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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine Gasturbine mit einer
Statoranordnung, die einen Durchgangskanal für eine Gasdurchgangsströmung, ein
Umfangselement, das in einem radialen Abstand von der Statoranordnung
angeordnet und wirksam mit der Statoranordnung gekoppelt ist, und wenigstens
ein Element umfasst, das einen Abstand zwischen der Statoranordnung
und dem Umfangselement hält.
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Der
Ausdruck Gasturbine soll eine Einheit bedeuten, die wenigstens eine
Turbine und einen von der Letztgenannten angetriebenen Kompressor
zusammen mit einer Verbrennungskammer umfasst. Gasturbinen werden
beispielsweise als Motoren für Landfahrzeuge
und Luftfahrzeuge, als Hauptantriebe für Wasserfahrzeuge und in Kraftwerken
zur Erzeugung von Elektrizität
verwendet.
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Die
Gasturbine ist von axialem Typ und hat eine oder mehrere Turbinenstufen.
Der Stator umfasst eine Vielzahl von Statorschaufeln, die innerhalb des
Kanals zur Führung
der Gasströmung
angeordnet sind. Die Erfindung wird nachstehend in einer Anwendung
erläutert,
bei der der Stator aus einem so genannten variablen Stator in einer
Gasturbine besteht. Der Ausdruck variabler Stator soll deutlich
machen, dass die Statorschaufeln in verschiedene Positionen eingestellt
werden können.
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Um
einen guten Wirkungsgrad in einer Gasturbine zu erreichen, ist es
wünschenswert,
die Einlasstemperatur zur ersten Turbinenstufe in einem größtmöglichsten
Teil des Betriebsbereichs so hoch wie möglich zu halten. Mittels des
variablen Stators ist es möglich,
den Druckgradienten über
die vorhergehenden Turbinenstufen (die Kompressorturbine) und daher
auch die Einlasstemperatur der Kompressorturbine zu variieren.
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BESCHREIBUNG
DES STAND DER TECHNIK
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In
dem Stand der Technik umfasst der variable Stator eine Anordnung
zur Einstellung der Statorschaufeln in verschiedene Positionen,
siehe z. B.
US 5 215 434 .
Die Einstellanordnung umfasst das Umfangssegment in Form eines Zahnringes.
Der Zahnring ist drehbar konstruiert und kann beispielsweise mittels
eines hydraulischen Servozylinders betätigt werden. Die Einstellanordnung
umfasst außerdem
eine Vielzahl von Einstellelementen, die mit entsprechend ausgebildeten
Zahnabschnitten in einem Abstand voneinander in Umfangsrichtung
des Umfangselements und in Eingriff mit dem Zahnring ausgebildet
sind. Jedes der Einstellelemente ist mit einer der Führungsschaufeln
verbunden und wird durch eine Drehung des Zahnrings gedreht. Auf
diese Weise werden die Schaufeln zwischen den Positionen bewegt.
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Die
Drehfähigkeit
des Zahnrings wird dadurch erreicht, dass der Zahnring auf einem
Innenring gelagert ist. Die Oberfläche des Innenrings, die dem
Zahnring in Radialrichtung des Stators gegenüberliegt, ist mit einer reibungsarmen
Beschichtung versehen. Der Innenring ist außerdem auf einer Vielzahl von
Stiften gelagert, die radial von der Statoranordnung vorstehen.
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Im
Betrieb der Gasturbine erreicht die Staroranordnung eine höhere Temperatur
als der Zahnring, da sich die Statoranordnung im direkten Kontakt mit
dem Arbeitsgas befindet. Das Temperaturdifferential zwischen der
Statoranordnung und dem Zahnring sorgt dafür, dass sich die Statoranordnung
mehr ausdehnt als der Zahnring. Der Großteil der Ausdehnungsdifferenz
wird durch eine Gleitverschiebung zwischen den Stiften und dem Innenring
aufgenommen.
