DE1071420B - Verstellbarer Leitapparat für Turbinen, insbesondere Gasturbinen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

AUSLEGE

71 420

G22206Ia/46f

anmeldetag: 29. mai 19 5 7

Bekanntmachung'
deranmeldüng
und ausgabe der
auslegeschrift: 17. dezember 1959

Die Erfindung bezieht sich auf verstellbare Leitapparate für Turbinen, insbesondere Gasturbinen, bei welchen ein Kranz von Leitschaufeln vorgesehen ist, die um parallel zur Turbinenachse angeordnete Achsen schwenkbar sind. Bei Anordnungen dieser Art tragen die Leitschaufeln je einen Stellhebel, der sich von der jeweiligen Leitschaufel aus von der'Turbinenachse fort erstreckt und mit einem Stellring für die Einstellung der Leitschaufeln versehen ist.

Gemäß der Erfindung ist der Stellring nachgiebig federnd ausgebildet und jeder Stellhebel mit einer Schulterleiste versehen, wobei der Stellring von den Schulterleisten einiger Stellhebel getragen wird. Die radialen Längen der Stellhebel, gemessen von der Stellhebelachse bis zur Schulterleiste, sind untereinander derart verschieden, daß bei atmosphärischer Temperatur nur die Stellhebel mit der größten radialen Länge den Stellring tragen, während die dazwischenliegenden Stellhebel von kleinerer Länge einen Zwischenraum zwischen ihren Schulterleisten und dem Stell- ring frei lassen.

Zweckmäßig ist der Stellring im Querschnitt U-förmig ausgebildet, wobei sich der Uförmige Querschnitt nach innen zu öffnet und die Flanschränder mit den Schulterleisten der Stellhebel zusammenwirken. Zwisehen den Flanschen befinden sich Stifte, die in Schlitze der Endabschnitte der Stellhebel eingreifen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Stellhebel mit der größten radialen Länge gleichmäßig um den Ring herum verteilt, und die radialen Längen der anderen Steilhebel verringern sich stufenweise von dieser maximalen Länge bis zu jenen Hebeln, die in der Mitte zwischen den Stellhebeln größter radialer Länge liegen. Auf diese Weise ist erreicht, daß sich der elastische Ring verformen kann, um bei hohen Temperaturen mit allen Stellhebeln in Berührung zu treten.

Bei dieser Anordnung nach der Erfindung wird der Stellring ausschließlich von den Stellhebeln getragen, ohne daß für seine Halterung bzw. Führung irgendwelche sonstigen Tragorgane, wie Schlitten oder ahnliehe Führungsmittel, benötigt werden. Letzteres ist nicht zu umgehen, wenn man den Stellfing am Turbinengehäuse selbst anbringen würde.

Wollte man andererseits den Stellring von den Stellhebeln frei schwebend tragen lassen, etwa indem er 4-5 ,lediglich mittels kurzer Zapfen in Schlitzen der Stellhebel gelagert wird, so würden sich Schwierigkeiten deswegen ergeben, weil bei niedrigen Temperaturen ein erheblicher toter Gang zwischen den einzelnen Teilen auftritt. Dieser tote Gang wäre nicht vermeidbar, da der Stellring sich.sonst bei höheren Temperaturen auf den Tragorganen der Leitschaufeln bzw. den Stellhebeln festklemmen würde. Andererseits ist aber ein derartiger toter Gang unzulässig, weil sich eine nicht Verstellbarer Leitapparat für Turbinen,
insbesondere Gasturbinen

Anmelder:

The Garrett Corporation,
■ Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,*
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1956

Wilton Everts Parker, Encino, Calif.,

und William Donal Whitaker, Phoenix, Ariz. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

voraussehbare und unstabile Drehzahlregelung hierbei nicht vermeiden ließe.

Aus den angegebenen Gründen ist es also zweck^£ mäßig, den Stellring nicht am Turbinengehäuse zu befestigen, sondern ihn von den Stellhebeln der Leitschaufeln tragen zu lassen. Dabei muß die Anordnung aber so getroffen sein, daß über den ganzen Bereich der Betriebstemperaturen eine einwandfreie Halterung des Stellringes gesichert ist. Es wurde festgestellt/daß es ausreicht, den Stellring von drei oder vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellhebeln tragen zu lassen. Wenn hierbei diese Stellhebel etwas länger ausgebildet sind als die übrigen Hebel, so ruht der Stellring bei der Anfangstemperatur auf diesen anderen Stellhebeln nicht auf. Das letztere tritt aber ein, wenn die Temperatur mehr und mehr anwächst. Auf diese Weise wird der temperaturbedingten Ausdehnung Rechnung getragen, ohne daß sich nennenswerte mechanische Spannungen in den einzelnen Stellhebeln ergeben.

