DE10353810A1

DE10353810A1 - Innendeckband für die Statorschaufeln des Verdichters einer Gasturbine

Info

Publication number: DE10353810A1
Application number: DE10353810A
Authority: DE
Inventors: Ingo Dipl.-Ing. Jahns; Olaf Dipl.-Ing. Lenk
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-23
Also published as: DE502004002161D1; US7287957B2; US20050220612A1; EP1531234B1; EP1531234A1

Abstract

Bei einer Gasturbine ist das Innendeckband (6) für die Statorschaufeln (3) des Verdichters als einstückiges Kunststoffteil ausgebildet, in das zur Abdichtung, zur Gleitlagerung, zum Verschleißschutz und/oder zur Einstellung der Wärmedehnung bestimmte Additive, die auch in Teilbereichen mit bestimmter Funktion konzentriert sein können oder vorgefertigte Einsätze eingebunden sind. Ein derart aus Kunststoff hergestelltes Innendeckband erfüllt bei einfacher Fertigung und geringem Gewicht alle Anforderungen, die an ein üblicherweise aus Metall hergestelltes Innendeckband gestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Innendeckband für die Statorschaufeln einer Gasturbine, insbesondere einer Flugturbine, das Mittel zur drehbeweglichen Abstützung der Statorschaufeln und zur Abdichtung zwischen den Rotorstufen und gegenüber einem sekundären Luftsystem aufweist.
Bei einer Gasturbine ist, beispielsweise bei dem der Brennkammer vorgeschalteten Verdichter, zwischen den benachbarten Rotorstufen jeweils ein Leitschaufelkranz angeordnet. Die vorderen Stufen der Leitschaufeln sind verstellbar ausgeführt. Die verstellbaren Leitschaufeln sind über Drehzapfen im Verdichtergehäuse gelagert. An dem inneren Drehzapfen der Leitschaufeln ist das Innendeckband angeordnet. Mit den verstellbaren Leitschaufeln wird die Luft so umgeleitet, dass sie in einem optimalen Winkel auf die darauffolgende Rotorstufe trifft.
Das üblicherweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung gefertigte kreisförmige Innendeckband für den Statorschaufelkranz ist üblicherweise aus zwei Halbkreis-Ringsegmenten zusammengesetzt, die in axialer Richtung auch geteilt ausgeführt sein können und in diesem Fall nach der Montage durch geeignete Befestigungsmittel miteinander verbunden werden. Das Innendeckband dient zum einen zur drehbaren Abstützung der jeweiligen Statorschaufel über einen mit dieser verbunde nen Drehzapfen, der in einer in dem Innendeckband fixierten Gleitlagerbuchse gelagert ist. Die Ausbildung des Innendeckbandes aus einem metallischen Werkstoff sorgt sowohl für die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit und gewährleistet zudem eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion oder Fremdkörpereinwirkung. Eine weitere wichtige Funktion des Innendeckbandes besteht in dessen Dichtwirkung gegenüber dem Rotor zur Vermeidung einer Rezirkulation der verdichteten Luft aus dem Bereich höheren Druckes in den Bereich niedrigeren Druckes. Zu diesem Zweck sind am Rotor Dichtspitzen angeformt, denen an dem die Statorschaufeln abstützenden Innendeckband ein separat eingesetzter Einlaufdichtring gegenübersteht. Schließlich besteht eine weitere Aufgabe des Innendeckbandes darin, eine Abdichtung gegenüber dem sekundären Luftsystem zu gewährleisten. Das geschieht beispielsweise mit einer statischen Dichtung, die mit einer dieser gegenüberliegenden Dichtfläche des Innendeckbandes in Wirkverbindung steht.
Die Innendeckbänder der oben beschriebenen Art verfügen zwar über die erforderlichen Festigkeits- und Wärmeausdehnungseigenschaften, sind aber insofern nachteilig, als deren Herstellung durch Schmieden und anschließende spangebende Bearbeitung zeit- und kostenaufwendig ist und das Innendeckband zudem ein hohes Gewicht aufweist. Der Fertigungsaufwand ist zum anderen dadurch sehr hoch, dass die Gleitlagerbuchsen und Dichtungen separat gefertigte Bauteile sind, die zum einen teuer sind und außerdem separat eingesetzt bzw. montiert werden.