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Probleme
treten bei der Dimensionierung des Spiels zwischen dem Zahnring
und dem Innenring auf. Es besteht außerdem das Risiko, dass die Teile
asymmetrisch erwärmt
werden. Einer der Ringe kann dann eine ovale Form annehmen. Dies
kann das Zahnspiel beeinflussen und dafür sorgen, dass der Zahnring
in seinem Lager festklemmt oder das Lager ein übermäßiges Spiel erhält.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
erstes Ziel der Erfindung besteht darin, einen Stator für eine Gasturbine
herzustellen, der die Probleme, die mit unterschiedlichen Ausmaßen der Wärmeausdehnung
zwischen einer Statoranordnung mit einem Durchgangskanal für eine Gasdurchströmung und
einem Umfangselement, das in einem radialen Abstand von der Statoranordnung
angeordnet ist und wirksam mit der Statoranordnung gekoppelt ist,
in Zusammenhang stehen, beseitigt oder wenigstens vermindert.
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Dieses
Ziel wird dadurch erreicht, dass das Abstandselement elastische
Eigenschaften in der Radialrichtung des Startors aufweist. Dies
bedeutet, dass das Abstandselement sich wenigstens teilweise komprimieren
kann, wenn der Abstand zwischen der Statoranordnung und dem Umfangselement
verringert wird, und sich ausdehnen kann, wenn der Abstand zwischen
der Statoranordnung und dem Umfangselement größer wird. Durch eine geeignete
Materialauswahl und geeignete Dimensionierung ist es möglich, eine
gesteuerte Relativbewegung zwischen diesen Teilen in der Radialrichtung
des Stators zu erzeugen, wodurch wenigstens die oben erwähnten Probleme
mit dem Zahnspiel und dem Lager verringert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Stator wenigstens eine Vielzahl von Abstandselementen, die in
einem Abstand voneinander in der Umfangsrichtung des Umfangselements
angeordnet sind, wobei wenigstens eines von diesen die erwähnten elastischen
Eigenschaften hat. Hierdurch werden die Voraussetzungen für eine stabile
und genaue Bewegung geschaffen. Gemäß einer weiteren Entwicklung
umfasst der Stator wenigstens drei Abstandselemente, die in einem
Abstand voneinander in der Umfangsrichtung des Umfangselements angeordnet
sind, wobei wenigstens eines von diesen die erwähnten elastischen Eigenschaften
aufweist.
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Das
die elastischen Eigenschaften aufweisende Abstandselement umfasst
ein Energiespeicherelement, das am besten aus einem Federelement
besteht.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst das Abstandselement ein Bewegungselement in Form einer Walze
oder eines Rades, die bzw. das für
eine Bewegung in Kontakt mit und entlang einem der Teile, Statoranordnung
und Umfangselement, angeordnet ist. Alle Abstandselemente haben
bevorzugt eine solche Walze. Durch eine geeignete Wahl der Anzahl
der Abstandselemente und des Abstandes zwischen den Abstandselementen
ist es möglich,
eine gewünschte
Relativbewegung zwischen dem Umfangselement und der Statoranordnung
zu erreichen, während
beispielsweise die Walzen gegen das Umfangselement wälzen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform,
die eine weitere Entwicklung der vorstehenden Ausführungsform
ist, ist das Abstandselement so konstruiert, dass das Umfangselement
ex zentrisch bezüglich
der Statoranordnung angeordnet ist, wenn die Statoranordnung sich
nicht unter Last befindet, und im Wesentlichen konzentrisch bezüglich der
Statoranordnung angeordnet ist, wenn die Statoranordnung unter Last
steht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der
Stator drei Abstandselemente umfasst, die jeweils mit den Walzen
versehen sind, und dass eines der Abstandselemente das Federelement
umfasst. Diese Ausführungsform
schafft die Voraussetzungen für
eine sehr genaue Bewegung in die konzentrische Betriebsstellung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Zeichnungen
gezeigten Ausführungsform
näher beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht des Stators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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2 zeigt
eine schematische Stirnansicht des Stators der bevorzugten Ausführungsform
in zwei unterschiedlichen Positionen.
