LEITVORRICHTUNG EINER STRÖMUNGSMASCHINE MIT VERSTELLBAREN FEDERBELASTETEN LEITSCHAUFELN
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen. Sie betrifft die Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine mit rotierbar gelagerten, verstellbaren Leitschaufeln sowie ein Abgasturbolader mit einer solchen Leitvorrichtung.
Stand der Technik
Abgasturbinen, beispielsweise von Turboladern, werden in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt. Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor wird dabei als Antriebsmittel zum Antreiben des Turbinenrades benutzt. Das Turbinenrad ist durch eine Welle mit dem Verdichterrad verbunden, mit welchem die dem Verbrennungsmotor zuzuführende Ansaugluft komprimiert wird. Um den variablen Betriebsbedingungen moderner Motoren gerecht zu werden, können im Abgasturbinen anstelle von festen Strömungsgittern (Düsenring) verstellbare Turbinengeometrien (VTG) eingesetzt werden. Dabei lassen sich durch einen Verstellmechanismus die Anstellwinkel von Turbinenleitschaufeln dem jeweiligen Betriebspunkt anpassen.
Eine VTG Vorrichtung umfasst in der Regel mehrere in einem Lagergehäuse gelagerte Leitschaufeln und einen Verstellmechanismus zum Drehen der
Leitschaufeln. VTG Vorrichtungen sind etwa in EP 0 226 444 oder DE 43 09 636 beschrieben.
Die Leitschaufeln einer Abgasturbine, welche im Betrieb sehr stark erhitzt werden, müssen mit angemessenem Spiel in den Lagerbuchsen eingebaut sein, damit sie nicht verklemmen. Aus demselben Grund muss der gesamte VTG
Verstellmechanismus funktionsbedingt genügend Spiel aufweisen. Das Spiel kann in den Radiallagerstellen der Leitschaufeln sowie zwischen Verstellhebel und
Leitschaufelschaft mitunter zu Schwingungsreibverschleiss (Fretting) an den verschiedenen Kontakt- und Auflageflächen führen, welcher beispielsweise durch betriebsbedingte Vibrationen des Lagergehäuses oder durch variable Strömungskräfte verursacht werden kann.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verstellvorrichtung für eine Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine dahingehend zu verbessern, dass die einzelnen Teile im Betrieb weitgehend spiellos miteinander zusammenwirken können. Diese Aufgabe wird mittels einer Schenkelfeder gelöst, welche den Schaft der Leitschaufel und den Verstellhebel gegeneinander verspannt und gleichzeitig den Leitschaufelschaft gegen ihre Lagerung drückt. Dadurch wird im Betrieb das Spiel zwischen allen beweglichen bzw. gefügten Teilen des Verstellmechanismus aufgehoben. Die Schenkelfeder greift mit je einem Schenkel am Lagergehäuse und an dem Verstellhebel an. So wird die Einheit aus Verstellhebel und Leitschaufel zusätzlich gegen das Lagergehäuse verspannt, d.h. der Leitschaufelschaft liegt mit einer positiven Auflagekraft in den Lagerstellen auf. Der Verstellhebel, welcher mit einem Verstellelement (Verstellring) verbunden und über diesen verstellbar ist, wird durch die Federkraft der Schenkelfeder gegen das Verstellelement gedrückt, so dass auch in dieser Kontaktstelle eine positive Auflagekraft wirkt.
Somit sorgt die erfindungsgemässe Verspannung der Leitvorrichtung mit einer Schenkelfeder dafür, dass die Einheit aus Verstellhebel und Leitschaufel in sich, sowie bezüglich der umliegenden, mit dieser Einheit zusammenwirkenden Teile spielfrei ist. Die Kräfte, welche beim Verstellen der Leitschaufeln auf die Einheit wirken, sind grösser als die von der Schenkelfeder ausgeübten Federkräfte, so dass das von der Dimensionierung der Kontaktbereicht an sich vorhandene Spiel beim Verstellen ausgenutzt und die Leitvorrichtung ohne zu verklemmen verstellt werden kann. Bei einer Leitvorrichtung mit mehreren Leitschaufeln können Schenkelfedern mit entgegengesetzter Windungsorientierung und entsprechend entgegengesetzten
Federkräften eingesetzt werden, so dass sich die der VerstellKräfte entgegenwirkenden Federkräfte in der Summe reduzieren, bzw. praktisch aufheben. Damit behindert die erfindungsgemässe Verspannung den Betrieb der verstellbaren Leitvorrichtung nicht, so dass nicht etwa stärkere Antriebe für den Verstellmechanismus verwendet werden müssten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung genauer erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen turbinenseitigen Teil eines Abgasturboladers mit erfindungsgemäss mittels Schenkelfedern verspannten Leitschaufeln.
