelagert sind.
Die in Strömungsrichtung vorderen Leitschaufelkränze der Verdichter von Fluggasturbinen sind zumeist mit verstellbaren Leitschaufeln ausgeführt, um durch Verstellen der Schaufellage die Luft in einem jeweils optimalen Winkel auf die Schaufeln der nachfolgenden Rotorstufe leiten zu können. Die Verstellbarkeit der Leitschaufeln ist durch am oberen und unteren Schaufelrand vorgesehene äußere und innere Drehzapfen gewährleistet, die im Verdichtergehäuse bzw. in einem Innendeckband gelagert sind. Das aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung gefertigte ringförmige Innendeckband zur Aufnahme der inneren Drehzapfen besteht entweder aus zwei einstückigen Halbkreis-Ringsegmenten, die bei der Montage zur Einführung der Drehzapfen jeweils elastisch verformt und anschließend wieder in ihre Ausgangslage gelangen, oder aus zwei jeweils axial geteilten – zweiteiligen – Innendeckbandsegmenten oder -ringen, die nach der Aufnahme der inneren Drehzapfen durch Befestigungsmittel axial miteinander verbunden werden müssen. Die Drehzapfen sind in Gleitlagerbuchsen gelagert oder mit einer Gleitlagerbeschichtung versehen. Neben der Fixierung und drehbaren Lagerung der Leitschaufeln besteht eine weitere Funktion des Innendeckbandes in dessen Dichtwirkung gegenüber dem Rotor zur Vermeidung einer Rezirkulation der verdichteten Luft aus dem Bereich höheren Druck in den Bereich niedrigeren Druckes, und zwar durch eine in das Innendeckband eingesetzte Einlaufdichtschicht, der an der Rotortrommel angeformte Dichtspitzen gegenüberstehen.
Die axial geteilte Gestaltung des Innendeckbandes ist aufgrund des hohen Platzbedarfs und Gewichts nachteilig. Zudem sind der Montage- und Kostenaufwand wegen der Vielzahl von Bauteilen hoch. Das aus einstückigen, elastisch verformbaren Halbkreisringsegmenten bestehende Innendeckband ist insofern nachteilig, als für die Montage und auch die Demontage ein spezielles Werkzeug erforderlich ist und der Einsatz dieser Innendeckbänder durch eine – aufgrund des verwendeten Materials und der Größe des Innendeckbandes sowie der Einlaufdichtschicht einschränkte Verformbarkeit der Halbkreis-Ringsegmente begrenzt ist. Zudem erfordert die Montage großes handwerkliches Geschick, so dass benachbarte Bauteile durch Kratzer oder dgl. beschädigt werden können. Darüber hinaus muss der zwischen den Leitschaufeln und dem Innendeckband erforderliche Spalt aufgrund der Wärmeausdehnung relativ groß bemessen werden, so dass den Verdichterwirkungsgrad verringernde Strömungsverluste auftreten können.
Die EP 000001586744 A2 beschreibt die Lagerung verstellbarer Leitschaufeln an einem Innendeckband. Hierzu weist das Innendeckband eine Vielzahl von kreisförmigen Ausnehmungen auf, in welche die Lagerzapfen der Schaufeln einsteckbar sind. Eine radiale Sicherung erfolgt jeweils über seitlich einschiebbare Halteelemente, welche in axiale Schlitze des Innendeckbandes eingesteckt werden.
Die FR 12 27 747 A beschreibt die Lagerung von Drehzapfen von verstellbaren Schaufeln. Am Ende des Drehzapfens ist jeweils ein abgewinkelter Ansatz vorgesehen, der eine Radialsicherung des Drehzapfens bewirkt. Das Innendeckband ist mit seitlich offenen Schlitzen versehen, in welche die Lagerzapfen einschiebbar sind. Nachfolgend erfolgt eine Fixierung mittels eines zusätzlichen Ringelements.
