EP2725200B1 - Leitschaufelkranz und Strömungsmaschine - Google Patents

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EP2725200B1
EP2725200B1 EP12189935.5A EP12189935A EP2725200B1 EP 2725200 B1 EP2725200 B1 EP 2725200B1 EP 12189935 A EP12189935 A EP 12189935A EP 2725200 B1 EP2725200 B1 EP 2725200B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
guide vane
connection
ring
segments
vane ring
Prior art date
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Active
Application number
EP12189935.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2725200A1 (de
Inventor
Georg Zotz
Hermann Becker
Vitalis Mairhanser
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.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Priority to EP12189935.5A priority Critical patent/EP2725200B1/de
Publication of EP2725200A1 publication Critical patent/EP2725200A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2725200B1 publication Critical patent/EP2725200B1/de
Active legal-status Critical Current
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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
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • 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
    • 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 guide vane ring according to the preamble of patent claim 1 and a turbomachine.
  • Turbomachines such as aircraft engines and stationary gas turbines, regularly have at least one compressor-side adjustable guide vane row with a plurality of guide vanes which can be pivoted about their main axis or vane axis for setting optimum operating conditions.
  • the adjustable vane row forms with a rotor portion enclosing an inner ring a vane ring.
  • the inner ring serves for internal stabilization and storage of the guide vanes. He can be like in the EP 0 947 668 B1 shown, a plurality of radial bearing bores for receiving a respective blade-side journal.
  • the inner ring consists of several ring segments, which are interconnected via a radially inner seal carrier.
  • the seal carrier consists of semicircular carrier segments which are pushed onto the ring segments during assembly in the circumferential direction.
  • the carrier segments are braced together after positioning on the inner ring via circumferentially oriented and located in the hot gas path clamping screws.
  • a radial gap to the rotor portion of the seal carrier is provided on its side facing away from the vanes inner peripheral surface with a plurality of inlet linings, enter into the rotor-side sealing fins or sealing tips.
  • the installation of the clamping screws is very complex. In addition, the clamping screws require a lot of space and can be sucked in the accidentally released state in the hot gas path.
  • An inventive vane ring for a turbomachine has a plurality of rotatable vanes, a static inner ring for radially inner stabilization of the vanes, which consists of at least two ring segments is assembled, and a seal carrier having at least two support segments slidable on the ring segments and which is provided with sealing elements for sealing a radial gap between the inner ring and an opposite rotor section.
  • connecting devices are provided for the automatic connection of adjacent carrier segments in the area of parting lines, each of which has at least two cooperating connecting elements, of which one connecting element is formed on one end of the carrier segment and the corresponding connecting element on the adjacent carrier segment on the other side.
  • the carrier segments are mutually centered and a mounting clearance between the inner ring and the seal carrier eliminated.
  • the one connecting elements are in the circumferential direction of the vane ring protruding from the carrier segment connecting tongues and the corresponding connecting elements each have a peripheral contact surface of the adjacent carrier segment for conditioning the connecting tongue.
  • connections of the carrier segments in the radial direction can be additionally stabilized if the connecting tongues in the unassembled state of adjacent carrier segments lie radially inward to the contact surfaces. As a result, the connecting tongues brace the carrier segments in the mounted state in the radial direction.
  • the respective connecting tongue can additionally be formed as a sealing element.
  • An effective sealing of the respective parting line can be achieved in that the connecting tongues are plate-like and extend substantially each over an entire axial length of the parting line.
  • connection tongues are a metal sheet fastened to the support segments.
  • connection tongues are produced separately from the carrier segment and are subsequently connected to the respective carrier element, for example by means of a fluid connection such as welding or soldering.
  • the separate production prevents the geometry and production of the carrier segments from having to be changed.
  • the connecting devices can be retrofitted as a retrofit kit for existing vane rings by the separate production.
  • the connection tongues can also be designed as an integral component section of the respective carrier segment.
  • the connecting devices are in the mounted state the guide vane ring preferably each arranged in a closed in the axial and radial direction of the vane ring cavity between the inner ring and the seal carrier.
  • Threading the connecting tongues into the cavities and thus mounting the seal carrier can be simplified if the connecting tongues are cross-sectionally tapered at their free end in the transverse direction.
  • a turbomachine according to the invention has at least one guide vane ring according to the invention. Due to the concentric position of the sealing elements to the opposite rotor section, such a turbomachine is characterized by a higher compressor efficiency and an upwardly shifted surge line than a turbomachine with a conventional vane ring.
  • the connecting means act simultaneously as radial seals, a leakage flow through joints between adjacent seal carrier segments therethrough prevented, which also has a positive effect on the compressor efficiency and the surge limit.
  • an inventive vane ring 1 a turbomachine such as an aircraft engine at least a plurality of vanes 2, an inner ring 4, a seal carrier 6 and in a joint area of the seal carrier 6 each have a connection means 8.
  • the vane ring 1 is the stator side in the compressor of the turbomachine arranged and engages around a rotor portion 10 of a rotor which rotates about a m in the flow direction x of a main flow extending machine axis m.