Fig. 2 eine vergrössert isometrisch dargestellte Ansicht der Anordnung nach
Fig. 1 , und
Fig. 3 eine Detailansicht einer Schenkelfeder zum Verspannen der
Leitschaufeln nach Fig. 2.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt die Turbinenseite eines Abgasturboladers mit dem im Turbinengehäuse 21 angeordneten Turbinenrad. Das Turbinenrad umfasst eine Nabe 12 und darauf befestigte oder integral mit der Nabe gefertigte Laufschaufeln 11. Im Strömungskanal, welcher zu den Laufschaufeln hinführt, ist eine Leitvorrichtung angeordnet. Die Leitvorrichtung umfasst verstellbare Leitschaufeln 31 zum
Regulieren der Abgasströmung. Die Leitschaufeln sind mit einem Leitschaufelschaft 32 in den Lagerstellen 33 eines Lagergehäuses 22 rotierbar gelagert. Wie in der vergrösserten Teildarstellung in Fig. 2 gezeigt, können die Leitschaufeln 31 über einen Verstellhebel 4 um die Achse des Leitschaufelschafts 32 gedreht werden. Der Verstellhebel hat beidseits des länglichen Schafts 41 Wirkbereiche. In der dargestellten Ausführungsform ist dies auf der Seite des Leitschaufelschafts eine Ausnehmung 42, welche formschlüssig mit dem Leitschaufelschaft verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist dies eine Ausnehmung 43, in welche ein Fortsatz des Verstellrings 6 eingreift, um den Verstellhebel gemäss den dargestellten Pfeilen hin- und her zu bewegen. Die Kontakte beider Wirkbereiche weisen ein
minimales Spiel auf, um etwa thermische Ausdehnungen im Betrieb zu ermöglichen, ohne grosse Materialspannungen zu erzeugen.
Erfindungsgemäss ist eine Schenkelfeder 5 zwischen dem Lagergehäuse 22, dem Leitschaufelschaft 32 und dem Verstellhebel 4 eingespannt. Die in Fig. 3 detailliert dargestellte Schenkelfeder 5 ist mit ihren Windungen 51 koaxial zum
Leitschaufelschaft 32 angeordnet. Die Schenkelfeder ist mit einer ersten Abkröpfung 53 am Ende eines ersten Schenkels 52 am Lagergehäuse abgestützt. Mit einer zweiten Abkröpfung 55 am Ende eines zweiten Schenkels 54 hintergreift die Schenkelfeder den Schaft 41 des Verstellhebels 4. Eine zusätzliche Abkröpfung 56 an der zweiten Abkröpfung 55 dient als Montagehilfe und sorgt im Betrieb dafür, dass die Schenkelfeder nicht von dem Verstellhebel gleitet.
Im eingespannten Zustand werden die Schenkel der Schenkelfeder zwischen dem Verstellhebel und dem Lagergehäuse zusammengedrückt. In Abhängigkeit der Ausrichtung des ersten Schenkels 52 bezüglich der Radialen der Windungen 51 ergibt sich eine Reaktionskraft welche im Bereich der den Leitschaufelschaft umschliessenden Windungen eine Kraft auf den Leitschaufelschaft ausübt. Der Leitschaufelschaft wird dadurch in den Lagerstellen 33 gegen das Lagergehäuse 22 gedrückt. Der Verstellhebel wiederum wird durch den zweiten Schenkel 54 der Schenkelfeder gegen den Verstellring 6 sowie gegen den Leitschaufelschaft 32 gedrückt. All die Kontaktbereiche, bei welchen im Kaltzustand ein gewisses Spiel vorgesehen ist, werden somit von der Schenkelfeder gegeneinandergedrückt. Betriebsbedingte Vibrationen werden somit durch die Schenkelfeder abgefedert und der Schwingungsreibverschleiss bleibt aus.
Die Schenkelfeder ist somit in der Lage, sowohl das Kalt- als auch das Betriebsspiel aller beweglichen bzw. gefügten Teile des Verstellmechanismus auszugleichen. Durch eine geeignete Anzahl Windungen 51 bleibt die notwendige Federkraft auch beim Verstellen der Leitschaufeln nahezu konstant.
Alternativ kann die Schenkelfeder mit dem zweiten Schenkel 54 auch am Verstellring 6, im leitschaufelseitigen Wirkbereicht 42 des Verstellhebels, d.h. im Bereich der Verbindung zwischen dem Verstellhebel und dem Leitschaufelschaft oder direkt an dem Leitschaufelschaft 32 angreifen.
Damit die beim Verstellen von mehreren Lertschaυfeln aufzubringende Verstellkraft des Verstellrings trotz der Schenkelfedern nicht zu gross wird, und damit diese Kraft beim Öffnen und beim Schliessen der Leitschaufeln etwa gleich gross bleibt, können die Schenkelfedern, beispielsweise alternierend, in entgegengesetzte Richtung öffnen, bzw. die Windungen der Schenkelfedern mit entgegengesetztem Drehsinn gewickelt sein.
Bezugszeichenliste
1 1 Laufschaufeln
12 Nabe
21 Turbinengehäuse
22 Lagergehäuse
31 Leitschaufel
32 Leitschaufelschaft
33 Lagerstellen
4 Verstellhebel
41 Verstellhebelschaft
42 Leitschaufelseitiger Wirkbereich des Verstellhebels
43 Verstellringseitiger Wirkbereich des Verstellhebels
5 Schenkelfeder
51 Windung
52, 54 Schenkel
53, 55, 56 Abkröpfungen
6 Verstellring, Verstellelement