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Die Erfindung betrifft ein Innenringsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Leitschaufelkranz sowie eine Strömungsmaschine.
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Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen, haben zur Einstellung optimaler Betriebsbedingungen regelmäßig zumindest eine verdichterseitige verstellbare Leitschaufelreihe mit einer Vielzahl von um ihre Hauptachse bzw. Schaufelachse verschwenkbaren Leitschaufeln. Die verstellbare Leitschaufelreihe bildet mit einem einen Rotorabschnitt umgreifenden Innenring einen Leitschaufelkranz. Der Innenring dient zur inneren Stabilisierung und Lagerung der Leitschaufeln. Er kann wie in der
EP 0 947 668 B1 gezeigt, eine Vielzahl von radialen Lagerbohrungen zur Aufnahme jeweils eines schaufelseitigen Lagerzapfens aufweisen. Der Innenring besteht aus mehreren Ringsegmenten, die über einen radial inneren Dichtungsträger miteinander verbunden sind. Der Dichtungsträger besteht aus halbkreisartigen Trägersegmenten, die bei der Montage in Umfangsrichtung auf die Ringsegmente aufgeschoben werden. Die Trägersegmente werden nach der Positionierung an den Innenring über in Umfangsrichtung orientierte und im Heißgaspfad liegende Spannschrauben miteinander verspannt. Zum Abdichten eines Radialspaltes zum Rotorabschnitt ist der Dichtungsträger an seiner von den Leitschaufeln abgewandten Innenumfangsfläche mit einer Vielzahl von Einlaufbelägen versehen, in die rotorseitige Dichtfins bzw. Dichtspitzen einlaufen.
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In der
DE 10 2006 024 085 A1 wird alternativ vorgeschlagen, den Innenring aus zwei in axialer Richtung ungeteilten Halbringen zusammenzusetzen. Die Halbringe sind derart elastisch verformbar, dass sie über den Lagerzapfen der in den Gehäusehälften montierten Leitschaufeln abgerollt werden können. Hierzu werden die Halbringe auf einen konstanten Spannradius vorgespannt, im Bereich der Lagerzapfen positioniert und dann entspannt.
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Aufgrund eines hohen Temperaturgradienten durch transienten Triebwerksbetrieb wie beim Triebwerkshochfahren über die radiale Höhe werden der Innenring bzw. deren Ringsegmente, häufig Halbringe, und der Dichtungsträger aus ihrer ursprünglichen Kreisform deformiert, insbesondere ovalisiert. Durch den hohen radialen Temperaturgradienten werden die Dichtungsträger aus ihrer gewünschten Geometrie gebracht, wodurch der Radialspalt vergrößert und Leckagen begünstigt werden. Die Leckagen führen jedoch zu einer Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades. Damit ein notwendiger Einlauf der Dichtfins in die Einlaufbeläge verringert wird und sich der Radialspalt ungleichmäßig öffnen, müssen diese in der Auslegung zu ungunsten eines engen Betriebsspaltes vergrößert werden.
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Aufgabe der ist es, ein Innenringsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, der eine hohe Formtreue zu seiner ursprünglichen Form aufweist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, einen Leitschaufelkranz und eine Strömungsmaschine zu schaffen, der bzw. die zumindest einen hohen Verdichterwirkungsgrad bewirkt bzw. aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Innenringsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Leitschaufelkranz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Ein erfindungsgemäßer Innenringsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, zur radial inneren Stabilisierung und Lagerung von Leitschaufeln, hat einen Innenring ,der zumindest zwei Ringsegmente aufweist, die an ihren freien Außenflächen mit einer Wärmedämmschicht versehen sind.
