DE2532554C2 - Verdichterstator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichterstator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art

Ein solcher bekannter Verdichtentator (US-PS 28 57 093) mit einem Gehäuse in Einzelwandbauweise hat gegenüber einem weiteren bekannten Verdichterstator (US-PS 29 28 586) mit einem Gehäuse in Doppelwandbauweise, bei dem die innere Wand aus mehreren hintereinander angeordneten Ringen aufgebaut ist den Vorteil, daß erwünschte minimale Spitzenspiele zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse leichter eingehalten werden können, da keine sich addierenden Fertigungstoleranzen oder Ungenauigkeiten zu befürchten sind. Außerdem läßt sich das einwandige Gehäuse einfacher herstellen, weist weniger Einzelteile auf, ist leichter und kann durch Verändern seiner Masse an verschiedenen axialen Stellen einfacher als ein doppelwandiges Gehäuse an die Ausdehnung des Rotors angepaßt werden, weshalb es einem doppelwandigen Gehäuse in vieler Hinsicht überlegen ist. Es hat sich aber gezeigt daß der Aufbau des bekannten Verdichterstators mit einwandig aufgebautem Gehäuse noch beträchtliche Nachteile aufweist. Be: diesem bekannten Verdichterstator sind die Leitschaufeln durch die Haltestücke hindurchgeführt und mit ihrer keilförmigen Wurzel in den Haltestücken fest eingespannt. Aufgrund der Belastung durch das Arbeitsmedium treten im Betrieb an den freitragend und fest eingespannten Leitschaufeln Schwingungen auf, die nach relativ kurzer Zeit zum Abbrechen der Leitschaufeln an ihrer Einspannstelle führen können. Weiter ist das Gehäuse bei diesem bekannten Verdichterstator in Längsrichtung geteilt, wodurch in Ge- häuseumfangsrichtung unterschiedliches Spitzenspiel auftreten kann, das durch die Materialanhäufung an den Teilungsstellen des Gehäuses bedingt ist Durch die Materialanhäufung an diesen Stellen dreht sich nämlich das Gehäuse im Bereich der Verbindungsflansche der Gehäusehälften bei wechselnden Betriebsbedingungen weniger schnell aus und zieht sich auch weniger schnell zusammen als an anderen Stellen, wodurch in Gehäuseumfangsrichtung unterschiedliches Spitzenspiel auftritt,

to das für einen guten Wirkungsgrad des Verdichters unerwünscht ist, weil dadurch der Vorteil, der durch die einwandige Bauweise des Verdichterstatorgehäuses erzielt wird, wieder verloren geht Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdichterstator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß die Leitschaufelschwingungen besser gedämpft werden und der Wirkungsgrad des

Verdichters erhöht wird. Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des An- Spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Zur Dämpfung der Leitschaufelschwingungen sind bei dem Verdichterstator nach der Erfindung die Leitschaufeln nicht in dem Haltestück fest eingespannt sondern umgreifen mit ihrer Wurzel das Haltestück, und außerdem ist Spiel zwischen der Leitschaufel und dem Gehäuse sowohl in radialer als auch in axialer Richtung vorgesehen, damit sich die Leitschaufel unter der Druckbtlastung durch das Arbeitsmedium verschwenken können. Dadurch wird die Gefahr eines frühzeitigen Abbrechens einer Leitschaufel an ihrer Einspannstelle weitgehend ausgeschaltet Durch die Verwendung des ungeteilten Verdichterstatorgehäuses werden unterschiedliche Materialanhäufungen an verschiedenen Stellen in Umfangsrichtung des Gehäuses vermieden.

Das Gehäuse kann deshalb für ein minimales Spitzenspiel auf dem gesamten Umfang des Gehäuses ausgelegt werden, wodurch sich ein besserer Wirkungsgrad als mit einem in Längsrichtung geteilten, einwandigen Gehäuse ergibt Hohe Spannungskonzentrationen tre ten bei dem Verdichterstator nach der Erfindung nur in den Leitschaufeln und den bogenförmigen Haltestücken auf, die leicht und einfach ersetzt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Axialgasturbinentriebwerkes,

F i g. 2 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Teils des Verdichters des Gasturbinentriebwerkes nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht des Verdichters nach Fig. 2,

