EP3070270A1

EP3070270A1 - Leitschaufel für eine strömungsmaschine mit einer dichtungsvorrichtung, leitrad sowie strömungsmaschine

Info

Publication number: EP3070270A1
Application number: EP14192595.8A
Authority: EP
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: EP3070270B1; US10060278B2; US20150192025A1; DE102013222980A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel (300) für eine Strömungsmaschine, mit einer Dichtungsvorrichtung (27, 27') am radial inneren Endbereich der Leitschaufel (300), zum Abdichten von Leckageströmungen (25) zwischen der Leitschaufel (300) und einem mit der Leitschaufel (300) verbundenen Innenring (7). Die Dichtungsvorrichtung (27, 27') ist beweglich gegenüber der Leitschaufel (300) angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung (27, 27') ist in einer offenen oder in einer geschlossenen Anordnung zum Abdichten der Leckageströmungen (25) positionierbar. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Leitrad (100) sowie eine Strömungsmaschine.

Description

Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. CSJU-GAM-SAGE-2008-001 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (FP7/2007-2013) für Clean Sky Joint Technology Initiative gefördert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine, mit einer Dichtungsvorrichtung am radial inneren Endbereich der Leitschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Leitrad nach Anspruch 9 sowie eine Strömungsmaschine nach Anspruch 10.
In Strömungsmaschinen wird der Wirkungsgrad von verschiedenen Faktoren und Parametern beeinflusst. Insbesondere Strömungsverluste infolge von Bypassströmungen außerhalb der Hauptströmung durch die Lauf- und Leitradbeschaufelung vermindern den Wirkungsgrad. Derartige Bypassströmungen können auf unterschiedliche Art und Weise zumindest verringert werden, um Wirkungsgradverluste zu vermeiden. Beispielsweise werden an Schaufelanordnungen der Strömungsmaschine Dichtungen angeordnet, um Bypassströmungen zu reduzieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Leitschaufel für eine Strömungsmaschine vorzuschlagen, die eine Dichtungsvorrichtung am radial inneren Endbereich der Leitschaufel zum Abdichten von Leckageströmungen zwischen der Leitschaufel und einem mit der Leitschaufel verbundenen Innenring vorsieht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Leitrad sowie eine Strömungsmaschine vorzuschlagen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Leitschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch ein Leitrad mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit eine Dichtungsvorrichtung vorgeschlagen, die beweglich gegenüber der Leitschaufel angeordnet ist. Die Dichtungsvorrichtung ist in wenigstens einer offenen oder in einer geschlossenen Anordnung zum Abdichten der Leckageströmungen positionierbar.
Das erfindungsgemäße Leitrad weist wenigstens eine erfindungsgemäße Leitschaufel auf. Das Leitrad kann ein Abschnitt einer Verdichterstufe sein. Das Leitrad kann als Leitschaufelrad bezeichnet werden.
Die erfindungsgemäße weist wenigstens ein erfindungsgemäßes Leitrad auf. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine oder eine Flugtriebwerk sein.
Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks "kann sein" bzw. "kann haben" usw. synonym zu "ist vorzugsweise" bzw. "hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutern.
Wann immer hierin Zahlenworte genannt werden, so versteht der Fachmann diese als Angabe einer zahlenmäßig unteren Grenze. Sofern dies zu keinem für den Fachmann erkennbaren Widerspruch führt, liest der Fachmann daher beispielsweise bei der Angabe "ein" oder "einem" stets "wenigstens ein" oder "wenigstens einem" mit. Dieses Verständnis ist ebenso von der vorliegenden Erfindung mit umfasst wie die Auslegung, dass ein Zahlenwort wie beispielsweise "ein" alternativ als "genau ein" gemeint sein kann, wo immer dies für den Fachmann erkennbar technisch möglich ist. Beides ist von der vorliegenden Erfindung umfasst und gilt für alle hierin verwendeten Zahlenworte.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Strömungsmaschine eine axiale Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine. Die Gasturbine kann ein Flugtriebwerk sein. In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Leitschaufel eine Leitschaufel einer Verdichterstufe, beispielsweise einer Niederdruckverdichterstufe und/oder einer Hochdruckverdichterstufe.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind mehrere, in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine angeordnete Leitschaufeln mit dem Innenring verbunden. Die Leitschaufeln und der mit den Leitschaufeln verbundene Innenring kann als Leitschaufelring oder Leitrad oder Leitradkranz bezeichnet werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Innenring dazu vorgesehen und ausgestaltet, um mit einem Dichtungsträger verbunden zu werden. Die Verbindung ist insbesondere wieder lösbar, beispielsweise mittels einer Steg-Nut-Verbindung. Beispielsweise weist der Innenring eine Nut oder einen Kragen auf, auf den der Leitschaufeh-ing der Dichtungsträger in Umfangsrichtung aufgeschoben wird.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Dichtungsvorrichtung translatorisch und/oder rotatorisch (drehbar) gegenüber der Leitschaufel angeordnet oder positioniert oder gelagert. Insbesondere kann sich die Dichtungsvorrichtung in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel bewegen. Beispielsweise kann sich die Dichtungsvorrichtung im Bereich einer Leitschaufelplattform am radial inneren Endbereich der Leitschaufel bewegen, um eine Leckageströmung zumindest zu reduzieren.