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Unter „freien Außenflächen“ werden Flächen der Ringsegmente verstanden, die im montierten Zustand des Leitschaufelkranzes keine weiteren Bauteile aufnehmen, sondern die sichtbar sind. Diese Flächen sind im Betrieb der Strömungsmaschine einer Temperatur direkt ausgesetzt, die höher ist als eine Ruhetemperatur bzw. Temperatur der Strömungsmaschine im abgekühlten Stillstand. Dadurch, dass die freien Außenflächen der Ringsegmente mit einer Wärmedämmschicht beschichtet sind, wird der radiale Temperaturgradient innerhalb des Innenrings reduziert, wodurch dieses keiner Deformation unterliegt. Die Ringsegmente halten ihre ursprüngliche Form und zeigen somit eine hohe Formtreue. Zudem wird die Trägheit des Innenrings erhöht, wodurch ferner ein möglicher Bauteilverzug unterbunden wird. Der Radialspalt zwischen dem Innenring und gegenüberliegenden Dichtfins kann optimiert werden, was zu einer verdichterseitigen Wirkungsgradverbesserung im Vergleich zu Designs ohne Wärmedämmschicht führt. Zugleich muss durch die Wärmedämmschicht keine konstruktiven Veränderungen an dem Innenringsystem vorgenommen werden, so dass dieses ein kostengünstiges und serientaugliches Design darstellt. Die Wärmedämmschicht soll also nicht der Innenring an sich vor einer Überhitzung zu schützen, sondern den Temperaturgradienten in radialer Höhe senken.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Wärmedämmschicht metallisch.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Wärmedämmschicht kunststoffbasiert. Der Grundkunststoff bzw. die Kunststoffzusammensetzung ist dabei derart gewählt, dass die Temperaturen im Bereich des Innenringsystems standhält. Bei Verwendung als Innenringsystems eines verdichterseitigen Leitschaufelkranzes hält Grundkunststoff bzw. die Kunststoffzusammensetzung Temperatur um 400°C aus.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Wärmedämmschicht ein Lack bzw. lackartig.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Wärmedämmschicht keramisch.
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Je nach dem gewählten Material der Wärmedämmschicht, wird die Schichtdicke eingestellt. Durch diese Maßnahme wird nur soviel Wärmedämmschicht aufgetragen wie notwendig. Eine beispielhafte Schichtdicke bei einer lackbasierten Wärmedämmschicht beträgt 0,1mm.
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Der Temperaturgradient in radialer Richtung lässt sich weiter senken, wenn ein an dem Innenring angeordneter Dichtungsträger ebenfalls an seinen freien Außenflächen mit der Wärmedämmschicht versehen ist.
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Ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine hat ein erfindungsgemäßes Innenringsystem. Hierdurch ermöglicht der Leitschaufelkranz einen hohen Verdichterwirkungsgrad, da durch die Formtreue des Innenringsystems nicht nur ein enger Radialspalt eingehalten wird, sondern auch die Lagerung der Leitschaufeln verbessert wird, da diese durch die Formtreue des Innenringsystems nicht aus Ihrer gewünschten Lagerungsposition verschoben werden.
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Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest einen erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz auf. Durch diese Maßnahme zeichnet sich die Strömungsmaschine durch einen hohen verdichterseitigen Wirkungsgrad und somit durch einen gesteigerten Maschinenwirkungsgrad gegenüber vergleichbare Strömungsmaschinen ohne den erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz aus.
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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 stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Die einzige 1 einen Axialschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes im Bereich seines Innenringsystems. Es sei ausdrücklich erwähnt, dass die Geometrie des hier gezeigten Innenringsystems nur beispielhaft ist und das es nur zum vereinfachten Verständnis der Position der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht 72 gilt.
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Gemäß 1 hat ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz 1 einer Strömungsmaschine wie ein Flugtriebwerk zumindest eine Vielzahl von Leitschaufeln 2, ein Innenringsystem aus einem Innenring 4 und einem Dichtungsträger und in einem Trennfugenbereich des Innenringsystems jeweils eine Verbindungseinrichtung 8. Der Leitschaufelkranz 1 ist statorseitig im Verdichter der Strömungsmaschine angeordnet und umgreift einen Rotorabschnitt 10 eines Rotors, der um eine sich in Strömungsrichtung x eines Hauptstroms erstreckende Maschinenachse m rotiert. Der Hauptstrom durchströmt einen Ringraum, in dem die Leitschaufeln 2 mit ihren Schaufelblättern 12 angeordnet sind und der im Folgenden Heißgaskanal genannt wird.
