EP2591213B1 - Verdichter und zugehörige gasturbine - Google Patents

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EP2591213B1
EP2591213B1 EP11732418.6A EP11732418A EP2591213B1 EP 2591213 B1 EP2591213 B1 EP 2591213B1 EP 11732418 A EP11732418 A EP 11732418A EP 2591213 B1 EP2591213 B1 EP 2591213B1
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ring
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Daniel Ecke
Markus Hofmann
Torsten Matthias
Bernward Mertens
Frank Mildner
Markus Paus
Achim Schirrmacher
Vadim Shevchenko
Uwe Sieber
Hubertus Michael Wigger
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/56—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/563—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable specially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the invention relates to a compressor with an annular flow channel radially outwardly delimiting housing in which radially extending through the flow channel extending vanes of a vane ring are mounted, wherein each vane on the housing side extending through the housing first pin and the rotor side projecting into an inner ring having second pin.
  • An alternative variant of the storage of adjustable vanes is from the US 2,671,634 known.
  • the arrangement shown therein comprises a divided into two segments half inner ring. The ends of the segments are in a tongue and groove connection loosely together, the inner pins of the adjustable vanes are mounted directly in radial bores of the inner ring. As a result, each segment is carried by those in the guide vanes to be assigned, which can also lead to increased wear.
  • the object of the invention is therefore to provide a compressor with a mounting arrangement for about its longitudinal axis pivotable vanes, the inner ring support is comparatively low wear and at the same time allows easy positioning of the inner ring relative to the rotor.
  • Another advantage of the invention is that due to the self-centering bearing of the inner ring, the adjustment for radial positioning of the guide vanes in the housing may possibly even be omitted. This simplifies the compressor and reduces the failure probability of the compressor due to the smaller number of components used.
  • a comparatively easy to manufacture inner ring or segment can be specified if they are axially divisible.
  • the parts of the segment or of the inner ring can for example be screwed together or also welded together become.
  • the segment or the inner ring is axially undivided.
  • the second portion 23 around a flanged bushing 28 is arranged.
  • the first portion 22 and the collar bushing 28 are seated in a corresponding to the contour of the receptacle 30, which is formed as a stepped bore.
  • the bore is arranged in the so-called inner ring 32.
  • the outer circumferential surface 34 of the inner ring 32 defines an annular flow channel 36 of the compressor 10 radially inward.
  • the inner ring 32 surrounds a rotor 35 of the compressor 10.
  • radially outer ends of the guide vanes 14 are provided in a manner analogous to the inner end 18 pins in a flow channel 36 outside limiting housing.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem einen ringförmigen Strömungskanal radial außen begrenzenden Gehäuse, in dem sich radial durch den Strömungskanal erstreckende Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei jede Leitschaufel gehäuseseitig einen sich durch das Gehäuse erstreckenden ersten Zapfen und rotorseitig einen sich in einen Innenring hineinragenden zweiten Zapfen aufweist.
  • Bekannte Verdichter moderner Gasturbinen weisen eine oder mehrere Verdichterstufen auf, deren Leitbeschaufelung verstellbar ist. Die einem entsprechenden Kranz zugeordneten Leitschaufeln sind dabei um ihre Längsachse verstellbar, um den Massenstrom zu regeln. Durch die Regelung des Massenstroms weist der Verdichter einen vergrößerten Arbeitsbereich auf. Um die Leitschaufeln solcher Verdichterstufen drehgelagert zu befestigen, sind an den beiden Schaufelblattenden der Leitschaufeln jeweils Zapfen vorgesehen. Dabei werden der äußere Zapfen im ringförmigen Gehäuse und der innere Zapfen in einem sogenannten Innenring gelagert. Der Innenring wird dabei von allen Leitschaufeln gehalten. Die zentrische Positionierung des Innenrings zur Rotorachse erfolgt über die radiale Positionierung der äußeren Zapfen im Gehäuse. Dabei wird mit der radialen Verstellung der Schaufel jedoch nicht nur der Innenring gegenüber dem Rotor positioniert, sondern gleichzeitig werden auch die Spalte zwischen den Schaufelblättern der verstellbaren Leitschaufel und dem Außengehäuse bzw. dem Innenring so eingestellt, dass beim Verstellvorgang des Schaufelblatts dieses nicht an der Strömungskanal-Begrenzungswand anstreift.
  • Da die bekannte Konstruktion zum Halten des Innenrings einen radialen Formschluss zwischen den Leitschaufeln und dem Innenring vorsieht, kann es zu erhöhten mechanischen Spannungen innerhalb der jeweiligen Innenring-Lagerung kommen, was erheblichen Verschleiß an den dort verwendeten Lagerschalen verursachen kann. Dabei können die mechanischen Spannungen während des Betriebs noch durch thermische Spannungen verstärkt werden.
  • Eine alternative Variante der Lagerung von verstellbaren Leitschaufeln ist aus der US 2,671,634 bekannt. Die darin gezeigte Anordnung umfasst einen in zwei Segmente hälftig geteilten Innenring. Die Enden der Segmente liegen dabei in einer Nut-Feder-Verbindung lose aneinander, wobei die inneren Zapfen der verstellbaren Leitschaufeln unmittelbar in radialen Bohrungen des Innenrings gelagert sind. Dadurch wird jedes Segment von denen im zuzuordnenden Leitschaufeln getragen, was auch zu erhöhtem Verschleiß führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verdichters mit einer Befestigungsanordnung für um ihre Längsachse schwenkbaren Leitschaufeln, dessen Innenringabstützung vergleichsweise verschleißarm ist und gleichzeitig eine einfache Positionierung des Innenrings gegenüber dem Rotor zulässt.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei dem der Innenring als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden Enden ausgebildet und mit einem Federelement zur Spreizung des Ringspalts versehen ist. Dazu wird vorgeschlagen, im Bereich des Ringspalts ein vorzugsweise gekapseltes Federelement einzubauen. Hierdurch wird im zusammengebauten Zustand von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil eine radiale Vorspannung des Innenrings erzielt. Durch die radiale Vorspannung wird der Innenring an die zweiten Zapfen der Leitschaufeln gedrückt. Dadurch kann die radiale Fixierung des Innenrings an allen Leitschaufeln entfallen. Das heißt, dass die in den Innenring hineinragenden zweiten Zapfen von außen in die jeweiligen Bohrungen oder Ausnehmungen nur eingesteckt sind - der bisher vorhandene radiale Formschluss kann entfallen. Folglich können die Leitschaufeln mit einem radial innen angeordneten, zweiten Zapfen ausgestattet sein, der rein zylindrisch ausgebildet ist. Gleiches gilt für die den Zapfen aufnehmenden Bohrungen im Innenring, welche erfindungsgemäß nunmehr keinen endlos umlaufenden Bund für den Formschluss mehr aufweisen. Besonders von Vorteil ist dabei, dass potentielle Verspannungen des Innenrings aufgrund der nunmehr fehlenden radialen Verhakung vermieden werden. Die vereinfachte Ausführung der inneren Lagerung der Leitschaufeln reduziert darüber hinaus die Montagezeit.
  • Zudem werden im thermisch transienten Betrieb die Wärmedehnungen des Innenrings und aller Leitschaufeln vom Federelement kompensiert, was die Spannungen zwischen Innenring und den inneren Lagerstellen der Leitschaufeln reduziert und Verschleiß an den Lagern mindert.
  • Durch das Einbringen eines Federelements kann folglich der Innenring als selbsttragendes und selbstzentrierendes System ausgeführt werden, wobei dann lediglich die in der unteren Hälfte des Leitschaufelkranzes angeordneten verstellbaren Leitschaufeln den Innenring sozusagen schwimmend tragen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass aufgrund der selbstzentrierenden Lagerung des Innenrings die Verstellvorrichtung zur radialen Positionierung der Leitschaufeln im Gehäuse gegebenenfalls sogar entfallen kann. Dies vereinfacht den Verdichter und verringert die Ausfallwahrscheinlichkeit des Verdichters aufgrund der geringeren Anzahl an verwendeten Komponenten.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Enden des Spaltrings einander gegenüberliegende erste Aufnahmen auf, die sacklochartig sind und in denen das Federelement sitzt. Damit kann eine vergleichsweise einfache Konstruktion zur Spreizung des Spaltrings angegeben werden, wobei beispielsweise das Federelement als Schraubenfeder ausgebildet ist. Ein Verrutschen der Schraubenfeder ist aufgrund ihres Sitzes in den Aufnahmen ausgeschlossen.
  • Um das Federelement vor Verschmutzung zu schützen, ist es von Vorteil, wenn dieses gekapselt ausgebildet ist.
  • Relativbewegungen der beiden Enden des Innenrings in axialer Richtung können verhindert werden, wenn diese axial arretiert sind. Dies kann beispielsweise mit Passfedern erfolgen, die die axiale Positionierung der beiden einander gegenüberliegenden Enden des Spaltrings vorgeben. Dazu sind beispielsweise ebenfalls die Passfedern in dafür vorgesehene Aufnahmen beidendseitig im Spalt des Innenrings angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Innenring zumindest zwei Segmente. Die Segmente erstrecken sich dabei vorzugsweise über eine Bogenlänge von 180°. Dies erlaubt eine vergleichsweise einfache Montage von Leitschaufeln in einen Verdichter.
  • Als ein verschleißbares Gleitmittel kann zwischen den zweiten Zapfen und den die Zapfen aufnehmenden Bohrungen des Innenrings jeweils eine Bundbuchse vorgesehen sein. Um das Verschmutzen der Gleitlagerung des Zapfens in der jeweiligen Bohrung des Innenrings zu verhindern, ist vorgesehen, dass an dem zweiten Zapfen eine endlos umlaufende Nut vorgesehen ist, in welchem ein darin sitzender Dichtring, beispielsweise ein O-Ring, angeordnet ist. Dies senkt den Verschleiß an der radial innen vorgesehen Lagerung.
  • Ein vergleichsweise einfach herzustellender Innenring bzw. Segment kann angegeben werden, wenn diese axial teilbar sind. Die Teile des Segments oder des Innenrings können beispielsweise miteinander verschraubt oder auch miteinander verschweißt werden. Vorzugsweise ist jedoch das Segment oder der Innenring axial ungeteilt.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere eine zur Energieerzeugung vorgesehene stationäre Gasturbine mit einem hälftig teilbaren Gehäuse mit einem erfindungsgemäßen Verdichter gemäß vorgenannten Ausgestaltungen ausgestattet.
  • Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Im Einzelnen zeigen:
    • FIG 1
    einen Querschnitt durch einen Ausschnitt des Verdichters mit beidendseitig drehgelagerten um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufeln;
    FIG 2
    schematisch einen als Spaltring ausgebildeten Innenring und
    FIG 3
    exemplarisch ein im Spalt zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Enden des Spaltrings angeordnetes Federelement.
  • Die FIG 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Verdichter 10 axialer Bauart im axialen Abschnitt von um deren Längsachse 12 schwenkbaren Leitschaufeln 14. Die Leitschaufeln 14 können beispielsweise die Einlassleitschaufeln des Verdichters 10 sein. Sie können aber auch davon stromab gelegenen Leitschaufelkränzen nachgeordneter Verdichterstufen zugehörig sein. Die Leitschaufeln 14 weisen ein nur teilweise dargestelltes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt 16 auf, an dessen radial innerem Ende 18 eine kreisrunde Plattform 20 angeordnet ist. Die Plattform 20 geht in einen ersten zylindrischen Abschnitt 22 über, in der eine umlaufende Nut 24 zur Aufnahme eines dichtenden O-Rings angeordnet ist. An den ersten Abschnitt 22 schließt sich ein konzentrischer zweiter Abschnitt 23 mit geringerem Durchmesser an. Beide Abschnitte 22, 23 sind Teil eines Zapfens 26 und jeweils zylindrisch ausgebildet. Um den zweiten Abschnitt 23 herum ist eine Bundbuchse 28 angeordnet. Der erste Abschnitt 22 sowie die Bundbuchse 28 sitzen in einer zu deren Kontur entsprechenden Aufnahme 30, welche als gestufte Bohrung ausgebildet ist. Die Bohrung ist dabei im sogenannten Innenring 32 angeordnet. Die äußere Mantelfläche 34 des Innenrings 32 begrenzt einen ringförmigen Strömungskanal 36 des Verdichters 10 radial innen. Dabei umgreift der Innenring 32 einen Rotor 35 des Verdichters 10. An den nicht dargestellten, radial äußeren Enden der Leitschaufeln 14 sind in analoger Weise zum inneren Ende 18 Zapfen in einem den Strömungskanal 36 außen begrenzenden Gehäuse vorgesehen.
  • Aufgrund der gewählten Konstruktion sind prinzipiell die Leitschaufeln 14 lediglich von außen in die Aufnahmen 30 radial eingesetzt. Die Radialrichtung bezieht sich dabei auf die Maschinenachse 38 des Verdichters 10, entlang welcher sich dieser erstreckt.
  • Der sich aus zwei Segmenten 40 zusammensetzende Innenring 32 ist in FIG 2 schematisch dargestellt. Die beiden Segmente 40 weisen jeweils eine Bogenlänge von 180° auf. In einem ersten Verbindungsbereich 42 sind die beiden Segmente 40 endseitig miteinander spaltfrei verschraubt. Die beiden anderen Enden 44 der Segmente 40 liegen in einem zweiten Verbindungsbereich 46 unter Bildung eines Ringspalts einander gegenüber. Der Ringsspalt wird nachfolgend kurz als Spalt 48 bezeichnet. Der zweite Verbindungsbereich 46 ist in FIG 3 im Detail gezeigt. In den beiden Enden 44 ist jeweils eine erste Aufnahme 50 vorgesehen, die jeweils von einem Sackloch gebildet sind. Die beiden ersten Aufnahmen 50 liegen einander gegenüber, so dass in diesen ein gekapseltes Federelement 52 sitzt. Das Federelement 52 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder mit einer Kapsel 53 ausgestaltet. Das Federelement 52 sitzt vorgespannt im Spalt 48, so dass die beiden Enden 44 auseinander gedrückt werden. Im eingebauten Zustand wird dadurch der Innenring 32 an die Zapfen 26 der Leitschaufeln 14 gedrückt. Hierdurch kann eine Selbstzentrierung des Innenrings 32 erreicht werden.
  • In analoger Weise zu den ersten Aufnahmen 50 sind in den beiden Enden 44 zweite Aufnahmen 54 vorgesehen, die einander ebenfalls fluchtend gegenüberliegen. In den zweiten Aufnahmen 54 sitzt ein Zentrierelement 56, welches beispielsweise als Passfeder ausgestaltet sein kann. Diese Anordnung kann eine relative Verschiebung der beiden Enden 44 in axialer Richtung verhindern, wodurch die beiden Enden 44 arretiert sind. Eine Scherbeanspruchung des Federelements 52 wird dadurch vermieden.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung somit einen Axialverdichter 10 mit einem ringförmigen Strömungskanal 36, indem sich durch den Strömungskanal 36 erstreckende verstellbare Leitschaufeln 14 eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei jede Leitschaufeln 14 zur Halterung eines Innenrings 32 an seinem Schaufelblatt 16 rotorseitig einen Zapfen 26 aufweist. Um einen verschleißarmen selbstzentrierenden Innenring 32 anzugeben, ist dieser als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden Enden 44 ausgebildet und mit einem Federelement 52 zur Spreizung des Spaltsrings versehen.

Claims (9)

  1. Verdichter (10)
    mit einem einen ringförmigen Strömungskanal (36) radial außen begrenzenden Gehäuse, in dem sich radial durch den Strömungskanal (36) erstreckende Leitschaufeln (14) eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind,
    wobei jede Leitschaufel (14) gehäuseseitig einen sich durch das Gehäuse erstreckenden ersten Zapfen (26) und rotorseitig einen sich in einen Innenring (32) hineinragenden zweiten Zapfen (26) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Innenring (32) als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden Enden (44) ausgebildet ist und mit einem Federelement (52) zur Spreizung des Spaltrings versehen ist.
  2. Verdichter (10) nach Anspruch 1,
    bei dem die beiden Enden (44) des Spaltrings einander gegenüberliegende erste Aufnahmen (50) aufweisen, in denen das Federelement (52) sitzt.
  3. Verdichter (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem das Federelement (52) gekapselt ist.
  4. Verdichter (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei dem die Enden (44) axial arretiert sind.
  5. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem der Innenring (32) zumindest zwei Segmente (40) umfasst.
  6. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem an den zweiten Zapfen (26) jeweils eine Bundbuchse (28) angeordnet ist.
  7. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem der zweite Zapfen (26) eine endlos umlaufende Nut (24) mit einem darin sitzenden Dichtring aufweist.
  8. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem der Innenring (32) beziehungsweise die Segmente (40) axial teilbar sind.
  9. Gasturbine mit einem Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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