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EP 2 591 213 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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02.04.2014 Patentblatt 2014/14 |
(22) |
Anmeldetag: 07.07.2011 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2011/061486 |
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Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2012/004336 (12.01.2012 Gazette 2012/02) |
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(54) |
VERDICHTER UND ZUGEHÖRIGE GASTURBINE
COMPRESSOR AND CORRESPONDING GAS TURBINE
COMPRESSEUR ET TURBINE À GAZ ASSOCIÉE
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
08.07.2010 EP 10007062
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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15.05.2013 Patentblatt 2013/20 |
(73) |
Patentinhaber: Siemens Aktiengesellschaft |
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80333 München (DE) |
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Erfinder: |
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- BRANDENBURG, Thomas
10963 Berlin (DE)
- ECKE, Daniel
45478 Mülheim an der Ruhr (DE)
- HOFMANN, Markus
44581 Castrop-Rauxel (DE)
- MATTHIAS, Torsten
45481 Mülheim an der Ruhr (DE)
- MERTENS, Bernward
51379 Leverkusen (DE)
- MILDNER, Frank
47495 Rheinberg (DE)
- PAUS, Markus
46119 Oberhausen (DE)
- SCHIRRMACHER, Achim
45663 Recklinghausen (DE)
- SHEVCHENKO, Vadim
44265 Dortmund (DE)
- SIEBER, Uwe
45476 Mülheim an der Ruhr (DE)
- WIGGER, Hubertus, Michael
50823 Köln (DE)
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(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A2- 1 586 744 US-A- 2 671 634
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DE-A1- 10 225 679
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem einen ringförmigen Strömungskanal
radial außen begrenzenden Gehäuse, in dem sich radial durch den Strömungskanal erstreckende
Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei jede Leitschaufel
gehäuseseitig einen sich durch das Gehäuse erstreckenden ersten Zapfen und rotorseitig
einen sich in einen Innenring hineinragenden zweiten Zapfen aufweist.
[0002] Bekannte Verdichter moderner Gasturbinen weisen eine oder mehrere Verdichterstufen
auf, deren Leitbeschaufelung verstellbar ist. Die einem entsprechenden Kranz zugeordneten
Leitschaufeln sind dabei um ihre Längsachse verstellbar, um den Massenstrom zu regeln.
Durch die Regelung des Massenstroms weist der Verdichter einen vergrößerten Arbeitsbereich
auf. Um die Leitschaufeln solcher Verdichterstufen drehgelagert zu befestigen, sind
an den beiden Schaufelblattenden der Leitschaufeln jeweils Zapfen vorgesehen. Dabei
werden der äußere Zapfen im ringförmigen Gehäuse und der innere Zapfen in einem sogenannten
Innenring gelagert. Der Innenring wird dabei von allen Leitschaufeln gehalten. Die
zentrische Positionierung des Innenrings zur Rotorachse erfolgt über die radiale Positionierung
der äußeren Zapfen im Gehäuse. Dabei wird mit der radialen Verstellung der Schaufel
jedoch nicht nur der Innenring gegenüber dem Rotor positioniert, sondern gleichzeitig
werden auch die Spalte zwischen den Schaufelblättern der verstellbaren Leitschaufel
und dem Außengehäuse bzw. dem Innenring so eingestellt, dass beim Verstellvorgang
des Schaufelblatts dieses nicht an der Strömungskanal-Begrenzungswand anstreift.
[0003] Da die bekannte Konstruktion zum Halten des Innenrings einen radialen Formschluss
zwischen den Leitschaufeln und dem Innenring vorsieht, kann es zu erhöhten mechanischen
Spannungen innerhalb der jeweiligen Innenring-Lagerung kommen, was erheblichen Verschleiß
an den dort verwendeten Lagerschalen verursachen kann. Dabei können die mechanischen
Spannungen während des Betriebs noch durch thermische Spannungen verstärkt werden.
