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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellleitschaufelanordnung für eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise für ein Flugzeugtriebwerk oder eine stationäre Gasturbine, die eine Zapfen-Buchsen-Verbindung mit einer Buchse und einem Drehzapfen, der in der Buchse drehbar aufgenommen ist, umfasst, um die Leitschaufel durch Drehung in ihrem Anstellwinkel verstellen zu können.
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STAND DER TECHNIK
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Verstellleitschaufeln für Strömungsmaschinen, wie stationäre Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerke, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele hierfür sind in der
US 2006/0245916 A1 ,
US 7,163,369 B2 ,
US 2005/0008489 A1 ,
US 3,764,189 ,
EP 2 392 833 A1 ,
EP 1 788 199 A2 und
DE 42 370 31 C1 bekannt. Bei diesen Verstellleitschaufeln findet eine Lagerung üblicherweise über eine Zapfen-Buchsen-Verbindung statt, bei welcher ein Zapfen, der an der Leitschaufel angeordnet ist, in einer Buchse aufgenommen ist, welche an einem Gehäusebauteil oder der Leitschaufelhalterung angeordnet ist. Die Verstellleitschaufel kann durch Drehung um die Zapfen-Buchsen-Verbindung in ihrem Anstellwinkel verändert werden.
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Durch die Belastung der Leitschaufel im Betrieb wird auch die Zapfen-Buchsen-Verbindung als Lagerung der Verstellleitschaufel belastet und muss entsprechende Kräfte aufnehmen und Umwelteinflüsse sowie Temperaturbelastungen aushalten können. Zudem kommt es durch die Drehbewegung zwischen Zapfen und aufnehmender Buchse zu Gleitbewegungen und Verschleiß.
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Entsprechend ist die Gestaltung der Zapfen-Buchsen-Verbindung zur Lagerung einer Verstellleitschaufel in einer Strömungsmaschine hinsichtlich der Materialauswahl sehr anspruchsvoll, da unterschiedlichste Anforderungen erfüllt werden müssen.
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Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden, besteht darin, separate Buchsen und Zapfen auszubilden, die in die entsprechende Bauteile eingesetzt oder mit diesem verbunden werden, um so eine spezifische Materialauswahl für die Zapfen und Buchsen der Zapfen-Buchsen-Verbindung zu ermöglichen. Allerdings besteht hierbei das Problem, dass die Verbindung der separaten Buchsen und Zapfen mit den entsprechenden Bauteilen an den Verbindungsstellen Zwischenräume und Spalte erzeugen kann, in die das Gas der Strömungsmaschine eindringen kann und somit Wirkungsgradverluste entstehen können.
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Entsprechend sind bei dem oben genannten Stand der Technik bereits verschiedene Versuche unternommen worden, die oben geschilderten Probleme dadurch zu lösen, verschiedene Arten von Beschichtungen aufzubringen oder spezielle Verbundwerkstoffe für integral mit der Verstellleitschaufel oder benachbarten Bauteilen verbundene Zapfen und Buchsen zu verwenden. Allerdings sind die Probleme noch nicht zufriedenstellend gelöst, da Beschichtungen oft den mechanischen und/oder thermischen Belastungen nicht widerstehen und reißen oder abplatzen und Verbundwerkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe, trotz ihrer guten Eigenschaftsprofile die gewünschten Anforderungen im gesamten Umfang nicht erfüllen können.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstellleitschaufeln von Strömungsmaschinen bereitzustellen, die die oben genannten Probleme vermeidet und ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil gewährleisten kann. Hierbei soll die Lösung einfach verwirklichbar und zuverlässig einsetzbar sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verstellleitschaufelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die komplexen Materialanforderungen an mindestens einer Zapfen-Buchsen-Verbindung einer Verstellleitschaufelanordnung einer Strömungsmaschine am besten dadurch gelöst werden können, dass an einer Buchsenoberflächenschicht, die sich zumindest in einem Teil der Buchse mit einer bestimmten Schichtdicke erstreckt, und/oder einer Zapfenoberflächenschicht, die sich über zumindest einen Teilbereich des Zapfenoberfläche mit einer bestimmten Schichtdicke erstreckt, unterschiedliche Oberflächenschichtbereiche mit unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen und somit ein gewünschtes Eigenschaftsprofil ermöglichen.
