-
Die
Erfindung betrifft eine Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Gasturbinen,
die zum Beispiel in Flugzeugen als Triebwerke verwendet werden,
umfassen mehrere rotierende Laufschaufeln und mehrere statische Leitschaufeln.
Die rotierenden Laufschaufeln und die statischen Leitschaufeln sind
von einem feststehenden Gehäuse
umgeben. Anordnungen von Leitschaufeln, die an entsprechenden Stellen
in einem gleichen Abstand zueinander in einer Fläche liegen, bezeichnet man
auch als Leitschaufelgitter. Als Flugzeugtriebwerke ausgebildete
Gasturbinen umfassen in der Regel mehrere Turbinenstufen sowie Verdichterstufen
und damit mehrere Leitschaufelgitter.
-
Um
den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu erhöhen, ist es wünschenswert,
die Strömung
durch die Gasturbine zu optimieren.
-
Die
DE 694 09 717 T2 schützt eine
Turbomaschinenschaufel mit variabler Wölbung, bei der die Eintrittskante
und die Austrittskante um eine Drehachse gelenkig verbunden sind.
Zwischen Ein- und Austrittskante ist eine strömungsgünstige Verbindung aus elastischem
Material eingefügt.
Nach dem Ausführungsbeispiel
(
1,
2) ist die Eintrittskante unbeweglich,
die Austrittskante beweglich ausgeführt. Somit ist nur der Strömungsaustrittswinkel
zusammen mit der Wölbung
der Schaufel verstellbar.
-
In
dieser Schrift ist u.a. die
EP
0 223 194 B1 als Stand der Technik genannt, welche eine
Leitschaufel für
Turbomaschinen schützt,
die eintrittsseitig ein feststehendes Schaufelteil und austrittsseitig ein
schwenkbares Schaufelteil aufweist. Die Verbindung zwischen den
Schaufelteilen ist scharnierartig in Form eines elastischen Bandes
an einer Schaufelseite (Druck- oder Saugseite) ausgeführt. Der
variable Spalt auf der Gegenseite ist ebenfalls durch ein flexibles
Band überdeckt.
Auch hier ist nur der Austrittswinkel zusammen mit der Wölbung verstellbar.
-
Ebenfalls
in der
DE 694 09 717
T2 zitiert ist die
US
4,995,786 , welche eine zweiteilige Verdichterleitschaufel
schützt.
Bei dieser Schaufel sind die Eintrittskante und die Austrittskante
um eine gemeinsame Achse unabhängig
voneinander schwenkbar. Somit können
der Ein- und Austrittswinkel und die Wölbung verstellt werden. Da
eine Verwölbung
zwangsläufig
zu einem Knick im Schaufelprofil führt, ist diese Variante strömungstechnisch
ungünstig.
Dabei sind auch Spalte zwischen den Teilen vorhanden.
-
Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
eine neuartige Gasturbine mit optimierter Schaufelverstellung zu schaffen.
-
Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass die eingangs genannte Gasturbine durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
-
Erfindungsgemäß verfügt die Gasturbine über mehrere
Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln mindestens ein Leitschaufelgitter
bilden. Ein Eintrittswinkel und ein Austrittswinkel und eine Wölbung der Leitschaufeln
des oder jeden Leitschaufelgitters sind einstellbar. Dadurch, dass
die Wölbung
und der Eintrittswinkel und der Austrittswinkel der Leitschaufeln eines
Leitschaufelgitters angepasst werden können, lässt sich die Strömung durch
die Gasturbine optimieren.