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3 zeigt
einen Mechanismus zur Einstellung der Statorschaufeln.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Stators 1 in einer
Gasturbine. Der Stator 1 umfasst eine Statoranordnung 2 mit
einem Durchgangskanal 3 für eine Gasdurchströmung, siehe
die Pfeile 16. Eine Vielzahl von Statorschaufeln 4 in
dem Kanal sind für
eine Führung
der Gasströmung
ausgelegt, siehe auch 3.
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Der
Stator 1 umfasst eine Anordnung 5 zur Einstellung
der Statorschaufeln 4 in verschiedene Positionen. Die Einstellanordnung 5 umfasst
ein Umfangselement 6 in Form eines Zahnrings. Zur Vereinfachung
wird das Umfangselement 6 nachstehend als Zahnring 6 bezeichnet.
Der Zahnring 6 ist in einem radialen Abstand außerhalb
der Statoranordnung 2 angeordnet. Der Zahnring 6 ist
drehbar konstruiert und wird mittels eines hydraulischen Servozylinders
(nicht gezeigt) betätigt.
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Die
Einstellanordnung 5 umfasst außerdem eine Vielzahl von Einstellelementen 7 mit
Zahnabschnitten, die der Zahnform des Zahnrings 6 entsprechen.
Jedes der Einstellelemente 7 ist an einer der Führungsschaufeln 4 befestigt.
Die Einstellelemente 7 sind in einem Abstand voneinander
in Umfangsrichtung des Zahnrings 6 angeordnet und stehen
mit diesem in Eingriff. Die Einstellelemente 7 werden deshalb
durch eine Drehung des Zahnrings 6 gedreht und die Statorschaufeln 4 werden
hierdurch zwischen den Positionen bewegt.
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Die
Statoranordnung 2 umfasst einen ringförmigen, vorstehenden Abschnitt 8.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht dieser ringförmige
Abschnitt 8 aus einem separaten Teil, das mit dem Rest
der Statoranordung 2 mittels einer Bolzenverbindung 9 verbunden
ist.
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Von
dem ringförmigen
Abschnitt 8 stehen drei Elemente 10, 11, 12 radial
vor, um einen Abstand zwischen der Statoranordnung 2 und
dem Zahnring 6 zu halten, siehe 2. Die Abstandselemente 10 bis 12 sind
bezüglich
zueinander in einer im Wesentlichen gleichen Winkelversetzung angeordnet.
Jedes der Abstandselemente 10 bis 12 umfasst eine
Walze 13, die in Kontakt mit einer radialen Innenfläche des Zahnrings 6 angeordnet
ist, um entlang dieser zu wälzen.
Ein erstes Abstandselement 10 ist zusätzlich mit einem Energiespeicherelement 14 in
Form eines Federelements versehen. Das Energiespeicherelement 14 in
dem ersten Abstandselement 10 ist mit dem Bewegungselement 13 mittels
eines Arms 15 verbunden, auf dem das Bewegungselement 13 gelagert
ist. Der Arm 15 ist seinerseits bezüglich des ringförmigen Abschnitts 8 schwenkbar
gelagert.
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Wenn
das heiße
Gas durch den Kanal der Statoranordnung strömt, wird die Statoranordnung aufgeheizt
und dehnt sich aus. Wenn sich die Statoranordnung 2 abkühlt, nachdem
sie dem Gas ausgesetzt wurde, zieht sich die Statoranordnung wieder zusammen.
