Antriebsvorrichtung zum Drehen von verstellbaren Schaufeln einer Turbomaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (21) zum Drehen von verstellbaren Leitschaufeln einer Turbomaschine, mit einem von einem Schaufelträger (22) umschlossenen ringförmigen Strömungskanal, der sich entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) erstreckt und in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln vorgesehen sind, wobei jede um ihre Längsachse (23) drehbare Schaufel einen sich radial durch den Schaufelträger (22) erstreckenden Zapfen (25) aufweist, an dem außerhalb des Schaufelträgers (22) jeweils ein um die Längsachse (23) schwenkbarer Hebel (27) befestigt ist, und bei dem jeder Hebel (27) an seinem dem Zapfen (25) gegenüberliegenden Ende (30) an einen den Schaufelträger (22) umgreifenden Stellring (26) angekoppelt ist. Um einen besonders verschleißarmen und zuverlässigen Antrieb bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass zur Drehung der Schaufeln um ihre Längsachsen (23) der Stellring (26) entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) verschiebbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Drehen von verstellbaren Schaufeln einer Turbomaschine, mit einem von einem Schaufelträger umschlossenen ringförmigen Strömungskanal, der sich entlang der Mittelachse des Schaufelträgers erstreckt und in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln vorgesehen sind, wobei jede um ihre Längsachse drehbare Schaufel mit einem sich radial durch den Schaufelträger erstreckenden Zapfen verbunden ist, an dem außerhalb des Schaufelträgers jeweils ein um die Längsachse schwenkbarer Hebel befestigt ist, und bei dem jeder Hebel an seinem dem Zapfen gegenüberliegenden Ende an einen den Schaufelträger umgreifenden Stellring angekoppelt ist.

[0002] Eine Vorrichtung derartiger Gattung geht beispielsweise aus der US 5,549,448 hervor. Um die sich radial erstreckenden Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes eines Verdichters zu verstellen, umgreift ein zur Mittelachse des Verdichters konzentrischer Stellring dessen Innengehäuse. Jede um ihre Längsachse drehbare Leitschaufel des Leitschaufelkranzes ist jeweils über einen Schwenkhebel mit dem Stellring verbunden, welcher in Umfangsrichtung drehbar ist. Die Drehung des Stellrings in Umfangsrichtung bewirkt über die Schwenkhebel eine Drehung der Leitschaufeln um die jeweilige Längsachse. Der Stellring wird über eine Antriebsvorrichtung in Umfangsrichtung bewegt, die gleichzeitig den Stellring abstützt.

[0003] Ebenso ist aus der EP 1 524 413 A2 ein in Umfangsrichtung drehbarer Stellring zum Verstellen der Leitschaufeln eines Kranzes bekannt.

[0004] Außerdem haben Temperaturdifferenzen zwischen dem Stellring und dem Leitschaufelträger Einfluss auf den Anstellwinkel der Verdichterschaufeln im Strömungskanal. Diese Temperaturdifferenzen können zu ungleichmäßig eingestellten Anstellwinkeln der Leitschaufeln des Schaufelkranzes führen, so dass beim Stand der Technik stets darauf zu achten ist, dass der Stellring und der Leitschaufelträger koaxial bzw. konzentrisch zu einer gemeinsamen Mittelachse gelagert sind. Ansonsten kann dies zu unterschiedlichen Anstellwinkeln führen.

[0005] Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer verschleißfreien Antriebsvorrichtung zur temperaturunabhängigen Verstellung der sich radial in einem Ringkanal erstreckenden, um ihre jeweilige Längsachse drehbaren Schaufeln.

