WO2018162306A1 - Turbine mit verstellbaren leitschaufeln - Google Patents

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WO2018162306A1
WO2018162306A1 PCT/EP2018/055001 EP2018055001W WO2018162306A1 WO 2018162306 A1 WO2018162306 A1 WO 2018162306A1 EP 2018055001 W EP2018055001 W EP 2018055001W WO 2018162306 A1 WO2018162306 A1 WO 2018162306A1
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WO
WIPO (PCT)
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housing
turbine
adjusting ring
ball
lever
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/055001
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas KUSSIN
Nils PURSCHKE
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/56—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/563—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable specially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings

Definitions

  • adjustable guide vanes the invention to a turbine, in particular egg ⁇ NEN compressor part of a gas turbine, with adjustable Leit shovel ⁇ comprising means coupled to the guide vanes adjusting device with an adjusting ring for reversible pivoting the vanes about their respective axes.
  • a turbine in particular a gas turbine, in Axialrich ⁇ tion usually in a compressor part (in which the fluid flowing through the turbine is compressed) and a turbine part (in which the fluid is expanded with the development of mechanical energy) divided.
  • the turbine comprises a housing.
  • a rotatable Läu ⁇ fer is added, on whose circumference in each case a plurality of turbine blades (blades) are arranged in several rows.
  • the axial direction of the turbine is usually depending ⁇ wells arranged between two rows of moving blades each having a row of guide vanes.
  • Blade row of the compressor part and the turbine part arranged.
  • the vanes are - in contrast to the blades - fixedly mounted on the housing.
  • the vanes serve to direct the flowing gas directed at the blades.
  • embodiments are known in which the guide vanes of at least one Leitschau ⁇ fel plinth are pivotable about its longitudinal axis. In a conventional design, as for example from DE
  • an adjusting device which comprises a housing enclosing, rotatable adjusting ring over a lever device pivots all the vanes of a row of vanes uniformly according to its own twist.
  • adjusting rings which are guided axially movable storage with the aid of sliding plates of various designs is known.
  • US 2014/0234082 AI is ⁇ example, a synchronization arrangement for a variable or synchronizer ring of a gas turbine can be seen.
  • the synchronization arrangement includes a synchronizer ring, which is connected by means of levers with guide vanes.
  • the synchronizer ring is slidably mounted on a compressor housing.
  • an actuator slidably moves the synchronizer ring in the axial direction and circumferentially along an arcuate path.
  • Damper assemblies provided in the circumferential direction between the synchronizer ring and the compressor housing.
  • solutions with a one-piece lever as well as solutions with two-part coupled levers are used.
  • a movement of the adjusting ring is only required in the circumferential direction, so that a radial and axial guidance of the adjusting ring is used.
  • the invention has for its object to provide a Versilein ⁇ direction for the vanes of a turbine, which allows a low-wear guidance of the adjusting ring.
  • the generic turbine is preferably used as a compressor part of a gas turbine.
  • the turbine can also turbines in other turbomachines, for example at or Dampftur- employed in the turbine gas turbine ⁇ part the a.
  • the turbine has a housing, a rotatably mounted rotor arranged in the üb ⁇ SHORT-. While the rotor usually rotates with the rotor acting ⁇ feln are arranged, are located in the housing stationarily arranged guide vanes reasonable.
  • the turbine has at least one row of vanes, which distributed in the circumference comprises a plurality of ⁇ number of vanes, wherein the individual vanes of the vane row are detected at the same time.
  • vanes are pivotally mounted in the housing, wherein as a rule the pivot axis of the individual vanes is radially aligned. How the storage takes place is initially insignificant.
  • At least one lever is arranged on each of the adjustable guide vanes outside the housing. The lever is firmly connected to a radially outer end of the Leit ⁇ blades. In this respect, a movement of the lever directly leads to a corresponding pivoting movement of the guide vanes.
  • the turbine for adjusting the lever comprises an adjusting device, which in turn comprises an adjusting ring and a bearing of the adjusting ring.
  • the adjusting ring ⁇ engages the housing, wherein the bearing is designed such that the adjusting ring can be moved both in the circumferential direction and axially. It is the task of storage to ensure the most consistent radial position of the adjusting ring.
  • the levers of the individual guide vanes which are distributed in the circumference, are pivotably mounted. As the connection between the lever and adjusting ring is solved in detail is initially irrelevant, if lakege ⁇ provides that upon displacement of the adjusting ring in the circumferential direction, a corresponding pivoting of the lever takes place.
  • the invention is based on the idea to support the adjusting admir a ball roller ⁇ set.
  • Ball roller is here understood to mean a bearing element for reducing the frictional forces between the adjusting ring and the housing.
  • Ball rollers are machine elements, which are known from the conveyor technology, because they allow an effortless moving or turning even of heavy loads in any direction.
  • a ball roller comprises a bearing shell which serves as a raceway for a large number of small carrier balls. To ensure a long service life, the bearing shell generally has a hardened surface at least on the side facing the carrier balls. Furthermore, the ball roller has a larger running ball, which rolls on the several smaller support balls in the bearing shell.
  • Carrier balls roll on rotation of the ball on the bearing shell.
  • This design of ball rollers allows a substantially precise rolling, which allow a high Be ⁇ load capacity. It is particularly advantageous that ball rollers are largely low maintenance.