-
Dabei
ist jede Leitschaufel eines Leitschaufelgitters mit einem ersten
Abschnitt, der die Anströmseite
und damit den Eintrittswinkel der Leitschaufel bestimmt, in einer
ersten Verstelleinrichtung und mit einem zweiten Abschnitt, der
die Abströmseite
und damit den Austrittswinkel der Leitschaufel bestimmt, in einer
zweiten Verstelleinrichtung gelagert ist, wobei die erste Verstelleinrichtung
unabhängig von
der zweiten Verstelleinrichtung verstellbar ist und wobei die Verstelleinrichtungen
als Dreheinrichtungen ausgebildet sind, von denen jede zwei voneinander
unabhängige,
gleichsinnige und gegensinnige Drehbewegungen ermöglicht.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
-
1: eine schematisierte Darstellung
einer Leitschaufel eines erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters einer
erfindungsgemäßen Gasturbine
in einer ersten Position bzw. Ausrichtung im Querschnitt;
-
2: die Leitschaufel gemäß 1 in einer zweiten Position
bzw. Ausrichtung im Querschnitt;
-
3: die Leitschaufel gemäß 1 in einer dritten Position
bzw. Ausrichtung im Querschnitt;
-
4: die Leitschaufel gemäß 1 in einer vierten Position
bzw. Ausrichtung im Querschnitt;
-
5: ein erfindungsgemäßes Leitschaufelgitter
in einem gegenüber 1 bis 4 um 90° gedrehten Querschnitt; und
-
6: einen Querschnitt durch
das Leitschaufelgitter der 5 entlang
der Schnittlinie VI-VI in 5.
-
Das
der Erfindung zugrundeliegende Prinzip wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert. So
zeigen 1 bis 4 eine Leitschaufel 10 eines
erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters
einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
Zur besseren Übersicht ist
lediglich eine Leitschaufel 10 des Leitschaufelgitters
dargestellt. Die 1 bis 4 zeigen die Leitschaufel 10 in
unterschiedlichen Positionen bzw. Ausrichtungen.
-
Es
liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Strömung durch
die Gasturbine dadurch zu optimieren, dass eine Wölbung der
Leitschaufel 10 sowie gleichzeitig ein Eintrittswinkel
bzw. Anströmwinkel
und/oder ein Austrittswinkel bzw. Abströmwinkel der Leitschaufel 10 einstellbar
sind. Hierdurch ist eine ideale Strömungsführung durch die erfindungsgemäße Gasturbine
realisierbar.
-
Jede
der feststehenden Leitschaufeln 10 wird von zwei Kanten
begrenzt, nämlich
von einer Vorderkante 11 sowie einer Hinterkante 12 der
Leitschaufel 10. Mit einem ersten Abschnitt 13,
der die Anströmseite
und damit den Eintrittswinkel der Leitschaufel 10 bildet,
ist die Leitschaufel 10 auf einer ersten Verstelleinrichtung 14 geführt. Mit
einem dem ersten Abschnitt 13 gegenüberliegenden zweiten Abschnitt 15,
welcher die Abströmseite
und damit den Austrittswinkel der Leitschaufel 10 bestimmt,
ist die Leitschaufel 10 auf einer zweiten Verstelleinrichtung 16 verstellbar
geführt.
-
Die
erste Verstelleinrichtung 14 sowie die zweite Verstelleinrichtung 16 sind
als Dreheinrichtungen ausgebildet. Jede der Dreheinrichtungen, also sowohl
die erste Verstelleinrichtung 14 als auch die zweite Verstelleinrichtung 16,
verfügt über zwei
drehbare Teller. So zeigen 1 bis 4, dass die als Dreheinrichtungen
ausgebildeten Verstelleinrichtungen 14 und 16 einen
größeren, äußeren Teller 17 und
einen kleineren, inneren Teller 18 umfassen. Der äußere Teller 17 wird
auch als Hauptverstellteller und der innere Teller 18 als
Innenteller bezeichnet. Der innere Teller 18 ist im äußeren Teller 17 frei
gelagert und damit unabhängig
vom äußeren Teller 17 drehbar.
