EP3176385A1 - Leitschaufelkranzgehäuse für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine mit leitschaufelkranzgehäuse - Google Patents

Leitschaufelkranzgehäuse für eine strömungsmaschine und strömungsmaschine mit leitschaufelkranzgehäuse Download PDF

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EP3176385A1
EP3176385A1 EP15198097.6A EP15198097A EP3176385A1 EP 3176385 A1 EP3176385 A1 EP 3176385A1 EP 15198097 A EP15198097 A EP 15198097A EP 3176385 A1 EP3176385 A1 EP 3176385A1
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EP
European Patent Office
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receptacles
housing
vane
guide
turbomachine
Prior art date
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Application number
EP15198097.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3176385B1 (de
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Vitalis Mairhanser
Lothar Albers
Georg Zotz
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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Priority to US15/367,930 priority patent/US20170159467A1/en
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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
    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • 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
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/128—Nozzles

Definitions

  • the invention relates to a vane ring housing for a turbomachine, a segment of a vane ring housing, a kit for a turbomachine and a turbomachine with a vane ring housing.
  • Turbomachines such as aircraft engines and stationary gas turbines often have at least one compressor-side vane row with a plurality of vanes for setting optimum operating conditions.
  • the guide vanes preferably have, at a region to be positioned radially inward, and in a region to be positioned radially outside, in each case a blade plate, which may each have a pin on its side facing away from the blade leaf.
  • the vanes to be mounted or mounted between inner ring and vane ring housing are advantageously mounted pivotably about their longitudinal axis.
  • the pins which are mounted on the vane ring housing (and which are then referred to as "adjustment pin") cooperate with an adjusting device, via which a pivoting can be effected.
  • the vane ring housing may be composed of a plurality of vane ring housing parts, which may each have recordings for blade plates.
  • Such vane ring housing parts may include, for example, ring segments and / or axially separate parts.
  • the guide vane ring housing preferably has a plurality of receptacles extending in the radial direction, in each of which a corresponding blade plate of a guide vane is or can be inserted. Such a blade plate is used for stabilization or storage of the guide vanes.
  • the receptacle may be adapted to also receive a pin arranged on the blade plate, possibly together with an associated bushing and / or a sliding disk for the blade plate.
  • the recordings in the vane ring housing are separated in the circumferential direction by respective partitions.
  • the partition wall of the turbomachine can be bent in the direction of an adjacent receptacle and thus affect the pivotability of a guide blade inserted therein.
  • the number of shovel plate seats is determined by the given bucket plate sizes as well as the minimum wall thickness to be maintained. These parameters thus have a restrictive effect on a design of the turbomachine with a large number of pivotable guide vanes or large vanes.
  • a design and / or a minimum size of the blade plates is often aerodynamically and / or structurally advantageous.
  • the object of the present invention is to provide a technique which enables an aerodynamically and / or structurally improved design of a row of guide vanes.
  • An inventive vane ring housing for a turbomachine has an inner housing surface which extends (preferably substantially along a cylindrical or conical surface) about a central (geometric) axis and faces this axis; the central axis is preferably arranged such that in the assembled state, a rotational axis of a rotor inserted into the guide vane ring housing coincides with the central axis.
  • a plurality of receptacles each for a blade plate of a vane is arranged. Between at least two adjacent receptacles, the housing surface has a radial recess, which connects the two receptacles (in the circumferential direction) with each other.
  • a segment of a vane ring housing according to the invention can be combined with at least one further segment to form a vane ring housing according to the invention (according to one of the embodiments disclosed in this document). It comprises the at least two adjacent, by a radial recess interconnected shots for blade plate.
  • an inventive segment is designed as a ring segment, for example as a half, third or quarter ring.
  • An inventive kit for a turbomachine comprises an inventive Leitschaufelkranzgepuse according to one of the disclosed embodiments in this document and one or more vanes, which are each inserted or used in one of the receptacles of the vane ring housing.
  • a turbomachine according to the invention comprises a guide blade row, which has a plurality of guide vanes and a guide vane housing according to the invention one of the disclosed in this document embodiments, in whose receptacles each a guide plate of the vanes is inserted.
  • An inventive vane ring housing, an inventive segment of a vane ring housing, a kit according to the invention and a turbomachine according to the invention advantageously each allow an arrangement of vanes in which minimizes a distance between adjacent vane plates and nevertheless the risk of deformation of a recording can be avoided: Especially if two adjacent Recordings have circular cylindrical shaped sections, they run radially inwardly towards each other. In the region of the (the central axis facing) inner housing surface, they therefore have a minimum distance from each other. According to the present invention, no minimum distance needs to be maintained in this area in order to prevent an excessively thin partition wall from unfavorably deforming in this area. According to the invention, in this narrowest area there is a recess in the housing surface between the receptacles, so that a partition wall that could deform, there is nonexistent.
  • a guide vane ring according to the invention makes possible the design with a large number of guide vanes or with large guide vanes, and thus an improvement in the efficiency and durability of a turbomachine.
  • the at least two receptacles on the same dimensions are formed consistently.