  • a plurality of ball rollers are provided distributed on the circumference, so that the adjusting ring is supported at several points on the housing.
  • the ball rollers are fixedly mounted on the housing, wherein the adjusting ring is mounted on the running balls of the ball rollers.
  • the ball rollers are attached to the adjusting ring, and thus realized as an element running with the adjusting ring.
  • the adjusting ring is mounted together with the ball rollers on the rollers adjustable on the housing.
  • the ball rollers When used as a bearing and guide element for the adjusting ring, the ball rollers allow the movement of the adjusting ring both in the axial direction and in the circumferential direction. In contrast to the existing solutions with sliding guide the friction in the support of the adjusting ring is lower, while at the same time the required radial positioning accuracy is achieved.
  • a one-piece lever connection can be used. This results in comparison with multi-part lever connections to lower component costs due to fewer components and higher Verstellgenautechnik.
  • the version with ball rollers has lower adjustment forces.
  • the use of ball rollers for mounting the adjusting ring is advantageously possible if the row of guide vanes with the adjustable guide vanes comprises at least 30 guide vanes.
  • the high number of guide vanes and thus existing in the same number, connected to the adjusting lever stabilizes the position of the adjusting ring perpendicular to the rotor axis, so that a tilting of the adjusting ring is counteracted ⁇ gen. It is particularly advantageous if the guide blade row comprises at least 40 guide vanes.
  • Pivoting path is at least 25 ° in the first direction and / or the second direction. Furthermore, it is particularly advantageous ⁇ way, when the maximum swivel path is in the first direction and / or the second direction a maximum of 35 °.
  • the adjusting device comprises at least one spring on which the ball roller is elastically mounted.
  • the adjusting device preferably has a sealing element for sealing the ball roller.
  • the sealing element can be designed in one piece as well as in several parts.
  • the sealing ⁇ element is arranged for example in a gap between the adjusting ring and the housing and protects against water and / or impurities at least the running ball, but in particular both the running ball and a part of the Ku ⁇ gelrolle, which projects into the gap.
  • the entire contact surface on which the ball roller rolls be sealed by the sealing element.
  • a plurality of ball ⁇ roll in each case at least one sealing element per ball roller is provided vorzugseise.
  • At least the like Tele ⁇ element extends from the housing to the adjusting ring, wherein both provided for It can be hen that there is a firm connection on both sides and inasmuch as the sealing element in the manner of a bellows is elas ⁇ table or firmly connected on one side and on the opposite side with a minimum gap or sliding is performed.
  • the sealing element can also be fastened to the La ⁇ gerschale of the ball roller and thus insofar depending on the attachment of the ball roller on the housing or adjusting ⁇ ring to the adjusting ring respectively housing extend.
  • a contact surface is provided on the adjusting ring or on the Ge ⁇ housing on which the gel is Laufku ⁇ bewegbarbar.
  • the contact surface is formed from a relative to the adjusting ring or the housing harder material. This ensures that the contact surface has improved wear resistance.
  • the con tact ⁇ surface can in particular be formed as a separate ring segment ⁇ piece which with the material of verse ⁇ tellrings or the housing via a non-releasable connection (for example, welding) or detachable connection is connected.
  • the contact surface on which the running ball rolls provided with a maximum of hardness, which has the running ball. As a result, a greater wear of the running ball is avoided in contrast to the contact surface.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an adjustable guide blade, as well as an adjusting ring of an associated adjustment device;
  • FIG. 3 shows a detail of a first embodiment of a
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through a compressor part 1 of a turbine 2, here a gas turbine.
  • An axial direction 3 of the gas turbine 2 or the compressor part 1 is oriented substantially horizontally in the illustration.
  • the compressor part 1 comprises a roughly cylindrical housing 4, which accommodates a rotor 4 (not shown here) with a multiplicity of blade rows connected in series in the axial direction 3.
  • Each blade row includes a plurality of blades uniformly distributed over the circumference of the rotor (also not shown here).
  • the blades serve We ⁇ sentlichen for compacting the intended flowing in flow ⁇ device 5 through the compressor part 1 6 gas between two (rotary) blade rows in the axial direction 3 is a stationary stator blade row 7 arranged ⁇ .
  • the present presentation is restricted to the area of a single row of guide vanes 7.
  • Each guide vane row 7 in turn comprises a multiplicity of guide vanes 8 which are distributed uniformly over the inner circumference of the housing 4.
  • Each guide vane 8 is provided with its axis of rotation. 9 aligned substantially in the radial direction of the compressor part 1.
  • Each guide vane 8 comprises an airfoil 10, to which a shaft 11 is radially inwardly mounted, and a spindle 12 is mounted radially on the outside.
  • each vane 8 Radially inside each vane 8 is held with its shaft 11 in each case in a corresponding bushing 13 of an inner ring 14 mounted on the rotor.
  • each vane 12 Radially outside the spindle 8 are each performed ⁇ each vane 12 through a passage 15 from the housing 4 out.
  • each lever 18 belonging to a lever 18 is mounted substantially rigidly at the same at this rigid.
  • Each lever 18 in turn is connected in each case via a bearing 19 hingedly connected to an adjusting ring 20.
  • the adjusting ring 20 is part of the adjusting device 21.
  • the adjusting ring 20 is mounted radially on the outside with bearing elements 23 which are only symbolically indicated in FIG. 1, rotatably mounted on the housing 4, its axis of rotation being essentially concentric with the axis of the gas turbine 2 or the compressor part 1.
