EP3613952B1 - Verstellbare leitschaufelanordnung, leitschaufel, dichtungsträger und turbomaschine - Google Patents

Verstellbare leitschaufelanordnung, leitschaufel, dichtungsträger und turbomaschine Download PDF

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EP3613952B1
EP3613952B1 EP19191194.0A EP19191194A EP3613952B1 EP 3613952 B1 EP3613952 B1 EP 3613952B1 EP 19191194 A EP19191194 A EP 19191194A EP 3613952 B1 EP3613952 B1 EP 3613952B1
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EP
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guide vane
seal carrier
inner ring
guide
ring segment
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EP3613952A1 (de
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Frank Stiehler
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines AG
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Publication date
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    • 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
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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    • 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
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals

Definitions

  • the present invention relates to a guide vane arrangement for a turbomachine with a rotation axis, in particular for a compressor or turbine stage of a gas turbine, the guide vane arrangement having a plurality of adjustable guide vanes rotatably mounted about an adjustment axis, at least one inner ring segment formed separately from the guide vanes and one separately from the comprises at least one inner ring segment formed seal carrier.
  • the present invention further relates to a guide vane, in particular an adjustable guide vane, for an aforementioned guide vane arrangement and a seal carrier for such a guide vane arrangement.
  • the present invention relates to a turbomachine, in particular a gas turbine, with at least one compressor or turbine stage with at least one guide vane arrangement.
  • the guide blade arrangements are, among other things, exposed to thermal loads, in particular partially changing and/or high temperature gradients, in particular due to the working fluid flowing through the guide blade arrangement and thus at least partially flowing on and/or around the inner ring segments and/or through, in particular grinding , seals that are arranged in the radial direction between the guide vanes and a rotor rotating relative to them.
  • thermal loads in particular partially changing and/or high temperature gradients, in particular due to the working fluid flowing through the guide blade arrangement and thus at least partially flowing on and/or around the inner ring segments and/or through, in particular grinding , seals that are arranged in the radial direction between the guide vanes and a rotor rotating relative to them.
  • gaps between the individual components can widen, in particular between the guide vanes and the inner ring or the corresponding inner ring segments, as well as between a sealing structure held by the seal carrier and the rotor, and as a result undesirable leaks, which have a detrimental effect on the efficiency the turbomachine.
  • the sealing effect that can be achieved depends largely on the gap widths of the respective sealing gaps that arise during operation. The larger the sealing gaps that result, the larger the leaks that occur and, as a result, the greater the efficiency losses that occur.
  • the overall sealing effect that can be achieved depends in particular on how the guide vanes are each connected with their radially inner end to the inner ring or corresponding inner ring segments, and on how the seal carrier, on which there is usually a sealing structure for sealing an annular gap around the rotor is attached around, designed and stored.
  • a guide vane arrangement with adjustable guide blades in which the inner ring has at least one groove extending in the axial direction, into which the seal carrier engages with a guide rail for attachment to the inner ring.
  • One object of an embodiment of the present invention is to provide an alternative guide vane arrangement, in particular an improved guide vane arrangement, in which, in particular, the gap widths of the individual sealing gaps change less during operation and which, as a result, in particular enables larger tolerance ranges and, in particular, simpler determination the maximum permissible tolerances for a desired operating behavior.
  • a further object of the invention is to provide an alternative, in particular improved, guide vane and an alternative, in particular improved, seal carrier for a guide vane arrangement, as well as an alternative, in particular improved, turbomachine.
  • a guide vane arrangement according to the invention for a turbomachine with a rotation axis in particular for a compressor or turbine stage of a gas turbine, comprises a plurality of adjustable guide vanes, in particular each rotatably mounted about an adjustment axis, at least one inner ring segment formed separately from the guide vanes and one Seal carrier formed separately from the at least one inner ring segment, wherein the at least one inner ring segment is attached to one or more guide blades, in particular to a maximum of four guide blades.
  • the seal carrier is mounted spoke-centered relative to the at least one inner ring segment, so that the seal carrier is positioned relative to the at least one inner ring segment in the direction of at least one adjustment axis of at least one guide vane and/or in the radial direction, based on the axis of rotation of the turbomachine in a functional state of use of the guide vane arrangement in a Turbo machine, is movably mounted.
  • an “adjustable guide vane” is understood to mean a guide vane which is designed and, in particular, is mounted in the guide vane arrangement in such a way that it can be adjusted by rotation about an adjustment axis, in particular its flow angle of attack, the adjustment axis being aligned with its Longitudinal axis can coincide, or can also be different from this, with the adjustment axis extending in particular essentially in the longitudinal direction of the guide vane.
  • a “seal carrier” in the sense of the present invention is understood to mean a support structure which is designed to be a sealing structure, in particular a sealing structure which is fundamentally known from the prior art, such as a brush sealing structure and/or one which is also fundamentally known from the prior art and to maintain the so-called “honeycomb” structure used in turbomachinery.
  • a “spoke-centered bearing” is understood to mean a bearing which is designed in such a way that the respective component mounted in this way, in the present case in particular the seal carrier, always revolves around an axis, in particular around an axis Axis that runs parallel to the axis of rotation of a turbomachine or centers around the axis of rotation itself, and which also enables compensation in the radial direction, based on the axis of rotation of a turbomachine. i.e.
  • a spoke-centered bearing in the sense of the present invention is understood to mean, in particular, a bearing which in particular has a degree of freedom in the radial direction and which acts self-centering with respect to an axis, in particular an axis running parallel to the axis of rotation of a turbomachine or to the axis of rotation itself , similar to a bicycle wheel, where the hub is mounted in the rim via spokes.
  • the direction specification “axial” refers, unless something else is explicitly stated, in particular a different axis, in the present case in the usual manner to a direction parallel to a main rotation or (main) machine axis of the turbomachine, the direction specification “circumferential direction " correspondingly, unless something else is explicitly stated, in particular another axis, to a direction of rotation about this rotation or (main) machine axis, the direction specification "radial”, unless something else is explicitly stated, in particular another axis a direction that is perpendicular to the axial and circumferential directions.
  • the direction specification “tangential” refers, in particular to another axis, to a direction which is perpendicular to the axial direction according to the aforementioned definition and the radial direction according to the aforementioned definition, in particular all directional information, if Unless otherwise explicitly stated, each refers to a functional installation state of the corresponding component in a turbomachine.
  • the spoke-centered mounting of the seal carrier according to the invention enables the seal in the area of the radially inner ends of the guide vanes between the guide vanes and the at least one inner ring segment to be decoupled from the seal against a rotor.
  • a guide vane arrangement according to the invention also has the advantage that the gap between a sealing structure attached to the seal carrier and the rotor can be designed and adjusted almost independently of the at least one inner ring segment and its attachment to the respective guide vanes.
  • the resulting sealing gaps between the at least one inner ring segment and the guide vanes to which the inner ring segment is attached can be designed separately and independently of the sealing gap between the seal carrier or a sealing structure attached to it and the rotor, which shortens the tolerance chains to be taken into account. in particular, divide it up, and as a result simplify it and, furthermore, generally less tight tolerances have to be adhered to.
  • a guide vane arrangement according to the invention has in particular a plurality of adjustable guide vanes which are arranged distributed in the circumferential direction, in particular evenly distributed in the circumferential direction, and are each mounted rotatably about an adjustment axis.
  • At least one guide vane is arranged in such a way that, in a functional state of use of the guide vane arrangement in a turbomachine, its adjustment axis is by more than 1°, preferably by more than 2°, in particular by more than 3°, at most however, is inclined by 5°, in particular at most by 4°, preferably by at most 3°, from a radial plane extending perpendicular to the axis of rotation of a turbomachine in the upstream direction.
  • each guide vane is assigned a separate inner ring segment.
  • a guide vane arrangement In an alternative embodiment of a guide vane arrangement according to the present invention, several guide blades, in particular two or three guide blades, but in particular a maximum of four guide blades, are assigned to a common inner ring segment. I.e.
  • an inner ring segment is attached to a plurality of guide vanes, but in particular to a maximum of four guide vanes. It is possible to attach it to more than four guide vanes. However, if the inner ring segment is attached to too many guide vanes, thermally induced stresses can occur, which can only be countered by larger gap dimensions between the inner ring segment and guide vanes, which will deteriorate the sealing effect in the vast majority of cases, which can be to the detriment of efficiency and should therefore be avoided.
  • the guide vane arrangement comprises a plurality of inner ring segments, which are arranged adjacent to one another in particular in the circumferential direction and in particular form an inner ring.
  • the individual inner ring segments are in particular designed in such a way that they have a type of shroud for delimiting a flow channel, in particular radially inwards, which surrounds the guide vanes in the area of their flow profiles, the individual inner ring segments being designed in particular in such a way that an inner shroud that is almost closed in the circumferential direction trains.
  • the individual inner ring segments are arranged at a sufficient distance from one another, particularly in the circumferential direction.
  • the seal carrier has at least one sealing structure, in particular at least one brush sealing structure and/or at least one honeycomb sealing structure for sealing, in particular at its radially inner end, based on a functional state of use of the guide vane arrangement in a turbomachine a rotor mounted rotatably about an axis of rotation.
  • At least one sealing structure is integral, i.e. H. one-piece, formed with the seal carrier.
  • the seal carrier is mounted in particular spoke-centered on the guide vanes and/or the at least one inner ring segment, in particular over at least three bearing points arranged distributed, in particular evenly distributed, in the circumferential direction.
  • the seal carrier is only mounted spoke-centered on the guide vanes.
  • At least one guide vane has, at its radially inner end, a fastening element, in particular a fastening pin, extending along the adjustment axis, and the at least one inner ring segment, which is fastened to this at least one guide vane, has at least one associated, appropriately designed fastening opening, the fastening element being the Guide vane, in particular in the direction of the adjustment axis, in particular extends through the at least one associated fastening opening of the inner ring segment.