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Die mindestens zwei, vorzugsweise mehreren Oberflächenschichtbereiche mit unterschiedlichen Materialien liegen zumindest in einer Richtung parallel zur Oberfläche nebeneinander vor, während in einer Richtung quer zur Oberfläche, also in Richtung der Schichtdicke, sich die unterschiedlichen Oberflächenschichtbereiche komplett über die gesamte Oberflächenschichtdicke erstrecken können oder aber auch übereinander angeordnet sein können.
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Die Anzahl der Oberflächenschichtbereiche ist nicht begrenzt, sodass zwei, drei, vier oder mehr Oberflächenschichtbereiche mit jeweils unterschiedlichen Materialien vorgesehen sein können. Jedes Material und somit jeder Oberflächenschichtbereich kann jeweils nur einmal in der gesamten Buchsen- oder Zapfenoberflächenschicht vorgesehen sein, oder wiederum mehrmals. So kann beispielsweise die Oberflächenschicht zwei Oberflächenschichtbereiche mit unterschiedlichen Materialien aufweisen, die jedoch in einer Vielzahl von Bereichen wiederholt angeordnet sein können. Insbesondere kann eine periodisch wiederholte Anordnung von zwei oder mehreren Oberflächenschichtbereichen verwirklicht sein.
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Die Oberflächenschichtbereiche können als geometrisch definierte Strukturen ausgebildet sein, wobei beliebige Formen möglich sind. Dabei können die Grenzen zwischen den Oberflächenschichtbereichen fließend oder diskontinuierlich, also scharf abgegrenzt, ausgebildet sein. Bei einem fließenden Übergang der Oberflächenschichtbereiche kann sich beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschichtbereiche kontinuierlich in der Art eines Gradientenwerkstoffs ändern.
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Unter unterschiedlichen Materialien der Oberflächenschichtbereiche werden bei der vorliegenden Erfindung unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, aber auch Materialien verstanden, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung gleichen, aber durch ihre Modifikation, Gefügeausbildung und dergleichen unterscheiden können, sodass unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften vorliegen.
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Unter Oberflächenschichtbereichen können bei der vorliegenden Erfindung Bereiche verstanden werden, die in ihren Dimension insbesondere in einer Richtung parallel zu der Oberfläche größer sind als die Gefügestrukturen, wie beispielsweise die Größe der enthaltenen Partikel oder Kristallkörner des verwendeten Materials. Darüber hinaus können die Oberflächenschichtbereiche hinsichtlich ihrer Dimensionierung bezüglich der gesamten Fläche der Oberflächenschicht so charakterisiert werden, wobei die Oberflächenschichtbereiche in ihren Dimensionen parallel zur Oberfläche im Bereich von 0,01% bis 10%, insbesondere 0,1% bis 5% der von ihnen abgedeckten Oberflächenschicht dimensioniert sind. Bei nicht einheitlichen Größen in Bezug auf die Dimensionierung können mittlere Werte oder Maximalwerte Verwendung finden.
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Die Oberflächenschichtbereiche können insbesondere in einer Gitterstruktur oder Wabenstruktur ausgebildet sein, wobei vorzugsweise ein erster Oberflächenschichtbereich einen von einer Gitter- oder Wabenzelle umschlossenen Raum einnimmt, während ein zweiter Oberflächenschichtbereich durch die Wände der Gitter- oder Wabenzellen gebildet ist. Unter Gitter bzw. Wabenstruktur wird hierbei nicht nur eine mathematisch definierte Gitterstruktur, sondern eine Struktur der Oberflächenschichtbereiche in einem breiten Sinn des Begriffs ”Gitter” mit einer periodisch sich wiederholenden Anordnung der unterschiedlichen Schichtbereiche entlang der Oberfläche verstanden.
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Die unterschiedlichen Materialien der verschiedenen Oberflächenschichtbereiche können unterschiedliche Funktionen erfüllen und beispielsweise dem Verschleißschutz dienen, als Schmierstoffe Verwendung finden, Gleitmittel bereitstellen oder als tragfähige Strukturbauteile eingesetzt sein. Entsprechend können die Materialien eine große Bandbreite von Werkstoffen umfassen, beispielsweise Keramiken, Metalle, und Kunststoffe, wobei die Werkstoffe als homogene Werkstoffe oder Verbundwerkstoffe ausgebildet sein können. Insbesondere kann die Struktur der Werkstoffe porös, fasrig, mit Partikel versetzt, dotiert, mehrschichtig und dergleichen sein.
