EP2233701A1 - Axialturbomaschine mit axial verschiebbarem Leitschaufelträger - Google Patents

Axialturbomaschine mit axial verschiebbarem Leitschaufelträger Download PDF

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EP2233701A1
EP2233701A1 EP09004409A EP09004409A EP2233701A1 EP 2233701 A1 EP2233701 A1 EP 2233701A1 EP 09004409 A EP09004409 A EP 09004409A EP 09004409 A EP09004409 A EP 09004409A EP 2233701 A1 EP2233701 A1 EP 2233701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axial turbomachine
housing
ring
adjusting ring
axial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09004409A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francois Dr. Benkler
Andreas Dr. Böttcher
Uwe Kahlstorf
Torsten Matthias
Dieter Minninger
Oliver Dr. Schneider
Peter Schröder
Vyacheslav Veitsman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2010/053663 priority patent/WO2010108876A1/de
Priority to JP2012501266A priority patent/JP5346118B2/ja
Priority to EP10713598.0A priority patent/EP2411632B1/de
Priority to PL10713598T priority patent/PL2411632T3/pl
Priority to US13/260,406 priority patent/US9057281B2/en
Priority to CN201080013989.XA priority patent/CN102365426B/zh
Publication of EP2233701A1 publication Critical patent/EP2233701A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2230/60—Assembly methods
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    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/314—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being inclined in relation to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/50—Kinematic linkage, i.e. transmission of position

Definitions

  • the invention relates to an axial turbomachine with an axially displaceable vane carrier.
  • radial gaps between blades and the housing lead to significant losses in thermal efficiency.
  • the axial turbomachine is, for example, a gas turbine.
  • the gas turbine When starting and stopping the gas turbine, the radial gaps change over time.
  • the radial gaps change when switching from part load operation to full load operation of the gas turbine.
  • the gas turbine is designed so that the radial gap for the operating case in which the radial gaps are the smallest set, are sufficiently large, so that there is virtually no contact between the blades and the housing. This has the consequence that in continuous operation of the gas turbine unnecessarily large radial gaps must be kept for this operating condition, which is associated with a significant loss of efficiency.
  • the temporal change of the radial gaps is the result of different thermal inertia behavior of the individual components of the gas turbine, in particular the rotor, the blades and the housing.
  • the temporal change of the radial gap causes the centrifugal force expansion, in particular of the blades, a transverse contraction of the rotor, a possible play in the thrust bearing of the rotor, in particular in connection with the reversal of axial thrust under appropriate operating conditions of the gas turbine, a possibly occurring ovalization of the housing due to montage charitableer Preload and uneven heating of the housing.
  • the object of the invention is to provide an axial turbomachine with a high thermal efficiency.
  • the axial turbomachine comprises a blade grid, which is formed by blades, each with a radially outer, free-standing and inclined to the axis of the axial turbomachine blade tip, a housing in which the blade grid is installed and defines the inside of the main flow channel of the axial turbine, and a vane grille sheathing and integrated into the inside of the housing with a radially inner ring inner side, with the inside of the housing of the main flow channel is continued and the vane support immediately adjacent to the blade tips to form a radial gap between the envelope of the blade tips and the ring inside is arranged, wherein the inner ring side is substantially parallel to the blade tip and the Leitschaufelitati in the housing parallel to the axis of the axial turbomachine
  • 29ie Bbar is mounted and has a collar which is supported on the housing and on the vane support on contact surfaces and is rotatable about the axis of the axial turbomachine, wherein the contact surfaces of the adjusting ring and the housing and /
  • the critical operating state with regard to the radial gap during hot start is. If the axial turbomachine is, for example, an axial turbine, then the critical operating state with regard to the radial gaps is the cold start. Until the components of the housing after starting accordingly have warmed through and thermally expanded to a larger diameter, there is a risk that the blades with their blade tips to the housing.
  • the critical phase of operation which can be expected with small radial gaps, is about 5 to 10 minutes.
  • the guide blade carrier provided according to the invention in the axial turbomachine which is axially displaceable by means of the adjusting ring, remedies this problem.
  • the dimension of the radial gap can be adapted to the prevailing operating state of the axial turbomachine for a short time, with the smallest possible radial gap always being sought.
