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Die Erfindung bezieht sich eine Gasturbinenauswuchtvorrichtung, insbesondere auf eine Auswuchtvorrichtung, mittels derer es möglich ist, im montierten Zustand der Gasturbine eine Auswuchtung vorzunehmen.
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In der Flugzeugtriebwerkstechnik werden Triebwerksrotoren ausgewuchtet, um Vibrationen und Schwingungen zu minimieren. Schwingungen entstehen durch unsymmetrische Masseverteilungen an Rotoren durch Herstellungsabweichungen und Positionierungsungenauigkeiten während der Montage.
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Während des Triebwerksbetriebes führen diese Abweichungen dann zu Vibrationen, die sich ungünstig auf andere Triebwerkssysteme, Flugzeugsysteme oder Passagiere auswirken können. Weiterhin können Vibrationen zur Rissbildung an Triebwerksteilen oder gar deren Zerstörung beitragen und sind damit ein nicht zu vernachlässigender Faktor hinsichtlich Sicherheit, Lebensdauer und Kosten.
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Bei der Konzeption von Wuchtsystemen (trim-blancing-system) spielt die Zugänglichkeit eine wesentliche Rolle, da oft in vollständig montiertem Zustand des Triebwerks (möglicherweise während des Abnahmetests) Änderungen vorgenommen werden müssen, um das Schwingungsverhalten der Rotoren zu verringern bzw. zu verändern.
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Am Niederdruckrotor ist dies oftmals unkompliziert da dieser jeweils von der Vorderseite (Fanrotor) als auch von der Hinterseite (Niederdruck-Turbinenrotor) zugänglich ist.
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Probleme treten auf, wenn die Hochdruckwelle (Hochdruckrotor) zu ungünstigen Vibrationen beiträgt, da diese nur schwer zugänglich ist. Hier wird es notwendig, vorhandene Inspektionsöffnungen oder Triebwerkslogistikschnittstellen als Zugang zum Hochdruckrotor zu benutzen und um Änderungen an der Umfangsverteilung der Rotormassen vornehmen zu können.
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Gegenwärtig erfolgt das Wuchten der Hoch- und Niederdruckwelle in mehreren aufeinander folgenden Schritten. Zuerst werden die einzelnen Rotortrommeln auf speziellen Maschinen gewuchet. Um dies zu erreichen kann beispielsweise Material an vorher festgelegten Stellen an der Trommel entnommen werden. Danach erfolgt das Wuchten der zusammengebauten Einzeltrommeln. Nach Zusammenbau der kompletten Hochdruckwelle und des kompletten Triebwerkes werden dann an der Niederdruckwelle kleine Korrekturen durchgeführt indem beispielsweise Gewichte angebracht werden. Dies ist an der Hochdruckwelle aus Gründen der Zugänglichkeit der Komponenten nicht ohne Weiteres möglich.
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Die
US 5,545,010 A beschreibt ein Verfahren, wo Gewichte aus einem zusätzlich angebrachten Ring eingebaut oder entfernt werden. Die Zugänglichkeit wird über den Gaspfad hergestellt.
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Die
US 4,898,514 A beschreibt ein Verfahren, bei dem die Wuchtmassen in axialen Schaufelfußnuten angebracht werden. Dies erfordert einen speziellen Schaufelstandard mit reduzierter Schaufelfußlänge. Die Zugänglichkeit wird hier nicht näher beschrieben.
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Die
US 4,803,893 A beschreibt ein Verfahren, bei dem in der Scheibenkontur einer Turbinenscheibe eine zusätzliche Aussparung vorgesehen wird, in der spezielle Wuchtgewichte montierbar sind. Die Zugänglichkeit wird auch hier nicht näher beschrieben.
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Die Lösung gemäß
US 5,545,010 A verwendet einen zusätzlichen Ring, in dem Gewichte eingebaut und entfernt werden. Dieser Ring ist ein zusätzliches Bauteil mit einem relativ hohen Gewicht. Desweiteren ist die Zugänglichkeit über dem Ringraum bei einem modernen Axialkompressor nur an der ersten Rotorstufe möglich. An der Hochdruckwelle ist dieses Verfahren nicht anwendbar.
