DE4102188C2 - Leitschaufel-Verstelleinrichtung einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel-Verstelleinrichtung 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, ausgeprägten thermisch bedingten Differenzbelastungen ausgesetzt, die im Interesse einer exakten Schaufelverstellung im allgemeinen einen 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.

Gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geht die Erfindung von einer aus der US-PS 4,130,975 bekannten Verstelleinrichtung aus. Gemäß Fig. 2 und 3 der US-PS 4,130,375 sind von Sockeln des inneren Turbinengehäuses radial nach außen vorstehende Zapfen vorgesehen; diese sollen in einen inneren Umfangsschlitz eines Tragringes eingreifen, um den Tragring in axialer Richtung zu positionieren; ferner soll der Umfangsschlitz im Tragring tiefer als die Baulänge der Zapfen ausgeführt sein, um radiale Dehnungen des Turbinengehäuses aufzunehmen; dabei ist u. a. der Tragring als formsteifes Bauteil zu verstehen; er soll bei radialer Dehnungen oder Zusammenziehung des Turbinengehäuses keiner Verbiegung ausgesetzt sein; mittels auf seiner Innenseite angeordneter Rollen soll der Verstellring radial außen am Umfang des Tragringes verdrehbar angeordnet sein; dabei sollen die Rollen in eine umfangsseitige Führungsbahn des Tragringes eingreifen; ferner sieht der bekannte Fall jeder einzelnen Schaufel (Fig. 5) zuzuordnende, unter radial-elastischer Federabstützung arbeitende Verstellglieder (Fig. 2) vor, die über Arme (Fig. 3) und Lenker mit dem Verstellring gekoppelt sind.

Im bekannten Fall liegt keine "Speichenzentrierung" vor; eine offensichtlich von der Zapfen/Schlitzverbindung (Tragring/Gehäuse) gesonderte Umfangssicherung des Tragringes ist gegenständlich nicht offenbart; es soll eine relative gegenseitige Bewegung zwischen dem Tragring und dem Verstellring dann verhindert werden, sobald die gewünschte Position des Verstellringes erreicht ist; der Tragring ist nicht in radialer Richtung elastisch verformbar ausgebildet und angeordnet; eine praktisch spielfreie Lagerung zwischen dem Tragring und dem Verstellring ist im bekannten Fall weder beabsichtigt, noch erzielbar, es besteht vielmehr die Gefahr, daß die Wälzkörper (Rollen) axial "anlaufen" oder gar am betreffenden Bord (Führungsbahn) "hochlaufen" wollen und verklemmen; ein "Hämmern" der Wälzkörper mit hierdurch erhöhtem Verschleiß-Risiko ist aufgrund genannter Anordnung mit Spiel nicht auszuschließen; es liegt also keine "spielfrei" vorgespannte Anordnung zwischen dem Tragring und dem Verstellring vor; bezüglich der Anordnung am im Betrieb heißen und - lastabhängig - verhältnismäßig ausgeprägten Differenzdehnungen ausgesetzten Gehäuse, innen, als Träger der Leitschaufeln, erzwingt der bekannte Fall erhebliche Bauteilspiele, insbesondere zwischen den formsteifen Ringen, bzw. besondere Kompensations-Techniken in Form der unter radial-elastischer Federabstützung arbeitenden Verstellglieder, die zudem baulich radial weit ausladend, kompliziert und kostenaufwendig sind.

Die DE-OS 20 20 859 behandelt einen verstellbaren Leitapparat für Turbomaschinen, bei dem ein Zahnring für die Schaufelverstellung zugleich Wälzlagerring unter Verwendung von Kugeln für die umfangsseitige Drehlagerung ist.

Aus der US-PS 2,933,234 ist es für sich bekannt, bei einer Einrichtung zur Verstellung der Leitschaufeln einer Turbomaschine, z. B. am Verdichter, eine gegenseitig räumlich bewegungs-kompensatorische Gelenk-Verbindung zwischen quer zur Maschinenachse angeordneten Verstell-Bändern (Kastenprofilen) und Hebelarmen für die Schaufelverstellung vorzusehen; dabei soll jeweils eine kugelartige Muffe längs eines Zapfens eines Armes beweglich geführt sein und in eine Aufnahme, innerhalb des Verstell-Bandes, räumlich beweglich eingreifen.

Aus der DE-PS 37 34 386 ist bei einer Verstelleinrichtung für den Abgasdurchsatz der Turbine eines Turboladers für sich bekannt, einen Mitnehmerring mittels Kugeln aus Keramik auf einem Gehäusering zu lagern.