F i g. 4 eine Schnittansicht nach der Linie 4-4 in F i g. 3, Fig.5 eine Schnittansicht der Leitschaufelbefestigung unter der Druckbelastung durch das Arbeitsmedium und Fig.6 eine Schnittansicht der Leitschaufelbefesti gung im Schwingungszustand, wobei die Schwingungs belastung größer ist als die Druckbelastung durch das Arbeitsmedium und zu dieser entgegengesetzt gerichtet ist. Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk 10 ist ein Axialtriebwerk mit einem vielstufigen Verdichter 12, der über eine Verbrennungseinrichtung 16 mit einer vielstufigen Turbine 14 in Verbindung ist. Luft wird in dem Verdichter 12 komprimiert, in der Verbrennungs-

einrichtung 16 mit Brennstoff vermischt und zur Erzeu- schaufelstufe fünf LeitschaufeJanordnungen, welche etgung einer Heißgasströmung verbrannt, welche in der wa 13,6 kp wogen und vierzehn Leitschaufelstufen aufTurbine 14 durch mehrere Düsen expandiert wird. Je wiesen. Man kann ohne Schwierigkeiten bis zu zehn mehr Luft das Triebwerk verdichten kann, desto größer Leitschaufelanordnungen verwenden, ist die Triebwerksleistung oder der Schub, welcher vom 5 Die Anzahl der Leitschaufeln 44 der Leitschaufelan-Triebwerk erzeugt werden kann, ordn-uig 42, weiche zuletzt zusammengebaut wird, ist Ein Teil des vielstufigen Verdichters 12 ist in F i g. 2 durch die Sehnenlänge des bogenförmigen Haltestückes im Schnitt dargestellt Ein Rotor 18 umfaßt mehrere 46 begrenzt Die Sehnenlänge des letzten bogenförmi-Verdichterlaufräder 20, die durch Abstandsstücke 22 in gen Haltestückes 46 muß kleiner sein als der Abstand Axialrichtung voneinander getrennt sind, jedes Ver- 10 zwischen den Spitzen 58 der Leitschaufeln, durch den dichterlauhad 20 hat eine Scheibe24 und mehrere Lauf- die Leitschaufelanordnung zum Einsetzen in die Umschaufeln 26, welche an der Scheibe befestigt sind. Jede fangsnut 38 in Radialrichtung hindurchzuführen ist In Laufschaufel 26 hat eine Plattform 28 am Ende eines dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die aerodynamischen Abschnittes 30. Ein axialer Spalt zwi- fünfte Leitschaufelanordnung geteilt und weist eine sehen den Laufsohaufelplattformen 28 benachbarter 15 Leitschaufelanordnung mit dreizehn Leitschaufeln und Laufräder 20 wird von einer inneren Luftdichtung 32 eine Leitschaufelanordnung mit einer einzigen Leitüberspannt Der Rotor 18 liegt in einem Verdichtersta- schaufel auf, wie es in Fig.3 dargestellt ist Die Leittor 34, der mehrere Leitschaufelstufen 36 aufweist wel- Schaufelanordnungen 42 sind in der Umfangsnut 38 mitche jeweils in einer Umfangsnut 38 des Verdichterge- tels der Bolzen 50 festgeschraubt welche durch das Verhäuses 40 befestigt sind. 20 dichtergehäuse 40 ragen und in das bogenförmige Hai-Gemäß F i g. 3 hat jede Leitschaufelstufe 36 mehrere testück 46 einer jeden Leitschaufelanordnung eindrin-Leitschaufelanordnungen 42, welche jeweils eine oder gen. Die eine einzige Leitschaufel aufweisende Leitmehrere Leitschaufeln 44, ein bogenförmiges Halte- Schaufelanordnung ist in der Umfangsnut 38 in der gleistück 46 und zwei Endplatten 48 aufweist Jede Leit- chen Weise befestigt wie die Leitschaufelanordnung, Schaufelanordnung 42 ist in einer der Umfangsnuten 38 25 welche mehrere Leitschaufeln aufweist. mittels Bolzen 50 befestigt die sich durch das Gehäuse Ein wesentlicher Vorteil des hier beschriebenen Vererstrecken und in das bogenförmige Haltestück 46 ein- dichterstators 34 ist die Dämpfung der Schwingungsgeschraubt sind. energie der Verdichterschaufel 44 während des Betrie-Jede Verdichterleitschaufel 44 hat einen aerodynami- bes des Triebwerkes. Infolge des Axialspieles 60 zwischen Abschnitt 52, eine Wurzel 54 mit einem Halte- 30 sehen der Wurzel 54 jeder Leitschaufel 44 und dem schlitz56 und eine Spitze 58, wie es in Fig.4dargestellt Verdichtergehäuse 40 und des Radialspieles 62 zwiist Ein Axialspiel 60 ist zwischen der Leitschaufelwurzel sehen der