Die Anordnung nach der Erfindung gewährleistet im übrigen ein leichtes Zusammenarbeiten der in Betracht kommenden" Teile; es finden nur wenige, einfache und leicht herstellbare Bauelemente Verwendung, die nur in geringem Maße der Abnutzung u. dgl: unterworfen ^f sind. Jegliche Änderung der Turbinen-

.909 6S9/18O

gehäusemaße bei wechselnder Temperatur werden \ Kranzes der Leitschaufeln 11 ist zwischen den Wan- . ohne daä Auftreten lästiger Spannungen aufgefangen. düngen 16 und 17 ein Ring ortsfester Leitschaufeln 19 Ein-weiterer Vorteil einer Düsenanordnung nach vorgesehen. Weder die festen Leitschaufeln. 19 noch der Erfindung ist darin zu sehen, daß, der Stellring und die verstellbaren Leitschaufeln 11 sind gekrümmt. die Stellhebel in verhältnismäßig großem Abstand von 5 Denn die Ablenkung des in das Turbinenrad 10 ein- ^: der Turbinenachse außen angeordnet sein können, so ■'. geführten Arbeitsmittels erfolgt durch das gemeinsame daß sich die Beiüftun°-und Kühlung dieser Teile leicht Zusammenwirken der festen und verstellbaren Leit- und wirksam durchführen läßt. ' : ·;■'. schaufeln, von denen die ersteren in Stromrichtung, den

Bei einer Ausführungsform der Erfindung steht der . . letzteren vorgeschaltet sind und eine anfängliche Ab-Stellriii"-mit einer Verstelleinrichtung in Verbindung,, io lenkung des Arbeitsmittels in Richtung auf das Turdie die eine Totpunktlage erreicht, wenn sichdie:Schau- binenrad 10 bewirken. Den Verstellschaufeln wird also . ' fein einer Schließlage nähern.. Auf diese Weise ist eine das Arbeitsmittel 13 in einer Richtung zugeführt, die Feineinstellung darin erreicht, wenn die Schaufeln fast es ihnen ermöglicht, wirksam über ihren ganzen Ver-. beschlossen sind, während, eine Grobeinstellung statt- Stellbereich zu arbeiten. Da die anfängliche Ablenkung findet, wenn die Schaufeln fast geöffnet sind. 15 durch die Leitschaufeln 19 verursacht wird, brauchen

Zweckmäßig liegt radial außerhalb des Ringes der die Verstellschaufeln das Arbeitsmittel nur um geringe verstellbaren Leitschaufeln ein Kranz ortsfester Leit- Winkel abzulenken; sie brauchen daher in der Längsschaufeln. Dadurch wird es möglich, die verstellbaren richtung nicht gekrümmt zu sein. Die Verstellschaufeln Leitschaufeln kräftig und robust auszuführen und da- können daher gedrungen und sehr dauerhaft ausgebilmit den Wirkungsgrad und die Haltbarkeit zu erhöhen. 20 det und leicht ausbalanciert werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist Infolge der gedrungenen Form der Verstellschaufeln"

jede Schaufel mit der Stellvorrichtung über einen 11 ist ihre Reibungsfläche und ihre aerodynamische ■ Scherstift oder ein anderes brechbares Sicherungs- Belastung auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Auf diese glied gekuppelt, so daß, wenn eine der Schaufeln sich Weise wird die Verstellkraft herabgesetzt. Die festklemmt, dieses Sicherungsglied brechen kann. Die 25 Mittellinie einer jeden Verstellschaufel 11 ist zur anderen Schaufeln können·, jedoch weiter eingestellt Mittellinie ihres Zapfens 14 versetzt. Die Zapfenachse werden, hierbei sind Anschlagglieder vorgesehen, um liegt zwischen den An- und Abströmkanten der Leitschaufeln 11, und zwar etwas näher an der Anströmkante. Die aerodynamischen Kräfte werden daher im 30 allgemeinen das Bestreben haben, die Leitschaufeln 11 in ihre Schließstellungen zu überführen, wie in Fig. 2 mit strichpunktierten Linien veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird eine störungsfreie Verstellung der Strömungsquefschnitte gewährleistet und damit ein

einer Gasturbine, die mit dem verstellbaren Leitapparat 35 Durchgehen der Turbine verhindert für den Fall, daß nach der Erfindung ausgestattet ist.· die Verstellvorrichtung versagen sollte. ^:

Jeder Schaufelzäpfen 14 hat an seinem der Leitschaufel 11 abgewandten Ende einen Querschlitz 14 a. In diese Schlitze greifen Scherstifte 22a ein, die 40 durch von den Zapfen 14 getragene Stellhebel 22 hindurchragen. Die Stellhebel 22 sind atff den Zapfen 14 mittels üblicher einschnappbarer Klemmringe 23 befestigt. Die Lager 13 werden also einerseits von den Flanschen 15 und andererseits von den Stellhebeln 22

Turbinenrad 10 in ■ einem ί Gehäuse 12 gelagert. Das 45 eingeschlossen, wobei ein geringes Spiel vorgesehen TurbinenradlO wird von einem Kränz verstellbarer ist, um die Beweglichkeit der Schaufeln 11 zu gewähr-L'eitschaufeln 11 umgeben. :)Jede dieser Leitschaufeln leisten. Die Stellhebel 22 erstrecken sich radial nach wird von einem Zapfen 14 getragen^ der in einem Lager außen und tragen einen Stellring 24. 13 in dem Gehäuse 12 ruht. Jeder Zapfen 14 hat einen Der Stellring 24 ist im Querschnitt U-förmig aus-

Fianschl5, an dessen anderer Seite die Leitschaufel 50 gebildet. Seine offene Seite ist nach innen den Hebeln angeordnet ist. Die Zapfen 14 können mit den Leit- 22 zugewandt. Der Ring 24 besteht aus einem leicht schaufeln 11 aus einem Stück bestehen oder in geeig- :,,. biegsamen Metall, wie beispielsweise Stahl, Aluminium neter Weise mit ihnen verbunden sein. oder einer Legierung, so daß er sich über einen weiten

Wie Fig. 2 erkennen läßt; weist jeder Flansch 15 an Temperaturbereich ohne große Spannungen leicht aus seinem Umfang eine flache segmentförmige AuSneh- 55 seiner Kreisform verformen kann, wenn er an vier im mung 15α auf, in die ein Stift 15 b hineinragt, der am Abstand^voneinander liegenden Umfängsstellen durch Gehäuse 12 angeordnet ist. Diese Stifte 15 b begrenzen die Ausdehnung des Gehäuses nach außen gedrückt die Schwenkbewegung der Schaufeln 11 und verhin- wird, wie dies nachstehend noch näher beschrieben dem, daß die Schaufeln in die Bahn des Turbinenrades wird. Der elastische Stellring 24 kehrt in seine Kreis-10 gelangen, falls die Leitapparatverstelleinrichtung 60 form zurück, wenn die Kraft fortfällt, die seine Verversägen sollte, formung verursacht hatte: Das äußere Ende 25 eines

Die Leitschaufeln liegen> zwischen einander gegen- jeden Stellhebels 22, das in die Nut des Ringes 24 einüber angeordneten flachen Ririgwandungen 16 und 17.."L greift, hat einen Schlitz 26. In diesem Schlitz liegt ein Die Flansche 15 sind in Ausnehmungen 18 der Wan- Stift 27, der sich zwischen den beiden Seitenwandungen düng 16 Untergebracht. Die;axiäle Länge der Schau- 65 des Ringes 24 erstreckte Außerdem hat jeder Stellhebel fein 11 entspricht etwa dem Abstand zwischen den 22 Schulterleisten 28, die mit den inneren Rändern Wandungen 16 und 17, so daß nur ein geringes Arbeits- der Flansche des Ringes 24 zusammenwirken können, spiel frei bleibt. Der Raum! zwischen den Wandungen wie dies in Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist. 16 und 17 bildet einen vom Vorraum 17 a zum Tür- Um die Wirkungen der thermischen Ausdehnung

binenrad 10 führenden Einlaßkanal. Außerhalb des 70 des Gehäuses 12 gegenüber derjenigen des Stellringes

, gg g,

die Winkelbewegung der Schaufeln zu begrenzen, so daß sie im Falle des Bruchs des Sicherungsgliedes nicht den Turbinenrotor beschädigen können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Aüsführuhgsbeispiels hervor.

Fig. 1 zeigt im axialen Längsschnitt einen Teil

g g

Fig. 2 zeigt in größerem Maßstabe einen Schnitt: nach der Linie 2-2 der Fig. 1:

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt nach der Linie3-3 der Fig. Ij und i: ; .

