DE3540401A1 - Leitschaufelkranz fuer turbomaschinen, insbesondere fuer gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, der in einem durch zwei konzentrische Ringe gebildeten Kanal der Maschine angeordnet ist und dessen Schaufeln eintritts­ seitig aus einem feststehenden Teil, austrittsseitig aus einem diesem gegenüber verschwenkbaren Teil be­ stehen, wobei sich die Trennung zwischen festen und schwenkbaren Schaufelteilen im Bereich der größten Schaufeldicke befindet und selbst in den äußersten Regulierstellungen der schwenkbaren Schaufelteile noch ein tangentialer Anschluß an das Profil der festen Schaufelteile gewährleistet ist.

Ein solcher Leitschaufelkranz ist bekannt aus der deutschen Auslegeschrift 10 41 739.

Bei einem solchen Leitschaufelkranz erfordert die An­ lenkung durch Schwenkachsen im Zentrum des verschwenk­ baren Teils und ihre Ausführung eine massive Lagerung im äußeren und inneren Ring des Turbinengehäuses.

Besonders im inneren Ring ist der Raumbedarf einer sol­ chen Schwenkachsenlagerung erheblich und unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leitschaufelkranz für Turbomaschinen zu schaffen mit Schaufeln, deren schwenkbare Schaufelteile ohne massive Gelenkachsen und ohne die Lagerung in zwei konzentrischen Ringen auskommen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Leitschaufelkranz der eingangs erwähnten Art dadurch, daß der Spalt zwi­ schen festem und schwenkbarem Schaufelteil auf einer Seite durch ein elastisches Band und auf der gegenüber­ liegenden Seite durch ein nachgiebiges Band überdeckt ist.

Der wesentliche Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, ist darin zu sehen, daß ein Leitschaufelkranz geschaffen wird, der ohne massive Gelenkachse die An­ triebsverbindung zum schwenkbaren Schaufelteil her­ stellt und der ohne Lagerung in beiden konzentrischen Ringen, insbesondere ohne das Lager im inneren Gehäuse­ ring auskommt. Dadurch ist Platz für zusätzliche Maß­ nahmen zur Dichtspaltoptimierung gegenüber den Lauf­ schaufeln im inneren Gehäuse, wie z. B. aktive Spalt­ regelung (kühlluftgesteuert) geschaffen. Auch für sonstige Ausgestaltungen des inneren Ringes des Turbinen­ gehäuses bietet sich eine größere Vielfalt an. Thermische oder Abdichtprobleme lassen sich leichter lösen.

Obwohl die Leitschaufeln in der erfindungsgemäßen Aus­ bildung relativ einfach herstellbar, zu warten, zu repa­ rieren oder auszutauschen sind, ergibt die Überbrückung der Trennung zwischen festen und schwenkbaren Schaufel­ teilen keine aerodynamische Störung, insbesondere des Tragflächenprofils. Dies ist unabhängig von der je­ weiligen Schwenkstellung des betreffenden Schaufelteils. Anordnung und Ausbildung des elastischen Bandes ergeben eine relativ hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Zeitstandfestigkeit. Gleiches gilt für das gewählte Ab­ deckband. Letzteres kann relativ steifer ausgeführt sein als das die Gelenkachse ersetzende elastische nachgiebige Band. Ausführungen, insbesondere als Verbundwerkstoffe, haben sich bewährt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beige­ fügten Zeichnung rein schematisch dargestellt und anhand dessen in der Beschreibung erläutert. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte beschriebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern umfaßt ausdrücklich auch Kombinationen und Unterkombinationen dieser Merkmale und Merkmalen aus den Ansprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine verstellbare zweiteilige Schaufel,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kanal, der durch zwei konzentrische Ringe, eine Turbo­ maschine, insbesondere eines Gasturbinen­ gehäuses gebildet ist,

Fig. 3 den Antrieb des Leitschaufelkranzes nach Fig. 2.

Wie ersichtlich, ist der Leitschaufelkranz aus einzelnen Leitschaufeln oder leitschaufelähnlichen Teilen gebildet, die über den Umfang eines Ringes der Turbomaschine als Kranz oder Leitgitter verteilt angeordnet sind mit der Eintrittsseite in der Zeichnung (Fig. 1) links und der Austrittsseite dort rechts zu einem Rotor hin, d. h., z. B. eine Turbinenstufe mit ihren Laufschaufeln.