[0006] Die Erfindung wendet sich von dem in Umfangsrichtung verstellbaren Stellring ab und schlägt zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, dass zur Drehung der Schaufeln um ihre Längsachsen der Stellring entlang der Mittelachse des Schaufelträgers verschiebbar ist. Dies hat den Vorteil, dass keine besonderen Anforderungen an die Koaxialität zwischen Stellring und Schaufelträger erfüllt werden müssen. Auch die bisher sehr aufwändige Einstellung des Anstellwinkels jeder Schaufel während der Montage entfällt, da durch die neuartige Ankoppelung des Stellrings an den jeweiligen Hebel die Schaufel eingestellt wird. Die Abweichung der Anstellwinkel der einzelnen Schaufeln des Schaufelkranzes untereinander wird minimiert, so dass eine verbesserte weil gleichmäßigere Strömung im Strömungskanal erreicht werden kann. Betriebsbedingte Einflüsse, welche bisher zur Verstellung von Anstellwinkel einzelner Schaufeln eines Schaufelkranzes führten, sind durch den Einsatz der Erfindung folgenlos, so dass der Wirkungsgrad der Turbomaschine sich aus diesem Grund heraus nicht verschlechtert.

[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0008] Um die Drehung der Schaufeln um ihre Längsachsen durch eine Verschiebung des Stellrings entlang der Mittelachse herbeizuführen, umfasst die Ankopplung jedes Hebels an den Stellring jeweils ein am Ende jedes Hebels angeordnetes Mittel, welches Mittel jeweils in eine in der Umfangsfläche des Stellrings umlaufende Ringnut eingreift. Dabei ist die Ringnut vorzugsweise an der inneren Umfangsfläche des Stellrings vorgesehen. Diese Ankoppelung ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung und Montage des Stellringes.

[0009] Als Mittel kann einerseits ein am Ende jedes Hebels drehgelagert angeordneter Führungsklotz oder ein an dieser Stelle drehfest angeordneter Bolzen sein. Die tatsächliche Ankopplung des Hebels an den Verstellring kann durch den in der Ringnut verschiebbar geführten, jedoch am Hebel drehbaren Führungsklotz einerseits oder durch den in der Ringnut verschiebbar geführten Bolzen erreicht werden. Um unnötig großes Spiel zu vermeiden, weist der Bolzen einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen der Breite der Ringnut entspricht. Aus identischem Grund weisen bei Verwendung von Führungsklötzen diese jeweils eine Kantenlänge auf, die der Breite der Ringnut entspricht. Wenn jeder Führungsklotz im Querschnitt quadratisch ausgebildet ist, kann seine Einbaulage in der Ringnut beliebig sein. Eine Verschiebung des Stellrings in Umfangsrichtung bewirkt bei der vorgeschlagenen Ankopplung neben der Drehung jedes Führungsklotzes am Hebelende und deren Verschiebung innerhalb der Ringnut auch die gewünschte Drehung der Hebel um deren jeweilige Drehachse, welche mit der Drehachse des Zapfens und der Schaufeln jeweils zusammenfallen. Dadurch werden die über die Zapfen mit den Hebeln fest verbundenen Schaufeln jeweils um ihre Längsachse mitgedreht. Durch die Drehung der Schaufeln des Kranzes werden deren Anstellwinkel synchron verändert, was den gewünschten Einfluss auf das den Strömungskanal durchströmende Medium oder Gas hat. Da die Führungsklötze bzw. die Bolzen in der Ringnut zudem dehnungstolerant geführt werden, hat der Einfluss von Temperaturdifferenzen zwischen Stellring und Schaufelträger keinen Einfluss auf die Anstellwinkel der Schaufeln. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass die Führungsklötze bzw. die Bolzen am Nutgrund der Ringnut anliegen. Zwar könnte dies zu einer radialen Stützung des Stellrings genutzt werden, was aber auf Kosten der Toleranz für die wärmebedingte Dehnung von Stellring und Schaufelträger geht.

[0010] Die Axialverschiebung des Stellrings wird durch mehrere, über den Umfang des Schaufelträgers verteilte Stellantriebe bewirkt, die als hydraulisch oder elektrisch antreibbare Stellantriebe gleichzeitig auch die radiale Abstützung des Stellrings teilweise oder vollständig ermöglichen.

[0011] Wenn die Stellantriebe und/oder die radiale Abstützung für den Stellring am Lagergehäuse eines Rotors der Turbomaschine oder am Schaufelträger der Turbomaschine vorgesehen sind, kann die Befestigung der kompletten Verstelleinrichtung an der so genannten Rumpfturbine bereits bei der Montage und Einstellung im Herstellungswerk erfolgen, ohne dass zusätzliche umfangreiche Arbeiten auf der Baustelle bzw. am späterem Einsatzort, an der die Turbomaschine aufgebaut wird, nötig sind.

