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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen von Leitschaufeln
eines Turbotriebwerks, insbesondere einer Gasturbine, nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Gasturbinen
bestehen aus mehreren Baugruppen, so zum Beispiel aus einem Lüfter (Fan),
einer Brennkammer, vorzugsweise mehreren Verdichtern sowie mehreren
Turbinen. Die Baugruppen der Gasturbine sind von einem feststehenden
Gehäuse umgegeben.
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In
einer Turbine sowie in einem Verdichter der Gasturbine sind mehrere
feststehende Leitschaufeln sowie mehrere rotierende Laufschaufeln angeordnet.
Die Leitschaufeln sind gegenüber
dem Gehäuse
feststehend ausgebildet. Die Laufschaufeln sind mindestens einem
Rotor zugeordnet und rotieren gegenüber den feststehenden Leitschaufeln
sowie dem feststehenden Gehäuse.
Verfügt
die Turbine bzw. der Verdichter über
mehrere Stufen, so sind in axialer Richtung bzw. in Strömungsrichtung
hintereinander abwechselnd Leitschaufeln und Laufschaufeln angeordnet,
wobei an einer axialen Position, d.h. entlang des Umfangs des Rotors
bzw. des Gehäuses,
ebenfalls mehrere Laufschaufeln bzw. Leitschaufeln angeordnet sind,
die sogenannte Leitschaufelkränze
oder Laufschaufelkränze
bilden.
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Die
feststehenden Leitschaufeln können
um eine radiale Achse verstellbar bzw. schwenkbar ausgebildet sein.
So offenbart die
DE
39 13 102 C1 eine Vorrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln,
bei der Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes radial außerhalb
eines Gehäuses
des Turbotriebwerks über Stellhebel
mit einem Stellring schwenkbar verbunden sind. Eine weitere Vorrichtung
zum Verstellen von Leitschaufeln ist aus der
DE 41 02 188 C2 bekannt. Die
DE 39 13 102 C1 zeigt
einen Verdichter und die
DE
41 02 188 C2 zeigt eine Turbine eines Gasturbinentriebwerks
mit einer Vorrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln.
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Den
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Verstellung
von Leitschaufeln ist gemeinsam, dass dieselben störungsanfällig sind, eine
ungenügende
Stellgenauigkeit aufweisen und einen hohen Montageaufwand erfordern.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
eine neuartige Vorrichtung zum Verstellen von Leitschaufeln eines Turbotriebwerks,
insbesondere einer Gasturbine, zu schaffen.
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Dieses
Problem wird dadurch gelöst,
dass die eingangs genannte Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist der
Stellring über
am Umfang des Gehäuses
verteilt positionierte Lagereinrichtungen gegenüber dem Gehäuse in Umfangsrichtung und
axialer Richtung verstellbar, wobei der Stellring zumindest in den
Abschnitten, die zwischen den Lagereinrichtungen verlaufen, federelastisch ausgebildet
ist.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Stellring
im Querschnitt im wesentlichen U-förmig ausgebildet, wobei zwischen
zwei in axialer Richtung verlaufenden Schenkeln des Stellrings sich
in radialer Richtung erstreckende, bolzenförmige Elemente angeordnet sind.
Die Stellhebel sind mit einem ersten Ende derart an den bolzenförmigen Elementen
des Stellrings gelagert, dass das erste Ende der Stellhebel in radialer
Richtung gegenüber
den bolzenförmigen
Elementen verstellbar ist.
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Vorzugsweise
ist das zweite Ende der Stellhebel spielfrei mit einem Schaft der
jeweiligen Leitschaufel verbunden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
einen Ausschnitt aus einer Gasturbine im Bereich einer Leitschaufel
eines Leitschaufelkranzes in Seitenansicht zusammen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Verstellen von Leitschaufeln;
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2:
ein vergrößertes Detail
der Anordnung gemäß 1;
und
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3:
einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verstellen
von Leitschaufeln in Blickrichtung radial von außen.
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Nachfolgend
wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 in
größerem Detail
erläutert.