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Eine Verstellleitschaufelanordnung kann so ausgebildet sein, dass der Zapfen und/oder die Buchse der Zapfen-Buchsen-Verbindung integral mit der Schaufel und/oder einem Gehäusebauteil oder einer Leitschaufelhalterung ausgebildet ist, um mögliche Spalte an den Verbindungsstellen zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine seitliche Schnittansicht einer Verstellleitschaufelanordnung nach der vorliegenden Erfindung;
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2 eine perspektivische Darstellung einer Zapfen-Buchsen-Verbindung, wie sie bei der Verstellleitschaufel aus 1 Verwendung finden kann;
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3 eine Draufsicht auf eine Buchsen- oder Zapfenoberflächenschicht;
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4 eine teilweise Schnittansicht einer Buchsen- oder Zapfenoberflächenschicht;
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5 eine teilweise Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Buchsen- oder Zapfenoberflächenschicht
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung eine seitliche Schnittansicht durch eine Verstellleitschaufelanordnung mit einer Verstellleitschaufel 1, die mittels eines radial äußeren Zapfens 6 im Gehäuse 2 und mittels eines radial inneren Zapfens 5 in einer Leitschaufelhalterung 3 drehbar gelagert ist, sodass die Verstellleitschaufel 1 um die Drehachse 4 gedreht werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein Hebel 9 an einem Ende des äußeren Zapfens 6 angeordnet sein. Dadurch lassen sich unterschiedliche Anströmungswinkel für die Leitschaufel 1 einstellen.
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Sowohl im Gehäuse 2 als auch in der Leitschaufelhalterung 3 ist jeweils integral eine Buchse 7 bzw. 8 angeordnet, welche die entsprechenden Zapfen 5, 6 der Verstellleitschaufel 1 drehend aufnimmt. Durch die integrale Ausbildung der Buchse 8 im Gehäuse 2 bzw. der Buchse 5 in der Verstellleitschaufelhalterung 3 werden Spalte zwischen dem Gehäuse 2 und der Buchse 8 bzw. der Verstellleitschaufelhalterung 3 und der Buchse 7 vermieden, sodass Wirkungsgradverluste der Strömungsmaschine durch in die Spalte einströmende Gase vermieden werden können. Um jedoch den Anforderungen hinsichtlich Verschleiß, Reibung und Festigkeit der Zapfen-Buchsen-Verbindung zu genügen, sind die Buchsen 7, 8 und/oder die Zapfen 5, 6 gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, dass mindestens jeweils zwei unterschiedliche Oberflächenschichtbereiche an den Buchsenoberflächenschichten und/oder den Zapfenoberflächenschichten vorgesehen sind.
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Die Buchsen- und/oder die Zapfenoberflächenschichten liegen hierbei zumindest an einem Teil der Oberflächen der Buchsen 7, 8 und/oder der Zapfen 5, 6 vor und erstrecken sich von der Oberfläche zumindest über eine gewisse Dicke in die Tiefe. Allerdings können die unterschiedlichen Oberflächenschichtbereiche der Buchsenoberflächenschicht und/oder der Zapfenoberflächenschicht nicht nur in einem Teil der Buchsen 7, 8 und/oder der Zapfen 5, 6 vorliegen, sondern im Bereich der gesamten Buchse 7, 8 und/oder des gesamten Zapfens 5, 6 vorliegen. Ferner können die Buchsen 7, 8 und/oder die Zapfen 5, 6 aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen aus gegenüber dem Gehäuse 2 oder der Verstellleitschaufelhalterung 3 unterschiedlichen Materialien gebildet sein.
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Der Fall, dass die mehreren, unterschiedlichen Oberflächenschichtbereiche der Zapfen-Buchsen-Verbindung lediglich in einem Oberflächenschichtbereich des Zapfens und/oder der Buchse vorgesehen sind, während beispielsweise der Kern des Zapfens oder die übrigen Bereiche einer Buchse andersartig ausgebildet sind, ist in der Zapfen-Buchsen-Verbindung der 2 gezeigt, die bei der Lagerung einer Verstellleitschraube eingesetzt werden kann.