  • a fastening element in particular a fastening pin
  • the seal carrier can also be mounted spoke-centered on the inner ring segments, in particular on at least three inner ring segments, for example as known from the prior art for a guide vane arrangement with fixed guide vanes and as, for example, in EP 2 696 039 A1 described, the corresponding radial grooves being arranged in particular in the circumferential direction between the fastening elements of the guide blades.
  • At least one inner ring segment is fastened to the fastening element of the guide vane by means of an axial securing means and in the direction of the adjustment axis secured to the fastening element, in particular with a defined play in the direction of the adjustment axis, in particular by means of a locking ring or a locking washer.
  • the at least one inner ring segment is fastened to one or more guide vanes with a defined play in the direction of the adjustment axis in such a way that the inner ring segment is in the frame due to a sufficient operating pressure present in an area radially within the inner ring segment
  • This play can be displaced outwards in the direction of the adjustment axis, in particular in such a way that the inner ring segment can be brought into contact with the associated guide vanes in the radial direction, so that a seal can be formed in the radial direction between the associated guide vanes and the inner ring segment, in particular with a sealing gap with a gap width of zero in the radial direction.
  • the associated guide vanes and the inner ring segment in particular have one or more correspondingly designed, in particular radial Shoulders and functional surfaces extending to the adjustment axis, in particular sealing surfaces.
  • the at least one inner ring segment is also attached to the respective guide vanes with a defined play in the axial direction and/or in the circumferential direction. In this way, tensions, particularly thermally caused tensions, can be avoided.
  • the guide vane is guided in the axial direction and/or in the circumferential direction in particular via the fastening elements of the vanes received by the seal carrier, whereby
  • a play between the guide vanes and the at least one inner ring segment in the axial direction and / or in the circumferential direction is in particular greater than between the guide vanes and the seal carrier in these directions.
  • the seal carrier has at least one guide vane receptacle into which the fastening element, in particular a fastening pin, of at least one guide vane engages in such a way that the fastening element of the guide vane is positioned along the adjustment axis and/or in the radial direction, based on the Rotation axis according to the invention in the state of use of the guide vane arrangement in a turbomachine, is movably mounted relative to the seal carrier in the guide vane receptacle of the seal carrier, the guide vane receptacle in the seal carrier being designed and arranged in particular concentrically to at least one fastening opening of at least one inner ring segment.
  • the fastening element of at least one guide vane can be movably mounted in the direction of the adjustment axis of the guide vane or in the radial direction in a particularly simple manner, but at the same time can be guided, in particular in the axial direction and in the circumferential direction, with respect to the axis of rotation of a turbomachine.
  • This makes it possible to form a particularly advantageous, spoke-centered storage of the seal carrier.
  • the spoke centering using fastening pins makes this possible, especially in comparison to a groove-guided spoke centering, such as that from the EP 2 696 039 A1 is known, a more precise guidance and thus an improved, in particular more precise centering.
  • the gap widths can be adjusted more precisely.
  • the at least one guide vane receptacle is designed as a cylindrical or cup-shaped or cylindrical or cup-like recess.
  • at least one guide vane receptacle can also be designed as a truncated cone-shaped or conical recess, for storage in the guide vane receptacle provided fastening element, in particular the respective fastening pin, in particular correspondingly, in particular correspondingly complementary, is designed to design the guide vane receptacle.
  • the fastening element of the guide vane engages, in particular in the direction of the adjustment axis, in particular with defined play in the axial direction and/or in the circumferential direction, in the guide vane receptacle of the seal carrier, the play in the direction of the adjustment axis in particular being at least is dimensioned so large that a thermally induced increase in length of the guide vane is possible without tension during operation.
  • the clearance should be chosen to be at most large enough so that the seal carrier is always securely mounted on the guide vanes during operation and, in particular, that the fastening elements slip out of the guide vane receptacles in the seal carrier is excluded.
  • the fastening element in particular in the form of a fastening pin, can also be assigned to the seal carrier and one or more guide vanes can each have a corresponding receptacle for the fastening element, in this case a "seal carrier receptacle" exhibit.
  • the seal carrier of a guide vane arrangement according to the invention can be designed in one piece or in several parts and can be divided axially in particular in the circumferential direction and/or in the axial direction or in a direction perpendicular to the adjustment axis of at least one guide vane, in particular all of the guide vanes, with the individual parts being preferred in the case of a split seal carrier are connected to one another by means of releasable connecting means, in particular by means of screws or the like.
  • the seal carrier is a circumferential seal carrier ring, wherein the Seal carrier ring is formed in one piece in the circumferential direction or has a plurality of seal carrier segments each extending only over a part in the circumferential direction, the seal carrier being composed in particular of several seal carrier segments each extending only over a part in the circumferential direction.
  • the division of the seal carrier in the circumferential direction enables a particularly simple assembly of a guide vane arrangement according to the invention, with the individual seal carrier segments being arranged in an overlapping manner, in particular in the circumferential direction, i.e. preferably by means of an overlap joint and not with a butt joint, the overlap surfaces in particular each being designed as wedge surfaces.
  • This allows a particularly good seal to be achieved in the axial direction on the seal carrier.
  • an advantageous flow of force in the seal carrier can be achieved in this way.
  • At least one seal carrier segment or seal carrier part is produced by an additive manufacturing process, in which case the seal carrier segment in particular does not extend over more than a circumferential angle of 60°.
  • the production using an additive manufacturing process enables a particularly flexible design of the seal carrier, since this type of production enables a particularly high degree of geometric freedom while at the same time having good mechanical and thermal properties.
  • the seal carrier in particular in a seal carrier ring or at least one seal carrier segment, is divided into at least one upstream seal carrier part and at least one downstream seal carrier part, the seal carrier in particular at least partially along a dividing plane running parallel to the adjustment axis of the guide vanes and / or is divided into an upstream seal carrier part and a downstream seal carrier part along a radial plane extending perpendicular to the axis of rotation.
  • the seal carrier is divided both in the circumferential direction into seal carrier segments and into an upstream and a downstream seal carrier part, with at least one seal carrier part or seal carrier segments being produced by an additive manufacturing process and/or in particular in the circumferential direction extends at most over a range of a circumferential angle of 60°.
  • the at least one upstream seal carrier part and at least one downstream seal carrier part are connected to one another, in particular releasably, in particular by means of at least one connecting means, in particular by means of at least one screw or by means of a rivet or the like in a direction perpendicular to the dividing plane of the seal carrier, wherein the at least one connecting means, based on a state of use according to the invention of the guide vane arrangement in a turbomachine, is arranged offset in the circumferential direction from the fastening elements of the guide vanes and in the radial direction, based on the axis of rotation of the turbomachine , in particular at the level of at least one fastening element of at least one guide vanes.
  • seal carrier parts can be quickly assembled, seal carriers can be put together, in particular releasably.
  • connecting means are arranged in the radial direction at the level of the fastening elements, in particular at the level of the fastening pins, a particularly compact, space-saving guide vane arrangement can be realized in the radial direction.
  • At least one inner ring segment and the seal carrier overlap at least partially, in particular downstream, based on a functional installation state in a turbomachine, in the direction of the adjustment axis or in the radial direction and in particular form one between them, based on the axis of rotation of a turbomachine in a functional state of use of the guide vane arrangement, has a sealing gap in the axial direction, the sealing gap itself extending in particular parallel to the adjustment axis of at least one guide vane, in particular parallel to the adjustment axis of the closest guide vane, or in the radial direction.
  • a seal acting in the axial direction can be realized in a particularly simple manner, in particular additionally, in particular downstream of the guide vane receptacles, which in particular also enables length compensation of the guide vane or a radial movement of the inner ring segment relative to the seal carrier, without the sealing effect in the axial direction direction to have a significant negative impact.
  • the additional sealing can further reduce leakage effects, which generally has a beneficial effect on the efficiency of a turbomachine.
  • the at least one inner ring segment and the seal carrier each have a sealing flange which extends in the radial direction with respect to the axis of rotation of a turbomachine, whereby the sealing flange of the inner ring segment extends in particular radially inwards, and the sealing flange of the seal carrier extends in particular radially outwards.
  • a particularly good seal in the axial direction can be achieved if the at least one inner ring segment is fastened to the respective guide vane with a defined clearance in the axial direction, and the clearance is dimensioned such that there is sufficient clearance in an area radially within the inner ring segment existing operating pressure, the inner ring segment can be brought into contact with its sealing flange against the sealing flange of the seal carrier in the axial direction within the scope of this play, in particular in such a way that a seal can be formed in the axial direction of the inner ring segment and the seal carrier, in particular with a sealing gap with a gap width from zero in the axial direction.
  • the guide vane arrangement has at least two inner ring segments formed separately from the guide vanes, the at least two inner ring segments being arranged adjacent to one another in the circumferential direction and with a compensating gap in the circumferential direction between them, the compensating gap being relative to the axis of rotation a turbomachine, in particular in the radial direction, with at least one sealing element being arranged between two inner ring segments arranged adjacently in the circumferential direction in the area of the compensating gap, in particular at least for at least partially sealing the compensating gap in the radial direction.
  • At least one sealing element extends in particular in the circumferential direction and at least partially in the axial direction, with at least one sealing element in particular being a sealing strip, in particular a sheet metal strip or the like, in particular made of spring steel, which in particular is in a correspondingly designed Groove is accommodated by two adjacent inner ring segments, in particular in such a way that a labyrinth gap is formed between the sealing element and the respective inner ring segment.
  • a turbomachine according to the invention in particular a gas turbine, with at least one compressor or turbine stage with a guide vane arrangement with guide vanes has, according to the invention, a guide vane arrangement according to the invention and/or at least one guide vane according to the invention and/or at least one seal carrier according to the invention.
  • Fig. 1 shows a highly schematic schematic representation of a section of an exemplary embodiment of a guide vane arrangement 100 according to the invention, looking in the circumferential direction U onto the guide vane arrangement 100, the guide vane arrangement 100 having an adjustable guide blade 10 according to the invention with a fastening pin 11 formed at its radially inner end, one on the guide blade 10 attached inner ring segment 30 and a seal carrier 20 according to the invention which is movably mounted on the fastening pin 11 in the radial direction R.