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1 zeigt
einen bereichsweisen bzw. ausschnittsweisen Querschnitt durch eine
Gasturbine 10. Die Gasturbine 10 weist einen sich
in axialer Richtung erstreckenden sowie in axialer Richtung verengenden
Strömungskanal 11 auf.
Die Strömungsrichtung
durch den Strömungskanal 11 ist
in 1 durch den Pfeil 12 visualisiert.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist
eine Leitschaufel 13 eines sich in Umfangsrichtung der
Gasturbine 10 erstreckenden Leitschaufelkranzes 14 gezeigt.
Obwohl in 1 nicht dargestellt, sind in
Strömungsrichtung
der Gasturbine 10 axial hintereinander mehrere derartige
Leitschaufelkränze 14 angeordnet,
wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufelkränzen 14 jeweils
ein Laufschaufelkranz positioniert ist. Der Laufschaufelkranz umfasst Laufschaufeln,
die zusammen mit einem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln 13 der Leitschaufelkränze 14 sowie
einem feststehenden Gehäuse 15 der
Gasturbine 10 rotieren.
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Die
Leitschaufeln 13 des Leitschaufelkranzes 14 sind
um eine sich in radialer Richtung erstreckende Schwenkachse 16 verstellbar.
An einem radial innenliegenden Ende 17 der Leitschaufel 13 ist
ein Schaufelschaft 18 in einer Lagerbuchse 19 gelagert. An
einem radial außenliegenden
Ende 20 der Leitschaufel 13 greift ebenfalls ein
Schaufelschaft 21 an, wobei der Schaufelschaft 21 das
Gehäuse 15 der Gasturbine 10 durchdringt.
An einem radial außenliegenden
Ende 22 des Schaufelschafts 21 greift radial außerhalb
des Gehäuses 15 ein
Stellhebel 23 an. Dies gilt für jede verstellbar ausgebildete
Leitschaufel 13 des Leitschaufelkranzes 14. Jede
verschwenkbar ausgebildete Leitschaufel 13 des Leitschaufelkranzes 14 verfügt demnach über einen
das Gehäuse 15 in
radialer Richtung durchdringenden Schaufelschaft 21, an
dem radial außerhalb
des Gehäuses 15 jeweils
ein Stellhebel 23 angreift. Die Stellhebel 23 erstrecken
sich gemäß 1 in
axialer Richtung der Gasturbine 10.
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Alle
Stellhebel 23 aller verstellbar ausgebildeten Leitschaufeln 13 eines
Leitschaufelkranzes 14 sind mit einem Stellring 24 verbunden.
Der Stellring 24 ist auf einer Außenseite des Gehäuses 15 angeordnet
und umschließt
das Gehäuse 15 in
Umfangsrichtung. Durch Verdrehen des Stellrings 24 in Umfangsrichtung
und durch Verschieben desselben in axialer Richtung der Gasturbine 10 sind
die Stellhebel 23 drehbar und letztendlich die Leitschaufeln 13 des
Leitschaufelkranzes 14 um die sich in radialer Richtung
erstreckende Schwenkachse 16 verstellbar. Jedem Leitschaufelkranz 14 mit
verschwenkbar ausgebildeten Leitschaufeln 13 ist ein derartiger
Stellring 24 zugeordnet. Alle Leitschaufeln 13 desselben
Leitschaufelkranzes 14 sind demnach über einen Stellring 24 gleichförmig verschwenkbar.
Die Leitschaufeln unterschiedlicher Leitschaufelkränze 14 sind über die
jeweils unterschiedlichen Stellringe 24 unabhängig voneinander
verschwenkbar.
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Der
Verstellring 24 gemäß 1 ist
im Querschnitt U-förmig
ausgebildet. Er verfügt über zwei
in axialer Richtung verlaufende Schenkel, nämlich einen innenliegenden,
gehäuseseitigen
Schenkel 25 und einen parallel zu dem Schenkel 25 verlaufenden Schenkel 26.