  • the guide vanes 2 are adjustable about their main axis h extending radially to the machine axis m and each have an airfoil 12, an inner paddle 14 and a bearing journal 16 extending radially inwardly from the paddle 14.
  • the guide vanes 2 each have an outer, not shown Bucket plate and a radially outwardly extending from the outer blade plate adjusting pin, which cooperates with a housing-side adjusting device.
  • the inner blade plates 12 are each arranged in a radially outer countersunk portion 18 of the inner ring 4 passing through bearing bore 20. They have a radially inner and extending along the machine axis m bottom 22 and an opposite bottom 22 to the top 24.
  • the top 24 is arranged obliquely to the machine axis m, wherein it extends radially in the flow direction x from inside to outside. It forms in an unadjusted position with an inner ring surface 26 a step-free or almost step-free radially inner side wall portion of a flowed through by the main flow annulus.
  • the inner ring 4 serves for the radially inner stabilization or support of the guide vanes 2. It has the bearing bores 20 and the inner ring surface 26 and is spaced from the rotor section 10 via a radial gap. It consists of two half rings, each with an arc section of 180 °, which are assembled in the region of a horizontal parting plane of a machine housing of the turbomachine to the inner ring 4. Of course, a stronger segmentation of the inner ring 4 is possible beispielsweie in four ring segments.
  • the bearing bores 20 respectively pass through the inner ring surface 26 in the radial direction. They each have a radially inner bearing portion 28 for receiving bushings 30 and the radially outer countersink portion 18 for receiving the inner paddle 14th
  • the bushings 30 are inserted radially from the inside out into the bearing sections 28. They each have a T-shaped cross section with a radially expanded outer collar 32, by means of which they rest in each case on a radially inner peripheral surface 34 of the half rings.
  • the guide vanes 2 dive with their bearing pins 16 in the bearing bushes 30 and are thus rotatably guided relative to their main axis h in the radial direction.
  • a sliding disk may be screwed onto the bearing journal 16, which in the installed state is arranged between the bearing bushes 30 and the inner blade plates 14 and defines a sliding surface for the guide blades 2.
  • the inner ring surface 26 extends downstream of the bearing bores 20 via a rear and obliquely to the machine axis m radially from inside to outside employed axial projection 36 of the inner ring 4. Between the axial projection 36 and the blades 12 is formed in each case a radial so-called flag gap 38, to achieve a high efficiency of the turbomachine and a high surge limit is minimized.
  • a flag gap 38 to achieve a high efficiency of the turbomachine and a high surge limit is minimized.
  • at least some of the guide vanes 2 are mechanically coupled to the inner ring 4 or the half-ring in the radial direction. The mechanical coupling can take place or by means of axial locking pins which pass through at least one side in inner ring 4 and engage in a corresponding annular groove of the bearing pin 16.
  • the inner ring 4 has a front end-side guide groove 40 and a rear axial guide projection 42, which are each arranged radially inwardly of the inner ring surface 26.
  • the seal carrier 6 is used for positioning inlet pads 44, 46 for sealing the radial gap between the rotor section 10 and the inner ring 4. It is radially inwardly disposed on the inner ring 4 in a form-fitting manner. He has, as in FIG. 2 shown, preferably two semi-circular support segments 48, 50 which are pushed in the circumferential direction on the ring segments.
  • the carrier segments 48, 50 define in the assembled state of the seal carrier 6 separating joints 52, which lie in only two carrier segments 48, 50 preferably in the horizontal parting plane of the machine housing.
  • the carrier segments 48, 50 each have a U-shaped profile with a viewed in the flow direction x front wall 54, a rear wall 56 and the two walls 54, 56 interconnecting circumferential wall 58th
  • the front walls 54 of the support segments 48, 50 each have a front downstream circumferential projection 60 and the rear walls 56 each have a laterally and upstream opened circumferential groove 62.
  • the peripheral projections 60 engage positively in the front guide grooves 40 of the half rings of the inner ring 4.
  • the rear guide projections 42 of the half rings of the inner ring 4 engage in a positive fashion in the circumferential grooves 58. To enable assembly these form-fitting connections are subject to play.
  • the inlet pads 44, 46 are inter alia on the inner peripheral side on the circumferential wall 58 and on the other inner peripheral side on a radially inner and rear circumferential extension 64 opposite rotor-side sealing tips or sealing fins 66 on the peripheral wall 58.
  • the connecting devices 8 are respectively arranged on the end side of the carrier segments 48, 50 and thus in the assembled state in the region of the parting lines 52. They are positioned in cavity 68 between the inner ring 4 and the seal carrier 6.
  • the cavity 68 is bounded in the radial direction by the half rings and the peripheral wall 58 of the carrier segments 48, 50 and in the axial direction by the front wall 54 and the rear wall 56 of the carrier segments 48, 50.
  • the connecting devices 8 each have two automatically cooperating connecting elements 70, 72.
  • "Automatically or automatically” in the sense of the invention means that when assembling the carrier segments 48, 50 or when mounting or closing the machine housing, the cooperating connecting elements 70, 72 of the connecting devices 8 in each case without further measures with each other.
