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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drehbaren Lagerung von Bauteilen in einer Strömungsmaschine, insbesondere zur Lagerung von verstellbaren Leitschaufeln, wobei die Vorrichtung einen Drehzapfen und eine Drehaufnahme umfasst und wobei der Drehzapfen drehbar in der Drehaufnahme angeordnet werden kann.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken können Verdichter eingesetzt werden, welche mindestens einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln aufweisen. Solche Verdichter können besser an wechselnde Betriebsbedingungen angepasst werden und können eine geringere Stufenzahl, ein kleines Bauvolumen und ein geringes Gewicht aufweisen. Es ist üblich, verstellbare Leitschaufeln radial außerhalb des Schaufelblatts am bzw. im Verdichtergehäuse und radial innerhalb des Schaufelblatts an bzw. in einem dem Stator zugehörigen Innenring zu lagern. Hierfür weisen die Leitschaufeln ausgehend vom Schaufelblatt einen äußeren Drehzapfen sowie einen inneren Drehzapfen auf. Der statische Innenring, dessen radial äußere Oberfläche einen Teil der inneren Ringraumbegrenzung bildet, weist zu jeder Leitschaufel ein Lager für den inneren Drehzapfen auf. Entsprechend weist das Verdichtergehäuse Lager für die äußeren Drehzapfen auf. Die Lager sind in der Regel als Gleitlager ausgeführt, wobei zwischen Drehzapfen und entsprechender Drehaufnahme für die Drehzapfen jeweils Gleitlagerbuchsen mit eingelagerten Festschmierstoffen angeordnet sind, um die Reibung niedrig zu halten.
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Allerdings benötigen entsprechende Lagerbuchsen mit eingelagerten Festschmierstoffen einen gewissen Bauraum, sodass bei der Anordnung einer Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln Platzprobleme auftreten können. Die Gleitlagerbuchsen können jedoch nicht einfach weggelassen werden, da eine höhere Reibung die Verstellung der Leitschaufeln erschwert und zudem die Reibung zwischen den Drehzapfen und Drehaufnahmen insbesondere bei den vorliegenden Umgebungsbedingungen in Strömungsmaschinen zu einem starken Verschleiß der beteiligten Bauteile führen würde, was insbesondere bei teuren Bauteilen, wie dem Innenring oder den Leitschaufeln nachteilig ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur drehbaren Lagerung von Bauteilen in Strömungsmaschinen, insbesondere zur Lagerung von verstellbaren Leitschaufeln in Flugtriebwerken, bereitzustellen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik vermieden bzw. verringert werden können. Insbesondere soll die Vorrichtung bei einem geringen Bauraumbedarf zuverlässig den Verschleiß zwischen drehbar gelagerten Bauteilen von Strömungsmaschinen verhindern und eine leichte Drehbarkeit der Bauteile zueinander ermöglichen. Die Vorrichtung soll zudem einfach aufgebaut und einfach betreibbar sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, anstelle einer Gleitlagerbuchse mit eingelagerten Festschmierstoffen ein Verschleißschutzblech zwischen dem Drehzapfen und der Drehaufnahme anzuordnen, wobei das Verschleißschutzblech auf eingelagerte Festschmierstoffe verzichtet und homogen aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist. Allerdings wird das Metall bzw. die Metalllegierung so gewählt, dass bei der Betriebstemperatur der Strömungsmaschine eine Oxidschicht ausgebildet wird, die die Funktion des Festschmierstoffs übernimmt. Dadurch kann der Bauraum, der für die Lagerung von drehbar zueinander angeordneten Bauteilen erforderlich ist, verringert werden und eine einfache, verschleißarme Lagerung von verstellbaren Leitschaufeln ist somit auch für Stufen eines Verdichters mit einer großen Schaufelzahl anwendbar. Durch das in der Drehaufnahme angeordnete Verschleißschutzblech wird auch gewährleistet, dass teure und aufwändig herzustellende Bauteile, wie Leitschaufeln und Komponenten des Stators, wie Innenring oder Gehäuse, nicht verschleißen und ein potentiell auftretender Verschleiß am Verschleißschutzblech stattfindet, sodass lediglich das Verschleißschutzblech gewechselt werden muss, was in einfacher Weise erfolgen kann.