Die beiden in axialer Richtung verlaufenden Schenkel 25 und 26 sind
durch einen in radialer Richtung verlaufenden Schenkel 27 miteinander verbunden.
Der Stellring 24 ist über
den Umfang des Gehäuses 15 verteilt
positionierte Lagereinrichtungen am Gehäuse 15 gelagert. Die
Lagereinrichtungen sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Gleitelemente 28 ausgebildet.
Die Gleitelemente 28 sind über den Umfang des Gehäuses 15 vorzugsweise gleichmäßig verteilt.
Bevorzugt ist eine Ausführung, bei
der acht Gleitelemente 28 über den Umfang des Gehäuses 15 zur
Lagerung des Stellrings 24 gleichförmig verteilt sind. 1 kann
entnommen werden, dass jedes Gleitelement 28 am gehäuseseitigen,
axial verlaufenden Schenkel 25 des Stellrings 24 angreift
und mit diesem verbunden ist. Die Gleitelemente 28 sind
zusammen mit dem Stellring 24 gegenüber dem Gehäuse 15 in Umfangsrichtung
sowie in axialer Richtung verstellbar. 1 visualisiert
eine Laufbahn 29 der Gleitelemente 28 auf dem
Gehäuse 15 der Gasturbine 10.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der Verstellring 24 außerhalb des Gehäuses 15 positioniert
und über
die Gleitelemente 28 auf dem Gehäuse 15 in Umfangsrichtung
sowie in axialer Richtung verstellbar gelagert. Im Betrieb der Gasturbine 10 erhitzt
sich die selbe, was zu einer Ausdehnung des Gehäuses 15 führen kann.
Der auf der Außenseite
des Gehäuses 15 positionierte
Lagerring 24 erhitzt sich weniger stark wie das Gehäuse 15,
ist jedoch über
die Gleitelemente 28 auf dem Gehäuse 15 gelagert. Erfindungsgemäß ist der
Stellring 24 zumindest in den Abschnitten, die zwischen
den Gleitelementen 28 bzw. den Lagereinrichtungen verlaufen,
federelastisch ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass
der Stellring 24 sich bei Wärmeausdehnung des Gehäuses 15 verformen
kann und Dimensionsunterschiede ausgeglichen werden können. Die
Federelastizität des
Stellrings 24 verbessert des weiteren die Stellgenauigkeit
der Verstellvorrichtung.
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Gemäß 1 greift
jeder Stellhebel 23 mit einem ersten Ende 30 am
Stellring 24 und mit einem dem ersten Ende 30 gegenüberliegenden
zweiten Ende 31 am radial außenliegende Ende 22 des
entsprechenden Schaufelschafts 21 an. Im Sinne der hier
vorliegenden Erfindung erstrecken sich zwischen den in axialer Richtung
verlaufenden Schenkeln 25 und 26 des Stellrings 24 in
radialer Richtung verlaufende, bolzenförmige bzw. stiftförmige Elemente 32.
Die Stellhebel 23 sind mit ihren ersten Ende 30 an
diesen bolzenförmigen
bzw. stiftförmigen
Elementen 32 gelagert. So zeigt 1 ein dem
ersten Ende 30 des Stellhebels 23 zugeordnetes
Lager 33. Das Lager 33 ermöglicht eine Verschiebung des
ersten Endes 30 des Stellhebels 23 in radialer
Richtung relativ zum bolzenförmigen
bzw. stiftförmigen
Element 32. Das Lager 33 ist als sphärisches
Lager ausgebildet. Ein Innenring des sphärischen Lagers ist dem bolzenförmigen bzw.
stiftförmigen
Element 32 zugeordnet und ein Außenring des sphärischen
Lagers ist dem ersten Ende 30 des Stellhebels 23 zugeordnet. Der
Außenring
des sphärischen
Lagers ist dabei direkt an das erste Ende 30 des Hebels 23 gebördelt.
