DE69622091T2

DE69622091T2 - Statorstufe mit verstellbaren Leitschaufeln

Info

Publication number: DE69622091T2
Application number: DE69622091T
Authority: DE
Inventors: Steven David Lawer
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: GB9511269D0; EP0747574A2; DE69622091D1; US5630701A; EP0747574A3; EP0747574B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Statorstufe mit verstellbaren Leitschaufeln für Axialströmungsmaschinen. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf verstellbare Düsenleitschaufel-Anordnungen zur Benutzung bei Leistungsturbinen bestimmt, die einen Teil eines Gasturbinentriebwerks jener Bauart bilden, die in industriellen Anlagen und im maritimen Umfeld benutzt werden, beispielsweise zum Antrieb von Schiffen.
Die Erfindung könnte auch in Gasturbinentriebwerken benutzt werden, die Flugzeuge antreiben, obgleich hier Begrenzungen hinsichtlich Gewicht und Raum gegeben sind.
Wegen der Notwendigkeit einer optimierten Arbeitsweise von Netzleistungsturbinen in Gasturbinentriebwerken sollte eine Düsenleitschaufel-Stufe, die das Arbeitsmittel auf die Rotorlaufschaufeln der Netzleistungsturbine richtet, die Möglichkeit haben, die Düsenfläche zu verstellen. Dies kann erreicht werden, indem die Leitschaufeln gemeinsam um Achsen verstellt werden, die sich bezüglich der Turbine in Radialrichtung erstrecken. Hierdurch kann die Gesamteinschnürungsfläche der Düse zwischen einem maximalen und einem minimalen festgelegten Wert im Normalbetrieb des Triebwerks verändert werden.
In einem Notfall, beispielsweise bei einem Bruch der Turbinenwelle, was zu einer Überdrehzahl der Leistungsturbine führt, ist es äußerst erwünscht, die Möglichkeit zu haben, die Düse im wesentlichen vollständig abzusperren (d. h. niederzufahren). Diese Wirkung verhindert im wesentlichen, daß das Arbeitsmittel auf die Turbinenlaufschaufeln auftrifft, wodurch ein Freilauf durch Drehen der rotierenden Teile der Turbine und ein daraus folgender Schaden infolge übermäßiger eingeführter Zentrifugalbeanspruchungen vermieden wird.
Beim Zusammenbau einer derartigen verstellbaren Düsenleitschaufel-Anordnung ist es lebenswichtig, daß die Leitschaufeln und ihr Betätigungsmechanismus so eingestellt werden, daß bei Verschwenkung der Leitschaufeln zwecks Veränderung des Gesamt-Düsenaustrittsbereichs im Normalbetrieb die richtigen Leitschaufelwinkel gewählt werden, um zu gewährleisten, daß keine Veränderungen im Düsenaustritts-Strömungsbereich in Umfangsrichtung um die Schaufelstufe herum erfolgen, d. h. die Einschnürungsbereiche zwischen benachbarten Leitschaufeln sollten im wesentlichen für sämtliche Leitschaufelpaare identisch sein. Wenn falsche Leitschaufelwinkel gewählt werden, kann sich eine unannehmbare Abweichung von dem erwarteten Leistungsturbinen-Betrieb ergeben oder sogar eine Beschädigung der Turbine, wenn die Leitschaufelwinkel sehr falsch eingestellt sind.
Die GB 1466613 beschreibt einen verstellbaren Leitschaufelaufbau mit einer Stufe von schwenkbar gelagerten stromlinienförmig gestalteten Leitschaufeln. Jede Leitschaufel wird schwenkbar in einem Gehäusering getragen und steht nach innen von dem Gehäusering von einer jeweiligen Öffnung ein. Die Leitschaufeln sind zwischen einer ersten Extremstellung mit einer maximalen Einschnürungsfläche und einer zweiten Extremstellung mit minimaler Einschnürungsfläche verstellbar. Am radial äußeren Ende jeder Leitschaufel sind Antriebsmittel vorgesehen, um eine Schwenkbewegung der Leitschaufeln zu bewirken.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Düsenleitschaufel-Aufbau mit verstellbaren Leitschaufeln zu schaffen, der für eine Axialströmungsturbine geeignet ist, wobei die Verbesserung in strukturellen Merkmalen liegt, die einen genauen Zusammenbau der Verstelldüse in einer Nutzleistungsturbine ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Statorstufe mit verstellbaren Leitschaufeln die folgenden Merkmale auf:
eine Anordnung von schwenkbaren strömlinienförmig gestalteten Leitschaufeln;
einen Gehäusering mit im Umfang angeordneten Ausnehmungen, wobei jede Leitschaufel schwenkbar in dem Gehäusering so abgestützt ist, daß sie von dem Gehäusering durch jeweils eine Ausnehmung hindurchsteht, wobei die Leitschaufeln zwischen einer ersten Extremstellung, die einen maximalen Einschnürungsbereich definiert und einer zweiten Extremstellung verschwenkbar sind, in der die Einschnürungsfläche ein Minimum ist; und
Antriebsmittel an einem radial äußeren Ende einer jeden Schaufel, um eine Schwenkbewegung der Schaufel zu bewirken,
wobei
jede Ausnehmung wenigstens einen Ausschnitt hat, der einen radial verlaufenden Schlitz bildet, und jeder Schlitz auf die Lage der jeweiligen Leitschaufel ausgerichtet ist, was der ersten oder zweiten Extremstellung der Schwenkbewegung entspricht;
jede Leitschaufel und die jeweilige Ausnehmung und der Schlitz so im Hinblick aufeinander ausgebildet und dimensioniert sind, daß jede Schaufel durch die jeweilige Ausnehmung und den Schlitz hindurchtreten kann, wenn die Leitschaufel sich in einer Lage befindet, die der ersten oder zweiten Extremstellung der Schwenkbewegung der Leitschaufel entspricht, und
jedes Antriebsmittel Anschläge aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Antriebsmittels derart angeordnet sind, daß dann, wenn die jeweilige Leitschaufel sich in der ersten oder zweiten Extremstellung ihrer Schwenkbewegung befindet, der Anschlag auf einer Seite eines jeden Antriebsmittels an den Anschlag auf der anderen Seite eines benachbarten Antriebsmittels anschlägt oder diesem dicht gegenübersteht.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jedes Antriebsmittel einen Hebelarm mit einem Zahnsegment auf, der am radial äußeren Ende jeder Leitschaufel befestigt ist. Ein bezüglich der Zahnung angepaßter Ring kämmt mit dem Zahnrand eines jeden Zahnsegmentes, um gleichzeitig die Schwenkbewegung auf jede Leitschaufel über die jeweiligen Zahnsegmente zu übertragen. Wenn während des Zusammenbaus der veränderbaren Düsenleitschaufeln die erste Leitschaufel durch die Öffnung in den Gehäusering eingesetzt wird, erfolgt eine ordnungsgemäße Ausrichtung, weil der Zwischenraum zwischen dem extremen radial äußeren Abschnitt von Leitschaufelprofil und der Öffnung im Gehäusering kleiner ist als eine Zahnteilung der Ringsegmente und des hiermit kämmenden Rings.
Vorzugsweise bestehen die Anschläge aus einer Berührungsfläche an jedem Ende eines jeden Zahnsegmentrandes und einer Berührungsfläche auf der gegenüberliegenden Seite eines jeweiligen Hebelarms, so daß dann, wenn die Leitschaufeln in der oben erwähnten Extremstellung befindlich sind, die Berührungsfläche an einem Ende eines jeden Zahnsegmentrandes die Berührungsfläche auf der Seite des benachbarten Zahnsegment-Hebelarms berührt oder dicht benachbart hierzu zu liegen kommt. Nachdem daher der erste Leitschaufelaufbau eingepaßt ist, der aus einer Leitschaufel mit zugeordnetem Zahnsegment besteht, können nachfolgende Schaufelaufbauten durch die Schlitze nur dann in ihre Endstellung in dem Leitschaufelkranz eingesetzt werden, wenn der richtige Getriebezahn an den Zahnsegmenten und die Zähne des Rings ineinandergreifen, so daß die Installation sämtlicher Leitschaufeln mit genau dem gewünschten gemeinsamen Winkel erfolgt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht des Gehäuses einer gemäß der Erfindung aufgebauten Nutzleistungsturbine;