  • one connecting element is in each case a connecting tongue 70 and the connecting element corresponding thereto a contact surface 72.
  • the connecting tongues 70 and the contact surfaces 72 are each formed on opposite end sections of the adjacent carrier segments 48, 50. In the case of only two carrier segments 48, 50, these can be provided at their one end section with a connecting tongue 70 and at their other end section with a contact surface 72.
  • one carrier segment 48 may each have a connecting tongue 70 at its two end sections and the other carrier segment 50 may each have a contact surface 72 at its two end sections.
  • a connecting tongue 70 is arranged on one end section of the carrier segment 48 and a contact surface 72 on the opposite end section of the adjacent carrier segment 50.
  • the connecting tongue 70 is in the embodiment shown, a plate-like metal sheet, which is arranged between the walls 54, 56 on the outer peripheral side of the peripheral wall 58. It extends over the entire extent of the circumferential wall 58 in the direction of the machine axis m and thus substantially over the entire axial length of the respective parting line 52. As a result, the parting line 52 is radially closed, so that the formation of a radial leakage flow is effectively prevented.
  • the support segments 48, 50 stabilized in the axial direction of the vane ring 1 and relative axial displacements of the support segments 48, 50 to each other prevented, since the connecting tongue 70 laterally against the walls 54, 56 and spaced only in a minimum mounting distance therefrom is.
  • the connecting tongue 70 has a fastening portion 74, by means of which it is fastened to a peripheral surface of the peripheral wall 58 facing the inner ring 4 in the assembled state and a connecting portion 78 for engagement with the contact surface 72 of the adjacent support segment 50.
  • the connecting portion 78 projects circumferentially over the latter Carrier segment 50 and thus extends over the parting line 52 on the adjacent support segment 50.
  • 50 may alternatively or additionally be the connecting tongue 70 in the unassembled state of the vane ring radially inward to the contact surface 72.
  • the contact surface 72 is arranged on the outer peripheral side on the peripheral wall 58 of the adjacent carrier segment 50. It extends over the entire axial extension of the peripheral wall 58 and performs an outer contour of the peripheral wall 58 unchanged.
  • the contact surface 72 may be tangential or wedge-shaped, for example in the circumferential direction, wherein the radial thickness of the peripheral wall in the direction of Dividing line 52 reduced.
  • the connecting tongues 70 as in FIG. 2 shown, two each in the sliding direction or in the mounting direction opposite to each other employed guide surfaces 82, 84 have, so that the connecting tabs 72 are cross-sectionally tapered head side in the transverse direction, ie in the direction of the machine axis m.
  • the connecting portions 78 each at their own in the transverse direction extending sides concave recesses 86, 88, each forming a space for receiving the collar 32 of the bushings 30.
  • connection tabs 70 are flat against the contact surfaces 72 and thus cause a centering of the adjacent support segments 48, 50 to each other, a removal of mounting clearance, a concentric arrangement of the seal carrier 6 and the inner ring 4 to the rotor and prevent radial displacement and axial displacement of Carrier segments 48, 50 relative to each other.
  • the parting lines 52 are radially sealed by the connection tongues 70, so that the formation of a leakage current between the adjacent support segments 48, 50 is effectively prevented.
  • the support segments 48, 50 of the seal carrier 6 with the half rings of the inner ring 4 by radial screws 90 may be interconnected, which are guided by the rear guide projections 42 and are screwed into holes 92 of the rear wall 56.
  • a vane ring for a turbomachine which has a connection means for automatically connecting adjacent support segments having at least two cooperating connecting elements, of which one connecting element end side to the one support segment and the corresponding connecting elements end is formed on the adjacent carrier segment, and a turbomachine with such a vane ring.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Strömungsmaschine.
  • Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen, haben zur Einstellung optimaler Betriebsbedingungen regelmäßig zumindest eine verdichterseitige verstellbare Leitschaufelreihe mit einer Vielzahl von um ihre Hauptachse bzw. Schaufelachse verschwenkbaren Leitschaufeln. Die verstellbare Leitschaufelreihe bildet mit einem einen Rotorabschnitt umgreifenden Innenring einen Leitschaufelkranz. Der Innenring dient zur inneren Stabilisierung und Lagerung der Leitschaufeln. Er kann wie in der EP 0 947 668 B1 gezeigt, eine Vielzahl von radialen Lagerbohrungen zur Aufnahme jeweils eines schaufelseitigen Lagerzapfens aufweisen. Der Innenring besteht aus mehreren Ringsegmenten, die über einen radial inneren Dichtungsträger miteinander verbunden sind. Der Dichtungsträger besteht aus halbkreisartigen Trägersegmenten, die bei der Montage in Umfangsrichtung auf die Ringsegmente aufgeschoben werden. Die Trägersegmente werden nach der Positionierung an den Innenring über in Umfangsrichtung orientierte und im Heißgaspfad liegende Spannschrauben miteinander verspannt. Zum Abdichten eines Radialspaltes zum Rotorabschnitt ist der Dichtungsträger an seiner von den Leitschaufeln abgewandten Innenumfangsfläche mit einer Vielzahl von Einlaufbelägen versehen, in die rotorseitige Dichtfins bzw. Dichtspitzen einlaufen. Die Montage der Spannschrauben ist jedoch sehr aufwändig. Zudem erfordern die Spannschrauben einen großen Platzbedarf und können im versehentlich gelösten Zustand in den Heißgaspfad eingesaugt werden.