  • a rotation of the adjusting ring 20 causes via the Hebelvor- direction 17 a uniform simultaneous pivoting of all vanes 8 about their respective axis 9.
  • the guide vanes 8 can be adjusted depending on the rotation angle of the adjusting ring 20 between two end positions basically in any position.
  • the first, referred to as "closed” end position is reached when the blades 10 of all vanes 8 with their respective blade surfaces as far as possible across the Flow direction 5 are set, that is, if the free flow area in the region of the guide vane row 7 is reduced to a Mi ⁇ minimum.
  • the second, referred to as "open” end position is ⁇ accordingly achieved when the blades 10 of all vanes 8 are set with their respective blade surface substantially parallel to the flow direction 5, so if the free flow area in the region of the Leitschaufelschsch.
  • the detailed structure of the bearing element 23 is shown in FIG.
  • the bearing element 23 is ⁇ leads, as a ball roll 25 which 25 a greater velocity ball 26 and a gehär- preparing bearing shell 27, which serves as a raceway 27 for a plurality of smaller supporting balls 29 which.
  • the support balls 29 roll on rotation of the running ball 26 on the bearing shell 27 from.
  • the ball roller 25 comprises an outer housing 31 with a cover 33, in which 33 physicallyge- housing 31, the running ball 26, the bearing shell 27 and the Tragku ⁇ rules 29 are taken together with other components.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of the arrangement of the ball roller 25 as a further part of the adjusting device 21.
  • the ball roller 25 is attached to the adjusting ring 20 and integrated in the adjusting ring 20, so that single ⁇ Lich the lid 33 and the running ball 26 protrude into a gap 39 between the adjusting ring 20 and the housing 4.
  • a con- tact surface 35 is mounted which forms a raceway of a här ⁇ direct material than that of the housing 4 35th
  • the contact surface 35 rests on a supplement 37.
  • the insert 37 serves to maintain the position of the adjusting ring 20 concentric with the Ge ⁇ housing 4 and to ensure that all ball rollers 25 are engaged by the insert 37 are compensated for by, inter alia, the Fer ⁇ production tolerances of the housing.
  • 4 From 4 shows a second embodiment of the Anord ⁇ voltage of the ball roller 25 of the adjusting device 21 is apparent.
  • the ball roller 25 is on the enclosure 37 on the housing 4 be ⁇ consolidates, where it completely, ie both the running ball 26 and the outer housing 31, protruding from the housing 4 in the gap 39.
  • the contact surface 35 is brought attached to the adjustment ring ⁇ 20th
  • the arrangement of the ball roller 25 according to FIG. 5 is similar to that in FIG. 4, however, a receptacle 41 is provided on the housing 4 for the ball roller 25, in which receptacle 41 a disc spring package 43 is introduced.
  • a further embodiment which is shown in FIG 6, provides that in the gap 39 between the housing 4 and the adjusting ring 20, a circumferential sealing element 45 is arranged, which 45 encloses the part of the ball roller 25, which projects into the gap 39, and protects against water and / or contami ⁇ fixing certificates.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (2), mit einem Gehäuse (4) und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufelreihe (7), welche (7) eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete Leitschaufeln (8) aufweist. Die Leitschaufeln (8) sind jeweils im Gehäuse (4) gelagert und außerhalb des Gehäuses (4) fest mit einem Hebel (18) verbunden sind. Weiterhin umfasst die Turbine (2) einen Verstellring (20), welcher (20) in Umfangsrichtung und in Axialrichtung verstellbar ist und an dem (20) die Hebel (18) schwenkbar gelagert sind. Zur Reduzierung des Wartungsaufwandes ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere Kugelrollen (25) angeordnet sind, welche (25) jeweils eine Lagerschale (27) und mehrere darin (27) beweglich gelagerte Tragkugeln (29) und eine auf diesen (29) rollbar gelagerte Laufkugel (26) umfassen. Hierbei sind die Kugelrollen (25) am Gehäuse (4) oder dem Verstellring (20) befestigt sind, wobei der Verstellring (20) auf den Laufkugeln (26) oder die Laufkugeln (26) dem Gehäuse gelagert sind.

Description

Beschreibung
Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbine, insbesondere ei¬ nen Verdichterteil einer Gasturbine, mit verstellbaren Leit¬ schaufeln, umfassend eine mit den Leitschaufeln gekoppelte Versteileinrichtung mit einem Verstellring zur reversiblen Verschwenkung der Leitschaufeln um ihre jeweilige Achse.
Eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, ist in Axialrich¬ tung meist in ein Verdichterteil (in welchem das die Turbine durchströmende Fluid komprimiert wird) und ein Turbinenteil (in welchem das Fluid unter Entwicklung von mechanischer Energie entspannt wird) unterteilt.