[0004] Eine alternative Variante der Lagerung von verstellbaren Leitschaufeln ist aus der
US 2,671,634 bekannt. Die darin gezeigte Anordnung umfasst einen in zwei Segmente hälftig geteilten
Innenring. Die Enden der Segmente liegen dabei in einer Nut-Feder-Verbindung lose
aneinander, wobei die inneren Zapfen der verstellbaren Leitschaufeln unmittelbar in
radialen Bohrungen des Innenrings gelagert sind. Dadurch wird jedes Segment von denen
im zuzuordnenden Leitschaufeln getragen, was auch zu erhöhtem Verschleiß führen kann.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verdichters mit einer Befestigungsanordnung
für um ihre Längsachse schwenkbaren Leitschaufeln, dessen Innenringabstützung vergleichsweise
verschleißarm ist und gleichzeitig eine einfache Positionierung des Innenrings gegenüber
dem Rotor zulässt.
[0006] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Verdichter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 gelöst, bei dem der Innenring als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden
Enden ausgebildet und mit einem Federelement zur Spreizung des Ringspalts versehen
ist. Dazu wird vorgeschlagen, im Bereich des Ringspalts ein vorzugsweise gekapseltes
Federelement einzubauen. Hierdurch wird im zusammengebauten Zustand von Gehäuseoberteil
und Gehäuseunterteil eine radiale Vorspannung des Innenrings erzielt. Durch die radiale
Vorspannung wird der Innenring an die zweiten Zapfen der Leitschaufeln gedrückt. Dadurch
kann die radiale Fixierung des Innenrings an allen Leitschaufeln entfallen. Das heißt,
dass die in den Innenring hineinragenden zweiten Zapfen von außen in die jeweiligen
Bohrungen oder Ausnehmungen nur eingesteckt sind - der bisher vorhandene radiale Formschluss
kann entfallen. Folglich können die Leitschaufeln mit einem radial innen angeordneten,
zweiten Zapfen ausgestattet sein, der rein zylindrisch ausgebildet ist. Gleiches gilt
für die den Zapfen aufnehmenden Bohrungen im Innenring, welche erfindungsgemäß nunmehr
keinen endlos umlaufenden Bund für den Formschluss mehr aufweisen. Besonders von Vorteil
ist dabei, dass potentielle Verspannungen des Innenrings aufgrund der nunmehr fehlenden
radialen Verhakung vermieden werden. Die vereinfachte Ausführung der inneren Lagerung
der Leitschaufeln reduziert darüber hinaus die Montagezeit.
[0007] Zudem werden im thermisch transienten Betrieb die Wärmedehnungen des Innenrings und
aller Leitschaufeln vom Federelement kompensiert, was die Spannungen zwischen Innenring
und den inneren Lagerstellen der Leitschaufeln reduziert und Verschleiß an den Lagern
mindert.
[0008] Durch das Einbringen eines Federelements kann folglich der Innenring als selbsttragendes
und selbstzentrierendes System ausgeführt werden, wobei dann lediglich die in der
unteren Hälfte des Leitschaufelkranzes angeordneten verstellbaren Leitschaufeln den
Innenring sozusagen schwimmend tragen.
[0009] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass aufgrund der selbstzentrierenden Lagerung
des Innenrings die Verstellvorrichtung zur radialen Positionierung der Leitschaufeln
im Gehäuse gegebenenfalls sogar entfallen kann. Dies vereinfacht den Verdichter und
verringert die Ausfallwahrscheinlichkeit des Verdichters aufgrund der geringeren Anzahl
an verwendeten Komponenten.
[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0011] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Enden
des Spaltrings einander gegenüberliegende erste Aufnahmen auf, die sacklochartig sind
und in denen das Federelement sitzt. Damit kann eine vergleichsweise einfache Konstruktion
zur Spreizung des Spaltrings angegeben werden, wobei beispielsweise das Federelement
als Schraubenfeder ausgebildet ist. Ein Verrutschen der Schraubenfeder ist aufgrund
ihres Sitzes in den Aufnahmen ausgeschlossen.
[0012] Um das Federelement vor Verschmutzung zu schützen, ist es von Vorteil, wenn dieses
gekapselt ausgebildet ist.
