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Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Strömungsmaschine sowie einen Innenring.
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Ein herkömmlicher Leitschaufelkranz bzw. ein Leitgitter für eine Strömungsmaschine wie ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine hat eine Vielzahl von Leitschaufeln, die jeweils um ihre Hauptachse verstellbar sind, und einen konischen Innenring zum radial inneren Stabilisieren der Leitschaufel. Der Innenring hat aufgrund seiner Konizität eine in Längsrichtung des Leitschaufelkranzes schräg angestellte Ringfläche, die einen Ringraum der Strömungsmaschine radial innen begrenzt und mit einer Vielzahl von gegenüberliegenden Schaufelendflächen der Leitschaufeln jeweils einen Radialspalt definiert. Die Radialspalte führen grundsätzlich zu aerodynamischen Verlusten und somit zu einer Wirkungsgradreduzierung der Strömungsmaschine.
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Aufgrund der schrägen Ausrichtung der Ringfläche und der Schaufelendflächen sind die Radialspalte über den Verstellbereich der Leitschaufeln unterschiedlich hoch. So sind die Radialspalte herkömmlicherweise bei einem maximal aufgesteuerten Leitschaufelkranz kleiner als im auslegungsrelevanten Betriebspunkt der Strömungsmaschine. Da jedoch auch bei dem maximal aufgesteuerten Leitschaufelkranz eine Mindestspalthöhe, bestehend aus einer Toleranzkette und einer thermischen Dehnung der Leitschaufeln sowie des Innenrings, eingehalten werden muss, ist die Auslegung der Radialspalte schwierig, da eine Spalthöhe im Verstellbereich aus aerodynamischen Gründen klein gehalten werden soll.
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Zur verbesserten Einstellung des Radialspaltes wird, wie in
1 angedeutet, in dem Patent
US 7,802,963 B3 ein Leitschaufelkranz
1 gezeigt, dessen Innenring
2 im Verstellbereich seiner Leitschaufeln
4 jeweils mit einer ringflächenseitigen Abflachung
6 versehen ist. Wie aus der
1 ersichtlich, ist jedoch ein Radialspalt a in einer Verstellposition der Leitschaufeln
4 zwischen einer Schaufelendfläche
8 und der Abflachung
6 kleiner als ein Radialspalt b in einer Grundposition der Leitschaufeln
4.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leitschaufelkranz zu schaffen, der eine einfache Auslegung eines Radialspaltes zwischen einer Schaufelendfläche und einer Ringfläche eines Innenrings ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine mit einem verbesserten Wirkungsgrad sowie einen Innenring für einen derartigen Leitschaufelkranz zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leitschaufelkranz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch einen Innenring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine hat eine Vielzahl von Leitschaufeln, die jeweils um ihre Hauptachse verstellbar sind, und einen Innenring zum radial inneren Stabilisieren der Leitschaufeln, wobei eine Ringfläche des Innenrings und/oder jeweils eine der Ringfläche zugewandte und von dieser radial beabstandete Schaufelendfläche der Leitschaufeln in einem Winkel ungleichen 90° zur Hauptachse orientiert sind/ist. Erfindungsgemäß ist in die Ringfläche im Verstellbereich jeder Leitschaufel eine längliche Vertiefung eingebracht, die mit der jeweils gegenüberliegenden Schaufelendfläche über einen Teil des Verstellbereichs der Leitschaufel einen parallelen Radialspalt bildet.
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Parallel bedeutet dabei, dass in Radialrichtung des Leitschaufelkranzes ein minimaler Abstand von einem Konturabschnitt (Grund oder Flanke) der Vertiefung zur Schaufelendfläche unabhängig vom Verstellwinkel gleichbleibend ist. Durch diese erfindungsgemäße Facettierung, die bevorzugterweise mit der Schaufelteilung korrespondiert, wird über einen Teil des Verstellbereichs trotz der Anstellung der Ringfläche und/oder der Schaufelendflächen zur Hauptachse der Leitschaufeln in einem Winkel ungleich 90° jeweils ein konstanter Radialspalt geschaffen. Ein Radialspalt in einer maximal aufgesteuerten Position der Leitschaufeln ist gleich einem beliebigen Radialspalt in einer Verstellposition der Leitschaufeln, so dass zwischen den Schaufelendflächen und der Ringfläche stets ein konstanter Minimalspalt vorliegt. Hierdurch wird zum Einen die Auslegung der Radialspalte vereinfacht. Zum Anderen werden aerodynamische Verluste im Leitgitter reduziert und somit ein Wirkungsgrad der Strömungsmaschine gesteigert.