Wurzel jeder Leitschaufel und dem entspre-54 und dem Verdichtergehäuse 40 vorgesehen, und ein chenden bogenförmigen Haltestück 56 ist eine begrenz-Radialspiel 62 ist zwischen der Leitschaufelwurzel 54 te Bewegung der Leitschaufeln möglich, nachdem das und dem bogenförmigen Haltestück 46 vorgesehen. Ge- 35 bogenförmige Haltestück 46 jeder Leitschaufelanordmäß F i g. 5 hat jede Leitschaufel eine Tragfläche 64, die nung 42 am Verdichtergehäuse 40 befestigt ist. In einem sich auf einer gegenüberliegenden Tragfläche 66 des bevorzugten Ausführungsbeispiel betragen das Radial-Gehäuses abstütet sowie eine Tragfläche 68, die sich auf spiel und das Axialspiel 0,025 mm bis 0,330 mm. Wäheiner gegenüberliegenden Tragfläche 70 des Haltestük- rend des Betriebes des Verdichters 12 werden die Leitkes abstützt. ₄₀ schaufeln 44 durch den Druck des Arbeitsmediums bela-Beim Zusammenbauen des Verdichters 12 werden ei- stet und nehmen eine schräge Stellung ein, die in F i g. 5 ne oder mehrere Leitschaufeln 44 auf das bogenförmige dargestellt ist Die Leitschaufeln 44 neigen sich dabei Halipctiick ΛΛ aufgeschoben, wobei das bogenförmige nach vorn, d. h. in Richtung zum vorderen Ende oder in Haltestück 46 in die entsprechend geformten Halte- Richtung zum kleineren Druck in dem Verdichter, bis schlitze 56 in der Wurzel 54 in einer jeden Leitschaufel 45 die Tragfläche 68 der Leitschaufel mit der Tragfläche 70 eintritt Eine Endplatte 48 ist an jedem Ende des bogen- des Haltestückes 38 in Berührung kommt und sich die förmigen Haltestückes 46 vorgesehen zum Zurückhai- Tragfläche 64 der Leitschaufel gleichzeitig gegen die ten der Leitschaufeln 44 an dem Haltestück. Mehrere Tragfläche 66 des Gehäuses 40 legt. Innerhalb der übli-Leitschaufelanordnungen 42 werden zur Biloung einer chen Betriebsbedingungen des Triebwerkes überwie-Verdichterleitschaufelstufe 36 in jeder Umfangsnut 38 50 gen die Vibrationsbelastungen periodisch die statischen befestigt und jede Leitschaufel 44 erstreckt sich radial Druckkräfte und bewirken, daß sich die Leitschaufel aus nach innen durch den Strömungskanal des Arbeitsme- ihrer vorderen Stellung nach hinten neigt, wie es in diums. Die Endplatten 48 haben die zusätzliche Aufga- F i g. 6 dargestellt ist. Diese Bewegung der Leitschaufel be, eine Umfangsbewegung der Leitschaufeln 44 in der nach hinten wird durch die Druckbelastung infolge des Umfangsnut 38 während des Betriebes des Triebwerks 55 Arbeitsmediums zur Vernichtung der Schwingungszu verhindern. energie der Leitschaufeln abgedämpft. Weiter tritt eine Die Anzahl der Leitschaufeln 44 einer Leitschaufelan- Reibungsdämpfung zwischen den Seitentragflächen der Ordnung 42 ändert sich entsprechend den Abmessungen benachbarten Leitschaufeln und zwischen den Tragflä- und dem Gewicht der einzelnen Bauteile. Wenn jede chen einer jeden Leitschaufel auf, die in Berührung mit Leitschaufelanordnung 42 eine große Anzahl von Leit- 60 dem Haltestück 46 oder dem Gehäuse 40 sind, schaufeln 44 aufweist sind weniger Arbeitsschritte er- Das Verdichtergehäuse 40 hat im Querschnitt etwa forderlich zum Zusammenbauen einer ganzen Leit- U-förmige Umfangsnuten 38, die in die Innenwand des schaufelstufe 36 in dem Verdichtergehäuse 40. Wenn Gehäuses eingearbeitet sind. Da keine Leitschaufeleinjede Leitschaufelanordnung 42 eine kleinere Anzahl führfhlitze erforderlich sind, sind die Belastungen des von Leitschaufeln 44 aufweist, wird das Gewicht der 65 Gehäuses einheitlich um den Umfang des Gehäuses ver-Leitschaufelanordnungen kleiner und diese lassen sich teilt, so daß dieses eine maximale Lebensdauer erhält, einfacher in das Verdichtergehäuse 40 einbauen. Bei ei- Spannungkonzentrationen innerhalb des Stators treten nem bestimmten Ausführungsbeispiel hatte eine Leit- an den Ecken der Haltestücke 46 und der Wurzeln 54

auf. Die Haltestücke sowie die Leitschaufeln lassen sich jedoch bei Beschädigung leicht ersetzen.