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Vorteilhaft weist das so oxidierte Verschleißschutzblech gute Reibeigenschaften auf, wobei, insbesondere unter betriebsnahen Bedingungen der Strömungskraftmaschine, ein erster Reibungskoeffizient zwischen dem Verschleißschutzblech und der Drehaufnahme und/oder ein zweiter Reibungskoeffizient zwischen dem Verschleißschutzblech und dem Drehzapfen kleiner ist als ein Reibungskoeffizient zwischen dem Drehzapfen und der Drehaufnahme. Bei den verglichenen Reibungskoeffizienten handelt es sich vorzugsweise um Gleitreibungskoeffizienten. Es ist aber auch möglich, dass die verglichenen Reibungskoeffizienten Haftreibungskoeffizienten sind. Ferner vorteilhaft wird durch das Anordnen eines Verschleißschutzbleches eine Adhäsion oder ein Fressen an den beteiligten Komponenten verhindert. Das Material des Verschleißschutzbleches ist vorteilhaft so gewählt, dass thermisch und Fliehkraft bedingt unterschiedliche Ausdehnungen der Leitschaufeln, deren Drehzapfen und der Drehaufnahme ausgeglichen werden. Dies kann beispielsweise durch ein Material erreicht werden, das bei den erwarteten Belastungen das Verschleißschutzblech einen Ausdehnungskoeffizient (thermisch oder aufgrund der Fliehkräfte) aufweist, der zwischen einem Ausdehnungskoeffizienten des Drehzapfens und einem Ausdehnungskoeffizienten der Drehaufnahme liegt.
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Das Metall oder die Metalllegierung, aus der das Verschleißschutzblech gefertigt ist, kann so gewählt werden, dass dieses bei den Betriebstemperaturen der Strömungsmaschine eine Oxidschicht mit einer definierten Wachstumsgeschwindigkeit bildet, die höher ist als eine erwartete Abriebgeschwindigkeit. Vorzugsweise wird die erwartete Abriebgeschwindigkeit aufgrund eines mechanischen Abriebs während des Betriebs ermittelt, wobei dann das Material des Schutzbleches so beschaffen ist, dass sich die Oxidschicht, schneller bildet, als der ermittelte Abrieb sie abtragen würde. Dies kann in Abhängigkeit der genannten Betriebstemperaturen erfolgen. Dadurch wird das Verschleißschutzblech durch die Oxidation nicht zu stark angegriffen, es wird aber gleichzeitig eine ausreichende Oxidschicht zwischen Drehaufnahme und Drehzapfen bereitgestellt.
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Das Blech kann voroxidiert werden, um bereits beim ersten Betrieb und vorzugsweise vor Erreichen der Betriebstemperatur Schutz vor Verschleiß zu bieten und geringe Reibung zu gewährleisten.
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Vorzugsweise kann das Metall oder die Metalllegierung auch so gewählt werden, dass bei der Betriebstemperatur der Strömungsmaschine eine dichte, gut anhaftende Oxidschicht gebildet wird. Die Oxidschicht ist vorzugsweise thermisch stabil und weist insbesondere einen zu dem Metall bzw. zu der Metalllegierung ähnlichen, oder sogar einen zu dem Metall bzw. der Metalllegierung identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Ein Indikator für die Güte der Haftung der Oxidschicht an dem Substrat kann beispielsweise nach dem Pilling-Bedworth-Verhältnis-Wert (PBV-Wert) eingeteilt werden, wobei eine gute anhaftende Oxidschicht beispielsweise einen PBV-Wert von kleiner als 2,2 aufweist. Eine besonders gute Oxidschicht weist einen PBV-Wert von unter 2 oder sogar von unter 1,8 auf. Als untere Grenze des PBV-Wertes kann die Metalllegierung so gewählt werden, dass sich ein PBV-Wert von mindestens 1 einstellt.
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Insbesondere kann das Metall oder die Metalllegierung aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Eisenlegierungen, z.B. Stahl, Nickellegierungen, Cobaltlegierungen, Molybdänlegierungen und wolframhaltige Legierungen umfasst. Eine wolframhaltige Legierung enthält vorzugsweise einen hohen Wolframanteil. Der Wolframanteil kann vorzugsweise der zweithöchste Bestandteil in Massenanteil der Legierung sein. Der Wolframanteil kann vorzugsweise aber auch der dritthöchste Bestandteil in Massenanteil der Legierung sein.