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Bevorzugterweise ist eine Spalthöhe des Radialspaltes ein radialer Abstand der Schaufelendflächen von der Ringfläche bei maximaler Verstellung bzw. bei minimal geöffnetem Leitgitter. Hierdurch können die Vertiefungen jeweils mit einer minimalen Tiefe ausgebildet werden, was zum einen deren Fertigung vereinfacht und zum anderen negative Auswirkung der Vertiefungen auf die Stabilität des Innenrings verhindert.
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Bei einem fertigungstechnisch besonders einfachen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Vertiefungen von einer Schaufeltelleraufnahme bis zur Hinterkante des Innenrings. Somit verlaufen die Vertiefungen bei diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts einer Hauptströmung über die gesamte Länge der Schaufelendflächen stromab der Schaufeltelleraufnahmen.
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Bevorzugterweise sind die Vertiefungen von der Schaufeltelleraufnahme in Richtung der Hinterkante verbreitert. Durch die Verbreiterung wird berücksichtigt, dass ein hauptachsenferner Abschnitt einer Schaufelendfläche eine größere Kreisbahn als ein hauptachsennaher Abschnitt einer Schaufelendfläche beschreitet. Dadurch, dass die Vertiefungen nun vorne schmal sind, ist die Ringfläche stets so nahe wie möglich an die Leitschaufeln bzw. deren Schaufelblätter herangeführt, was sich günstig auf die Aerodynamik auswirkt.
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Bevorzugterweise sind die Vertiefungen in einem Bereich hinter den Leitschaufeln verengt. Durch die Verengungen wird die Breite der Vertiefungen in dem Vertiefungsbereich reduziert, in dem sich die Leitschaufel nicht erstreckt. Hierdurch wird die Vertiefung stromab bzw. hinter den Leitschaufeln quasi geschlossen.
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Bevorzugterweise fallen die Vertiefungen von der Grundposition in Richtung einer maximalen Verstellposition der Leitschaufel betrachtet bis zu ihrem Grund flach ab und steigen hinter dem Grund steil an. Der Grund ist der Vertiefungsbereich mit der größten Tiefe und somit in maximaler Verstellposition der Leitschaufeln gegenüber den Schaufelendflächen positioniert. Da die Leitschaufeln in den Vertiefungsbereich hinter dem Grund nicht verschwenkt werden, ist dieser Bereich für den Radialspalt ohne Bedeutung. Das steile Ansteigen bewirkt somit eine nahes Heranführen bzw. eine geringe Beabstandung der Ringfläche an die Schaufelblätter.
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Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest einen erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz auf. Aufgrund der optimierten und insbesondere minimalen parallelen Radialspalte zwischen der ringraumseitigen Ringfläche des Innenrings und den gegenüberliegenden Schaufelendflächen der Leitschaufeln ergibt sich eine verbesserte Aerodynamik des Verdichters und somit ein höherer Verdichterwirkungsgrad im Vergleich zu einer Strömungsmaschine mit einem herkömmlichen Leitschaufelkranz.
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Ein bevorzugter Innenring für einen erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz hat eine Vielzahl von im Verstellbereich einer Leitschaufel in seiner Ringfläche eingebrachte Vertiefungen, die mit jeweils einer gegenüberliegenden Schaufelendfläche über einen Teil des Verstellbereichs der Leitschaufelen einen parallelen Radialspalt bildet.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einer Leitschaufel eines herkömmlichen Leitschaufelkranzes in verschiedenen Verstellpositionen,
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2 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz von hinten,
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3 einen Längsschnitt durch den Leitschaufelkranz aus 2,
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4 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes eines Innenrings des Leitschaufelkranzes aus 2 von hinten,
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5 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes des Innenrings von hinten, und
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6 einer Leitschaufel des Leitschaufelkranzes aus 2 in verschiedenen Verstellpositionen.