Die Dichtungsvorrichtung ist in bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen in einer offenen Anordnung positioniert, wobei mit einer "offenen Anordnung" ein geöffneter oder offener Durchströmungsquerschnitt einer Leckageströmung gemeint ist, der von der Dichtungsvorrichtung in dieser Anordnung nicht oder zumindest nicht vollständig verschlossen ist. Diese Position kann als Montageposition beschrieben werden. In der Montageposition ist die Dichtungsvorrichtung nicht oder noch nicht in einer Weise positioniert, um den Leckagestrom abzudichten oder zu reduzieren. Erst nach einem Bewegen (translatorisch und/oder rotatrisch) aus dieser Montageposition heraus wird ein Leckagestrom wirksam zumindest teilweise reduziert.
Die Dichtungsvom-ichtung ist in einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen in einer geschlossenen Anordnung zum Abdichten der Leckageströmungen positioniert. In der geschlossenen Anordnung verschließt die Dichtungsvorrichtung, oder ein Abschnitt der Dichtungsvorrichtung, zumindest teilweise einen Durchströmungsquerschnitt einer Leckageströmung.
Die Anordnung oder die Position der Dichtungsvorrichtung wird in der geschlossenen Anordnung in manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen als Hakenposition bezeichnet. In der Hakenposition kann die Dichtungsvorrichtung soweit bewegt oder verschoben sein, bis die Dichtungsvorrichtung als Anschlag an einem oder mehreren Haken anliegt. Der Haken kann als Anschlaghaken bezeichnet werden. In der Hakenposition kann die Dichtungsvorrichtung einen Spalt oder einen Bereich eines Durchströmungsquerschnitts einer Leckageströmung verschließen. In der Hakenposition kann die Dichtungsvorrichtung den Leckagestrom vorteilhaft zumindest reduzieren.
Der Anschlaghaken begrenzt in einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen den Verschiebeweg der Dichtungsvorrichtung. Der Anschlaghaken kann als Sicherungshaken bezeichnet werden. Der Anschlaghaken kann gleichfalls Drehungen der Dichtungsvorrichtung begrenzen. Der Drehpunkt zur Begrenzung der Bewegung der Dichtungsvorrichtung mittels Drehungen kann innerhalb oder außerhalb der Dichtungsvorrichtung liegen. Anders ausgedrückt kann sich die Dichtungsvorrichtung um den Drehpunkt des oder der Anschlaghaken drehen.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Dichtungsvorrichtung oder Abschnitte der Dichtungsvorrichtung mittels der Leckageströmung bewegt. Beispielsweise kann der Strömungsdruck der Leckageströmung groß genug sein, um die Position der Dichtungsvorrichtung zu verändern. Diese Bewegung der Dichtungsvorrichtung kann als druckgesteuerte Bewegung bezeichnet werden. Die Dichtungsvorrichtung oder wenigstens ein Abschnitt der Dichtungsvorrichtung kann ausschließlich von der Leckageströmung bewegt werden.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Leitschaufel um eine Längsachse der Leitschaufel drehbar gelagert. Insbesondere sind die radial inneren und/oder äußeren Enden der Leitschaufeln mit Ansätzen oder Zapfen versehen, in denen oder um die sich die Leitschaufeln drehen. Der radial äußere Zapfen kann als Außenzapfen bezeichnet werden, der radial innere Zapfen als Innenzapfen.
Der Innenzapfen kann in einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen in dem Innenring angeordnet sein oder geführt werden. Insbesondere sind in dem Innenring Buchsen, beispielsweise Lagerbuchsen angeordnet, in denen sich die Leitschaufeln drehen.
Der Verdrehwinkel der Leitschaufel um seine Längsachse kann als Verstellwinkel bezeichnet werden.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Dichtungsvorrichtung eine Platte oder ein Schieberblech.