Sowohl im Verdichterteil als auch im Turbinenteil umfasst die Turbine ein Gehäuse. In dem Gehäuse ist ein rotierbarer Läu¬ fer aufgenommen, an dessen Umfang in mehreren Reihen jeweils eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (Laufschaufeln) angeordnet sind. In Axialrichtung der Turbine ist üblicherweise je¬ weils zwischen zwei Laufschaufelreihen jeweils eine Leitschaufelreihe angeordnet. Weiterhin ist in der Regel eine Leitschaufelreihe in Strömungsrichtung vor der ersten Lauf- schaufelreihe und in Strömungsrichtung hinter der letzten
Laufschaufelreihe des Verdichterteils bzw. des Turbinenteils angeordnet. Die Leitschaufeln sind - im Gegensatz zu den Laufschaufeln - ortsfest am Gehäuse angebracht. Die Leitschaufeln dienen dazu, das strömende Gas gerichtet auf die Laufschaufeln zu leiten. Um dabei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gerecht zu werden, sind Ausführungen bekannt, bei denen die Leitschaufeln zumindest einer Leitschau¬ felreihe um ihre Längsachse verschwenkbar sind. In einer her- kömmlichen Bauform, wie sie beispielsweise aus der DE
10351202 AI oder der DE 10243103 AI bekannt ist, ist hierzu eine Versteileinrichtung vorgesehen, die einen das Gehäuse umschließenden, rotierbaren Verstellring umfasst, der über eine Hebelvorrichtung alle Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe gleichförmig entsprechend seiner eigenen Verdrehung verschwenkt . Für Verstellringe, die axial beweglich geführt werden, ist eine Lagerung mit Hilfe von Gleitplatten verschiedener Ausführungen bekannt. Aus der US 2014/0234082 AI ist beispiels¬ weise eine Synchronisationsanordnung für einen Verstell- oder Synchronring einer Gasturbine zu entnehmen. Die Synchronisa- tionsanordnung enthält einen Synchronring, der mit Hilfe von Hebeln mit Leitschaufeln verbunden ist. Der Synchronring ist verschiebbar an einem Verdichtergehäuse montiert. Um die Leitschaufeln zu schwenken, bewegt ein Aktuator den Synchronring in axialer Richtung und in Umfangsrichtung gleitend ent- lang einem bogenförmigen Weg. Hierzu sind scheibenförmige
Dämpfer-Anordnungen in Umfangsrichtung zwischen dem Synchronring und dem Verdichtergehäuse vorgesehen.
Zur schwenkbaren Verbindung des Verstellrings mit den Leit- schaufeln kommen Lösungen mit einem einteiligen Hebel als auch Lösungen mit zweiteilig gekoppelten Hebeln zum Einsatz. Im Falle der zweiteiligen Lösung ist eine Bewegung des Verstellrings nur in Umfangsrichtung erforderlich, so dass eine radiale und axiale Führung des Verstellrings eingesetzt wird.
Sofern der Verstellring schwenkbar mit einem einstückigen Hebel verbunden ist, wobei der Hebel wiederum fest mit der schwenkbaren Leitschaufel verbunden ist, so tritt bei der ge¬ forderten Verstellung in Umfangsrichtung zwangsläufig zu- gleich eine Bewegung des Verstellrings in axialer Richtung auf. Bei dieser Lösung führt analog eine Bewegung des Vers¬ tellrings in axialer Richtung je nach Winkelstellung des Hebels relativ zur Rotorachse zu einem Schwenken der Leitschaufeln. Um, insbesondere bei Berücksichtigung der in der Regel vorhandenen Toleranzen in der Lagerung des Hebels am Verstellring sowie der Lagerung des Verstellrings seinerseits, eine identische Stellung aller Leitschaufeln der verstellbaren Leitschaufelreihe sicherzustellen ist es daher erforder- lieh, ein Kippen des Verstellringes relativ zur Rotorachse zu verhindern. Daher wird in bekannten Ausführungen besonderer Wert darauf gelegt, dass sich der Verstellring nur in Um- fangsrichtung und axial bewegen kann, ohne dass ein Kippen, wenn auch nur geringfügig, verhindert wird.
Daher werden an die Versteileinrichtung die folgenden Anforderungen gestellt: Verwenkbarkeit in Umfangsrichtung,
Verschiebarkeit in axialer Richtung, geringer Reibwiderstand, hohe Positioniergenauigkeit, hohe Zuverlässigkeit, etc..
Die bekannten Ausführungen mit Gleitlagerungen erfüllen in der Regel die Anforderungen an eine Versteileinrichtung, jedoch bedingt die Gleitlagerung zwangsläufig einen Wartungs- aufwand mit gelegentlichem Tausch von Verschleißteilen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Versteilein¬ richtung für die Leitschaufeln einer Turbine anzugeben, die eine verschleißarme Führung des Verstellrings ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Turbine nach der Lehre des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteran- Sprüche.
Die gattungsgemäße Turbine wird bevorzugt als Verdichterteil einer Gasturbine eingesetzt. Jedoch kann die Turbine ebenso bei anderen Strömungsmaschinen, beispielsweise bei Dampftur- binen oder im Turbinenteil einer Gasturbine eingesetzt wer¬ den. Zumindest weist die Turbine ein Gehäuse auf, in dem üb¬ licherweise ein drehbar gelagerter Rotor angeordnet ist. Während am Rotor üblicherweise mit dem Rotor drehende Laufschau¬ feln angeordnet sind, befinden sich im Gehäuse ortsfest ange- ordnete Leitschaufeln. Dabei weist die Turbine zumindest eine Leitschaufelnreihe auf, welche im Umfang verteilt eine Mehr¬ zahl Leitschaufeln umfasst, wobei die einzelnen Leitschaufeln der Leitschaufelreihe zugleich feststellbar sind. Hierzu sind die Leitschaufeln im Gehäuse schwenkbar gelagert, wobei in aller Regel die Schwenkachse der einzelnen Leitschaufeln radial ausgerichtet ist. Wie die Lagerung erfolgt ist zunächst unerheblich. Zumindest ist an den verstellbaren Leitschaufeln außerhalb des Gehäuses jeweils ein Hebel angeordnet. Dabei ist der Hebel fest mit einem radial äußeren Ende der Leit¬ schaufeln verbunden. Insofern führt eine Bewegung des Hebels unmittelbar zu einer entsprechenden Schwenkbewegung der Leitschaufeln .