  • In der DE 10 2006 024 085 A1 wird alternativ vorgeschlagen, den Innenring aus zwei in axialer Richtung ungeteilten Halbringen zusammenzusetzen. Die Halbringe sind derart elastisch verformbar, dass sie über den Lagerzapfen der in den Gehäusehälften montierten Leitschaufeln abgerollt werden können. Hierzu werden die Halbringe auf einen konstanten Spannradius vorgespannt, im Bereich der Lagerzapfen positioniert und dann entspannt. Die US 4395195 A offenbart ein weiteres Beispiel eines Leitschaufelkranzes einer Gasturbine. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile beseitigt, eine gegenseitige Zentrierung von benachbarten Dichtungsträgersegmenten bewirkt und relative Radialverschiebungen von derartigen Dichtungsträgersegmenten verhindert. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine zu schaffen, die zumindest einen hohen Verdichterwirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leitschaufelkranz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine hat eine Vielzahl von verdrehbaren Leitschaufeln, einen statischen Innenring zur radial inneren Stabilisierung der Leitschaufeln, der aus zumindest zwei Ringsegmenten zusammengesetzt ist, und einen Dichtungsträger, der zumindest zwei auf die Ringsegmente aufschiebbare Trägersegmente aufweist und der mit Dichtelementen zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen dem Innenring und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt versehen ist. Erfindungsgemäß sind Verbindungseinrichtungen zum selbsttätigen Verbinden von benachbarten Trägersegmenten im Bereich von Trennfugen vorgesehen, die jeweils zumindest zwei zusammenwirkende Verbindungselemente aufweisen, von denen das eine Verbindungselement jeweils endseitig an dem einen Trägersegment und das korrespondierende Verbindungselement jeweils endseitig an dem benachbarten Trägersegment ausgebildet ist.
  • Mittels der endseitigen Verbindungseinrichtungen werden die Trägersegmente gegenseitig zentriert und ein Montagespiel zwischen dem Innenring und dem Dichtungsträger eliminiert.
  • Hierdurch werden zumindest relative radiale Verschiebungen der Trägersegmente und somit der Ringsegmente verhindert, so dass ein derartiger Leitschaufelkranz eine hohe Konzentrizität und somit einen exakt eingestellten Radialspalt aufweist. Radiale Stufen zwischen den benachbarten Trägersegmenten und somit zwischen den Dichtelementen werden wirkungsvoll verhindert. Zudem wird die Montage im Vergleich zur bekannten vorbeschriebenen Lösung nach der EP 0 947 668 B1 wesentlich vereinfacht, da die Verbindung zum einen selbsttätig beim Aufschieben der Trägersegmente oder beim Positionieren der jeweils beschaufelten Gehäusehalbschalen zueinander beim Schließen des Maschinengehäuses erfolgt. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Verbindung der Trägersegmente nach deren Positionierung auf bzw. an den Ringsegmenten entfällt.
  • Bei einem fertigungstechnisch einfach herzustellenden und montagetechnisch einfach zu fügenden Ausführungsbeispiel sind die einen Verbindungselemente ein in Umfangsrichtung des Leitschaufelkranzes von dem einen Trägersegment hervorstehende Verbindungszungen und die korrespondierenden Verbindungselemente jeweils eine umfangsseitige Anlagefläche des benachbarten Trägersegmentes zur Anlage der Verbindungszunge.
  • Die Verbindungen der Trägersegmente in Radialrichtung lassen sich zusätzlich stabilisieren, wenn die Verbindungszungen im nicht montierten Zustand von benachbarten Trägersegmenten radial innen zu den Anlageflächen liegen. Hierdurch verspannen die Verbindungszungen die Trägersegmente im montierten Zustand in Radialrichtung.
  • Um einen Leckagestrom zwischen den benachbarten Trägersegmenten in Radialrichtung zu verhindern, kann die jeweilige Verbindungszunge zusätzlich als Dichtungselement ausgebildet werden. Eine wirkungsvolle Abdichtung der jeweiligen Trennfuge lässt sich dadurch erreichen, dass die Verbindungszungen plattenartig sind und sich im Wesentlichen jeweils über eine gesamte axiale Länge der Trennfuge erstrecken.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungszungen ein an den Trägersegmenten befestigtes Metallblech. Die Verbindungszungen werden bei diesem Ausführungsbeispiel getrennt von dem Trägersegment hergestellt und nachträglich beispielsweise durch eine stoffflüssige Verbindung wie Schweißen oder Löten mit dem jeweiligen Trägerelement verbunden. Durch die getrennte Herstellung wird zum einem verhindert, dass die Geometrie und Fertigung der Trägersegmente geändert werden muss. Zum anderen können durch die getrennte Herstellung die Verbindungseinrichtungen als Nachrüstsatz bei bereits bestehenden Leitschaufelkränzen nachgerüstet werden. Alternativ können die Verbindungszungen jedoch auch als ein integraler Bauteilabschnitt des jeweiligen Trägersegmentes ausgebildet sein. Um zu verhindern, dass im unwahrscheinlichen Fall eines Loslösens der Verbindungszungen von dem jeweiligen Trägersegment diese in die Strömungsmaschine eingesaugt werden und dort Folgeschäden verursachen, sind die Verbindungseinrichtungen im montierten Zustand des Leitschaufelkranzes bevorzugterweise jeweils in einem in axialer und radialer Richtung des Leitschaufelkranzes geschlossenen Hohlraum zwischen dem Innenring und dem Dichtungsträger angeordnet.