Aus der DE 603 02 510 T2 ist ein Befestigungselement bekannt, welches die Einführung eines Befestigungsansatzes eines Bolzens in einen Führungsschlitz vorsieht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelkranz der eingangs erwähnten Art anzugeben, der bei geringem Platzbedarf und Gewicht sowie geringem Montage- und Kostenaufwand verminderte Strömungsverluste verursacht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Leitschaufelkranz gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausgehend von einem Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln und einem aus einstückigen Segmenten gebildeten Innendeckbandes besteht der Kern der Erfindung in der Ausbildung des inneren Drehzapfens aus einem sich radial erstreckenden Distanzzapfen und einem an diesen angeformten und sich senkrecht zu diesem erstreckenden, schmalen Querlagerelement (Halteelement), das sich an einer an der Innenumfangsfläche des Innendeckbandes ausgeformten und an die Form des Querlagerelements angepassten Lageraufnahme abstützt. Die Montage des Innendeckbandes erfolgt über einen in der Lageraufnahme für das Querlagerelement ausgebildeten, zum Durchführen des Querlagerelements bemessenen Montageschlitz. Der so ausgebildete Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln zeichnet sich durch ein geringes Gewicht, geringe Bauteilkosten und einen geringen Montageaufwand aus. Besonders vorteilhaft ist die durch die spezifische Ausbildung des Drehzapfens und die an diesen angepasste Lageraufnahme bedingte, gleichbleibend geringe Weite des Spaltes zwischen dem Blatt der Leitschaufel und dem Innendeckband, so dass die Strömungsverluste gering sind und ein höherer Verdichterwirkungsgrad erzielt werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Distanzzapfen und dem Schaufelblatt der Leitschaufel eine Lagerscheibe ausgebildet, die in einer am Außenumfang des Innendeckbandes eingeformten Lagerausnehmung gelagert ist.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist an den Gleitflächen des Querlagerelements und/oder der Lagerscheibe eine Gleitmittelbeschichtung vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Querlagerelement eine Kugelscheibe oder eine Kugelsegmentscheibe.
Das Querlagerelement kann aber auch eine andere geeignete Form haben und beispielsweise als flankierter Zylinder oder flankierter Kegelstumpf mit abgerundeten Kanten ausgebildet sein.
Eine an der Innenseite des Innendeckbandes vorgesehene Einlaufschicht steht mit an einem Rotor des Verdichters ausgebildeten Dichtspitzen in Wirkverbindung. Zur Anpassung an bereits vorhandene Verdichter kann an dem Innendeckband ein Einlaufschichtträger angebracht werden, um die an diesem ausgebildete Einlaufschicht lagerichtig zu den Dichtspitzen des Rotors zu positionieren.
Die am Innendeckband ausgebildete Drehzapfen-Lageraufnahme ist an die Form des Querlagerelements angepasst und beispielsweise als Kugelschale, als Kugelschalensegment oder konusförmig ausgebildet.
Das Querlagerelement und die Lagerscheibe können anstelle der Gleitbeschichtung auch mittels eines Gleitlagers und einer Unterlegscheibe gelagert sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teilstücks eines Innendeckbandes für den Leitschaufelkranz eines Verdichters;
2 eine perspektivische Darstellung eines Teils einer verstellbaren Leitschaufel mit einem als Kugelscheibe ausgebildeten Querlagerelement (Halteelement) des Drehzapfens;
3 eine Darstellung gemäß 2, jedoch mit einem als Kugelsegmentscheibe ausgebildeten Halteelement;
4 eine verstellbare Leitschaufel mit einem als flankierter Zylinder ausgebildeten Querlagerelement des Drehzapfens;
5 eine Schnittansicht eines Leitschaufelkranzes mit am Innendeckband radial fixierten, verstellbaren Leitschaufeln; und
6 eine Ausführungsvariante des Leitschaufelkranzes nach 5, jedoch mit separat angebrachtem Träger für die Einlaufschicht.
Der Leitschaufelkranz umfasst ein Innendeckband 1, das aus nach dem „Snap-On”-Prinzip montierten – jeweils einstückigen, elastisch verformbaren – Halbkreissegmenten oder aus mehreren Segmenten, beispielsweise Viertelkreissegmenten, zusammengesetzt ist. Ein zwischen den montierten Deckbandsegmenten oder ein zwischen dem Gehäuse und den Leitschaufeln verbleibender Spalt (nicht dargestellt) dient zum Ausgleich von Wärmedehnungen. Entsprechend der Anzahl der Leitschaufeln 2 sind in die Außenumfangsfläche des Innendeckbandes 1 in regelmäßigem Abstand kreiszylindrische Lagerausnehmungen 3 mit einer Lagerbohrung 4, die beidseitig zu einem in Umfangsrichtung ausgerichteten Montageschlitz 5 erweitert ist, eingeformt. An die Lagerbohrung 4 schließt sich eine von der Innenumfangsfläche des Innendeckbandes 1 ausgehende, an die Form des inneren Drehzapfens 6 der Leitschaufeln 2 angepasste Drehzapfen-Lageraufnahme 7 an.
