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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für ein Eintrittsleitgitter eines Verdichters, insbesondere Niederdruckverdichters, einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, umfassend ein Strebenelement, und ein mit dem Strebenelement beweglich verbundenes Klappenelement, wobei das Klappenelement um eine Drehachse drehbar ist, die sich im Wesentlichen parallel zu Radialrichtung der Gasturbine erstreckt.
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Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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Eintrittsleitgitter von Niederdruckverdichtern sind vor einem ersten Roter des Verdichters angeordnet und weisen in der Regel feste Streben auf zur Übertragung von Kräften aus dem Rotorlager und in Strömungsrichtung nach den Streben bewegliche Klappen zur Regelung des Fluiddurchsatzes. Zwischen den festen Streben und den jeweiligen Klappen sind in der Regel Spalte ausgebildet, die den Übertritt von Fluid von der Druckseite auf die Saugseite ermöglicht, was insgesamt einen Leistungsverlust für die Gasturbine darstellt.
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Um diese Spalte abzudichten, hat die Anmelderin in der
EP 0 223 194 A1 bereits vorgeschlagen, elastische bzw. flexible Bänder einzusetzen, die sich von der Strebe bis zur Klappe erstrecken und den betreffenden Spalt abdecken. Es hat sich allerdings gezeigt, dass solche elastischen Bänder aufgrund der damit verbundenen Materialwahl ungünstig sind in Bezug auf Temperaturschwankungen und Verschleiß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leitschaufel für ein Eintrittsleitgitter zu schaffen, das eine verbesserte Leistung der Gasturbine ermöglicht bei gleichzeitig geringem Verschleiß der Leitschaufeln.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass das Strebenelement eine Kernstruktur und ein die Kernstruktur entlang der Strömungsrichtung umgebendes Wandelement aufweist, wobei das Wandelement auf der Saugseite und auf der Druckseite in Strömungsrichtung über die Kernstruktur vorsteht, derart dass zwei freie Aufnahmeabschnitte gebildet sind, zwischen denen das Klappenelement in jeder relativen Drehlage zum Strebenelement aufgenommen ist.
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Die beiden freien Aufnahmeabschnitte bilden eine Art Verlängerung der Strömungskontur des Strebenelements, so dass ein zwischen dem Klappenelement und dem Strebenelement vorhandener Spalt abgedeckt bzw. überbrückt werden kann. Das Wandelement liegt unmittelbar an der Kernstruktur an und bildet die der Fluidströmung ausgesetzte Außenwand bzw. Außenkontur des Strebenelements.
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Das Strebenelement kann an seinem stromabwärtigen Ende einen konkaven, insbesondere kreisförmigen Außenkonturabschnitt aufweisen. Dieser konkave Außenkonturabschnitt erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen den beiden Aufnahmeabschnitten des Wandelements. Der konkave Außenkonturabschnitt befindet sich dabei auf der von der Fluidströmungsrichtung abgewandten Seite.
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Das Klappenelement kann an seinem stromaufwärtigen Ende einen konvexen, insbesondere kreisförmigen Stirnflächenkonturabschnitt aufweisen, derart dass das Strebenelement entlang des Außenkonturabschnitts des Strebenelements verdrehbar ist. Zwischen dem Stirnflächenkonturabschnitt und dem Außenkonturabschnitt des Strebenelements ist ein Spalt gebildet, damit die beiden Konturen nicht aneinander anliegen. Der Spalt kann aufgrund der komplementären Ausgestaltung des Außenkonturabschnitts und des Stirnflächenkonturabschnitts sehr klein gehalten sein, vorzugsweise beträgt er etwa 3 bis 12 mm, höchst vorzugsweise 5 bis 10 mm.
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Die Drehachse des Klappenelements kann bezogen auf eine Querschnittsfläche der Leitschaufel außerhalb der Querschnittsfläche liegen. Hierzu wird weiter vorgeschlagen, dass die kreisförmige Außenkontur und die kreisförmige Stirnflächenkontur konzentrisch ausgeführt sind bezogen auf die Drehachse. Bei einer geometrischen Konstellation, bei der die Drehachse außerhalb der Querschnittsfläche liegt, bewegt sich das gesamte Klappelement entlang eines Kreisbogens um die Drehachse. Die Lage der Drehachse ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die konvexe Stirnflächenkontur des Klappenelements auf einem Kreisbogen um die Drehachse liegt. Anders ausgedrückt weist jeder Punkt entlang einer Querschnittslinie des konvexen Stirnflächenkonturabschnitts den gleich Abstand bzw. Radius von der Drehachse auf.