  • the guide vane 10 is in particular about an adjustment axis V, which in this case runs in the radial direction R, but could also run inclined to this by a few degrees, designed to be rotatable and rotatably mounted relative to the inner ring segment 30 and rotatably received by the seal carrier 20.
  • a sealing structure 21 designed in a manner known from the prior art in the form of a honeycomb sealing structure 21 is arranged for sealing against a rotor, not shown here, which in this exemplary embodiment, in particular integrally with the downstream Seal carrier part 20B is formed.
  • a circumferential groove 15 is introduced into the fastening pin 11, into which an axial securing means 40 in the form of a retaining ring 40 engages, the inner ring segment 30 being fastened to the guide vane 10 with a defined play in the direction of the adjustment axis V is.
  • the fastening pin 11 borders with its radially outer end on a shoulder 12 with a larger outer diameter, with the circumferential radial groove 15, based on the adjustment axis, for receiving the axial securing means 40 at a defined distance in the direction of the radially inner end of the fastening pin 11 from this paragraph 12 of the guide vane 10 is inserted into the fastening pin 11.
  • the play in the direction of the adjustment axis V between the guide vane 10 and the inner ring segment 30 in the radial direction, in particular in the area of a radially sealing sealing gap 13, is in particular dimensioned in such a way, in particular in connection with the geometric design of the inner ring segment 30, that by applying a Operating pressure p1 in an area radially within the inner ring segment 30, the inner ring segment 30 can be pressed outwards in the direction of the adjustment axis V and can be brought into contact with the guide vane 10 in the area of the radially sealing sealing gap 13, whereby a particularly good seal in the radial direction Direction R can be achieved in the area of the sealing gap 13.
  • the shoulder 12 of the guide vane has an end face facing the radially inner end of the guide vane 10 and extending in a radial plane perpendicular to the adjustment axis V, the end face being at least partially, preferably completely, designed as a sealing surface and one of the two Sealing surfaces of the radially sealing sealing gap 13 forms.
  • the inner ring segment 30 has a fastening opening, not specified here, through which the radially inner end of the guide vane 10, in particular the fastening pin 11, extends, the guide vane 10 having a corresponding shoulder as a stop in the radial direction towards the outside 12 and the inner ring segment 30 has a corresponding flange, not specified here.
  • the fastening pin 11 is guided with a defined play, symbolized by guide gap 23, in the axial direction A and in the circumferential direction U in the seal carrier 20, with both a peripheral surface 27 of the fastening pin 11 and an inner lateral surface of the guide vane receptacle 24 each having a friction reducing feature Coating and also have a hardened surface to reduce the risk of fretting (frictional wear).
  • the seal carrier 20 is spoke-centered in the direction of the adjustment axis V, which in this case coincides with the radial direction R, and is mounted movably on the guide vane 10 in the direction of the adjustment axis V.
  • the seal carrier 20 is divided in the axial direction A and has an upstream seal carrier part 20A and a downstream seal carrier part 20B, which are each connected to one another by means of a plurality of connecting means 22 distributed in the circumferential direction in the form of screws 22, the connecting means 22 are each arranged at the level of the fastening pins 11 in the radial direction R in order to enable a particularly compact and space-saving design of the guide vane arrangement 100 in the radial direction R (see Fig. 2 ).
  • seal carrier 20 In addition to the axial division of the seal carrier, 20, it is further divided in the circumferential direction U into several seal carrier segments (not shown), with the individual seal carrier segments each extending over no more than a circumferential angle range of 55°.
  • the individual seal carrier parts or segments are each manufactured using an additive manufacturing process.
  • seal carrier segments that adjoin one another in the circumferential direction are arranged to overlap one another in both the axial direction A and the circumferential direction U, the seal carrier segments being wedge-shaped in the overlap areas, which means that a particularly good sealing effect can be achieved in the overlap area, especially in the axial direction A and in the circumferential direction U.
  • the connecting means 22 connect two adjacent, upstream seal carrier parts 20A to each other as well as the two associated, downstream seal carrier parts 20B and these also to the two upstream seal carrier parts 20A.
  • a total of four individual parts of a seal carrier 20 are connected to one another with a connecting means 22, in particular a screw 22.
  • downstream seal carrier part 20B and the inner ring segment 30 each point to their downstream Side has a sealing flange 25 or 35 extending in the radial direction, which overlap in the radial direction R and in the circumferential direction U and form an axially acting sealing gap 26 between them.
  • the guide vane 10 is further connected to the inner support segment 30 in the area of its shoulder 12 in the axial direction A with a defined play, in particular with a defined axial play 14, by applying a corresponding operating pressure p1 in conjunction with the geometric dimensions of the inner ring segment 30, the inner ring segment 30 can be displaced in the axial direction A in the direction of the sealing flange 25 of the seal carrier 20, in particular can be brought into contact with the seal carrier 20, so that an axially acting sealing gap 26 is established with a gap width of zero and thus a seal Flow channel, which is designed to be flowed through by a hot gas flow with flow direction HS, is further improved radially inwards compared to an area radially inside the seal carrier 20. If hot gas should escape through the radially sealing sealing gap 13, it can still be prevented from further escaping radially inwards by the downstream, axially acting sealing gap 26.
  • the seal carrier 20 is mounted movably in the direction of the adjustment axis V or in this case also in the radial direction R relative to the guide vane 10 and the inner ring segment 30 attached to it. If there is a thermally induced change in length of the guide vane 10 during operation in a turbomachine, the fastening pin 11 can move freely in the guide vane receptacle 24 in the direction of the adjustment axis V or in the radial direction R, without this having a negative effect on a position of the Sealing structure 21 and thus on a sealing gap formed with a rotor, not shown here, in the radial direction.
  • a change in length of the guide blade 10 does not cause a change in the gap width of the axially acting sealing gap 26 between the downstream seal carrier part 20B and the inner ring segment 30.
  • a guide vane arrangement 100 enables advantageous gap widths over a wide operating range and thus high efficiencies over a wide operating range.
  • spoke-centered mounting of the seal carrier 20 according to the invention which is decoupled from the inner ring segment 30, causes a separation of the tolerance chain and thus a significantly simplified determination of the maximum permissible tolerances in order to determine the desired maximum gap widths or the maximum permissible for the desired maximum gap widths Tolerances.
  • Fig. 2 shows the guide vane arrangement 100 Fig. 1 looking in the axial direction A in the flow direction HS in an unwound state, in which it can be clearly seen in this illustration how two inner ring segments 30 are arranged relative to one another in the circumferential direction U with a defined compensating gap 50 between them to avoid tension in the circumferential direction, wherein in the area of the compensation gap 50 a sealing element 60 is arranged, in particular in the form of a sealing strip 60 made of spring steel, which is inserted into a groove in the two adjacent inner ring segments and extends in the axial direction A, in particular over the length of the inner ring segments 30 and over extends a certain distance in the circumferential direction U in order to effect a seal in the radial direction R between the inner ring segments 30.
  • the sealing element 60 forms a labyrinth gap with the associated inner ring segment 30.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Turbomaschine mit einer Rotationsachse, insbesondere für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, wobei die Leitschaufelanordnung mehrere, verstellbare, um eine Verstellachse drehbar gelagerte Leitschaufeln, wenigstens ein separat von den Leitschaufeln ausgebildetes Innenringsegment und einen separat von dem wenigstens einen Innenringsegment ausgebildeten Dichtungsträger umfasst.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Leitschaufel, insbesondere eine verstellbare Leitschaufel, für eine vorgenannte Leitschaufelanordnung sowie einen Dichtungsträger für eine solche Leitschaufelanordnung.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit wenigstens einer Verdichter- oder Turbinenstufe mit wenigstens einer Leitschaufelanordnung.
  • Beim Betrieb von Turbomaschinen mit gattungsgemäßen Leitschaufelanordnungen sind unter anderem die Leitschaufelanordnungen thermischen Belastungen ausgesetzt, insbesondere teilweise wechselnden und/oder hohen Temperaturgradienten, insbesondere durch das die Leitschaufelanordnung durchströmende und damit die Innenringsegmente zumindest teilweise anströmende und/oder umströmende Arbeitsfluid und/oder durch, insbesondere schleifende, Dichtungen, die in radialer Richtung zwischen den Leitschaufeln und einem relativ zu diesem drehenden Rotor angeordnet sind. Infolge der thermischen Belastung kann es zu unerwünschten, thermisch bedingten Verformungen von Teilen der Leitschaufelanordnung kommen, insbesondere zu einer Längenänderung der Leitschaufeln und zu einer Ausdehnung in Umfangsrichtung der Innenringsegmente bzw. eines aus diesen gebildeten Innenrings sowie des Dichtungsträgers.
  • Infolgedessen kann es insbesondere zum Aufweiten von Spalten zwischen den einzelnen Bauteilen kommen, insbesondere zwischen den Leitschaufeln und dem Innenring bzw. den entsprechenden Innenringsegmenten, sowie zwischen einer vom Dichtungsträger gehaltenen Dichtstruktur und dem Rotor, und infolgedessen zu unerwünschten Leckagen, welche sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Turbomaschine auswirken können.
  • Die erreichbare Dichtwirkung hängt dabei jeweils maßgeblich von den sich im Betrieb einstellenden Spaltbreiten der jeweiligen Dichtspalte ab. Je größer die Dichtspalte sind, die sich ergeben, umso größer sind in der Regel die auftretenden Leckagen und infolgedessen die auftretenden Wirkungsgradverluste.
  • Die insgesamt erreichbare Dichtwirkung hängt dabei insbesondere zum einen davon ab, wie die Leitschaufeln jeweils mit ihrem radial inneren Ende mit dem Innenring bzw. entsprechenden Innenringsegmenten verbunden sind, und wie der Dichtungsträger, an dem in der Regel eine Dichtstruktur zur Abdichtung eines Ringspalts um den Rotor herum befestigt ist, ausgestaltet und gelagert ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte von Leitschaufelanordnungen bekannt, wobei grundsätzlich zwischen Konzepten für Leitschaufelanordnungen mit festen, d.h. nicht verstellbaren Leitschaufeln, und Konzepten für Leitschaufelanordnungen mit verstellbaren Leitschaufeln zu unterscheiden ist, wobei sowohl für Leitschaufelanordnungen mit festen Leitschaufeln als auch für Leitschaufelanordnungen mit verstellbaren Leitschaufeln jeweils verschiedene Konzepte zur Anbindung bzw. Verbindung zwischen den Leitschaufeln und dem Innenring bzw. entsprechenden Innenringsegmenten sowie hinsichtlich der Anbindung und Lagerung des Dichtungsträgers bekannt sind.