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Mit
der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung
zum Verstellen von Leitschaufeln werden alle kinematischen Freiheitsgrade
bereitgestellt, die zur Verstellung der Leitschaufeln 13 des
Leitschaufelkranzes 14 erforderlich sind. So ist der Stellring 24 gegenüber dem Gehäuse 15 in
Umfangsrichtung sowie in axialer Richtung verstellbar. Weiterhin
kann das erste Ende 30 der Stellhebel 23 in radialer
Richtung relativ zum bolzenförmigen
Element 32 des Stellrings 24 verschoben werden.
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Das
dem ersten Ende 30 gegenüberliegende zweite Ende 31 der
Stellhebel 23 ist ohne Spiel, d.h. spielfrei, mit dem jeweiligen
Schaufelschaft 21 der verstellbaren Leitschaufel 13 verbunden.
Dies kann 2 in größerem Detail entnommen werden.
So zeigt 2, dass in das zweite Ende 31 des
Stellhebels 23 eine Öffnung
integriert ist, über
die der Stellhebel 23 passgenau ohne Spiel auf den Schaufelschaft 21 gesteckt
werden kann. In dieser Position wird der Stellhebel 23 über eine
Schraube 34 am Schaufelschaft 21 fixiert, wobei
zwischen Schraube 34 und Stellhebel 23 zum definierten
Krafteintrag eine Scheibe 35 angeordnet ist. Diese spielfreie
Verbindung der Stellhebel 23 mit dem jeweiligen Schaufelschaft 21 verfügt über eine
definierte Lagezuordnung in Richtung der Schwenkachse 16.
Durch das oben beschriebene Konstruktionsprinzip, insbesondere die
spielfreie Befestigung des zweiten Endes 31 der Stellhebel 23 an
dem Schaufelschaft 21 sowie die radial verstellbare Lagerung
des ersten Endes 30 des Stellhebels 23 innerhalb
des Stellrings 24, wird eine Vorrichtung zum Verstellen
von Leitschaufeln bereitgestellt, die mit einfachen Mitteln montiert
werden kann. Bei Montage sind keine aufwendigen Einstellvorgänge zur
Justage der erfindungsgemäßen Vorrichtung
notwendig.
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3 zeigt
einen Blick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verstellen
von Leitschaufeln in Blickrichtung radial von außen. So ist im unteren Bereich
der 3 im Bereich eines Stellhebels 23 eine
verstellbare Leitschaufel 13 gezeigt. 3 dient der
Verdeutlichung, dass am Stellring 24 nicht nur die Stellhebel 23 angreifen, über die
der Stellring 24 letztendlich mit den Leitschaufeln 13 verbunden
ist, sondern dass vielmehr am Stellring 24 auch ein Antriebshebel 36 angreift,
der mit einem entsprechenden Antriebskolben verbunden ist, wobei über den Antriebskolben
die zur Verstellung des Verstellrings 24 erforderlichen
Kräfte
aufgebracht werden und über
den Antriebshebel 36 auf den Stellring 24 und damit
letztendlich auf die Stellhebel 23 und die Leitschaufeln 13 übertragen
wird. Pro Leitschaufelkranz 14 ist ein Verstellring 24 und
pro Verstellring 24 ist ein Antriebskolben vorhanden, der über einen
Antriebshebel 36 am Verstellring 24 angreift.
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- 10
- Gasturbine
- 11
- Strömungskanal
- 12
- Pfeil
- 13
- Leitschaufel
- 14
- Leitschaufelkranz
- 15
- Gehäuse
- 16
- Schwenkachse
- 17
- Ende
- 18
- Schaufelschaft
- 19
- Lagerbuchse
- 20
- Ende
- 21
- Schaufelschaft
- 22
- Ende
- 23
- Stellhebel
- 24
- Stellring
- 25
- Schenkel
- 26
- Schenkel
- 27
- Schenkel
- 28
- Gleitelement
- 29
- Laufbahn
- 30
- Ende
- 31
- Ende
- 32
- Element
- 33
- Lager
- 34
- Schraube
- 35
- Scheibe
- 36
- Antriebshebel