Die Dichtungsvorrichtung ist insbesondere aus Metall hergestellt oder weist Metall auf.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Dichtungsvorrichtung eine Bohrung oder eine Durchgangsbohrung zum Durchströmen wenigstens eines Teils der Leckageströmung auf. Die Bohrung ist insbesondere senkrecht zur Oberfläche des Schieberblechs angeordnet. Mittels der Bohrung und einer druckbeaufschlagten Leckageströmung kann das Schieberblech in der Leitschaufel bewegt werden. Insbesondere wird das Schieberblech von der Montageposition in die geschlossene Position, oder Hakenposition, bewegt.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Dichtungsvorrichtung und/oder die Leitschaufel wenigstens zwei Anschlaghaken auf. Die Anschlaghaken können asymmetrisch in Bezug auf eine Mittelachse der Dichtungsvorrichtung in einer Verschieberichtung der Dichtungsvorrichtung angeordnet sein. Die Geometrie der Anschlaghaken kann derart gestaltet und optimiert sein, dass alle möglichen Positionen der Dichtungsvorrichtung, einschließlich möglicher Grenzlagen, ein Verklemmen der Dichtungsvorrichtung in der Leitschaufel verhindert.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Dichtungsvorrichtung in einer Leitradschaufelplattform taschenförmig angeordnet.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Leitschaufel und/oder die Dichtungsvorrichtung mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gefertigt. Das generative Herstellungsverfahren kann ein selektives Laserschmelzverfahren (Selective Laser Melting - SLM) sein.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Leitschaufel kann die Leckageströmung im Verbindungsbereich zwischen der Leitschaufel und dem Innenring, welcher insbesondere mit einem Dichtungsträger in einem Leitrad verbunden ist, vorteilhaft zumindest verringert werden. Eine Verringerung der Leckageströmung kann den Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine, in die das Leitrad eingebaut ist, erhöhen. Der Dichtungsträger kann eine Einaufdichtung aufweisen oder mit einer Einlaufdichtung verbunden sein.
Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen Leitschaufel eine Beeinflussung der Strömung benachbarter Leitschaufeln in einem Leitrad im Einbauzustand vorteilhaft zumindest verringert werden, indem die Leckageströmung im Verbindungsbereich zwischen der Leitschaufel und dem Innenring zumindest reduziert wird. Eine Verringerung der Beeinflussung der Strömung, insbesondere der Anströmung an der Leitschaufelvorderkante, benachbarter Leitschaufeln kann eine Verbesserung der Umströmung der benachbarten Leitschaufel zur Folge haben und damit den Wirkungsgrad der Leitschaufelumströmung vorteilhaft verbessern. Eine Verringerung der Beeinflussung der Strömung benachbarter Leitschaufeln in dem Leitrad im Einbauzustand kann die Pumpstabilität einer Verdichterstufe, in die das Leitrad eingebaut sein kann, erhöhen.
Die erfindungsgemäße Leitschaufel und/oder die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung kann vorteilhaft kostengünstig mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, insbesondere mittels des selektiven Laserschmelzens, hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:

Fig. 1: zeigt einen Ausschnitt eines Leitradkranzes gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2: zeigt einen Leckagestrom zwischen einer Leitradschaufelplattform und einem Innenring des Standes der Technik;
Fig. 3: zeigt den Leckagestrom aus Fig. 2 in perspektivischer Ansicht mit einer benachbarten Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4a,b,c: zeigen eine erfindungsgemäße Leitschaufel mit einer Dichtungsvorrichtung und zwei Anschlaghaken an der Leitschaufel;
Fig. 5a,b: zeigen eine weitere erfindungsgemäße Leitschaufel;
Fig. 6a,b: zeigen die erfindungsgemäße Leitschaufel aus den Fig. 4a und 4b in perspektivischer Ansicht;
Fig. 7a,b: zeigen die erfindungsgemäße Leitschaufel aus den Fig. 5a und 5b in perspektivischer Ansicht;
Fig. 8a,b,c: zeigen die erfindungsgemäße Leitschaufel aus den Fig. 4a, 4b, 6a und 6b mit unterschiedlichen Verstellwinkeln der Leitschaufel;
Fig. 9a,b: zeigen eine erfindungsgemäße Leitschaufel mit einer weiteren Dichtungsvorrichtung und zwei weiteren Anschlaghaken;
Fig. 10a,b,c: zeigen die erfindungsgemäße Leitschaufel aus der Fig. 9b in perspektivischen Ansichten und als Schnittdarstellung; und
Fig. 11a,b,c,d: zeigen die Schritte zur Montage der Schieberplatte aus Fig. 9a.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Leitradkranzes 100 in perspektivischer Ansicht nach dem Stand der Technik.
Der Leitradkranz 100 weist mehrere, in Umfangsrichtung u nebeneinander angeordnete Leitschaufeln 200 auf. Die Leitschaufeln 200 weisen jeweils Außenzapfen 1 auf, die am radial äußeren Ende mit einem Gehäuse einer Strömungsmaschine (in Fig. 1 nicht dargestellt), insbesondere einer Gasturbine, verbunden sind. Das radial innere Ende der Außenzapfen 1 ist mit Leitschaufelprofilen 3 verbunden.
Die radial inneren Enden der Leitschaufelprofile 3 sind mittels Stiften 5 (bzw. Zapfen) mit einem Innenring 7 des Leitradkranzes 100 verbunden (siehe Fig. 2). Der Innenring 7 ist mit einem ringförmigen Dichtungsträger 9 verbunden.
