DE19518203A1

DE19518203A1 - Sicher verankerte Schaufelhülse für einen Axialströmungsverdichter

Info

Publication number: DE19518203A1
Application number: DE19518203A
Authority: DE
Inventors: Stephen Rex Payling
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: GB2289726A; DE19518203C2; US5421703A; GB2289726B; GB9509671D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leit- oder Statorschaufel in einem Axialströmungsverdichter eines Gasturbinentriebwerks und spezieller auf eine Einrichtung zur Aufnahme eines (in radialer Richtung) inneren Endes einer Leitschaufel in einem Axialströmungsverdichter, die eine Schaufelhülse bzw. -buchse zuverlässig gegen eine radial nach außen gerichtete Bewegung fixiert.

Axialströmungsverdichter in Gasturbinentriebwerken enthalten bekanntlich eine oder mehrere Rotor- und Statorstufen für die dadurch erfolgende Luftströmung und -verdichtung. Die Statorstufen enthalten Stator- oder Leitschaufeln, die stationär bleiben, während die Rotor- oder Laufschaufeln Flügel aufweisen, die rotieren können. Obwohl verschiedene Mechanismen und Einrichtungen entwickelt worden sind, um die Außenenden der Leitschaufeln in bezug auf das Verdichtergehäuse zu verankern, wurde wenig getan zur Verhinderung einer radial nach außen gerichteten Bewegung der zur Aufnahme der inneren Enden der Leitschaufeln gegenüber dem Mantel eines Verdichters benutzten (Lager-)Buchsen bzw. Hülsen oder dergleichen. Da neuere Konstruktionen für Verdichtergehäuse normalerweise zwei axial geteilte, je 180° betragende und miteinander verschraubte Gehäusesegmente vorsehen, wurde das Vertrauen auf die Einspannkraft gesetzt, die von den Gehäusehälften an der Peripherie der Hülsen auf eine Hülse oder dergleichen ausgeübt wird. Verläßt man sich jedoch allein auf eine solche Einspannkraft, so wurde gefunden, daß die Hülse eine Tendenz zur radial nach außen gerichteten Bewegung aufweist, wenn sie während des Betriebs des Triebwerks den für das Triebwerk charakteristischen Schwingungen und thermischen Zyklen unterworfen wird.

Eine radiale Bewegung der das innere Ende der Leitschaufel verankernden Hülse ist von Bedeutung, da sie eine äußere Strömungsbahnstufe zur Folge hat, die ihrerseits einen Leistungsabfall des Triebwerks bewirkt. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es klar, daß die nach außen gerichteten Flächen der Hülse und das Verdichtergehäuse einen Ringraum bezüglich des inneren Gasströmungspfades des Verdichters darstellen und daß jede Behinderung dieses Strömungspfades die Triebwerksleistung beeinflußt. Weiterhin leitet eine radiale Bewegung der Hülse häufig eine physikalische Wechselwirkung zwischen den inneren Oberflächen der vorderen und hinteren Kanten der Leitschaufel und der äußeren Oberfläche der Hülse ein. Dies hat zu Lagerfehlern und nachfolgendem Ansaugen der Lagerbuchse der Hülse in das Triebwerk geführt, was schwerwiegende Schäden an den Verdichterschaufeln verursachen kann. Ein solcher Ansaugvorgang des Triebwerks würde darüber hinaus die Frequenz der Statorschaufel verändern und dadurch zu einer Luftströmungsablösung führen.

Es besteht demzufolge auf diesem Gebiet Bedarf für eine entsprechende Einrichtung zur Aufnahme des inneren Endes einer Leitschaufel im Mantel eines Axialströmungsverdichters, wobei die Bauteile dieser Einrichtung zur Vermeidung einer radialen Versetzung bzw. Verschiebung sicher verankert sind.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Einrichtung zur Aufnahme eines inneren Endes einer Leitschaufel in einem Axialströmungsverdichter einen Mantel mit mehreren Öffnungen, die am Umfang von dessen äußerer Oberfläche gebildet sind. Der Mantel enthält mindestens eine Umfangsnut unmittelbar neben einer inneren Oberfläche der Öffnungen. In jede der Öffnungen ist eine Hülse bzw. Buchse eingepaßt, wobei die Hülse in einer ihrer äußeren Oberflächen einen Längsschlitz zur Aufnahme des inneren Endes der Leitschaufel und mindestens einen sich von einer Seitenwand der Hülse erstreckenden Schaft bzw. Zapfen enthält. Demzufolge wird der Schaft sicher in der Mantelnut gehalten und eine radiale Verschiebung der Hülse wird verhindert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Schnittdarstellung eines Axialströmungsverdichters für ein Gasturbinentriebwerk;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung vom inneren Ende einer Leitschaufel des in Fig. 1 gezeigten Verdichters mit einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Aufnahme der Leitschaufel;