Fig. 2 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 2 gemäß Fig. 1, und diese Figur zeigt die Vorrichtung zur Verschwenkung der Leitschaufeln.
In den Fig. 1 und 2 ist nur ein kleiner Abschnitt eines Turbinengehäuserings 10 dargestellt. Dieser besitzt in Umfangsrichtung eine Reihe von Ausnehmungen 11. Nur eine der Ausnehmungen 11 ist in Fig. 1 dargestellt, aber in Fig. 2 ist auch eine benachbarte Ausnehmung 11' ersichtlich. Die Ausnehmungen 11 bestehen aus runden Löchern 12, die in das Gehäuse eingebohrt oder auf sonstige Weise eingeschnitten sind, und all diese Löcher sind im gleichen Winkelabstand um die Achse des Gehäuses herum angeordnet, und jedes Loch 12 ist mit ausgeschnittenen Schlitzen 14 auf diametral gegenüberliegenden Seiten versehen, d. h. diese Schlitze sind durch Schleifen oder Fräsen hergestellt, und dadurch wird ein sich diametral erstreckender Schlitz 15 gebildet.
Bei dem Zusammenbau der Turbine können die Leitschaufeln 16 nur dann über das Turbinengehäuse 10 eingesetzt werden, wenn die Vorderränder und die Hinterränder L, T ihrer stromlinienförmigen Arbeitsabschnitte 17 in den Schlitzen 15, d. h. in den Ausschnitten 14 zu liegen kommen und dann die Leitschaufeln radial nach innen gedrückt werden. An ihren äußeren Enden sind die Leitschaufeln 16 mit Achsstummeln S ausgestattet, die nur in der Ansicht gemäß Fig. 2 dargestellt sind, und nachdem die Leitschaufeln voll eingesetzt sind, wird jede Leitschaufel 16 durch ihren Achsstummel S in einen Lager- und Dichtungsaufbau 18 schwenkbar um eine radial verlaufende Schwenkachse A aufgenommen. Dieser Lager- und Dichtungsaufbau 18 schließt auch die aus Loch 12 und Schlitz 15 bestehende Ausnehmung 11 und besitzt ein Gehäuse 19, das mit dem Gehäuse 10 verbolzt ist, um den Aufbau festzulegen.
Die Leitschaufeln und die Schlitze sind zweckentsprechend relativ zueinander gestaltet und dimensioniert. Insbesondere ist jeder Schlitz 15 so ausgerichtet und gestaltet, daß er nur dann das radial äußere Ende eines Stromlinienabschnitts einer Leitschaufel aufnehmen kann, wenn die Leitschaufel in einer Lage präsentiert wird, die wenigstens angenähert jener Lage entspricht, die in einer extremen Stellung der Betriebsschwenkbewegung eingenommen wird. Vorzugsweise ist diese Lage jene, in der zusammen mit den anderen Leitschaufeln die maximal erwünschte Einschnürungsfläche der Stufe der Leitschaufeln 16 eingestellt ist. Jedoch ist es für den Fachmann klar, daß die Lage der Leitschaufel auch jene sein könnte, die sie in der anderen Extremstellung der Schwenkbewegung einnimmt, vorausgesetzt, daß keine schädliche Schwächung des Gehäuserings 10 infolge der Notwendigkeit der Ausrichtung des Schlitzes 15 in Umfangsrichtung oder in einer angenäherten Umfangsrichtung auftritt.
In Fig. 2 ist ein Gleichgangring 20 (eine Vorrichtung, die auf dem Gebiet der Technik allgemein bekannt ist) vorgesehen und so angeschlossen, daß die Leitschaufeln 16 gleichzeitig über Hebelarme 22 in Form von Zahnsegmenten verschwenkt werden. Es ist für jede Leitschaufel ein Zahnsegment 22 vorgesehen, wobei in der Zeichnung nur zwei benachbarte Segmente dargestellt sind.
Nach Vollendung des Einsatzes der ersten Leitschaufel 16 durch den Schlitz 15 in der vorbeschriebenen Weise ist die endgültige Positionierung dieser Leitschaufel - mit einem geringen Spiel beim Eingriff der radial äußeren Vorder- und Hinterkanten L, T des stromlinienförmigen Teils mit den Ausschnitten 14 - dann erreicht, wenn der Zahn 24 des zugeordneten Zahnsegments 22, der bei der dargestellten Anordnung den Vorlaufzahn bildet, wenn die Leitschaufeln 16 aus dem Bereich maximaler Fläche in den Bereich minimaler Fläche verschwenkt werden, beginnt, in den Raum zwischen den Zähnen 26, 28 des Gleichgangrings 20 einzutreten. Eine korrekte Ausrichtung des ersten Leitschaufel-Unteraufbaus in die voll offene Stellung wird dadurch unterstützt, daß das Spiel zwischen dem radial extrem äußeren Teil des Stromlinienteils der Schaufel und den Ausschnitten 14 kleiner ist als eine Zahnteilung der Zähne des Zahnsegmentes 22 und dem Gleichgangring 20.
