DE4102188A1 - Einrichtung zur verstellung der leitschaufeln einer turbine eines gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

An einem Turbinengehäuse anzuordnende Verstelleinrichtungen für Leit­ schaufeln sind im Hinblick auf variable Betriebszustände, z. B. in­ stationäre Betriebszustände, verhältnismäßig ausgeprägten thermisch bedingten Differenzbelastungen ausgesetzt, die im Interesse einer exakten Schaufelverstellung im allgemeinen einen vergleichsweise hohen Bau-, Kosten- sowie Kraftaufwand (Verstellung) erzwingen; um auf­ tretende Wärmedehnungen im Verstellsystem zu kompensieren, müssen u. a. verhältnismäßig große Bauteilspiele oder Wärmeelastizitäten vorgesehen werden, die Ungenauigkeiten bei der Schaufelverstellung mit dement­ sprechenden Wirkungsgradeinbußen im Rahmen des aero-thermodynamischen Kreisprozesses nach sich ziehen.

Um eine exakte Einstellung der Leitschaufeln unabhängig von den durch unterschiedliche Betriebszustände hervorgerufenen Temperatur­ schwankungen gewährleisten zu wollen, ist es vorrangig bei einer aus der DE-PS 36 23 001 bekannten Vorrichtung vorgesehen, den Trag- bzw. Trägerring wärmedämmend über mehrere am Umfang verteilte Verbin­ dungslaschen mit dem Turbinengehäuse zu verbinden; die Laschen sind dabei unmittelbar seitlich über einen Ringflansch mit Gehäuse­ strukturen der Turbine verbunden sowie in Axialrichtung radial ober­ halb sowie in unmittelbarer Nachbarschaft des Turbinengehäuses ange­ ordnet; dabei sind ferner die Laschen radialelastische Zentriermittel des auf diesen aufsitzenden Tragringes; es ist der Tragring über die Laschen also noch nicht unerheblichen thermischen Einflüssen, insbe­ sondere in Radialrichtung auftretenden thermischen Differenz­ dehnungen, des Gehäuses ausgesetzt; im bekannten Fall ist der Tragring ein oben offener U-förmiger Ring, an dem der Verstellring aus­ schließlich radial, mittels Rollen im Tragring, in Umfangsrichtung verdrehbar gelagert ist. Die Rollen axial/radial umgreifende Schultern des Verstellringes sollen dessen genaue Führung gewährleisten; hieraus dürften noch vergleichsweise große Reib- und Verstellkräfte resultie­ ren. Außerdem erfordert die genannte bekannte Einrichtung eine ver­ gleichsweise große radiale Einbauhöhe, die oftmals, insbesondere bei Turbotriebwerken nicht zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die praktisch frei von thermischen Einflüssen des Turbinengehäuses ist und eine genaue Schau­ felverstellung mit vergleichsweise geringen Verstellkräften bei zugleich kompakter Bauweise des Verstell- und Tragsystems ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung schafft eine gewichtlich leichte, mit verhältnismäßig geringer Einbauhöhe sowie reibungsarm und geringen Verstellkräften betätigbare Schaufelverstelleinrichtung; sie ist zwischen Turbinenge­ häuse und Außengehäuse angeordnet und praktisch keinen unmittelbaren und extrem hohen Temperatureinflüssen und damit einhergehenden Diffe­ renzdehnungen des Turbinengehäuses ausgesetzt; der Verstellring und im wesentlichen auch der Tragring sind praktisch "frei" im Raum zwischen Turbinengehäuse und Außengehäuse angeordnet. Die die Kugeln enthalten­ de Drehlagerung stellt eine Kombination aus Radial- und Axiallagerung dar. Im Hinblick auf zu überbrückende Temperaturgradienten im Gehäuse­ raum, vom im Betrieb unterschiedlich heißen Turbinengehäuse zum ver­ hältnismäßig kühlen Außengehäuse hin, ist es vorteilhaft, daß der Tragring zentrisch sphärisch an den Speichen gelagert ist und diese Lagerung so ausgebildet ist, daß der Tragring relativ zu den be­ treffenden Achsen der Speichen radial verformbar ist. Es können min­ destens drei gleichförmig über dem Umfang verteilte Speichen vorge­ sehen sein; die Speichen könnten erfindungsgemäß auch als Zapfen oder Bolzen umschrieben werden. Die am Drehlager - jeweils in Umfangsrich­ tung zwischen den Kugeln - sich erstreckenden Räume stellen sogenannte "Federräume" dar, an denen der Tragring im Hinblick auf seine ela­ stische Verformbarkeit nach innen durchfedern kann. Die radiale Bau­ höhe des Tragringes definiert die Elastizität der Vorspannung; diese ist so gewählt, daß bei allen auftretende Temperaturen die Kugeln mit einer vorgegebenen Kraft verspannt sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Patentansprüche 2 bis 10. Anhand der Zeichnungen ist die Er­ findung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die zwischen dem Außengehäuse und dem Gehäuse einer zwei­ stufigen Turbine angeordnete Einrichtung zur Verstellung der jeweiligen Leitschaufeln dieser beiden Stufen, als teilweise abgebrochener Mittellängsschnitt dargestellt,