  • a variant embodiment is advantageous in which the at least two receptacles each have a substantially circular-cylindrical section (for example a circular-cylindrical bore) which extends radially relative to the central axis of the guide vane ring housing.
  • Such recordings can record correspondingly shaped guide plate plates with a circular cylindrical section, which allows a particularly secure and stable storage and pivoting of the guide vanes.
  • the at least two receptacles are each adapted to receive a stator blade, which at the the blade leaf facing away (or opposite) side has a cylindrical adjusting pin.
  • the at least two receptacles may each have two concentric cylindrical sections, of which a radially further outward (for receiving an adjusting pin) is narrower than the radially further inward (for receiving the plate itself).
  • the recess preferably extends in the radial direction (relative to the vane ring housing or a rotation shaft) to at most one (radial) depth of the radially inner cylindrical section of the receptacles.
  • the receptacles in such a radially inward portion have a radial depth (i.e., radial extent into the vane ring housing) which is preferably between 2 mm and 3 mm.
  • a radial depth i.e., radial extent into the vane ring housing
  • Such dimensions allow a pickup of Leitschaufeltellern usual thickness (and possibly also a sliding disk), without the radially inner surface to be arranged of the guide blade plate protrudes from the inner housing surface (which would be disadvantageous in terms of flow).
  • the recess has a radial extent which is smaller than a radial depth of at least one of the receptacles or a radially inner cylindrical portion of the receptacle.
  • a partition is formed, which extends radially between a bottom surface of at least one of the receptacles and the radial recess;
  • the bottom surface is a surface that limits at least a portion of the receptacle radially outward.
  • the bottom surface preferably forms a radial bearing surface for the blade plate and is disposed in the bottom surface an opening through which the adjusting pin can be pushed.
  • the said partition wall is thus preferably located radially further outward than the recess which connects the adjacent receptacles to one another. If necessary, circular-shaped sections of the receptacles are located farther apart in this area, so that there is no risk of deformation of the dividing wall.
  • the partition wall thus allows a safe and stable storage of inserted guide vanes and possibly a stable positioning of a sliding disk between the bottom surface and the blade plate and thus in a region in which a partition wall thickness is not critical due to the radially outwardly spaced receptacles.
  • the partition wall has a base surface which is concave on both sides in the circumferential direction (concave); In this way, it can record an annular sliding disk with a precise fit and thus low-leakage.
  • the partition has a radial height which is between 1 mm and 1.5 mm.
  • a radial height is a distance between a bottom of at least one of the receptacles and the radial recess; If the at least two receptacles have different radial depths, a bottom of that receptacle is to be selected which has the smaller depth.
  • Such a radial height reduces leakage between the at least two receptacles in a region which is not critical for the dividing wall thickness, and also makes it possible to receive a sliding disk provided between the receiving floor and a guide blade insert to be inserted.
  • the partition wall in the axial direction has a length which is between 10 mm and 20 mm; In this way, an unfavorably small partition wall thickness can be avoided laterally of a center of the recess (for example located in a narrowest area between two receptacles).
  • the dividing wall preferably has a thickness which is between 0.3 mm and 0.5 mm. This can on the one hand a deformation of the On the other hand, such a thickness allows an advantageously narrow design of the guide vanes during insertion of the guide vanes or in use prevented.
  • Sliding discs are preferably inserted into the receptacles between the vane ring housing and the guide vanes;
  • An inventive kit or a turbomachine according to the invention may preferably comprise such sliding disks. You can a friction reduction when adjusting the vanes are effected.
  • FIG. 1 For example, a segment of a conventional vane ring housing 10 is illustrated that is substantially semi-annular in the present example. Together with a further, analogously formed (and not shown) segment, the vane ring housing 10 has a (abstract) central geometric axis A, which coincides with mounted turbomachine with the axis of rotation of a (not shown in the figure) rotor. For assembly or assembly with other parts of the vane ring housing, the segment shown has a mounting edge 19 with holes for fittings.
  • segment of a vane ring housing 10 has on its inner housing surface 11 three axially behind each other (in the illustration below each other) arranged annular areas, each comprising a plurality of receptacles 12 for blade plate of vanes.
  • the regions have different radii, so that the inner surface of the housing in the intended skin flow direction R (in the figure from bottom to top) gradually tapers in the sections.
  • Between the sections with the receptacles 12 are each Areas of the housing surface 11, which are arranged on a cylindrical surface.
  • the receptacles 12 each have a pin receptacle 17, which is adapted to receive an adjustment pin on a guide plate.
  • a radially outer adjusting mechanism (not shown), the adjustment pins and thus the associated guide vanes can preferably be pivoted.
  • the guide vanes 20 have, on the side opposite the blade plates 21a, respective blade plates 21b, which are set up to be inserted in receptacles in an inner ring (not shown).
  • the receptacles 12 are separated from one another in a conventional manner by partitions.
  • these partitions are very thin, so that it can be as described above to deformations.
  • FIG. 2 a portion of a housing surface 11 of a vane ring according to the invention is outlined; the housing surface faces a central axis (not shown) of the vane ring housing.
  • receptacles 12 ' are arranged to be used in the radially outer blade plates suitable vanes.