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Gemäß 2 hat ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz 10 einer Strömungsmaschine wie ein Flugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine eine Vielzahl von Leitschaufeln 12 und einen Innenring 14. Zudem hat der Leitschaufelkranz 10 einen nichtgezeigten und auf den Innenring 14 radial innen aufgeschobenen Dichtungsträger. Der Leitschaufelkranz 10 ist statorseitig im Verdichter angeordnet und umgreift eine Rotortrommel eines Rotors, der um eine sich in Strömungsrichtung x eines Hauptstroms erstreckende Maschinenachse rotiert.
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Die Leitschaufeln 12 sind jeweils um ihre sich Radialrichtung z erstreckende Schaufelachse bzw. Hauptachse h verstellbar und haben jeweils ein Schaufelblatt 16, einen inneren Schaufelteller 18 und einen äußeren Schaufelteller 20. Zudem haben die Leitschaufeln 12 jeweils einen sich von den äußeren Schaufeltellern 20 radial nach außen erstreckenden Verstellzapfen 22, mittels dem sie jeweils mit einer gehäuseseitigen Verstelleinrichtung zum Verschwenken bzw. Verstellen um ihre Hauptachse h zusammenwirken.
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Wie im Schnitt G-G nach 3 gezeigt, haben die Leitschaufeln 12 jeweils einen sich von dem inneren Schaufelteller 18 radial nach innen erstreckenden Lagerzapfen 24, mittels dem sie in einer in eine Lagerbohrung 26 des Innenrings 14 eingesetzten Lagerbuchse 28 radial zu ihrer Hauptachse h geführt sind. Zudem haben die Leitschaufeln 12 jeweils eine Schaufelendfläche 30, die sich in Strömungsrichtung x radial von innen nach außen erstreckt und dem Innenring 14 zugewandt ist. Somit sind die Schaufelendflächen 30 in einem Winkel ungleich 90° zur Hauptachse h orientiert.
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Der Innenring 14 dient zur radialinneren Stabilisierung der Leitschaufeln 12. Er besteht beispielsweise aus zwei in einer horizontalen Gehäusetrennebene getrennten Halbringen, die über eine elastische Verformung über den Lagerzapfen 24 angeordnet werden. Wie in 3 zu erkennen, ist der Innenring 14 konisch. Er hat eine in Strömungsrichtung x betrachtet radial von innen nach außen verlaufende Ringfläche 32. Sie ist somit in einem Winkel ungleich 90° zur Hauptachse h orientiert und den Schaufelendflächen 30 zugewandt. Die Ringfläche 32 begrenzt einen von dem Hauptstrom durchströmten Ringraum radial innen und erstreckt sich zwischen einer Vorderkante 34 und einer Hinterkante 36 des Innenrings 14. Zur Bildung einer nahezu stufenlosen und somit nahezu ebenen radial inneren Ringraumbegrenzung sind die inneren Schaufelteller 18 in einer radialen Erweiterung 38 der Lagerbohrungen 26 aufgenommen und mit einer die Konizität des Innenrings 14 aufgreifenden radial nach außen angestellten Tellerfläche 40 versehen.
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Wie in 4 beziffert, ist in die Ringfläche 32 im Verstellbereich jeder Leitschaufel 12 eine längliche Vertiefung 42 eingebracht. Die Vertiefungen 42 bewirken eine Facettierung der Ringfläche 32 und korrespondieren mit einer Schaufelteilung. Sie erstrecken sich stromabwärts von der Erweiterung 38 in Richtung der Hinterkante 36 und münden in diese. Die Vertiefungen 42 sind somit, wie in 5 gezeigt, beidseits in axialer Richtung geöffnet.