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht (von hinten nach vorn schauend) der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, bei der die hintere Mantelhälfte auf der rechten Seite und die vordere Mantelhälfte auf der linken Seite gezeigt ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die in Fig. 3 gezeigte Anordnung;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht der vorderen Mantelhälfte entsprechend Fig. 2 und 3 zusammen mit dem inneren Ende einer in einer der Öffnungen verankerten Leitschaufel;

Fig. 5a eine teilweise perspektivische Ansicht der in den Fig. 2 und 3 gezeigten hinteren Mantelhälfte;

Fig. 6 eine Vorderansicht der Hülse bzw. Buchse in der in den Fig. 2-5 gezeigten Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die in Fig. 6 gezeigte Hülse; und

Fig. 8 eine Seitenansicht der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Hülse, wobei die Öffnung in der äußeren Oberfläche aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt ist.

Bei der folgenden näheren Bezugnahme auf die Zeichnungen sollen gleiche Bezugszeichen durchweg dieselben Bauelemente bezeichnen.

Fig. 1 zeigt eine teilweise Schnittdarstellung eines Axialströmungsverdichters 10 des zum Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk geeigneten. Typs. Wie dort gezeigt, sind im Kompressor 10 eine erste Statorstufe 12, eine erste Rotorstufe 14 und eine zweite Statorstufe 16 vorgesehen. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch klar, daß eine andere Anzahl von Stator- und Rotorstufen in einem Axialflußkompressor für ein Gasturbinentriebwerk vorgesehen werden können.

Im näheren Detail enthält die erste Statorstufe 12 eine Stator- bzw. Leitschaufel 18 mit einem äußeren Ende 20 und einem inneren Ende 22. In gleicher Weise enthält auch die zweite Statorstufe 16 eine Leitschaufel 24 mit einem äußeren-Ende 26 und einem inneren Ende 28. Die erste Rotorstufe 14 enthält einen stromlinienförmigen Abschnitt bzw. Flügel 30, der an seinem inneren Ende einen schwalbenschwanzförmigen Abschnitt 32 aufweist, der seinerseits an einer Scheibe 34 befestigt ist. Die äußeren Enden 20 und 26 der Leitschaufeln 28 und 24 sind allgemein als im Verdichtergehäuse 27 gehalten dargestellt.

Es ist festzustellen, daß sich die vorliegende Erfindung mit der Befestigung einer Leitschaufel mit ihrem inneren Ende an einem Mantelelement befaßt, wie das am besten aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist. Hinsichtlich der Leitschaufel 18 der ersten Rotorstufe 14 ist eine Hülse 36 oder ein ähnliches Bauelement verwendet, um das innere Ende 22 der Leitschaufel 18 mit einem Mantel 38 zu verbinden. Der Mantel 38 ist vorzugsweise axial geteilt und enthält ein Paar von jeweils 180° segmentierten Mantelhälften 40 (vorn bzw. stromaufwärts) und 42 (hinten bzw. stromabwärts). Die vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 sind durch eine Schraube 44 und Mutter 46 oder andere entsprechende Verbindungsmittel miteinander verbunden. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, können zwischen dem Schraubenkopf 52 und der hinteren Mantelhälfte 42 bzw. zwischen der Mutter 46 und der vorderen Mantelhälfte 40 ein Paar Unterlegscheiben 48 bzw. 50 vorgesehen sein. Eine Wabendichtung 54 oder eine andere ähnliche Dichtung kann vorzugsweise an einem sich in der Abströmrichtung erstreckenden Flansch 56 der hinteren Mantelhälfte angebracht sein, um in Verbindung mit Messerdichtungsringen 58 eine Labyrinthdichtung zu bilden.

