DE4216033A1 - Leitschaufel-verstellvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für Leit­ schaufeln einer Gasturbine mit einem das Turbinengehäuse im wesentlichen umfassenden Einstellring, der insbeson­ dere über Hebel mit den verstellbaren Leitschaufeln ver­ bunden ist. Die EP-B-02 35 073 zeigt beispielsweise eine derartige Verstellvorrichtung.

Üblicherweise werden die Einstellringe für verstellbare Leitschaufeln direkt gleitend auf dem Turbinengehäuse gelagert. Dieses Turbinengehäuse nimmt jedoch bei Betrieb der Gasturbine die unterschiedlichsten Temperaturen an und erfährt somit auch verschiedenartige Wärmedehnungen. Auch der auf dem Turbinengehäuse gelagerte Einstellring wird während des Betriebs der Gasturbine erwärmt und dehnt sich somit entsprechend aus bzw. verformt sich entsprechend seinem spezifischen Wärmeausdehnungsverhal­ ten. Da die Abmessungen, insbesondere die Materialdicken, sowie die für die einzelnen Bauteile zum Einsatz kommenden Materialien unterschiedlich sind, ist die Wärmedehnung der Einstellringe verschiedenartig von derjenigen des Turbinengehäuses. Somit ist es nicht möglich, das radiale Spiel der Einstellringe gegenüber dem Turbinengehäuse über alle Betriebszustände einer Gasturbine konstant zu halten. Hieraus können sich somit Ungenauigkeiten in der Schaufeleinstellung ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen aufzuzei­ gen, mit Hilfe derer Ungenauigkeiten in der Leitschau­ feleinstellung, die sich aus unterschiedlichen Wärmedeh­ nungen des Einstellringes sowie des Turbinengehäuses er­ geben können, vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Ein­ stellring auf einem das Turbinengehäuse im wesentlichen umfassenden Gleitring gelagert ist, der sich über zur ra­ dialen Richtung geneigt verlaufende Speichen am Turbinen­ gehäuse abstützt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird der Einstellring in radialer Rich­ tung nicht mehr am Turbinengehäuse gelagert bzw. zen­ triert, sondern an einem separaten Gleitring, der über geneigt verlaufende Speichen am Gehäuse befestigt ist. Die geneigte Anordnung der Speichen bewirkt, daß bei einer thermischen Ausdehnung des Turbinengehäuses der Gleitring im wesentlichen um die Gehäuselängsachse ge­ dreht wird, ohne daß nennenswerte Kraftkomponenten in ra­ dialer Richtung eine Verformung dieses Gleitringes bewir­ ken können. Dieser Effekt kann umso mehr genutzt werden, je länger die einzelnen Speichen sind und je stärker sie gegenüber der radialen Richtung geneigt sind, wie aus einer Betrachtung eines Querschnittes durch ein erfin­ dungsgemäßes Turbinengehäuse klar ersichtlich wird. Da der Einstellring drehbar auf dem Gleitring gelagert ist, beeinflußt eine derartige, durch die Wärmedehnung des Turbinengehäuses hervorgerufene Verdrehung des Gleitrin­ ges die Position des Einstellringes nicht, so daß sich auch keine Auswirkungen auf die Leitschaufeleinstellung ergeben.

Um Relativbewegungen zwischen den Speichen und dem Gleitring bzw. dem Turbinengehäuse zu ermöglichen, können die Speichen in den Befestigungspunkten geringfügig bie­ geweich ausgebildet sein. Diese biegeweichen Stellen wir­ ken somit als Gelenke. Diese Biegestellen an den Spei­ chenenden können einen geringeren Querschnitt als die Speiche selbst aufweisen, um eine Knickung der Speichen auszuschließen, eine ausreichende Biegeweichheit zu ge­ währleisten und eine Verformung des Gleitringes zu ver­ hindern. Die Speichen können aber auch mit echten Gelen­ ken am Gehäuse einerseits und am Gleitring andererseits befestigt werden.