Der Innenring 7 und der Dichtungsträger 9 sind insbesondere in zwei halbkreisförmige Segmente unterteilt, die in Umfangsrichtung ineinander geschoben werden.
Der Dichtungsträger 9 kann mit Einlaufdichtungen oder Einlaufdichtsegmenten verbunden sein.
Fig. 2 zeigt einen Detailausschnitt aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung mit einer Leitradschaufelplattform 11 und dem Innenring 7 nach dem Stand der Technik.
Die Leitschaufel 200 ist mit dem Innenring 7 mittels des Stiftes 5 und einer Buchse 13 verbunden. Zur Fixierung des Stiftes 5 in dem Innenring 7 und/oder als Lagerbuchse für Drehungen der Leitschaufel 200 um eine Längsachse 14 ist zusätzlich die Buchse 13 in eine Bohrung 15 des Innenrings 7 eingefügt.
Der Dichtungsträger 9 und der Innenring 7, die beide insbesondere als halbkreisförmige Segmente ausgeführt sind, können in Umfangsrichtung u ineinander geschoben. Die Segmente sind mittels eines Sicherungsstiftes 17 im Einbauzustand gegen ein Verschieben des Dichtungsträgers 9 und des Innenrings 7 (relativ zueinander) gesichert.
Mit dem Dichtungsträger 9 sind Einlaufdichtungen 19 verbunden, die zur Ausbildung eines Dichtspalts zwischen Dichtspitzen 21, beispielsweise einer rotierenden Welle 23, vorgesehen sind. Die Einlaufdichtungen 19 sind insbesondere segmentiert über dem Umfang ausgeführt. Nach dem Stand der Technik bildet sich ein Leckagestrom 25 insbesondere zwischen der Leitschaufelplattform 11 und dem Innenring 7 aus. Der Leckagestrom 25 strömt infolge des Druckgefälles von der Druckseite des Schaufelprofils zur Saugseite.
Fig. 3 zeigt den Leckagestrom 25 aus Fig. 2 in perspektivischer Ansicht mit einer benachbarten Leitschaufel 200' nach dem Stand der Technik.
Ein Teil des Leckagestroms 25' (der Leckagestrom 25' kann als Blasstrahl bezeichnet werden) kann von dem zwischen der Leitschaufelplattform 11 und dem Innenring 7 austretenden Leckagestrom 25 der Leitschaufel 200 in Richtung der Anströmkante der benachbarten Leitschaufel 200' strömen und damit die Anströmung der Leitschaufel 200' stören. Dies kann zu Wirkungsgradeinbußen führen.
Fig. 4a zeigt in einer Schnittdarstellung in einer Ebene mit den Achsen Umfangsrichtung u und Axialrichtung a, senkrecht zur Radialrichtung r, eine erfindungsgemäße Leitschaufel 300 mit einer Dichtungsvorrichtung 27 und zwei Anschlaghaken 29, die mit der Leitschaufel 300 verbunden sind. Die Schnittdarstellung der Fig. 4a ist ca. mittig in Radialrichtung r auf der Höhe der Leitradschaufelplattform 11 (siehe Fig. 6) angeordnet.
Das Leitschaufelprofil 3 (siehe Fig. 6) ist in dieser Schnittebene nicht sichtbar, jedoch zur Verdeutlichung der Anordnung der Dichtungsvorrichtung 27 gestrichelt skizziert.
Der Stift 5 (radial innen in Bezug auf die Leitradschaufelplattform 11) ist ebenfalls gestrichelt dargestellt, da er in dieser Schnittdarstellung nicht sichtbar ist. Beispielsweise in Fig. 6a und 5b ist der Stift 5 dargestellt.
Die Dichtungsvorrichtung 27 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Schieberplatte 27 ausgeführt. In der in Fig. 4a gezeigten Schnittebene kann sich die Schieberplatte 27 in Umfangsrichtung u und in Achsrichtung a bewegen (Verschiebeweg 28), nicht jedoch in Radialrichtung r (siehe Fig. 6). Die Bewegung wird begrenzt durch die beiden Anschlaghaken 29, an denen die beiden Absätze 31 der Schieberplatte 27 anliegen können.
Die in Fg. 4a gezeigte Position der Schieberplatte 27 kann als Montageposition bezeichnet werden.
Die Schieberplatte 27 kann sich innerhalb der beschriebenen Bewegungsfreiheit um einen Drehpunkt 33 der Anschlaghaken 29 mit einem Verdrehwinkel 30 drehen.
Mit einer gestrichelten Darstellung wird die Schieberplatte 27 in einer Hakenposition 35 gezeigt. In der Hakenposition 35 ist der maximale Verschiebeweg der Schieberplatte 27 in Bezug auf die Ausgangsposition (Montageposition) erreicht.