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Der freie Aufnahmeabschnitt der Saugseite kann mit seinem Innenrand an dem Klappenelement, insbesondere an dessen Stirnflächenkonturabschnitt anliegen. Der freie Aufnahmeabschnitt der Saugseite liegt sozusagen tangential am konvexen Stirnflächenkonturabschnitt an, so dass das Wandelement mit dem saugseitigen Aufnahmeabschnitt und die Saugseite des Klappenelements eine im Wesentlichen durchgängige bzw. geschlossene Fläche bilden. Dabei kann die Fläche im Bereich der Übergangs vom Aufnahmeabschnitt zur Saugseite des Klappenelements eine kleine Stufe habe, die im Wesentlichen der Materialdicke des Wandelements entspricht. Um eine solche Stufe zu vermeiden, kann auch daran gedacht werden, dass der saugseitige Aufnahmeabschnitt an seinem stromabwärtigen Ende verjüngend ausgebildet ist, also zu seinem stromabwärtigen Ende hin spitz zuläuft bzw. in Umfangsrichtung schmaler wird.
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Der freie Aufnahmeabschnitt der Druckseite kann mit seinem Innenrand an dem Klappenelement anliegen, insbesondere an dessen Außenfläche der Druckseite. Ferner wird vorgeschlagen, dass das Klappenelement entlang seiner Druckseite einen stufenartigen Rücksprung aufweist, wobei der Rücksprung derart dimensioniert ist, dass in einem Zustand, in dem das Klappenelement in einer nicht verdrehten Stellung relativ zum Strebenelement angeordnet ist, der druckseitige Aufnahmeabschnitt und die Druckseite des Klappenelements im Wesentlichen bündig miteinander abschließen. Der druckseitige Aufnahmeabschnitt ist derart dimensioniert, dass er möglichst in jeder Relativstellung des Klappenelements zum Strebenelement am Klappenelement anliegt oder ein zwischen diesen gebildeter Spalt minimale Dimensionen aufweist.
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Das Wandelement kann aus einem Metallblech oder aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein. Diese Materialien sind sehr beständig unter hohen Temperaturschwankungen. Ferner kann mit einem Wandelement aus faserverstärktem Kunststoff Gewicht eingespart werden. Die freie Aufnahmeabschnitte können bei diesen Materialen auch so ausgebildet sein, dass sie mit einer gewissen Vorspannung ausgebildet werden derart, dass sie in Richtung des Klappenelements einen leichten Druck ausüben.
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In der Kernstruktur des Strebenelements können im Wesentlichen radial verlaufende Kanäle zur Kühlung oder zur Aufheizung vorgesehen sein, die nach Außen vom Wandelement abgedeckt sind. Solche Kanäle können somit im Strebenelement rinnenartig ausgebildet sein. Solche rinnenartigen Kanäle können durch spanende Verfahren hergestellt werden. Alternativ kann die Kernstruktur auch als Gussteil hergestellt sein, in dem entlang seiner Außenkontur bereits rinnenartige Kanäle ausgebildet sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Eintrittsleitgitter eines Verdichters einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Leitschaufeln, wie sie oben beschrieben worden sind.
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Ferner betrifft die Erfindung auch einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, mit einem Eintrittsleitgitter, das mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Leitschaufeln umfasst, wie sie oben beschrieben worden sind.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Gasturbine mit einem Verdichter, insbesondere Niederdruckverdichter, wobei der Verdichter ein Eintrittsleitgitter aufweist, das mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete umfasst, wie sie oben beschrieben worden sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
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1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Querschnittdarstellung eine Ausführungsform einer Leitschaufel.
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2 zeigt in einer vereinfachten schematischen Querschnittsdarstellung die Leitschaufel der 1 mit einem Klappenelement in einer zur 1 unterschiedlichen Drehstellung.