Zur Vermeidung der durch das hohe Gewicht bedingten Nachteile wurde mit der US 5 062 767 bereits in Innendeckband für den Statorschaufelkranz vorgeschlagen, das aus einem C-förmigen Stahlring und in diesen eingelegten, aneinanderstoßenden Segmenten aus einem keramischen Material besteht. In den Keramiksegmenten, die ein geringes Gewicht aufweisen, über gute Festigkeits- und Gleiteigenschaften verfügen und zudem temperatur- und erosionsbeständig sind, sind die Drehzapfen der Statorschaufeln gelagert. Durch die Unterbringung der Keramiksegmente in dem Stahlring ist gewährleistet, dass das Innendeckband insgesamt über ein den herrschenden Temperaturen entsprechendes thermisches Ausdehnungsverhalten verfügt, das der thermischen Ausdehnung der anderen Bauteile des Verdichters entspricht. Zwar wird mit dieser Ausbildung eine Gewichtsreduzierung und die erforderliche thermische Ausdehnung erreicht, dennoch ist auch diese Innendeckbandkonstruktion nachteilig, da der Fertigungsaufwand für das aus dem Metallring, den Keramiksegmenten und den separaten Dichtelementen bestehende Innendeckband hoch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Innendeckband für die Statorschaufeln des Verdichters einer Gasturbine anzugeben, das ein geringes Gewicht aufweist, einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und über alle erforderlichen Merkmale in Bezug auf die Wärmeausdehnung, die Festigkeit, die Temperaturbeständigkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber Fremdkörpereinwirkung sowie die Gleitlagerung und Abdichtung verfügt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Innendeckband gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht in der Ausbildung des Innendeckbandes aus einem nach bekannten Spritzgussver fahren bzw. einem anderen geeigneten Verfahren hergestellten, aus einem Stück bestehenden Kunststoffteil, in das zur Erzielung der verschiedenen Funktionen des Innendeckbandes Additive wie beispielsweise Glas- und/oder Kohlefasern und/oder Graphit oder auch vorgefertigte feste Einsätze, die der Funktion des jeweiligen Teils des Innendeckbandes gerecht werden, eingebunden sind. Vorzugsweise sind bestimmte Additive in bestimmten Teilbereichen des Kunststoffteils, die eine bestimmte Funktion haben, konzentriert. So ist in dem von der Luftströmung unmittelbar beaufschlagten Bereich des Innendeckbandes eine Verschleißschutzschicht aus in den Kunststoff eingebundenen langen Fasern oder aus einer vorgefertigten, beim Spritzgießen eingeformten Verschleißschutzplatte ausgebildet. In dem Bereich des Innendeckbandes, in dem die Statorschaufeln drehbar gelagert sind, ist in dem Kunststoff ein hoher Anteil eines Additivs mit Gleiteigenschaften, beispielsweise Graphit. Zur Abdichtung zum Rotorschaufelkranz hin ist in den Kunststoff eine Einlaufschicht integriert, die entweder aus dem Basismaterial, einer Anhäufung von während der Herstellung in hoher Konzentration eingebrachten Additiven oder aus einem vorgefertigten, während der Herstellung eingeformten Formteil mit Einlaufeigenschaften gegenüber den am Rotor befindlichen Dichtspitzen besteht. Die Abdichtung zum sekundären Luftsystem kann aufgrund der Ausbildung des Innendeckbandes aus einem Kunststoffteil vorzugsweise mit einer aus diesem ausgeformten elastischen Dichtlippe erfolgen, die aufgrund der Additive (Konzentration oder Art der Additive) die erforderliche Elastizität aufweist und sich infolge des herrschenden Luftdruckes an eine Dichtfläche anlegen kann. Der Kunststoff hat zudem die vorteilhafte Eigenschaft, sich, wie für das Innendeckband erforderlich, unter Wärmeeinwirkung auszudehnen. Die in dem Kunststoffmaterial vorhandenen Additive sorgen jedoch darüber hinaus auch dafür, dass die Wärme dehnung des Innendeckbandes an die Wärmedehnung der benachbarten Bauteile, angepasst ist.