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Die Leitschaufeln 2 sind um ihre sich radial zur Maschinenachse m erstreckende Hauptachse h verstellbar und haben jeweils ein Schaufelblatt 12, einen inneren Schaufelteller 14 und einen sich von dem Schaufelteller 14 radial nach innen erstreckenden Lagerzapfen 16. Zudem haben die Leitschaufeln 2 jeweils einen nicht gezeigten äußeren Schaufelteller sowie einen sich radial nach außen von dem äußeren Schaufelteller erstreckenden Verstellzapfen, der mit einer gehäuseseitigen Verstelleinrichtung zusammenwirkt.
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Die inneren Schaufelteller 12 sind jeweils in einem radialen äußeren Senkabschnitt 18 einer den Innenring 4 durchsetzenden Lagerbohrung 20 angeordnet. Sie haben eine radial innere und sich entlang der Maschinenachse m erstreckende Unterseite 22 und eine zur Unterseite 22 entgegengesetzte Oberseite 24. Die Oberseite 24 ist schräg zur Maschinenachse m angeordnet, wobei sie sich in Strömungsrichtung x radial von innen nach außen erstreckt. Sie bildet in nicht verstellter Stellung mit einer Innenringfläche 26 einen stufenfrei bzw. nahezu stufenfreien radial inneren Seitenwandabschnitt eines von dem Hauptstrom durchströmten Ringraums.
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Der Innenring 4 und somit das Innenringsystem mit dem Dichtungsträger 6 tauchen in eine Kühlluftkavität 27 ein, in der eine geringere Temperatur als im Heißgaskanal herrscht. Der Innenring 4 dient zur radial inneren Stabilisierung bzw. Stützung der Leitschaufeln 2. Er weist die Lagerbohrungen 20 und die Innenringfläche 26 auf und ist über einen Radialspalt von dem Rotorabschnitt 10 beabstandet. Er besteht aus zwei Halbringen mit jeweils einem Bogenabschnitt von 180°, die im Bereich einer horizontalen Trennebene eines Maschinengehäuses der Strömungsmaschine zum Innenring 4 zusammengesetzt sind. Selbstverständlich ist auch eine stärke Segmentierung des Innenrings 4 beispielsweie in vier Ringsegmente möglich.
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Die Lagerbohrungen 20 durchsetzen jeweils die Innenringfläche 26 in radialer Richtung. Sie haben jeweils einen radial inneren Lagerabschnitt 28 zur Aufnahme von Lagerbuchsen 30 und den radial äußeren Senkabschnitt 18 zur Aufnahme der inneren Schaufelteller 14.
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Die Lagerbuchsen 30 sind radial von innen nach außen in die Lagerabschnitte 28 eingesetzt. Sie haben jeweils einen T-förmigen Querschnitt mit einem radial erweiterten äußeren Kragen 32, mittels dem sie jeweils an einer radial inneren Umfangsfläche 34 der Halbringe anliegen.
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Die Leitschaufel 2 tauchen mit ihren Lagerzapfen 16 in die Lagerbuchsen 30 ein und sind somit bezogen auf ihre Hauptachse h in radialer Richtung drehbar geführt. Zusätzlich kann auf den Lagerzapfen 16 jeweils eine nicht gezeigte Gleitscheibe aufgeschraubt sein, die im montierten Zustand zwischen den Lagerbuchsen 30 und den inneren Schaufeltellern 14 angeordnet ist und eine Gleitfläche für die Leitschaufeln 2 definiert.