Weiter minimiert werden können störende Einflüsse, die sich aus verschiedenartigen thermischen Ausdehnungen er­ geben könnten, wenn das thermische Ausdehnverhalten des Gleitringes ähnlich ist demjenigen des Einstellringes. Bei Betrieb der Gasturbine wird sich selbstverständlich auch der erfindungsgemäß angeordnete Gleitring zumindest geringfügig thermisch ausdehnen. Eine derartige geringfü­ gige Ausdehnung ist jedoch unproblematisch, wenn sich der Einstellring in der gleichen Weise ausdehnt, da sich dann neben der thermischen Verformung des Einstellringes keine zusätzliche durch die Verformung des Gleitringes hervor­ gerufene Verformung des Einstellringes ergeben kann. Ins­ besondere wird ein vergleichbares thermisches Ausdeh­ nungsverhalten dadurch erzielt, daß der Einstellring und der Gleitring aus einem gleichartigen Werkstoff gefertigt sind und im wesentlichen die gleiche Bauteildicke be­ sitzen. Selbstverständlich muß der Gleitring eine ausrei­ chende Steifigkeit besitzen, um den Einstellring tragen zu können, jedoch wird diese Anforderung bei vergleichba­ rer Bauteildicke sowie einem im wesentlichen gleicharti­ gen Werkstoff praktisch von selbst erfüllt.

Es empfiehlt sich, die Speichenlänge auch deshalb mög­ lichst groß zu wählen, um den Wärmetransport vom Turbi­ nengehäuse über die Speichen in den Gleitring zu minimie­ ren. Eine minimierte Wärmeleitung und somit eine redu­ zierte Wärmedehnung des Gleitringes sowie des Einstell­ ringes setzen mögliche Ungenauigkeiten der Schaufelein­ stellung noch weiter herab. Um die Wärmeleitung zwischen dem Turbinengehäuse sowie dem Gleitring zu minimieren, können die Speichen oder die Speichenbefestigungselemente zusätzlich eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, d. h. aus einem anderen Werkstoff mit niedrigerer Wärmelei­ tung gefertigt sein. Insbesondere können Kunststoffschei­ ben beispielsweise zwischen das Gehäuse und die Speichen gelegt werden, wobei diese Scheiben gleichzeitig als Zen­ trierungsscheiben wirken können, um Fertigungstoleranzen auszugleichen.

Dies sowie weitere Vorteile der Erfindung werden auch aus den im folgenden erläuterten Ausschnittsskizzen eines be­ vorzugten Ausführungsbeispieles ersichtlich.

Fig. 1 zeigt einen Teil-Längsschnitt durch eine Gasturbinen-Beschaufelung,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt gemäß Pfeil A aus Fig. 1.

Eine Gasturbine besitzt verstellbare Leitschaufeln 1, die um ihre Längsachse 2 drehbar im Turbinengehäuse 3 gela­ gert sind. Betätigt werden diese verstellbaren Leitschaufeln 1 über Hebel 4, die an einem Einstellring 5 befe­ stigt sind. Dieser Einstellring 5 umfaßt das Turbinenge­ häuse 3 und ist um die Turbinen-Längsachse 6 drehbar auf einem Gleitring 7 gelagert. Auch dieser Gleitring 7 um­ faßt das Turbinengehäuse 3 konzentrisch zur Turbinen-Längsachse 6.

Die Lagerung des Einstellringes 5 auf dem Gleitring 7 wird auch aus Fig. 2, in der ein Teil-Querschnitt gemäß Pfeil A aus Fig. 1 dargestellt ist, ersichtlich. Fig. 2 zeigt auch, wie der Gleitring 7 am Turbinengehäuse 3 be­ festigt ist. Hierzu sind Speichen 8 vorgesehen, die am Gleitring 7 befestigt und mit ihrem anderen Ende mit dem Turbinengehäuse 3 verbunden sind, so beispielsweise mit­ tels einer Schraube 9. Die Lagerung des Einstellringes 5 auf dem Gleitring 7 wird aber auch aus Fig. 1 ersicht­ lich. Hierzu werden die Flansche der Buchsen 10, mit Hilfe derer die Hebel 4 am Einstellring 5 befestigt sind, herangezogen. Dabei können - wie in der linken Bildhälfte gezeigt ist - auch zwei Einstellringe 5 nebeneinander auf einem einzigen Gleitring 7 gelagert sein.

