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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelleinrichtung für Leitschaufeln einer Turbine, insbesondere für Leitschaufeln eines Gasturbinenverdichters, umfassend eine mit den Leitschaufeln gekoppelte Verstellmechanik mit einem Verstellring zur reversiblen Verschwenkung der Leitschaufeln um ihre jeweilige Achse. Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Turbine, insbesondere auf einen Gasturbinenverdichter der Turbine, umfassend ein Gehäuse und eine solche Verstelleinrichtung.
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Eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, ist in Axialrichtung meist in ein Verdichterteil (in welchem das die Turbine durchströmende Fluid komprimiert wird) und ein Turbinenteil (in welchem das Fluid unter Entwicklung von mechanischer Energie entspannt wird) unterteilt. Der Begriff „Turbine“ wird im Folgenden allgemein sowohl für den Verdichterteil einer Turbine (oder Gasturbine), als auch für den „eigentlichen“ Turbinenteil der Gas- oder auch Dampfturbine verwendet.
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Sowohl im Verdichterteil als auch im Turbinenteil umfasst die Turbine normalerweise ein Gehäuse. In dem Gehäuse ist ein rotierbarer Läufer aufgenommen, an dessen Umfang in mehreren Reihen jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (Laufschaufeln) angeordnet sind. In Axialrichtung der Turbine ist üblicherweise jeweils zwischen zwei Laufschaufelreihen jeweils eine Leitschaufelreihe angeordnet. Die Leitschaufeln sind - im Gegensatz zu den Laufschaufeln - ortsfest am Gehäuse angebracht.
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Die Leitschaufeln dienen dazu, das strömende Gas gerichtet auf die Laufschaufeln zu leiten. Um dabei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gerecht zu werden, sind die Leitschaufeln üblicherweise um ihre Längsachse verschwenkbar. In einer herkömmlichen Bauform, wie sie beispielsweise aus der
DE 103 51 202 A1 oder der
DE 102 43 103 A1 bekannt ist, ist hierzu eine Verstelleinrichtung vorgesehen, die einen das Gehäuse umschließenden, rotierbaren Verstellring umfasst, der über eine Hebelvorrichtung alle Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe gleichförmig entsprechend seiner eigenen Verdrehung verschwenkt.
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Für Verstellringe, die axial beweglich geführt werden, ist eine Lagerung mit Hilfe von Gleitplatten verschiedener Ausführungen bekannt. Aus der
US 2014/0234082 A1 ist beispielsweise eine Synchronisationsanordnung für einen Verstell- oder Synchronring einer Gasturbine zu entnehmen. Die Synchronisationsanordnung enthält einen Synchronring, der mit Hilfe von Hebeln mit Leitschaufeln verbunden ist. Der Synchronring ist verschiebbar an einem Verdichtergehäuse montiert. Um die Leitschaufeln zu schwenken, bewegt ein Aktuator den Synchronring in axialer Richtung und in Umfangsrichtung entlang einem bogenförmigen Weg, auf dem der Synchronring gleitet. Hierzu sind scheibenförmige Dämpfer-Anordnungen in Umfangsrichtung zwischen dem Synchronring und dem Verdichtergehäuse vorgesehen.
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Alternativ erfolgt die Lagerung des Verstellrings durch die Hebel selber, d.h. es ist keine separate Abstützung vorgesehen.
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Je nach Art der Hebelverbindung (einteilig, mehrteilig) zwischen Leitschaufeln, erfährt der Verstellring neben einer Drehung um seine Symmetrieachse auch eine Verschiebung in axialer Richtung. Für den Fall einer einteiligen Hebelanbindung ist zur Lagerung des Verstellrings, z. B. auf dem Verdichtergehäuse, eine Abstützung vorzusehen, die den Verstellring radial führt und eine axiale Bewegung zulässt.
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An die Lagerung werden u.a. folgende Anforderungen gestellt: geringer Reibwiderstand, hohe Positioniergenauigkeit in radialer Richtung, axialer Freiheitsgrad, etc..