  • the openings of the receptacles 12 'in the housing surface 11 opposite the receptacles each have an annular bottom surface 14, in the center of a pin receptacle 17 for a Adjustment of the respective vane is arranged.
  • the receptacles 12 'are each shaped the same and in particular have a circular cylindrical basic shape, from which (concentric) the (likewise circular cylindrical) pin receptacle 17 is arranged.
  • the housing surface 11 has between in the FIG. 2 shown adjacent receptacles 12 'has a radial recess 16 which connects the adjacent recordings together.
  • the recesses each have a radial depth t, which is preferably in a range of 1 mm to 1.5 mm.
  • a partition wall 15 is formed, which extends between the bottom 14 of the receptacles and the recess 16 (or radially relative to a central axis of the vane ring housing).
  • the partition 15 has a radial height h, which is preferably between 1 mm and 1.5 mm. Such a height allows an advantageous centering of the blade plates or sliding disks to be used and reduces leakage in this area.
  • the partition wall In the axial direction (with respect to a central axis of the vane ring housing), the partition wall has a length 1; this is preferably between 10 mm and 20 mm.
  • the dividing wall 15 has a base area which is curved inward in the circumferential direction on both sides.
  • the partition wall 15 at its thickest point (at their ends) has a thickness d 1 and at its thinnest point has a thickness d 2 ; preferably d 2 is in a range of 0.3 mm to 0.5 mm;
  • the risk of deformation of the partition can be minimized.
  • the thickness d 1 (at the thickest point of the partition 15) results from d 2 , the length of the partition and the radius of the receptacles 12 '.
  • d 1 is in a range between 2.5 mm and 3 mm.
  • FIG. 3 a section of a vane ring housing 10 'according to the invention is shown.
  • the vane ring housing 10 ' has a housing surface 11 with receptacles 12', of which adjacent are each connected by a recess 16 in the housing surface 11 with each other.
  • a bottom surface 14 of the receptacles these each have a pin receptacle 17 into which a bushing 31 for the adjusting pin 23 of a guide blade 20 is inserted.
  • FIG. 3 In an exploded view is in the FIG. 3 exemplifies how such a vane 20 is to be used with a stator blade 21a and the adjusting pin 23 extending therefrom in the vane ring housing; between the blade plate 21a and the bottom surface of the receptacle 12 'while a sliding disk 30 is used, which is designed as a ring through which the adjustment pin is pushed.
  • An inventive vane ring housing 10 'for a turbomachine has a about a central axis A extending and the axis facing housing surface 11 in which a plurality of receptacles 12' is arranged in each case for a blade plate 21a of a guide vane 20. Between at least two adjacent receptacles 12 ', a radial recess 16 is arranged in the housing surface 11, which connects the two receptacles together.
  • a segment according to the invention of a vane ring housing according to the invention (according to one of the embodiments disclosed in this document) comprises the at least two adjacent receptacles 12 'interconnected by a radial recess 16.
  • An inventive kit for a turbomachine comprises an inventive vane ring housing 10 '(according to one of the embodiments disclosed in this document) and one or more of vanes 20, which are each in one of the receptacles 12' are inserted and / or of which at least one part are used ,
  • a turbomachine according to the invention comprises a plurality of guide vanes 20 and a guide vane housing 10 'according to the invention (according to one of the embodiments disclosed in this document), in whose receptacles 12' a guide blade plate 21a of the guide vanes is inserted.

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

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse 10` für eine Strömungsmaschine weist eine um eine zentrale Achse A verlaufende und der Achse zugewandte Gehäuseoberfläche 11 auf, in der eine Mehrzahl an Aufnahmen 12' jeweils für einen Schaufelteller 21a einer Leitschaufel 20 angeordnet ist. Zwischen mindestens zwei benachbarten Aufnahmen 12' ist in der Gehäuseoberfläche 11 eine radiale Ausnehmung 16 angeordnet, die die beiden Aufnahmen miteinander verbindet.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfasst eine Mehrzahl an Leitschaufeln 20 sowie ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse 10', in dessen Aufnahmen 12' je ein Leitschaufelteller 21a der Leitschaufeln eingesetzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelkranzgehäuse für eine Strömungsmaschine, ein Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses, einen Bausatz für eine Strömungsmaschine und eine Strömungsmaschine mit einem Leitschaufelkranzgehäuse.
  • Strömungsmaschinen (wie z.B. Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen) haben zur Einstellung optimaler Betriebsbedingungen häufig mindestens eine verdichterseitige Leitschaufelreihe mit einer Vielzahl von Leitschaufeln. Die Leitschaufeln weisen vorzugsweise an einem radial innen zu positionierenden Bereich und in einem radial außen zu positionierenden Bereich jeweils einen Schaufelteller auf, der an seiner dem Schaufelblatt abgewandten Seite jeweils einen Zapfen aufweisen kann. Radial innen sind die Leitschaufeln an einem Innenring zu fixieren bzw. fixiert und radial außen an einem Leitschaufelkranzgehäuse ; die Bezeichnungen "radial", "axial" und "Umlaufrichtung" beziehen sich in dieser Schrift - sofern nichts anderes angegeben ist - stets auf eine zentrale geometrische Achse des Leitschaufelkranzgehäuses (in Richtung eines vorgesehenen Hauptstroms), an der eine Rotationsachse eines Rotors in dem Leitschaufelkranzgehäuse zu positionieren bzw. positioniert ist. In montiertem Zustand stimmen die zentrale geometrische Achse des Leitschaufelkranzgehäuses und eine zentrale Achse des Innenrings somit vorzugsweise überein.