Wie bereits eingangs erläutert, ergibt sich mit der ge­ zeigten Lagerung des Einstellringes 5 auf einem separaten Gleitring 7 eine Anordnung, die gewährleistet, daß die Position des Einstellringes 5 und somit auch die Position der Leitschaufeln 1 im wesentlichen unabhängig bleibt von den thermischen Ausdehnungen des Turbinengehäuses 3. Dehnt sich nämlich das Turbinengehäuse 3 aufgrund einer Erwärmung in radialer Richtung - dies ist in Fig. 2 durch die von der Turbinenlängsachse 6 ausgehenden Pfeile 11 dargestellt - aus, so wird der Gleitring 7 über die zur radialen Richtung (Pfeile 11) geneigt angeordneten Spei­ chen 8 im wesentlichen gemäß den Pfeilen 12 um die Turbi­ nenlängsachse 6 gedreht. Der Einstellring 5 wird somit nicht direkt durch die thermischen Ausdehnungen des Tur­ binengehäuses 3 beaufschlagt. Ungenauigkeiten hingegen, die sich dadurch ergeben könnten, daß sich der Gleitring 7 sowie der Einstellring 5 ihrerseits unterschiedlich thermisch ausdehnen, werden dadurch vermieden, daß der Einstellring 5 sowie der Gleitring 7 im wesentlichen das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten zeigen. Dies wird durch den gleichen Ausdehnungskoeffizienten sowie gleiche Aufheizgeschwindigkeit von Einstellring 5 und Gleitring 7 erreicht. Insbesondere können der Gleitring 7 und der Einstellring 5 aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sein und gleiche Bauteildicke besitzen. Damit der Wärmetrans­ port vom Turbinengehäuse 3 über die Speichen 8 in den Gleitring 7 minimiert wird, kann außerdem eine Kunst­ stoffscheibe 13 zwischen das Turbinengehäuse 3 und die Speichen 8 gelegt werden, darüber hinaus können die Spei­ chen 8 aus einem Werkstoff mit geringem Wärmeleitkoeffi­ zienten bestehen. Diese Kunststoffscheibe 13 dient gleichzeitig als Zentrierungsscheibe, um Ferti­ gungstoleranzen auszugleichen. In Summe werden mit diesen Maßnahmen Ungenauigkeiten in der Leitschaufeleinstellung, die sich aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen ergeben könnten, ausgeschlossen bzw. zumindest minimiert. Jedoch können konstruktive Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (7)

1. Verstellvorrichtung für Leitschaufeln einer Gastur­ bine mit einem das Turbinengehäuse (3) im wesentli­ chen umfassenden Einstellring (5), der insbesondere über Hebel (4) mit den verstellbaren Leitschaufeln (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellring (5) auf einem das Turbinengehäuse (3) im wesentlichen umfas­ senden Gleitring (7) gelagert ist, der sich über zur radialen Richtung (Pfeile 11) geneigt verlaufende Speichen (8) am Turbinengehäuse (3) abstützt.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Ausdehn­ verhalten des Gleitringes (7) ähnlich ist demjenigen des Einstellringes (5).

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellring (5) und der Gleitring (7) aus einem bezüglich des thermi­ schen Ausdehnungsverhaltens gleichartigen Werkstoff gefertigt sind und im wesentlichen die gleiche Bau­ teildicke aufweisen.

4. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (8) oder die Speichenbefestigungselemente (9, 13) eine ge­ ringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.

5. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Speichen (8) und dem Turbinengehäuse (3) und/oder zwischen den Speichen (8) und dem Gleitring (7) Kunststoff­ scheiben (13) vorgesehen sind.

6. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche der Speichen (8) gelenkartig biegeweich ausgebildet sind.

7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (8) über Gelenke am Gleitring (7) und am Turbinengehäuse (3) angebunden sind.