DE102014219552A1

DE102014219552A1 - Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102014219552A1
Application number: DE102014219552.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klauke
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Also published as: US20160090856A1; EP3000984A1; EP3000984B1; US9976438B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine mit einer Vielzahl von jeweils um eine radiale Achse 33 schwenkbaren Leitschaufeln 20, welche in zumindest einer Radialebene angeordnet sind, sowie mit zumindest einem Leitschaufelverstellring 29, welcher mit den jeweiligen Leitschaufeln 20 gekoppelt ist und mittels zumindest einer Betätigungsvorrichtung in Umfangsrichtung drehbar ist, wobei der Leitschaufelverstellring 29 mittels mehrerer um den Umfang verteilter und an dem Leitschaufelverstellring 29 gelagerter Abstandshalter 30 an einem zentrisch angeordneten Gehäuse 38 in Radialrichtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Leitschaufelverstellring 29 für jeden Abstandshalter 30 eine aus einem Kunststoff mit einem hohen thermalen Ausdehnungskoeffizienten gefertigte Buchse 31 befestigt ist, an welcher der Abstandshalter 30 gelagert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung für einen Kompressor oder eine Turbine einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung für einen Kompressor oder eine Turbine mit einer Vielzahl von jeweils um eine radiale Achse schwenkbaren Leitschaufeln, welche in zumindest einer Radialebene angeordnet sind. Die Leitschaufeln bilden somit eine scheibenförmige Anordnung, wobei in Strömungsrichtung stromauf und stromab Laufschaufeln angeordnet sind, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Zur Verstellung der Leitschaufeln jeder scheibenförmigen Anordnung von Leitschaufeln ist ein Leitschaufelverstellring vorgesehen, welcher in Umfangsrichtung verdrehbar ist. Der Leitschaufelverstellring ist mit der jeweiligen Leitschaufel über einen Hebelmechanismus gekoppelt, so dass bei einer Verdrehung des Leitschaufelverstellrings die Leitschaufeln um ihre radialen Achsen verschwenkt werden. Der Leitschaufelverstellring ist mit einer geeigneten Betätigungsvorrichtung gekoppelt.
Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der EP 2 258 926 A2 , der US 2009/0162192 A1 oder der US 2010/0278639 A1 vorbekannt.
Der Leitschaufelverstellring, welcher zur präzisen Verstellung der Leitschaufeln mittels eines Antriebsmechanismus in Umfangsrichtung relativ zu einem Gehäuse verdrehbar ist, wird gemäß dem Stand der Technik mittels Abstandshaltern, welche gleichmäßig um seinen Umfang verteilt angeordnet sind, gegen das Gehäuse abgestützt und zu diesem zentriert. Beim Betrieb der Gasturbine erwärmt sich das Gehäuse stärker als der Leitschaufelverstellring. Hierdurch wird der radiale Abstand zwischen dem Gehäuse und den, mit dem Leitschaufelverstellring verbundenen Abstandshaltern verringert. Um ein Verklemmen aufgrund unterschiedlicher Thermalausdehnungen im Betrieb zwischen den Abstandshaltern und dem Gehäuse zu vermeiden, wird gemäß dem Stand der Technik zwischen den Abstandshaltern und dem Gehäuse ein Spiel oder Kaltspalt vorgesehen, welcher im kalten Betriebszustand der Bauteile vorhanden ist. Bedingt durch diese Spalte oder Abstände der Abstandshalter zu der Oberfläche des Gehäuses treten bei bestimmten Betriebszuständen sowohl radiale als auch tangentiale Fehlstellungen des Leitschaufelverstellrings relativ zu dem Gehäuse auf. Dies wiederum führt zu Fehlstellungen der Statorschaufeln oder der Leitschaufeln über den Umfang der Leitschaufelanordnung. Hieraus resultiert eine nicht korrekte Einstellung der Leitschaufeln. Weiterhin kann die Schaufelfehlstellung zu erhöhten aerodynamischen Anregungen benachbarter Rotor- und/oder Statorschaufeln führen.