Das einstückig aus Kunststoff mit den erforderlichen Zusätzen oder vorgefertigten Einsätzen durch Spritzgießen oder andere geeignete Verfahren hergestellte Innendeckband wird entsprechend der Wärmebelastbarkeit des Kunststoff eingesetzt, vorzugsweise in den ersten Stufen des Verdichters einer Flugturbine. Besonders vorteilhaft sind das geringe Gewicht und die einfache, kostengünstige Fertigung eines derart ausgebildeten Innendeckbandes. Beim Herstellungsprozess kann die Materialzufuhr, räumlich und zeitlich, so gesteuert werden, dass in bestimmte Bereiche der Gießform Kunststoffmaterial mit einem vorgegebenen Anteil an Additiven gelangt. Vorgefertigte Einsätze für bestimmte Funktionsbereiche der Gießform werden in die Form eingelegt und beim Gießvorgang in das Kunststoffmaterial eingeformt.
Das Innendeckband besteht aus zwei halbkreisförmigen Kunststoffteilen, die insgesamt das kreisringförmige Innendeckband bilden. Die Kunststoffteile können aber auch axial geteilt sein. In diesem Fall werden die beiden Teile nach dem Zusammenfügen bei der Montage durch eine Schraubverbindung aneinandergehalten, und zwar durch eine unmittelbar in den Kunststoff oder in eine in das Kunststoffteil eingeformte Gewindebuchse eingreifende Schraube. Bei einer Verbindung mit Schrauben und Muttern ist des Kunststoffteil in diesem Bereich durch Additive oder eine in beide Hälften eingeformte Buchse verfestigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Teilansicht eines für eine Flugturbine vorgesehenen Verdichters mit einem der ersten Stufe des Rotors vorgeschalteten Stator, der ein in herkömmlicher Weise ausgebildetes Innendeckband aufweist;
2 eine Schnittansicht eines ungeteilten erfindungsgemäßen Innendeckbandes aus Kunststoff mit in diesem drehbar gelagerter Statorschaufel; und
3 eine Schnittansicht eines axial geteilten erfindungsgemäßen Innendeckbandes, jedoch ohne Abdichtung zur Rotorstufe.
Der in 1 zum besseren Verständnis der Einbindung des Innendeckbandes in den Verdichter dargestellte, nach dem Stand der Technik ausgebildete Verdichter umfasst üblicherweise einen Rotor 1 mit mehreren von einem Rotorschaufelkranz gebildeten Rotorstufen und jeweils einen der betreffenden Rotorstufe vorgeschalteten, einen Statorschaufelkranz umfassenden Stator. 1 zeigt eine Rotorschaufel 2 der ersten Rotorstufe und eine dieser vorgeschaltete Statorschaufel 3. Die Statorschaufel 3 ist über einen mit dieser verbundenen inneren und äußeren Drehzapfen 4 und 5 in einem ungeteilten metallischen Innendeckband 6 und dem Verdichtergehäuse 7 drehbar und einstellbar gelagert, um aufgrund der Stellung der Statorschaufel einen gewünschten Lufteinfallswinkel für die nächste Rotorstufe einstellen zu können. Der innere Drehzapfen 4 ist in einer Gleitbuchse 8 gelagert. An einem Gehäuseteil 9 der Flugturbine ist zur Abdichtung gegen das sekundäre Luftsystem eine statische (erste) Dichtung 10 befestigt, die mit einer Dichtfläche am Innendeckband 6 in abdichtender Wirkverbindung steht. Eine dynamische (zweite) Dichtung 11 ist zwischen dem Innendeckband und der Rotorstufe vorgesehen.
