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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, ein Verfahren zur Montage eines solchen Leitschaufelkranzes sowie eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einem solchen Leitschaufelkranz.
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Aus der eigenen
DE 10 2006 024 085 A1 ist ein Turboverdichter mit einem Leitschaufelkranz mit einer Mehrzahl in einem Ringraum verstellbarer Leitschaufeln bekannt, die jeweils ein Schaufelblatt zur Strömungsumlenkung in dem Ringraum und einen radial inneren Lagerzapfen aufweisen, der in einem in Umfangsrichtung segmentierten Innenring drehbar gelagert ist.
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Die hierzu elastisch deformierten Innenringsegmente werden von radial innen auf die Lagerzapfen der radial außen bereits gelagerten Leitschaufeln aufgeschoben. Dabei greifen die Lagerzapfen in Durchgangsbohrungen in dem Innenring ein, die hierzu ein entsprechendes Übermaß aufweisen, um die Abroll-Montagebewegung der Innenringsegmente auf die Lagerzapfen und eine entsprechende temporäre Querstellung der Lagerzapfen in den Durchgangsbohrungen zu ermöglichen.
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Anschließend werden Montagebuchsen von einer schaufelblattabgewandten Mantelfläche des Innenrings her in die Durchgangsbohrungen eingesetzt. Diese dienen nicht nur der drehbaren Lagerung der verstellbaren Leitschaufeln, sondern füllen auch das Übermaß in den Durchgangsbohrungen aus.
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Zwischen den in die Durchgangsbohrungen aufgenommen Lagerzapfen und den Schaufelblättern sind tellerartige Platten angeordnet. Diese begrenzen den Ringraum radial innen und sind über den Montagebuchsen in Senkbohrungen in dem Innenring aufgenommen.
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Für die Abroll-Montagebewegung der Innenringsegmente auf die Lagerzapfen muss auch zwischen den tellerartigen Platten und den sie aufnehmenden Senkbohrungen in dem Innenring ein entsprechendes Montage-Übermaß vorgesehen werden. Im Betrieb kann Arbeitsfluid durch den hierdurch bedingten Spalt von der Druck- auf die Saugseite des Schaufelblattes strömen und hier mit hoher Geschwindigkeit in den Ringraum eintreten. Dies kann die Strömung im Ringraum stören und den Wirkungsgrad verschlechtern.
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Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasturbine zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Leitschaufelkranz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 12, 14 stellen ein Verfahren zur Montage eines entsprechenden Leitschaufelkranzes bzw. eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine mit einem entsprechenden Leitschaufelkranz unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist wenigstens eine Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, einen Leitschaufelkranz auf, der einen Ringraum definiert, durch den im Betrieb Arbeitsfluid, insbesondere zu verdichtende Luft bzw. zu entspannendes Abgas, geführt wird. Der Ringraum bildet in einer Ausführung einen Abschnitt eines Arbeits-, insbesondere Kernströmungskanals, der Gasturbine. Er kann in einer Ausführung konvergieren oder divergieren und insbesondere hierzu radial innen kegelförmig begrenzt sein.
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In dem Ringraum ist eine Mehrzahl verstellbarer Leitschaufeln angeordnet, die in Umfangsrichtung verteilt und um ihre Schaufel-Drehachse verdrehbar sind, insbesondere, um an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst zu werden. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein Schaufelblatt zur Strömungsumlenkung in dem Ringraum mit einer Vorder- bzw. Anströmkante, einer Hinter- bzw. Abströmkante, einer Vorder- und Hinterkante verbindenden Druckseite und einer dieser in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Saugseite auf.
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Zur verdrehbaren Lagerung der Leitschaufeln radial innen weisen diese jeweils einen Lagerzapfen auf, der im montierten Zustand in einer ein- oder mehrteiligen Montagebuchse, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen über seine gesamte Länge, aufgenommen und darin drehbar gelagert ist.
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Die Montagebuchsen sind in Durchgangsbohrungen in einem Innenring drehfestgelegt, der zwei oder mehr in Umfangsrichtung aufeinander folgende Innenringsegmente aufweist.