Mittels der Betätigungsvorrichtung ist es somit möglich, den Anstellwinkel der jeweiligen Leitschaufel den Betriebsbedingungen des Kompressors oder der Turbine anzupassen. Dabei kann sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen der Nachteil ergeben, dass, die Verstellung der Leitschaufeln durch thermale Effekte unpräzise wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelverstellvorrichtung für einen Kompressor oder eine Turbine einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine präzise Verstellung der Leitschaufeln auch bei unterschiedlichen thermalen Ausdehnungen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass an dem Leitschaufelverstellring für jeden Abstandshalter eine aus einem Kunststoff gefertigte Buchse befestigt ist, an welcher der Abstandshalter gelagert ist. Die Buchse ist aus einem Kunststoffmaterial mit einem hohen thermalen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt. Aufgrund der hohen thermalen Ausdehnung wird der Abstandshalter (Centraliser) während der Erwärmung um einen höheren Betrag radial nach außen bewegt, als der umgebende Leitschaufelverstellring (Unisonring). Erfindungsgemäß kann somit die im Vergleich zum Verstellring stärkere radiale Ausdehnung des Gehäuses bei einer Erwärmung des Gehäuses während des Betriebs dadurch kompensiert werden, dass der Abstandshalter entsprechend dieser thermalen Ausdehnung des Gehäuses radial nach außen bewegt wird. Diese Radialbewegung wird durch die thermale Ausdehnung der Buchse bewirkt, welche sich stärker ausdehnt, als der Leitschaufelverstellring. Somit zieht die Buchse den Abstandshalter radial nach außen, angepasst an die thermale Ausdehnung des Gehäuses. Somit ist es möglich, den Abstandshalter stets in Kontakt oder mit einem vorgegebenen Spaltmaß zu der Oberfläche des Gehäuses zu halten. Dabei wird vermieden, dass zu große Abstände oder Spaltmaße auftreten, welche zu Fehlstellungen des Leitschaufelverstellrings führen könnten. Ebenso wird verhindert, dass der Abstandshalter auf der Oberfläche des Gehäuses klemmt, was zu höheren Verstellkräften oder zum Blockieren des Verstellmechanismus führt.
Der Betrag der Thermaldehnung der Buchse und damit die Radialbewegung des Abstandshalters kann erfindungsgemäß über die Länge der Buchse, über das Buchsenmaterial als auch über das Material des Abstandshalters angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Lösung bringt somit den Vorteil, dass Fehlstellungen der Leitschaufeln oder Statorschaufeln reduziert oder gänzlich vermieden werden können. Dies führt zu einer exakteren Anströmung sowohl der Leitschaufeln als auch der Laufschaufeln und damit zu einem geringeren Brennstoffverbrauch. Weiterhin wird sowohl die aerodynamische Anregung benachbarter Rotor- und/oder Statorschaufeln reduziert, als auch die Verstellkräfte des Verstellsystems durch das Vermeiden des Verklemmens der Abstandshalter auf dem Gehäuse reduziert.
In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Buchse rohrartig ausgebildet ist und dass der Abstandshalter einen zentrisch in der Buchse befestigten Schaft aufweist. Der Schaft kann somit an geeigneter Stelle in der Buchse gelagert werden, während die restliche Länge des Schaftes in der Buchse in radialer Richtung (Axialrichtung der Buchse) gleiten kann. Bevorzugterweise ist der Schaft am radial äußeren Bereich der Buchse befestigt, während die Buchse bevorzugterweise an einer radial innenliegenden Seite des Leitschaufelverstellrings an diesem befestigt oder in anderer Weise fixiert ist.
Zur Einstellung des Abstands zwischen dem Abstandshalter und der Oberfläche des Gehäuses ist es günstig, wenn der Schaft mit der Buchse verschraubt ist. Durch eine Drehung des Schaftes kann somit das Spaltmaß zwischen dem Abstandshalter und der Oberfläche des Gehäuses eingestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Teilansicht eines Kompressors mit verstellbaren Leitschaufeln und Leitschaufelverstellringen,
3 eine Detailansicht, analog 2,
4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lagerung des Abstandshalters in einer Radialschnittebene, und
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Schnittansicht.
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 Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Der Mitteldruckkompressor 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 Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Kompressors beschrieben, sie ist jedoch auch für Leitschaufeln einer Turbine anwendbar.
Die 2 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Kompressors, mit mehreren Reihen von verstellbaren Leitschaufeln 20, zwischen denen jeweils Kompressorlaufschaufeln 22 angeordnet sind. Die einzelnen Leitschaufeln 20 sind jeweils um eine radiale Achse 33 verschwenkbar. Sie sind mit einem Hebel 34 verbunden, welcher an seinem gegenüberliegenden Endbereich mit einem Leitschaufelverstellring 29 drehbar gekoppelt ist. Durch eine Verdrehung des Leitschaufelverstellrings 29 in Umfangsrichtung erfolgt eine Verschwenkung der einzelnen Hebel 34. Hierdurch wird eine Verdrehung der Leitschaufeln 20 um die jeweilige Achse 33 bewirkt.
Eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung, welche beispielsweise als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist, ist über jeweils eine Koppelstange (nicht dargestellt) mit einer Kurbelwelle 36 gekoppelt, so wie dies in 3 gezeigt ist. Die Kurbelwelle 36 ist mittels Lagern 37 gelagert. Die Kurbelwelle 36 ist weiterhin mittels Koppelstangen 35 mit den Leitschaufelverstellringen 29 gekoppelt. Eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung führt somit zu einer Verdrehung oder Verschwenkung der Kurbelwelle 36, welche wiederum zu einer Verdrehung des jeweiligen Leitschaufelverstellrings 29 führt, da die Kurbelwelle 36 über eine Koppelstange 35 mit dem Leitschaufelverstellring 29 verbunden ist.