Fig. 2 die auf wesentliche Turbinenbauteile zeichnerisch einge­ schränkte Turbine nach Fig. 1, hier jedoch unter Zuordnung einer am Außengehäuse angeordneten Antriebswelle in Verbindung mit der Verstelleinrichtung,

Fig. 3 eine örtlich aufgebrochen dargestellte Gesamtumfangsansicht der Einrichtung mit Außengehäuse gemäß Blickrichtung x der Fig. 1 - hier ohne weitere Turbineneinzelheiten und

Fig. 4 aus Fig. 3 vergrößert wiedergegebene Details einer Speichen­ aufhängung nebst Tragringzentriermittel und einer Speiche in Umfangsrichtung benachbarter Kugeln der Drehlagerung nebst zugehörigem Lagerkäfig.

Fig. 1 zeigt die Einrichtung zur Verstellung der Leitschaufeln 1 bzw. 2 der ersten bzw. zweiten Stufe einer Turbine eines Gasturbinentrieb­ werks; dabei ist außerhalb des inneren Turbinengehäuses 3 ein Ver­ stellring 4 über Verstellhebel 5, 6 mit den Leitschaufeln 1, 2 gekoppelt und an einem Tragring 7 in Umfangsrichtung verdrehbar gelagert, der an mehreren über dem Umfang verteilten Stellen thermisch kompatibel zent­ riert ist; dabei ist ferner der Tragring 7 in radialer Richtung ela­ stisch verformbar ausgebildet, an mit dem Außengehäuse 8 der Turbine verbundenen Speichen 9 radial beweglich aufgehängt und zentriert, so­ wie über eine Kugeln 10 enthaltene Drehlagerung des Verstellringes 4 unter Vorspannung mit letzterem verbunden. Gemäß Fig. 1 und 4 soll der Tragring 7 an sphärischen Lagerstellen 11 in Längsrichtung der Spei­ chen 9 beweglich aufgehängt sein. In detaillierter Ausführung dieses zuletzt genannten Merkmals ist es vorgesehen, daß die Speichen 9 ra­ dial nach innen vorstehend sowie gleichförmig über dem Umfang verteilt am Außengehäuse 8 fest angeordnet sind (Fig. 3) und längs zapfen­ artiger Abschnitte 12 (Fig. 4) bewegliche Muffen 13 mit kugelartigen oder balligen Oberflächen aufweisen, die in entsprechend gewölbte Aus­ sparungen des Tragringes 7 mit Spiel eingreifen. Die spärische Lagerung (Muffen 13) läßt notwendige Bewegungen des Tragrings 7 um die Speiche bzw. Speichen 9 in allen Richtungen zu unter Gewährleistung eines gleichzeitigen radialen Schiebesitzes auf den Speichen 9 in deren jeweiliger Längsrichtung.

Über den Umfang gesehen, sind die Kugeln 10 der Drehlagerung jeweils in Nachbarschaft der Speichen 9 angeordnet; sie können aber auch, in Umfangsrichtung, jeweils zwischen den Speichen 9 angeordnet sein.

Wie insbesondere deutlich aus Fig. 4 erkennbar, sollen die Kugeln 10 der Drehlagerung an einem Lagerkäfig 14 angeordnet bzw. gehalten sein; dieser kann vorzugsweise in Umfangsrichtung beliebig zwischen beiden Ringen 4, 7 verdrehbar angeordnet sein; eine umfängliche Drehbewegung des Käfigs 14 kann durch Anschläge begrenzt werden.