Außerdem können Getriebezahn-Korrelationsmarkierungen vorgesehen werden, um eine korrekte Installationsposition der Leitschaufel zu sichern.
Um eine einfache und dichte Installation der folgenden Leitschaufeln vornehmen zu können, ist jedes Zahnsegment 22 in spezieller Weise so ausgebildet, daß es in Ansicht betrachtet ein "kurbelartiges" Aussehen hat. Das kurbelartige Aussehen ergibt sich dadurch, daß der Rand R eines jeden Zahnsegmentes 22 mit seinem Mittelteil C durch einen Hebelarm A1, A2 verbunden ist, der einen inneren Armabschnitt A1 aufweist, dessen Längsmittellinie C1 radial bezüglich des gezahnten Randes R verläuft und außerdem einen Armabschnitt A2 besitzt, dessen Längsmittellinie C2 eine von der Radialrichtung abweichende schräge Orientierung gegenüber dem gezahnten Rand besitzt. Ein Ende des Randes R des Zahnsegmentes bildet einen Anschlag oder eine Berührungsfläche 27, während eine gegenüberliegende Seite des äußeren Armabschnitts A2 mit einer Schulter versehen ist, die einen weiteren Anschlag oder eine Berührungsfläche 29 bildet. Der Anschlag 29 wird von dem Anschlag 2T des Randes eines benachbarten Zahnsegments 22' wie folgt erfaßt.
Beim Einsatz einer zweiten nicht dargestellten Leitschaufel durch einen Schlitz 15' benachbart zu dem Schlitz 15, der die erste eingesetzte Leitschaufel 16 aufnimmt, wird eine im wesentlichen richtige Lage der zweiten Leitschaufel anfänglich dadurch erreicht, daß der stromlinienförmige Teil der Leitschaufel im Schlitz zu liegen kommt, wie dies oben für die erste Leitschaufel beschrieben wurde. Wie im Falle der ersten Leitschaufel wird die Endlage erreicht, wenn der Lageraufbau der zweiten Leitschaufel (nicht dargestellt) in dem Loch 12' liegt und darin festgelegt ist. An dieser Stelle liegt der Vorlaufzahn 24' des mit der Leitschaufel verbundenen Zahnsegments 22' zwischen den Zähnen 26', 28' des Gleichgangrings 20. Dadurch wird eine korrekte Positionierung erreicht, ohne daß eine weitere Überprüfung erforderlich ist, wenn der Anschlag 2T an dem Anschlag 29 des zuerst eingefügten Zahnsegments 22 der Leitschaufel anstößt - oder wenigstens unter Berücksichtigung der Herstellungstoleranzen sehr dicht benachbart hierzu zu liegen kommt.
Sämtliche übrigen Leitschaufeln werden nacheinander, wie in Verbindung mit der zweiten Leitschaufel beschrieben, eingefügt, und wenn die letzte Leitschaufel der Stufe zusammen mit den zugeordneten Lagern und dem Zahnsegment eingefügt ist, dann stehen der Anschlag 27 am Randende und der Seitenanschlag 29 dicht beieinander oder greifen aneinander an und werden durch die entsprechenden Teile 29 und 27 des ersten eingesetzten Zahnsegmentes und dem vorletzten Zahnsegment erfaßt.
Die vorstehend beschriebene Erfindung gewährleistet, daß sämtliche Leitschaufeln 16 genau im Winkel ausgerichtet sind und gemeinsam über identische Bogenwerte verdreht werden, so daß eine gemeinsame Einschnürungsfläche zwischen benachbarten Paaren von Leitschaufeln 16 um den Turbinenring herum aufrechterhalten wird.
Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel befaßte sich mit einer einstellbaren Düsenleitschaufel-Anordnung zur Benutzung in Verbindung mit einer Nutzleistungsturbine. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf einstellbare Leitschaufeln, die bei anderen Arten von Turbinen oder in Kompressoren benutzt werden.