Weiterhin kann 1 bis 4 entnommen werden, dass eine
Drehachse 19 des äußeren Tellers 17 gegenüber einer
Drehachse 20 des inneren Tellers 18 versetzt ist,
so dass jede der Verstelleinrichtungen 14 und 16 eine
Drehung des in der jeweiligen Verstelleinrichtung 14 bzw. 16 gelagerten
Abschnitts 13 bzw. 15 der Leitschaufel 10 um
zwei Drehachsen 19, 20 ermöglicht. Die Abschnitte 13 bzw. 15 der
Leitschaufel 10 sind in den inneren Tellern 18 geführt bzw.
an diesen befestigt.
-
1 zeigt nun die Leitschaufel 10 mit
dem ersten Abschnitt 13 und dem gegenüberliegenden zweiten Abschnitt 15 in
einer sogenannten Normalposition, die durch einen vorgegebenen Eintrittswinkel
im Bereich des ersten Abschnitts 13, einen vorgegebenen
Austrittswinkel im Bereich des zweiten Abschnitts 15 und
eine vorgegebene Wölbung
der Leitschaufel 10 bestimmt wird. Wie 2 bis 4 zeigen, sind
durch die beiden Verstelleinrichtungen 14 und 16,
wobei jeweils eine der beiden Verstelleinrichtungen 14- bzw. 16 einem
der beiden Abschnitte 13 bzw. 15 zugeordnet ist,
die Wölbung
der Leitschaufel 10 und gleichzeitig der Eintrittswinkel
und der Austrittswinkel in einem vorbestimmten Bereich unabhängig voneinander
verstellbar.
-
So
sind in der in 2 dargestellten
Position bzw. Ausrichtung der Leitschaufel 10 der Eintrittswinkel
sowie die Wölbung
gegenüber
der in 1 dargestellten
Position verändert.
Der Austrittswinkel im Bereich des zweiten Abschnitts 15 ist
hingegen unverändert.
Dies wird durch entsprechende Drehung der Verstelleinrichtungen 14 und 16 im
Sinne der in 2 gezeigten
Pfeile 21 und 22 erreicht. So ist die erste Verstelleinrichtung 14 zusammen
mit dem ersten Abschnitt 13 der Leitschaufel 10 gegenüber der
in 1 dargestellten Normalposition
um ca. 15° entgegen
dem Uhrzeigersinn im Sinne des Pfeils 21 verdreht. Hierzu
ist der äußere Teller 17 zusammen
mit dem inneren Teller 18 entgegen dem Uhrzeigersinn um
15° verschwenkt.
Im Bereich des zweiten Abschnitts 15 der Leitschaufel 10 ist
die zweite Verstelleinrichtung 16 derart verdreht, dass
zwar der äußere Teller 17 um
ca. 90° entgegen
dem Uhrzeigersinn im Sinne des Pfeils 22 verdreht ist,
der innere Teller 18 ist hingegen derart relativ zum äußeren Teller 17 verdreht,
dass die Ausrichtung des zweiten Abschnitts 15 der Leitschaufel 10 gegenüber 1 unverändert bleibt. Dies wird dadurch
ermöglicht,
dass der innere Teller 18 gegenüber dem äußeren Teller 17 frei
drehbar ist.
-
In
der in 3 dargestellten
Ausrichtung der Leitschaufel 10 ist deren Wölbung sowie
Austrittswinkel gegenüber
der in 1 dargestellten
Ausrichtung verändert.
Der Eintrittswinkel im Bereich des ersten Abschnitts 13 der
Leitschaufel 10 ist hingegen unverändert. Dies wird durch eine
Drehung der Verstelleinrichtungen 14 und 16 im
Sinne der in 3 gezeigten Pfeile 23 und 24 bewerkstelligt.
So ist in der in 3 dargestellten
Position der äußere Teller 17 der
ersten Verstelleinrichtung 14 um ca. 90° im Uhrzeigersinn verdreht,
wohingegen der innere Teller 18 diese Verdrehung ausgleicht,
so dass der Eintrittswinkel im Bereich des ersten Abschnitts 13 der
Leitschaufel 10 gegenüber
der in 1 dargestellten
Position unverändert
bleibt. Der äußere Teller 17 sowie
der innere Teller 18 der zweiten Verstelleinrichtung 16 sind
im Sinne des Pfeils 24 um ca. 20° im Uhrzeigersinn verdreht.
So stellt sich ein gegenüber 1 veränderter Austrittswinkel sowie
eine veränderte
Wölbung
der Leitschaufel 10 ein.
-
4 zeigt eine Position der
Leitschaufel 10, bei welcher sowohl der Eintrittswinkel
als auch der Austrittswinkel sowie die Wölbung der Leitschaufel 10 gegenüber der
in 1 dargestellten Position
verändert
ist. Auch dies wird durch Verdrehung der Verstelleinrichtung 14 und 16 im
Sinne der in 4 gezeigten
Pfeile 25 und 26 erreicht. So ist in 4 die erste Verstelleinrichtung 14 im
Bereich des ersten Abschnitts 13 der Leitschaufel 10 um
ca. 15° entgegen
dem Uhrzeigersinn verdreht. Die zweite Verstelleinrichtung 16 ist
hingegen im Uhrzeigersinn um ca. 65° verdreht.
-
Aus
den Erläuterungen
zu 1 bis 4 folgt demnach, dass allen Leitschaufeln 10 eines
Leitschaufelgitters zwei als Dreheinrichtungen ausgebildete Verstelleinrichtungen 14, 16 zugeordnet
sind. Eine erste Verstelleinrichtung 14 ist einem ersten
Abschnitt 13 der Leitschaufel 10 zugeordnet, wobei
dieser erste Abschnitt 13 die Anströmseite und damit den Eintrittswinkel
der Leitschaufel 10 bestimmt. Eine zweite Verstelleinrichtung 16 ist
hingegen im Bereich eines zweiten Abschnitts 15 der Leitschaufel 10 angeordnet,
wobei dieser zweite Abschnitt 15 die Abströmseite und
damit den Austrittswinkel der Leitschaufel 10 bildet. Jede
der als Dreheinrichtungen ausgebildeten Verstelleinrichtungen 14 und 16 verfügt über zwei
drehbare Teller, nämlich
einen äußeren Teller 17 und
einen inneren Teller 18. Der innere Teller 18 ist
gegenüber
dem äußeren Teller 17 frei drehbar.
Weiterhin sind der innere Teller 18 und der äußere Teller 17 um
unterschiedliche Drehachsen 19 und 20 drehbar.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
sind demnach alle Leitschaufeln 10 derart verstellbar,
dass die Wölbung,
ein Eintrittswinkel und ein Austrittswinkel der Leitschaufeln 10 unabhängig voneinander
einstellbar sind. Die Abschnitte 13 und 15 der
Leitschaufel 10 sind auf den inneren Tellern 18 der
Verstelleinrichtungen 14 und 16 geführt. Im
Bereich der Abschnitte 13 und 15 sind die Leitschaufeln 10 sehr
stabil und verwindungssteif ausgeführt. In einem zwischen den
beiden Abschnitten 13 und 15 liegenden mittleren
Abschnitt der Leitschaufel 10 ist dieselbe hingegen biegeelastisch
ausgeführt,
damit keine all zu großen
Verstellkräfte
zur Verbiegung bzw. Verstellung der Leitschaufel 10 erforderlich
sind. Vorzugsweise ist die Leitschaufel 10 als eine Verbundwerkstoffkonstruktion
aus Metall und Karbonfasern bzw. Glasfasern ausgebildet.