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Gemäß 5 haben die Vertiefungen 42 zudem jeweils einen geradlinigen Grund 44, eine steile Flanke 46 und eine der steilen Flanke 46 gegenüberliegende flache Flanke 48. In einer Position bei maximal aufgesteuertem Leitschaufelkranz 10 befinden sich die Schaufelendflächen 30 jeweils gegenüber dem Grund 44 der Vertiefungen 42. In einer Verstellposition, d.h. bei einer Verschwenkung um die Hochachse h, befinden sich die Schaufelendflächen 30 jeweils gegenüber der flachen Flanke 48. Der Grund 44 ist jeweils der tiefste Bereich der Vertiefungen 42. Aufgrund der konischen Ausbildung des Innenrings 14 nimmt die Tiefe der Vertiefungen 42 in Strömungsrichtung x zu.
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Wie deutlich in 4 zu erkennen, sind die Vertiefungen 42 ausgehend von der Erweiterung 38 in Richtung der Hinterkante 36 in Umfangsrichtung entsprechend einem Verstellwinkel der Leitschaufeln fächerförmig erweitert bzw. verbreitet und in einem Bereich nahe der Hinterkante 36 bis zu dieser wieder verengt. Vorzugsweise beginnt die Verengung 50 in einem Vertiefungsbereich, der über die Schaufelendflächen 30 in Strömungsrichtung x hervorragt und somit nicht von den Schaufelendflächen 30 abgedeckt wird (s. 2).
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Wie in 6 gezeigt, sind die Vertiefungen 42 derart ausgebildet, dass die jeweils gegenüberliegende Schaufelendfläche 30 über einen Teil des Verstellbereichs der Leitschaufeln 12 einen parallelen Radialspalt 52 bilden. Der Radialspalt 52 hat eine konstante Höhe, so dass bei Verstellung ein Abstand b einer Schaufelendfläche 30 von der flachen Flanke 48 bis hin zur maximalen Verstellposition der Leitschaufeln 12 von der Ringfläche 32 gleich einem Abstand a der Schaufelendfläche 30 von dem Grund 44 der Vertiefung 42 der Leitschaufeln 12 ist. Hierdurch wird zwischen den Schaufelendflächen 30 und den Vertiefungen 42 über einen Teil des Verstellbereichs der Leitschaufeln 12 ein konstanter bzw. paralleler Radialspalt 52 mit einer einheitlichen Mindesthöhe (a = b) gebildet. Die Parallelität vereinfacht zum einen die Auslegung der Radialspalte 52. Zum anderen werden aerodynamische Verluste im Leitschaufelkranz 10 reduziert und somit ein Wirkungsgrad der Strömungsmaschine gesteigert.
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Offenbart ist ein Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, die jeweils um ihre Hauptachse verstellbar sind, und mit einem Innenring zum radial inneren Stabilisieren der Leitschaufeln, wobei eine Ringfläche des Innenrings und/oder jeweils eine der Ringfläche zugewandte und von dieser radial beabstandete Schaufelendfläche der Leitschaufeln in einem Winkel ungleich 90° zur Hauptachse orientiert ist/sind, wobei in die Ringfläche im Verstellbereich jeder Leitschaufel eine längliche Vertiefung eingebracht ist, die mit der jeweils gegenüberliegenden Schaufelendfläche über einen Teil des Verstellbereichs der Leitschaufel einen konstanten Radialspalt bildet, eine Strömungsmaschine sowie ein Innenring.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitschaufelkranz
- 2
- Innenring
- 4
- Leitschaufel
- 6
- Abflachung
- 8
- Schaufelendfläche
- 10
- Leitschaufelkranz
- 12
- Leitschaufel
- 14
- Innenring
- 16
- Schaufelblatt
- 18
- innerer Schaufelteller
- 20
- äußerer Schaufelteller
- 22
- Verstellzapfen
- 24
- Lagerzapfen
- 26
- Lagerbohrung
- 28
- Lagerbuchse
- 30
- Schaufelendfläche
- 32
- Ringfläche
- 34
- Vorderkante
- 36
- Hinterkante
- 38
- Erweiterung
- 40
- Tellerfläche
- 42
- Vertiefung
- 44
- Grund
- 46
- steile Flanke
- 48
- flache Flanke
- 50
- Verengung
- 52
- Radialspalt
- a
- Abstand
- b
- Abstand
- h
- Hauptachse/Schaufelachse
- x
- Strömungsrichtung/Kranzlängsachse
- z
- Radialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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