  • Ein Einfädeln der Verbindungszungen in die Hohlräume und somit eine Montage des Dichtungsträgers lässt sich vereinfachen, wenn die Verbindungszungen an ihrem freien Ende in Querrichtung querschnittsverjüngt sind.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest einen erfindungsgemäßen Leitschaufelkranz auf. Aufgrund der konzentrischen Lage der Dichtelemente zum gegenüberliegenden Rotorabschnitt zeichnet sich eine derartige Strömungsmaschine durch einen höheren Verdichterwirkungsgrad und eine nach oben verschobene Pumpgrenze als eine Strömungsmaschine mit einem herkömmlichen Leitschaufelkranz aus. Zudem wird, wenn die Verbindungseinrichtungen gleichzeitig als Radialdichtungen wirken, ein Leckagestrom durch Trennfugen zwischen benachbarten Dichtungsträgersegmenten hindurch verhindert, was sich zudem positiv auf den Verdichterwirkungsgrad und auf die Pumpgrenze auswirkt.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Axialschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes, und
    Figur 2
    einen Schnitt entlang der Linie AA aus Figur 1.
  • Gemäß Figur 1 hat ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkranz 1 einer Strömungsmaschine wie ein Flugtriebwerk zumindest eine Vielzahl von Leitschaufeln 2, einen Innenring 4, einen Dichtungsträger 6 und in einem Trennfugenbereich der Dichtungsträger 6 jeweils eine Verbindungseinrichtung 8. Der Leitschaufelkranz 1 ist statorseitig im Verdichter der Strömungsmaschine angeordnet und umgreift einen Rotorabschnitt 10 eines Rotors, der um eine sich in Strömungsrichtung x eines Hauptstroms erstreckende Maschinenachse m rotiert.
  • Die Leitschaufeln 2 sind um ihre sich radial zur Maschinenachse m erstreckende Hauptachse h verstellbar und haben jeweils ein Schaufelblatt 12, einen inneren Schaufelteller 14 und einen sich von dem Schaufelteller 14 radial nach innen erstreckenden Lagerzapfen 16. Zudem haben die Leitschaufeln 2 jeweils einen nicht gezeigten äußeren Schaufelteller sowie einen sich radial nach außen von dem äußeren Schaufelteller erstreckenden Verstellzapfen, der mit einer gehäuseseitigen Verstelleinrichtung zusammenwirkt.
  • Die inneren Schaufelteller 12 sind jeweils in einem radialen äußeren Senkabschnitt 18 einer den Innenring 4 durchsetzenden Lagerbohrung 20 angeordnet. Sie haben eine radial innere und sich entlang der Maschinenachse m erstreckende Unterseite 22 und eine zur Unterseite 22 entgegengesetzte Oberseite 24. Die Oberseite 24 ist schräg zur Maschinenachse m angeordnet, wobei sie sich in Strömungsrichtung x radial von innen nach außen erstreckt. Sie bildet in nicht verstellter Stellung mit einer Innenringfläche 26 einen stufenfrei bzw. nahezu stufenfreien radial inneren Seitenwandabschnitt eines von dem Hauptstrom durchströmten Ringraums.
  • Der Innenring 4 dient zur radial inneren Stabilisierung bzw. Stützung der Leitschaufeln 2. Er weist die Lagerbohrungen 20 und die Innenringfläche 26 auf und ist über einen Radialspalt von dem Rotorabschnitt 10 beabstandet. Er besteht aus zwei Halbringen mit jeweils einem Bogenabschnitt von 180°, die im Bereich einer horizontalen Trennebene eines Maschinengehäuses der Strömungsmaschine zum Innenring 4 zusammengesetzt sind. Selbstverständlich ist auch eine stärke Segmentierung des Innenrings 4 beispielsweie in vier Ringsegmente möglich.
  • Die Lagerbohrungen 20 durchsetzen jeweils die Innenringfläche 26 in radialer Richtung. Sie haben jeweils einen radial inneren Lagerabschnitt 28 zur Aufnahme von Lagerbuchsen 30 und den radial äußeren Senkabschnitt 18 zur Aufnahme der inneren Schaufelteller 14.
  • Die Lagerbuchsen 30 sind radial von innen nach außen in die Lagerabschnitte 28 eingesetzt. Sie haben jeweils einen T-förmigen Querschnitt mit einem radial erweiterten äußeren Kragen 32, mittels dem sie jeweils an einer radial inneren Umfangsfläche 34 der Halbringe anliegen.