Der in den 2 bis 4 gezeigte untere Bereich einer Leitschaufel 2 umfasst eine sich an das Schaufelblatt 8 anschließende kreisförmige Lagerscheibe 9 mit dem mittig angeformten Drehzapfen 6. Der Drehzapfen 6 ist durch einen – gemäß 3 und 4 zylindrischen – Distanzzapfen 10 und ein an diesen anschließendes Querlagerelement 11 gebildet. Das Querlagerelement 11 hat, wie die 2 und 3 zeigen, die Form einer Kugelscheibe 11a oder einer Kugelsegmentscheibe 11b, das heißt, einer Kugel bzw. eines Kugelsegments mit weggeschnittenen seitlichen Segmenten. Dementsprechend ist die Drehzapfen-Lageraufnahme 7 halbkugelförmig in die Innenumfangsfläche des Innendeckbandes 1 eingeformt. Alternativ kann die Drehzapfen-Lageraufnahme auch konisch ausgebildet sein. Das an den Distanzzapfen 10 anschließende Querlagerelement 11 des Drehzapfens 6 kann, wie 4 zeigt, auch die Form eines flankierten (geflankten) Zylinders 11c haben, wobei in diesem Fall die Drehzapfen-Lageraufnahme 7 kreiszylindrisch geformt ist. Die Breite und die Länge des Montageschlitzes 5 sind größer als die Breite und die Länge des Querlagerelements 11 des Drehzapfens 6. Das Querlagerelement 11 am Drehzapfen 6 kann auch eine andere Form haben, wobei jedoch die Form der gegenüberliegenden, einander kontaktierenden Gleitflächen des Querlagerelements 11 und der Drehzapfen-Lageraufnahme 7 aufeinander abgestimmt sind. An einer der beiden gegenüberliegenden Gleitflächen des Querlagerelements 11 oder der Drehzapfen-Lageraufnahme 7 sowie der Lagerscheibe 9 oder der Lagerausnehmung 3 ist eine Gleitmittelbeschichtung 12 aufgebracht, die als Verschleißschutz dient und eine leichte Verstellbarkeit der radial nach außen fixierten Leitschaufeln 2 gestattet.
An der Innenfläche des Innendeckbandes 1 ist eine Einlaufschicht 14 eingesetzt, die mit am Rotor 15 des Verdichters vorgesehenen. Dichtspitzen 16 zusammenwirkt, so dass eine sichere Abdichtung gewährleistet ist.
Bei der Montage des Leitschaufelkranzes sind die Querlagerelemente 11 der Drehzapfen 6 entsprechend der Ausrichtung der Montageschlitze 5 im Innendeckband 1 in Umfangsrichtung ausgerichtet, so dass die Segmente des Innendeckbandes 1 auf einfache Art auf die Drehzapfen 6 aufgesteckt, das heißt montiert werden können. Durch Verdrehen der Leitschaufeln 2 ist deren Drehzapfen 6 mittels der Querlagerelemente 11 am Innendeckband radial nach außen fixiert, wobei die rotatorische Position der Leitschaufeln über die Verbindung zum Verstellring mittels eines Verstellhebels (jeweils nicht dargestellt) festgelegt wird. Das Querlagerelement 11 ist so zum Schaufelblatt 8 ausgerichtet, dass es im Betrieb immer im Eingriff mit der Drehzapfen-Lageraufnahme 7 ist und der Drehzapfen 6 nicht zurück in den Montageschlitz 5 rutschen kann. Aufgrund der Ausbildung des Drehzapfens 6 der Leitschaufeln 2 mit einem in der Drehzapfen-Lageraufnahme 7 abgestützten Querlagerelement 11 ist die radiale Bewegung der Leitschaufeln 2 relativ zum Innendeckband 1 begrenzt, so dass eine gleichbleibende geringe Weite des zwischen dem Innendeckband 1 und dem Blatt der Leitschaufeln 2 verbleibenden Spaltes 13 erzielt werden kann und somit die Strömungsverluste verringert werden und der Verdichterwirkungsgrad erhöht wird. Der thermischen Ausdehnung des Innendeckbandes 1 kann durch einen zwischen den Enden der Innendeckbandsegmente belassenen Spalt (nicht dargestellt) und/oder durch die radial bewegliche Lagerung des äußeren Zapfens (nicht dargestellt) der Leitschaufeln 2 Rechnung getragen werden. Die Montage der – einstückig ausgebildeten – Innendeckbandsegmente ist gegenüber einem Leitschaufelkranz mit axial verschraubtem Innendeckband mit einem geringen Zeitaufwand verbunden. Zudem sind der Kostenaufwand und das Bauteilgewicht sowie der erforderliche Bauraum gering. Vorhandene Triebwerke, die im Bereich des Verdichters aufgrund der bisher eingesetzten Innendeckbandausbildung einen großen Bauraum aufweisen, können – wie 6 zeigt – dennoch mit einem zuvor beschriebenen Leitschaufelkranz nachgerüstet werden. In diesem Fall wird das Innendeckband 1 über einen sogennannten Anti-Fret-Liner 17 mit einem separaten Einlaufschichtträger 18 verbunden, so dass die Einlaufschicht 14 bis an die Dichtspitzen 16 des Rotors 15 reicht, wobei ein Teil des freien Raums zwischen dem Rotor 15 und dem Einlaufschichtträger 18 mit einem Volumenfüllmaterial 19 gefüllt ist.