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Zur Montage werden nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Leitschaufeln zunächst radial außen, vorzugsweise in einem Gehäuse der Gasturbine und/oder verstellbar, gelagert. Anschließend werden die Innenringsegmente von radial innen auf die Lagerzapfen der radial außen gelagerten Leitschaufeln aufgeschoben, wobei die Lagerzapfen in die noch buchsenfreien Durchgangsbohrungen eingreifen und in diesen temporär querstehen. Die Innenringsegmente werden hierzu vorzugsweise elastisch deformiert und in einer Abroll-Montagebewegung auf die Lagerzapfen aufgeschoben, wobei die fehlenden Montagebuchsen den hierfür erforderlichen Montagebauraum, insbesondere das Übermaß für die temporäre Querstellung der Lagerzapfen in den Durchgangsbohrungen bereitstellen. Anschließend werden die Montagebuchsen von der schaufelblattabgewandten Mantelfläche des Innenrings her in die Durchgangsbohrungen eingesetzt.
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Erfindungsgemäß begrenzen schaufelblattseitige Stirnseiten der Montagebuchsen den Ringraum radial innen. Insbesondere können die Montagebuchsen radial, wenigstens im Wesentlichen, bis an den Ringraum geführt sein und den Ringraum, insbesondere zusammen mit schaufelblattseitigen Stirnseiten der darin aufgenommenen Lagerzapfen, radial innen begrenzen. Hierdurch kann für die Montage auch im Bereich des Ringraums ausreichendes Übermaß zur Verfügung gestellt und anschließend durch die Stirnseiten der Montagebuchsen gefüllt werden.
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In einer Ausführung gehen die Lagerzapfen in die Schaufelblätter, in einer Weiterbildung unmittelbar bzw. ohne dazwischen angeordnete tellerartige Platten über. Stattdessen begrenzen bzw. definieren schaufelblattseitige Stirnseiten der Lagerzapfen selber den Ringraum radial innen. Indem die tellerartigen Platten der eingangs erläuterten
DE 10 2006 024 085 A1 entfallen bzw. ihre Funktion der radial inneren Begrenzung des Ringraums in die Lagerzapfen selber, d.h. ihre schaufelblattseitigen Stirnseiten, integriert ist, kann ein Unterströmen einer radial inneren Ringraumbegrenzung reduziert, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen verhindert werden. Denn die Lagerzapfen selber sind im montierten Zustand in den Montagebuchsen aufgenommen. Somit füllen die Montagebuchsen das Übermaß der Durchgangsbohrung, das zur Montage erforderlich ist, so dass ein Spalt zwischen den den Ringraum radial innen begrenzenden Stirnseiten der Lagerzapfen und ihrer Umgebung gegenüber einem Spalt zwischen den bekannten tellerartigen Platten und den sie aufnehmenden Senkbohrungen reduziert werden kann.
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In einer Ausführung sind die den Ringraum radial innen begrenzenden Stirnseiten der Lagerzapfen, wenigstens im Wesentlichen, bündig mit den schaufelblattseitigen Stirnseiten der Montagebuchsen. Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft eine, wenigstens im Wesentlichen, absatz- und/oder spaltarme, insbesondere -lose Ringrauminnenwand dargestellt werden, d.h. eine Ringrauminnenwand ohne Absätze und/oder Spalte oder jedenfalls mit nur kleinen Absätzen und/oder Spalten. Wenn diese einen konstanten Durchmesser aufweist, können die Stirnseiten der Lagerzapfen und der Montagebuchsen in allen Drehlagen der Leitschaufeln bündig sein. Insbesondere, wenn hingegen der Ringraum radial innen kegelförmig ausgebildet ist bzw. seine Ringrauminnenwand in Durchströmungsrichtung konvergiert oder divergiert, sind die Stirnseiten der Lagerzapfen und der Montagebuchsen in einer Drehlage der Leitschaufeln bündig.
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Zusätzlich oder alternativ können die schaufelblattseitigen Stirnseiten der Montagebuchsen bündig mit einer schaufelblattseitigen Mantelfläche des Innenrings sein, insbesondere, um eine, wenigstens im Wesentlichen, absatz- und/oder spaltarme, insbesondere -lose Ringrauminnenwand darzustellen.