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3 zeigt in einer vereinfachten schematischen Querschnittsdarstellung die Leitschaufel analog zu den 1 und 2 mit einer Variation bezüglich der Ausgestaltung der druckseitigen Außenfläche des Klappenelements, wobei zwei Drehstellungen des Klappenelements überblendet gezeichnet sind.
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4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Querschnittsdarstellung die Leitschaufel der 1, wobei im Strebenelement Kanäle ausgebildet sind.
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Eine Ausführungsform mit kleinen Variationen einer Leitschaufel für ein Eintrittsleitgitter wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 genauer beschrieben, wobei die Leitschaufel nur in einer Querschnittsdarstellung gezeigt ist, wobei die Schnittebene durch die Axialrichtung AR und die Umfangsrichtung UR aufgespannt ist. Die Radialrichtung RR ist in den Figuren orthogonal zur Schnittebene bzw. zur Zeichnungsebene angenommen. In den 1 bis 4 werden für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet und dargestellt, auch wenn ein Teil nicht für jede Figur erneut beschrieben wird.
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1 zeigt eine Leitschaufel 10 in einer vereinfachten Querschnittsdarstellung. Die Leitschaufel 10 umfasst ein Strebenelement 12 mit einer Kernstruktur 13, das in Axialrichtung vorne angeordnet ist und von Fluid bzw. Luft umströmt wird, was durch den Pfeil SR angedeutet ist. Ferner weist die Leitschaufel ein relativ zum Strebenelement 12 bewegliches Klappenelement 14 auf. Das Strebenelement 12 ist von einem Wandelement 16 eingefasst, das in der 1 durch eine dickere schwarze Linie dargestellt ist. Das Wandelement 16 erstreckt sich auf den der Strömung SR zugewandten Seiten (Saugseite und Druckseite) um das Strebenelement 12 herum.
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Ferner steht das Wandelement 16 in Strömungsrichtung SR oder im Wesentlichen in Axialrichtung AR über die Kernstruktur 13 hinaus. Die über die Kernstruktur 13 vorstehenden Teile des Wandelements werden als Aufnahmeabschnitte 18 bezeichnet. Es gibt sowohl einen saugseitigen als auch einen druckseitigen Aufnahmeabschnitt 18.
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Die beiden Aufnahmeabschnitte 18 nehmen in Radialrichtung RR zwischen sich einen vorderen Teil des Klappenelements 14 auf. Die Aufnahmeabschnitte 18 liegen mit ihren Innenseiten 20 an der Außenfläche 22 des Klappenelements 14 an. Somit bilden die Außenseite 24 des Wandelements 16 und die Außenfläche 22 des Klappenelements 14 die umströmte Außenkontur der Leitschaufel 10.
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Das Klappenelement 14 ist relativ zum feststehenden Strebenelement 12 verschwenkbar bzw. verdrehbar. Dabei kann die Drehachse DA, wie dies in den 1 und 2 angedeutet ist, außerhalb der Querschnittsfläche der Leitschaufel 10 liegen. Bevorzugt liegt die Drehachse DA druckseitig außerhalb der Querschnittsfläche der Leitschaufel 10. 1 zeigt das Klappenelement 14 in einer für maximalen Fluid- bzw. Luftdurchsatz sorgenden Grundstellung. 2 zeigt das Klappenelement 14 in einer Drehstellung für reduzierten Fluiddurchsatz, in der das Klappenelement bezogen auf die Zeichnung nach unten verschwenkt ist.
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Das Strebenelement 12 weist an seinem axial hinteren Ende einen konkaven, insbesondere kreisförmigen Außenkonturabschnitt 26 auf. Der Außenkonturabschnitt 26 erstreckt sich zwischen den beiden Aufnahmeabschnitten 18. Bevorzugt liegt der Außenkonturabschnitt 26 auf einem Kreisbogen um die Drehachse DA. Das Klappenelement 14 weist einen konvexen, insbesondere kreisförmigen Stirnflächenkonturabschnitt 28 auf, der im Wesentlichen komplementär zum Außenkonturabschnitt 26 ausgebildet ist. Bevorzugt liegt der Stirnflächenkonturabschnitt 28 auf einem Kreisbogen um die Drehachse DA. Zwischen dem Außenkonturabschnitt 26 und dem Stirnflächenkonturabschnitt 28 ist ein Spalt 30 ausgebildet, damit das Klappenelement 14 relativ zum Strebenelement 12 frei beweglich ist, insbesondere keine Reibflächen vorliegen.