Durch die Bewegung der Leitschaufeln 44 in bezug auf das Gehäuse 40 und das bogenförmige Haltestück 38 kann eine Abnützung an den Berührungsflächen auf- s treten. Zur Verhinderung einer starken Abnützung der Tragflächen sind dieselben mit einer Hartmetallauflage versehen. Der hier beschriebene Verdichterstator 34 hat eine einfache Geometrie, und dementsprechend ist das Anbringen von Hartmetallauflagen an den Tragflächen möglich.

Der hier beschriebene Verdichterstator 34 ergibt eine wesentliche Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrades. Wenn das Spitzenspiel an den Leitschaufeln und an den Laufschaufeln um zehntausendstel auf uCr gesamten L^snge ucs * crdiCntcrs zunimmt, nimmt der Wirkungsgrad des Verdichters um 1% ab. Bei der Konstruktion eines Verdichters versucht man üblicherweise, das Spitzenspiel kleiner als 1 % der Spannweite des aerodynamischen Abschnittes der Leitschaufel zu halten, d.h. bei einem Durchmesser von etwa 127cm soll das Spitzenspiel zwischen den Leitschaufeln und den Laufschaufeln und den entsprechenden Dichtflächen achtunddreißigtausendstel des Nennspitzenspiels betragen.

Zum Einhalten eines bestimmten maximalen Spitzenspieles ist es erforderlich, das Verziehen des Verdichtergehäuses sowie die Konzentrizität von zusammenwirkenden Flächen in bezug auf eine gemeinsame Achse zu kontrollieren bzw. festzulegen. Das Verziehen wird weitgehend verhindert durch Anwendung des in Umfangsrichtung und axial ungeteilten Verdichtergehäuses 40. Die Verwendung des ungeteilten Verdichtergehäuses 40 gestattet einen einheitlichen Querschnitt durch Eliminierung von Massenkcnzentrationen, wie z. B. an den Flanschen im Falle eines geteilten Verdichtergehäuses.

Eine zweite wesentliche Voraussetzung, um minimale Spitzenspieie zu erreichen, ist die Einhaltung der Konzentrizitätstoleranzen zwischen einander gegenüberliegender. Verdichterbauteilen. Bei oem einwandigen Verdichtergehäuse 40 wird jede Umfangsnut 38 in bezug auf die gleiche Achse hergestellt, und zwar in bezug auf die Achse des Verdichtergehäuses. Man hat dementsprechend gleiche Konzentrizitätstoleranzen für jede axiale Stufe des Verdichters.

Entsprechend dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Endplatte 48 an jedem Ende jedes bogenförmigen Haltestückes 46 befestigt Eine einzige Endplatte 48, welche nur an einem Ende jedes bogenförmigen Haltestückes 46 befestigt ist, kann jedoch auch die Bewegung der Leitschaufel 44 in Umfangsrichtsing in der Umfangsnut 38 des Gehäuses 40 wirksam verhindern.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verdichterstator, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem Gehäuse (40) in Einzelwandbauweise, mit mehreren in einer Umfangsnut (38) auf der Innenseite des Gehäuses durch Bolzer (50) befestigten Leitschaufelanordnungen (42), die jeweils ein bogenförmiges Haltestück (46) aufweisen, das sich über einen Teil des Gehäuseumfanges erstreckt und wenigstens eine Leitschaufel trägt, die sich in radialer Richtung von dem Haltestück zu dessen Krümmungsmittelpunkt erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (44) mit ihrer einen Halteschlitz (56) aufweisenden Wurzel (54) verschiebbar von ihrem Haltestück (46) getragen ist, daß am Ende des Haltestückes eine Endplatte (48) befestigt ist und daß zwischen der Leitschaufelwurzel und dem ungeteilten Gehäuse (40) sowohl Radialspiel (62) als auch Axialspiel (60) vorgesehen ist

2. Verdächterstator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Endplatte (48) am anderen Ende des bogenförmigen Haltestückes (46) befestigt ist.

3. Verdichterstator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteschlitz (56) in der Leitschaufelwurzel (54) einen T-förmigen Querschnitt hat

4. Verdichterstator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Axialspiel (60) und das Radialspiel (62) in der Größenordnung von 0,025 bis 0330 mm liegen.