-
1 bis 4 zeigen lediglich eine Leitschaufel 10 eines
Leitschaufelgitters. Wie bereits mehrfach ausgeführt, sind in einem Leitschaufelgitter
jedoch mehrere solcher Leitschaufeln 10 angeordnet. Jeder der
Leitschaufeln 10 eines Leitschaufelgitters sind die Verstelleinrichtungen 14 und 16 im
Bereich der Abschnitte 13 und 15 der Leitschaufel 10 zugeordnet. Vorzugsweise
sind alle ersten Verstelleinrichtungen 14, die den ersten
Abschnitten 13 aller Leitschaufeln 10 eines Leitschaufelgitters
zugeordnet sind, gemeinsam verstellbar. Hierdurch wird sichergestellt, dass
alle Leitschaufeln 10 eines Leitschaufelgitters im Bereich
der ersten Abschnitte 13 synchron verstellt werden. Weiterhin
sind vorzugsweise alle zweiten Verstelleinrichtungen 16,
die den zweiten Abschnitten 15 der Leitschaufeln 10 eines
Leitschaufelgitters zugeordnet sind, ebenfalls gemeinsam verstellbar.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass alle Leitschaufeln 10 eines Leitschaufelgitters im
Bereich der zweiten Abschnitte 15 synchron verstellbar
sind. Es sind demnach alle Leitschaufeln 10 eines Leitschaufelgitters
derart synchron verstellbar, dass für alle Leitschaufeln 10 des
Leitschaufelgitters die Eintrittswinkel an den Anströmseiten,
die Austrittswinkel an den Abströmseiten
und die Wölbungen
der Leitschaufeln 10 gleich verstellbar sind.
-
5 zeigt ein Konstruktionsbeispiel
zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters. So
zeigt 5 einen Querschnitt
durch ein Leitschaufelgitter 27. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung
der 5 entlang der Schnittlinie
VI-VI in 5.
-
So
zeigt 5 ein umlaufendes
Leitschaufellager 28 im Querschnitt, wobei das Leitschaufellager 28 feststehend
ausgebildet ist und wobei im Zusammenhang mit dem Leitschaufellager 28 eine
Leitschaufel 10 des Leitschaufelgitters 27 dargestellt
ist. Die Leitschaufel 10 ist wiederum mit dem ersten Abschnitt 13 in
einer ersten Verstelleinrichtung 14 und mit einem zweiten
Abschnitt 15 in der zweiten Verstelleinrichtung 16 verstellbar
geführt,
wobei die beiden Verstelleinrichtungen 14, 16 wiederum
als Dreheinrichtung mit zwei Tellern 17, 18 ausgebildet
sind und wobei die Abschnitte 13 bzw. 15 in den
inneren Tellern 18 der Verstelleinrichtungen 14 bzw. 16 geführt sind.
-
5 zeigt einen Querschnitt
durch die erste Verstelleinrichtung 14 im Bereich des ersten
Abschnitts 13 der Leitschaufel 10. Gemäß 5 wird der erste, äußere Teller 17 von
einer sich um die Drehachse 19 drehenden Welle 29 angetrieben.
Benachbart zum äußeren Teller 17 verfügt die Welle 29 über einen
Abschnitt 30 mit einem verbreiterten Durchmesser, wobei
dieser Abschnitt 30 über
mehrere Nieten 31 mit dem äußeren Teller 17 fest
verbunden ist. Durch eine Rotation der Welle 29 um die
Achse 19 wird demnach auch der äußere Teller 17 der Verstelleinrichtung 14 um
diese Drehachse 19 gedreht. Innerhalb des äußeren Tellers 17 ist
der innere Teller 18 frei drehbar gelagert. So zeigt 5 zwischen dem äußeren Teller 17 und
dem inneren Teller 18 ein Gleitlager 32, welches
die freie Drehbarkeit des inneren Tellers 18 gegenüber dem äußeren Teller 17 gewährleistet.
Zwischen dem Abschnitt 30 der Welle 29 und dem
inneren Teller 18 ist ein Nadellager 33 angeordnet,
um auch die freie Drehbarkeit des inneren Tellers 18 gegenüber der
Welle 29 zu ermöglichen.