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Der saugseitige Aufnahmeabschnitt 18 liegt mit seiner Innenseite 20 an dem kreisförmigen Stirnflächenkonturabschnitt 28 des Klappenelements 14 an. Dieser Aufnahmeabschnitt 18 bildet ein zum kreisförmigen Stirnflächenkonturabschnitt 28 etwa tangential verlaufendes Element, wobei bei einer Verdrehung des Klappenelements 14, kaum oder keine diesen Aufnahmeabschnitt 18 verformenden Kräfte auftreten. Die Aufnahmeabschnitte 18 auf der Saugseite und auf der Druckseite überbrücken den Spalt 30 bzw. einen beim Verdrehen des Klappenelements 14 entstehenden Freiraum 32 (2), so dass kein oder kaum Austausch von Fluid zwischen Druckseite und Saugseite erfolgen kann.
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3 zeigt die Leitschaufel 10 mit einer Variation an der druckseitigen Außenfläche 22 des Klappenelements 14. In der Außenfläche 22 ist ein stufenartiger Rücksprung 34 ausgebildet. Dabei weist der stufenartige Rücksprung 34 eine Stufenhöhe auf, die im Wesentlichen der Dicke des Wandelements 16 entspricht. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die Außenseite 24 des Wandelements 26 und die Außenfläche 22 des Klappenelements in der Grundstellung des Klappenelements bündig aneinander anliegen und eine durchgehende Fläche bilden, so dass auf der Druckseite kaum Verwirbelungen auftreten.
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4 zeigt eine weitere Variation der Leitschaufel 10, wobei in der Kernstruktur 13 des Strebenelements 12 mehrere Kanäle 36 ausgebildet sind. Die Kanäle 36 dienen der Kühlung oder Aufheizung der Leitschaufel 10, so dass einströmendes Fluid vorgewärmt oder gekühlt werden kann. Die Kanäle 36 sind wannen- oder rinnenartig ausgebildet und erstrecken sich entlang des Strebenelements 12 in im Wesentlichen radialer Richtung. Nach außen sind die rinnenartigen Kanäle 36 durch das Wandelement 16 abgedeckt und abgedichtet. Die rinnenartigen Kanäle 36 können durch spanende Verfahren hergestellt werden. Alternativ kann die Kernstruktur 13 auch als Gussteil hergestellt sein, in dem entlang seiner Außenkontur bereits rinnenartige Kanäle 36 ausgebildet sind.
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Das Wandelement ist bevorzugt aus einem Metallblech oder aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Das Wandelement 16 kann mit der Kernstruktur 13 beispielsweise mittels Nieten oder materialschlüssig verbunden werden. Wann das Wandelement 16 aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, kann verglichen mit einer Ausführung als Metallblech Gewicht eingespart werden. Die Aufnahmeabschnitte 18 des Wandelements 16 sind bevorzugt gegen das Klappenelement 14 hin vorgespannt, so dass sie an diesem anliegen. Hierdurch kann einer Spaltbildung zwischen Aufnahmeabschnitte 18 und dem Klappenelement 14 entgegengewirkt werden.
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Die hier vorgestellte Leitschaufel 10 kann in einem Eintrittsleitgitter einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine eingesetzt werden. In einer Gasturbine bzw. einer entsprechenden Verdichterstufe sind dann mehrere Leitschaufeln 10 in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Ferner sind in einem Eintrittsleitgitter mit mehreren derartigen Leitschaufeln 10 die Klappen 14 bevorzugt synchron verstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leitschaufel
- 12
- Strebenelement
- 13
- Kernstruktur
- 14
- Klappenelement
- 16
- Wandelement
- 18
- Aufnahmeabschnitt
- 20
- Innenseite Aufnahmeabschnitt
- 22
- Außenfläche Klappenelement
- 24
- Außenseite Wandelement
- 26
- Außenkonturabschnitt
- 28
- Stirnflächenkonturabschnitt
- 30
- Spalt
- 32
- Freiraum
- 34
- Rücksprung
- 36
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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