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer Turbine anzugeben, die eine positionsgenaue und verschleißarme Führung des Verstellrings ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verstelleinrichtung für Leitschaufeln einer Turbine, insbesondere für Leitschaufeln eines Gasturbinenverdichters, umfassend eine mit den Leitschaufeln gekoppelte Verstellmechanik mit einem Verstellring zur reversiblen Verschwenkung der Leitschaufeln um ihre jeweilige Achse, wobei zur Lagerung des Verstellrings gegenüber einem Gehäuse der Turbine zumindest eine Kugelrolle vorgesehen ist, umfassend eine Laufkugel, die auf mehreren kleineren Tragkugeln in einer Lagerschale abrollt.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbine, insbesondere einen Gasturbinenverdichter einer Turbine, umfassend ein Gehäuse und eine solche Verstelleinrichtung.
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Die in Bezug auf die Verstelleinrichtung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Turbine bzw. den Gasturbinenverdichter übertragen.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, zur Abstützung des Verstellrings eine Kugelrolle einzusetzen, die eine größere Laufkugel umfasst, welche auf mehreren kleineren Füll- bzw. Tragkugeln in einer Lagerschale abrollt. Unter Kugelrolle wird hierbei ein Lagerelement zur Reduzierung der Reibungskräfte zwischen dem Verstellring und dem Gehäuse verstanden. Kugelrollen sind Maschinenelemente, welche aus der Fördertechnik bekannt sind, denn sie ermöglichen ein müheloses Verschieben oder Drehen auch von schweren Lasten in beliebige Richtungen. Eine Kugelrolle umfasst in der Regel eine gehärtete Lagerschale, die als Laufbahn für eine Vielzahl kleiner Trag- und Füllkugeln dient. Die Tragkugeln wälzen sich bei Drehung der Laufkugel auf der Lagerschale ab. Dabei sind durch Kugelrollen präzises Abrollen und volle Belastbarkeit erreicht. Kugelrollen sind zudem wartungsarm.
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Bevorzugt sind mehrere Kugelrollen um den Verstellring vorgesehen, so dass der Verstellring an mehreren Stellen auf dem Gehäuse gestützt ist. Die Kugelrollen können dabei sowohl auf dem Gehäuse als auch im oder am Verstellring befestigt sein, also als feststehendes oder mitlaufendes Element realisiert werden.
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Bei ihrer Verwendung als Lager- und Führungselement für den Verstellring erlauben die Kugelrollen die Bewegung des Verstellrings sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung. Im Gegensatz zu den bestehenden Lösungen mit gleitender Führung ist die Reibung in der Abstützung des Verstellrings geringer, gleichzeitig ist dabei eine hohe radiale Positioniergenauigkeit erreicht.
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Aufgrund der Rollreibung ist der Rollwiderstand geringer als bei Gleitreibung und die Verstellkräfte, die zur Bewegung des Verstellrings notwendig sind, sind dadurch reduziert. Dies führt zu geringerem Verschleiß an den kraftführenden Verstelleinrichtungskomponenten sowie zu geringeren Kosten für Aktuatoren und kraftführenden Komponenten. Gleichzeitig führt die Lagerung über die Kugelrollen zu einer höheren Verstellgenauigkeit und -geschwindigkeit und somit zu einem höheren Verdichterwirkungsgrad.
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Aufgrund des axialen Freiheitsgrades in der Bewegung des Verstellringes kann eine einteilige Hebelanbindung verwendet werden. Diese führt im Vergleich zu mehrteiligen Hebelverbindungen zu geringeren Bauteilkosten aufgrund geringerer Anzahl an Bauteilen und zu höherer Verstellgenauigkeit sowie zu geringeren Verstellkräften wegen der größeren realisierbaren Hebellänge.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Verstellmechanik eine Feder, auf welcher die Kugelrolle gelagert ist. Durch diese Ausgestaltung werden thermische Ausdehnungen im Bereich des Gasturbinenverdichters ausgeglichen. Zum Einsatz kommen beispielsweise Tellerfedern, es können jedoch auch andere Feder-Ausführungen, z.B. Blattfeder, verwendet werden.
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Im Hinblick auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Kugelrolle weist die Verstellmechanik bevorzugt ein Dichtelement zur Abdichtung der Kugelrolle auf. Das Dichtelement kann sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgestaltet sein. Das Dichtelement ist beispielsweise in einem Spalt zwischen dem Verstellring und dem Gehäuse angeordnet und schützt gegen Wasser und/oder Verunreinigungen zumindest die Laufkugel, insbesondere jedoch sowohl die Laufkugel als auch einen Teil der Kugelrolle, der in den Spalt hineinragt. Alternativ kann die gesamte Kontaktfläche, auf welcher die Kugelrolle abrollt, durch das Dichtelement abgedichtet sein. Bei mehreren Kugelrollen ist vorzugseise jeweils zumindest ein Dichtelement pro Kugelrolle vorgesehen.
