DE102012216656B3

DE102012216656B3 - Verstellbarer Leitapparat

Info

Publication number: DE102012216656B3
Application number: DE102012216656A
Authority: DE
Inventors: Michael Winkelmann; Dirk Grosse-Benne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: WO2014044446A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat (IGV) einer Turbomaschine (TM), insbesondere eines Verdichters (CO), umfassend Leitschaufeln (V), Anschlusswellen (VS), wobei jede Anschlusswelle (VS) mit einer Leitschaufel (V) derart verbunden ist, dass eine Drehung der Anschlusswelle (VS) eine Drehung der Leitschaufel (V) um eine Leitschaufeldrehachse (VX) bewirkt. Damit die Funktion des eingangs definierten Leitapparates verbessert und gleichzeitig die Verfügbarkeit des gesamten Leitapparates sich erhöht, wird vorgeschlagen, dass der verstellbare Leitapparat (IGV) für jede Anschlusswelle (VS) einen elektrischen Motor (EM) umfasst, wobei der Motor (EM) derart mit der Anschlusswelle (VS) verbunden ist, dass der Betrieb des Motors (EM) eine Drehung der Leitschaufel (V) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat einer Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters, umfassend Leitschaufeln, Anschlusswellen, wobei jede Anschlusswelle mit einer Leitschaufel derart verbunden ist, das eine Drehung der Anschlusswelle eine Drehung der Leitschaufel um eine Leitschaufeldrehachse bewirkt.
In Zeiten zunehmend flexibler Prozessführungen bekommen Leitapparate an Turbomaschinen zunehmende Bedeutung. Beispielsweise wird in Folge der fast schon global erklärten Energiewende die Anforderung an die Flexibilität von Energieerzeugungen immer höher. Ähnlich steigende Flexibilitätsanforderungen gibt es auch im Bereich angetriebener Turbomaschinen, beispielsweise Verdichtern. Bei diesen Strömungsmaschinen ist es zweckmäßig, dass die aufgenommene oder abgegebene Leistung auch einen Einfluss auf die Aerodynamik der entsprechenden Strömungsmaschine hat. Hierzu ist es bekannt, Strömungsmaschinen mit Eintrittsleitapparaten und/oder Austrittleitapparaten zu versehen, die im Falle des Eintrittsleitapparates das eintretende Prozessfluid hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Strömungsrichtung vor dem Auftreffen auf die erste Laufstufe in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung anpassen. Diese aerodynamische Anpassung wirkt sich wie eine starke Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich aus, verglichen mit einer bloßen Reduzierung des eintretenden Volumenstroms des Prozessfluids durch beispielsweise ein stromaufwärts angeordnetes Regelventil.
Als konstruktive Verwirklichung eines Eintrittsleiterapparates oder eines Austrittsleitapparates ist es darüber hinaus bekannt, dass beispielsweise ein Antrieb eine Mechanik betätigt, welche nach einer fest vorgeschriebenen Kinematik sämtliche Schaufeln einer Stufe eines Eintrittsleitapparates verstellt. Analoges gilt auch für Austrittsleitapparate und auch für beispielsweise axial ausgerichtete Turbomaschinen, bei denen sämtliche Leitschaufeln verstellbar ausgebildet sind bzw. über eine jeweils einer Leitschaufel zugeordnete Leitschaufeldrehachse gemäß einer vorgegebenen Kinematik drehbar sind. Häufig erstreckt sich bei dieser Axialturbomaschine die Mechanik, die von einem einzigen Aktuator angetrieben wird, über mehrere Stufen, bei denen sich jede einzelne Leitschaufel in der Winkelposition injektiv der Verstellposition des einzigen Aktuators zuordnen lässt.
Derartige Mechaniken zur Verstellung des Eintrittsleitapparates sind sehr aufwändig, äußerst kostspielig in der Fertigung und darüber hinaus defektanfällig, da es häufig zu einem Verklemmen des Eintrittsleitapparates kommen kann. Hierbei haben Ablagerungen aus dem Prozessfluid, Vibrationen, Korrosion und ungünstige Temperatureinflüsse eine, die Fehlfunktion der Mechanik begünstigende, Wirkung.
Aus den Druckschriften DE 10 2011 055 823 A1 , DE 10 2009 014 279 A1 , EP 2 006 494 A1 , US 2012/0134784 A1 , US 2007/0172347 A1 sind auch Turboverdichter bekannt. Die DE 10 2011 055 823 A1 , US 2012/0134784 A1 offenbaren auch Leitschaufeln in verschiedenen Stufen, welche zum Teil jeweils in dem Anstellwinkel verstellbar ausgebildet sind. Bei der EP 2 006 494 A1 wird zu diesem Zweck pro Stufe ein Servomotor verwendet.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, die Funktion des eingangs definierten Leitapparates zu verbessern und gleichzeitig die Verfügbarkeit des gesamten Leitapparates zu erhöhen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Leitapparat für eine Turbomaschine der eingangs definierten Art zusätzlich die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.
Gemäß der Erfindung ist jeder einzelnen Anschlusswelle ein elektrischer Antrieb zugeordnet, der die jeweils an der Anschlusswelle angeschlossene Leitschaufel direkt in die gewünschte Winkelposition drehen kann.
Bevorzugt ist dieser elektrische Antrieb gekapselt, so dass er verschmutzungsunempfindlich ist.
Weiterhin ist er zweckmäßig zumindest insofern abgedichtet, dass eintretende Flüssigkeit oder sonstige Feuchtigkeit nicht zu einer Fehlfunktion führen kann.
Zusätzlich ist der elektrische Antrieb bzw. Motor bevorzugt derart ausgebildet, dass die anfallenden Betriebstemperaturen die Funktion nicht beeinträchtigen.