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Das Verschleißschutzblech kann so geformt sein, dass das Verschleißschutzblech den Reibkontakt zwischen einer inneren Oberfläche der Drehaufnahme und einer äußeren Oberfläche des Drehzapfens zuverlässig verhindert. Insbesondere soll durch die Form des Verschleißschutzblechs sichergestellt werden, dass kein unnötiger Verschleiß an den zueinander drehbar angeordneten Bauteilen der Strömungsmaschine auftritt.
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Entsprechend kann das Verschleißschutzblech als ein den Drehzapfen umgebender, offener oder geschlossener Ring oder als umlaufend um den Drehzapfen angeordnete, geschlossene oder geschlitzte Hülse oder als Buchse ausgebildet sein.
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Ein als Ring oder Hülse ausgebildetes Verschleißschutzblech kann zusätzlich ein radiales Sicherungselement aufweisen, welches verhindert, dass sich die Position des Verschleißschutzblechs in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse der Strömungsmaschine verändert oder dass das Verschleißschutzblech einem bestimmten Bereich durch radiale Bewegung verlässt. Entsprechend kann das als Ring oder Hülse geformte Verschleißschutzblech ein quer zur Ring - oder Hülsenachse verlaufendes Sicherungselement aufweisen. Die Ring - bzw. Hülsenachse ist hierbei die Achse, zu der ein geschlossener Ring bzw. eine geschlossene Hülse rotationssymmetrisch ist.
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Das Verschleißschutzblech kann elastisch vorgespannt angeordnet sein, sodass das Verschleißschutzblech durch die elastische Vorspannung entweder elastisch gegen den Drehzapfen oder die Drehaufnahme drückt und dadurch an diesen flächig und dicht anliegt. Entsprechend kann das Verschleißschutzblech so geformt sein, dass es bei der Anordnung um den Drehzapfen durch diesen elastisch aufgeweitet wird oder bei der Anlage an die innere Oberfläche der Drehaufnahmen elastisch komprimiert wird.
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Bei einer Ausbildung des Verschleißschutzblechs als offener Ring oder als geschlitzte Hülse in der Art eines Sprengrings weisen die freien, aufeinander zuweisenden Enden des Rings bzw. der Hülse einen Stoß auf, an dem die Enden aneinander anliegen oder den Spalt oder Schlitz begrenzen. Dieser Stoß kann geradlinig verlaufen oder zueinander abgewinkelte Bereiche aufweisen, sodass keine durchgängige Öffnung in einer Richtung parallel zur Ring - bzw. Hülsenachse in der Ring - bzw. Hülsenstruktur vorliegt.
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Die vorliegende Erfindung kann insbesondere zur Anordnung von verstellbaren Leitschaufeln in einer Strömungsmaschine eingesetzt werden, insbesondere zur drehbaren Anordnung einer verstellbaren Leitschaufel in einem Innenring und/oder einem Außenring bzw. Gehäuse eines Stators einer Strömungsmaschine.
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Figurenliste
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Die beigefügten Figuren zeigen in rein schematischer Weise in
- 1 einen Teil eines Leitschaufelkranzes mit verstellbaren Leitschaufeln, in denen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur drehbaren Lagerung von Bauteilen verwirklicht werden kann,
- 2 eine Draufsicht auf einen Innenring eine Strömungsmaschine mit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit Drehzapfen und Drehaufnahmen und in
- 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Drehzapfen und einer Drehaufnahme.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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1 zeigt einen Teil eines Leitschaufelkranzes 1 mit verstellbaren Leitschaufeln 2. Solche Leitschaufelkränze werden bevorzugt in Turboverdichtern verwendet, um deren strömungsmechanische Eigenschaften verändern bzw. anpassen zu können. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist das Verdichtergehäuse einschließlich Schaufellagerung und Verstellmechanismus nicht dargestellt. Man erkennt, dass jede Leitschaufel 2 ein strömungstechnisch wirksames Schaufelblatt 3, eine radial innere und eine radial äußere, jeweils tellerartige Platte 4, 5, 6 sowie einen radial inneren Drehzapfen 7 und einen radial äußeren Drehzapfen 8 aufweist. Letzterer dient der Lagerung in bzw. am Verdichtergehäuse und der Verbindung mit dem Verstellmechanismus. Im Bereich des inneren Drehzapfens 7 erkennt man den dem Stator zugehörigen Innenring 9, welcher in der Regel zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Segmente 10 umfasst. Der Innenring 9 bzw. dessen Segment 10 ist geschnitten dargestellt, so dass die Drehaufnahmen 11 für die Aufnahme der inneren Drehzapfen 7 zu sehen sind. Die Drehaufnahmen 11 können beispielsweise durch Bohren, Senken oder Drehen hergestellt sein. In den Drehaufnahmen 11 wird erfindungsgemäß zwischen den Drehaufnahmen 11 und den inneren Drehzapfen 7 ein Verschleißschutzblech angeordnet, welches in der Darstellung der 1 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden ist. Darüber hinaus ist es zudem auch möglich eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Lagerung der äußeren Drehzapfen 8 vorzusehen.