  • Aus der EP 2 722 485 A1 ist beispielsweise eine Leitschaufelanordnung mit verstellbaren Leitschaufeln bekannt, bei welcher der Innenring wenigstens eine sich in axialer Richtung erstreckende Nut aufweist, in welche der Dichtungsträger zur Befestigung am Innenring mit einer Führungsschiene eingreift.
  • Aus der internen betrieblichen Praxis sind ferner Leitschaufelanordnungen mit verstellbaren Leitschaufeln bekannt, bei welchen der Dichtungsträger integral mit dem Innenring oder entsprechenden Innenringsegmenten ausgebildet ist.
  • Darüber hinaus sind Leitschaufelanordnungen mit festen Leitschaufeln bekannt, bei denen der Dichtungsträger speichenzentriert am Innenring gelagert ist, beispielsweise aus der EP 2 696 039 A1 .
  • Aus der US 2005/084190 A1 A ist eine drehbare Leitschaufel bekannt, bei der der Innenring mittels eines Sicherungsrings am Leitschaufelzapfen befestigt ist. Aus der US 2017/261003 ist eine Leitschaufelanordnung bekannt, wobei der Dichtungsträger speichenzentriert gegenüber dem wenigstens einen Innenringssegment gelagert ist.
  • Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Leitschaufelanordnung, insbesondere eine verbesserte Leitschaufelanordnung, bereitzustellen, bei welcher sich insbesondere die Spaltbreiten der einzelnen Dichtspalte während des Betriebs weniger ändern und welche infolgedessen insbesondere grö-ßere Toleranzbereiche ermöglicht sowie insbesondere außerdem eine einfachere Ermittlung der für ein gewünschtes Betriebsverhalten maximal zulässigen Toleranzen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine alternative, insbesondere verbesserte, Leitschaufel sowie einen alternativen, insbesondere verbesserten, Dichtungsträger für eine Leitschaufelanordnung bereitzustellen, sowie eine alternative, insbesondere verbesserte, Turbomaschine.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Leitschaufelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Turbomaschine gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung für eine Turbomaschine mit einer Rotationsachse, insbesondere für eine Verdichter-oder Turbinenstufe einer Gasturbine, mehrere, verstellbare, insbesondere jeweils um eine Verstellachse drehbar gelagerte Leitschaufeln, wenigstens ein separat von den Leitschaufeln ausgebildetes Innenringsegment und einen separat von dem wenigstens einen Innenringsegment ausgebildeten Dichtungsträger, wobei das wenigstens eine Innenringsegment an einer oder mehreren Leitschaufeln, insbesondere an höchstens vier Leitschaufeln, befestigt ist.
  • Erfindungsgemäß ist der Dichtungsträger speichenzentriert gegenüber dem wenigstens einen Innenringsegment gelagert, so dass der Dichtungsträger gegenüber dem wenigstens einen Innenringsegment in Richtung wenigstens einer Verstellachse wenigstens einer Leitschaufel und/oder in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse der Turbomaschine in einem funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine, beweglich gelagert ist.
  • Unter einer "verstellbaren Leitschaufel" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Leitschaufel verstanden, welche dazu ausgebildet ist und insbesondere in der Leitschaufelanordnung derart gelagert ist, dass sie durch Rotation um eine Verstellachse, verstellt werden kann, insbesondere ihr Strömungsanstellwinkel, wobei die Verstellachse mit ihrer Längsachse zusammenfallen kann, oder aber auch von dieser verschieden sein kann, wobei sich die Verstellachse insbesondere im Wesentlichen in Längsrichtung der Leitschaufel erstreckt.
  • Unter einem "Dichtungsträger" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Tragstruktur verstanden, welche dazu ausgebildet ist eine Dichtungsstruktur, insbesondere eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Dichtungsstruktur, wie beispielsweise eine Bürstendichtstruktur und/oder eine aus dem Stand der Technik ebenfalls grundsätzlich bekannte und in Turbomaschinen eingesetzte sogenannte "Honigwaben"-Struktur zu halten.
  • Unter einer "speichenzentrierten Lagerung" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung, eine Lagerung verstanden, welche derart ausgestaltet ist, dass sich das jeweilige, auf diese Art und Weise gelagerte Bauteil, im vorliegenden Fall insbesondere der Dichtungsträger, stets um eine Achse, insbesondere um eine Achse, die parallel zur Rotationsachse einer Turbomaschine verläuft oder um die Rotationsachse selbst, zentriert ausrichtet, und welche außerdem einen Ausgleich in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse einer Turbomaschine, ermöglicht. D. h. mit anderen Worten, dass unter einer speichenzentrierten Lagerung im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Lagerung verstanden wird, welche insbesondere einen Freiheitsgrad in radialer Richtung aufweist, und welche selbstzentrierend in Bezug auf eine Achse, insbesondere einer parallel zur Rotationsachse einer Turbomaschine verlaufenden Achse oder zur Rotationsachse selbst wirkt, ähnlich wie bei einem Laufrad eines Fahrrads, bei dem die Nabe über Speichen in der Felge gelagert ist.
  • Die Richtungsangabe "axial" bezieht sich, sofern nicht explizit etwas anderes, insbesondere eine andere Achse, angegeben ist, vorliegend in fachüblicher Weise auf eine Richtung parallel zu einer Haupt-Rotations- bzw. (Haupt-)Maschinenachse der Turbomaschine, die Richtungsangabe "Umfangsrichtung" entsprechend, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist, insbesondere eine andere Achse, auf eine Rotationsrichtung um diese Rotations- bzw. (Haupt)Maschinenachse, die Richtungsangabe "radial", sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist, insbesondere eine andere Achse, auf eine Richtung, die senkrecht auf der axialen und Umfangsrichtung steht. Die Richtungsangabe "tangential" bezieht sich, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist, insbesondere eine andere Achse, entsprechend auf eine Richtung, welche senkrecht auf der axialen Richtung gemäß vorgenannter Definition und der radialen gemäß vorgenannter Definition Richtung steht, wobei insbesondere sämtliche Richtungsangaben, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist, jeweils auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand des entsprechenden Bauteils in einer Turbomaschine bezogen sind.
  • Die erfindungsgemäße, speichenzentrierte Lagerung des Dichtungsträgers ermöglicht eine Entkopplung der Abdichtung im Bereich der radial inneren Enden der Leitschaufeln zwischen den Leitschaufeln und dem wenigstens einen Innenringsegment von der Abdichtung gegenüber einem Rotor.
  • Insbesondere kann mittels der erfindungsgemäßen speichenzentrierten Lagerung des Dichtungsträgers, insbesondere bedingt durch den Freiheitsgrad in radialer Richtung, eine Entkoppelung der Lagerung des Dichtungsträgers in radialer Richtung von dem wenigstens einem Innenringsegment erreicht werden. Infolgedessen kann wenigstens ein Dichtspalt zwischen der Leitschaufel und dem wenigstens einen Innenringsegment unabhängig vom Dichtungsträger und damit auch unabhängig von einem Ringeinem Rotor ausgelegt und eingestellt werden. D.h. eine insbesondere thermisch bedingte Längenänderung der Leitschaufeln führt nicht mehr unbedingt zu einer Änderung der Spaltbreite des Dichtspaltes zwischen dem Dichtungsträger bzw. einer daran befestigten Dichtstruktur und dem Rotor und eine, insbesondere thermisch bedingte, Änderung der Länge des Dichtungsträgers in Umfangsrichtung bzw. seines Durchmessers führt nicht mehr unbedingt zu einer Änderung einer Spaltbreite zwischen einem Innenringsegment und wenigstens einer Leitschaufel.
  • Eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung hat ferner den Vorteil, dass der Spalt zwischen einer an dem Dichtungsträger befestigten Dichtstruktur und dem Rotor nahezu unabhängig von dem mindestens einen Innenringsegment und dessen Befestigung an den jeweiligen Leitschaufeln ausgestaltet und eingestellt werden kann. Dadurch können die sich ergebenden Dichtspalte zwischen dem wenigstens einen Innenringsegment und den Leitschaufeln, an denen das Innenringsegment befestigt ist, separat und unabhängig vom Dichtspalt zwischen Dichtungsträger bzw. einer daran befestigten Dichtstruktur und dem Rotor ausgelegt werden, wodurch sich die jeweils zu berücksichtigen Toleranzketten verkürzen, insbesondere aufteilen, und infolgedessen vereinfachen und ferner insgesamt weniger enge Toleranzen einzuhalten sind.
  • In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung insbesondere mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, insbesondere gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, verstellbare, jeweils um eine Verstellachse drehbar gelagerte Leitschaufeln auf.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine Leitschaufel dabei derart angeordnet, dass in einem funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine ihre Verstellachse um mehr als 1°, bevorzugt um mehr als 2°, insbesondere um mehr als 3°, höchstens jedoch um 5°, insbesondere höchstens um 4°, bevorzugt um höchstens 3°, von einer sich senkrecht zur Rotationsachse einer Turbomaschine erstreckenden Radialebene in Richtung stromaufwärts geneigt ist. Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte Kinematik und ein besonders vorteilhaftes Strömungsverhalten erreichen aber dennoch ein noch ausreichendes Spiel in radialer Richtung für eine vorteilhafte, erfindungsgemäße speichenzentrierten Lagerung des Dichtungsträgers aufrechterhalten.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dabei insbesondere jeder Leitschaufel ein separates Innenringsegment zugeordnet.