  • Die Leitschaufel 2 tauchen mit ihren Lagerzapfen 16 in die Lagerbuchsen 30 ein und sind somit bezogen auf ihre Hauptachse h in radialer Richtung drehbar geführt. Zusätzlich kann auf den Lagerzapfen 16 jeweils eine nicht gezeigte Gleitscheibe aufgeschraubt sein, die im montierten Zustand zwischen den Lagerbuchsen 30 und den inneren Schaufeltellern 14 angeordnet ist und eine Gleitfläche für die Leitschaufeln 2 definiert.
  • Die Innenringfläche 26 erstreckt sich stromab der Lagerbohrungen 20 über einen hinteren und schräg zur Maschinenachse m radial von innen nach außen angestellten Axialvorsprung 36 des Innenrings 4. Zwischen dem Axialvorsprung 36 und den Schaufelblättern 12 ist jeweils ein radialer sogenannter Fahnenspalt 38 gebildet, der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Strömungsmaschine und einer hohen Pumpgrenze minimiert ist. Zur Einstellung des Fahnenspaltes 38 sind zumindest einige der Leitschaufeln 2 mit dem Innenring 4 bzw. den Halbringen in radialer Richtung mechanisch gekoppelt. Die mechanische Kopplung kann bzw. mittels axialen Sicherungsstiften erfolgen, die in Innenring 4 zumindest einseitig durchsetzen und in eine entsprechende Ringnut der Lagerzapfen 16 eingreifen.
  • Zur Aufnahme des Dichtungsträgers 6 hat der Innenring 4 eine vordere stirnseitige Führungsnut 40 sowie einen hinteren axialen Führungsvorsprung 42, die jeweils radial innenliegend zur Innenringfläche 26 angeordnet sind.
  • Der Dichtungsträger 6 dient zur Positionierung von Einlaufbelegen 44, 46 zur Abdichtung des Radialspaltes zwischen dem Rotorabschnitt 10 und dem Innenring 4. Er ist radial innenliegend an dem Innenring 4 formschlüssig angeordnet. Er hat, wie in Figur 2 gezeigt, vorzugsweise zwei halbkreisförmige Trägersegmente 48, 50, die in Umfangsrichtung auf die Ringsegmente geschoben werden. Die Trägersegmente 48, 50 begrenzen im zum Dichtungsträger 6 zusammengesetzten Zustand Trennfugen 52, die bei lediglich zwei Trägersegmenten 48, 50 bevorzugterweise in der horizontalen Trennebene des Maschinengehäuses liegen. Die Trägersegmente 48, 50 haben jeweils ein U-förmiges Profil mit einer in Strömungsrichtung x betrachtet vorderen Wandung 54, einer hinteren Wandung 56 und einer die beiden Wandungen 54, 56 miteinander verbindenden Umfangswandung 58.
  • Zur Fixierung des Dichtungsträgers 6 an den Innenring 4 weisen die vorderen Wandungen 54 der Trägersegmente 48, 50 jeweils einen vorderen stromabwärts gerichteten Umfangsvorsprung 60 und die hinteren Wandungen 56 jeweils eine seitlich und stromaufwärts geöffnete Umfangsnut 62 auf. Im montierten Zustand greifen die Umfangsvorsprünge 60 formschlüssig in die vorderen Führungsnuten 40 der Halbringe des Innenrings 4 ein. In die Umfangsnuten 58 greifen formschlüssig die hintere Führungsvorsprünge 42 der Halbringe des Innenrings 4 ein. Zur Ermöglichung einer Montage sind diese Formschlussverbindungen spielbehaftet.
  • Die Einlaufbelege 44, 46 sind unter anderem innenumfangsseitig an der Umfangswandung 58 und zum anderen innenumfangsseitig an einem radial inneren und hinteren Umfangsfortsatz 64 gegenüber von rotorseitigen Dichtspitzen bzw. Dichtfins 66 an der Umfangswandung 58 angeordnet.
  • Die Verbindungseinrichtungen 8 sind jeweils endseitig der Trägersegmente 48, 50 und somit im montierten Zustand im Bereich der Trennfugen 52 angeordnet. Sie sind in Hohlraum 68 zwischen dem Innenring 4 und dem Dichtungsträger 6 positioniert. Der Hohlraum 68 ist in radialer Richtung von den Halbringen und der Umfangswandung 58 der Trägersegmente 48, 50 und in axialer Richtung von der vorderen Wandung 54 und der hinteren Wandung 56 der Trägersegmente 48, 50 begrenzt.