Da die Statoranordnung 2 sich in direktem Kontakt mit dem
Gas befindet, dehnt sie sich und zieht sich mehr zusammen, als der
Zahnring. Um dieser Differenz der Wärmeausdehnung abzuhelfen, ist das
Federelement 14 so vorgespannt, dass die Walzen 13 sich
in Kontakt mit der Innenfläche
des Zahnrings 6 befinden, sowohl wenn sich der Stator in
der Betriebsstellung befindet als auch wenn er sich nicht in der
Betriebsstellung befindet. In 2 ist die
Position des ringförmigen
Abschnitts 8, wenn sich der Stator in der Betriebsstellung
befindet, durch die gestrichelten Linien dargestellt, und wenn sich
der Stator nicht in der Betriebsstellung befindet, durch die durchgezogenen
Linien. Das Federelement 14 besteht genauer gesagt, aus
einem Stapel von Federscheiben, die so angeordnet sind, dass sie
in der Radialrichtung des Stators federn. D. h., dass der Zahnring 6 etwas
exzentrisch bezüglich
der Statoranordnung 2 angeordnet ist, wenn sich die Letztgenannte nicht
unter Last befindet, und im Wesentlichen konzentrisch zu der Statoranordnung 2 angeordnet
ist, wenn sich die Letztgenannte unter Last befindet.
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Um
die Versetzung des Zahnrings 6 leicht einstellen zu können, kann
die Position der Walzen 13 einstellbar sein, beispielsweise
mittels einer exzentrischen Welle (nicht gezeigt), deren Position nach
Messung der Exzentrizität
des Zahnrings bestimmt wird, wenn sich der Stator in einem heißen Zustand
befindet.
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3 zeigt
einen Teil der Anordnung 5 zur Einstellung der Statorschaufeln 4.
Genauer gesagt zeigt 3 den Zahnring 6, eines
der Einstellelemente 7 mit Zahnabschnitten, die der Zahnform
des Zahnrings 6 entsprechen, und die Statorschaufel 4, die
an dem Einstellelement 7 befestigt ist.
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Der
Ausdruck elastisch soll hier bedeuten, dass das Energiespeicherelement
elastisch einer Druckbelastung nachgibt und in die ursprüngliche Form
zurückkehrt,
wenn die Druckbelastung reduziert wird.
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Der
Ausdruck Umfang soll einen inneren oder einen äußeren Rand eines Objekt in
einer Ebene bezeichnen. Der Ausdruck darf nicht auf ein kreisförmiges Objekt
begrenzt werden.
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Das
oben beschriebene erste Abstandselement 10 weist elastische
Eigenschaften in der Radialrichtung des Stators 1 auf.
Dies bedeutet natürlich nicht,
dass das Abstandselement 10 darauf beschränkt ist,
elastische Eigenschaften in der Radialrichtung des Stators 1 zu
haben; es kann auch elastische Eigenschaften in den anderen Richtungen
haben.
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Die
Gasturbine kann sowohl vom Einwelltyp als auch vom Doppelwellentyp
sein. Der Ausdruck Einwellen-Gasturbine bedeutet, dass der Kompressor
oder die Kompressoren mit der Antriebsturbine mittels einer Welle
verbunden ist bzw. sind, wobei die Turbine mit einer Ausgangswelle
verbunden ist. Die Verbrennungskammer liegt hier zwischen dem Kompressor
(den Kompressoren) und der Antriebsturbine. Der Ausdruck Doppelwellengasturbine
bedeutet, dass der Kompressor oder die Kompressoren mit einer Kompressorturbine
mittels einer Welle verbunden ist bzw. sind. Die Antriebsturbine
ist nicht mechanisch mit der Kompressorturbine verbunden, sondern
liegt stromabwärts
der Kompressorturbine in Richtung der Strömung des Gases und ist mit
einer Ausgangswelle verbunden. Die Verbrennungskammer ist hier zwischen
dem Kompressor und der Kompressorturbine angeordnet.
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Die
beschriebene Ausführungsform
darf nur als bevorzugtes Beispiel betrachtet werden, und es sind
eine Anzahl anderer Varianten und Modifizierungen innerhalb des
Schutzbereichs der nachstehenden Ansprüche möglich.