Bei extrem niedrigen Betriebstemperaturen kann eine zusätzliche Beheizung der elektrischen Antriebe bevorzugt elektrisch vorgesehen sein.
Bei besonders hohen Betriebstemperaturen ist ggf. eine Kühlung der elektrischen Antriebe zweckmäßig.
Die Kühlung der elektrischen Antriebe kann ggf. durch das zu verdichtende Prozessfluid vorgesehen sein, insbesondere, wenn es in einer geeigneten Temperatur in der entsprechenden Prozesslandschaft vorliegt.
Bevorzugt ist der elektrische Motor als Servo-Motor ausgebildet. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der elektrische Motor bzw. Servo-Motor eine hinreichende Verstellgenauigkeit (bevorzugt +/–1°) aufweist und eine bevorzugt integrierte Positionszurückmeldung, so dass stets fehlerfrei feststellbar ist, in welcher Winkelposition sich die einzelne an die Anschlusswelle angeschlossene Leitschaufel befindet.
Bevorzugt sind sämtliche der an die Anschlusswellen angeschlossenen elektrischen Motoren mit einer Regelung verbunden, die die einzelnen Leitschaufeln bzw. deren Antriebe in eine Winkelsollposition steuert.
Die Anschlusswelle ist zweckmäßig gleichzeitig die Abtriebswelle des Servo-Motors.
Hierbei kann die Abtriebswelle des Servo-Motors derart vorbereitet sein, dass die entsprechende Leitschaufel an dieser sicher befestigt werden kann.
Hierzu kann beispielsweise an der Anschlusswelle ein Gewinde mit einem Endabsatz vorgesehen sein, wobei die Leitschaufel mit einem Innengewinde versehen ist, in welches das Gewinde der Anschlusswelle hineingeschraubt werden kann, wobei eine Sicherung bevorzugt vorgesehen ist, die ein selbsttätiges Lösen der Leitschaufel verhindert.
Alternativ kann zwischen der Abtriebswelle des Elektromotors und der Anschlusswelle eine Welle-Welle-Verbindung vorgesehen sein, beispielsweise eine Hirt-Verbindung. Hierbei kann die Anschlusswelle auch einstückig mit der Leitschaufel ausgebildet sein.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen verstellbaren Leitapparaten liegt in der Flexibilität der Einstellung des Eintritts- oder Austrittsleitapparates mittels einfacher Software-Parametrierung. Hierbei können sogar einzelne Schaufeln individuell verstellt werden und sogar um 360° gedreht werden. Ggf. ist es möglich, mittels einer übergeordneten Regelung eine Stellungsoptimierung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Turbomaschine durchzuführen. Es ist sogar denkbar, dass durch das gezielte Verstellen einzelner Schaufeln oder einer bestimmten Gruppe von Schaufeln auf ein aktuelles Schwingungsaufkommen an der Maschine reagiert werden kann, indem hierdurch gezielte aerodynamische Impulse sogar an bestimmten Umfangspositionen des Leitapparates auf die Turbomaschine gegeben werden. Es ist sogar denkbar, eine Modulation abhängig von der Umfangsposition des einströmenden Fluides auf die Strömung zu geben und – falls dies strömungstechnisch sinnvoll ist – derart auf das Betriebsverhalten der Maschine Einfluss zu nehmen.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei einem Ausfall eines elektrischen Antriebs nicht sofort der gesamte Leitapparat seine Funktion verliert, wie bei der herkömmlichen Ausführungsform. Vielmehr ist es möglich, dass die benachbarten Gruppen von Leitschaufeln ggf. nur die benachbarten Schaufeln oder die zwei benachbarten Leitschaufeln derart positioniert werden, dass der Ausfall der defekten Schaufel zumindest temporär kompensiert werden kann. Jedenfalls ist es möglich, bei Ausfall einzelner Leitschaufeln bzw. derer Antriebe die übrigen Leitschaufeln beispielsweise derart zu positionieren, dass der Volumenstrom durch die Maschine minimiert wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen:
1 eine dreidimensionale Darstellung eines Leitapparates in schematischer Weise,
2 eine schematisch Darstellung einer einzelnen Leitschaufel mit Motor als Bestandteil eines hälftig geschnittenen Leitapparates in isolierter Darstellung,
3 eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der Steuerung der Motoren und Leitschaufeln.
1 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leitapparates IGV einer Turbomaschine TM, wobei die Turbomaschine nur soweit es die Erfindung betrifft, dargestellt ist. Bei der Turbomaschine TM handelt es sich um einen Verdichter CO und bei dem Leitapparat IGV um einen Eintrittsleitapparat. Der Leitapparat IGV weist eine Vielzahl an Leitschaufeln V auf, die jeweils, wie auch in der 2 dargestellt, mittels einer Anschlusswelle VS an einen elektrischen Motor EM drehfest angekoppelt sind. Der elektrische Motor EM ist als Servomotor SM ausgebildet und in einem Stator ST drehfest gelagert. Die Leitschaufel ist an der Anschlusswelle VS des Elektromotors befestigt.
2 zeigt, dass jede Leitschaufel V um eine individuelle Leitschaufeldrehachse VX drehbar ist. Jeder einzelnen Leitschaufel V ist ein eigener elektrischer Motor EM oder auch elektrischer Servomotor SM als Antrieb zugeordnet und mit dieser drehfest mittels der Anschlusswelle VS verbunden.
3 zeigt, dass eine zentrale Regelung C die einzelnen Elektromotoren EM bzw. Servomotoren SM ansteuert und somit die Leitschaufeln V in eine Solllage verdreht werden.