Der Kreis 37 stellt die Bohrung 37 im Innenring 7 zur Aufnahme der Leitradschaufelplattform 11 der Leitschaufel 300 dar (siehe Fig. 1 und Fig. 2). Bei einem möglichen Verschleiß dieser Bohrung 37 infolge von beispielsweise Drehungen der erfindungsgemäßen Leitschaufel 300 um deren Längsachse 14 (senkrecht zur Zeichenebene) und/oder infolge von thermischen Materialausdehnungen im Betrieb kann die Bohrung 37 des Innenrings 7 versetzt sein oder werden. Der gestrichelte Kreis 39 stellt eine maximale Versetzung der Bohrung 37 infolge von Verschleiß dar.
In Bezug auf die zuvor beschriebene Hakenposition 35 der Schieberplatte 27 kann die Schieberplatte 27 zumindest teilweise den Spalt 41 zwischen der äußeren Begrenzung 43 der Leitradschaufelplattform 11 und der Bohrung 37 abdecken bzw. verschließen und somit einen Leckagestrom 25 (siehe Fig. 3), zumindest teilweise, unterbinden.
Weiterhin ist in Fig. 4a eine Zugangsbohrung 45 dargestellt, die in der Unterseite (radial innere Seite) der Leitradschaufelplattform 11 angeordnet ist. Die Funktion der Zugangsbohrung 45 wird in Fig. 4b beschrieben.
Fig. 4b zeigt die Schieberplatte 27 in einer gegenüber der Ausgangsposition oder Ausgangslage (Montageposition) verschobenen Position, in der der Spalt 41 bereichsweise mittels der Schieberplatte 27 abgedeckt oder verschlossen ist. Diese Position kann als Nominalposition (in eingebautem Zustand und druckbeaufschlagt) bezeichnet werden.
Die Schieberplatte 27 liegt im Bereich 47 an der Bohrung 37 des Innenrings 7 an. Der in Fig. 4b obere Absatz 31 der Schieberplatte 27 liegt am oberen Anschlaghaken 29 an. Dagegen liegt der untere Absatz 31 nicht an dem unteren Anschlaghaken 29 an. Dies wäre allerdings bei einer verschlissenen Bohrung 39 (siehe Fig. 4a) zumindest möglich.
Die Schieberplatte 27 kann von der Ausgangsposition (Fig. 4a) in die verschobene Position (Fig. 4b) mittels einer durch die Zugangsbohrung 45 hindurchfliesenden Strömung bzw. der durch diese Strömung verursachten Druckkraft bewegt und verschoben werden. Die Richtung der Druckkraft dieser Strömung wird durch den Pfeil 49 dargestellt.
Fig. 4c zeigt eine alternative, verschobene Kontur 51 (oder Kontur-Rücknahme) der Schieberplatte 27. Aufgrund der verschobenen Kontur 51 verschiebt sich der anliegende Bereich 47' der Schieberplatte 27 an der Bohrung des Innenrings 7 ebenfalls. In der hier exemplarisch dargestellten möglichen alternativen Kontur 51 verschiebt sich der anliegende Bereich 47' (oder anliegende Punkt) in Fig. 4c nach unten. Andere Konturformen könnten den anliegenden Bereich 47' beispielsweise noch weiter nach unten verschieben oder weiter nach oben.
Eine Verschiebung des anliegenden Bereichs 47' hat Auswirkungen auf den überdeckten oder verschlossenen Bereich des Spalts 41 zwischen der Bohrung 37 (oder der verschlissenen Bohrung 39) und der äußeren Begrenzung der Leitradschaufelplattform 43. Dies kann insbesondere dann relevant und vorteilhaft sein, wenn der Ausströmbereich des Leckageausstroms 25 (siehe Fig. 3) möglichst genau abgedeckt werden soll, um beispielsweise den Wirkungsgrad gezielt zu optimieren. Weiterhin kann der Ausströmbereich des Leckageausstroms 25 durch die Drehung der erfindungsgemäßen Leitschaufel 400 um seine Längsachse 14 verändert und beeinflusst werden. Die Drehung der erfindungsgemäßen Leitschaufel 400 bzw. die Stellung des Leitschaufelprofil 3 in Bezug auf seine Anströmung kann wesentlich von den Strömungsbedingungen in der Strömungsmaschine abhängen, die beispielsweise von einem Volllast- oder Teillastbetriebszustand beeinflusst wird.
Fig. 5a zeigt eine weitere erfindungsgemäße Leitschaufel 300'. Die Anschlaghaken 29' sind versetzt (oder umgedreht) gegenüber der Anordnung aus den Fig. 4a-c angeordnet. Die Absätze 31' der Schieberplatte 27' sind entsprechend der Anschlaghaken 29' ebenfalls versetzt angeordnet. Die Schieberplatte 27' ist in der Ausgangsposition oder Montageposition positioniert.
Die übrige Beschreibung aus den Fig. 4a-c gilt analog für Fig. 5a.
Fig. 5b zeigt die weitere erfindungsgemäße Leitschaufel 300' aus Fig. 5a in einer druckbeaufschlagten Position (oder Nominalposition). Die Schieberplatte 27' liegt in dem Bereich 47' an der Bohrung 37' an.