[0013] Relativbewegungen der beiden Enden des Innenrings in axialer Richtung können verhindert
werden, wenn diese axial arretiert sind. Dies kann beispielsweise mit Passfedern erfolgen,
die die axiale Positionierung der beiden einander gegenüberliegenden Enden des Spaltrings
vorgeben. Dazu sind beispielsweise ebenfalls die Passfedern in dafür vorgesehene Aufnahmen
beidendseitig im Spalt des Innenrings angeordnet.
[0014] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Innenring zumindest
zwei Segmente. Die Segmente erstrecken sich dabei vorzugsweise über eine Bogenlänge
von 180°. Dies erlaubt eine vergleichsweise einfache Montage von Leitschaufeln in
einen Verdichter.
[0015] Als ein verschleißbares Gleitmittel kann zwischen den zweiten Zapfen und den die
Zapfen aufnehmenden Bohrungen des Innenrings jeweils eine Bundbuchse vorgesehen sein.
Um das Verschmutzen der Gleitlagerung des Zapfens in der jeweiligen Bohrung des Innenrings
zu verhindern, ist vorgesehen, dass an dem zweiten Zapfen eine endlos umlaufende Nut
vorgesehen ist, in welchem ein darin sitzender Dichtring, beispielsweise ein O-Ring,
angeordnet ist. Dies senkt den Verschleiß an der radial innen vorgesehen Lagerung.
[0016] Ein vergleichsweise einfach herzustellender Innenring bzw. Segment kann angegeben
werden, wenn diese axial teilbar sind. Die Teile des Segments oder des Innenrings
können beispielsweise miteinander verschraubt oder auch miteinander verschweißt werden.
Vorzugsweise ist jedoch das Segment oder der Innenring axial ungeteilt.
[0017] Erfindungsgemäß ist insbesondere eine zur Energieerzeugung vorgesehene stationäre
Gasturbine mit einem hälftig teilbaren Gehäuse mit einem erfindungsgemäßen Verdichter
gemäß vorgenannten Ausgestaltungen ausgestattet.
[0018] Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels. Im Einzelnen zeigen:
- FIG 1
- einen Querschnitt durch einen Ausschnitt des Verdichters mit beidendseitig drehgelagerten
um ihre Längsachse schwenkbaren Verdichterleitschaufeln;
- FIG 2
- schematisch einen als Spaltring ausgebildeten Innenring und
- FIG 3
- exemplarisch ein im Spalt zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Enden des
Spaltrings angeordnetes Federelement.
[0019] Die FIG 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Verdichter 10 axialer Bauart im axialen
Abschnitt von um deren Längsachse 12 schwenkbaren Leitschaufeln 14. Die Leitschaufeln
14 können beispielsweise die Einlassleitschaufeln des Verdichters 10 sein. Sie können
aber auch davon stromab gelegenen Leitschaufelkränzen nachgeordneter Verdichterstufen
zugehörig sein. Die Leitschaufeln 14 weisen ein nur teilweise dargestelltes aerodynamisch
gekrümmtes Schaufelblatt 16 auf, an dessen radial innerem Ende 18 eine kreisrunde
Plattform 20 angeordnet ist. Die Plattform 20 geht in einen ersten zylindrischen Abschnitt
22 über, in der eine umlaufende Nut 24 zur Aufnahme eines dichtenden O-Rings angeordnet
ist. An den ersten Abschnitt 22 schließt sich ein konzentrischer zweiter Abschnitt
23 mit geringerem Durchmesser an. Beide Abschnitte 22, 23 sind Teil eines Zapfens
26 und jeweils zylindrisch ausgebildet. Um den zweiten Abschnitt 23 herum ist eine
Bundbuchse 28 angeordnet. Der erste Abschnitt 22 sowie die Bundbuchse 28 sitzen in
einer zu deren Kontur entsprechenden Aufnahme 30, welche als gestufte Bohrung ausgebildet
ist. Die Bohrung ist dabei im sogenannten Innenring 32 angeordnet. Die äußere Mantelfläche
34 des Innenrings 32 begrenzt einen ringförmigen Strömungskanal 36 des Verdichters
10 radial innen. Dabei umgreift der Innenring 32 einen Rotor 35 des Verdichters 10.