Das gemäß 2 auf der Basis der vorliegenden Erfindung ausgebildete ungeteilte Innendeckband 6, das in der oben beschriebenen Weise in den Verdichter integriert ist, besteht aus einem durch Spritzgießen oder einem anderen geeigneten Verfahren hergestellten einstückigen Kunststoffteil, in das zur Einstellung eines vorgegebenen Wärmeausdehnungsverhaltens Kohle- und/oder Glasfasern eingebunden sind. Mit den integrierten Faserstoffen werden auch die Festigkeit und die Elastizität des Kunststoffteils beeinflusst. Darüber hinaus kann das Kunststoffteil zusätzlich Graphit enthalten, um im Bereich der Lagerung des inneren Drehzapfens 4 und der dynamischen Dichtung 11 die Gleit- und Einlaufeigenschaften zu verbessern. Die dynamische Dichtung 11 umfasst eine aus dem Material des Kunststoffteils bestehende Einlaufschicht (Gleitschicht) 12, die mit am Rotor 1 ausgebildeten Dichtspitzen 13 in Kontakt ist. Wie 2 anhand der Einzelheit Z in einer Ausführungsvariante zeigt, kann die Einlaufschicht auch aus einem vorgefertigten Einsatz 14 aus einem anderen Material mit Einlauf- und Gleiteigenschaften bestehen, der beim Spritzgießen in das Kunststoffteil eingeformt wird. In gleicher Weise kann auch im Bereich der Lagerstelle des inneren Drehzapfens 4 eine Gleitbuchse (nicht dargestellt) formschlüssig in das Kunststoffteil eingebunden werden. Es ist darüber hinaus möglich, dass Additive mit bestimmten Eigenschaften in konzentrierter Form in den Lager- oder Einlaufschichtbereich des Kunststoffteils eingebracht werden, um integral mit dem Kunststoff eine hoch wirksame Gleitschicht bzw. Einlaufschicht auszubilden. Ein Beispiel dafür ist in 2 eine auf der Luftführungsseite des Innendeckbandes 6 aus in diesem Bereich konzentriert in den Kunststoff eingebrachten Additiven gebildete Verschleißschutzschicht 15. Die Verschleißschutzschicht 15 kann jedoch auch ein in das Kunststoffteil beim Spritzgießen eingeformter Einsatz, beispielsweise ein Metallblech, sein. Die statische (erste) Dichtung 10 besteht aus einer aus dem Kunststoffteil ausgeformten Dichtlippe, die sich aufgrund ihrer biegeelastischen Eigenschaften und auch unter der Wirkung des auf der Seite der ersten Rotorstufe herrschenden hohen Druckes elastisch an das gegenüberliegende feststehende Dichtungsteil 16 des Gehäuseteils 9 anlegt. Neben dem oben bereits erwähnten Graphit zur Einstellung der Gleiteigenschaften sind als Additive zur Erzielung der verschiedenen funktionellen Wirkungen des Kunststoffteils verschiedene Fasern, beispielsweise Glas-, Kohle- und/oder Metallfasern vorgesehen. Zur Erzielung der gewünschten Funktionen, können diese Fasern an der gewünschten Stelle mit unterschiedlichen Längen eingebracht werden, z.B. sind für die Verschleißschutzschicht lange Fasern wünschenswert, während für die Einstellung der mechanischen Grundfestigkeit und des thermischen Ausdehnungsverhaltens Kurzfasern ausreichend sind.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform eines axial geteilt ausgebildeten Innendeckbandes, das aus zwei separaten, einstückig durch Spritzgießen bzw. andere geeignete Verfahren hergestellten Kunststoffteilen (Innendeckbandhälften 6a, 6b) besteht, ist lediglich die erste (statische) Dichtung 10 in Form der Dichtlippe vorgesehen und an die erste Innendeckbandhälfte 6a angeformt. Die beiden Innendeckbandhälften 6a, 6b sind durch Schraubverbindungen, jeweils bestehend aus einer Schraube und einer Mutter, zusammengehalten. Um die Kunststoffteile (Innendeckbandhälften) durch die Schraubverbindung nicht zu beschädigen, sind in das Kunststoffmaterial Buchsen 19a, 19b eingeformt, die in der Lage sind, die bei der Herstellung der Verbindung aufgebrachten Kräfte aufzunehmen. Eine bestimmte Festigkeit in diesem Bereich kann aber auch durch einen hohen Additivanteil (Faseranteil) erzielt werden.