  • Die zwischen Innenring und Leitschaufelkranzgehäuse zu montierenden bzw. montierten Leitschaufeln sind vorteilhafterweise um ihre Längsachse verschwenkbar gelagert. Dazu können die Zapfen, die am Leitschaufelkranzgehäuse montiert sind (und die dann als "Verstellzapfen" bezeichnet werden) mit einer Verstelleinrichtung zusammenwirken, über die eine Verschwenkung bewirkt werden kann.
  • Das Leitschaufelkranzgehäuse kann aus mehreren Leitschaufelkranzgehäuseteilen zusammengesetzt sein, die jeweils Aufnahmen für Schaufelteller aufweisen können. Derartige Leitschaufelkranzgehäuseteile können beispielsweise Ringsegmente und/oder axial getrennte Teile umfassen.
  • Das Leitschaufelkranzgehäuse weist vorzugsweise eine Mehrzahl an sich in radialer Richtung erstreckenden Aufnahmen auf, in die jeweils ein entsprechender Schaufelteller einer Leitschaufel eingesetzt ist bzw. werden kann. Ein derartiger Schaufelteller dient einer Stabilisierung bzw. einer Lagerung der Leitschaufeln. Die Aufnahme kann dazu eingerichtet sein, auch einen am Schaufelteller angeordneten Zapfen aufzunehmen, ggf. zusammen mit einer zugehörigen Buchse und/oder einer Gleitscheibe für den Schaufelteller.
  • Die Aufnahmen im Leitschaufelkranzgehäuse sind in Umfangsrichtung durch jeweilige Trennwände voneinander getrennt.
  • Bei der Herstellung des Leitschaufelkranzgehäuses sowie beim Betrieb des Leitschaufelkranz besteht die Gefahr, dass eine derartige Trennwand teilweise nachgibt und auf diese Weise in eine benachbarte Aufnahme hineingedrückt wird, die dadurch nicht mehr ihre exakte Form hat; dies kann ein vorgesehenes Aufnehmen eines Schaufeltellers verhindern. Auch im Betrieb kann die Trennwand der Strömungsmaschine in Richtung einer benachbarten Aufnahme verbogen werden und damit die Verschwenkbarkeit einer darin eingesetzten Leitschaufel beeinträchtigen.
  • Um die Gefahr einer derartigen Verformung der Aufnahmen zu mindern, werden daher herkömmliche Leitschaufelkranzgehäuse mit einer Mindestwandstärke für die Trennwände gefertigt, die diese an ihrer dünnsten Stelle aufweisen müssen.
  • Bei gegebenem innerem Umfang des Leitschaufelkranzgehäuses ist die Anzahl an Aufnahmen für Schaufelteller (und damit die Anzahl an montierbaren Leitschaufeln) durch die gegebenen Schaufeltellergrößen sowie die einzuhaltende Mindestwandstärke bestimmt. Diese Parameter wirken somit beschränkend für eine Auslegung der Strömungsmaschine mit einer großen Anzahl an verschwenkbaren Leitschaufeln bzw. großen Schaufeltellern. Eine derartige Auslegung und/oder eine Mindestgröße der Schaufelteller ist jedoch häufig aerodynamisch und/oder strukturmechanisch vorteilhaft.
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Technik bereitzustellen, die eine aerodynamisch und/oder strukturmechanisch verbesserte Auslegung einer Leitschaufelreihe ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leitschaufelkranzgehäuse gemäß Anspruch 1, durch ein Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses gemäß Anspruch 5, durch einen Bausatz für eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 6 und eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
  • Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse für eine Strömungsmaschine weist eine innere Gehäuseoberfläche auf, die (vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer Zylinder- oder Kegelmantelfläche) um eine zentrale (geometrische) Achse verläuft und dieser Achse zugewandt ist; die zentrale Achse ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass in montiertem Zustand eine Rotationsachse eines in das Leitschaufelkranzgehäuse eingesetzten Rotors mit der zentralen Achse übereinstimmt.
  • In der Gehäuseoberfläche ist eine Mehrzahl an Aufnahmen jeweils für einen Schaufelteller einer Leitschaufel angeordnet. Zwischen mindestens zwei benachbarten Aufnahmen weist die Gehäuseoberfläche eine radiale Ausnehmung auf, die die beiden Aufnahmen (in Umfangsrichtung) miteinander verbindet.
  • Ein erfindungsgemäßes Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses lässt sich mit mindestens einem weiteren Segment zu einem erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuse (gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen) zusammensetzen. Es umfasst die mindestens zwei benachbarten, durch eine radiale Ausnehmung miteinander verbundenen Aufnahmen für Schaufelteller. Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes Segment als Ringsegment ausgebildet, beispielsweise als Halb-, Drittel- oder Viertelring.