Die Laufschaufel 1 hat einen feststehenden Teil 2 und einen schwenkbaren Teil 3 mit einer Trennung zwischen den beiden im Bereich der größten Schaufeldicke, wobei die Trennlinie profiliert ist wie Fig. 1 zeigt, um einerseits die Verschwenkbarkeit des schwenkbaren Teils mit einem Verstellglied 4 zu ermöglichen und andererseits die Auslenkung des schwenkbaren Teils 3 in seiner Maximal­ auslenkstellung gemäß Pfeil in Fig. 1. Deshalb weist die Trennungslinie 5 am feststehenden Teil 2 zwei Bögen mit unterschiedlichen Radien und einer Verbindungslinie bzw. -fläche auf.

Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist das Verstellglied 4 einge­ setzt in das schwenkbare Teil 3 und form- oder reib­ schlüssig darin gehalten. In Fig. 1 dient dazu ein schwalbenschwanzartiger Fortsatz des Verstellglieds 4. Auch andere Arten des gegenseitigen Eingriffs können ge­ wählt werden, um die Schwenkbewegung zu übertragen.

Das Schaufelprofil, insbesondere ein aerodynamisch günstiges Tragflächenprofil oder dergleichen, bleibt durch die Trennung oder Schwenken des Teils 3 praktisch unbe­ rührt, d. h. der Profilanschluß bzw. -übergang bleibt ge­ währleistet durch die Bänder 6 und 7, wobei 6 das elastische Band bildet und 7 das Abdeckband für den zwischen dem feststehenden Teil und dem schwenkbaren Teil bestehenden Spalt oder Zwischenraum 8. Das elastische Band der Schaufel ist an seinen beiden Längsseiten, die in der Höhe der Schaufeln verlaufen, unlösbar befestigt, einerseits am feststehenden Teil 2 und andererseits am schwenkbaren Teil 3. Das elastische Band ist auch mit dem Verstellglied 4 verbunden, so daß die Schwenkbewegung in Pfeilrichtung (siehe Fig. 1) ermöglicht wird.

Auf der gegenüberliegenden (inneren) Seite der Schaufel bzw. des Schaufelkranzes ist dagegen das Abdeckband 7 nur auf einer Seite, nämlich am festen Teil 2 über dessen Höhe unlösbar befestigt, während das abschwenkbare Teil 3 lose aufliegt. Dabei wird der Spalt 8 sicher überdeckt, auch in der äußersten Schwenkstellung des Teils 3.

Das elastische Band 6 kann aus einem Elastomer, oder einem Kunststoff, wie einem Silikon-Kautschuck bestehen, oder, wenn Arbeitstemperaturen etwas über 200°C erwünscht sind, aus einem Polyimid oder ähnlich temperaturfesten Kunststoff. Besonders geeignet sind verstärkte Kunststoffe oder Elastomere oder Verbundwerkstoffe aus Elastomeren oder kautschuckartigen Kunststoffen, die einerseits für die auftretenden Betriebstemperaturen ausreichende Festig­ keit aufweisen, andererseits jedoch genügend elastisch nachgiebig sind. Hierfür sind auch Gewebeeinlagen, ins­ besondere Kohlenstoff-, Glasfaser- oder Metallfadengewebe, -gewirke oder ähnliches geeignet.

Auch Faserverbunde mit Kunstharzen, insbesondere Polymeren einschließlich Graphit-, Aramid- oder Nylonfäden, Fasern oder Wicklungen oder bandartige Teile hieraus sind für Zwecke der Erfindung geeignet. Gleiches gilt für zusammengesetzte Bänder, insbesondere streifen- oder lagen­ artig zusammengesetzte oder verbundene, z.B. vulkanisier­ te Bänder.

Für das Abdeckband 7 sind auch einfachere Werkstoffe oder Werkstoffverbunde anwendbar, sofern sie nur nach­ giebig anliegen und dem schwenkbaren Teil 3 bei dessen Verstellung über den gesamten Winkel folgen können, welcher in aller Regel bei den hier in Rede stehenden Anwendungen im Bereich von etwa 0 bis 45° liegt. Hier können auch Folien zur Anwendung kommen, wie z.B. Folien aus Fluor- Kohlenstoffen wie FEP oder PTFE. Weiter sind Kunstharze verschiedener Art, insbesondere Polymer-Kunststoffe eben­ falls geeignet, einschließlich Polyimid. Aus Service­ gründen können auch die Bänder 6 und 7 aus gleichem elastischen Material verwendet werden, obwohl dies für die Wirkung nicht erforderlich ist. Bei der Auswahl wird man sich auch von der Preiswürdigkeit im jeweiligen An­ wendungsfall leiten lassen.

In Fig. 2 dargestellt ist die Anordnung des Leitschaufel­ kranzes zwischen dem inneren Ring des Gehäuses einer Turbomaschine 9 und dem Außenring 10 des Gehäuses oder eines ähnlichen gehäuseseitigen Ringteils. Beide Ringe 9 und 10 sind zueinander konzentrisch angeordnet.