  • the thermal efficiency is high in all operating conditions of the axial turbomachine.
  • the axial turbomachine according to the invention may also additionally comprise a known device for adjusting the radial gaps during operation of the axial turbomachine, so that the conventional device and the actuation of the adjusting ring according to the invention for suitable axial displacement of the guide blade carrier can be operated simultaneously.
  • the conventional device and the actuation of the adjusting ring according to the invention for suitable axial displacement of the guide blade carrier can be operated simultaneously.
  • the vane carrier has a radially outwardly extending, circumferential vane carrier web with an outwardly open annular groove into which an inward radial extends extending, circumferential housing web, wherein in the annular groove between the Leitschaufelanisteg and the housing web of the adjusting ring is arranged.
  • the adjusting ring is preferably located at the bottom of the annular groove, whereby the adjusting ring is mounted radially from the annular groove during rotation. It is preferred that a fixing ring is provided between the adjusting ring and the housing web, which is fastened to the housing web and interacts with the adjusting ring for axial displacement of the guide blade carrier.
  • the fixing ring has on its side facing the adjusting ring a first sawtooth profile and the adjusting ring preferably has on its side facing the fixing ring a second sawtooth profile, the sawtooth profiles meshing with each other and can slide together, that when the collar is axially rotated, the guide vane is moved axially.
  • the sawtooth profiles of the two rings results between the housing bar and the Leitschaufelanisteg an axially modifiable measure.
  • the guide vane carrier is axially displaceable by the actuation of the adjusting ring.
  • the fixing ring is preferably fixed in a form-fitting manner to the housing web.
  • the positive fixing of the fixing ring can, for example, by a radially extending groove which is provided in the housing web and in which engages a correspondingly shaped nose of the fixing ring. As a result, the fixing ring is fixed to the housing web in the circumferential direction.
  • the adjusting ring is mounted on the fixing ring with a roller bearing provided between the sawtooth profiles.
  • a roller bearing provided between the sawtooth profiles.
  • a biasing device is preferably provided, which is supported on the housing and acts on the guide blade carrier web counteracting the adjusting ring, so in that the guide blade carrier web is always pressed against the adjusting ring by the pretensioning device.
  • the biasing means is preferably a coil spring.
  • the ring inner side preferably tapers and preferably the adjusting ring is arranged on the housing web upstream of the ring.
  • the biasing device is preferably arranged on the housing web.
  • FIG. 2 A conventional axial turbomachine 101 is shown.
  • the axial turbomachine 101 has a housing 2 with an inner side 3, with which a main flow channel 4 is defined.
  • a blade ring is arranged which is formed from a plurality of rotor blades 5 arranged distributed over the circumference.
  • Each of the blades 5 faces upstream of a leading edge 6 and downstream of a trailing edge 7. Radially outward, the blade 5 is bounded by a blade tip 8.
  • the main flow channel 4 is in FIG. 2 flows through from left to right in the main flow direction, wherein the main flow channel 4 widens in the main flow direction.
  • the inner side 3 of the housing 2 is arranged inclined relative to the axis 22 of the axial turbomachine 101.
  • a guide blade carrier 10 is provided in the housing 2.
  • the guide blade carrier 10 has the axis 22 of the axial turbomachine 101 facing a ring inner side 11 which extends parallel to the blade tip 8. Between the ring inner side 11 and the blade tip 8, a radial gap 12 is formed.
  • the vane support 10 has a radially outwardly extending vane support web 13, which has an outwardly opening, circumferential annular groove 9.
  • a housing web 14 is provided on the housing 2, which extends radially inward and is circumferential. The vane support 10 is secured to the housing web 14 with attachment means so that the vane support 10 is stationary.
  • FIG. 1 a section of an axial turbomachine according to the invention is shown.
  • the axial turbomachine according to the invention differs from the conventional axial turbomachine 101 as shown in FIG. 2 is shown in that the guide blade carrier 10 is arranged axially displaceably on the housing web 14.
  • the annular groove 9 is formed axially wider, wherein additionally in the annular groove 9 upstream of the housing web 14, a fixing ring 15 and a collar 16 are arranged.