Weiterhin umfasst die Turbine zur Verstellung der Hebel eine VerStelleinrichtung, welche wiederum einen Verstellring und eine Lagerung des Verstellrings umfasst. Der Verstellring um¬ greift das Gehäuse, wobei die Lagerung derartig ausgeführt ist, dass der Verstellring sowohl in Umfangsrichtung als auch axial bewegt werden kann. Dabei ist es Aufgabe der Lagerung die möglichst gleichbleibende radiale Lage des Verstellrings zu gewährleisten. Am Verstellring sind die im Umfang verteilt angeordnete Hebel der einzelnen Leitschaufeln schwenkbar ge- lagert. Wie die Verbindung zwischen Hebel und Verstellring im Detail gelöst wird ist zunächst unerheblich, sofern sicherge¬ stellt wird, dass bei einer Verschiebung des Verstellrings in Umfangsrichtung ein entsprechendes Schwenken der Hebel erfolgt .
Anstelle die bewährte Ausführungsform mit einer Gleitlagerung des Verstellrings zu wählen, basiert die Erfindung auf der Idee, zur Abstützung des Verstellrings eine Kugelrolle einzu¬ setzen .
Insbesondere hat man sich über das Vorurteil hinweggesetzt, dass ein Verkippen des Verstellring in jedem Falle vollständig zu verhindern ist und insofern in jedem Falle der Verstellring senkrecht zur Rotorachse ausgerichtet sein muss. Die neuartige Ausführungsform wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass die Toleranzen in der schwenkbaren Verbindung zwischen den Hebeln und dem Verstellring im Laufe der Zeit reduziert werden konnten, so dass die Gefahr des Verkippens allein aufgrund der Toleranzen und insofern der Beweglichkeit des Verstellrings relativ zum Hebel reduziert ist. Weiterhin ist es vielmehr so, dass in der Anwendung bei einer Turbine im wesentlichen einseitige Lasten auf die Hebel wirken und somit ein Verkippen des Verstellrings bei der neuartig einge¬ setzten Lagerung auf Kugelrollen nicht wie zunächst befürchtet auftritt.
Unter Kugelrolle wird hierbei ein Lagerelement zur Reduzie- rung der Reibungskräfte zwischen dem Verstellring und dem Gehäuse verstanden. Kugelrollen sind Maschinenelemente, welche aus der Fördertechnik bekannt sind, denn sie ermöglichen ein müheloses Verschieben oder Drehen auch von schweren Lasten in beliebige Richtungen. Eine Kugelrolle umfasst eine Lagerscha- le, die als Laufbahn für eine Vielzahl kleiner Tragkugeln dient. Die Lagerschale weist zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer in der Regel zumindest auf zu den Tragkugeln weisenden Seite eine gehärte Oberfläche auf. Weiterhin weist die Kugelrolle eine größere Laufkugel auf, welche auf den mehre- ren kleineren Tragkugeln in der Lagerschale abrollt. Die
Tragkugeln wälzen sich bei Drehung der Laufkugel auf der Lagerschale ab. Diese Bauweise von Kugelrollen ermöglicht ein im wesentlichen präzises Abrollen, wobei diese eine hohe Be¬ lastbarkeit ermöglichen. Von besonderem Vorteil ist es, dass Kugelrollen weitgehend wartungsarm sind.
Zur Lagerung des Verstellrings sind mehrere Kugelrollen am Umfang verteilt vorgesehen, so dass der Verstellring an mehreren Stellen auf dem Gehäuse gestützt ist.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind hierbei die Kugelrollen auf dem Gehäuse feststehend befestigt, wobei der Verstellring auf den Laufkugeln der Kugelrollen gelagert ist.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Kugelrollen am Verstellring befestigt, und somit als mit dem Verstellring mitlaufendes Element realisiert. In dieser Aus- führungsform ist der Verstellring mitsamt der Kugelrollen über die Laufrollen verstellbar am Gehäuse gelagert.
Bei ihrer Verwendung als Lager- und Führungselement für den Verstellring erlauben die Kugelrollen die Bewegung des Verstellrings sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangs- richtung. Im Gegensatz zu den bestehenden Lösungen mit gleitender Führung ist die Reibung in der Abstützung des Verstellrings geringer, gleichzeitig wird dabei die geforderte radiale Positioniergenauigkeit erreicht.
Aufgrund der Rollreibung ist der Rollwiderstand geringer als bei Gleitreibung und die Verstellkräfte, die zur Bewegung des Verstellrings notwendig sind, sind dadurch reduziert. Dies führt zu geringerem Verschleiß an der VerStelleinrichtung sowie zu geringeren Kosten für Aktuatoren und kraftführenden Komponenten .