[0012] Sollte die Turbomaschine mehrere Kränze aufweisen, deren Schaufeln im Anstellwinkel verstellbar sind, so kann jeder dieser Kränze jeweils einen erfindungsgemäßen Stellantrieb oder diese Kränze einen gemeinsamen Stellantrieb aufweisen, die über Koppelelemente die einzelnen, zur Verstellung nötigen Stellringe miteinander koppelt.

[0013] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert.

[0014] Es zeigen:

FIG 1

eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt,

FIG 2

einen als Gehäuse ausgebildeten Schaufelträger, an dessen Außenseite ein in Axialrichtung verstellbarer Stellring vorgesehen ist,

FIG 3

die perspektivische Darstellung eines Schaufelträgers mit ausgeblendetem Verstellring und

FIG 4

die perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Stellrings mit Leitschaufelträger und den Antriebsmitteln der Schaufeln.

[0015] FIG 1 zeigt eine als Gasturbine 1 ausgebildete Turbomaschine in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und ein Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines in der Ringbrennkammer 6 erzeugten Heißgases 11 gesehen, folgt im Heißgaskanal 18 jeweils einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) angekoppelt.

[0016] Am ansauggehäuseseitigen Eingang des Verdichters 5 sind verstellbare Einlassschaufeln 19 vorgesehen. Die Einlassschaufeln 19 sind strahlenförmig im ringförmigen Strömungskanal des Verdichters 5 angeordnet und können um ihre jeweilige Längsachse von einer Antriebsvorrichtung 21 gedreht werden, um beispielsweise den die Gasturbine 1 durchströmenden Massenstrom einzustellen. Je nach Anstellwinkel kann ein besonders großer oder ein kleiner Massenstrom die Gasturbine 1 bedarfsgerecht durchströmen. Um Strömungsverluste in der angesaugten Umgebungsluft zu reduzieren und um eine Schwingungsanregung von sich unmittelbar stromab der Einlassschaufeln 19 drehenden Laufschaufeln 15 zu verhindern, welche bei einer über den Umfang gesehen ungleichmäßigen Anströmung der Laufschaufeln 15 erfolgt, werden alle Einlassschaufeln 19 synchron unter stetiger Beibehaltung gleicher Anstellwinkel verstellt.

[0017] Die Antriebsvorrichtung 21 ist außerhalb des Strömungskanals vorgesehen und wird im Einzelnen in den nachfolgenden Figuren beschrieben.

[0018] FIG 2 zeigt die perspektivische Ansicht eines Leitschaufelträgers 22, der von einem, in FIG 1 lediglich schematisch dargestellten, Stellring 26 umgriffen wird.

[0019] Zur radialen Abstützung des Stellrings 26 sind drei über den Umfang verteilte Stützstangen 29 achsparallel zur Mittelachse 24 des Leitschaufelträgers 22 befestigt, die durch in Stützen 39 vorgesehene Bohrungen führbar sind. Alternative Abstützungen sind denkbar. Zum Verschieben des Stellrings 26 entlang der Mittelachse 24, d.h. in Axialrichtung der Gasturbine 1, sind ebenfalls mehrere, über den Umfang verteilte Stellantriebe 32 vorgesehen, die elektrisch oder hydraulisch antreibbar sind. Die Stellantriebe 32 weisen jeweils mit dem Stellring 26 fest verbundene Schubstangen 40 auf, die zur Axialverschiebung des Stellrings 26 von einer Regel- oder Steuereinheit ausgefahren und eingefahren werden können.

[0020] Im Leitschaufelträger 22 sind über den Umfang verteilte, auf einem Kreis liegende und sich in Radialrichtung erstreckende Zapfen 25 vorgesehen, die jeweils um ihre eigene Längsachse 23 drehbar sind. Das innere Ende jedes Zapfens 25 ist mit einer der Einlassschaufeln 19 (in FIG 2 nicht dargestellt) starr befestigt. Jede Einlassschaufel 19 weist ebenfalls eine Längsachse auf, die mit der Längsachse 23 der an der jeweiligen Einlassschaufel befestigtem Zapfen 25 zusammen fällt. Das Schaufelblatt jeder Einlassschaufel 19 des Verdichters 5 ist demnach synchron mit dem ihr zugeordneten Zapfen 25 um ihre gemeinsame Längsachse 23 drehbar.