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Vorteilhafterweise ist auf dem Verstellring oder auf dem Gehäuse eine Kontaktfläche, auf welcher die Laufkugel bewegbarbar ist, vorgesehen, wobei die Kontaktfläche aus einem gegenüber dem Verstellring bzw. dem Gehäuse härteren Material ausgebildet ist. Hierbei wird erreicht, dass die Kontaktfläche eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Die Kontaktfläche kann insbesondere als ein separates Ringsegment ausgebildet sein, welches mit dem Material des Verstellrings bzw. des Gehäuses insbesondere über eine unlösbare Verbindung (z.B. Schweißen) verbunden ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine verstellbare Leitschaufel, sowie einen Verstellring einer zugehörigen Verstelleinrichtung,
- 2 in einer Querschnittsdarstellung eine Kugelrolle,
- 3 in einem Ausschnitt eine erste Ausführung einer Verstellmechanik,
- 4 in einem Ausschnitt eine zweite Ausführung einer Verstellmechanik,
- 5 in einem Ausschnitt eine dritte Ausführung einer Verstellmechanik, und
- 6 in einem Ausschnitt eine vierte Ausführung einer Verstellmechanik.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen ausschnittweisen Längsschnitt durch einen Verdichter 1 einer Turbine 2, hier einer Gasturbine. Eine Axialrichtung 3 der Gasturbine 2 bzw. des Verdichters 1 ist dabei in der Darstellung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
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Der Verdichter 1 umfasst ein in groben Zügen zylinderförmiges Gehäuse 4, welches einen (hier nicht dargestellten) Rotor mit einer Vielzahl von in Axialrichtung 3 hintereinandergeschalteten Laufschaufelreihen aufnimmt.
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Jede Laufschaufelreihe umfasst eine Vielzahl von über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilten Laufschaufeln (hier ebenfalls nicht dargestellt). Die Laufschaufeln dienen im Wesentlichen zur Verdichtung des bestimmungsgemäß in Strömungsrichtung 5 durch den Verdichter 1 strömenden Gases 6.
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In Axialrichtung 3 ist jeweils zwischen zwei (rotierbaren) Laufschaufelreihen eine ortsfeste Leitschaufelreihe 7 angeordnet. Die vorliegende Darstellung beschränkt sich dabei auf den Bereich einer einzigen Leitschaufelreihe 7.
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Jede Leitschaufelreihe 7 umfasst wiederum eine Vielzahl von über den Innenumfang des Gehäuses 4 gleichmäßig verteilten Leitschaufeln 8. Jede Leitschaufel 8 ist dabei mit ihrer Achse 9 im Wesentlichen in Radialrichtung des Verdichters 1 ausgerichtet.
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Jede Leitschaufel 8 umfasst ein Schaufelblatt 10, an welchem radial innenseitig ein Schaft 11, und radial außenseitig eine Spindel 12 angebracht ist.
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Radial innenseitig ist jede Leitschaufel 8 mit ihrem Schaft 11 jeweils in einer korrespondierenden Buchse 13 eines auf dem Rotor gelagerten Innenrings 14 gehalten.
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Radial außenseitig ist die Spindel 12 jeder Leitschaufel 8 jeweils durch eine Durchführung 15 aus dem Gehäuse 4 herausgeführt.
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Am radial außenliegenden Ende 16 jeder Spindel 12 ist ein zu einer Hebelvorrichtung 17 gehöriger Hebel 18 im Wesentlichen rechtwinklig zu derselben an dieser starr befestigt. Jeder Hebel 18 wiederum ist jeweils über ein Lager 19 gelenkig mit einem Verstellring 20 verbunden. Der Verstellring 20ist hierbei Teil einer hier als Verstellmechanik 21 bezeichneten Baugruppe. Die Verstellmechanik 21 ist zusammen mit der Hebelvorrichtung wiederum Teil einer Verstelleinrichtung 22.
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Der Verstellring 20 ist radial außenseitig mit Lagerelementen 23, welche in 1 nur symbolisch angedeutet sind, auf dem Gehäuse 4 rotierbar gelagert, wobei seine Rotationsachse im Wesentlichen konzentrisch zur Achse der Gasturbine 2 bzw. des Verdichters 1 ausgerichtet ist.