  • the fixing ring 15 and the adjusting ring 16 are provided side by side lying in the annular groove 9, wherein the fixing ring 15 and the adjusting ring 16 are mounted at their inner diameters at the bottom of the annular groove 9 in the radial direction.
  • the fixing ring 15 has on its adjusting ring 16 facing, annular side formed a first sawtooth profile 17, the edges of which extend radially.
  • a second sawtooth profile 18 is formed as the correspondence to the first sawtooth profile 17.
  • the adjusting ring 16 has on its side remote from the second sawtooth profile 18 on a flat annular surface which rests flat against a side wall of the annular groove 9.
  • the fixing ring 15 has on its side facing away from the sawtooth profile 17 on a flat annular surface which bears against the housing web 14, wherein protrudes from this annular surface a nose 21 which engages in a groove 20 provided in the housing web.
  • the groove 20 and the nose 21 form a positive connection in the circumferential direction, so that is fixed by the nose 21 of the fixing ring 15 in the circumferential direction of the housing web 14.
  • the adjusting ring 16 is rotatably mounted relative to the fixing ring 15 in the annular groove 9.
  • the second sawtooth profile 18 is added to the first sawtooth profile 17. Due to the obliquely employed flanks of the sawtooth profiles 17 and 18 results in the rotation of the adjusting ring 16 is a changing axial position of the fixing ring 15 relative to the adjusting ring 16.
  • the fixing ring 15 is supported on the housing web 14 axially in the main flow direction, is by the against each other Displacement of the sawtooth profiles 17 and 18 of the adjusting ring 16 axially displaced from the fixing ring 15 counter to the main flow direction. Due to the axial support of the adjusting ring 16 on the guide blade carrier web 13 in the annular groove 9, the guide blade carrier 10 is displaced in the housing 2 axially against the main flow direction. As a result, the radial gap 12 increases.
  • the base of the annular groove 9 is formed parallel to the axis of the axial turbomachine 1 and the radially inner edge of the housing web 14 abuts the bottom of the annular groove 9, so that when the guide blade carrier 10 caused by an adjustment of the adjusting ring 16 is axially displaced back and forth , the guide vane carrier 10 is mounted radially on the housing web 14.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
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Abstract

Eine Axialturbomaschine weist ein Laufschaufelgitter, ein Gehäuse (2), in dem das Laufschaufelgitter eingebaut ist und einem das Laufschaufelgitter ummantelnden und in der Innenseite (3) des Gehäuses (2) integrierten Leitschaufelträger (19) auf, und der Leitschaufelträger (10) unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen (8) unter Ausbildung eines Radialspalts (12) angeordnet ist, wobei der Leitschaufelträger (10) in dem Gehäuse (2) parallel zur Achse der Axialturbomaschine (1) verschiebbar gelagert ist, sowie einen Stellring (16) aufweist, der an dem Gehäuse (2) und an dem Leitschaufelträger (10) an Kontaktflächen abgestutzt ist und um die Achse der Axialturbomaschine (1) drehbar ist, wobei die Kontaktflächen des Stellrings (16) und des Gehäuses (2) und/oder des Leitschaufelträgers (10) derart zu einer zur Achse der Axialturbomaschine (1) senkrechten Ebene angestellt sind, dass, wenn der Stellring (16) um die Achse der Axialturbomaschine (1) gedreht wird, der Leitschaufelträger (10) durch den Stellring (16) axial verschoben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Axialturbomaschine mit einem axial verschiebbaren Leitschaufelträger.
  • In einer Axialturbomaschine führen Radialspalte zwischen Laufschaufeln und dem Gehäuse zu erheblichen Einbußen im thermischen Wirkungsgrad. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es erstrebenswert die Radialspalte in allen Betriebspunkten der Axialturbomaschine möglichst klein zu halten. Die Axialturbomaschine ist beispielsweise eine Gasturbine. Beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine verändern sich die Radialspalte über die Zeit. Außerdem verändern sich die Radialspalte beim Wechsel vom Teillastbetrieb zum Volllastbetrieb der Gasturbine. Herkömmlich ist die Gasturbine derart ausgelegt, dass die Radialspalte für den Betriebsfall, in dem sich die Radialspalte als am kleinsten einstellen, ausreichend groß dimensioniert sind, so dass es so gut wie zu keiner Berührung zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse kommt. Dies hat zur Folge, dass im Dauerbetrieb der Gasturbine für diesen Betriebszustand unnötig große Radialspalte vorgehalten werden müssen, womit ein erheblicher Wirkungsgradverlust einhergeht.