Nur im Außenring 10 ist ein Lager 11 für das Verstell­ glied 4, z. B. eine ausgesparte Gelenkwelle, angeordnet. Die ausgesparte Fläche 12 bildet die Verbindungsfläche zum elastischen Band 6. Die Aussparung ist etwa den halben Durchmesser der Gelenkwelle des Verstellglieds 4 betreffend, wie Fig. 2 zeigt. Oberhalb der Aussparung befindet sich das Lagerteil 11 für die einseitige hängende Lagerung der Schaufel und oberhalb des Lagers ein Schwenkhebel 13, der seinerseits an einem Gelenkbolzen 14 in einem Stell­ ring 15 des Leitkranzes angeordnet ist, wie Fig. 3 per­ spektivisch richtig zeigt, wobei die Dreh- bzw. Schwenk­ richtungen durch Pfeile angedeutet sind.

In Fig. 2 ist dagegen die Verbindung zum Stellring 15 um 90° gedreht in die Zeichenebene dargestellt. Solche Stell­ ringe und der Stellantrieb für das Verschwenken eines Laufschaufelkranzes oder -gitters sind an sich bekannt. Wie ersichtlich, ist die Schaufel 1 am unteren Ende, d.h. zum inneren Ring hin nicht gelagert sondern frei aufgehängt, d.h. sie besitzt ein, wenn auch geringes Spiel zum Innenring 9. Gegebenenfalls kann hier noch eine Dichtung eingelegt sein in den Zwischenraum zum Innenring.

Aus Fig. 3 ist der Stellring 15 perspektivisch richtig in seiner Verbindung mit der Schaufel 1 ersichtlich.

Das elastische Band 6 (auf der Druckseite der Schaufel 1) erstreckt sich nur über die Länge (Höhe) der Aussparung 12, der Schaufel 1. Die Lagerung des Verstellgliedes 4 ist hierbei der Deutlichkeit wegen wegzulassen.

Unter "elastisch" im Sinne der Erfindung wird verstanden ein Körper der sich nach dem Hook′schen Gesetz verhält, also von selbst, z.B. federnd, in seine Ausgangslage aus einer anderen Position zurückkehrt; in die er durch Ein­ wirkung äußerer Kräfte gelangt war.

Unter "nachgiebig" im Sinne der Erfindung wird verstanden ein Körper der anschmiegsam, biegbar oder dergleichen ist, jedoch nicht von selbst, z.B. unmittelbar zurückfedernd wieder in seine Ausgangslage gelangt.

Claims (10)

1. Leitschaufelkranz für Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, der in einem durch zwei konzentri­ sche Ringe gebildeten Kanal der Maschine angeordnet ist und dessen Schaufeln eintrittsseitig aus einem feststehenden Teil, austrittsseitig aus einem diesem gegenüber verschwenkbaren Teil bestehen, wobei sich die Trennung zwischen festen und schwenkbaren Schau­ felteilen im Bereich der größten Schaufeldicke be­ findet und selbst in den äußersten Regulierstellungen der schwenkbaren Schaufelteile noch ein tangentialer Anschluß an das Profil der festen Schaufelteile ge­ währleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (8) zwischen festem (2) und schwenkbarem Schaufelteil (3) auf einer Seite durch ein elasti­ sches Band (6) und auf der gegenüberliegenden Seite durch ein nachgiebiges Band (7) überdeckt ist.

2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastische Band (6) an seinen beiden Längsseiten, die in der Höhe der Schaufel (1) verlaufen, unlösbar befestigt ist mit dem fest­ stehenden (2) und dem schwenkbaren Schaufelteil (3), dagegen das Abdeckband (7) nur am feststehenden Teil (2).

3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elastische Band (6) mit dem Verstell­ glied (4) für das schwenkbare Schaufelteil (3) fest verbunden ist.

4. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das elastische Band (6) mit dem festen (2) und/oder schwenkbaren Teil (3) oder dem Verstellglied (4) durch Kleben, Siegeln oder Schweißen verbunden ist.

5. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schwenkbare Teil (3) mit dem Verstellglied (4) form- und/oder reibschlüssig verbunden ist.

6. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell­ glied (4) asymmetrisch im Bereich der größten Schaufeldicke angeordnet ist, der äußeren Profilbe­ grenzungslinie zugekehrt, von der ausgehend das schwenkbare Teil (3) verschwenkt wird.

7. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell­ glied etwa hälftig - bezogen auf den Durchmesser - ausgespart ist, um das elastische Band (6) aufzunehmen.

8. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (1) an ihrem Verstellglied (4) einseitig aufgehängt bzw. gelagert ist.

9. Leitschaufelkranz nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hängelager (11) im Außenring (10) des Gehäuses angeordnet ist.

10. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Band (6) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff besteht.