1: Rotor
2: Rotorschaufel
3: Statorschaufel
4: Innerer Drehzapfen v. 3
5: Äußerer Drehzapfen v. 3
6: Innendeckband
6a, 6b: Innendeckbandhälften
7: Verdichtergehäuse
8: Gleitbuchse
9: Gehäuseteil
10: Erste (statische) Dichtung (Dichtlippe)
11: Zweite (dynamische) Dichtung
12: Einlaufschicht v. 11
13: Dichtspitzen v. 11
14: Einsatz (Einlaufschichteinsatz) v. 11
15: Verschleißschutzschicht (Verschleißschutz-
: Einsatzplatte)
16: Dichtungsteil v. 9
17: Schraube
18: Mutter
19a/b: Buchsen

Claims

Innendeckband für die Statorschaufeln des Verdichters einer Gasturbine, insbesondere Flugturbine, das Mittel zur drehbeweglichen Abstützung der Statorschaufeln und zur Abdichtung zwischen den Rotorstufen und/oder gegenüber einem sekundären Luftsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Innendeckband (6) aus einem einstückigen Kunststoffteil gebildet ist, in das vollständig oder konzentriert in Teilbereichen mit bestimmter Funktion jeweils spezifische Additive zur Einstellung der thermischem Ausdehnung des Innendeckbandes und zur Erzielung der in den jeweiligen Teilbereichen entsprechend der jeweiligen Funktion notwendigen Eigenschaften eingebunden und/oder vorgefertigte Einsätze mit derartigen Eigenschaften eingeformt sind.
Innendeckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil Additive in Faser- und/oder Pulverform enthält.
Innendeckband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive Metallfasern und/oder Kohlefasern und/oder Glasfasern in variabler Länge und/oder Graphit umfassen.
Innendeckband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive örtlich so in dem Kunststoffteil angereichert sind, dass an der Luftaufprallseite des Innendeckbandes (6) eine Verschleißschutzschicht (15) und/oder an der Dichtungsseite gegen das sekundäre Luftsystem eine statische Dichtung (10) in Form einer elastischen Dichtlippe und/oder an der Dichtungsseite gegen die folgende Rotorstufe eine Einlaufschicht (12) mit bestimmten Einlauf-/Abriebeigenschaften gegenüber am Rotor (1) vorgesehenen Dichtspitzen (13) und im Bereich der Kontaktfläche mit der drehbar gelagerten Statorschaufel (3) eine Gleitschicht gebildet ist.
Innendeckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung der Statorschaufeln (3), zum Erosionsschutz und zum Abdichten gegenüber dem Rotor (1) vorgefertigte Bauteile mit entsprechenden Materialeigenschaften in Bezug auf Gleitfähigkeit, Verschleißschutz und Einlauf-/Dichtfähigkeit in Form einer Gleitbuchse (8), einer Verschleißschutzplatte und eines Einlaufeinsatzes (14) in das Kunststoffteil eingeformt und in diesem formschlüssig gehalten sind.
Innendeckband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil axial geteilt ist und die beiden Innendeckbandhälften (6a, 6b) durch Befestigungsmittel lösbar verbunden sind.
Innendeckband nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungsmittel eine Schraubverbindung vorgesehen ist, wobei eine Befestigungsschraube unmittelbar in dem Kunststoff oder in einer in diesen eingeformten Gewindebuchse verschraubbar ist.
Innendeckband nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungsmittel eine Schrauben-Mutter-Verbindung (17, 18) vorgesehen ist, wobei zum Schutz des Kunststoffs an der Verbindungsstelle Buchsen (19a, 19b) aus einem hochfesten Material eingeformt sind.
Innendeckband nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es nach bekannten Verfahren zur Faserverbundherstellung mit einem Kunststoff mit gleichem oder veränderlichem Additivanteil in einer Form und/oder in die Form eingelegten vorgefertigten Einsätzen herstellbar ist.