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Die Lagerzapfen können in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, zylinderförmig sein bzw. durchgehend oder abschnittsweise eine kreiszylinderförmige Mantelfläche mit konstantem Durchmesser aufweisen. In einer Weiterbildung weisen die Lagerzapfen schaufelblattseitig bzw. in einem Abschnitt, der in ihre schaufelseitige Stirnseite übergeht, einen geringeren, insbesondere minimalen, Durchmesser auf. In einem schaufelblattferneren Abschnitt können sie hingegen einen größeren, insbesondere maximalen, Durchmesser aufweisen, insbesondere, um einen Lagerbund zum Kontaktieren einer Bohrung der Montagebuchse auszubilden. Gleichermaßen können die Lagerzapfen einen konstanten Durchmesser aufweisen, der dann entsprechend zugleich einen minimalen Durchmesser darstellt. In einer anderen Ausführung können die Lagerzapfen schaufelblattseitig einen größeren, insbesondere maximalen, Durchmesser aufweisen, in einem schaufelblattferneren Abschnitt hingegen einen geringeren, insbesondere minimalen, Durchmesser. Mit anderen Worten kann insbesondere eine bisher in einer buchsenfreien Senkbohrung mit entsprechendem Montageübermaß aufgenommene tellerartige Platte der
DE 10 2006 024 085 A1 in den Lagerzapfen integriert sein.
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In einer Ausführung weisen die Schaufelblätter in einem Übergangsbereich zu den Lagerzapfen eine Materialaufdickung auf. Hierdurch kann ein Kraftfluss innerhalb der Leitschaufel und/oder eine Strömung im Bereich des radial inneren Randes des Ringsraums verbessert werden.
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Wie vorstehend erläutert, werden die Montagebuchsen vorzugsweise von radial innen her in die Durchgangsbohrungen eingesteckt und darin drehfestgelegt. In einer Weiterbildung weisen die Montagebuchsen einen radial vorstehenden Sicherungsbund zum Festlegen in den Durchgangsbohrungen in Einsteckrichtung und/oder zum Drehfestlegen auf, vorzugsweise an ihrer schaufelblattfernen Stirnseite.
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In einer Ausführung ist bzw. wird an dem Innenring ein Dichtungsträger befestigt, insbesondere form-, reib- oder stoffschlüssig, der den Innenring teilweise, vorzugsweise in Durchströmungsrichtung, übergreift und den Ringraum radial innen zusammen mit den Stirnseiten der Lagerzapfen und vorzugsweise auch zusammen mit den Stirnseiten der Montagebuchsen begrenzt. Hierdurch kann in einer Ausführung der axiale Bauraum verkürzt werden, insbesondere, indem ein Haken des Dichtungsträgers den Ringraum radial innen zusammen mit den Stirnseiten der Lagerzapfen und vorzugsweise auch der Montagebuchsen begrenzt.
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Wie vorstehend erläutert, werden in einer Ausführung die, vorzugsweise elastisch deformierten, Innenringsegmente von radial innen auf die Lagerzapfen der radial außen gelagerten Leitschaufeln aufgeschoben und anschließend die Montagebuchsen von radial innen in die Durchgangsbohrungen eingesteckt. Entsprechend ist in einer Ausführung eine Wandstärke der Montagebuchsen, die das durch sie gefüllte Übermaß für diese Montage bestimmt, wenigstens so groß, dass die buchsenfreien Durchgangsbohrungen der Innenringsegmente von radial innen auf die Lagerzapfen der radial außen gelagerten Leitschaufeln aufgeschoben werden können. Die entsprechende Mindestwandstärke hängt von der relativen Position der Lagerzapfen zu den Durchgangsbohrungen während der Montage ab und kann entsprechend berechnet bzw. bei der Montage verifiziert werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 einen Meridianschnitt eines Teiles eines Leitschaufelkranzes nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
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2 einen Meridianschnitt eines Teiles eines Leitschaufelkranzes nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt einen Meridianschnitt eines Teiles eines Leitschaufelkranzes einer im Übrigen nicht dargestellten Verdichterstufe eines Gasturbinenflugtriebwerks nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Der Leitschaufelkranz definiert einen Ringraum 1, durch den im Betrieb zu verdichtende Luft geführt wird. Der Ringraum konvergiert in Durchströmungsrichtung (von links nach rechts in 1) und ist hierzu radial innen (unten in 1) kegelförmig begrenzt.
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In dem Ringraum ist eine Mehrzahl verstellbarer, in Umfangsrichtung verteilter Leitschaufeln angeordnet, von denen in 1 nur eine dargestellt ist. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein (in 1 nur teilweise dargestelltes) Schaufelblatt 2 zur Strömungsumlenkung in dem Ringraum und einen Lagerzapfen 3 auf, der im in 1 dargestellten montierten Zustand über seine gesamte Länge in einer Montagebuchse 4 aufgenommen und darin drehbar gelagert ist.
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Die Montagebuchsen sind in Durchgangsbohrungen in einem Innenring 5 drehfestgelegt, der zwei oder mehr in Umfangsrichtung aufeinander folgende Innenringsegmente aufweist.