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 unter gleichzeitiger Gewährleistung eines radialen Schiebesitzes auf den Speichen in deren Längsrichtung. Es können mindestens drei gleichförmig über dem Umfang verteilte Speichen vorgesehen sein; die Speichen könnten auch als Zapfen oder Bolzen umschrieben werden. Die am Drehlager - jeweils in Umfangsrichtung zwischen den Kugeln - sich erstreckenden Räume stellen sogenannte "Federräume" dar, an denen der Tragring im Hinblick auf seine elastische Verformbarkeit eine von seiner Kreisform abweichende "Polygonform" annehmen kann. Die radiale Bauhöhe des Tragringes definiert die Elastizität der Vorspannung; diese ist so gewählt, daß bei allen auftretende Temperaturen die Kugeln mit einer vorgegebenen Mindestkraft verspannt sind. Mithin liegt eine vorgespannte, stets spielfreie Drehlagerung vor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Patentansprüche 2 bis 7. Anhand der Zeichnungen ist die Er­ findung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

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 beweglich aufgehängt und zentriert ist; die Verstelleinrichtung ist in einem zwischen dem inneren Turbinengehäuse 3 und dem Außengehäuse 8 ausgebildeten Raum angeordnet. An mit dem Außengehäuse 8 der Turbine verbundenen radialen Gehäusespeichen 9 die in den angegebenen Raum hineinragen, ist der Tragring 7 längs der Gehäusespeichen 9 beweglich geführt und in Achs- und Umfangsrichtung zentriert, sowie über eine Kugel 10 enthaltene Drehlagerung des Verstellringes 4 unter Vorspannung mit letzterem verbunden. Gemäß Fig. 1 und 4 soll der Tragring 7 an sphärischen Lagerstellen 11 und in Längsrichtung der Gehäusespeichen 9 beweglich aufgehängt sein. In detaillierter Ausführung dieses zuletzt genannten Merkmals ist es vorgesehen, daß die Gehäusespeichen 9 radial nach innen vorstehend sowie gleichmäßig über dem Umfang verteilt am Außengehäuse 8 fest angeordnet sind (Fig. 3) und längs zapfenartiger Abschnitte 12 (Fig. 4) bewegliche Muffen 13 mit kugelartigen oder balligen Oberflächen aufweisen, die in entsprechend gewölbte Aussparungen des Tragringes 7 beweglich eingreifen. An Umfangsstellen zwischen den Kugeln 10 der Drehlagerung - eingangs als sogenannte "Federräume" umschrieben - ist der Tragring 7 in radialer Richtung elastisch verformbar. Die sphärische Lagerung (Muffen 13) läßt notwendige Bewegungen des Tragrings 7 um die Gehäusespeichen 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; alternativ kann eine umfängliche Drehbewegung des Käfigs 14 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 Verstellung der Leitschaufeln 1 bzw. 2 über eine motorisch angetriebene Welle 15 erfolgen, die in axialer Anordnung in Strukturbauteilen des Außengehäuses 8 drehbar 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 verbunden ist; aus einer über die Welle 15 eingeleiteten Verstellkraft resultiert somit eine achskonzentrische Drehbewegung des Verstellringes 4, die über die Verstellhebel 5 bzw. 6 in die entsprechende Anstellwinkel-Verstellung der Leitschaufeln 1 bzw. 2 umgesetzt wird. An beiden Endseiten weist der Verstellring 4 gleichförmig in Umfangsrichtung beabstandete axiale Buchsen 19, 20 auf, in die 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 Turbinenstufen sind mit 29 und 30 bezeichnet (Fig. 1).

An Stelle der Rolle 17 und der Gabel 18 kann die Verstellkraft von der Welle 15 auf den Verstellring 4 aber auch durch einen Hebel oder ein Zahnradsegment übertragen werden.

Gemäß Fig. 1 und 2 kann das Außengehäuse 8 entlang der Außenseite vor­ teilhaft mit einer thermischen Isolierung 31 ausgestattet sein.

Claims (7)

1. Leitschaufel-Verstelleinrichtung einer Turbine eines Gasturbinentriebwerks, bei der die am Turbinengehäuse (3) verstellbar gelagerten Leitschaufeln (1; 2) radial außerhalb des Turbinengehäuses (3) über Verstellhebel (5; 6) mit einem Verstellring (4) schwenkbar gekoppelt sind, der sich über eine Wälzkörper (10) enthaltende Drehlagerung in Umfangsrichtung verdrehbar an einem Tragring (7) abstützt, der an gleichmäßig über dem Umfang verteilten radialen Gehäusespeichen (9) beweglich aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Verstelleinrichtung in einem zwischen dem Turbinengehäuse (3) und einem Außengehäuse (8) ausgebildeten Raum angeordnet ist, in den die am Außengehäuse (8) angeordneten Gehäusespeichen (9) hineinragen;
• - der Tragring (7) längs der radialen Gehäusespeichen (9) beweglich geführt und an den Gehäusespeichen (9) in Achs- und Umfangsrichtung zentriert ist;
• - die Gehäusespeichen (9) längs zapfenartiger Abschnitte (12) bewegliche Muffen (13) mit kugelartigen oder balligen Oberflächen aufweisen, an die der Tragring (7) mit entsprechend gewölbten Aussparungen beweglich angreift, wobei der Tragring (7) am Umfang, zwischen den Wälzkörper, in radialer Richtung elastisch verformbar ist;
• - die Wälzkörper (10) Kugeln sind, über die der Tragring (7) unter Vorspannung mit dem Verstellring (4) in Verbindung steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) der Drehlagerung jeweils in Nachbarschaft der Speichen (9) oder zwischen diesen angeordnet sind.

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

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (14) in Umfangsrichtung verdrehbar angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (14) in Umfangsrichtung, durch Anschläge begrenzt, verdrehbar angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) der Drehlagerung aus einem ingenieur-keramischen Werkstoff gefertigt sind, der temperatur- und abriebbeständig sowie masse- und wärmeleitarm ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ingenieur-keramische Werkstoff heißgepreßtes Siliziumnitrid (SSN) ist.