Bezugszeichenliste

1: Innendeckband
2: Leitschaufel
3: Lagerausnehmung
4: Lagerbohrung
5: Montageschlitz
6: Drehzapfen
7: Drehzapfen-Lageraufnahme
8: Schaufelblatt
9: Lagerscheibe v. 2
10: Distanzzapfen v. 6
11: Querlagerelement (Halteelement v. 6)
11a: Kugelscheibe
11b: Kugelsegmentscheibe
12: Gleitmittelbeschichtung
13: Spalt zwischen 1 und 2
14: Einlaufschicht
15: Rotor
16: Dichtspitzen v. 15
17: Anti-Fret-Liner
18: Einlaufschichtträger
19: Volumenfüllmaterial

Claims

Leitschaufelkranz für den Verdichter einer Fluggasturbine, bestehend aus verstellbaren Leitschaufeln (2), die über äußere Drehzapfen und innere Drehzapfen (6) in Lagerbohrungen (4) des Verdichtergehäuses und eines aus einstückigen Segmenten gebildeten Innendeckbandes (1) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Drehzapfen (6) einen sich radial erstreckenden Distanzzapfen (10) und ein an diesen angeformtes und sich senkrecht zu diesem erstreckendes, schmales Querlagerelement (11) umfasst, das sich in einer an der Innenumfangsfläche des Innendeckbandes (1) ausgeformten und an die Form des Querlagerelements (11) angepassten Drehzapfen-Lageraufnahme (7) abstützt, die über die Lagerbohrung (4) und einen sich beidseitig von dieser erstreckenden, zum Durchführen des Querlagerelements (11) vorgesehenen Montageschlitz (5) zur Außenumfangsfläche des Innendeckbandes (1) hin offen ist, dass zwischen dem Distanzzapfen (10) und dem Schaufelblatt (8) der Leitschaufel (2) eine Lagerscheibe (9) ausgebildet ist, die in einer am Außenumfang des Innendeckbandes (1) eingeformten Lagerausnehmung (3) gelagert ist, und dass das Querlagerelement (11) und die Lagerschale (9) mittels eines Gleitlagers und einer Unterlegscheibe aus Gleitmaterial gelagert sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleitflächen des Querlagerelements (11) eine Gleitmittelbeschichtung (12) vorgesehen ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleitflächen der Lagerscheibe (9) eine Gleitmittelbeschichtung (12) vorgesehen ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querlagerelement (11) eine Kugelscheibe (11a) oder eine Kugelsegmentscheibe (11b) ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querlagerelement (11) als geflankter Zylinder oder als geflankter Kegelstumpf ausgebildet ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Form der Querlagerelements (11) angepasste Drehzapfen-Lageraufnahme (7) als Kugelschale, oder als Kugelsegmentschale oder konusförmig oder zylindrisch ausgebildet ist.
Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Innendeckbandes (1) mindestens eine Einlaufschicht (14) ausgebildet ist, die mit an einem Rotor (15) des Verdichters ausgebildeten Dichtspitzen (16) in Wirkverbindung steht.
Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innendeckband (1) ein Einlaufschichtträger (18) angebracht ist, um die an diesem ausgebildete Einlaufschicht (14) lagerichtig zu den Dichtspitzen (16) eines Rotors (15) des Verdichters zu positionieren.
Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageschlitze (5) in Umfangsrichtung des Innendeckbandes (1) ausgerichtet sind.