Vorteilhaft können die Kugeln 10 der Drehlagerung aus einem in­ genieur-keramischen Werkstoff gefertigt sein, der insbesondere tempe­ ratur- und abriebbeständig sowie masse- und wärmeleitarm ausgebildet ist; als ein hierfür geeigneter Werkstoff erweist sich z. B. heißge­ preßtes Siliziumnitrid (SSN). Im Hinblick auf verhältnismäßig niedrige Temperaturen können die Kugeln 10 aber auch z. B. aus einem bei Wälz­ lagern üblichen Stahl gefertigt sein.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, kann die Verstelleinrichtung für die Leit­ schaufeln 1 bzw. 2 über eine motorisch angetriebene Welle 15 erfolgen, die hier in Strukturbauteilen des Außengehäuses 8 sich in Längsrich­ tung erstreckend verdrehbar gelagert ist; dabei greift eine an einem Fortsatz 16 der Welle befindliche Rolle 17 in die nach oben offene Ausnehmung einer Gabel 18 ein, die fest mit dem Verstellring 4 ver­ bunden ist; aus einer über die Welle 15 eingeleiteten Verstellkraft resultiert somit eine achskonzentrische Verstellbewegung des Ver­ stellringes 4, die über die Verstellhebel 5 bzw. 6 in die ent­ sprechende Anstellwinkel-Verstellung der Leitschaufeln 1 bzw. 2 umge­ setzt wird. An beiden Endseiten weist der Verstellring 4 gleichförmig in Umfangsrichtung beabstandete axiale Buchsen 19, 20 auf, in denen die einen Enden 21, 22 der Verstellhebel 5, 6 räumlich mitnahmebeweglich eingreifen; die übrigen Enden der Verstellhebel 5, 6 sind mit den hier oberen Enden der betreffenden Drehzapfen 23, 24 der Leitschaufeln 1, 2 verbunden, die in Gehäusebüchsen 25, 26 gelagert sind. An den beiden Laufradscheiben 27, 28 befindliche Laufschaufeln der beiden Tur­ binenstufen sind mit 29 und 30 bezeichnet (Fig. 1).

Die Übertragung der Drehbewegung der Verstellwelle 15 auf den Ver­ stellring 4 kann auch an Stelle der Rolle 17 und der Gabel 18 durch einen jeweils in 15 und 4 gelagerten Hebel oder durch ein Zahnradseg­ ment auf den Teilen 15 und 4 erfolgen.

Sofern nicht bereits beansprucht, sind die gezeichneten und/oder zuvor beschriebenen Merkmale der Einrichtung ebenfalls Bestandteil der Er­ findung.

Gemäß Fig. 1 und 2 kann das Außengehäuse entlang der Außenseite vor­ teilhaft mit einer thermischen Isolierung 31 ausgestattet sein.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Verstellung der Leitschaufeln einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks, bei der außerhalb des Turbinengehäuses ein Verstellring über Verstellhebel mit den Leitschaufeln gekoppelt und an einem Tragring in Umfangsrichtung verdrehbar gelagert ist, der an mehreren über dem Umfang verteilten Stellen thermisch kompatibel zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (7)

• - in radialer Richtung elastisch verformbar ausgebildet ist,
• - an mit dem Außengehäuse (8) der Turbine verbundenen Speichen (9) beweglich aufgehängt und zentriert ist,
• - über eine Kugeln (10) enthaltene Drehlagerung des Verstellringes (4) unter Vorspannung mit letzterem verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trag­ ring (7) an sphärischen Lagerstellen (11) in Längsrichtung der Speichen (9) beweglich aufgehängt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (9) radial nach innen vorstehend sowie gleichförmig über dem Umfang verteilt am Außengehäuse (8) fest angeordnet sind und längs zapfenartiger Abschnitte (12) bewegliche Muffen (13) mit ku­ gelartigen oder balligen Oberflächen aufweisen, die in entsprechend gewölbte Aussparungen des Tragringes mit Spiel eingreifen.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (7) der Drehlagerung jeweils in Nachbarschaft der Speichen (9) oder zwischen diesen angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trag­ ring (7) nur über die Kugeln (10) der Drehlagerung am Verstellring (4) aufliegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) der Drehlagerung an einem Lagerkäfig (14) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lager­ käfig (14) in Umfangsrichtung beliebig oder, durch Anschläge begrenzt, verdrehbar angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) der Drehlagerung aus einem in­ genieur-keramischen Werkstoff gefertigt sind, der insbesondere temperatur- und abriebbeständig sowie masse- und wärmeleitarm ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in­ genieur-keramische Werkstoff heißgepreßtes Siliziumnitrid (SSN) ist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (8) an der Außenseite eine thermische Isolierung (31) aufweist.