  • In einer alternativen Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind mehrere Leitschaufeln, insbesondere zwei oder drei Leitschaufeln, jedoch insbesondere jedoch höchstens vier Leitschaufeln, einem gemeinsamen Innenringsegment zugeordnet. D. h. in einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Innenringsegment an mehreren Leitschaufeln befestigt, jedoch insbesondere an höchstens vier Leitschaufeln. Die Befestigung an mehr als vier Leitschaufeln ist zwar möglich. Wird das Innenringsegment jedoch an zu vielen Leitschaufeln befestigt, kann es zu thermisch bedingten Verspannungen kommen, denen nur durch größere Spaltabmessungen zwischen Innenringsegment und Leitschaufeln begegnet werden kann, wodurch sich die Dichtwirkung in den allermeisten Fällen verschlechtern wird, was somit zum Nachteil des Wirkungsgrads sein kann und daher vermieden werden sollte.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Leitschaufelanordnung mehrere Innenringsegmente, die insbesondere in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und insbesondere einen Innenring bilden.
  • Die einzelnen Innenringsegmente sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie eine Art Deckband aufweisen zur Begrenzung eines Strömungskanals, insbesondere nach radial innen, der die Leitschaufeln im Bereich ihrer Strömungsprofile umgibt, wobei die einzelnen Innenringsegmente insbesondere derart ausgebildet sind, dass sich ein in Umfangsrichtung nahezu geschlossenes Innendeckband ausbildet. Zur Vermeidung von insbesondere in Umfangsrichtung entstehenden, thermisch bedingten Verspannungen, sind die einzelnen Innenringsegmente insbesondere jedoch in Umfangsrichtung ausreichend beabstandet zueinander angeordnet.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Dichtungsträger insbesondere an seinem radial inneren Ende, bezogen auf einen funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine, wenigstens eine Dichtstruktur auf, insbesondere wenigstens eine Bürstendichtstruktur und/oder wenigstens eine Honigwaben-Dichtstruktur zur Abdichtung gegenüber einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor.
  • In einer Weiterbildung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dabei wenigstens eine Dichtstruktur integral, d. h. einteilig, mit dem Dichtungsträger ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsträger dabei insbesondere speichenzentriert an den Leitschaufeln und/oder dem wenigstens einen Innenringsegment gelagert, insbesondere über wenigstens drei in Umfangsrichtung verteilt, insbesondere gleichmäßig verteilt, angeordnete Lagerstellen.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsträger dabei nur an den Leitschaufeln speichenzentriert gelagert.
  • Hierdurch kann eine vollständige Entkopplung von dem wenigstens einen Innenringsegment, insbesondere von sämtlichen Innenringsegmenten, erreicht werden und damit eine Entkopplung der Abdichtungen Leitschaufel (n) - Innenringsegment und Dichtungsträger/Dichtungsstruktur - Rotor.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist wenigstens eine Leitschaufel an ihrem radial inneren Ende ein sich entlang der Verstellachse erstreckendes Befestigungselement, insbesondere einen Befestigungszapfen auf, und das wenigstens eine Innenringsegment, das an dieser wenigstens einen Leitschaufel befestigt ist, wenigstens eine zugehörige, entsprechend ausgebildete Befestigungsöffnung, wobei das Befestigungselement der Leitschaufel, insbesondere in Richtung der Verstellachse, insbesondere durch die wenigstens eine, zugehörige Befestigungsöffnung des Innenringsegments hindurchgreift.
  • Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte, speichenzentrierte Lagerung des Dichtungsträgers an den Leitschaufeln realisieren. Insbesondere lässt sich hierdurch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung erreichen, da auf diese Weise besonders einfach sowohl eine Befestigung des wenigstens einen Innenringsegments an einer oder mehreren Leitschaufeln erreicht werden kann sowie gleichzeitig eine speichenzentrierte Lagerung des Dichtungsträgers an den Leitschaufeln, nämlich an den radial inneren Enden der Leitschaufeln, welche durch die Befestigungsöffnungen hindurchgreifen.
  • Durch die speichenzentrierte, radial bewegliche Lagerung des Dichtungsträgers an den Leitschaufeln, und damit insbesondere entkoppelt von dem wenigstens einen Innenringsegment, kann eine thermisch bedingte Längenänderung der Leitschaufeln ausgeglichen werden, ohne eine merkliche Zunahme des Dichtspalts zwischen der am Dichtungsträger befestigten Dichtstruktur und dem Rotor. Da das wenigstens eine Innenringsegment erfindungsgemäß an den Leitschaufeln befestigt ist, folgt es der Längenänderung der Leitschaufeln, so dass außerdem eine Vergrößerung der Dichtspaltes zwischen den Leitschaufeln und dem Innenringsegment vermieden werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Dichtungsträger auch an den Innenringsegmenten, insbesondere an wenigstens drei Innenringsegmenten, speichenzentriert gelagert sein, beispielsweise wie aus dem Stand der Technik für eine Leitschaufelanordnung mit festen Leitschaufeln bekannt und wie beispielsweise in der EP 2 696 039 A1 beschrieben, wobei die entsprechenden Radialnuten dabei insbesondere in Umfangrichtung zwischen den Befestigungselementen der Leitschaufeln angeordnet sind.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Innenringsegment mittels eines Axialsicherungsmittels an dem Befestigungselement der Leitschaufel befestigt und in Richtung der Verstellachse auf dem Befestigungselement gesichert, insbesondere mit einem definierten Spiel in Richtung der Verstellachse, insbesondere mittels eines Sicherungsringes oder einer Sicherungsscheibe.
  • In einer weiteren Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das wenigstens eine Innenringsegment dabei derart mit einem definierten Spiel in Richtung der Verstellachse an einer oder mehreren Leitschaufeln befestigt, dass durch einen ausreichenden, in einem Bereich radial innerhalb des Innenringsegments vorhandenen Betriebsdruck das Innenringsegment im Rahmen dieses Spiels in Richtung der Verstellachse nach außen verlagert werden kann, insbesondere derart, dass das Innenringsegment in radialer Richtung an den zugehörigen Leitschaufeln zur Anlage gebracht werden kann, so dass eine Abdichtung in radialer Richtung zwischen den zugehörigen Leitschaufeln und dem Innenringsegment ausgebildet werden kann, insbesondere mit einem Dichtspalt mit einer Spaltbreite von Null in radialer Richtung.
  • Um eine besonders gute Abdichtwirkung zwischen dem Innenringsegment und den zugehörigen Leitschaufeln zu erreichen, insbesondere bei Anlage des Innenringsegments an den zugehörigen Leitschaufeln in radialer Richtung oder in Richtung der Verstellachse, weisen die zugehörigen Leitschaufeln sowie das Innenringsegment insbesondere ein oder mehrere entsprechend ausgebildete, sich insbesondere radial zur Verstellachse erstreckende Absätze und Funktionsflächen auf, insbesondere Dichtflächen.
  • In einer weiteren Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das wenigstens eine Innenringsegment dabei außerdem mit einem definierten Spiel in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung an den jeweiligen Leitschaufeln befestigt. Hierdurch können Verspannungen, insbesondere thermisch bedingte Verspannungen, vermieden werden.
  • Die Führung der Leitschaufel in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung erfolgt bei einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung insbesondere über die vom Dichtungsträger aufgenommenen Befestigungselemente der Leitschaufeln, wobei dazu ein Spiel zwischen den Leitschaufeln und dem wenigstens einen Innenringsegment in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung insbesondere größer ist als zwischen den Leitschaufeln und dem Dichtungsträger in diesen Richtungen.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Dichtungsträger wenigstens eine Leitschaufelaufnahme auf, in welche das Befestigungselement, insbesondere ein Befestigungszapfen, wenigstens einer Leitschaufel derart eingreift, dass das Befestigungselement der Leitschaufel entlang der Verstellachse und/oder in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse erfindungsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine, beweglich gegenüber dem Dichtungsträger in der Leitschaufelaufnahme des Dichtungsträgers gelagert ist, wobei die Leitschaufelaufnahme im Dichtungsträger insbesondere konzentrisch zu wenigstens einer Befestigungsöffnung wenigstens eines Innenringsegments ausgebildet und angeordnet ist.
  • Hierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise das Befestigungselement wenigstens einer Leitschaufel in Richtung der Verstellachse der Leitschaufel oder in radialer Richtung beweglich gelagert werden, aber gleichzeitig, insbesondere in axialer Richtung und in Umfangsrichtung, bezogen auf die Rotationsachse einer Turbomaschine, geführt werden. Hierdurch lässt sich eine besonders vorteilhafte, speichenzentrierte Lagerung des Dichtungsträgers ausbilden. Die Speichenzentrierung mithilfe von Befestigungszapfens ermöglicht dabei, insbesondere im Vergleich zu einer nutengeführten Speichenzentrierung, wie sie beispielsweise aus der EP 2 696 039 A1 bekannt ist, eine präzisere Führung und damit eine verbesserte, insbesondere genauere Zentrierung. Hierdurch lassen sich im Ergebnis die Spaltbreiten präziser einstellen.
  • In einer bevorzugten Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Leitschaufelaufnahme als zylindrische oder becherförmige oder zylinderartige oder becherartige Vertiefung ausgebildet. Alternativ kann wenigstens eine Leitschaufelaufnahme auch als kegelstumpfförmige oder kegelförmige Vertiefung ausgebildet sein, wobei das zur Lagerung in der Leitschaufelaufnahme vorgesehene Befestigungselement, insbesondere der jeweilige Befestigungszapfen, insbesondere entsprechend korrespondierend, insbesondere entsprechend komplementär, zur Ausgestaltung der Leitschaufelaufnahme ausgebildet ist.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung greift das Befestigungselement der Leitschaufel, insbesondere in Richtung der Verstellachse, insbesondere mit definiertem Spiel in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung, in die Leitschaufelaufnahme des Dichtungsträgers ein, wobei das Spiel in Richtung der Verstellachse insbesondere mindestens so groß bemessen ist, dass eine thermisch bedingte Längenzunahme der Leitschaufel im Betrieb verspannungsfrei möglich ist. Es versteht sich von selbst, dass das Spiel jeweils höchstens so groß gewählt werden sollte, dass der Dichtungsträger während des Betriebs stets sicher an den Leitschaufeln gelagert ist und insbesondere ein Herausrutschen der Befestigungselemente aus den Leitschaufelaufnahmen im Dichtungsträger ausgeschlossen ist.