Fig. 6a zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300 aus den Fig. 4a und Fig. 4b in einer perspektivischer Ansicht.
In dieser Ansicht ist ein Schlitz 53 in der Leitradschaufelplattform 11 sichtbar, in dem die Schieberplatte 27 beweglich angeordnet ist (in der Ebene mit der Axialrichtung a und der Umfangsrichtung u). In der Montageposition der Schieberplatte 27 ist die Schieberplatte 27 vollständig in dem Schlitz 53 integriert und ragt nicht über die äußere Begrenzung 43 der Leitschaufelplattform 11 hinaus.
Insbesondere in einer druckbeaufschlagten Position der Schieberplatte 27, in der eine Druckkraft von der radial inneren Seite der Leitradschaufelplattform 11 (in Fig. 6a verdeckt unterhalb der Leitradschaufelplattform 11) auf die die Schieberplatte 27 wirkt, kann die Schieberplatte 27 aus dem Schlitz 53 herausragen, jedoch nicht herausfallen. Ein Herausfallen der Schieberplatte 27 wird durch die Anschlaghaken 29 an der Leitschaufel 300 und den Absätzen 31 an der Schieberplatte 27 verhindert.
Fig. 6b zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300 aus Fig. 6a in einer gedrehten, perspektivischer Ansicht von radial innen nach radial außen gesehen.
In dieser Ansicht ist die offene Zugangsbohrung 45 direkt einsehbar.
Fig. 7a zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300' aus den Fig. 5a und Fig. 5b in perspektivischer Ansicht.
Gegenüber der erfindungsgemäßen Leitschaufel 300 aus den Fig. 4a, 4b, 4c und aus den Fig. 6a und 6b ist der Anschlaghaken 29' an der Leitschaufel 300' im äußeren Bereich der Leitradschaufelplattform 11' angeordnet. Der Absatz 31' der Schieberplatte 27' ist dagegen weiter innen angeordnet.
Die Schieberplatte 27' ragt über die äußere Begrenzung 43' der Leitradschaufelplattform 11' hinaus. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schieberplatte 27' im eingebauten Zustand der Leitschaufel 300' druckbeaufschlagt ist, das heißt, die Schieberplatte 27' ist in Folge einer druckbeaufschlagen Durchströmung (insbesondere eines Leckagestroms) durch die Zugangsbohrung 45' nach außen bewegt oder verschoben worden.
Fig. 7b zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300' aus Fig. 7a in einer gedrehten, perspektivischer Ansicht von radial innen nach radial außen gesehen, mit der offenen Zugangsbohrung 45'.
Fig. 8a zeigt drei unterschiedliche Ausführungsformen von Leitschaufeln 200, 300, 300' in einem Innenring 7 in perspektivischen Ansichten.
Die Leitschaufel 200 entspricht dem Stand der Technik und wurde in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Leitschaufel 300 wurde in den Fig. 4a-c und Fig. 6a,b beschrieben, die erfindungsgemäße Leitschaufel 300' wurde in den Fig. 5a,b und Fig. 7a,b beschrieben.
Fig. 8b zeigt zwei erfindungsgemäße Leitschaufeln 300 in einem gegenüber der Fig. 8a veränderten Stellwinkel. Als Stellwinkel wird der Winkel der Leitschaufel 300 um seine Längsachse bezeichnet. Die Leitschaufelprofile 3 der Leitschaufeln 300 sind in Fig. 8b gegenüber Fig. 8a weiter in Umfangsrichtung u ausgerichtet. Dieser veränderte Stellwinkel hat einen Einfluss auf die Schieberplatte 27. In Fig. 8a wird die Schieberplatte 27 der Leitschaufel 300 in eine Richtung schräg zur Umfangsrichtung u und zur Achsrichtung a bewegt, um den Spalt 41 (und den durch den Spalt hindurchtretenden einen Leckagestrom) mittels der Schieberplatte 27 abzudichten. In Fig. 8b ist die Schieberplatte 27 in eine Richtung fast parallel zur Achsrichtung a ausgerichtet, um den Spalt 41 abzudichten.
Fig. 8c zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Leitschaufeln 300 aus Fig. 8b in einer anderen perspektivischen Ansicht.
Je nach Stellwinkel der Leitschaufeln 300 kann zumindest ein Bereich der Leitschaufelplattform 11 über die Oberfläche des Innenrings 7 hinausragen. Die konstruktive Ausgestaltungen der Schieberplatte 27, des Schlitzes 53, des Anschlaghaken 29 und des Absatzes 31 wurden derart ausgeführt, dass ein Verklemmen weitgehend ausgeschlossen ist und die Funktion der Schieberplatte 27 sichergestellt wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Anschlaghaken 29 mit unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten, wie beispielsweise der Positionierung der Drehpunktlage der Anschlagshaken 33 (siehe Fig. 4a), ausgeführt werden.