Aufgrund des axialen Freiheitsgrades in der Bewegung des Verstellringes kann eine einteilige Hebelanbindung verwendet werden. Diese führt im Vergleich zu mehrteiligen Hebelverbindungen zu geringeren Bauteilkosten aufgrund geringerer Anzahl an Bauteilen und zu höherer Verstellgenauigkeit. Insbesondere gegenüber Ausführungen mit einteiligen Hebel weist die Aus- führung mit Kugelrollen geringeren Verstellkräften auf.
Die Verwendung von Kugelrollen zu Lagerung des Verstellrings ist vorteilhaft möglich, wenn die Leitschaufelreihe mit den verstellbaren Leitschaufeln zumindest 30 Leitschaufeln um- fasst. Die hohe Anzahl von Leitschaufeln und insofern in gleicher Zahl vorhandener, mit dem Verstellring verbundener Hebel stabilisiert die Lage des Verstellrings senkrecht zur Rotorachse, so das einem Verkippen des Verstellrings entge¬ gengewirkt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leit- schaufelreihe zumindest 40 Leitschaufeln umfasst.
Weiterhin ist es zur Stabilisierung der Lage des Verstellrings vorteilhaft, wenn die einzelnen Hebel ungefähr senk- recht zum Verstellring und insofern ungefähr parallel zur Rotorachse ausgerichtet sind. Während hingegen die Hebel in der Ausgangslage ungefähr tangential ausgerichtet, so wären diese nicht in der Lage die Lage des Verstellrings gegenüber einem Verkippen zu stabilisieren. Entsprechend der notwendigen Verstellbarkeit der Hebel zum Schwenken der verstellbaren Leitschaufeln ist es vorteilhaft, wenn die Hebel ausgehend von einer zur Rotorachse parallelen Stellung in eine erste Richtung um zumindest 15°, aber um maximal 45° und in eine zweite Richtung um zumindest 15°, aber um maximal 45° schwenkbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mögliche
Schwenkweg zumindest 25° in der ersten Richtung und/oder der zweiten Richtung beträgt. Weiterhin ist es besonders vorteil¬ haft, wenn der maximale Schwenkweg maximal 35° in der ersten Richtung und/oder der zweiten Richtung beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Verstell- einrichtung zumindest eine Feder, auf welcher die Kugelrolle elastisch gelagert ist. Durch diese Ausgestaltung werden thermische Ausdehnungen des Gehäuses ausgeglichen. Zum Einsatz kommen beispielsweise Tellerfedern, es können jedoch auch andere Feder-Ausführungen, z.B. Blattfeder, verwendet werden . Im Hinblick auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Kugelrolle weist die Versteileinrichtung bevorzugt ein Dichtelement zur Abdichtung der Kugelrolle auf. Das Dichtelement kann sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgestaltet sein. Das Dicht¬ element ist beispielsweise in einem Spalt zwischen dem Ver- stellring und dem Gehäuse angeordnet und schützt gegen Wasser und/oder Verunreinigungen zumindest die Laufkugel, insbesondere jedoch sowohl die Laufkugel als auch einen Teil der Ku¬ gelrolle, der in den Spalt hineinragt. Alternativ kann die gesamte Kontaktfläche, auf welcher die Kugelrolle abrollt, durch das Dichtelement abgedichtet sein. Bei mehreren Kugel¬ rollen ist vorzugseise jeweils zumindest ein Dichtelement pro Kugelrolle vorgesehen. Zumindest erstreckt sich das Dichtele¬ ment vom Gehäuse bis zum Verstellring, wobei sowohl vorgese- hen sein kann, dass beidseitig eine feste Verbindung besteht und insofern das Dichtelement in Art eines Faltenbalges elas¬ tisch ist oder an einer Seite fest verbunden und auf gegenüberliegende Seite mit minimalem Spalt oder gleitend ausge- führt ist. Dabei kann das Dichtelement gleichfalls an der La¬ gerschale der Kugelrolle befestigt sein und sich insofern je nach Befestigung der Kugelrolle am Gehäuse oder am Verstell¬ ring bis zum Verstellring respektive Gehäuse erstrecken. Vorteilhafterweise ist auf dem Verstellring oder auf dem Ge¬ häuse eine Kontaktfläche vorgesehen, auf welcher die Laufku¬ gel bewegbarbar ist. Dabei ist die Kontaktfläche aus einem gegenüber dem Verstellring bzw. dem Gehäuse härteren Material ausgebildet ist. Hierbei wird erreicht, dass die Kontaktflä- che eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Die Kon¬ taktfläche kann insbesondere als ein separates Ringsegment¬ stück ausgebildet sein, welches mit dem Material des Vers¬ tellrings bzw. des Gehäuses über eine unlösbare Verbindung (z.B. Schweißen) oder lösbare Verbindung verbunden ist.
Demgegenüber wird zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer der Kugelrollen die Kontaktfläche, auf welcher die Laufkugel abrollt, mit maximal der Härte versehen, welche die Laufkugel aufweist. Hierdurch wird eine stärkere Abnutzung der Laufku- gel im Gegensatz zur Kontaktfläche vermieden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen: FIG 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine verstellbare Leitschaufel, sowie einen Verstellring einer zugehörigen Versteileinrichtung;
FIG 2 in einer Querschnittsdarstellung eine Kugelrolle;
FIG 3 in einem Ausschnitt eine erste Ausführung einer
VerStelleinrichtung; FIG 4 in einem Ausschnitt eine zweite Ausführung
VerStelleinrichtung,·
FIG 5 in einem Ausschnitt eine dritte Ausführung
Versteileinrichtung; und
FIG 6 in einem Ausschnitt eine vierte Ausführung
VerStelleinrichtung . Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt einen ausschnittweisen Längsschnitt durch einen Verdichterteil 1 einer Turbine 2, hier einer Gasturbine. Eine Axialrichtung 3 der Gasturbine 2 bzw. des Verdichterteils 1 ist dabei in der Darstellung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet .
Der Verdichterteil 1 umfasst ein in groben Zügen zylinderför- miges Gehäuse 4, welches 4 einen (hier nicht dargestellten) Rotor mit einer Vielzahl von in Axialrichtung 3 hintereinandergeschalteten Laufschaufelreihen aufnimmt.
Jede Laufschaufelreihe umfasst eine Vielzahl von über den Um- fang des Rotors gleichmäßig verteilten Laufschaufeln (hier ebenfalls nicht dargestellt) . Die Laufschaufeln dienen im We¬ sentlichen zur Verdichtung des bestimmungsgemäß in Strömungs¬ richtung 5 durch den Verdichterteil 1 strömenden Gases 6. In Axialrichtung 3 ist jeweils zwischen zwei (rotierbaren) Laufschaufelreihen eine ortsfeste Leitschaufelreihe 7 ange¬ ordnet. Die vorliegende Darstellung beschränkt sich dabei auf den Bereich einer einzigen Leitschaufelreihe 7.
Jede Leitschaufelreihe 7 umfasst wiederum eine Vielzahl von über den Innenumfang des Gehäuses 4 gleichmäßig verteilten Leitschaufeln 8. Jede Leitschaufel 8 ist dabei mit ihrer Ach- se 9 im Wesentlichen in Radialrichtung des Verdichterteils 1 ausgerichtet .
Jede Leitschaufel 8 umfasst ein Schaufelblatt 10, an welchem 10 radial innenseitig ein Schaft 11, und radial außenseitig eine Spindel 12 angebracht ist.
Radial innenseitig ist jede Leitschaufel 8 mit ihrem Schaft 11 jeweils in einer korrespondierenden Buchse 13 eines auf dem Rotor gelagerten Innenrings 14 gehalten.
Radial außenseitig ist die Spindel 12 jeder Leitschaufel 8 jeweils durch eine Durchführung 15 aus dem Gehäuse 4 heraus¬ geführt .
Am radial außenliegenden Ende 16 jeder Spindel 12 ist ein zu einer Hebelvorrichtung 17 gehöriger Hebel 18 im Wesentlichen rechtwinklig zu derselben an dieser starr befestigt. Jeder Hebel 18 wiederum ist jeweils über ein Lager 19 gelenkig mit einem Verstellring 20 verbunden. Der Verstellring 20 ist hierbei Teil der VerStelleinrichtung 21.
Der Verstellring 20 ist radial außenseitig mit Lagerelementen 23, welche 23 in FIG 1 nur symbolisch angedeutet sind, auf dem Gehäuse 4 rotierbar gelagert, wobei seine Rotationsachse im Wesentlichen konzentrisch zur Achse der Gasturbine 2 bzw. des Verdichterteils 1 ausgerichtet ist.
Eine Rotation des Verstellrings 20 bewirkt über die Hebelvor- richtung 17 eine gleichförmige gleichzeitige Verschwenkung aller Leitschaufeln 8 um ihre jeweilige Achse 9. Dabei können die Leitschaufeln 8 je nach Rotationswinkel des Verstellrings 20 zwischen zwei Endpositionen grundsätzlich in jede beliebige Position verstellt werden.
Die erste, als „geschlossen" bezeichnete Endposition ist erreicht, wenn die Schaufelblätter 10 aller Leitschaufeln 8 mit ihren jeweiligen Schaufelflächen soweit wie möglich quer zur Strömungsrichtung 5 gestellt sind, wenn also die im Bereich der Leitschaufelreihe 7 freie durchströmte Fläche auf ein Mi¬ nimum reduziert ist. Die zweite, als „geöffnet" bezeichnete Endposition ist dem¬ entsprechend dann erreicht, wenn die Schaufelblätter 10 aller Leitschaufeln 8 mit ihrer jeweiligen Schaufelfläche im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 5 gestellt sind, wenn also die freie durchströmte Fläche im Bereich der Leit- schaufelreihe 7 maximal ist.
Der detaillierte Aufbau des Lagerelements 23 ist in FIG 2 dargestellt. Das Lagerelement 23 ist als Kugelrolle 25 ausge¬ führt, welche 25 eine größere Laufkugel 26 sowie eine gehär- tete Lagerschale 27, die 27 als Laufbahn für eine Vielzahl von kleineren Tragkugeln 29 dient, aufweist. Die Tragkugeln 29 wälzen sich bei Drehung der Laufkugel 26 auf der Lagerschale 27 ab. Darüber hinaus umfasst die Kugelrolle 25 ein Außengehäuse 31 mit einem Deckel 33, in welchem 33 Außenge- häuse 31 die Laufkugel 26, die Lagerschale 27 und die Tragku¬ geln 29 zusammen mit weiteren Komponenten aufgenommen sind.