Von besonderer Bedeutung ist, daß die Hülse 36 mit einer im allgemeinen zylindrisch geformten Öffnung 39 versehen ist, die gebildet wird, wenn die vordere Mantelhälfte 40 und die hintere Mantelhälfte 42 miteinander zum Mantel 38 verbunden werden. Es ist anzumerken, daß über den äußerem Umfang des Mantels 38 verteilt, mehrere solcher Öffnungen 39 vorhanden sind, um eine Anzahl von darüber abwechselnd verteilten Leitschaufeln aufzunehmen. Nach dem Stand der Technik wurde die Hülse bzw. Buchse 36 vollständig durch die von den vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 am Umfang ausgeübte Einspannkraft in ihrer Position fixiert. Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Hülsen während des Betriebs des Triebwerks aufgrund der für das Triebwerk charakteristischen Schwingungen und thermischen Zyklus eine Tendenz zu einer radial nach außen gerichteten Bewegung aufweisen.

Um eine radiale Bewegung der Hülse 36 zu verhindern, ist in der vorderen und hinteren Mantelhälfte 40 und 42 vorzugsweise ein Paar von Umfangsnuten 62 und 64 vorgesehen (obwohl lediglich eine Nut nötig ist). Mindestens ein Schaft bzw. Zapfen 66 und vorzugsweise ein (gegenüber dem Schaft 66 angeordneter) zweiter Schaft 68 ist vorgesehen an und erstreckt sich von der äußeren Oberfläche der Seitenwand 70 der Hülse 36. Aus den Fig. 3 bis 5 geht hervor, daß die Schafte 66 und 68 so an der Außenwand 70 der Hülse angeordnet sind, daß sie aufgenommen und sicher verankert werden können von den Umfangsnuten 62 und 64 der vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42.

Aus den Fig. 1 bis 5 wird weiter klar, daß die zylindrischen Öffnungen 39 halbkreisförmige vertikale Seitenwände 72 bzw. 74 und innere horizontale Oberflächen 76 bzw. 78 in der vorderen Mantelhälfte 40 und in der hinteren Mantelhälfte 42 aufweisen. Es gibt demnach eine Reihe von die halbkreisförmigen vertikalen Seitenwände 72 trennenden inneren vertikalen Flächen 80 sowie eine Reihe von die halbkreisförmigen vertikalen Seitenflächen 74 trennenden inneren vertikalen Flächen 82, wobei die inneren vertikalen Flächen 80 und 82 zueinander ausgerichtet sind und aneinander anliegen, wenn die vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 miteinander verbunden werden. Auf diese Weise sind die Umfangsnuten 62 und 64 zueinander ausgerichtet, wenn sie in den vertikalen Flächen 80 und 82 und angrenzend an die inneren horizontalen Oberflächen 76 und 78 gebildet sind. Die Zapfen bzw. Schafte 66 und 68 der Hülsen 60 werden somit in den Nuten 62 und 64 gehalten und an einer radial nach außen gerichteten Bewegung gehindert.

Es ist ersichtlich, daß die vordere Mantelhälfte 40 einen ersten Abschnitt 84 enthält, der im wesentlichen parallel und radial nach innen beabstandet ist zu einer Vorderkante 85 am inneren Ende 22 der Leitschaufel. Ein zweiter Abschnitt 86 ist vorgesehen, der zum ersten Abschnitt 84 im wesentlichen senkrecht und radial nach innen verläuft, in dem halbkreisförmige Öffnungen für die halbkreisförmigen vertikalen Seitenwände 72 gebildet sind. Im zweiten Abschnitt 86 sind ebenfalls die vertikalen Flächen 80 und die Nut 62 geformt. Ein dritter Abschnitt 88 der vorderen Mantelhälfte 40 verläuft im wesentlichen senkrecht zum zweiten Abschnitt 86 und erstreckt sich in Strömungsrichtung. Der dritte Abschnitt 88 dient zur Bereitstellung der inneren horizontalen Oberflächen 76 als Auflage für die Hülsen bzw. Buchsen 36. Ein vierter Abschnitt 88 verläuft im wesentlichen senkrecht zum dritten Abschnitt 88 und erstreckt sich radial nach innen; er dient als Anlagefläche für den angrenzenden Abschnitt 98 der hinteren Mantelhälfte 42. Im vierten Abschnitt 88 sind eine Reihe von Löchern 89 für Schrauben 44 vorgesehen, die bei der Verbindung der vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 dort eingesetzt werden.