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Die Zapfen-Buchsen-Verbindung der 2 weist einen Zapfen 10 und eine Buchse 11 mit einem zylindrischen Hohlraum 13 auf, in welchem der Zapfen 10 zur Herstellung der Zapfen-Buchsen-Verbindung aufgenommen werden kann. Bei der Darstellung der Ausführungsform der 2 weist sowohl der Zapfen 10 eine Zapfenoberflächenschicht 12 als auch die Buchse 11 eine Buchsenoberflächenschicht 14 auf, welche beide die Form eines Hohlzylinders aufweisen und im Falle des Zapfens 10 an der Außenseite des zylinderförmigen Zapfens 10 und im Fall der Buchse 11 an der Innenfläche der Buchse 11 ausgebildet sind.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt einer Buchsen- oder Zapfenoberflächenschicht in einer Draufsicht, wobei die Oberflächenschicht zwei Oberflächenschichtbereiche 20, 21 aufweist, die eine Waben- oder Gitterstruktur bilden. Der erste Oberflächenschichtbereich 20 wird durch die Gitter- bzw. Wabenzellen gebildet, während der zweite Oberflächenschichtbereich 21 durch die die Gitter- bzw. Wabenzellen umgebenden Stege gebildet ist. Entsprechend ergibt sich eine periodisch sich wiederholende Anordnung von ersten Oberflächenschichtbereichen 20 und zweiten Oberflächenschichtbereichen 21 in Form von sich periodisch sich wiederholenden Gitter- bzw. Wabenzellen, wobei die ersten Oberflächenschichtbereiche 20 die Füllungen der Waben- bzw. Gitterzellen darstellen und die zweiten Oberflächenschichtbereiche 21 die Umrandungen der Waben- oder Gitterzellen.
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Beispielsweise können die zweiten Oberflächenschichtbereiche 21 in Form der Stege oder Wände als Bereiche mit hoher Festigkeit und ausreichender Duktilität ausgebildet sein, die der Oberflächenschicht die erforderliche Druckfestigkeit verleihen, während die ersten Oberflächenschichtbereiche mit einem Gleitstoff, wie beispielsweise einem festen Schmierstoff oder durch ein Verschleißschutzmaterial gebildet sein können. Entsprechend ist es auch möglich mehrere Oberflächenschichtbereiche vorzusehen, beispielsweise die zweiten Oberflächenschichtbereiche aus einem festen, tragenden Material sowie erste und dritte Oberflächenschichtbereiche, die die Füllungen der Waben- oder Gitterzellen bilden, einerseits aus festen Schmierstoffen zur Erhöhung der Gleitfähigkeit und andererseits aus harten Verschleißschutzstoffen, wie beispielsweise Keramiken, um den Verschleiß zu minimieren.
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Die Gestaltung der geometrischen Form der Oberflächenschichtbereiche in Richtungen parallel zur Oberfläche kann nicht nur durch beliebige Gitterstrukturen erfolgen, sondern es können auch beliebige Formen und nicht periodische Muster abgestellt auf die Anforderungen des Anwendungsfalles verwirklicht werden.
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Dies gilt auch für die Gestaltung der Oberflächenschichtbereiche in einer Richtung quer zur Oberfläche, wobei zwei Ausführungsbeispiele in den 4 und 5 gezeigt sind. Die 4 zeigt eine Schnittansicht durch eine Oberflächenschicht mit zwei Oberflächenschichtbereichen 20, 21, wie sie beispielsweise auch in der 3 dargestellt sind. Die Stege des zweiten Oberflächenschichtbereichs 21 wechseln hierbei mit den ersten Oberflächenschichtbereichen 20 in Richtung parallel zur Oberfläche miteinander ab, während die ersten und zweiten Oberflächenschichtbereiche 20, 21 in einer Richtung quer zur Oberfläche durchgehend über die gesamte Oberflächenschicht ausgebildet sind.
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Bei der Ausführungsform der 5 sind die Oberflächenschichtbereiche 21 nicht über die ganze Oberflächenschicht in einer Richtung quer zur Oberfläche vorgesehen, sondern lediglich über einen Teilbereich, sodass sich an der Oberfläche eine durchgehende Schicht des ersten Oberflächenschichtbereichs 20 ergibt und die zweiten Oberflächenschichtbereiche 21 lediglich in unteren Bereichen der Oberflächenschicht angeordnet sind.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale ein.