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Die Innenringfläche 26 erstreckt sich stromab der Lagerbohrungen 20 über einen hinteren und schräg zur Maschinenachse m radial von innen nach außen angestellten Axialvorsprung 36 des Innenrings 4. Zwischen dem Axialvorsprung 36 und den Schaufelblättern 12 ist jeweils ein radialer sogenannter Fahnenspalt 38 gebildet, der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Strömungsmaschine und einer hohen Pumpgrenze minimiert ist. Zur Einstellung des Fahnenspaltes 38 sind zumindest einige der Leitschaufeln 2 mit dem Innenring 4 bzw. den Halbringen in radialer Richtung mechanisch gekoppelt. Die mechanische Kopplung kann beispielsweise mittels axialen Sicherungsstiften erfolgen, die in Innenring 4 zumindest einseitig durchsetzen und in eine entsprechende Ringnut der Lagerzapfen 16 eingreifen.
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Zur Aufnahme des Dichtungsträgers 6 hat der Innenring 4 eine vordere stirnseitige Führungsnut 40 sowie einen hinteren axialen Führungsvorsprung 42, die jeweils radial innenliegend zur Innenringfläche 26 angeordnet sind.
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Der Dichtungsträger 6 dient zur Positionierung von Einlaufbelegen 44, 46 zur Abdichtung des Radialspaltes zwischen dem Rotorabschnitt 10 und dem Innenring 4. Er ist radial innenliegend an dem Innenring 4 formschlüssig angeordnet. Er hat zwei halbkreisförmige Trägersegmente, die in Umfangsrichtung auf die Ringsegmente geschoben werden. Die Trägersegmente begrenzen im zum Dichtungsträger 6 zusammengesetzten Zustand Trennfugen, die bei lediglich zwei Trägersegmenten bevorzugterweise in der horizontalen Trennebene des Maschinengehäuses liegen. Die Trägersegmente haben jeweils ein U-förmiges Profil mit einer in Strömungsrichtung x betrachtet vorderen Wandung 54, einer hinteren Wandung 56 und einer die beiden Wandungen 54, 56 miteinander verbindenden Umfangswandung 58.
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Zur Fixierung des Dichtungsträgers 6 an den Innenring 4 weisen die vorderen Wandungen 54 der Trägersegmente jeweils einen vorderen stromabwärts gerichteten Umfangsvorsprung 60 und die hinteren Wandungen 56 jeweils eine seitlich und stromaufwärts geöffnete Umfangsnut 62 auf. Im montierten Zustand greifen die Umfangsvorsprünge 60 formschlüssig in die vorderen Führungsnuten 40 der Halbringe des Innenrings 4 ein. In die Umfangsnuten 58 greifen formschlüssig die hintere Führungsvorsprünge 42 der Halbringe des Innenrings 4 ein. Zur Ermöglichung einer Montage sind diese Formschlussverbindungen spielbehaftet. Zusätzlich können, wie in 1 gezeigt, die Trägersegmente des Dichtungsträgers 6 mit den Halbringen des Innenrings 4 durch Radialschrauben 90 miteinander verbunden sein, die durch die hinteren Führungsvorsprünge 42 geführt sind und in Bohrungen 92 der hinteren Wandung 56 eingeschraubt sind.
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Die Einlaufbelege 44, 46 sind unter anderem innenumfangsseitig an der Umfangswandung 58 und zum anderen innenumfangsseitig an einem radial inneren und hinteren Umfangsfortsatz 64 gegenüber von rotorseitigen Dichtspitzen bzw. Dichtfins 66 an der Umfangswandung 58 angeordnet.
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Die Verbindungseinrichtungen 8 sind jeweils endseitig der Trägersegmente und somit im montierten Zustand im Bereich der Trennfugen angeordnet. Sie sind in Hohlraum 68 zwischen dem Innenring 4 und dem Dichtungsträger 6 positioniert. Der Hohlraum 68 ist in radialer Richtung von den Halbringen und der Umfangswandung 58 der Trägersegmente und in axialer Richtung von der vorderen Wandung 54 und der hinteren Wandung 56 der Trägersegmente begrenzt.