  • Die zeitliche Veränderung der Radialspalte ist die Folge von unterschiedlichen thermischen Trägheitsverhalten der einzelnen Komponenten der Gasturbine, insbesondere des Rotors, der Laufschaufeln und des Gehäuses. Außerdem verursacht die zeitliche Veränderung der Radialspalte die Fliehkraftdehnung insbesondere der Laufschaufeln, eine Querkontraktion des Rotors, ein eventuelles Spiel im Axiallager des Rotors, insbesondere im Zusammenhang mit der Umkehr von Axialschub bei entsprechenden Betriebsbedingungen der Gasturbine, eine eventuell auftretende Ovalisierung des Gehäuses infolge von montagebedingter Vorspannung und ungleichmäßiger Erwärmung des Gehäuses.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Axialturbomaschine mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad zu schaffen.
  • Die erfindungsgemäße Axialturbomaschine weist ein Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln mit jeweils einer radial außen liegenden, freistehenden und geneigt zur Achse der Axialturbomaschine verlaufenden Schaufelspitze gebildet ist, ein Gehäuse, in dem das Laufschaufelgitter eingebaut ist und das mit seiner Innenseite den Hauptströmungskanal der Axialturbine definiert, und einen das Laufschaufelgitter ummantelnden und in der Innenseite des Gehäuses integrierten Leitschaufelträger mit einer radial innenliegenden Ringinnenseite auf, mit der an der Innenseite des Gehäuses der Hauptströmungskanal fortgeführt ist und der Leitschaufelträger unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen unter Ausbildung eines Radialspalts zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen und der Ringinnenseite angeordnet ist, wobei die Ringinnenseite im Wesentlichen parallel zu der Schaufelspitze verläuft und der Leitschaufelträger in dem Gehäuse parallel zur Achse der Axialturbomaschine verschiebbar gelagert ist sowie einen Stellring aufweist, der an dem Gehäuse und an dem Leitschaufelträger an Kontaktflächen abgestützt ist und um die Achse der Axialturbomaschine drehbar ist, wobei die Kontaktflächen des Stellrings und des Gehäuses und/oder des Leitschaufelträgers derart zu einer zur Achse der Axialturbomaschine senkrechten Ebene angestellt sind, dass, wenn der Stellring um die Achse der Axialturbomaschine gedreht wird, der Leitschaufelträger durch den Stellring axial verschiebbar ist.
  • Ist die Axialturbomaschine beispielsweise ein Axialverdichter, so ist der kritische Betriebszustand hinsichtlich der Radialspalte beim Heißstart. Ist die Axialturbomaschine beispielsweise eine Axialturbine, so liegt der kritische Betriebszustand hinsichtlich der Radialspalte beim Kaltstart. Bis sich die Bauteile des Gehäuses nach dem Start entsprechend durchwärmt haben und thermisch auf einen größeren Durchmesser sich ausgedehnt haben, besteht das Risiko, dass die Laufschaufeln mit ihren Schaufelspitzen an das Gehäuse anstreifen. Die kritische Betriebsphase, bei der mit kleinen Radialspalten zu rechnen ist, beträgt etwa 5 bis 10 Minuten. Abhilfe schafft der erfindungsgemäß in die Axialturbomaschine axial verschiebbar vorgesehene Leitschaufelträger, der mittels des Stellrings axial verschiebbar ist. Dadurch, dass die Ringinnenseite und die Schaufelspitzen zur Achse der Axialturbomaschine geneigt angeordnet sind, lässt sich durch eine entsprechende axiale Verschiebung des Leitschaufelträgers eine Veränderung des Radialspalts erzeugen. Somit kann durch eine geeignete Betätigung des Stellrings kurzzeitig das Maß des Radialspalts an den entsprechend vorherrschenden Betriebszustand der Axialturbomaschine angepasst werden, wobei stets ein möglichst kleiner Radialspalt angestrebt ist. Dadurch ist in allen Betriebszuständen der Axialturbomaschine der thermische Wirkungsgrad hoch.