In FIG 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Kugelrolle 25 als weiteres Teil der Versteileinrichtung 21, gezeigt. Hierbei ist die Kugelrolle 25 am Verstellring 20 befestigt bzw. im Verstellring 20 integriert, so dass ledig¬ lich der Deckel 33 und die Laufkugel 26 in einen Spalt 39 zwischen dem Verstellring 20 und dem Gehäuse 4 hineinragen. Zum Abrollen der Laufkugel 26 auf dem Gehäuse 4 ist eine Kon- taktfläche 35 angebracht, die 35 eine Laufbahn aus einem här¬ teren Material als das des Gehäuses 4 bildet. Die Kontaktflä¬ che 35 liegt auf einer Beilage 37 auf. Die Beilage 37 dient dazu, die Position des Verstellrings 20 konzentrisch zum Ge¬ häuse 4 zu halten und sicherzustellen, dass alle Kugelrollen 25 im Eingriff sind, indem durch die Beilage 37 u.a. die Fer¬ tigungstoleranzen des Gehäuses 4 ausgeglichen werden. Aus FIG 4 geht ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anord¬ nung der Kugelrolle 25 der VerStelleinrichtung 21 hervor. Die Kugelrolle 25 ist über die Beilage 37 auf dem Gehäuse 4 be¬ festigt, wobei sie vollständig, d.h. sowohl die Laufkugel 26 als auch das Außengehäuse 31, aus dem Gehäuse 4 in den Spalt 39 hineinragt. Die Kontaktfläche 35 ist herbei am Verstell¬ ring 20 angebracht.
Die Anordnung der Kugelrolle 25 gemäß FIG 5 ist ähnlich wie in FIG 4, jedoch ist für die Kugelrolle 25 eine Aufnahme 41 am Gehäuse 4 vorgesehen, in welcher Aufnahme 41 eine Teller- federpacket 43 eingebracht ist.
Eine weitere Ausführungsvariante, die in FIG 6 gezeigt ist, sieht vor, dass im Spalt 39 zwischen dem Gehäuse 4 und dem Verstellring 20 ein umlaufendes Dichtelement 45 angeordnet ist, welches 45 den Teil der Kugelrolle 25, der in den Spalt 39 hineinragt, umschließt und gegen Wasser und/oder Verunrei¬ nigungen schützt.

Claims

Turbine (2), insbesondere Verdichterteil (1) einer Gas¬ turbine, mit einem Gehäuse (4) und mit zumindest einer verstellbaren Leitschaufelreihe (7), welche (7) eine Mehrzahl im Umfang verteilt angeordnete Leitschaufeln
(8) aufweist, wobei die Leitschaufeln (8) jeweils im Ge¬ häuse (4) gelagert und außerhalb des Gehäuses (4) fest mit einem Hebel (18) verbunden sind, und mit einem das Gehäuse (4) umgreifenden am Gehäuse (4) gelagerten Verstellring (20), welcher (20) in Umfangsrichtung und in Axialrichtung verstellbar ist und an dem (20) die Hebel
(18) schwenkbar gelagert sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere Kugelrollen (25) angeordnet sind, welche (25) jeweils eine Lager¬ schale (27) und mehrere darin (27) beweglich gelagerte Tragkugeln (29) und eine auf diesen (29) rollbar gela¬ gerte Laufkugel (26) umfasst,
wobei die Kugelrollen (25) am Gehäuse (4) befestigt sind und der Verstellring (20) auf den Laufkugeln (26) gelagert ist; oder
wobei die Kugelrollen (25) am Verstellring (20) befestigt sind und die Laufkugeln (26) auf dem Gehäuse (4) gelagert sind.
Turbine (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufelreihe (7) zumindest 30, insbesonde¬ re zumindest 40, Leitschaufeln (8) umfasst. Turbine (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der jeweilige Hebel (18) ausgehend von einer zur Rotorachse parallelen Stellung in einer ersten Richtung um zumindest 15°, insbesondere um zumindest 25°, und ma ximal 45°, insbesondere um maximal 35°, und in einer zweiten Richtung um zumindest 15°, insbesondere um zu¬ mindest 25°, und maximal 45°, insbesondere um maximal 35°, schwenkbar ist.
Turbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstellring (20) eine sich axial öffnende Auf nähme aufweist, in welcher der Hebel (18) mit einem freien Ende eintaucht, wobei ein Bolzen den Hebel (18) und beidseitig zumindest abschnittsweise den Verstell¬ ring (20) durchsetzt.
Turbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zwischen der Kugelrolle (25) und dem Gehau se (4) bzw. dem Verstellring (20) zumindest eine elas¬ tisch vorgespannte Feder, insbesondere mehrere Tellerfe dern (43), angeordnet ist.
Turbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zwischen dem Gehäuse (4) und/oder der Lagerschale (27) und dem Verstellring (20) ein die Laufku gel (26) umgebendes Dichtelement (45) angeordnet ist; oder
dass jeweils zwischen dem Gehäuse (4) und dem Verstell¬ ring (20) und/oder der Lagerschale (27) ein die Laufku¬ gel (26) umgebendes Dichtelement (45) angeordnet ist. Turbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Verstellring (20) oder auf dem Gehäuse (4) eine Kontaktfläche (35) vorgesehen ist, auf welcher (35) die Laufkugel (26) bewegbar ist und welche (35) eine ge¬ genüber dem Bauteil unter der Kontaktfläche (35) größere Härte, und insbesondere eine gegenüber der Laufkugel (26) vergleichbare oder geringere Härte aufweist.
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