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Alle bekannten Verfahren sind nur auf Turbinen- oder ggf. vordere Verdichterstufen anwendbar. Eine zufriedenstellende Zugänglichkeit im zusammengebauten Zustand eines modernen Axialkompressors ist nicht gegeben oder nur eingeschränkt möglich. Wuchtgewichte lassen sich ausschließlich am vorderen oder hinteren Ende des Hochdruckrotors nahe der Lager und auf teils geringem Durchmesser anbringen. Dies ist rotordynamisch nicht sehr effektiv und erfordert entsprechend massive Gewichte. Auch sind bei allen beschriebenen Verfahren spezielle zusätzliche Teile und erhebliche Anpassungen der umgebenden Bauteile erforderlich. Dies ist mit entsprechendem Gewicht und zusätzlichen Kosten verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenauswuchtvorrichtung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Bedienbarkeit ein hohes Maß von Effizienz gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass am Außenumfang zumindest eines Hochdruckrotors eines Hochdruckkompressors eine Ringnut ausgebildet ist. In dieser Ringnut sind erfindungsgemäß zwei Wuchtringe angeordnet, welche, bezogen auf eine Triebwerksachse, eine Unwucht aufweisen und welche in Umfangsrichtung und somit um die Triebwerksachse relativ zueinander und relativ zu der Ringnut verdrehbar sind. Somit führt eine Verstellung der beiden Wuchtringe zu einer Auswuchtung des Hochdruckrotors.
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Da erfindungsgemäß zwei derartige Wuchtringe vorgesehen sind, welche eine Exzentrizität und damit eine Unwucht aufweisen, ist es möglich, diese beiden Wuchtringe gegenseitig so zu positionieren, dass diese keinen Effekt aufweisen. Im Falle eines bei der Fertigung aus sich selbst heraus gut ausgewuchteten Hochdruckrotors können somit die Wuchtringe der erfindungsgemäßen Auswuchtvorrichtung eingebaut werden, ohne in diesem Zustand einen Effekt zu bewirken. Sollte sich im zusammengebauten Zustand oder durch Verschleiß/Beschädigungen eine Unwucht ergeben, so ist es möglich, die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung durch Verdrehung der Wachtringe zu aktivieren.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Wuchtringe jeweils mittels einer Fixiervorrichtung relativ zueinander und relativ zu der Ringnut lösbar fixierbar sind.
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Hierdurch wird verhindert, dass sich die Wuchtringe beim Betrieb der Gasturbine selbsttätig verschieben und eine Unwucht hervorrufen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wuchtringe mittels eines Werkzeugs im montierten Zustand der Gasturbine verdrehbar sind. Das Werkzeug kann bevorzugterweise über Zugangsöffnungen eingeführt und mit den Wuchtringen in Eingriff gebracht werden. Derartige Zugangsöffnungen sind vielfach konstruktiv bereits vorhanden und können somit für die erfindungsgemäße Wuchtvorrichtung mitbenutzt werden.
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In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wuchtringe gleich ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Herstellungs- und Montagekosten.
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Durch die exzentrische Ausgestaltung der Wuchtringe, bezogen auf die Triebwerksachse, ist es möglich, diese ausreichend zu dimensionieren und auszugestalten, so dass sich in Abhängigkeit von der jeweiligen konstruktiven Situation der Gasturbine eine optimale Auswuchtung ergibt. Die Wuchtringe können dabei auch ausreichend klein dimensioniert sein, da durch eine geeignete Exzentrizität nur der Bereich der Wuchtringe mit der größeren Masse wirksam zum Einsatz kommt.
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Bevorzugterweise sind die Wuchtringe jeweils mit Werkzeugeingriffsmitteln versehen, mittels derer die Wuchtringe aus ihrer gegenseitigen Fixierung lösbar und/oder verdrehbar sind. Die Werkzeugeingriffsmittel sind bevorzugterweise in Form einer Verzahnung ausgebildet, welche an der radialen Außenseite oder an einer axialen Seitenfläche des jeweiligen Wuchtrings vorgesehen ist. Eine derartige verzahnte Oberfläche kann mittels des Werkzeugs formschlüssig gegriffen werden, um die Wuchtringe feinfühlig verdrehen zu können. Auch eine Lösung der Fixierung der Wuchtringe ist zusätzlich zu der Aufbringung einer die Wuchtringe verdrehenden Kraft mittels des in die verzahnungsartige Oberfläche eingreifenden Werkzeuges in vorteilhafter Weise möglich.
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Die Fixiervorrichtung ist in günstiger Ausgestaltung der Erfindung so ausgebildet, dass die Wuchtringe kraftschlüssig gehalten werden, beispielsweise durch zumindest ein elastisches Element, welches bei geringem Bauvolumen und geringem Gewicht ausgebildet sein kann, beispielsweise als ringförmiger Federteller oder in ähnlicher Weise.