Weiterhin kann die Form des über die äußere Begrenzung 43 der Leitradschaufelplattform 11 herausragenden Bereichs der Schieberplatte 27 und/oder der Positionierung (Tiefenlage) der Schieberplatte 27 mit dem korrespondierenden Anlagebereich 47 (siehe Fig. 4b und Fig. 4c) an der Bohrung des Innenrings 37 derart ausgeführt sein, dass dieser Anlagebereich 47 auch bei maximalen Verstellwinkeln und maximalem Verschleiß der Bohrung des Innenrings 37 (Versatz der Innenring-Bohrung) noch zustande kommt.
Fig. 9a zeigt eine weitere erfindungsgemäße Leitschaufel 300" mit einer weiteren Dichtungsvorrichtung 27" und zwei weiteren Anschlaghaken 29" in einer Montageposition zur Innenringmontage. In dieser Montageposition kann die Leitschaufel 300" in einen Innenring 7 (siehe Fig. 8a bis 8c) eingesetzt oder montiert werden. Der Innenring 7 wird durch den Kreis 37 oder die Bohrung 37 in Fig. 9a angedeutet.
Die weitere Dichtungsvorrichtung 27" ist als Schieberplatte 27" ausgeführt. Sowohl die Schieberplatte 27" als auch die zwei weiteren Anschlaghaken 29" sind konstruktiv derart ausgeführt, dass die Schieberplatte 27" als elastisches Element auf oder über die Anschlaghaken 29" geschoben und montiert werden kann. Dieser Montagevorgang wird in den Fig. 11a bis 11d näher beschrieben.
Die weitere Zugangsbohrung 45' weist, im Gegensatz zu der zuvor dargestellten kreisrunden Zugangsbohrung 45 in den Fig. 4 bis 8, eine abgerundete Dreiecksform. Diese Dreiecksform weist eine gegenüber der kreisrunden Querschnittsform größere Querschnittsform zum Durchströmen von Fluid auf. Damit kann die durch diese Strömung verursachte Druckkraft vorteilhaft einfacher und besser die Schieberplatte 27" im Betriebszustand oder im Einsatzfall bewegen und den Spalt 41 zum Innenring 7 hin zumindest teilweise schließen. Damit kann die zuvor diskutierte Leckageströmung 25 zumindest teilweise reduziert werden.
Fig. 9b zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300" aus Fig. 9a im geschlossenen Zustand. Im geschlossenen Zustand, im Gegensatz zum offenen Zustand oder Montagezustand aus Fig. 9a, verschließt der Schieber 27" den Spalt 41 in gewissen Bereichen. Dieser Bereich ist konstruktiv derart gewählt, dass eine Spaltströmung 25 oder Leckageströmung 25 (siehe Fig. 2) auf der Saugseite des Schaufelprofils 3 zumindest teilweise reduziert wird.
Der Schieber 27" ist infolge der Druckkraft der Strömung durch die Zugangsbohrung 45' in Richtung des Verschiebewegs 28 bis zum Rand der Bohrung 37 des Innenrings 7 verschoben.
Der Schieber 27" liegt mit den beiden Absätzen 31" an den Anschlaghaken 29" an.
Die Anordnung dieser erfindungsgemäßen Leitschaufel 300" entspricht einer Variante, die keinen Drehpunkt 33 (siehe Fig. 4a) aufweist.
Die Schnittebene B-B ist in Fig. 10c dargestellt.
Fig. 10a zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300" aus der Fig. 9b in einer perspektivischen Ansicht. Für den Schieber 27", den Anschlaghaken 29" etc. gilt die analoge Diskussion zu Fig. 6a.
Fig. 10b zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300" aus der Fig. 9b in weiteren perspektivischen Ansicht. Die Diskussion zur Fig. 6b gilt hier analog für die geänderte Ausgestaltung des Schiebers 27", den Anschlaghakens 29" und weiterer geänderter Bereiche.
Fig. 10c zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel 300" aus der Fig. 9b als Schnittdarstellung B-B. In dieser Ansicht ist die Zugangsbohrung 45' zum Verschieben der Schieberplatte 27" innerhalb der Leitschaufelplattform 11 deutlich sichtbar.
Fig. 11a zeigt den ersten Schritt zur Montage der Schieberplatte 27" auf die Anschlaghaken 29" der Leitschaufelplattform 11" der erfindungsgemäßen Leitschaufel 300".
Zunächst wird die Schieberplatte 27" mit dem oberen Absatz 31" an den oberen Anschlaghaken 29" angesetzt und eingehakt. Anschließend wird der untere Absatz 31" zunächst an den unteren Anschlaghaken 29" angesetzt oder angelegt.
Fig. 11b zeigt den zweiten Schritt zur Montage der Schieberplatte 27" auf die Leitschaufelplattform 11". Die Schieberplatte 27" wird in Pfeilrichtung 55 bewegt oder gedrückt, so dass der untere Absatz 31" mittels einer elastischen Verformung der Schieberplatte 27" über den Anschlaghaken 29" geschoben werden kann. Dieser Vorgang kann als "einclipsen" bezeichnet werden.