  • In einer alternativen, aber ebenfalls denkbaren Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Befestigungselement, insbesondere in Form eines Befestigungszapfens, auch dem Dichtungsträger zugeordnet sein und ein oder mehrere Leitschaufeln können jeweils eine entsprechende Aufnahme für das Befestigungselement, in diesem Fall eine "Dichtungsträgeraufnahme" aufweisen.
  • Der Dichtungsträger einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein und insbesondere in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung oder in einer Richtung senkrecht zur Verstellachse wenigstens einer Leitschaufel, insbesondere sämtlicher Leitschaufeln, axial geteilt sein, wobei im Fall eines geteilten Dichtungsträgers die einzelnen Teile bevorzugt mittels lösbarer Verbindungsmittel, insbesondere mittels Schrauben oder dergleichen, miteinander verbunden sind.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsträger ein umlaufend ausgebildeter Dichtungsträgerring, wobei der Dichtungsträgerring in Umfangsrichtung einteilig ausgebildet ist oder mehrere, sich nur jeweils über einen Teil in Umfangsrichtung erstreckende Dichtungsträgersegmente aufweist, wobei der Dichtungsträger insbesondere aus mehreren, sich nur jeweils über einen Teil in Umfangsrichtung erstreckenden Dichtungsträgersegmenten zusammengesetzt ist.
  • Die Teilung des Dichtungsträgers in Umfangsrichtung ermöglicht eine besonders einfache Montage einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung, wobei die einzelnen Dichtungsträgersegmente insbesondere in Umfangsrichtung jeweils überlappend angeordnet sind, d.h. bevorzugt mittels eines Überlappstoßes und nicht mit einem Stumpfstoß, wobei die Überlappungsflächen insbesondere jeweils als Keilflächen ausgebildet sind. Hierdurch kann eine besonders gute Abdichtung in Axialrichtung am Dichtungsträger erreicht werden. Ferner lässt sich auf diese Weise ein vorteilhafter Kraftfluss im Dichtungsträger erreichen.
  • In einer Weiterbildung eine Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Dichtungsträgersegment oder Dichtungsträgerteil durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt, wobei sich in diesem Fall das Dichtungsträgersegmente insbesondere nicht über mehr als einen Umfangswinkel von 60° erstreckt. Die Herstellung durch ein additives Fertigungsverfahren ermöglicht eine besonders flexible Ausgestaltung des Dichtungsträgers, da diese Art der Herstellung eine besonders große geometrische Freiheit ermöglicht bei gleichzeitig guten mechanischen und thermischen Eigenschaften.
  • In einer Ausführung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsträger, insbesondere in Dichtungsträgerring oder wenigstens ein Dichtungsträgersegment, in wenigstens einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil und wenigstens einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil geteilt, wobei der Dichtungsträger insbesondere zumindest teilweise entlang einer parallel zur Verstellachse der Leitschaufeln verlaufenden Teilungsebene und/oder entlang einer sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckenden Radialebene in einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil und einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil geteilt ist.
  • Dies ermöglicht ein besonders einfaches Einbringen der Leitschaufelaufnahmen in den Dichtungsträger sowie eine besonders einfache Montage.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsträger sowohl in Umfangsrichtung in Dichtungsträgersegmente geteilt als auch in einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil, wobei mindestens ein Dichtungsträgerteil oder Dichtungsträgersegmenten durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist und/oder sich insbesondere in Umfangsrichtung sich höchstens über einen Bereich von einem Umfangswinkel von 60° erstreckt.
  • In einer Weiterbildung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, sind der wenigstens einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil und wenigstens ein stromabwärtige Dichtungsträgerteil mittels wenigstens eines Verbindungsmittels, insbesondere mittels wenigstens einer Schraube oder mittels eines Niets oder dergleichen, miteinander verbunden, insbesondere lösbar, insbesondere mittels wenigstens eines, sich in einer Richtung senkrecht zur Teilungsebene des Dichtungsträgers erstreckenden Verbindungsmittels, wobei das wenigstens eine Verbindungsmittel, bezogen auf ein erfindungsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine, in Umfangsrichtung versetzt zu den Befestigungselementen der Leitschaufeln angeordnet ist und sich in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse der Turbomaschine, insbesondere auf Höhe wenigstens eines Befestigungselements wenigstens einer Leitschaufeln befindet.
  • Insbesondere mit Schrauben lassen sich die einzelnen Dichtungsträgerteile schnell zu, Dichtungsträger zusammensetzen, insbesondere lösbar.
  • Sind die Verbindungsmittel dabei jeweils in radialer Richtung auf Höhe der Befestigungselemente, insbesondere auf Höhe der Befestigungszapfen, angeordnet, kann eine in radialer Richtung besonders kompakte, bauraumsparende Leitschaufelanordnung realisiert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung überlappen sich wenigstens ein Innenringsegment und der Dichtungsträger, insbesondere stromabwärts, bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand in einer Turbomaschine, in Richtung der Verstellachse oder in radialer Richtung zumindest teilweise und bilden insbesondere zwischen sich einen, bezogen auf die Rotationsachse einer Turbomaschine in einem funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung, in axialer Richtung abdichtend wirkenden Dichtspalt aus, wobei sich der Dichtspalt selbst insbesondere parallel zur Verstellachse wenigstens einer Leitschaufel, insbesondere parallel zur Verstellachse der am nächsten liegenden Leitschaufel, oder in radialer Richtung erstreckt.
  • Dadurch kann auf besonders einfache Art und Weise, insbesondere zusätzlich, eine in axialer Richtung wirkende Abdichtung realisiert werden, insbesondere stromabwärts der Leitschaufelaufnahmen, welche insbesondere außerdem einen Längenausgleich der Leitschaufel bzw. eine radiale Bewegung des Innenringsegments gegenüber dem Dichtungsträger ermöglicht, ohne die Dichtwirkung in axialer Richtung nennenswert negativ zu beeinflussen. Durch die zusätzliche Abdichtung können Leckageeffekte noch weiter reduziert werden, was sich in der Regel vorteilhaft auf den Wirkungsgrad einer Turbomaschine auswirkt.
  • Zur Ausbildung der axialen Abdichtung weisen das wenigstens eine Innenringsegment und der Dichtungsträger, insbesondere ein stromabwärtiger Teil des Dichtungsträgers, und insbesondere jeweils stromabwärts von der jeweiligen Leitschaufelaufnahme, jeweils einen sich, bezogen auf die Rotationsachse einer Turbomaschine, in radialer Richtung erstreckenden Dichtflansch auf, wobei sich der Dichtflansch des Innenringsegments insbesondere radial nach innen erstreckt, und der Dichtflansch des Dichtungsträgers insbesondere radial nach außen.
  • Eine besonders gute Abdichtung in axialer Richtung kann erreicht werden, wenn das wenigstens eine Innenringsegment mit einem definierten Spiel in axialer Richtung an den jeweiligen Leitschaufel befestigt ist, und das Spiel derart bemessen ist, dass durch einen ausreichenden, in einem Bereich radial innerhalb des Innenringsegments vorhandenen Betriebsdruck das Innenringsegment im Rahmen dieses Spiels in axialer Richtung mit seinem Dichtflansch gegen den Dichtflansch des Dichtungsträger zur Anlage gebracht werden kann, insbesondere derart, dass eine Abdichtung in axialer Richtung dem Innenringsegment und dem Dichtungsträger ausgebildet werden kann, insbesondere mit einem Dichtspalt mit einer Spaltbreite von Null in axialer Richtung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung einer Leitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden weist die Leitschaufelanordnung wenigstens zwei separat von den Leitschaufeln ausgebildete Innenringsegmente auf, wobei die wenigstens zwei Innenringsegmente in Umfangsrichtung benachbart zueinander und mit einem Ausgleichsspalt in Umfangsrichtung dazwischen angeordnet sind, wobei sich der Ausgleichsspalt, bezogen auf die Rotationsachse einer Turbomaschine, insbesondere in radialer Richtung erstreckt, wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Innenringsegmenten im Bereich des Ausgleichsspalts insbesondere wenigstens ein Dichtelement angeordnet ist, insbesondere wenigstens zur zumindest teilweisen Abdichtung des Ausgleichsspalts in radialer Richtung.
  • Durch die Ausgleichsspalte lassen sich Verspannungen in Umfangsrichtung, insbesondere thermisch bedingte Verspannungen infolge von thermisch bedingten Ausdehnungen der Innenringsegmente reduzieren bzw. bei entsprechend große gewählten Ausgleichsspalten sogar ganz vermeiden.
  • Mittels des wenigstens einen, im Ausgleichsspalt angeordneten Dichtelements können Leckagen in diesem Bereich reduziert werden und insbesondere die Abdichtung nach radial innen verbessert werden, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.
  • Wenigstens ein Dichtelement erstreckt sich dabei insbesondere in Umfangsrichtung und zumindest teilweise in axialer Richtung, wobei wenigstens ein Dichtelement insbesondere ein Dichtstreifen ist, insbesondere ein Blechstreifen oder dergleichen, insbesondere aus Federstahl, welcher insbesondere jeweils in einer entsprechend ausgebildeten Nut von jeweils zwei aneinander angrenzenden Innenringsegmenten aufgenommen ist, insbesondere derart, dass sich jeweils ein Labyrinthspalt zwischen dem Dichtelement und dem jeweiligen Innenringsegment ausbildet.