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Zur Montage werden die Leitschaufeln zunächst radial außen in einem Gehäuse der Gasturbine verstellbar gelagert (nicht dargestellt). Anschließend werden die Innenringsegmente von radial innen auf die Lagerzapfen der radial außen gelagerten Leitschaufeln aufgeschoben, so dass die Lagerzapfen in die noch buchsenfreien Durchgangsbohrungen eingreifen. Die Innenringsegmente werden hierzu elastisch deformiert und in einer Abroll-Montagebewegung auf die Lagerzapfen aufgeschoben, wobei die fehlenden Montagebuchsen den hierfür erforderlichen Montagebauraum bereitstellen. Anschließend werden die Montagebuchsen von der schaufelblattabgewandten Mantelfläche des Innenrings her (von unten in 1) in die Durchgangsbohrungen eingesetzt. Sie sind durch einen radial vorstehenden Sicherungsbund 4.2 in Einsteckrichtung sowie verdrehsicher festgelegt.
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Anschließend wird ein Dichtungsträger 6 an dem Innenring befestigt und sichert insbesondere die Montagebuchsen gegen ein Herausfallen entgegen der Einsteckrichtung. Der Dichtungsträger weist eine Wabendichtung 6.1 zum Abdichten eines Rotors 7 des Gasturbinenflugtriebwerks auf.
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Erfindungsgemäß begrenzen schaufelblattseitige Stirnseiten 4.1 der Montagebuchsen den Ringraum 1 radial innen. Hierzu sind die Montagebuchsen 4 radial bis an den Ringraum geführt. Auf diese Weise kann für die Montage auch im Bereich des Ringraums ausreichendes Übermaß zur Verfügung gestellt und anschließend durch die Stirnseiten der Montagebuchsen gefüllt werden.
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Die Lagerzapfen 3 gehen in der dargestellten Ausführung unmittelbar ohne dazwischen angeordnete tellerartige Platten in die Schaufelblätter 2 über, schaufelblattseitige Stirnseiten 3.1 der Lagerzapfen selber begrenzen bzw. definieren den Ringraum 1 radial innen. Auf diese Weise kann ein Unterströmen einer radial inneren Ringraumbegrenzung reduziert, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen verhindert werden.
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In der in 1 dargestellten Drehlage der Leitschaufeln sind die den Ringraum radial innen begrenzenden Stirnseiten 3.1 der Lagerzapfen bündig mit den schaufelblattseitigen Stirnseiten 4.1 der Montagebuchsen. Die schaufelblattseitigen Stirnseiten 4.1 der Montagebuchsen sind ihrerseits bündig mit der schaufelblattseitigen Mantelfläche (oben in 1) des Innenrings 5.
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Die Lagerzapfen sind zylinderförmig und weisen schaufelblattseitig (oben in 1) einen geringeren, minimalen Durchmesser auf. In einem schaufelblattferneren Abschnitt (unten in 1) weisen sie demgegenüber einen größeren, maximalen Durchmesser auf, um einen Lagerbund zum Kontaktieren einer Bohrung der Montagebuchse auszubilden.
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Die Schaufelblätter weisen in einem Übergangsbereich zu den Lagerzapfen eine Materialaufdickung 2.1 auf. Hierdurch kann ein Kraftfluss innerhalb der Leitschaufel und/oder eine Strömung im Bereich des radial inneren Randes des Ringraums verbessert werden.
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2 zeigt in 1 entsprechender Darstellung einen Teil eines Leitschaufelkranzes einer Verdichterstufe eines Gasturbinenflugtriebwerks nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die vorhergehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird.
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In der Ausführung der 2 übergreift ein Haken 6.2 des Dichtungsträgers 6 den Innenring 5 in Durchströmungsrichtung teilweise und begrenzt den Ringraum 1 radial innen zusammen mit den Stirnseiten 3.1, 4.1 der Lagerzapfen und Montagebuchsen. Hierdurch kann der axiale Bauraum verkürzt werden.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ringraum
- 2
- Schaufelblatt
- 2.1
- Aufdickung
- 3
- Lagerzapfen
- 3.1
- schaufelblattseitige Stirnseite
- 4
- Montagebuchse
- 4.1
- schaufelblattseitige Stirnseite
- 4.2
- Sicherungsbund
- 5
- Innenring(segment)
- 6
- Dichtungsträger
- 6.1
- Wabendichtung
- 6.2
- Haken
- 7
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006024085 A1 [0002, 0015, 0018]