  • Bei der Auslegung der Radialspalte der erfindungsgemäßen Axialturbomaschine kann auf die Berücksichtigung des Kriteriums "Pinch Point" beim Kaltstart verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Axialturbomaschine kann außerdem zusätzlich eine bekannte Einrichtung zur Einstellung der Radialspalte beim Betrieb der Axialturbomaschine aufweisen, so dass die herkömmliche Einrichtung und die erfindungsgemäße Betätigung des Stellrings zum geeigneten Axialverschieben des Leitschaufelträgers zeitgleich nebeneinander betrieben werden können. Nach Überwinden der Startphase der Axialturbomaschine kann nach erfolgter Durchwärmung der Bauteile der Leitschaufelträger durch eine entsprechende Betätigung des Stellrings in seine ursprüngliche Ausgangsposition gebracht werden. Nur während kritischer Betriebsphasen kann beispielsweise der Leitschaufelträger entsprechend verschoben sein.
  • Der Leitschaufelträger weist einen nach außen radial sich erstreckenden, umlaufenden Leitschaufelträgersteg mit einer nach außen offenen Ringnut auf, in die ein nach innen radial sich erstreckender, umlaufender Gehäusesteg eingreift, wobei in der Ringnut zwischen dem Leitschaufelträgersteg und dem Gehäusesteg der Stellring angeordnet ist. Der Stellring liegt bevorzugt an dem Grund der Ringnut an, wodurch der Stellring beim Verdrehen radial von der Ringnut gelagert ist. Bevorzugt ist es, dass zwischen dem Stellring und dem Gehäusesteg ein Fixring vorgesehen ist, der an dem Gehäusesteg befestigt ist und zum Axialverschieben des Leitschaufelträgers mit dem Stellring in Wechselwirkung steht.
  • Der Fixring weist an seiner dem Stellring zugewandten Seite ein erstes Sägezahnprofil und der Stellring weist bevorzugt an seiner dem Fixring zugewandten Seite ein zweites Sägezahnprofil auf, wobei die Sägezahnprofile derart ineinander greifen und aneinander gleiten können, dass, wenn der Stellring axial verdreht wird, der Leitschaufelträger axial verschoben wird. Hervorgerufen durch die Sägezahnprofile der beiden Ringe ergibt sich zwischen dem Gehäusesteg und dem Leitschaufelträgersteg ein axial veränderbares Maß. Dadurch ist durch die Betätigung des Stellrings der Leitschaufelträger axial verschiebbar.
  • Der Fixring ist bevorzugt formschlüssig an dem Gehäusesteg festgelegt. Die formschlüssige Festlegung des Fixrings kann beispielsweise durch eine radial verlaufende Nut, die in dem Gehäusesteg vorgesehen ist und in die eine entsprechend passend ausgebildete Nase des Fixrings eingreift. Dadurch ist der Fixring an dem Gehäusesteg in Umfangsrichtung festgelegt.
  • Bevorzugt ist der Stellring an dem Fixring mit einem zwischen den Sägezahnprofilen vorgesehenen Wälzlager gelagert. Dadurch ist die Reibung und der Verschleiß an den Sägezahnprofilen beim Betätigen des Stellrings minimiert, wodurch der Stellring und der Fixring eine hohe Lebensdauer haben.
  • In der Ringnut ist bevorzugt eine Vorspanneinrichtung vorgesehen, die an dem Gehäuse abgestützt ist und an dem Leitschaufelträgersteg dem Stellring entgegenwirkend angreift, so dass durch die Vorspanneinrichtung der Leitschaufelträgersteg stets an den Stellring angedrückt ist. Dadurch kann von der Vorspanneinrichtung eine Rückstellbewegung des Leitschaufelträgers hervorgerufen durch eine entsprechende Rückstellkraft bewerkstelligt werden, wodurch der Leitschaufelträger von dem Stellring sicher axial hin und her bewegbar ist. Die Vorspanneinrichtung ist bevorzugt eine Schraubenfeder.