  • Eine erfindungsgemäße Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einer Verdichter-oder Turbinenstufe mit einer Leitschaufelanordnung mit Leitschaufeln weist erfindungsgemäß eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung und/oder wenigstens eine erfindungsgemäße Leitschaufel und/oder wenigstens einen erfindungsgemäßen Dichtungsträger auf.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigen stark schematisiert:
    • Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung mit einer erfindungsgemäßen Leitschaufel und einem erfindungsgemäßen Dichtungsträger mit Blick in Umfangsrichtung und
    Fig. 2
    die Leitschaufelanordnung aus Fig. 1 in abgewickelten Darstellung mit Blick in axialer Richtung, jedoch ohne den Dichtungsträger.
  • Fig. 1 zeigt eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 100 mit Blick in Umfangsrichtung U auf die Leitschaufelanordnung 100, wobei die Leitschaufelanordnung 100 eine erfindungsgemäße, verstellbare Leitschaufel 10 mit einem an ihrem radial inneren Ende ausgebildeten Befestigungszapfen 11 aufweist, ein an der Leitschaufel 10 befestigtes Innenringsegment 30 sowie einen am Befestigungszapfen 11 in radialer Richtung R beweglich gelagerten, erfindungsgemäßen Dichtungsträger 20.
  • Die Leitschaufel 10 ist dabei um eine Verstellachse V, welche in diesem Fall in radialer Richtung R verläuft, aber auch geneigt zu dieser verlaufen könnte, insbesondere um wenige Grad, drehbar ausgebildet und drehbar gegenüber dem Innenringsegment 30 gelagert sowie drehbar vom Dichtungsträger 20 aufgenommen.
  • Am radial inneren Ende des Dichtungsträgers 20 ist zur Abdichtung gegenüber einem hier nicht dargestellten Rotor eine auf aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise ausgebildete Dichtungsstruktur 21 in Form von einer Honigwaben-Dichtstruktur 21 angeordnet, welche bei diesem Ausführungsbeispiel, insbesondere integral mit dem stromabwärtigen Dichtungsträgerteil 20B ausgebildet ist.
  • Zur Festlegung des Innenringsegments 30 an der Leitschaufel 10 ist in den Befestigungszapfen 11 eine umlaufende Nut 15 eingebracht, in welche ein Axialsicherungsmittel 40 in Form eines Sicherungsrings 40 eingreift, wobei das Innenringsegment 30 mit einem definierten Spiel in Richtung der Verstellachse V an der Leitschaufel 10 befestigt ist.
  • Der Befestigungszapfen 11 grenzt mit seinem radial weiter außen liegenden Ende an einen Absatz 12 mit einem größeren Außendurchmesser an, wobei die, bezogen auf die Verstellachse, umlaufende radiale Nut 15 zur Aufnahme des Axialsicherungsmittels 40 mit einem definierten Abstand in Richtung des radial weiter innen liegenden Endes des Befestigungszapfens 11 von diesem Absatz 12 der Leitschaufel 10 in den Befestigungszapfen 11 eingebracht ist.
  • Das Spiel in Richtung der Verstellachse V zwischen der Leitschaufel 10 und dem Innenringsegment 30 in radialer Richtung, insbesondere im Bereich eines radial abdichtend wirkenden Dichtspalts 13, ist dabei insbesondere derart bemessen, insbesondere im Zusammenhang mit der geometrischen Ausgestaltung des Innenringsegments 30, dass durch Aufbringen eines Betriebsdrucks p1 in einem Bereich radial innerhalb des Innenringsegments 30, das Innenringsegment 30 in Richtung der Verstellachse V nach außen gedrückt werden kann und im Bereich des radial abdichtend wirkenden Dichtspalt 13 zur Anlage an der Leitschaufel 10 gebracht werden kann, wodurch eine besonders gute Abdichtung in radialer Richtung R im Bereich des Dichtspalts 13 erreicht werden kann.
  • Für eine besonders gute Abdichtung weist der Absatz 12 der Leitschaufel eine dem radial inneren Ende der Leitschaufel 10 zugewandte und sich in einer Radialebene senkrecht zur Verstellachse V erstreckende Stirnfläche auf, wobei die Stirnfläche zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, als Dichtfläche ausgebildet ist und eine der beiden Dichtflächen des radial abdichtend wirkenden Dichtspalts 13 bildet.
  • Das Innenringsegment 30 weist zur Befestigung an der Leitschaufel 10 eine hier nicht näher bezeichnete Befestigungsöffnung auf, durch welche das radial innere Ende der Leitschaufel 10, insbesondere der Befestigungszapfen 11, hindurchgreift, wobei die Leitschaufel 10 als Anschlag in radialer Richtung nach radial außen einen entsprechenden Absatz 12 aufweist und das Innenringsegment 30 einen entsprechenden, hier nicht näher bezeichneten Flansch.
  • Der durch die Befestigungsöffnung im Innenringsegment 30 hindurchgreifende Befestigungszapfen 11 ist dabei in einer entsprechend korrespondierend zum Befestigungszapfen 11 ausgebildeten Leitschaufelaufnahme 24 vom Dichtungsträger 20 aufgenommen, wobei die Leitschaufelaufnahme 24 bei diesem Ausführungsbeispiel eine zylinderförmige Vertiefung ist und der Befestigungszapfen 11 ein zylindrischer Befestigungszapfen 11.
  • Der Befestigungszapfen 11 ist dabei mit einem definierten Spiel, symbolisiert durch Führungsspalt 23, in axialer Richtung A und in Umfangsrichtung U in dem Dichtungsträger 20 geführt, wobei dazu sowohl eine Umfangsfläche 27 des Befestigungszapfens 11 als auch eine innere Mantelfläche der Leitschaufelaufnahme 24 jeweils mit einer reibwertereduzierenden Beschichtung versehen sind sowie ferner eine gehärtete Oberfläche aufweisen, um die Gefahr von Fretting (Reibverschleiß) zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß ist der Dichtungsträger 20 dabei in Richtung der Verstellachse V, welche in diesem Fall mit der radialen Richtung R zusammenfällt, speichenzentriert und in Richtung der Verstellachse V beweglich an der Leitschaufel 10 gelagert.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Dichtungsträger 20 dabei zum einen in axialer Richtung A geteilt und weist einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil 20A und einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil 20B auf, welche jeweils mittels mehrerer in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Verbindungsmittel 22 in Form von Schrauben 22 miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsmittel 22 jeweils auf Höhe der Befestigungszapfen 11 in radialer Richtung R angeordnet sind, um eine besonders kompakte und bauraumsparende Ausgestaltung der Leitschaufelanordnung 100 in radialer Richtung R zu ermöglichen (siehe Fig. 2).
  • Zusätzlich zur axialen Teilung des Dichtungsträgers, 20, ist dieser ferner in Umfangsrichtung U in mehrere, nicht erkennbar dargestellte Dichtungsträgersegmente unterteilt, wobei die einzelnen Dichtungsträgersegmente sich dabei jeweils über nicht mehr als einen Umfangswinkelbereich von 55° erstrecken. Die einzelnen Dichtungsträger Teile bzw.-Segmente sind dabei jeweils durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt.
  • Die jeweils in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Dichtungsträgersegmente sind dabei sowohl in axialer Richtung A als auch in Umfangsrichtung U jeweils überlappend zueinander angeordnet, wobei die Dichtungsträgersegmente in den Überlappungsbereichen jeweils keilförmig ausgebildet sind, wodurch sich im Überlappungsbereich eine besonders gute Abdichtwirkung erreichen lässt, insbesondere in axialer Richtung A und in Umfangsrichtung U.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel verbinden die Verbindungsmittel 22 dabei jeweils zwei benachbarte, stromaufwärtige Dichtungsträgerteile 20A miteinander sowie außerdem die zwei zugehörigen, stromabwärtigen Dichtungsträgerteile 20B und diese außerdem mit den zwei stromaufwärtigen Dichtungsträgerteilen 20A. D. h. mit einem Verbindungsmittel 22, insbesondere einer Schraube 22, sind bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 100 insgesamt vier Einzelteile eines Dichtungsträgers 20 miteinander verbunden.
  • Für eine noch weiter verbesserte Abdichtung weisen der stromabwärtige Dichtungsträgerteil 20B sowie das Innenringsegment 30 jeweils auf ihrer stromabwärtigen Seite einen sich in radialer Richtung erstreckenden Dichtflansch 25 bzw. 35 auf, welche sich in radialer Richtung R und in Umfangsrichtung U überlappen und zwischen sich einen axial wirkenden Dichtspalt 26 ausbilden.
  • Für eine besonders gute Dichtwirkung ist die Leitschaufel 10 im Bereich ihres Absatzes 12 ferner in axialer Richtung A derart mit einem definierten Spiel mit dem Innenträgersegment 30 verbunden, insbesondere mit einem definierten Axialspiel 14, dass durch Aufbringen eines entsprechenden Betriebsdrucks p1 in Verbindung mit den geometrischen Abmessungen des Innenringsegments 30 das Innenringsegment 30 in axialer Richtung A in Richtung des Dichtflansches 25 des Dichtungsträgers 20 verlagert werden kann, insbesondere am Dichtungsträger 20 zur Anlage gebracht werden kann, sodass sich ein axial wirkender Dichtspalt 26 mit einer Spaltbreite von Null einstellt und somit eine Abdichtung eines Strömungskanals, der dazu ausgebildet ist, von einer Heißgasströmung mit Strömungsrichtung HS durchströmt zu werden, nach radial innen gegenüber einem Bereich radial innerhalb des Dichtungsträgers 20 noch weiter verbessert wird. Denn sollte Heißgas durch den radial abdichtend wirkenden Dichtspalt 13 austreten, kann dieses immer noch durch den stromabwärts angeordneten, axial wirkenden Dichtspalt 26 an einem weiteren Austritt nach radial innen gehindert werden.
  • Wie anhand von Fig. 1 gut erkennbar ist, ist bei einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 100 der Dichtungsträger 20 in Richtung der Verstellachse V bzw. in diesem Fall auch in radialer Richtung R, beweglich gegenüber der Leitschaufel 10 sowie dem daran befestigten Innenringsegment 30 gelagert. Kommt es nun in einer Turbomaschine im Betrieb zu einer thermisch bedingten Längenänderung der Leitschaufel 10, kann sich der Befestigungszapfen 11 frei in der Leitschaufelaufnahme 24 in Richtung der Verstellachse V bzw. in radialer Richtung R bewegen, ohne dass dies eine negative Auswirkung auf eine Position der Dichtstruktur 21 und damit auf einen, mit einem hier nicht dargestellten Rotor ausgebildeten Dichtspalt in radialer Richtung hat.