  • Ein erfindungsgemäßer Bausatz für eine Strömungsmaschine umfasst ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen sowie eine oder mehrere Leitschaufeln, die jeweils in eine der Aufnahmen des Leitschaufelkranzgehäuses eingesetzt oder einzusetzen sind.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfasst eine Leitschaufelreihe, die eine Mehrzahl an Leitschaufeln sowie ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen aufweist, in dessen Aufnahmen je ein Leitschaufelteller der Leitschaufeln eingesetzt ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse, ein erfindungsgemäßes Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses, ein erfindungsgemäßer Bausatz und eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine ermöglichen jeweils vorteilhaft eine Anordnung von Leitschaufeln, bei der ein Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeltellern minimiert und gleichwohl die Gefahr einer Verformung einer Aufnahme vermieden werden kann: Denn insbesondere wenn zwei benachbarte Aufnahmen kreiszylindrisch geformte Abschnitte aufweisen, laufen sie radial nach innen aufeinander zu. Im Bereich der (der zentralen Achse zugewandten) inneren Gehäuseoberfläche haben sie daher einen geringsten Abstand voneinander. Gemäß der vorliegenden Erfindung braucht nun in diesem Bereich kein Mindestabstand eingehalten zu werden, um zu verhindern, dass sich eine zu dünne Trennwand in diesem Bereich ungünstig verformt: Erfindungsgemäß ist in diesem engsten Bereich eine Ausnehmung in der Gehäuseoberfläche zwischen den Aufnahmen, so dass eine Trennwand, die sich verformen könnte, dort nicht vorhanden ist.
  • Insbesondere ermöglicht ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse die Auslegung mit einer großen Anzahl an Leitschaufeln bzw. mit großen Leitschaufeltellern und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Haltbarkeit einer Strömungsmaschine.
  • Vorzugsweise weisen die mindestens zwei Aufnahmen die gleichen Abmessungen auf, sind also übereinstimmend geformt.
  • Vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der die mindestens zwei Aufnahmen jeweils einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Abschnitt (z.B. eine kreiszylindrische Bohrung) aufweisen, der bezogen auf die zentrale Achse des Leitschaufelkranzgehäuses radial verläuft. Derartige Aufnahmen können entsprechend geformte Leitschaufelteller mit einem kreiszylindrischen Abschnitt aufnehmen, was eine besonders sichere und stabile Lagerung und Verschwenkbarkeit der Leitschaufeln ermöglicht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens zwei Aufnahmen jeweils dazu eingerichtet, einen Leitschaufelteller aufzunehmen, der an der dem Schaufelblatt abgewandten (bzw. gegenüber liegenden) Seite einen zylindrischen Verstellzapfen aufweist. Dazu können die mindestens zwei Aufnahmen jeweils zwei konzentrische zylindrische Abschnitte aufweisen, von denen ein radial weiter außen liegender (zum Aufnehmen eines Verstellzapfens) enger ist als der radial weiter innen liegende (zum Aufnehmen des Tellers selbst). Die Ausnehmung erstreckt sich vorzugsweise in (bezogen auf das Leitschaufelkranzgehäuse bzw. eine Rotationswelle) radialer Richtung bis maximal zu einer (radialen) Tiefe des radial weiter innen liegenden zylindrischen Abschnittes der Aufnahmen. Sie verbindet somit vorzugsweise nur die radial innen liegenden Abschnitte (die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Abschnitte zum Aufnehmen der Verstellzapfen): Auf diese Weise wird wie oben beschrieben eine enge Anordnung der Leitschaufeln unter Erhaltung einer hohen Stabilität der eingesetzten Leitschaufeln sowie einer geringen Leckage ermöglicht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Aufnahmen in einem derartigen radial innen liegenden Abschnitt eine radiale Tiefe (d.h. radiale Erstreckung in das Leitschaufelkranzgehäuse hinein) auf, die vorzugsweise zwischen 2 mm und 3 mm beträgt. Derartige Abmessungen ermöglichen ein Aufnehmen von Leitschaufeltellern mit üblicher Dicke (sowie ggf. zusätzlich einer Gleitscheibe), ohne dass die radial innen anzuordnende Oberfläche der Leitschaufelteller aus der inneren Gehäuseoberfläche herausragt (was strömungstechnisch nachteilig wäre).
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Ausnehmung eine radiale Erstreckung auf, die kleiner ist als eine radiale Tiefe mindestens einer der Aufnahmen bzw. eines radial inneren zylindrischen Abschnitts der Aufnahme. Insbesondere ist zwischen den mindestens zwei Aufnahmen eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses vorzugsweise eine Trennwand ausgebildet, die sich radial zwischen einer Bodenfläche mindestens einer der Aufnahmen und der radialen Ausnehmung erstreckt; die Bodenfläche ist dabei eine Fläche, die mindestens einen Teil der Aufnahme nach radial außen begrenzt. Insbesondere in einer Ausführungsform, bei der die Aufnahme einen radial äußeren Abschnitt zum Aufnehmen eines Verstellzapfens und einen radial inneren Abschnitt zum Aufnehmen des Schaufeltellers selbst aufweist, bildet die Bodenfläche vorzugsweise eine radiale Anlagefläche für den Schaufelteller und ist in der Bodenfläche eine Öffnung angeordnet, durch die der Verstellzapfen geschoben werden kann.