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Eine Rotation des Verstellrings 20 bewirkt über die Hebelvorrichtung 17 eine gleichförmige gleichzeitige Verschwenkung aller Leitschaufeln 8 um ihre jeweilige Achse 9.Dabei können die Leitschaufeln 8 je nach Rotationswinkel des Verstellrings 20 zwischen zwei Endpositionen grundsätzlich in jede beliebige Position verstellt werden.
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Die erste, als „geschlossen“ bezeichnete Endposition ist erreicht, wenn die Schaufelblätter 10 aller Leitschaufeln 8 mit ihren jeweiligen Schaufelflächen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 5 gestellt sind, wenn also die im Bereich der Leitschaufelreihe 7 freie durchströmte Fläche auf ein Minimum reduziert ist.
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Die zweite, als „geöffnet“ bezeichnete Endposition ist dementsprechend dann erreicht, wenn die Schaufelblätter 10 aller Leitschaufeln 8 mit ihrer jeweiligen Schaufelfläche im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 5 gestellt sind, wenn also die freie durchströmte Fläche im Bereich der Leitschaufelreihe 7 maximal ist.
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Der detaillierte Aufbau des Lagerelements 23 ist in 2 dargestellt. Das Lagerelement 23 ist als Kugelrolle 25 ausgeführt, welche eine größere Laufkugel 26 sowie eine gehärtete Lagerschale 27, die als Laufbahn für eine Vielzahl von kleineren Trag- oder Füllkugeln 29 dient, aufweist. Die Tragkugeln 29 wälzen sich bei Drehung der Laufkugel 26 auf der Lagerschale 27 ab. Darüber hinaus umfasst die Kugelrolle 25 ein Außengehäuse 31 mit einem Deckel 33, in welchem Außengehäuse 31 die Laufkugel 26, die Lagerschale 27 und die Tragkugeln 29 zusammen mit weiteren Komponenten aufgenommen sind.
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In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Kugelrolle 25 als weiteres Teil der Verstellmechanik 21, gezeigt. Hierbei ist die Kugelrolle 25 am Verstellring 20 befestigt bzw. im Verstellring 20 integriert, so dass lediglich der Deckel 33 und die Laufkugel 26 in einen Spalt 39 zwischen dem Verstellring 20 und dem Gehäuse 4 hineinragen. Zum Abrollen der Laufkugel 26 auf dem Gehäuse 4 ist eine Kontaktfläche 35 angebracht, die eine Laufbahn aus einem härteren Material als das des Gehäuses 4 bildet. Die Kontaktfläche 35 liegt auf einer Beilage 37 auf. Die Beilage 37 dient dazu, die Position des Verstellrings 20 konzentrisch zum Gehäuse 4 zu halten und sicherzustellen, dass alle Kugelrollen 25 im Eingriff sind, indem durch die Beilage 37 u.a. die Fertigungstoleranzen des Gehäuses 4 ausgeglichen werden.
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Aus 4 geht ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Kugelrolle 25 der Verstellmechanik 21 hervor. Die Kugelrolle 25 ist über die Beilage 37 auf dem Gehäuse 4 befestigt, wobei sie vollständig, d.h. sowohl die Laufkugel 26 als auch das Außengehäuse 31, aus dem Gehäuse 4 in den Spalt 39 hineinragt. Die Kontaktfläche 35 ist herbei am Verstellring 20 angebracht.
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Die Anordnung der Kugelrolle 25 gemäß 5 ist ähnlich wie in 4, jedoch ist für die Kugelrolle 25 eine Aufnahme 41 am Gehäuse 4 vorgesehen, in welcher Aufnahme 41 eine Tellerfeder 43 eingebracht ist.
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Eine weitere Ausführungsvariante, die in 6 gezeigt ist, sieht vor, dass im Spalt 39 zwischen dem Gehäuse 4 und dem Verstellring 20 ein umlaufendes Dichtelement 45 angeordnet ist, welches den Teil der Kugelrolle 25, der in den Spalt 39 hineinragt, umschließt und gegen Wasser und/oder Verunreinigungen schützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10351202 A1 [0004]
- DE 10243103 A1 [0004]
- US 2014/0234082 A1 [0005]