  • Ebenso wenig bewirkt eine Längenänderung der Leitschaufel 10 eine Änderung der Spaltbreite des axial wirkenden Dichtspalts 26 zwischen dem stromabwärtigen Dichtungsträgerteil 20B und dem Innenringsegment 30.
  • Da das Innenringsegment 30 an der Leitschaufel 10 festgelegt ist, folgt es der Längenänderung der Leitschaufel 10, sodass es auch nicht zu einer Veränderung der Spaltbreite des radial abdichtend wirkenden Dichtspalts 13 kommt.
  • Somit ermöglicht eine erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung 100 über einen breiten Betriebsbereich hinweg vorteilhafte Spaltbreiten und damit über ein breiten Betriebsbereich hinweg hohe Wirkungsgrade.
  • Ferner bewirkt die erfindungsgemäße, vom Innenringsegment 30 entkoppelte, speichenzentrierte Lagerung des Dichtungsträgers 20 eine Trennung der Toleranzkette und damit eine deutlich vereinfachte Ermittlung der maximal zulässigen Toleranzen, um die jeweils gewünschten maximalen Spaltbreiten zu bestimmen bzw. die für die gewünschten, maximalen Spaltbreiten jeweils maximal zulässigen Toleranzen.
  • Fig. 2 zeigt die Leitschaufelanordnung 100 aus Fig. 1 mit Blick in axialer Richtung A in Strömungsrichtung HS in einem abgewickelten Zustand, wobei in dieser Darstellung insbesondere gut zu erkennen ist, wie jeweils zwei Innenringsegmente 30 in Umfangsrichtung U mit einem definierten Ausgleichsspalt 50 dazwischen, zur Vermeidung von Verspannungen in Umfangsrichtung, zueinander angeordnet sind, wobei im Bereich des Ausgleichsspalts 50 jeweils ein Dichtelement 60 angeordnet ist, insbesondere in Form eines Dichtstreifens 60 aus Federstahl, der jeweils in eine Nut in die beiden benachbarten Innenringsegmente eingebracht ist und sich in axialer Richtung A, insbesondere über die Länge der Innenringsegmente 30 sowie über ein gewisses Stück in Umfangsrichtung U erstreckt, um eine Abdichtung in radialer Richtung R zwischen den Innenringsegmenten 30 zu bewirken. Dabei bildet das Dichtelement 60 jeweils mit dem zugehörigen Innenringsegment 30 einen Labyrinthspalt aus.
  • Ebenfalls gut zu erkennen in dieser Darstellung ist die Position der einzelnen Verbindungselemente 22 jeweils zwischen zwei Leitschaufeln 10 und versetzt zu diesen und insbesondere jeweils auf Höhe der Befestigungszapfen 11 in radialer Richtung R für eine besonders bauraumsparende und kompakte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 100 in radialer Richtung.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen ergibt.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung
    10
    Leitschaufel
    11
    Befestigungszapfen
    12
    Absatz
    13
    radial wirkender Dichtspalt
    14
    Axialspiel
    15
    Nut
    20
    Dichtungsträger
    20A
    stromaufwärtiger Dichtungsträgerteil
    20B
    stromabwärtiger Dichtungsträgerteil
    21
    Dichtstruktur
    22
    Verbindungsmittel (Schraube)
    23
    Führungsspalt
    24
    Leitschaufelaufnahme
    25
    Dichtflansch des Dichtungsträgers
    26
    axial abdichten wirkender Dichtspalt
    27
    Umfangsfläche des Befestigungszapfens (Funktionsfläche)
    30
    Innenringsegment
    35
    Dichtflansch des Innenringsegments
    40
    Sicherungsring
    50
    Ausgleichsspalt
    60
    Dichtelement
    A
    axiale Richtung
    R
    radiale Richtung
    U
    Umfangsrichtung
    HS
    Strömungsrichtung
    p1
    Betriebsdruck
    V
    Verstellachse

Claims (11)

  1. Leitschaufelanordnung (100) für eine Turbomaschine mit einer Rotationsachse, insbesondere für eine Verdichter- oder Turbinenstufe einer Gasturbine, umfassend:
    - mehrere, verstellbare, jeweils um eine Verstellachse (V) drehbar gelagerte Leitschaufeln (10),
    - wenigstens ein separat von den Leitschaufeln (10) ausgebildetes Innenringsegment (30) und
    - einen separat von dem wenigstens einen Innenringsegment (30) ausgebildeten Dichtungsträger (20),
    wobei das wenigstens ein Innenringsegment (30) an einer oder mehreren Leitschaufeln (10), befestigt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (20) speichenzentriert gegenüber dem wenigstens einen Innenringsegment (30) gelagert ist, so dass der Dichtungsträger (20) gegenüber dem wenigstens einen Innenringsegment (30) in Richtung wenigstens einer Verstellachse (V), wenigstens einer Leitschaufel (10) und/oder in radialer Richtung (R), bezogen auf die Rotationsachse der Turbomaschine in einem funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung (100) in einer Turbomaschine, beweglich gelagert ist.
  2. Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (20) speichenzentriert an den Leitschaufeln (10) gelagert ist, insbesondere über wenigstens drei in Umfangsrichtung (U) verteilt angeordnete Lagerstellen.
  3. Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitschaufel (10) an ihrem radial inneren Ende ein sich entlang der Verstellachse (V) erstreckendes Befestigungselement (11), insbesondere einen Befestigungszapfen (11), aufweist und das wenigstens eine Innenringsegment (30), das an dieser wenigstens einen Leitschaufel (10) befestigt ist, wenigstens eine zugehörige, entsprechend ausgebildete Befestigungsöffnung, wobei das Befestigungselement (11) der Leitschaufel (10) durch die wenigstens eine, zugehörige Befestigungsöffnung des Innenringsegments (30) hindurchgreift.
  4. Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Innenringsegment (30) mittels eines Axialsicherungsmittels (40) an dem Befestigungselement (11) befestigt ist und in Richtung der Verstellachse (V) auf dem Befestigungselement (11) gesichert ist, insbesondere mittels eines Sicherungsringes (40) oder einer Sicherungsscheibe.
  5. Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (20) wenigstens eine Leitschaufelaufnahme (24) aufweist, in welche das Befestigungselement (11), insbesondere ein Befestigungszapfen (11), wenigstens einer Leitschaufel (10) derart eingreift, dass das Befestigungselement (11) der Leitschaufel entlang der Verstellachse (V) und/oder in radialer Richtung (R) beweglich gegenüber dem Dichtungsträger (20) in der Leitschaufelaufnahme (24) des Dichtungsträgers (20) gelagert ist.
  6. Leitschaufelanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (20) ein umlaufend ausgebildeter Dichtungsträgerring ist, wobei der Dichtungsträgerring in Umfangsrichtung (U) zumindest teilweise einteilig ausgebildet ist, oder mehrere, sich nur jeweils über einen Teil in Umfangsrichtung (U) erstreckende Dichtungsträgersegmente aufweist, wobei der Dichtungsträger (20) insbesondere aus mehreren, sich nur jeweils über einen Teil in Umfangsrichtung (U) erstreckenden Dichtungsträgersegmenten zusammengesetzt ist.
  7. Leitschaufelanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (20) in wenigstens einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil (20A) und wenigstens einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil (20B) geteilt ist, wobei der Dichtungsträger (20) insbesondere zumindest teilweise entlang einer parallel zur Verstellachse (V) der Leitschaufeln (10) verlaufenden Teilungsebene und/oder entlang einer sich senkrecht zur Rotationsachse erstreckenden Radialebene in einen stromaufwärtigen Dichtungsträgerteil (20A) und einen stromabwärtigen Dichtungsträgerteil (20B) geteilt ist.
  8. Leitschaufelanordnung (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärtige Dichtungsträgerteil (20A) und der stromabwärtige Dichtungsträgerteil (20B) mittels wenigstens eines Verbindungsmittels (22) miteinander verbunden sind, insbesondere mittels wenigstens eines sich in einer Richtung senkrecht zur Teilungsebene des Dichtungsträgers (20) erstreckenden Verbindungsmittels (22), wobei das wenigstens eine Verbindungsmittel (22), bezogen auf einen funktionsgemäßen Verwendungszustand der Leitschaufelanordnung (100) in einer Turbomaschine, in Umfangsrichtung (U) versetzt zu den Befestigungselementen (11) der Leitschaufeln (10) angeordnet ist und sich in radialer Richtung (R) insbesondere auf Höhe wenigstens eines Befestigungselements (11) wenigstens einer Leitschaufel (10) befindet.
  9. Leitschaufelanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Innenringsegment (30) und der Dichtungsträger (20) sich stromabwärts, bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand in einer Turbomaschine, in Richtung der Verstellachse (V) zumindest teilweise überlappen und einen in axialer Richtung (A) abdichtend wirkenden Dichtspalt (26) ausbilden.
  10. Leitschaufelanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelanordnung (100) wenigstens zwei separat von den Leitschaufeln (10) ausgebildete Innenringsegmente (30) aufweist, wobei die wenigstens zwei Innenringsegmente (30) in Umfangsrichtung (U) benachbart zueinander und mit einem Ausgleichsspalt (50) in Umfangsrichtung (U) dazwischen angeordnet sind, wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung (U) benachbart angeordneten Innenringsegmenten (30) im Bereich des Ausgleichsspalts (50) insbesondere wenigstens ein Dichtelement (60) angeordnet ist wenigstens zur zumindest teilweisen Abdichtung des Ausgleichsspalts (50) in radialer Richtung.
  11. Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit wenigstens einer Verdichter- oder Turbinenstufe mit einer Leitschaufelanordnung (100) mit Leitschaufeln (10), dadurch gekennzeichnet, dass
    die Leitschaufelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
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