Claims

1. Statorstufe mit verstellbaren Leitschaufeln mit den folgenden Merkmalen:

eine Stufe mit schwenkbar gelagerten stromlinienförmig gestalteten Leitschaufeln (16);

ein Gehäusering (10) weist in Umfangrichtung eine Reihe von Ausnehmungen (11) auf und jede Leitschaufel (16) wird schwenkbar im Gehäusering (10) gelagert und steht nach innen vorn Gehäusering (10) aus der jeweiligen Ausnehmung (11) vor, wobei die Leitschaufeln (16) zwischen einer ersten Extremstellung mit maximaler Einschnürungsfläche und einer zweiten Extremstellung mit minimaler Einschnürungsfläche verschwenkbar sind;

Antriebsmittel (22) am radial äußeren Ende einer jeden Leitschaufel (16), welche die Verschwenkung der Leitschaufeln bewirken;

dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausnehmung (11) wenigstens einen Ausschnitt (14) aufweist, durch den ein radial verlaufender Schlitz (15) gebildet wird, and jeder Schlitz (15) ist auf eine Stellung der jeweiligen Leitschaufel (16) ausgerichtet, die der ersten oder der zweiten Extremstellung der Schwenkbewegung entspricht;

jede Leitschaufel (16) und die jeweilige Ausnehmung (11) und der zugeordnete Schlitz (15) sind zueinander derart ausgebildet und dimensioniert, daß jede Leitschaufel (16) durch die jeweilige Ausnehmung (11) und den Schlitz (15) hindurchtreten kann, wenn die Leitschaufel (16) sich in einer Lage befindet, die der ersten oder der zweiten Extremstellung der Schwenkbewegung der Leitschaufel (16) entspricht; und

jedes Antriebsmittel (22) weist Anschläge (27, 29) auf, die auf gegenüberliegenden Seiten des Antriebsmittels (22) derart angeordnet sind, daß dann, wenn die jeweilige Leitschaufel (16) in der ersten oder zweiten Extremstellung ihrer Schwenkbewegung befindlich ist, der Anschlag (27) auf einer Seite der Antriebsmittel (22) gegen den Anschlag (29) auf der anderen Seite eines benachbarten Antriebsmittels (22) anstößt oder in unmittelbarer Nähe hierzu zu liegen kommt.

2. Statorstufe nach Anspruch 1, bei welcher die Antriebsmittel (22) ein Zahnsegment mit einem gezahnten Rand (R) aufweisen, dessen Zähne mit entsprechenden Zähnen eines Gleichgangringes (20) kämmen.

3. Statorstufe nach Anspruch 2, bei welcher das Spiel zwischen den radial äußersten Teilen der Stromlinienabschnitte (17) der Leitschaufeln (16) und den Ausnehmungen (11) in dem Gehäusering (10) kleiner sind als eine Zahnteilung des Zahnsegments (22) und des Gleichgangringes (20).

4. Statorstufe nach den Ansprüchen 2 oder 3, bei welcher die Anschläge (27, 29) eine Kontaktfläche (27) an einem Ende des gezahnten Randes (R) eines jeden Zahnsegmentes (22) und eine Berührungsfläche (29) auf einer gegenüberliegenden Seite eines jeden Segments (22) aufweisen, wodurch dann, wenn die Leitschaufeln (16) sich in der Extremstellung befinden, die Berührungsfläche (27) am Ende eines jeden gezahnten Randes (R) an der Berührungsfläche (29) an der Seite des benachbarten Zahnsegmentes (22) anstößt oder dicht benachbart hierzu zu liegen kommt.

5. Statorstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher jeder Schlitz (15) auf eine Stellung der jeweiligen Leitschaufel (16) ausgerichtet ist, die der maximalen Einschnürungsfläche der Leitschaufeln (16) variabler Einschnürungsfläche entspricht.

6. Statorstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher jede Ausnehmung (11) zwei Ausschnitte (14) aufweist, um einen diametral verlaufenden Schlitz (15) zu bilden.

7. Statorstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der radial verlaufende Schlitz (15) sich im wesentlichen axial zum Gehäusering (10) erstreckt.

8. Statorstufe nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, bei welcher das Zahnsegment (22) einen inneren Abschnitt (A1) und einen äußeren Abschnitt (A2) aufweist, die den Achsstummel (S) und den gezahnten Rand (R) verbinden, wobei die inneren und äußeren Abschnitte (A1, A2) so angeordnet sind, daß sie dem Zahnsegment eine kurbelförmige Gestalt verleihen.

9. Statorstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mehrere Lager- und Dichtungsanordnungen (18) abnehmbar am Gehäusering (10) angeordnet sind und jede Leitschaufel (16) schwenkbar in einer jeweiligen Lager- und Dichtungsanordnung (18) angeordnet ist, wobei jede Lager- und Dichtungsanordnung (18) jeweils eine der Ausnehmungen (11) abdeckt.

10. Turbine mit einer Statorstufe mit verstellbaren Leitschaufeln gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Gasturbinentriebwerk mit einer Statorstufe mit verstellbarem Leitschaufelaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche.