EP2536922A1

EP2536922A1 - Antriebsvorrichtung zum schwenken von verstellbaren schaufeln einer turbomaschine

Info

Publication number: EP2536922A1
Application number: EP11704062A
Authority: EP
Inventors: Markus Hofmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-12-26
Also published as: JP2013519836A; EP2362070A1; WO2011101334A1; RU2012139958A; US20120308364A1; CN102762818A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (21) zum Schwenken von verstellbaren Schaufeln (19) einer Turbomaschine, mit einem von einem Schaufelträger (22) umschlossenen ringförmigen Strömungskanalabschnitt (23), der sich entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) erstreckt und in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln (19) vorgesehen sind, wobei die Schaufeln (19) jeweils um ihre Längsachse (31) schwenkbar sind und jeweils einen sich zumindest in den Schaufelträger (22) erstreckenden Zapfen (26) aufweisen, die an zumindest einem den Schaufelträger (22) umgreifenden Stellring (28) angekoppelt sind, welcher über zumindest einen Motor antreibbar ist. Um einen besonders verschleissarmen und zuverlässigen Antrieb bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Antriebswelle des Motors bzw. der Motoren mit dem Stellring (28) bzw. den Stellringen (28) über einen Zahntrieb gekoppelt ist bzw. sind.

Description

Beschreibung

Antriebsvorrichtung zum Schwenken von verstellbaren Schaufeln einer Turbomaschine

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Schwenken von verstellbaren Schaufeln einer Turbomaschine, mit einem von einem Schaufelträger umschlossenen ringförmigen Strö- mungskanalabschnitt , der sich entlang der Mittelachse des

Schaufelträgers erstreckt und in dem strahlenartig unter Bil^¬ dung eines Kranzes Schaufeln vorgesehen sind, wobei die

Schaufeln jeweils um ihre Längsachse schwenkbar sind und je^¬ weils einen sich zumindest in den Schaufelträger erstrecken- den Zapfen aufweisen, die an einen in Umfangsrichtung drehbaren Stellring angekoppelt sind.

Eine Vorrichtung derartiger Gattung geht beispielsweise aus der US 5,549,448 hervor. Um die sich radial erstreckenden Schaufeln eines Schaufelkranzes eines Verdichters zu verstel^¬ len, umgreift ein zur Mittelachse des Verdichters konzentri^¬ scher Stellring dessen Innengehäuse. Jede um ihre Längsachse drehbare Schaufel des Schaufelkranzes weist einen sich durch den Schaufelträger erstreckenden Zapfen auf, die außerhalb des Gehäuses jeweils über einen Schwenkhebel mit dem Stell^¬ ring verbunden sind. Der Stellring ist in Umfangsrichtung drehbar. Durch die Drehung des Stellrings werden die Schwenkhebel bewegt, wodurch die Schaufeln um ihre jeweilige Längs^¬ achse geschwenkt werden. Der Stellring wird über einen An- trieb in Umfangsrichtung bewegt, der gleichzeitig den Stell^¬ ring auch abstützt.

Ebenso ist aus der EP 1 524 413 A2 ein in Umfangsrichtung drehbarer Stellring zum Verstellen der Schaufeln eines Kran- zes bekannt.

Aus der GB 1 466 613 und der GB 1 505 858 ist weiter bekannt, dass anstelle einer Schwenkhebelankopplung auch eine verzahnte Kopplung zwischen verstellbarer Schaufel und

Stellring möglich ist. Die Verstellung des Stellrings erfolgt bei der GB 1 466 613 dabei über eine Schubstange, welche eine hydraulisch erzeugte Antriebskraft tangential in den

Stellring einleitet. Bei der GB 1 505 868 erfolgt die

Krafteinleitung in den Stellring über ein Hebelwerk. Zudem schlagt die EP 2 053 204 A2 vor, den Stellring mit Hilfe eines Motors anzutreiben, welcher mit allen verstellbaren Schaufeln über eine Verzahnung gekoppelt ist.

Dabei sind die aus der US 5,549,448 und EP 1 524 413 A2 be^¬ kannten Antriebe aufwändig in der Konstruktion, da viele Bau^¬ teile erforderlich und auszulegen sind. Die große Anzahl an Bauteilen führen in der Fertigung zu einer aufwändigen Mon- tage, die aufgrund der erforderlichen Genauigkeit der Posi^¬ tion des Verdrehwinkels der einzelnen Schaufel zudem auch noch zeitintensiv ist.

Werden derartige Antriebsvorrichtungen bei stationären Gas- turbinen eingesetzt, sind die Stellringe zudem äußerst mas^¬ siv. Beim Betrieb haben dann Temperaturdifferenzen zwischen dem Stellring und dem Schaufelträger Einfluss auf den Anstellwinkel der Verdichterschaufeln im Strömungskanal. Diese Temperaturdifferenzen können zu ungleichmäßig eingestellten Anstellwinkeln der Schaufeln des Schaufelkranzes führen, so dass stets darauf zu achten ist, dass der Stellring und der Schaufelträger koaxial bzw. konzentrisch zu einer gemeinsamen Mittelachse gelagert sind. Daneben kann auch die tangentiale Krafteinleitung über Schubstangen eine ebenso nachteilige Dezentrierung des Stellrings hervorrufen.

Auch kann die Lagerung der bekannten Stellringe verschmut- zungs- und störanfällig sein, was einen zuverlässigen und sicheren Betrieb einschränkt. Insbesondere können Fremdkörper bei der Ausgestaltung nach GB 1 466 613 im Bereich der Verzahnung oder bei der Ausgestaltung nach der US 5,549,448 bzw. EP 1 524 413 A2 im Bereich der Hebel schlimmstenfalls ein Blockieren der Antriebsvorrichtung hervorrufen, was den Betriebsbereich der Turbomaschine dann wesentlich einschränkt.

Aufgrund von Netzanforderungen müssen insbesondere die

Einlassleitschaufeln von Verdichtern stationärer Gasturbinen mittlerweile in Sekundenbruchteilen um vergleichsweise kleine Winkelbeträge verstellt werden können. Dies ist jedoch mit den herkömmlichen, bekannten Systemen nicht möglich. Die Hebelsysteme sind einerseits träge aufgrund der massiven Ausführungen von Stellringen und Hebeln. Schnelle Änderungen mit geringem Verstellweg führen zu enormen Belastungen in den Stellringen, die die Zuverlässigkeit und die Integrität der Antriebsvorrichtung gefährden können. Andererseits weisen die Hebelsysteme toleranzbedingte Spiele in den Hebelgelenken auf, so dass eine geringfügige Verstellung damit nicht ausführbar ist.

Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer verschleißfreien, zuverlässigen, für schnelle kleinere Verstellungen geeignete Antriebsvorrichtung zur temperaturunabhängigen Verstellung der sich radial in einem Ringkanal erstreckenden, um ihre jeweilige Längsachse drehbaren Schaufeln. Die Aufgabe wird mit einer Antriebsvorrichtung zum Schwenken von verstellbaren Schaufeln einer Turbomaschine gelöst, welche gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestattet ist.

Die gattungsgemäße Antriebsvorrichtung zum Schwenken von ver- stellbaren Schaufeln einer Turbomaschine umfasst einen Schaufelträger, welcher einen ringförmigen Strömungskanalabschnitt umschließt. Der Strömungskanalabschnitt erstreckt sich ent^¬ lang der Mittellinie des Schaufelträgers. In diesem sind strahlenartig, in Bezug auf die Maschinenachse, unter Bildung eines Kranzes Schaufeln vorgesehen, die zur Verstellung jeweils um ihre Längsachse schwenkbar sind. Die Schaufeln wei^¬ sen jeweils einen sich zumindest in den Schaufelträger erstreckenden Zapfen auf, die jeweils an zumindest einen in Umfangsrichtung drehbaren Stellring angekoppelt sind, welcher über zumindest einen Motor antreibbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Antriebswelle des Motors bzw. der Motoren mit dem Stellring bzw. den Stellringen über einen Zahntrieb gekoppelt ist bzw. sind.

Die Erfindung wendet sich von bisherigen Konstruktionen ab, bei denen die Verdrehung des Stellrings durch tangential an^¬ greifende Schubstangen erfolgt. Die Krafteinleitung zur Ver- drehung des Stellrings erfolgt anstelle über Schubstangen nun erfindungsgemäß über zumindest einen Zahntrieb. Der Zahntrieb ist dabei vorzugsweise als Kronenradgetriebe oder ein Kegel^¬ radgetriebe ausgebildet, wobei die Antriebswelle des Motors gleichzeitig als Antriebswelle des Zahntriebs und der Stell- ring als Abtriebswelle des Zahntriebs ausgebildet sind. Hier^¬ durch ist es möglich, eine weit verbesserte Krafteinleitung zum Verdrehen des Stellrings zu erhalten, welche die unge^¬ wollte Dezentrierung des Stellrings reduziert. Um ausreichend große Kräfte zur Verdrehung des Stellrings bereitzustellen, sind in größerer Anzahl als aus Redundanzgründen erforderlich Motoren über den Umfang des Stellrings verteilt, welche je über einen Zahntrieb, die dabei alle identisch ausgeführt sind, an den Stellring gekoppelt sind. Der Einsatz einer größeren Anzahl von Motoren ermöglicht eine über den Umfang verteilte Krafteinleitung zur Verstellung der Schaufeln. Je mehr Motoren eingesetzt werden, umso geringer sind die von diesen jeweils einzuleitenden Kräfte, was kleinere Zahntriebe bzw. Verzahnungen ermöglicht. Gleichfalls kann der Einsatz von Zahnrädern somit vermieden werden, was platz- und

gewichtssparend ist. Zudem wird die Verwendung eines eher schlanken Stellrings ermöglicht, verglichen mit einem

Stellring aus dem Stand der Technik, der über Hebel an den Zapfen der Schaufeln angelenkt ist oder nur von einem Motor oder Hydraulikzylinder angetrieben wird. Zur Verstellung werden die Motoren selbstverständlich stets synchron

angesteuert . Erfindungsgemäß ist entweder der Zapfen Teil einer der

Antriebswellen, so dass die Drehachse von Antriebswelle und mit der Drehachse des betreffenden Zapfens zusammenfällt. Oder es können Antriebswelle und Zapfen starr miteinander verbunden sein. In beiden Fällen ist so auch die zum

betreffenden Zapfen zugehörige Schaufel unmittelbar vom betreffenden Motor antreibbar. Zur Verstellung treiben die Motoren gemeinschaftlich den Stellring und jeweils

individuell eine der mit ihren Antriebswellen verbundenen Schaufeln unmittelbar an. Die nicht unmittelbar angetriebenen (restlichen) Schaufeln werden dann mit Hilfe des Stellrings in die gewünschte Position schwenkt.

Neben der kompakten und leichtbauenden Ausführungsform aufgrund der Verwendung einer größeren Anzahl von Motoren liegt ein weiterer Vorteil in der größeren

Verstellgeschwindigkeit, die die Antriebsvorrichtung nun erstmalig ermöglicht. Die Kraftübertragung von den Motoren erfolgt zu den unmittelbar angetriebenen Schaufeln spielfrei und zu den restlichen Schaufeln nahezu spielfrei. In

Verbindung mit der kompakten Ausführungsform und den

vergleichsweise geringen, zu bewegenden Massen lassen sich die Schaufeln auch um vergleichweise kleine Winkelbeträge in vergleichweise kurzer Zeit verstellen. Die bekannten

Zahnantriebe hingegen sehen stets vor, dass alle Schaufeln mittelbar über den Stellring angetrieben werden. Hiervon wendet sich die Erfindung ab, da erkannt wurde, dass eine noch kompaktere Bauform erreicht werden kann, wenn die einige Motoren jeweils eine der Schaufeln unmittelbar antreiben.

Vorzugsweise sind mindestens vier Motoren für einen Kranz verstellbarerer Leitschaufeln vorgesehen. Die obere Grenze für die Anzahl der Motoren entspricht dabei der Hälfte der Schaufelanzahl .

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei Stellringe je Antriebsvorrichtung vorgesehen, um die Zapfen frei von Querkräften anzutreiben. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist im

Schaufelträger oder im den Schaufelträger umgebenden Gehäuse mantelseitig eine Umfangsnut vorgesehen, in welcher die Zap^¬ fen enden und in welcher der Stellring angeordnet ist, wobei zur Abschirmung von Zapfen, Stellring und deren Kopplung nach außen die Umfangsnut durch eine Abdeckung zumindest großteils verschlossen ist. Die Kopplung von Stellring und Zapfen demnach ist in dem Schaufelträger eingebettet bzw. in der Umfangsnut versenkt, wodurch sich - im Längsschnitt der Turbo^¬ maschine betrachtet - eine beidseitige Abschirmung ergibt. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird sich vom Stand der Technik abgewendet, bei dem der Verstellmechanismus bis^¬ her außerhalb des Gehäuses der Turbomaschine ungeschützt an^¬ geordnet war. Nun ist vorgesehen, dass der Verstellmechanis^¬ mus zumindest abgedeckt, wenn nicht sogar hermetisch abge- dichtet wird, wodurch der Antrieb größtenteils (also abgese^¬ hen von der Durchführung für die Antriebswelle des Motors) in die Wand des Schaufelträgers verlagert wird. Dies erfordert, dass der Schaufelträger im Bereich, in dem die Zapfen in ihn hineinragen, dort mindestens eine so große Wandstärke auf- weist, dass dort von außen beispielsweise durch mechanische spanende Bearbeitung eine Umfangsnut zur Aufnahme von Zapfen^¬ enden und Stellring eingebracht werden kann. Die Abdeckung der Umfangsnut durch mehrere Abdecksegmente ist dabei einfach zu bewerkstelligen, wobei die Befestigung der Abdeckung bzw. Abdeckelemente mit den üblichen Mitteln wie Verschraubungen durchführbar ist. Hiermit wird eine simple Konstruktion ange^¬ geben, die vergleichsweise einfach und auch kostengünstig realisierbar ist. Vorzugsweise ist die Kopplung zwischen Stellring und dem jeweiligen Zapfen jeweils als Zahntrieb ausgebildet, wobei der Zahntrieb vorzugsweise als Kronenradgetriebe ausgebildet ist. In diesem Fall stellt der Stellring ein Kronenrad dar und der Zapfen ist zumindest über einen Teil seines Umfangs, wenn nicht sogar über seinen vollen Umfang verzahnt. Die Verzahnung des Kronenrads und die Verzahnung des Zapfens greifen dabei ineinander, so dass eine Drehung des Stellrings in Um- fangsrichtung die Schaufeln verschwenkt. Mit Hilfe des Kro- nenradgetriebes kann eine verschleißarme, temperaturunabhän^¬ gige Kopplung von Stellring und jeweiligem Zapfen erfolgen, die darüber hinaus in der Lage ist, auch die zur Verstellung erforderlichen großen Kräfte zuverlässig zu übertragen. Werden alle Schaufeln mit Hilfe des Stellrings in die gewünschte Position geschwenkt, ist das erforderliche Zahnflankenspiel jedes Zahntriebs unbeachtlich. Alle Schaufeln werden dann in identischem Maße geschwenkt. Sofern einige der Schaufeln von Motoren unmittelbar und die restlichen Schaufeln mit Hilfe des Stellrings verstellt werden und die Kopplung über Zahn^¬ triebe erfolgt, können nach der Verstellung aller Schaufeln zur Kompensation des evtl. vorhandenen Zahnflankenspiels die unmittelbar angetriebenen Schaufeln um einen vorgegeben Verdrehwinkel geringfügig zurückgeschwenkt werden, damit alle Schaufeln den identischen Anstellwinkel aufweisen.

Eine besonders einfache sowie zuverlässige Lagerung des

Stellrings kann erreicht werden, wenn dieser - bezogen auf die Mittelachse des Schaufelträgers - radial außen von der Abdeckung der Umfangsnut und radial innen vom Nutgrund der Umfangsnut geführt ist. Die Abdeckung dient dann auch als Führung für den Stellring, da dieser gleitbar, jedoch spielfrei sowohl an der Abdeckung als auch am Nutgrund anliegt. Dies vermeidet den Einsatz weiterer Konstruktionselemente wie beispielsweise Abstützrollen zur zentrischen Lagerung des Stellrings gegenüber der Maschinenachse. Auch ermöglicht diese Ausgestaltung einen vergleichsweise schlanken Stellring, da dessen Eigensteifigkeit nunmehr geringer sein kann als bisher.

Weiterer Vorteil der Abdeckung ist die Führung des Stellrings entlang des gesamten Umfangs, da dieser sich aus zumindest zwei Segmenten zusammensetzt. Die Segmente des Stellrings können aufgrund der vorgeschlagenen äußeren Führung durch die Abdeckung in vergleichbar einfacher Art und Weise miteinander verbunden oder verschraubt sein. Ein Ausweichen des prinzipiell stangeförmigen Stellrings ist durch die vollumfängliche Führung nicht möglich.

Um ein Auseinanderklaffen der Verzahnung zu verhindern, wird der Stellring von einer Seitenwand der Umfangsnut, bezogen auf die Mittellinie des Schaufelträgers - axial geführt.

Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass in der Seitenwand und/oder zwischen Seitenwand und Stellring Mittel zum Anpressen des Stellrings an die Zapfen vorgesehen sind. Beispielsweise können dazu in der Seitenwand Kanäle zur Zuführung eines Hydraulikmittels münden. Auch ist möglich, dass zwischen der Seitenwand und dem Stellring ebenso über den Umfang gleichmäßig verteilt Federelemente vorgesehen sind, die eine in Axialrichtung wirkende Kraft auf den Stell^¬ ring ausüben. Durch den Einsatz einer Verzahnung kann der Stellring schlanker ausgestaltet werden als der für statio- näre Gasturbinen vergleichsweise massive Stellring aus dem

Stand der Technik. Durch das Anpressen des Stellrings an die Zapfen kann auch die Beseitigung des Zahnflankenspiels erfol^¬ gen, um so während des Betriebs der Turbomaschine die ver^¬ stellbare Schaufel spielfrei in ihrer vorgegebenen Position zu halten. Gegebenenfalls kann während des Verstellvorgangs die Anpresskraft reduziert werden, was insbesondere bei der Verwendung eines Hydraulikmittels als Anpressmittel ohne wei^¬ teres möglich ist. In diesem Fall lässt sich der Verstellvorgang mit vergleichsweise geringen Kräften bewirken.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann dabei sowohl zur Verstellung von Einlassleitschaufeln eines Verdichters angewendet werden, aber auch zur Verstellung von Leitschaufeln eines Verdichters, die in analoger Weise wie die Ein- lassleitschaufein um ihre sich in Radialrichtung der Maschinenachse erstreckenden Längsachse schwenkbar gelagert sind. Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Im Einzel^¬ nen zeigen schematisch: FIG 1 eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt;

FIG 2 das Detail X aus dem Längsteilschnitt gemäß FIG 1 in einer ersten Ausführungsvariante;

FIG 3 die Draufsicht auf das Detail X gemäß FIG 2;

FIG 4 die Befestigung des Motors am Fundament;

FIG 5 das Detail X gemäß einer dritten Ausführungsvariante und

FIG 6 das Detail X gemäß einer zweiten Ausführungsvariante .

FIG 1 zeigt eine als stationäre Gasturbine 1 ausgebildete Turbomaschine in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 1 ist zur Stromerzeugung vorgesehen. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren

rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem

ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die

Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei

Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Schaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt. Am ansauggehäuseseitigen Eingang des Verdichters 5 sind verstellbare Einlassschaufeln 19 vorgesehen. Die Einlassschau^¬ feln 19 sind strahlenförmig im ringförmigen Strömungskanal des Verdichters 5 angeordnet und können um ihre jeweilige Längsachse von einer Antriebsvorrichtung 21 gedreht werden, um beispielsweise den die Gasturbine 1 durchströmenden Mas^¬ senstrom einzustellen. Je nach Anstellwinkel der Schaufelblätter der Einlassleitschaufeln kann ein besonders großer oder ein kleiner Massenstrom die Gasturbine 1 bedarfsgerecht durchströmen. Um Strömungsverluste in der angesaugten Umgebungsluft zu reduzieren und um eine Schwingungsanregung von sich unmittelbar stromab der Einlassschaufeln 19 drehenden Laufschaufeln 15 zu verhindern, welche bei einer über den Umfang gesehen ungleichmäßigen Anströmung der Laufschaufeln 15 erfolgt, werden alle Einlassschaufeln 19 synchron unter stetiger Beibehaltung gleicher Anstellwinkel verstellt.

Die Antriebsvorrichtung 21 ist außerhalb des Strömungskanals vorgesehen und wird im Einzelnen in den nachfolgenden Figuren beschrieben.

Hierzu zeigt FIG 2 das in FIG 1 mit X bezeichnete Detail. Als erstes ist ein Schaufelträger 22 dargestellt, welcher in der konkreten Ausgestaltung auch zugleich als Gehäusebauteil des Verdichters 5 der Gasturbine 1 ausgestaltet ist. Der Schau^¬ felträger 22 wird auch als Leitschaufelträger bezeichnet. In einem für die angesaugte Luft einströmseitigen Abschnitt 23 des Verdichters 5 weist der Leitschaufelträger 22 eine vergrößerte Wandstärke auf. In diesem axialen Abschnitt 23 sind in Bezug auf die Mittelachse 24 der Gasturbine 1 in identi^¬ scher Anzahl wie verstellbare Schaufeln 19 Bohrungen 25 vorgesehen zur Aufnahme von Zapfen 26, welche jeweils an einer der verstellbaren Schaufeln 19 angeordnet sind. Im Abschnitt 23 ist zudem mantelseitig eine endlos umlaufende Umfangsnut 27 vorgesehen, in der die Zapfen 26 enden. Die axiale Lage der Bohrungen 25 ist dabei so gewählt, dass diese nicht voll^¬ ständig in der Umfangsnut 27 münden, sondern nur teilweise derart, dass lediglich ein kleiner Kreisabschnitt der Bohrung 25 in der Nut 27 liegt, um eine ausreichende Verzahnung zu gewährleisten (siehe FIG 3) . Die zur drehbaren Lagerung der Zapfen 26 im Leitschaufelträger 22 erforderlichen Lager

(nicht dargestellt) sind zur Umfangsnut 27 radial innen be- nachbart in bekannter Art und Weise vorgesehen.

In der Nut 27 ist ein aus beispielweise zwei Segmenten beste^¬ hender Stellring 28 angeordnet. Der Stellring 28 weist - im Längsschnitt der Turbomaschine betrachtet - eine rechteckige Schnittkontur auf. Jeder Zapfen 26 weist zumindest über einen Teil seines Umfangs eine Verzahnung nach Art eines Zahnrads auf. In dazu korrespondierender Weise ist eine stirnseitige Wand des Stellrings 28 ebenfalls verzahnt, wobei beide Ver^¬ zahnungen nach Art eines Kronenradgetriebes in Eingriff mit- einander stehen. Die Seitenwandverzahnung 30 des Stellrings 28 erstreckt sich für jeden Zapfen 26 entlang einer derartigen Bogenlänge (FIG 3), dass die Schaufel 19 über den gesam^¬ ten Verstellwinkelbereich sicher geschwenkt werden kann. Die Seitenwandverzahnung 30 kann aber ebenso endlos über den Um- fang des Stellrings 28 angeordnet sein wie bei einem Kronen^¬ rad. Der Stellring 28 bildet somit mit jedem Zapfen 26 eine Kronenradverzahnung, mit der die Drehbewegung des Stellrings 28 um die Maschinenachse 24 in eine Drehbewegung der Schaufel 19 um deren Längsachse 31 umgesetzt wird.

Zur Führung des Stellrings 28 und zur Vermeidung von Ablagerungen und Verschmutzungen in der jeweiligen Kronenverzahnung ist die Nut 27 über eine Abdeckung 32 abgeschirmt. Insofern sind die Zahntriebe und der Stellring 28 prinzipiell nicht von außerhalb der Gasturbine 1 zugängig.

Um die erforderlichen Verstellkräfte dem Stellring 28 zuzuführen, ist zumindest ein Motor 33 vorgesehen. Der Motor 33 kann dabei als Hydraulikmotor, aber auch als Elektromotor oder auch als Stellmotor ausgebildet sein. Die Antriebswelle 35 des Motors 33 erstreckt sich durch eine in der Abdeckung 32 dafür vorgesehene Öffnung 37 und ist mit einem der Zapfen

26 starr verbunden. Beide sind um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar, die mit der Längsachse 31 zusammenfällt. Der Motor 33 dient einerseits zum Antrieb der Stellrings 28 und zum unmittelbaren Antrieb der einen mit seiner Antriebswelle 35 über deren Zapfen 26 starr verbundenen Schaufel 19. Es können auch mehrere der in FIG 2 dargestellten Motoren 33 über den Umfang des Stellrings 28 zu dessen Drehung verteilt sein. Der bzw. die Motoren 33 sind dann über nicht weiter dargestellte Halterungen entweder am Leitschaufelträger oder am Fundament der Gasturbine befestigt.

Die Befestigung eines der Motoren 33 am Fundament 40 ist in FIG 4 skizziert, wobei in dieser Zeichnung die starre Verbin^¬ dung zwischen Antriebswelle 35 und Zapfen 26 nur schematisch angedeutet ist. Der Übersicht halber ist auch nur die vom Motor 33 unmittelbar antreibbare Schaufel 19 des Leitschau^¬ felkranzes und der Stellring 28 dargestellt.

Weiter ist in FIG 2 in einer Seitenwand 34 der Umfangsnut 27 eine Kanalöffnung 38 vorgesehen, über die ein Hydraulikmittel der Antriebsvorrichtung 21 zum Anpressen des Stellrings 28 an die Zapfen 26 möglich ist. Die dazu erforderlichen Anschlussleitungen sind in FIG 2 nicht dargestellt. Selbstverständlich sind dabei mehrere Kanäle für Hydraulikmittel entlang des Um- fangs verteilt, um eine gleichmäßige Anpressung zu erzielen.

Die Draufsicht auf eine nicht abgedeckte Kronenverzahnung im Abschnitt 23 zeigt FIG 3, wobei identische Merkmale mit iden^¬ tischen Bezugszeichen versehen sind. Gemäß einer zu FIG 2 alternativen Ausgestaltung, welche in

FIG 6 dargestellt ist, kann anstelle eines einseitig angeord^¬ neten Stellrings 28 auch ein weiterer Stellring 28 vorgesehen sein, derart, dass zwischen beiden zu einer Antriebsvorrichtung gehörenden Stellringe 28 die Zapfen 26 der Schaufeln 19 angeordnet und so beidseitig verzahnt sind. In diesem Falle sind zwei Nuten 27 beidseitig der Bohrungen 25 vorgesehen, in denen jeweils einer der beiden Stellringe 28 angeordnet ist. Anstelle zweier Umfangsnuten 27 mit dazwischen angeordneten Bohrungen 25 können die Bohrungen 25 und somit auch die Zapfen 26 mittig in nur einer dann breiteren Umfangsnut angeord^¬ net sein. Zum Verdrehen bzw. Schwenken von Schaufeln 19 sind die beiden zu einer Antriebsvorrichtung 21 zugehörigen Stell- ringe 28 gleichzeitig gegensinnig zu drehen.

Anstelle der aus FIG 2 bekannten hydraulischen Anpressung des Stellrings 28 an die Zapfen 26 sind gemäß FIG 6 zwischen der Seitenwand 34 der Umfangsnut 27 und dem dazu unmittelbarbe- nachbarten Stellring 28 gleichmäßig über den Umfang verteilt Federelemente 36, beispielsweise in Form von Tellerfedern, vorgesehen, die einen stetigen Anpressdruck hervorrufen.

Selbstverständlich ist es möglich, die in FIG 6 gezeigten Federelemente 36 auch bei einer Antriebsvorrichtung 21 mit nur einem Stellring 28 anzuordnen. Umgekehrt ist es genauso möglich, die hydraulische Anpressung für jeden Stellring 28 einer Antriebsvorrichtung 21 anzuwenden, bei der zwei gegensinnig verdrehbare Stellringe 28 gemäß FIG 6 vorgesehen sind.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigen die Figuren 2 und 6. Die grundlegende Ausführungsform ist in FIG 5 dargestellt, gemäß dieser der unmittelbare Antrieb einer oder mehrerer Schaufeln 19 nicht zwingend erforderlich ist. Der Motor 33 dient dann allein zum Verstellen des Stellrings 28, welcher zum Schwenken aller Schaufeln 19 seine Drehbewegung über die zu FIG 2 beschriebenen Zahntriebe zwischen sich und den Zapfen 26 der Schaufeln 19 an letztgenannte überträgt. Auch die in FIG 5 gezeigte Ausführungsform kann geringfügig abgewandelt werden bezüglich der Anzahl der Stellringe 28 und der Wahl des Mittels zum Anpressen der Stell^¬ ringe 28 an die Zapfen 26.

Die in den Figuren gezeigte Antriebsvorrichtung eignet sich dabei nicht nur zur Verstellung von Einlassleitschaufeln 19 eines Verdichters 5, sondern selbstverständlich auch zur Verstellung von Leitschaufeln nachfolgender Verdichterstufen, die bei modernen Gasturbinen ebenfalls um ihre Längsachse 31, welche mit der Radialrichtung in Bezug auf die Maschinenachse 24 zusammenfällt, schwenkbar gelagert sind.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung 21 zum Schwenken von verstellbaren Schaufeln 19 einer Turbomaschine, mit einem von einem Leitschaufelträger 22 umschlossenen ringförmigen Strömungskanalabschnitt 23, der sich entlang der Mittelachse 24 des Leitschaufelträgers 22 erstreckt und in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln 19 vorgesehen sind, wobei die Schaufeln 19 jeweils um ihre

Längsachse 31 schwenkbar sind und jeweils einen sich zumin^¬ dest in den Leitschaufelträger 22 erstreckenden Zapfen 26 aufweisen, die an zumindest einem den Leitschaufelträger 22 umgreifenden Stellring 28 angekoppelt sind. Um einen beson- ders verschleißarmen und zuverlässigen Antrieb bereitzustel^¬ len, wird vorgeschlagen, dass die Antriebswelle 35 des Motors 33 bzw. der Motoren mit dem Stellring 28 bzw. den Stellringen 28 über einen Zahntrieb gekoppelt ist bzw. sind.

Claims

Patentansprüche

1. Antriebsvorrichtung (21) zum Schwenken von verstellba- ren Schaufeln (19) einer Turbomaschine,

mit einem von einem Schaufelträger (22) umschlossenen ringförmigen Strömungskanalabschnitt (23) , der sich entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) erstreckt und in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln (19) vorgesehen sind,

wobei zur Verstellung die Schaufeln (19) jeweils um ihre Längsachse (31) schwenkbar sind und jeweils einen sich zu^¬ mindest in den Schaufelträger (22) erstreckenden Zapfen (26) aufweisen, die an zumindest einen in Umfangsrichtung drehbaren Stellring (28) angekoppelt sind, welcher über zumindest einen Motor (33) antreibbar ist, wobei die

Antriebswelle (35) des Motors (33) mit dem Stellring (28) bzw. den Stellringen (28) über einen Zahntrieb gekoppelt ist bzw. sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Anzahl von Motoren vorgesehen ist, deren jeweilige Antriebswelle (35) jeweils einen der Zapfen (26) umfasst oder

starr mit einem der Zapfen (26) verbunden ist,

wobei der betreffende Zahntrieb jeweils am Zapfen (26) der so unmittelbar angetriebenen Schaufel (19) angeordnet ist und dass die restlichen Schaufeln (19) über den zumindest einen Stellring (28) antreibbar sind.

2. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 1,

bei der zwei Stellringe (28) an den Zapfen (26) angekoppelt und von dem Motor (33) bzw. den Motoren antreibbar sind.

3. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

bei der im Schaufelträger (22) oder im den Schaufelträge (22) umgebenden Gehäuse eine Umfangsnut (27) vorgesehen ist, in welcher die Zapfen (26) enden und in welcher der Stellring (28) bzw. die Stellringe (28) angeordnet ist, wobei zur Abschirmung nach außen die Umfangsnut (27) durch eine Abdeckung (32) verschlossen ist.

4. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,

bei der die Kopplung zwischen Stellring (28) und allen Zapfen (26) jeweils als Zahntrieb ausgebildet ist.

5. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

bei der die Zahntriebe als Kronenradgetriebe ausgebildet sind .

6. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

bei der jeder Stellring (28) - bezogen auf die Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) - radial außen von der Abde^¬ ckung (32) der Umfangsnut (27) und radial innen vom Nut- grund der Umfangsnut (27) geführt ist.

7. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

bei der jeder Stellring (28) von einer Seitenwand (34) der Umfangsnut (27) - bezogen auf die Mittelachse (24) des

Schaufelträgers (22) - axial geführt ist.

8. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 7,

bei der in der Seitenwand (34) und/oder zwischen Seitenwand (34) und Stellring (28) Mittel zum Anpressen des Stellrings

(28) an die Zapfen (26) vorgesehen sind.

9. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 8,

bei der in der Seitenwand (34) Kanäle zur Zuführung eines Hydraulikmittels münden.

10. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 8,

bei der zwischen Seitenwand (34) und Stellring (28) über den Umfang gleichmäßig verteilt Federelemente (36) vorgese^¬ hen sind.