Claims

Verstellbarer Leitapparat (IGV) einer Turbomaschine (TM), insbesondere eines Verdichters (CO), umfassend – Leitschaufeln (V), – Anschlusswellen (VS), wobei jede Anschlusswelle (VS) mit einer Leitschaufel (V) derart verbunden ist, dass eine Drehung der Anschlusswelle (VS) eine Drehung der Leitschaufel (V) um eine Leitschaufeldrehachse (VX) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der verstellbare Leitapparat (IGV) für jede Anschlusswelle (VS) einen elektrischen Motor (EM) umfasst, wobei der Motor (EM) derart mit der Anschlusswelle (VS) verbunden ist, dass der Betrieb des Motors (EM) eine Drehung der Leitschaufel (V) bewirkt.
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Motor (EM) ein Servomotor (SM) ist.
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach Anspruch 2, wobei eine Abtriebswelle (DS) des Servomotors (SM) identisch mit der Anschlusswelle (VS) ist.
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Anschlusswelle (VS) mit einer Abtriebswelle (DS) des Elektromotors (EM) verbunden ist.
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach Anspruch 4, wobei die Anschlusswelle (VS) einstückig ausgebildet ist mit der Leitschaufel (V).
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitapparat (IGV) ein Eintrittsleitapparat eines Turboverdichters ist.
Verstellbarer Leitapparat (IGV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leitapparat (IGV) ein Austrittsleitapparat eines Turboverdichters ist.