  • Die genannte Trennwand liegt somit vorzugsweise radial weiter außen als die Ausnehmung, die die benachbarten Aufnahmen miteinander verbindet. In diesem Bereich liegen ggf. kreiszylindrisch geformt Abschnitte der Aufnahmen weiter auseinander, so dass dort keine Gefahr einer Verformung der Trennwand besteht. Die Trennwand erlaubt dort somit eine sichere und stabile Lagerung eingesetzter Leitschaufeln sowie ggf. eine stabile Positionierung einer Gleitscheibe zwischen der Bodenfläche und dem Schaufelteller und damit in einem Bereich, in dem eine Trennwanddicke aufgrund der sich radial nach außen voneinander entfernenden Aufnahmen nicht kritisch ist.
  • Vorzugsweise weist die Trennwand eine Grundfläche auf, die in Umfangsrichtung auf beiden Seiten nach innen gewölbt (konkav) ist; damit kann sie eine kreisringförmige Gleitscheibe passgenau und damit leckagearm aufnehmen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Trennwand eine radiale Höhe auf, die zwischen 1 mm und 1,5 mm beträgt. Als radiale Höhe wird dabei ein Abstand zwischen einem Boden mindestens einer der Aufnahmen und der radialen Ausnehmung bezeichnet; sofern die mindestens zwei Aufnahmen unterschiedliche radiale Tiefen haben, ist dabei ein Boden derjenigen Aufnahme zu wählen, die die kleinere Tiefe aufweist.
  • Eine derartige radiale Höhe reduziert in einem für die Trennwanddicke nicht kritischen Bereich eine Leckage zwischen den mindestens zwei Aufnahmen und ermöglicht zudem ein Aufnehmen einer ggf. vorgesehenen Gleitscheibe zwischen dem Aufnahmeboden und einem einzusetzenden Leitschaufelteller.
  • Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Trennwand in axialer Richtung eine Länge aufweist, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt; auf diese Weise kann eine ungünstig geringe Trennwandstärke seitlich eines (z.B. in einem engsten Bereich zwischen zwei Aufnahmen liegenden) Zentrums der Ausnehmung vermieden werden.
  • An einer in Umfangsrichtung dünnsten Stelle weist die Trennwand vorzugsweise eine Dicke auf, die zwischen 0,3 mm und 0,5 mm beträgt. Damit kann einerseits eine Verformung der Trennwand beim Einsetzen der Leitschaufeln bzw. im Gebrauch verhindert werden, andererseits erlaubt eine derartige Dicke eine vorteilhaft enge Auslegung der Leitschaufeln.
  • Zwischen das Leitschaufelkranzgehäuse und die Leitschaufeln werden vorzugsweise Gleitscheiben in die Aufnahmen eingesetzt; ein erfindungsgemäßer Bausatz bzw. eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine können vorzugsweise derartige Gleitscheiben umfassen. Sie können einer Reibungsreduzierung bei Verstellen der Leitschaufeln bewirkt werden.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente sind figurenübergreifend verwendet und werden ggf. nicht für jede Figur neu beschrieben.
  • Es zeigen schematisch:
    • Figur 1:
    einen Abschnitt eines herkömmlichen Leitschaufelkranzgehäuses in perspektivischer Darstellung;
    Figur 2:
    einen Abschnitt eines exemplarischen erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses;
    Figur 3:
    einen Abschnitt eines beispielhaften erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses mit einer einzusetzenden Leitschaufel in Explosionsdarstellung.
  • In der Figur 1 ist ein Segment eines herkömmlichen Leitschaufelkranzgehäuses 10 dargestellt, das im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen halbringförmig ausgebildet ist. Zusammen mit einem weiteren, analog ausgebildeten (und nicht gezeigten) Segment weist das Leitschaufelkranzgehäuse 10 eine (abstrakte) zentrale geometrische Achse A auf, die bei montierter Strömungsmaschine mit der Rotationsachse eines (in der Figur nicht gezeigten) Rotors übereinstimmt. Zur Montage bzw. zum Zusammensetzen mit anderen Teilen des Leitschaufelkranzgehäuses hat das gezeigte Segment einen Montagerand 19 mit Löchern für Verschraubungen.
  • Das in der Figur 1 dargestellte Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses 10 weist an seiner inneren Gehäuseoberfläche 11 drei axial hintereinander (in der Darstellung untereinander) angeordnete, ringartige Bereiche auf, die jeweils eine Mehrzahl an Aufnahmen 12 für Schaufelteller von Leitschaufeln umfassen. Die Bereiche haben dabei verschiedene Radien, so dass sich die innere Gehäuseoberfläche in vorgesehener Hautstromrichtung R (in der Figur von unten nach oben) in den Abschnitten stufenweise verjüngt. Zwischen den Abschnitten mit den Aufnahmen 12 liegen jeweils
    Bereiche der Gehäuseoberfläche 11, die auf einer Zylindermantelfläche angeordnet sind.