[0021] FIG 3 zeigt das Detail X der FIG 2 in perspektivischer Darstellung. Der Klarheit halber sind der zur Verstellung nötige Stellring und die Einlassschaufeln in FIG 3 ausgeblendet. Im Leitschaufelträger 22 sind die über den Umfang verteilten, sich jeweils in Radialrichtung erstreckende Zapfen 25 angeordnet, die jeweils an ihrem radial äußeren Ende einen Hebel 27 aufweisen. Die Längsachse 23, um die jeder Zapfen 25 und jede daran befestigbare Einlassschaufel drehbar ist, kann mit der Radialrichtung des ringförmigen Strömungskanals zusammenfallen. Das außen am Zapfen 25 befestigte Ende 28 des Hebels 27 ist mit diesem starr verbunden und das dem Zapfen 25 gegenüberliegende Ende 30 des Hebels 27 weist gemäß einer ersten, in FIG 3 gezeigten Ausgestaltung, einen an diesem Ende 30 drehgelagerten Führungsklotz 34 als Mittel zum Ankoppeln der Hebel 27 am Stellring 26 auf. Der Führungsklotz 34 ist im Wesentlichen im Querschnitt quadratisch mit identischer Kantenlänge ausgebildet. Alternativ kann in einer zweiten Ausgestaltung anstelle der drehbar gelagerten Führungsklötze 34 jeweils ein am Ende 30 starr befestigter, runder Bolzen als Mittel zum Ankoppeln vorgesehen sein.

[0022] FIG 4 zeigt aus ähnlicher perspektivischer Sicht wie FIG 3 die Antriebvorrichtung 21 zum Verstellen der Schaufeln unter Einblendung des Stellrings 26. Zur Ankoppelung des Stellrings 26 an die Hebel 27 weist dieser eine an seiner Innenseite 36 endlos umlaufende Ringnut 38 zur Aufnahme und Führung der Führungsklötze 34 oder der Bolzen auf. Demnach umfasst die Antriebsvorrichtung 21 den Stellring 26, die in der inneren Ringnut 38 geführten Führungsklötze 34 (oder Bolzen) sowie die Hebel 27 und die Zapfen 25.

[0023] Der Anstellwinkel jeder Einlassschaufeln 19 des Verdichters 5 lässt sich synchron, gleichmäßig, und vor allen Dingen aber unabhängig von der Temperatur des Verstellrings 26 und des Leitschaufelträgers 22 und deren Dehnungen verstellen. Die Einlassschaufeln 19 sind über die sich mitdrehenden Zapfen 25 und dem jeweils daran angeordneten Hebeln 27 in Abhängigkeit von der axialen Position des Stellrings 26 um ihre Längsachse 23 drehbar. Wird der Stellring 26 in Axialrichtung verschoben, bewirkt dies ein Schwenken der Hebel 27 um die Längsachse 23 der Zapfen 25, wodurch der Anstellwinkel der sich mit den Bolzen 25 mitdrehenden Einlassschaufeln 19 einstellbar ist. Gleichzeitig gleiten die Führungsklötze 34 (oder Bolzen) innerhalb der Ringnut 38 und ermöglichen so die Drehung bzw. das Schwenken der Hebel 27.

[0024] Anstelle von Einlassschaufeln 19 des Verdichters 5 können selbstverständlich auch Leitschaufeln 12 des Verdichters 5 oder die einer Dampfturbine mit einer derartigen Antriebsvorrichtung 21 verstellt und gedreht werden, um die jeweilige Turbomaschine an die aktuellen Betriebsbedingen und Lastbedürfnisse anzupassen. Auch ist denkbar, dass eine Turbomaschine, beispielsweise der Verdichter 5, mehrere Kränze von verstellbaren Leitschaufeln 12 aufweist, die jeweils eine derartige Antriebsvorrichtung 21 aufweisen. Dabei kann jede Antriebsvorrichtung 21 einen eigenen Stellantrieb 32 oder mehrere oder alle Antriebsvorrichtungen 21 einen gemeinsamen Stellantrieb 32 zum Verschieben der Stellringe 26 in Axialrichtung aufweisen.