  • Entgegen der Hauptströmungsrichtung verjüngt sich bevorzugt die Ringinnenseite und bevorzugt ist stromaufseitig der Stellring an dem Gehäusesteg angeordnet. Dadurch kann beim Verschieben des Leitschaufelträgers in die Hauptströmungsrichtung von dem Stellring eine Druckkraft in die Hauptströmungsrichtung ausgeübt werden. Stromabseitig ist bevorzugt die Vorspanneinrichtung an dem Gehäusesteg angeordnet. Zum Verstellen des Stellrings sind bevorzugt eine Verstellstange und/oder ein Hydraulikstempel vorgesehen.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialturbomaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    im unteren Bereich einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Leitschaufelträger und im oberen Bereich einen Radialschnitt durch den erfindungsgemäßen Leitschaufelträger und
    FIG 2
    einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Axialturbomaschine.
  • In FIG 2 ist eine herkömmliche Axialturbomaschine 101 gezeigt. Die Axialturbomaschine 101 weist ein Gehäuse 2 mit einer Innenseite 3 auf, mit der ein Hauptströmungskanal 4 definiert ist. In dem Hauptströmungskanal 4 angeordnet ist ein Laufschaufelkranz angeordnet, der aus einer Mehrzahl an über den Umfang verteilt angeordneten Laufschaufeln 5 gebildet ist. Jede der Laufschaufeln 5 weist stromauf eine Vorderkante 6 und stromab eine Hinterkante 7 auf. Radial nach außen ist die Laufschaufel 5 von einer Schaufelspitze 8 begrenzt. Der Hauptströmungskanal 4 wird in FIG 2 von links nach rechts in der Hauptströmrichtung durchströmt, wobei der Hauptströmungskanal 4 in der Hauptströmrichtung sich aufweitet. Dadurch ist die Innenseite 3 des Gehäuses 2 gegen die Achse 22 der Axialturbomaschine 101 geneigt angeordnet.
  • Radial im Bereich der Schaufelspitze 8 ist in dem Gehäuse 2 ein Leitschaufelträger 10 vorgesehen. Der Leitschaufelträger 10 weist der Achse 22 der Axialturbomaschine 101 zugewandt eine Ringinnenseite 11 auf, die parallel zu der Schaufelspitze 8 verläuft. Zwischen der Ringinnenseite 11 und der Schaufelspitze 8 ist ein Radialspalt 12 ausgebildet. Der Leitschaufelträger 10 weist einen radial nach außen sich erstreckenden Leitschaufelträgersteg 13 auf, der eine nach außen sich öffnende, umlaufende Ringnut 9 aufweist. In die Ringnut 9 eingreifend ist an dem Gehäuse 2 ein Gehäusesteg 14 vorgesehen, der radial nach innen sich erstreckt und umlaufend ist. Der Leitschaufelträger 10 ist an dem Gehäusesteg 14 mit Befestigungsmitteln befestigt, so dass der Leitschaufelträger 10 stationär ist.
  • In FIG 1 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Axialturbomaschine gezeigt. Die erfindungsgemäße Axialturbomaschine unterscheidet sich von der herkömmlichen Axialturbomaschine 101, wie sie in FIG 2 gezeigt ist, darin, dass der Leitschaufelträger 10 an dem Gehäusesteg 14 axial verschiebbar angeordnet ist. Ferner ist im Gegensatz zur herkömmlichen Axialturbomaschine 101 bei der erfindungsgemäßen Axialturbomaschine 1 die Ringnut 9 axial breiter ausgebildet, wobei zusätzlich in der Ringnut 9 stromauf des Gehäusestegs 14 ein Fixring 15 und ein Stellring 16 angeordnet sind. Der Fixring 15 und der Stellring 16 sind nebeneinander liegend in der Ringnut 9 vorgesehen, wobei der Fixring 15 und der Stellring 16 an ihren Innendurchmessern am Grund der Ringnut 9 in Radialrichtung gelagert sind.
  • Der Fixring 15 hat an seiner dem Stellring 16 zugewandeten, ringförmig ausgebildeten Seite ein erstes Sägezahnprofil 17, dessen Kanten radial sich erstrecken. In der dem Fixring 15 zugewandten, ringförmig ausgebildeten Seite des Stellrings 16 ist ein zweites Sägezahnprofil 18 als die Entsprechung zu dem ersten Sägezahnprofil 17 ausgebildet. Der Stellring 16 weist an seiner dem zweiten Sägezahnprofil 18 abgewandten Seite eine flache Ringfläche auf, die flächig an einer Seitenwand der Ringnut 9 anliegt. Der Fixring 15 weist an seiner dem Sägezahnprofil 17 abgewandten Seite eine flächige Ringfläche auf, die an dem Gehäusesteg 14 anliegt, wobei von dieser Ringfläche eine Nase 21 vorsteht, die in eine in dem Gehäusesteg 14 vorgesehene Nut 20 eingreift. Die Nut 20 und die Nase 21 bilden eine formschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung, so dass von der Nase 21 der Fixring 15 in Umfangsrichtung an dem Gehäusesteg 14 befestigt ist.
  • Der Stellring 16 ist relativ zu dem Fixring 15 in der Ringnut 9 verdrehbar gelagert. Beim Verdrehen des Stellrings 16 in der Ringnut 9 relativ zu dem Fixring 15 in die Richtung, die von den in FIG 1 gezeigten Pfeile 23 angegeben ist, wird das zweite Sägezahnprofil 18 zu dem ersten Sägezahnprofil 17 versetzt. Aufgrund der schräg angestellten Flanken der Sägezahnprofile 17 und 18 ergibt sich beim Verdrehen des Stellrings 16 eine sich verändernde Axialposition des Fixrings 15 bezogen auf den Stellring 16. Dadurch, dass der Fixring 15 an dem Gehäusesteg 14 axial in Hauptströmungsrichtung abgestützt ist, wird durch das gegeneinander Versetzen der Sägezahnprofile 17 und 18 der Stellring 16 axial entgegen der Hauptströmungsrichtung von dem Fixring 15 verschoben. Aufgrund der axialen Abstützung des Stellrings 16 an dem Leitschaufelträgersteg 13 in der Ringnut 9, wird der Leitschaufelträger 10 in dem Gehäuse 2 axial entgegen der Hauptströmungsrichtung verschoben. Dadurch vergrößert sich der Radialspalt 12.
  • Wird im Gegenzug dazu der Stellring 16 entgegen der in FIG 1 gezeigten Pfeile 23 bewegt, so geraten die Sägezahnprofile 17, 18 in stärkeren Eingriff, wodurch die axiale Ausdehnung des Fixrings 17 und des Stellrings 18 sich verkleinert. An der dem Fixring 15 abgewandten Seite des Gehäusestegs 14 sind in der Ringnut 9 zwei Schraubenfedern 19 eingebaut, die sowohl an dem Leitschaufelträgersteg 13 als auch an dem Gehäusesteg 14 abgestützt sind. Dadurch wirkt die von den Schraubenfedern 19 auf den Leitschaufelträger 13 aufgebrachte Druckkraft in die Hauptströmungsrichtung. Die Druckkraft dient als Rückstellkraft für den Leitschaufelträger 10, so dass, wenn die axiale Erstreckung des Fixrings 15 zusammen mit dem Stellring 16 durch das Verdrehen des Stellrings 16 verringert wird, der Leitschaufelträger 13 dem Stellring 16 folgen kann. Somit wird der Leitschaufelträger 10 in die Hauptströmungsrichtung verschoben und der Radialspalt 12 verkleinert sich.
  • Der Grund der Ringnut 9 ist parallel zur Achse der Axialturbomaschine 1 ausgebildet und der radial innenliegende Rand des Gehäusestegs 14 liegt an dem Grund der Ringnut 9 an, so dass, wenn der Leitschaufelträger 10 hervorgerufen durch eine Verstellung des Stellrings 16 axial hin und her verschoben wird, der Leitschaufelträger 10 an dem Gehäusesteg 14 radial gelagert ist.