Wie die vordere Mantelhälfte 40 weist die hintere Mantelhälfte 42 einen ersten Abschnitt 92 auf, der parallel und radial nach innen beabstandet zu einer Hinterkante 93 am inneren Ende 22 der Leitschaufel verläuft. Es ist anzumerken, daß die äußeren Oberflächen der ersten Abschnitte 84 und 92 der vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 zusammentreffen und in Verbindung mit einer äußeren Oberfläche 61 der Hülse 36 einen Ringraum für einen inneren Gasströmungspfad im Verdichter 10 bilden. Die hintere Mantelhälfte 42 besitzt einen zweiten Abschnitt 94, der im wesentlichen senkrecht zum ersten Abschnitt 92 und in radialer Richtung nach innen verläuft. Der zweite Abschnitt 94 weist darin gebildete halbkreisförmige Öffnungen für die halbkreisförmigen vertikalen Seitenwände 74 auf. Ebenfalls im zweiten Abschnitt 94 sind vertikale Flächen 82 und die Nut 64 geformt. Weiterhin ist ein dritter im wesentlichen senkrecht zum zweiten Abschnitt 94 und gegen die Strömungsrichtung verlaufender Abschnitt 96 vorgesehen, in dem horizontale innere Oberflächen 78 als Auflage für die Hülsen 36 gebildet sind. Ein vierter Abschnitt 98 verläuft im wesentlichen senkrecht zum dritten Abschnitt 96 und erstreckt sich in radialer Richtung nach innen; er verläuft benachbart zum vierten Abschnitt 90 der vorderen Mantelhälfte 40 und weist eine Reihe von Löchern 99 darin zur Aufnahme von Schrauben 44 auf. Es ist weiterhin ersichtlich, daß der vierte Abschnitt 98 der hinteren Mantelhälfte 42 einen sich in Strömungsrichtung erstreckenden Flansch 56 enthält, wie bereits oben ausgeführt wurde.

Wie am besten aus den Fig. 4 und 7 hervorgeht, enthält die äußere Oberfläche 61 der Hülse 36 einen länglichen Schlitz 63 zur Aufnahme eines Abschnitts 23 am inneren Ende 22 der Statorschaufel, wo dieser in einer Fassung gehalten wird. Aus den Fig. 6 und 8 ist ersichtlich, daß die äußere Oberfläche 61 der Hülse 36 unter einem Winkel verläuft (d. h. nicht parallel zu einer Mittenlinie des Verdichters 10), um die unterschiedlichen Radien der vorderen und hinteren Mantelhälften 40 und 42 anzupassen. Dieser Unterschied in den Radien rührt von der Tatsache her, daß zur Schaffung des Strömungsringraumes die Öffnung an dem vorderen Ende des Verdichters 10 größer ist als am hinteren Ende.

Da die Leitschaufeln in einem Verdichter von unterschiedlicher Größe und Dimensionierung sein können, lassen sich die Abmessungen der verschiedenen Abschnitte für die vorderen und hinteren Mantelhälften sowie die darin befestigten Buchsen bzw. Hülsen zur Aufnahme der jeweiligen inneren Leitschaufelenden entsprechend anpassen. Insbesondere sind die axiale Länge der dritten Abschnitte der vorderen und hinteren Mantelhälften sowie die Radien der Hülsen zur einwandfreien Aufnahme der Leitschaufel dimensioniert. Dies wird durch eine in Fig. 1 dargestellte Mantelkonstruktion 37 für eine zweite Leitstufe 16 verdeutlicht. Ausgehend von der vorhergehenden Darstellung und Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind demnach entsprechende Modifikationen und Anpassungen der jeweiligen Konstruktion zur Aufnahme und Halterung eines inneren Leitschaufelendes im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims

1. Einrichtung zur Aufnahme eines inneren Endes (22) einer Leitschaufel (18) in einem Axialströmungsverdichter (10), gekennzeichnet durch

a) einen Mantel (38), der am Umfang seiner nach außen gerichteten Oberfläche mehrere Öffnungen (39) aufweist, wobei der Mantel mindestens eine Umfangsnut (62, 64) enthält, die an eine innere Oberfläche der Öffnungen angrenzt; und
b) eine in jede der Öffnungen eingepaßte Buchse bzw. Hülse (36), die in einer äußeren Oberfläche jeweils einen Schlitz (63) zur Aufnahme des inneren Endes (22) einer Leitschaufel (18) sowie mindestens einen sich von einer Seitenwand der Hülse erstreckenden Zapfen oder Schaft (66, 68) aufweist,

wobei der Schaft zur Vermeidung einer radialen Versetzung bzw. Verschiebung der Hülse sicher in der Mantelnut verankerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel einen vorderen Mantelteil (40) sowie einen mit dem vorderen Mantelteil verbundenen hinteren Mantelteil (42) enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Paar von ausgerichteten Nuten (62, 64) in den vorderen und hinteren Mantelteilen.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (61) der Hülse mit der äußeren Oberfläche des Mantels zusammentreffend ausgebildet ist und dadurch einen Ringraum für den inneren Gasströmungspfad im Verdichter abgrenzt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (38) aus einem Paar (40, 42) von axial geteilten Mantelsegmenten von jeweils 180° gebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich aus der Seitenwand (70) der Hülse ein Paar von Schaften (66, 68) erstrecken, die zum Zwecke einer sicheren Verankerung in den Mantelnuten positionierbar sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und die äußeren Oberflächen des Mantels relativ zu einer Mittenlinie des Verdichters unter einem Winkel angeordnet sind.

8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch einen vorderen Mantelteil (40) mit:

a) einem ersten Abschnitt (84), der im wesentlichen parallel zu und beabstandet von einer Vorderkante (85) des inneren Endes (22) der Leitschaufel angeordnet ist;
b) einem im wesentlichen senkrecht zum ersten Abschnitt (84) angeordneten und sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden zweiten Abschnitt (86);
c) einem im wesentlichen senkrecht zum zweiten Abschnitt (86) angeordneten und sich in Abströmrichtung erstreckenden dritten Abschnitt (88); und
d) einem im wesentlichen senkrecht zum dritten Abschnitt (88) angeordneten und sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden vierten Abschnitt (90).

9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen hinteren Mantelteil (42) mit:

a) einem ersten Abschnitt (82), der im wesentlichen parallel zu und beabstandet von einer Hinterkante (93) des inneren Endes (22) der Leitschaufel angeordnet ist;
b) einem im wesentlichen parallel zum ersten Abschnitt (92) angeordneten und sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden zweiten Abschnitt (94);
c) einem im wesentlichen parallel zum zweiten Abschnitt (94) angeordneten und sich gegen die Stromrichtung erstreckenden dritten Absatz (96); und
d) einem im wesentlichen parallel zum dritten Abschnitt (96) angeordneten und sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden vierten Abschnitt (98).

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen vierten Abschnitte (90, 98) im vorderen und hinteren Mantelteil benachbart und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, so daß sie aneinander anliegen, wenn die vorderen und hinteren Mantelteile (40, 42) miteinander verbunden sind.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Öffnungen (39) mit zylindrischer Form.

12. Einrichtung mindestens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Abschnitt (98) einen sich in Strömungsrichtung erstreckenden Flansch (56) aufweist.

13. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hälfte jeder Öffnung (39) in dem vorderen Mantelteil (40) und eine Hälfte jeder Öffnung (39) in dem hinteren Mantelteil (42) gebildet ist, und daß die jeweiligen Öffnungshälften zueinander ausgerichtet sind.

14. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Hülse (36) etwa gleich der axialen Länge der dritten Abschnitte (88, 96) im vorderen und hinteren Mantelteil ist.