  • Die Verbindungseinrichtungen 8 weisen jeweils zwei selbsttätig zusammenwirkende Verbindungselemente 70, 72 auf. "Selbsttätig bzw. automatisch" bedeutet im Sinne der Erfindung, dass beim Montieren der Trägersegmente 48, 50 oder beim Montieren bzw. Schließen des Maschinengehäuses die zusammenwirkenden Verbindungselemente 70, 72 der Verbindungseinrichtungen 8 jeweils ohne weitere Maßnahmen miteinander in Verbindung treten. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das eine Verbindungselement jeweils eine Verbindungszunge 70 und das mit diesem korrespondierende Verbindungselement eine Anlagefläche 72. Die Verbindungszungen 70 und die Anlageflächen 72 sind jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten der benachbarten Trägersegmente 48, 50 ausgebildet. Bei lediglich zwei Trägersegmenten 48, 50 können diese an ihrem einen Endabschnitt mit einer Verbindungszunge 70 und an ihrem anderen Endabschnitt mit einer Anlagefläche 72 versehen sein. Alternativ kann bei zwei Trägersegmenten 48, 50 das eine Trägersegment 48 an seinen beiden Endabschnitten jeweils eine Verbindungszunge 70 und das andere Trägersegment 50 an seinen beiden Endabschnitten jeweils eine Anlagefläche 72 haben. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Verbindungszunge 70 an einem Endabschnitt des Trägersegmentes 48 und eine Anlagefläche 72 am gegenüberliegenden Endabschnitt des benachbarten Trägersegmentes 50 angeordnet.
  • Die Verbindungszunge 70 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein plattenartiges Metallblech, das zwischen den Wandungen 54, 56 außenumfangsseitig an der Umfangswandung 58 angeordnet ist. Sie erstreckt sich über die gesamte Erstreckung der Umfangswandung 58 in Richtung der Maschinenachse m und somit im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge der jeweiligen Trennfuge 52. Hierdurch wird die Trennfuge 52 radial verschlossen, so dass die Bildung eines radialen Leckagestroms wirkungsvoll verhindert wird. Gleichzeitig werden hierdurch die Trägersegmente 48, 50 in axialer Richtung des Leitschaufelkranzes 1 stabilisiert bzw. relative Axialverschiebungen der Trägersegmente 48, 50 zueinander unterbunden, da die Verbindungszunge 70 seitlich an den Wandungen 54, 56 anliegt bzw. in lediglich in einem minimalen Montageabstand von diesen beabstandet ist.
  • Die Verbindungszunge 70 hat einen Befestigungsabschnitt 74, mittels dem sie an einer im montierten Zustand dem Innenring 4 zugewandten Umfangsfläche der Umfangswandung 58 befestigt ist und einen Verbindungsabschnitt 78 zur Anlage an der Anlagefläche 72 des benachbarten Trägersegmentes 50. Der Verbindungsabschnitt 78 kragt hierzu in Umfangsrichtung über das Trägersegment 50 heraus und erstreckt sich somit über die die Trennfuge 52 auf das benachbarte Trägersegment 50. Zur Stabilisierung der Verbindung der Trägersegmente 48, 50 kann alternativ oder zusätzlich die Verbindungszunge 70 im nicht montierten Zustand des Leitschaufelkranzes radial innen zur Anlagefläche 72 liegen.
  • Die Anlagefläche 72 ist außenumfangsseitig an der Umfangswandung 58 des benachbarten Trägersegmentes 50 angeordnet. Sie erstreckt sich über die gesamte Axialerstreckung der Umfangswandung 58 und führt eine Außenkontur der Umfangswandung 58 unverändert fort. Alternativ kann die Anlagefläche 72 beispielsweise in Umfangsrichtung tangential oder keilförmig ausgebildet sein, wobei sich die radiale Dicke der Umfangswandung in Richtung der Trennfuge 52 verringert.
  • Um eine Behinderung der Trägersegmente 48, 50 beim Zusammenschieben der jeweiligen Verbindungseinrichtung 8 zu vermeiden, können die Verbindungszungen 70, wie in Figur 2 gezeigt, jeweils zwei in Schieberichtung bzw. in Montagerichtung entgegengesetzt zueinander angestellte Führungsflächen 82, 84 haben, so dass die Verbindungszungen 72 kopfseitig in Querrichtung, d. h. in Richtung der Maschinenachse m, querschnittsverjüngt sind.
  • Um zu verhindern, dass die Verbindungszungen 70 mit ihren Verbindungsabschnitten 78 beim Montieren auf die Kragen 32 der Lagerbuchsen 30 auflaufen und um zu verhindern, dass die Verbindungszungen 70 mit ihren Befestigungsabschnitten 74 die Lagerbohrungen 20 zumindest abschnittsweise verschließen, weisen die Verbindungsabschnitte 78 jeweils an ihren sich in Querrichtung erstreckenden Seiten konkave Aussparungen 86, 88 auf, die jeweils einen Freiraum zur Aufnahme der Kragen 32 der Lagerbuchsen 30 bilden.
  • In montierten Zustand liegen die Verbindungszungen 70 flächig an den Anlageflächen 72 an und bewirken somit eine Zentrierung der benachbarten Trägersegmente 48, 50 zueinander, eine Beseitigung von Montagespiel, eine konzentrische Anordnung des Dichtungsträgers 6 und des Innenrings 4 zum Rotor und verhindern eine Radialverschiebung und Axialverschiebung der Trägersegmente 48, 50 relativ zueinander. Gleichzeitig werden die Trennfugen 52 durch die Verbindungszungen 70 radial abgedichtet, so dass die Bildung eines Leckagestroms zwischen den benachbarten Trägersegmenten 48, 50 hindurch wirkungsvoll verhindert wird.