Claims (12)

  1. Axialturbomaschine mit einem Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln (5) mit jeweils einer radial außen liegenden, freistehenden und geneigt zur Achse der Axialturbomaschine (1) verlaufenden Schaufelspitze (8) gebildet ist, einem Gehäuse (2), in dem das Laufschaufelgitter eingebaut ist und das mit seiner Innenseite (3) den Hauptströmungskanal (4) der Axialturbomaschine (1) definiert, und einem das Laufschaufelgitter ummantelnden und in der Innenseite (3) des Gehäuses (2) integrierten Leitschaufelträger (19) mit einer radial innen liegenden Ringinnenseite (11), mit der an der Innenseite (3) des Gehäuses (2) der Hauptströmungskanal (4) fortgeführt ist und der Leitschaufelträger (10) unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen (8) unter Ausbildung eines Radialspalts (12) zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen (8) und der Ringinnenseite (11) angeordnet ist,
    wobei die Ringinnenseite (11) im Wesentlichen parallel zu der Schaufelspitze (8) verläuft und der Leitschaufelträger (10) in dem Gehäuse (2) parallel zur Achse der Axialturbomaschine (1) verschiebbar gelagert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Stellring (16) vorgesehen ist, der an dem Gehäuse (2) und an dem Leitschaufelträger (10) an Kontaktflächen abgestützt ist und um die Achse der Axialturbomaschine (1) drehbar ist,
    wobei die Kontaktflächen des Stellrings (16) und des Gehäuses (2) und/oder des Leitschaufelträgers (10) derart zu einer zur Achse der Axialturbomaschine (1) senkrechten Ebene angestellt sind, dass, wenn der Stellring (16) um die Achse der Axialturbomaschine (1) gedreht wird, der Leitschaufelträger (10) durch den Stellring (16) axialverschiebbar ist.
  2. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 1,
    wobei der Leitschaufelträger (10) einen nach außen radial sich erstreckenden, umlaufenden Leitschaufelträgersteg (13) mit einer nach außen offenen Ringnut (9) aufweist, in die ein nach innen radial sich erstreckender, umlaufender Gehäusesteg (14) eingreift,
    wobei in der Ringnut (9) zwischen dem Leitschaufelträgersteg (13) und dem Gehäusesteg (14) der Stellring (16) angeordnet ist.
  3. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 2,
    wobei der Stellring (16) an dem Grund der Ringnut (9) anliegt, wodurch der Stellring (16) beim Verdrehen radial von der Ringnut (16) gelagert ist.
  4. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 2 oder 3,
    wobei zwischen dem Stellring (16) und dem Gehäusesteg (14) ein Fixring (15) vorgesehen ist, der an dem Gehäusesteg (14) befestigt ist und zum Axialverschieben des Leitschaufelträgers (10) mit dem Stellring (16) in Wechselwirkung steht.
  5. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 4,
    wobei der Fixring (15) an seiner dem Stellring (16) zugewandten Seite ein erstes Sägezahnprofil (17) und der Stellring (16) an seiner dem Fixring (15) zugewandten Seite ein zweites Sägezahnprofil (18) aufweisen,
    wobei die Sägezahnprofile (17, 18) derart ineinander greifen und aneinander gleitbar sind, dass, wenn der Stellring (16) axial verdreht wird, der Leitschaufelträger (10) axial verschoben wird.
  6. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 5,
    wobei der Fixring (15) formschlüssig (20, 21) an dem Gehäusesteg (14) festgelegt ist.
  7. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 5 oder 6,
    wobei der Stellring (16) an dem Fixring (15) mit einem zwischen den Sägezahnprofilen (17, 18) vorgesehenen Wälzlager gelagert ist.
  8. Axialturbomaschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7,
    wobei in der Ringnut (9) eine Vorspanneinrichtung vorgesehen ist, die an dem Gehäuse (2) abgestützt ist und an dem Leitschaufelträgersteg (13) dem Stellring (16) entgegenwirkend angreift, so dass durch die Vorspanneinrichtung der Leitschaufelträgersteg (13) stets an den Stellring (16) angedrückt ist.
  9. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 8,
    wobei die Vorspanneinrichtung eine Schraubenfeder (19) ist.
  10. Axialturbomaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei entgegen der Hauptströmungsrichtung die Ringinnenseite (11) sich verjüngt und stromaufseitig der Stellring (16) an dem Gehäusesteg (14) angeordnet ist.
  11. Axialturbomaschine gemäß Anspruch 10,
    wobei stromabseitig die Vorspanneinrichtung an dem Gehäusesteg (14) angeordnet ist.
  12. Axialturbomaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
    wobei zum Verstellen des Stellrings (16) eine Verstellstange und/oder ein Hydraulikstempel vorgesehen sind.
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