Fig. 4 zeigt schematisch die ringförmige Anordnung der Stellhebel für die Leitschaufeln und ihren Stellring. A ^[

Wie aus den Fig. 1 und "3 zu erkennen ist, ist das

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24 zu verringern, liegen nur die Leisten 28 von vier Stellhebeln 22 unter normalen Temperaturbedingungen innen an dem Ring 24 an. Diese vier Hebel liegen an den Stellen 29, 30, 31 und 32. Die Schulterleisten der übrigen Hebel haben eine etwas kleinere radiale Länge, von der Verstellachse aus gerechnet, so daß zwischen ihnen und dem Stellring 24 ein Spalt verbleibt. Die Schulterleisten 28 in der Mitte zwischen den Stellen 30 und 31 haben die kürzeste radiale Länge, von der Achse des Turbinenrades 10 aus gerechnet, während die entsprechenden Radien der übrigen Schulterieisten 28 stufenweise von der mittleren Stellung aus bis an die Stellen 30 und 31 zunehmen. Der beschriebene Unterschied der Radienlänge der Schulterleisten 28 bezieht sich auf alle Hebel, die zwischen den Stellen 29, 30, 31 und 32 liegen.

Wenn die Temperatur des Gehäuses 12 während des Betriebes zunimmt, so ist die thermische Ausdehnung des Gehäuses im Vergleich zu derjenigen des Stellringes 24 groß. Dies hat zur Folge, daß sich die Stellhebel 22 von der Achse des Turbinenrades 10 aus radial nach außen ausdehnen. Dies wiederum führt dazu, daß der Ring an den Stellen 29, 30, 31 und 32 nach außen gebogen wird und dabei das Bestreben hat, die dazwischenliegenden Ringteile nach innen in Richtung auf die Leisten 28 zu ziehen. Arbeitet die Turbine 10 «also bei extrem hohen Temperaturen, so kann der Ring 24 fest gegen alle Leisten 28 der Hebel 22 gedruckt werden. .

Die Einzelheiten der Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln sind am besten aus Fig. 3 zu erkennen. Mit dem Stellring 24 sind Laschen 33 verbunden, mit denen das eine Ende eines Hebels 34 mittels eines Zapfens 35 schwenkbar verbunden ist. Das andere Ende des Hebels 34 ist mittels eines Zapfens 37 an eine Kurbel 36 angelenkt. Die Kurbel 36 wird von einer Steuerwelle 38 getragen, die mittels einer geeigneten Stellvorrichtung bewegt werden kann.

In Fig. 3 ist in voll ausgezogenen Linien diejenige Lage der Verstelleinrichtung veranschaulicht, in der der Leitapparat voll geöffnet ist. Aus der Darstellung ist zu erkennen, daß die Schaufeln in diesem Falle im wesentlichen mit den festen Leitschaufeln 19 ausgerichtet sind. Unter diesen Umständen ist eine leichte Winkelverstellung der Verstellschaufeln 11 durch eine geringe Bewegung der Steuerwelle 38 zu erreichen. Befinden sich die Leitschaufeln 11 hingegen nahezu in der Schließlage, die in Fig. 3. mit strichpunktierten Linien veranschaulich ist, so ist eine verhältnismäßig große Verstellbewegung der Steuerwelle 38 erforderlich, um eine entsprechende Winkelbewegung der Leitschaufeln 11 zu bewirken; denn die Verstelleinrichtung nähert sich-ihrer Totpunktlage.

Arbeitet beispielsweise das Turbinenrad 10 in einer Gasturbine, so gelangen die heißen Gase aus dem Vorraum 17 a zwischen den Wänden 16 und 17 hindurch zum Turbinenrad. Die Leitschaufeln 19 lenken die Gase um und richten sie auf die. Verstellschaufeln 11. Der. Eintrittswinkel der der Turbine zuströmenden Gase imd auch ihr Strömungsvolumen wird durch Verschwenken der Leitschaufeln 11 geändert.

Arbeitet die Turbine bei hohen Temperaturen, so arbeiten auch die Verstellschaufeln 11 und Zapfen unter sehr kritischen Bedingungen. Klemmt sich eine Leitschaufel 11 oder ein Zapfen 14 fest, so wird der Scherstift 21 der betreffenden Welle 14 abgeschert. Alle anderen Leitschaufeln 11 sind aber weiter normal verstellbar. Der Stellring 24 kann die ganze von der Steuerwelle 38 ausgeübte Verstellkraft auf die einzige Verstellschaufel 11 konzentrieren, die sich festgeklemmt hat. Dabei biegt sich der Stellring 24 zwiichen.de: Stellen 29, 30, 31 und 32 nach innen durch uri komir: mit den Leisten 28 der Steilheit! 22 in Berührung. Wird die Verstellkraft auf den Stellring 24 übertrage'. so verstellt er alle Stellhebel 22 und alle Zapfen 14 Dabei werden die auf die Schaufel" 11 wirkenden aerodynamischen Kräfte aufgenommen und kor.ipensiert-St) daß die Gefahr des Festklemmens der Zapfen 14 verringert wird. ■ .