  • In ihrem Zentrum weisen die Aufnahmen 12 jeweils eine Zapfenaufnahme 17 auf, die dazu eingerichtet ist, einen Verstellzapfen an einem Leitschaufelteller aufzunehmen. Über einen radial außen liegenden Verstellmechanismus (nicht dargestellt) können die Verstellzapfen und damit die zugehörigen Leitschaufeln vorzugsweise verschwenkt werden.
  • In der Figur 1 sind die Aufnahmen des mittleren Bereichs Schaufelteller 21a mit Leitschaufeln 20 bestückt. Die Leitschaufeln 20 weisen dabei an der den Schaufeltellern 21a gegenüber liegenden Seite jeweils Schaufelteller 21b auf, die dazu eingerichtet sind, in Aufnahmen in einem (nicht dargestellten) Innenring eingesetzt zu werden.
  • Wie aus der Figur 1 ersichtlich, sind die Aufnahmen 12 in herkömmlicher Weise durch Trennwände voneinander getrennt. Insbesondere in dem engsten (in der Figur obersten) Bereich sind diese Trennwände sehr dünn, so dass es wie oben beschrieben zu Verformungen kommen kann.
  • In der Figur 2 ist demgegenüber ein Abschnitt einer Gehäuseoberfläche 11 eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses skizziert; die Gehäuseoberfläche ist einer (nicht gezeigten) zentralen Achse des Leitschaufelkranzgehäuses zugewandt.
  • In der Gehäuseoberfläche 11 sind Aufnahmen 12' angeordnet, in die radial äußere Schaufelteller geeigneter Leitschaufeln einzusetzen sind. Den Öffnungen der Aufnahmen 12' in der Gehäuseoberfläche 11 gegenüberliegend weisen die Aufnahmen jeweils eine ringförmige Bodenfläche 14 auf, in deren Zentrum eine Zapfenaufnahme 17 für einen Verstellzapfen der jeweiligen Leitschaufel angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel sind die Aufnahmen 12' jeweils gleich geformt und haben insbesondere eine kreiszylindrische Grundform, von der ausgehend (konzentrisch) die (ebenfalls kreiszylindrische) Zapfenaufnahme 17 angeordnet ist.
  • Die Gehäuseoberfläche 11 weist zwischen den in der Figur 2 gezeigten benachbarten Aufnahmen 12' eine radiale Ausnehmung 16 auf, die die benachbarten Aufnahmen miteinander verbindet. Die Ausnehmungen haben jeweils eine radiale Tiefe t, die vorzugsweise in einem Bereich von 1 mm bis 1,5 mm liegt.
  • Zwischen den benachbarten Aufnahmen 12' ist jeweils eine Trennwand 15 ausgebildet, die sich zwischen dem Boden 14 der Aufnahmen und der Ausnehmung 16 (bzw. radial bezogen auf eine zentrale Achse des Leitschaufelkranzgehäuses) erstreckt. Dabei weist die Trennwand 15 eine radiale Höhe h auf, die vorzugsweise zwischen 1 mm und 1,5 mm beträgt. Eine derartige Höhe ermöglicht eine vorteilhafte Zentrierung der einzusetzenden Schaufelteller bzw. Gleitscheiben und vermindert eine Leckage in diesem Bereich.
  • In axialer Richtung (bezogen auf eine zentrale Achse des Leitschaufelkranzgehäuses) hat die Trennwand eine Länge 1; diese beträgt vorzugsweise zwischen 10 mm und 20 mm. Die Trennwand 15 weist im gezeigten Beispiel eine Grundfläche auf, die in Umfangsrichtung auf beiden Seiten nach innen gewölbt ist. In Umfangsrichtung hat die Trennwand 15 an ihrer dicksten Stelle (an ihren Enden) eine Dicke d1 und an ihrer dünnsten Stelle eine Dicke d2; vorzugsweise liegt d2 in einem Bereich von 0,3 mm bis 0,5 mm; damit kann das Risiko einer Verformung der Trennwand minimiert werden. Die Dicke d1 (an der dicksten Stelle der Trennwand 15) ergibt sich aus d2, der Länge der Trennwand und dem Radius der Aufnahmen 12'. Vorzugsweise liegt d1 in einem Bereich zwischen 2,5 mm und 3 mm.
  • In Figur 3 ist ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses 10' gezeigt. Das Leitschaufelkranzgehäuse 10' weist eine Gehäuseoberfläche 11 mit Aufnahmen 12' auf, von denen benachbarte jeweils durch eine Ausnehmung 16 in der Gehäuseoberfläche 11 miteinander verbunden sind. In einer Bodenfläche 14 der Aufnahmen haben diese jeweils eine Zapfenaufnahme 17, in die eine Buchse 31 für den Verstellzapfen 23 einer Leitschaufel 20 eingesetzt ist.
  • In einer Explosionsdarstellung ist in der Figur 3 exemplarisch verdeutlicht, wie eine derartige Leitschaufel 20 mit einem Leitschaufelteller 21a und dem daraus sich erstreckenden Verstellzapfen 23 in das Leitschaufelkranzgehäuse einzusetzen ist; zwischen den Schaufelteller 21a und der Bodenfläche der Aufnahme 12' wird dabei eine Gleitscheibe 30 eingesetzt, die als Ring ausgebildet ist, durch den der Verstellzapfen geschoben wird.
  • Ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse 10' für eine Strömungsmaschine weist eine um eine zentrale Achse A verlaufende und der Achse zugewandte Gehäuseoberfläche 11 auf, in der eine Mehrzahl an Aufnahmen 12' jeweils für einen Schaufelteller 21a einer Leitschaufel 20 angeordnet ist. Zwischen mindestens zwei benachbarten Aufnahmen 12' ist in der Gehäuseoberfläche 11 eine radiale Ausnehmung 16 angeordnet, die die beiden Aufnahmen miteinander verbindet.
  • Ein erfindungsgemäßes Segment eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzgehäuses (gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen) umfasst die mindestens zwei benachbarten, durch eine radiale Ausnehmung 16 miteinander verbundenen Aufnahmen 12'.
  • Ein erfindungsgemäßer Bausatz für eine Strömungsmaschine umfasst ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse 10' (gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen) sowie eine oder mehrere an Leitschaufeln 20, die jeweils in eine der Aufnahmen 12' einzusetzen sind und/oder von denen mindestens ein Teil eingesetzt sind.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfasst eine Mehrzahl an Leitschaufeln 20 sowie ein erfindungsgemäßes Leitschaufelkranzgehäuse 10' (gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen), in dessen Aufnahmen 12' je ein Leitschaufelteller 21a der Leitschaufeln eingesetzt ist.
    • Bezugszeichen
    • 10, 10'
    Leitschaufelkranzgehäuse
    11
    Gehäuseoberfläche
    12, 12'
    Aufnahme
    14
    Bodenfläche
    15
    Trennwand
    16
    Ausnehmung
    17
    Zapfenaufnahme
    19
    Montagerand
    20
    Leitschaufel
    21a, 21b
    Schaufelteller
    23
    Verstellzapfen
    30
    Gleitscheibe
    31
    Buchse
    A
    zentrale Achse
    R
    vorgesehene Hauptstromuchtung
    d1
    Dicke der Trennwand an deren dickster Stelle
    d2
    Dicke der Trennwand an deren dünnster Stelle
    h
    radiale Höhe der Trennwand
    l
    Länge der Trennwand (in axialer Richtung)
    t
    radiale Tiefe der Ausnehmung

Claims (9)

  1. Leitschaufelkranzgehäuse (10') für eine Strömungsmaschine, das eine um eine zentrale Achse (A) verlaufende und der Achse zugewandte Gehäuseoberfläche (11) aufweist, wobei in der Gehäuseoberfläche eine Mehrzahl an Aufnahmen (12') jeweils für einen Schaufelteller (21a) einer Leitschaufel (20) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Gehäuseoberfläche (11) zwischen mindestens zwei benachbarten Aufnahmen (12') eine radiale Ausnehmung (16) aufweist, die die beiden Aufnahmen miteinander verbindet.
  2. Leitschaufelkranzgehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Aufnahmen (12') jeweils einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt umfassen, der sich radial in das Gehäuse hinein erstreckt.
  3. Leitschaufelkranzgehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zwischen den mindestens zwei Aufnahmen eine Trennwand (15) ausgebildet ist, die sich radial zwischen einem Boden (14) mindestens einer der Aufnahmen und der radialen Ausnehmung (16) erstreckt.
  4. Leitschaufelkranzgehäuse gemäß Anspruch 3, wobei die Trennwand eine radiale Höhe (h) aufweist, die zwischen 1 mm und 1,5 mm beträgt
    und/oder wobei die Trennwand in axialer Richtung eine Länge (l) aufweist, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt
    und/oder wobei die Trennwand in Umfangsrichtung an einer dünnsten Stelle eine Dicke (d2) aufweist, die zwischen 0,3 mm und 0,5 mm beträgt.
  5. Segment eines Leitschaufelkranzgehäuses gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Segment die mindestens zwei benachbarten, durch eine radiale Ausnehmung (16) miteinander verbundenen Aufnahmen (12') umfasst.
  6. Bausatz für eine Strömungsmaschine, der ein Leitschaufelkranzgehäuse (10') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie eine oder mehrere Leitschaufeln (20) umfasst, die jeweils in eine der Aufnahmen (12') einzusetzen oder eingesetzt sind.
  7. Bausatz gemäß Anspruch 6, der zudem eine Mehrzahl an Gleitscheiben (30) umfasst, die jeweils zwischen das Leitschaufelkranzgehäuse und je eine der Leitschaufeln (20) in die Aufnahmen (12') einzusetzen oder eingesetzt sind.
  8. Strömungsmaschine mit einer Leitschaufelreihe, die eine Mehrzahl an Leitschaufeln (20) sowie ein Leitschaufelkranzgehäuse (10') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, in dessen Aufnahmen (12') je ein Leitschaufelteller (21a) der Leitschaufeln eingesetzt ist.
  9. Strömungsmaschine gemäß Anspruch 8, die zudem eine Mehrzahl an Gleitscheiben (30) umfasst, die jeweils zwischen das Leitschaufelkranzgehäuse (10') und je eine der Leitschaufeln (20) in die Aufnahmen eingesetzt sind.
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