Die 3 zeigt weiterhin mehrere um den Umfang verteilt angeordnete Abstandshalter 30, welche (s. auch die nachfolgend beschriebene 4) einen Schaft 32 aufweisen, der an dem Leitschaufelverstellring 29 einstellbar gelagert ist. Der Abstandshalter liegt an der Oberfläche des Gehäuses 38 an und wird zusammen mit dem Leitschaufelverstellring 29 in Umfangsrichtung bewegt. Der Abstandshalter zentriert den Leitschaufelverstellring 29 in Radialrichtung relativ zu dem Gehäuse 38. Bei der Darstellung der 3 weist das Gehäuse 38 an den Bereichen, an denen der Abstandshalter 30 anliegt, geeignete Sockel oder Anlageflächen oder ähnliches auf.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung im Detail in einer Schnittansicht einer Radialebene. Dabei ist das Gehäuse 38 nur schematisch dargestellt und weist gegenüber dem Abstandshalter 30 einen zum Zwecke der Verdeutlichung übergroß dargestellten Abstand auf.
An dem Leitschaufelverstellring 29 ist eine aus einem Kunststoffmaterial gefertigte Buchse 31 gelagert. Diese Buchse ist in Form einer Hülse ausgebildet und weist eine zentrische Ausnehmung auf, in welcher der Schaft 32 des Abstandshalters 30 gelagert ist. Die Lagerung des Schaftes 32 erfolgt an einem radial äußeren Bereich der Buchse 31 mittels eines Gewindes 39. Durch Drehung des Schaftes 32 ist es somit möglich, die radiale Position des Abstandshalters 30 einzujustieren.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der durch die Thermaldehnungen ausgeführten Radialbewegungen. Es wird dabei beispielsweise von einer Erwärmung mit einem Wert von ΔT = 70 K ausgegangen. Bei einer derartigen Erwärmung des Gehäuses 38 dehnt sich das Gehäuse bei dem gezeigten Beispiel radial um 0,3 mm aus. Das Kunststoffmaterial der Buchse 31 würde sich dabei um einen Betrag von 0,42 mm ausdehnen. Der Schaft 32 und der Verstellring 29 erfahren eine Gesamtlängenänderung von 0,08 mm. Dies führt zu einer Gesamt-Radialbewegung des Abstandshalters 30 nach außen von 0,34 mm. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dem Abstandshalter 30 und der Oberfläche des Gehäuses 38 im Wesentlichen konstant bleibt, so dass auch bei dieser Erhöhung der Temperatur der Leitschaufelverstellring 29 präzise zentriert wird.
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Der Schaft 32 weist an seinem Ende ein Gewinde auf und ist mittels einer Mutter 40 verstellbar gesichert, welche mit der Buchse 31 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Triebwerksachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Lufteinlass
12: im Gehäuse umlaufender Fan
13: Mitteldruckkompressor
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammern
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Leitschaufeln
21: Triebwerksgehäuse
22: Kompressorlaufschaufeln
23: Leitschaufeln
24: Turbinenschaufeln
26: Kompressortrommel oder -scheibe
27: Turbinenrotornabe
28: Auslaufkonus
29: Leitschaufelverstellring
30: Abstandshalter
31: Buchse
32: Schaft
33: Achse
34: Hebel
35: Koppelstange
36: Kurbelwelle
37: Lager
38: Gehäuse
39: Gewinde
40: Mutter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2258926 A2 [0004]
US 2009/0162192 A1 [0004]
US 2010/0278639 A1 [0004]

Claims

Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine mit einer Vielzahl von jeweils um eine radiale Achse (33) schwenkbaren Leitschaufeln (20), welche in zumindest einer Radialebene angeordnet sind, sowie mit zumindest einem Leitschaufelverstellring (29), welcher mit den jeweiligen Leitschaufeln (20) gekoppelt ist und mittels zumindest einer Betätigungsvorrichtung in Umfangsrichtung drehbar ist, wobei der Leitschaufelverstellring (29) mittels mehrerer um den Umfang verteilter und an dem Leitschaufelverstellring (29) gelagerter Abstandshalter (30) an einem zentrisch angeordneten Gehäuse (38) in Radialrichtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Leitschaufelverstellring (29) für jeden Abstandshalter (30) eine aus einem Kunststoff mit einem hohen thermalen Ausdehnungskoeffizienten gefertigte Buchse (31) befestigt ist, an welcher der Abstandshalter (30) gelagert ist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) rohrartig ausgebildet ist und dass der Abstandshalter einen zentrisch in der Buchse (31) befestigten Schaft (32) aufweist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) am radial äußeren Bereich der Buchse (31) befestigt ist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) mit der Buchse (31) verschraubt ist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) an der radial innenliegenden Seite des Leitschaufelverstellrings (29) an diesem befestigt ist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) relativ zur Buchse (31) in radialer Richtung einstellbar ist.
Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) aus einem metallischen Material mit einem ähnlichen thermalen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse (38) und/oder der Leitschaufelverstellring (29) gefertigt ist.