  • Zusätzlich können, wie in Figur 1 gezeigt, die Trägersegmente 48, 50 des Dichtungsträgers 6 mit den Halbringen des Innenrings 4 durch Radialschrauben 90 miteinander verbunden sein, die durch die hinteren Führungsvorsprünge 42 geführt sind und in Bohrungen 92 der hinteren Wandung 56 eingeschraubt sind.
  • Offenbar ist ein Leitschaufelkranz für eine Strömungsmaschine, der eine Verbindungseinrichtung zum selbsttätigen Verbinden von benachbarten Trägersegmente hat, die zumindest zwei zusammenwirkende Verbindungselemente aufweist, von denen das eine Verbindungselementendseitig an dem einen Trägersegment und das korrespondierende Verbindungselementendseitig an dem benachbarten Trägersegment ausgebildet ist, sowie eine Strömungsmaschine mit einem derartigen Leitschaufelkranz.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leitschaufelkranz
    2
    Leitschaufeln
    4
    Innenring
    6
    Dichtungsträger
    8
    Verbindungseinrichtung
    10
    Rotorabschnitt
    12
    Schaufelblatt
    14
    innerer Schaufelteller
    16
    Lagerzapfen
    18
    Senkabschnitt
    20
    Lagerbohrung
    22
    Unterseite
    24
    Oberseite
    26
    Innenringfläche
    28
    Lagerabschnitt
    30
    Lagerbuchsen
    32
    Kragen
    34
    Umfangsfläche
    36
    Axialvorsprung
    38
    Fahnenspalt
    40
    vordere Führungsnut
    42
    hinterer Führungsvorsprung
    44
    Einlaufbelag
    46
    Einlaufbelag
    48
    Trägersegment
    50
    Trägersegment
    52
    Trennfuge
    54
    vordere Wandung
    56
    hintere Wandung
    58
    Umfangswandung
    60
    Umfangsvorsprung
    62
    Umfangsnut
    64
    Umfangsfortsatz
    66
    Dichtfin
    68
    Hohlraum
    70
    Verbindungselement
    72
    korrespondierendes Verbindungselement
    74
    Befestigungsabschnitt
    78
    Verbindungsabschnitt
    82
    Führungsfläche
    84
    Führungsfläche
    86
    Aussparungen
    88
    Aussparungen
    90
    Radialschrauben
    92
    hinterer Flansch
    h
    Hauptachse/Schaufelachse
    m
    Maschinenachse
    x
    Strömungsrichtung/Axialrichtung

Claims (8)

  1. Leitschaufelkranz (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Vielzahl von verdrehbaren Leitschaufeln (2), mit einem statischen Innenring (4) zur radial inneren Stabilisierung der Leitschaufeln (2), der aus zumindest zwei Ringsegmenten zusammengesetzt ist, und mit einem Dichtungsträger (6), der zumindest zwei auf die Ringsegmente aufschiebbare Trägersegmente (48, 50) aufweist und mit Dichtelementen (44, 46) zum Abdichten eines Radialspaltes zwischen dem Innenring (4) und einem gegenüberliegenden Rotorabschnitt (10) versehen ist wobei der Leitschaufelkranz jeweils eine Verbindungseinrichtung (8) zum selbsttätigen Verbinden von benachbarten Trägersegmenten (48, 50) im Bereich von Trennfugen (52) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement zumindest zwei zusammenwirkende Verbindungselemente (70, 72) aufweist, von denen das eine Verbindungselement (70, 72) endseitig an dem einen Trägersegment (48, 50) und das korrespondierende Verbindungselement (72, 70) endseitig an dem benachbarten Trägersegment (50, 48) ausgebildet ist.
  2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, wobei die einen Verbindungselemente (70, 72) jeweils ein in Umfangsrichtung des Leitschaufelkranzes (1) von dem einen Trägersegment (48, 50) hervorstehende Verbindungszunge (70) und die korrespondierenden Verbindungselemente jeweils eine umfangsseitige Anlagefläche (72) des benachbarten Trägersegment (50, 48) zur Anlage des Verbindungszunge (70) sind.
  3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2, wobei die Verbindungszungen (70) im nicht montierten Zustand von benachbarten Trägersegmenten (48, 50) radial innen zu den Anlageflächen (72) liegen.
  4. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verbindungszungen (70) plattenartig sind und sich im Wesentlichen jeweils über eine gesamte axiale Länge der Trennfuge (52) erstrecken.
  5. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, wobei die Verbindungszungen (70) jeweils ein an dem einen Trägersegment (48, 50) befestigtes Metallblech sind.
  6. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungseinrichtungen (8) im montierten Zustand des Leitschaufelkranzes (1) in einem in axialer und radialer Richtung des Leitschaufelkranzes (1) geschlossenen Hohlraum (68) zwischen dem Innenring (4) und dem Dichtungsträger (6) angeordnet sind.
  7. Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Verbindungszungen (70) an ihrem freien Ende in Querrichtung querschnittsverjüngt sind.
  8. Strömungsmaschine mit zumindest einem Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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