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Erfindungsgemäß ergeben sich somit folgende Vorteile:
- – Zugänglichkeit zum Verstellsystem gewährleistet,
- – keine zusätzlichen mechanischen Vorrichtungen (Schrauben, Muttern, Gewinde) zur Sicherung gegen selbsttätiges Verstellen notwendig,
- – geringe Anzahl der Teile,
- – geringes Bauvolumen,
- – sehr feine Stufung der Verstellung ermöglicht Feineinstellung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine vereinfachte Teil-Ansicht der erfindungsgemäßen Auswuchtvorrichtung;
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3 eine vergrößerte Darstellung analog 2;
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4 eine perspektivische Teil-Darstellung der Wuchtringe mit Werkzeugeingriffsmitteln;
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5 eine vergrößerte Teilansicht analog 4 mit eingesetztem Werkzeug, und
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6 eine Seitenansicht eines Wuchtrings zur Darstellung der Unwucht.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Zwischendruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Zwischendruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Wie insbesondere in den 2 und 3 gezeigt, weist ein Hochdruckrotor 30 eine Ringnut 29 auf, welche an seinem Außen-Umfangsbereich ausgebildet ist. Die 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Rotorschaufel 37 sowie benachbarte Statorschaufeln 38. Das Bezugszeichen 39 zeigt eine Rotorscheibe. Die Ausgestaltung des Rotors entspricht dem Stand der Technik und braucht an dieser Stelle nicht beschrieben zu werden.
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In der Ringnut 29 sind (siehe insbesondere 3) zwei Wuchtringe 31 und 32 angeordnet, welche ringförmig ausgebildet sind und mittels einer elastischen Fixiervorrichtung 34, beispielsweise in Form eines Federtellers, kraftschlüssig gegeneinander verspannt und gehalten sind.
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Der Hochdruckrotor 30 weist eine Zugangsöffnung 40 auf, durch welche ein Werkzeug 33 (siehe 5) einführbar ist. Dieses ist durch eine weitere Zugangsöffnung 41 in der radial äußeren Wandung des Strömungskanals einführbar, so wie dies schematisch in 2 dargestellt ist.
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Die beiden Wuchtringe 31 und 32 umfassen jeweils Werkzeugeingriffsmittel 35 und 36, welche in Form einer Verzahnung, ähnlich einer ringförmigen Zahnstange ausgebildet sind. Die Verzahnungen 35 und 36 sind mit einem verzahnten Kopf 42 des Werkzeugs 33 formschlüssig in Eingriff bringbar. Somit ist es durch Drehung eines Schaftes 44 des Werkzeugs 33 möglich, die beiden Wuchtringe 31 und 32 relativ zueinander zu verdrehen.
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Die 5 zeigt in Teil-Darstellung zusätzlich einen Anschlag 43, welcher zur sicheren Führung und Halterung des Werkzeugs 33 dient.
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Erfindungsgemäß 1st es somit möglich, im montierten Zustand der Gasturbine eine Auswuchtung vorzunehmen. Das Maß der Auswuchtung ergibt sich durch die Verdrehung des Werkzeugs 33, welche feinsinnig stufenlos erfolgen kann und somit zu einer stufenlosen Relativverschiebung der beiden Wuchtringe 31, 32 in der Nut 29 führt.
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Die 6 zeigt eine Seitenansicht eines Wuchtrings 31 oder 32 zur Darstellung der Unwucht, welche durch Unterschiede in der Wandstärke (maximale Wandstärke 45 und minimale Wandstärke 46) realisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- im Gehäuse umlaufender Fan
- 13
- Zwischendruckkompressor
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammern
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Zwischendruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- Ringnut
- 30
- Hochdruckrotor
- 31
- Wuchtring
- 32
- Wuchtring
- 33
- Werkzeug
- 34
- Fixiervorrichtung
- 35
- Werkzeugeingriffsmittel/Verzahnung
- 36
- Werkzeugeingriffsmittel/Verzahnung
- 37
- Rotorschaufel
- 38
- Statorschaufel
- 39
- Rotorscheibe
- 40
- Zugangsöffnung
- 41
- Zugangsöffnung
- 42
- Verzahnter Kopf
- 43
- Anschlag
- 44
- Schaft
- 45
- Maximale Wandstärke
- 46
- Minimale Wandstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5545010 A [0008, 0011]
- US 4898514 A [0009]
- US 4803893 A [0010]