[0025] Vorteil der Erfindung ist, dass die vorgeschlagene Ausgestaltung eine zuverlässige Einstellung identischer Anstellwinkel aller Schaufeln des Kranzes ermöglicht, selbst wenn die Koaxialität zwischen Stellring und Schaufelträger aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnungen nicht gegeben ist. Demnach kann eine damit ausgestattete Turbomaschine Strömungsverluste vermeiden und ihren Wirkungsgrad während des langlebigen Betriebs aufrechterhalten. Außerdem kann die Teilevielfalt reduziert werden, was zu einer Kostenreduktion führt.

Ansprüche

1. Antriebsvorrichtung (21) zum Drehen von verstellbaren Leitschaufeln einer Turbomaschine,
mit einem von einem Schaufelträger (22) umschlossenen ringförmigen Strömungskanal,
der sich entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) erstreckt und
in dem strahlenartig unter Bildung eines Kranzes Schaufeln vorgesehen sind,
wobei jede um ihre Längsachse (23) drehbare Schaufel mit einem sich radial durch den Schaufelträger (22) erstreckenden Zapfen (25) verbunden ist,
an dem außerhalb des Schaufelträgers (22) jeweils ein um die Längsachse (23) schwenkbarer Hebel (27) befestigt ist, und
bei dem jeder Hebel (27) an seinem dem Zapfen (25) gegenüberliegenden Ende (30) an einen den Schaufelträger (22) umgreifenden Stellring (26) angekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Drehung der Schaufeln um ihre Längsachsen (23) der Stellring (26) entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) verschiebbar ist.

2. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 1,
bei der die Ankopplung jedes Hebels (27) an den Stellring (26) jeweils ein am Ende (30) jedes Hebels (27) angeordnetes Mittel umfasst, das jeweils in eine in der Umfangsfläche umlaufende Ringnut (38) eingreift.

3. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 1 oder 2,
bei der die Ringnut (38) in der inneren Umfangsfläche des Stellrings (26) vorgesehen ist.

4. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der jedes Mittel jeweils ein am Ende (30) jedes Hebels (27) drehgelagert angeordneter Führungsklotz (34) ist, der jeweils in die Ringnut (38) eingreift.

5. Antriebsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei der jedes Mittel jeweils ein am Ende (30) jedes Hebels (27) drehfest angeordneter Bolzen ist, der jeweils in die Ringnut (38) eingreift.

6. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die Axialverschiebung des Stellrings (26) durch mehrere, über Umfang des Schaufelträgers (22) verteilte Stellantriebe (32) erfolgt.

7. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die Stellantriebe (32) sich am Lagergehäuse eines Rotors der Turbomaschine oder am Schaufelträger (22) der Turbomaschine abstützen.

8. Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei der die radiale Abstützung des Stellrings (26) am Lagergehäuse eines Rotors der Turbomaschine oder am Schaufelträger (22) der Turbomaschine erfolgt.

9. Turbomaschine mit einem Schaufelträger (22),
das einen ringförmigen, sich entlang der Mittelachse (24) des Schaufelträgers (22) erstreckenden Strömungskanal umschließt und mit im Strömungskanal strahlenartig unter Bildung eines Kranzes angeordneten Schaufeln,
wobei jede um ihre Längsachse (23) drehbare Schaufel einen sich radial durch den Schaufelträger (22) erstreckenden Zapfen (25) aufweist,
an dem außerhalb des Schaufelträgers jeweils ein um die Längsachse (23) schwenkbarer Hebel (27) befestigt ist, und bei dem jeder Hebel (27) an seinem dem Zapfen (25) gegenüberliegenden Ende (30) ein Mittel zur Ankopplung eines das Schaufelträger (22) umgreifenden Stellrings (26) aufweist,
der mit einer Antriebsvorrichtung (21) nach einem der vorangehenden Ansprüche entlang der Mittelachse (24) verschiebbar ist.

Zeichnung