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Bei
einer Alternative zu dem Stapel von Federscheiben besteht das Energiespeicherelement aus
einer Schraubenfeder. Gemäß einem
ersten Beispiel ist die Schraubenfeder so angeordnet, dass sich ihre
Mittelachse im Wesentlichen in der Radialrichtung des Stators erstreckt.
Gemäß einem
zweiten Beispiel ist die Schraubenfeder mit ihrer Mittelachse im
Wesentlichen in Axialrichtung des Stators angeordnet. In einem solchen
Fall umfasst das Abstandselement einen Teil, der mit der Feder verbunden
ist und in der Axialrichtung verschiebbar ist. Ein Abschnitt dieses
Teils wirkt mit dem Zahnring so zusammen, dass eine radiale Verschiebung
zwischen dem Zahnring und der Statoranordnung elastisch durch den
Teil in der Richtung der Mittelachse der Feder aufgenommen wird.
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Bei
einer weiteren Alternative besteht das Energiespeicherelement aus
einem Kolben, beispielsweise einem pneumatischen Kolben, in dem das
Arbeitsmedium (die Luft) das Federelement bildet. Bei einer weiteren
Alternative besteht das Energiespeicherelement aus einem Körper aus
elastischem Material, wie z. B. einem Gummimaterial. D. h., dass
bei der letztgenannten Alternative die elastischen Eigenschaften
sich von dem Innenaufbau des Materials ableiten und nicht von der
Form des Energiespeicherelements.
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Bei
einer Alternative zu dem Bewegungselement in Form einer Walze ist
das Element anstatt dessen so konstruiert, dass es sich durch Gleiten
entlang des Zahnringes 6 bewegt. Das Bewegungselement besteht
dann beispielsweise aus einer gekrümmten Schiene.
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Bei
einer Alternative zu dem ringförmigen Abschnitt 8 in
Form eines separaten Teils, das an dem Rest der Statoranordnung
mittels einer Bolzenverbindung 9 verbunden ist, kann der
Ringabschnitt natürlich
aus einem Teil bestehen, das mit dem Rest der Statoranordnung einstückig ist.
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Bei
einer Alternative zu dem Zahneingriff zwischen den Einstellelementen
und dem Umfangselement bestehen die Einstellelemente aus Walzen, die
gegen die Innenfläche
des Umfangselements wälzen.
Bei einer weiteren Alternative ist das Umfangselement mit Nuten
oder Ausnehmungen versehen. Die Nuten oder Ausnehmungen liegen beispielsweise
in einer radial äußeren Fläche des
Umfangselements und im Abstand voneinander in Umfangsrichtung. Die
Nuten erstrecken sich quer zu der Hauptebene des Umfangselements.
Die Einstellelemente bestehen aus einem Arm, der mit einem Ende an
der Statorschaufel befestigt ist, und mit dem anderen Ende in der
Nut anliegt. Der Arm kann beispielsweise einen sphärischen
Teil an seinem anderen Ende haben, wobei die Kugel ihrerseits in
der Nut liegt. Eine Drehung des Umfangselements kann hierdurch außerdem eine
Drehung der Statorschaufeln verursachen.
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Bei
einer Alternative zu der beschriebenen Ausführungsform, bei der nur eines
der Abstandselemente mit einem Federelement versehen ist, sind mehr
als eines von diesen mit einem Federelement versehen. Der Stator
kann beispielsweise vier Abstandselemente umfassen. Zwei von diesen
sind mit Federelementen versehen. Die Abstandselemente sind so angeordnet,
dass die Resultierende der Federelemente in der gleichen Richtung
wirkt, als ob es drei Schenkel gäbe,
von denen einer mit einem Federelement versehen ist.
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Die
Anwendungen der oben beschriebenen Erfindung, bei denen es Unterschiede
in der Wärmeausdehnung
zwischen dem Zahnring und der Statoranordnung gibt, dürfen nicht
als die Erfindung beschränkend
angesehen werden, die Erfindung ist vielmehr auch in anderen Bereichen
anwendbar, in denen ein Umfangselement wirksam mit der Statoranordnung
gekoppelt wird.