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Das hier von dem Innenring 4 und dem Dichtungsträger 6 gebildete Innenringsystem ist wie durch die gestrichelte Linie angedeutet an seinen freien Außenflächen wie der Innenringfläche 26 mit einer Wärmedämmschicht 72 versehen. Unter „freien Außenflächen“ werden Flächen der Ringsegmente verstanden, die im montierten Zustand des Leitschaufelkranzes 1 keine weiteren Bauteile aufnehmen, sondern die sichtbar sind. Diese Flächen sind im Betrieb der Strömungsmaschine einer Temperatur direkt ausgesetzt, die höher ist als eine Ruhetemperatur bzw. Temperatur der Strömungsmaschine im abgekühlten Stillstand.
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Die Wärmedämmschicht 72 erstreckt sich in Strömungsrichtung betrachtet über die in Radialrichtung verlaufende vordere Seite des Innenringsystems, über die in Radialrichtung verlaufende hintere Seite des Innenringsystems und über die axial verlaufende Heißgasseite bzw. Innenringfläche 26 des Innenringsystems. Die die Dichtelemente 44, 46 aufnehmenden radial inneren Dichtungsträgerflächen 74, 76 sind hier nicht mit der Wärmedämmschicht 72 versehen. Die Wärmedämmschicht 72 erstreckt sich somit über den radial äußeren und vorderen sowie hinteren Bereich des Innenringsystems. Eine vom Heißgaskanal abgewandte Umfangsfläche 78 des Axialvorsprungs 36 ist somit auch von der Wärmedämmschicht 72 beschichtet und bildet demnach eine freie Außenfläche. Ein die Dichtelemente 44, 46 aufnehmender radial innerer Bereich des Innenringsystems bleibt frei von der Wärmedämmschicht 72. Zudem ist hier der innere Schaufelteller 14 an seiner Oberseite 24 mit der Wärmedämmschicht 72 versehen. Zum Freihalten der übrigen Flächen bzw. von Abschnitten des Innenringsystems wie der Lagerbohrung 20 und den Dichtelementen 44, 46 werden diese beim Beschichtungsvorgang bevorzugterweise maskiert.
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Offenbar ist ein Innenringsystem einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Leitschaufelkranzes, zur radial inneren Stabilisierung und Lagerung von Leitschaufeln, mit einem Innenring, der zumindest zwei Ringsegmente aufweist, wobei die Ringsegmente an freien Außenflächen mit einer Wärmedämmschicht versehen sind, sowie ein Leitschaufelkranz mit einem derartigen Innenringsystem und eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Leitschaufelkranz.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitschaufelkranz
- 2
- Leitschaufeln
- 4
- Innenring
- 6
- Dichtungsträger
- 8
- Verbindungseinrichtung
- 10
- Rotorabschnitt
- 12
- Schaufelblatt
- 14
- innerer Schaufelteller
- 16
- Lagerzapfen
- 18
- Senkabschnitt
- 20
- Lagerbohrung
- 22
- Unterseite
- 24
- Oberseite
- 26
- Innenringfläche
- 28
- Lagerabschnitt
- 30
- Lagerbuchsen
- 32
- Kragen
- 34
- Umfangsfläche
- 36
- Axialvorsprung
- 38
- Fahnenspalt
- 40
- vordere Führungsnut
- 42
- hinterer Führungsvorsprung
- 44
- Einlaufbelag
- 46
- Einlaufbelag
- 54
- vordere Wandung
- 56
- hintere Wandung
- 58
- Umfangswandung
- 60
- Umfangsvorsprung
- 62
- Umfangsnut
- 64
- Umfangsfortsatz
- 66
- Dichtfin
- 68
- Hohlraum
- 70
- Verbindungselement
- 72
- Wärmedämmschicht
- 74
- Dichtungsträgerfläche
- 76
- Dichtungsträgerfläche
- 78
- Umfangsfläche
- h
- Hauptachse/Schaufelachse
- m
- Maschinenachse
- x
- Strömungsrichtung/Axialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0947668 B1 [0002]
- DE 102006024085 A1 [0003]