-
Jede
Welle 29 greift an der Außenseite des Leitschaufellagers 28 über radial
von der jeweiligen Welle 29 vorstehende Kugelabschnitte 34 in
jeweils einen umlaufenden Ring 35 ein, der auf der Außenseite
des Leitschaufellagers 28 umläuft. Wie 5 entnommen werden kann, sind insgesamt
zwei umlaufende Ringe 35 vorgesehen. Ein erster der umlaufenden
Ringe 35 wirkt mit den ersten Verstelleinrichtungen 14 zusammen,
die dem ersten Abschnitt 13 der Leitschaufel 10 zugeordnet
sind. Ein zweiter umlaufender Ring 35 wirkt hingegen mit
den zweiten Verstelleinrichtungen 16 zusammen, die den
zweiten Abschnitten 15 der Leitschaufel 10 zugeordnet
sind. Über
den mit den ersten Verstelleinrichtungen 14 zusammenwirkenden,
umlaufenden Ring 35 lassen sich demnach alle ersten Verstelleinrichtungen 14 gemeinsam
und damit synchron verstellen. Über
den mit den zweiten Verstelleinrichtungen 16 zusammenwirkenden
Ring 35 lassen sich alle zweiten Verstelleinrichtungen 16,
nämlich
deren äußere Teller 17, synchron
und gleichzeitig verstellen. Die oben beschriebene Konstruktion
ist besonders einfach. Alle ersten Verstelleinrichtungen 14 eines
Leitschaufelgitters 27 lassen sich synchron verstellen.
Ebenso lassen sich alle zweiten Verstelleinrichtungen 16 des Leitschaufelgitters 27 synchron
verstellen.
-
An
dieser Stelle sei angemerkt, dass an den Ringen 35 vorzugsweise
eine nicht dargestellte Hebelgetriebemechanik angreift, um verschiedenen Drehrichtungen
und Drehwege der beiden Ringe 35 zu ermöglichen. Außerdem ist es in der Regel
erforderlich, zum Beispiel bei einer Verstellung des Eintrittswinkels
die Wölbung
und den Austrittswinkel nachzutrimmen, da eine gewisse Zwangsverstellung zwischen
der Wölbung
und dem Eintritts- und Austrittswinkel besteht.
-
Mithilfe
des erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters
bzw. der erfindungsgemäßen Gasturbine lässt sich
eine optimierte Strömungsführung durch ideale
Eintrittswinkel, Austrittswinkel und Wölbungen der Leitschaufeln 10 realisieren.
Das erfindungsgemäße Leitschaufelgitter
eignet sich vor allem für
die Verwendung in Kleingasturbinen mit Radialverdichtern oder in
Gasturbinen mit Vorleitgittern. Der Eintrittswinkel und der Austrittswinkel
bzw. der Anströmwinkel
sowie der Abströmwinkel
sind unabhängig voneinander
einstellbar. Zusätzlich
kann die Wölbung
der Leitschaufeln 10 verstellt werden.
-
Es
liegt ebenfalls im Sinne der Erfindung, lediglich die Wölbung und
einen der Winkel zu verstellen. So ist es vorstellbar, dass der
Eintrittswinkel bzw. Anströmwinkel
unverändert
bleibt und lediglich die Wölbung
und der Austrittswinkel bzw. Abströmwinkel gleichzeitig verändert werden.
Auch dies ist mithilfe des erfindungsgemäßen Leitschaufelgitters bzw.
der erfindungsgemäßen Gasturbine
möglich.
-
- 10
- Leitschaufel
- 11
- Vorderkante
- 12
- Hinterkante
- 13
- erster
Abschnitt
- 14
- erste
Verstelleinrichtung
- 15
- zweiter
Abschnitt
- 16
- zweite
Verstelleinrichtung
- 17
- Teller
- 18
- Teller
- 19
- Drehachse
- 20
- Drehachse
- 21
- Pfeil
- 22
- Pfeil
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
- 26
- Pfeil
- 27
- Leitschaufelgitter
- 28
- Leitschaufellager
- 29
- Welle
- 30
- Abschnitt
- 31
- Niet
- 32
- Gleitlager
- 33
- Nadellager
- 34
- Kugelabschnitt
- 35
- Ring