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Die Anordnung von Verschleißschutzblechen 12 in den Drehaufnahmen 11 ist in der Draufsicht auf den Innenring 9 in der 2 zu erkennen. Jedes Verschleißschutzblech 12, welches in der gezeigten Ausführungsform als offener Ring in der Art eines Sprengrings ausgebildet ist, liegt an der zylindrischen Oberfläche der jeweiligen Drehaufnahme 11 an und definiert einen Raum, in den der entsprechende innere Drehzapfen 7 eingeführt werden kann. Da das Verschleißschutzblech 12 in Form des offenen Rings elastisch vorgespannt ist, sodass das Verschleißschutzblech 12 flächig an der zylindrischen Oberfläche der jeweiligen Drehaufnahme 11 anliegt, ist jeweils ein Spalt 15 zwischen dem inneren Drehzapfen 7 und dem Verschleißschutzblech 12 ausgebildet.
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Die elastische Verspannung des Verschleißschutzblechs 12 in Form des offenen Rings wird dadurch erzeugt, dass der Krümmungsradius des Verschleißschutzblechs 12 leicht größer als der Radius der zylinderförmigen Drehaufnahme 11 ausgebildet ist, sodass beim Einführen des Verschleißschutzblechs 12 der offene Ring mit seinen beiden aufeinander zuweisenden Enden elastisch verformt wird, wobei die elastische Verspannung dafür sorgt, dass das Verschleißschutzblech 12 an der zylindrischen Oberfläche der Drehaufnahme 11 anliegt. In der 2 ist auch der Stoß 13 zwischen den aufeinander zuweisenden Enden des ringförmigen Verschleißschutzblechs 12 zu sehen.
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Die 3 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung des inneren Drehzapfens 7 in einer Drehaufnahme 11, wobei das Verschleißschutzblech 12 wiederum als offener Ring bzw. geschlitzte Hülse ausgebildet ist. Allerdings ist in diesem Fall das Verschleißschutzblech 12 so geformt, dass es flächig an der äußeren zylindrischen Oberfläche des inneren Drehzapfens 7 anliegt, sodass der Spalt 15 zwischen dem Verschleißschutzblech 12 und der zylindrischen Oberfläche der Drehaufnahme 11 gebildet ist.
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Wie sich aus der Darstellung der 3 ergibt, ist der Stoß 13 zwischen den aufeinander zuweisenden Enden des als geschlitzte Hülse ausgebildeten Verschleißschutzblechs 12 nicht geradlinig ausgebildet, sondern der Stoß 13 weist gestufte Bereiche auf, nämlich zwei Bereiche parallel zur Längsachse bzw. Hülsenachse und einen Bereich quer zur Längs - bzw. Hülsenachse.
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Darüber hinaus ist der 3 zu entnehmen, dass das Verschleißschutzblech 12 in Form einer geschlitzten Hülse ein Sicherungselement 14 aufweist, welches als quer zur Hülsenachse verlaufende Nase ausgebildet ist, sodass diese ähnlich dem Boden einer Buchse verhindert, dass der innere Drehzapfen 7 durch das Verschleißschutzblech 12 in Form der geschlitzten Hülse hindurchragt bzw. dass sich das Verschleißschutzblech 12 in Form der geschlitzten Hülse entlang des inneren Drehzapfes 7 aus der Drehaufnahme 11 heraus bewegen kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitschaufelkranz
- 2
- Leitschaufel
- 3
- Schaufelblatt
- 4
- tellerartige Platte
- 5
- tellerartige Platte
- 6
- tellerartige Platte
- 7
- innerer Drehzapfen
- 8
- äußerer Drehzapfen
- 9
- Innenring
- 10
- Segment
- 11
- Drehaufnahme
- 12
- Verschleißschutzblech
- 13
- Stoß
- 14
- Sicherungselement
- 15
- Spalt