Fig. 11c zeigt den dritten Schritt zur Montage der Schieberplatte 27". Die Schieberplatte 27" ist in der montierten Position und die Leitschaufel 300" kann auf den Innenring 7 aufgeschoben oder mit diesem verbunden werden (siehe Fig. 8a bis 8c). In dieser Montageposition ist der Spalt 41 noch nicht geschlossen.
Fig. 11d zeigt den vierten Schritt zur Montage der Schieberplatte 27". Dieser Schritt ist der eigentlichen Montage nicht mehr zuzurechnen. In diesem Schritt erfolgt das Aufbringen von Druck durch die Zugangsbohrung 45' (siehe Fig. 10c) zum Bewegen und Verschließen des Spalts 41, zumindest in einem Teilbereich des Spalts 41 (siehe Fig. 9b). Anschließend liegt die Schieberplatte 27" an der Bohrung 37 des Innenring 7 an. Dieser Bereich ist als anliegender Bereich 47" der Schieberplatte 27" dargestellt.
Die Position der Schieberplatte 27" kann als Dicht-Position bezeichnet werden.

Bezugszeichenliste

100: Leitrad; Leitradkranz
200: Leitschaufel, nach dem Stand der Technik
300: erfindungsgemäße Leitschaufel
a: axial; Axialrichtung
r: radial; Radialrichtung
u: Umfangsrichtung
1: Außenzapfen
3: Leitschaufelprofil
5: Stift; Zapfen
7: Innenring
9: Dichtungsträger
11,11': Leitradschaufelplattform
13: Buchse
14: Längsachse der Leitschaufel
15: Bohrung
17: Sicherungsstift
19: Einlaufdichtung
21: Dichtspitzen
23: Welle
25: Leckagestrom
27,27': Dichtungsvorrichtung; Schieberplatte
28: Verschiebeweg
29,29': Anschlaghaken an der Leitschaufel
30: Verdrehwinkel
31,31': Absatz der Schieberplatte
33: Drehpunkt der Anschlaghaken
35: Hakenposition der Schieberplatte
37: Kreis; Bohrung
39: Bohrung verschlissen
41: Spalt
43,43': äußere Begrenzung der Leitradschaufelplattform
45: Bohrung; Zugangsbohrung
47,47': anliegender Bereich der Schieberplatte
49: Richtung der Druckkraft der Strömung durch die Zugangsbohrung
51: alternative Kontur der Schieberplatte
53: Schlitz
55: Pfeih-ichtung

Claims

Leitschaufel (300) für eine Strömungsmaschine, mit einer Dichtungsvorrichtung (27, 27') am radial inneren Endbereich der Leitschaufel (300), zum Abdichten von Leckageströmungen (25) zwischen der Leitschaufel (300) und einem mit der Leitschaufel (300) verbundenen Innenring (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichtungsvorrichtung (27, 27') beweglich gegenüber der Leitschaufel (300) angeordnet ist, und die Dichtungsvorrichtung (27, 27') wenigstens in einer offenen oder in einer geschlossenen Anordnung zum Abdichten der Leckageströmungen (25) positionierbar ist.
Leitschaufel (300) nach Anspruch 1, wobei die Leitschaufel (300) und/oder die Dichtungsvorrichtung (27, 27') wenigstens einen Anschlaghaken (29, 29') zum Begrenzen eines Verschiebewegs (28) und/oder eines Verdrehwinkels (30) der Dichtungsvorrichtung (27, 27') aufweist.
Leitschaufel (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leitschaufel (300) um eine Längsachse (14) hiervon drehbar gelagert ist.
Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichtungsvorrichtung (27, 27') eine Platte oder ein Schieberblech ist.
Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichtungsvorrichtung (27, 27') eine Bohrung zum Durchströmen für wenigstens einen Teil der Leckageströmung (25) aufweist.
Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichtungsvorrichtung (27, 27') und/oder die Leitschaufel (300) wenigstens zwei Anschlaghaken (29, 29') aufweist, wobei die Anschlaghaken (29, 29') asymmetrisch in Bezug auf eine Mittelachse der Dichtungsvorrichtung (27, 27') in einer Verschieberichtung der Dichtungsvorrichtung (27, 27') angeordnet ist.
Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichtungsvorrichtung (27, 27') in einer Leitradschaufelplattform (11, 11') taschenförmig angeordnet ist.
Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Leitschaufel (300) und/oder die Dichtungsvorrichtung (27, 27') mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gefertigt sind.
Leitrad (100) mit wenigstens einer Leitschaufel (300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Strömungsmaschine mit einem Leitrad (100) nach Anspruch 9, wobei die Strömungsmaschine eine Gasturbine oder eine Flugtriebwerk ist.