Sollte einer der Schersriite 21 abgesche— worder, sein, wenn sich eine \^rerstellschir_:fel 11 fesureklemn:: hat, so sorgt der Stift 15 b beim "Wiederfreiv^erden der Verstellschaufel im Zusammenwirken mit cer Käme der flachen segmentf örmigen Ausnehmung 15 j. (Fig. 2 · dafür, daß die Verstellschaufel 11 nicht in eine Stellung einschwenkt, in der sie mit dem Turbinenrad 10 in Berührung kommen könnte.

Claims (6)

Patentansprüche-

1. Verstellbarer Leitapparac für Turbinen, insbesondere Gasturbinen, mit einem Kranz von Leiischaufeln, die um parallel zur Turbinenichse angeordnete Achsen schwenkbar sind und je eines. Stellhebel tragen, der sich von der jeweiligen Leitschaufel aus von der Turbineaachse fort erstreck: und mit einem Stellring für die Einstellung der Leitschaufeln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (24) nachgiebig federnd ausgebildet und jeder Stellhebel (22) mit einer Schulterleiste (28). versehen ist, wobei der Stellring von den Schulterleisten einiger Stellhebel getragen.wird, und daß die radialen Lingen der Stellhebel, gemessen von der Stellhebelschse bis zur Schulterleiste, untereinander derart !verschieden sind, daß bei atmosphärischer Temperatur nur die Stellhebel (29, 30, 31, 32) mit der größter radialen Länge den. Stellring tragen, wäirend dk dazwischenliegenden Stellhebel von kleinerer Länge einen Zwischenraum zwischen, ihrer. Schulterleisten und dem Stellring frei lassen.

2. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (24 U-förmigen Querschnitt aufweist, nach innen zr geöffnet ist und mit den Kasten seiner Flanscbränder mit den Schulterleistea (28) der Stellhebfi (22) zusammenwirkt, wobei zwischen den Flanschen des Ringes Stifte (27) vorgesehen sind, di± in Schlitze (26) der Endabschnitte der Stellhebe (22) eingreifen.

3. Verstellbarer Leitapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellhebä größter radialer Länge (29, 30, 31; 32) gleichmäßig um den Ringumtang -verteilt sind und sicfc die radialen Längen der anderen Stellhehel stufenweise von denen der größten Länge bis zu der mittleren, zwischen den Engsten SEellhebebu liegenden Hebeln verkürzen, so daß der federnf nachgiebige Ring sich durchbiegen Und "bei hoher Temperaturen mit allen Hobeln in Berührung treten kann.

4. Verstellbarer Leitapparat nach tEnem der vorauf gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (M) mit einer Verstelleinrichtung (38, 36, 37, 34, 35, 33) -rerbtinder ist, die sich einer Totpunktlsge nähert wenn dit Düsenschaufeln die Schließlage erreichen:, so dai^; eine Feineinstellung ermöglicht wird, wenn dä± Schaufeln nahezu geschlossen sind, wänrend ern± gröbere Einstellung stattfinde: wenn die Schaufeln sich der Offenlage nähern.

5. Verstellbarer Leitapparat nach einem der voraufgegarigenen . Ansprüche, gekennzeichnet durch einen radial außerhalb des Kranzes der verstellbaren Leitschaufeln (11) vorgesehenen ^! Kranz ortsfester Leitschaufeln (19).

6. Verstellbarer Leitapparat nach einem der \ voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (11) mit der Stellvorrichtung über.einen Scherstift (22a) oder ein anderes brechbares Sicherungsglied verbunden ist, so daß, wenn eine Schaufel sich festklemmt, dieses

Glied brechen kann, ohne die Einstellung der anderen Leitschaufeln zu beeinträchtigen, wobei Anschlagglieder (15 a, 15 b) vorgesehen sind, um die Winkelverstellung der Leitschaufeln zu begrenzen und so eine Beschädigung des Turbinenrotors zu verhindern, falls ein Sicherungsglied brechen sollte.

In Betracht gezogene Druckschriften: ,
Schweizerische Patentschrift Nr. 288 252;.
belgische Patentschrift Nr. 494 691.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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