An den nicht dargestellten, radial äußeren Enden der Leitschaufeln 14 sind in analoger
Weise zum inneren Ende 18 Zapfen in einem den Strömungskanal 36 außen begrenzenden
Gehäuse vorgesehen.
[0020] Aufgrund der gewählten Konstruktion sind prinzipiell die Leitschaufeln 14 lediglich
von außen in die Aufnahmen 30 radial eingesetzt. Die Radialrichtung bezieht sich dabei
auf die Maschinenachse 38 des Verdichters 10, entlang welcher sich dieser erstreckt.
[0021] Der sich aus zwei Segmenten 40 zusammensetzende Innenring 32 ist in FIG 2 schematisch
dargestellt. Die beiden Segmente 40 weisen jeweils eine Bogenlänge von 180° auf. In
einem ersten Verbindungsbereich 42 sind die beiden Segmente 40 endseitig miteinander
spaltfrei verschraubt. Die beiden anderen Enden 44 der Segmente 40 liegen in einem
zweiten Verbindungsbereich 46 unter Bildung eines Ringspalts einander gegenüber. Der
Ringsspalt wird nachfolgend kurz als Spalt 48 bezeichnet. Der zweite Verbindungsbereich
46 ist in FIG 3 im Detail gezeigt. In den beiden Enden 44 ist jeweils eine erste Aufnahme
50 vorgesehen, die jeweils von einem Sackloch gebildet sind. Die beiden ersten Aufnahmen
50 liegen einander gegenüber, so dass in diesen ein gekapseltes Federelement 52 sitzt.
Das Federelement 52 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder mit einer
Kapsel 53 ausgestaltet. Das Federelement 52 sitzt vorgespannt im Spalt 48, so dass
die beiden Enden 44 auseinander gedrückt werden. Im eingebauten Zustand wird dadurch
der Innenring 32 an die Zapfen 26 der Leitschaufeln 14 gedrückt. Hierdurch kann eine
Selbstzentrierung des Innenrings 32 erreicht werden.
[0022] In analoger Weise zu den ersten Aufnahmen 50 sind in den beiden Enden 44 zweite Aufnahmen
54 vorgesehen, die einander ebenfalls fluchtend gegenüberliegen. In den zweiten Aufnahmen
54 sitzt ein Zentrierelement 56, welches beispielsweise als Passfeder ausgestaltet
sein kann. Diese Anordnung kann eine relative Verschiebung der beiden Enden 44 in
axialer Richtung verhindern, wodurch die beiden Enden 44 arretiert sind. Eine Scherbeanspruchung
des Federelements 52 wird dadurch vermieden.
[0023] Insgesamt betrifft die Erfindung somit einen Axialverdichter 10 mit einem ringförmigen
Strömungskanal 36, indem sich durch den Strömungskanal 36 erstreckende verstellbare
Leitschaufeln 14 eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei jede
Leitschaufeln 14 zur Halterung eines Innenrings 32 an seinem Schaufelblatt 16 rotorseitig
einen Zapfen 26 aufweist. Um einen verschleißarmen selbstzentrierenden Innenring 32
anzugeben, ist dieser als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden Enden 44
ausgebildet und mit einem Federelement 52 zur Spreizung des Spaltsrings versehen.
1. Verdichter (10)
mit einem einen ringförmigen Strömungskanal (36) radial außen begrenzenden Gehäuse,
in dem sich radial durch den Strömungskanal (36) erstreckende Leitschaufeln (14) eines
Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind,
wobei jede Leitschaufel (14) gehäuseseitig einen sich durch das Gehäuse erstreckenden
ersten Zapfen (26) und rotorseitig einen sich in einen Innenring (32) hineinragenden
zweiten Zapfen (26) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenring (32) als Spaltring mit zwei einander gegenüberliegenden Enden (44) ausgebildet
ist und mit einem Federelement (52) zur Spreizung des Spaltrings versehen ist.
2. Verdichter (10) nach Anspruch 1,
bei dem die beiden Enden (44) des Spaltrings einander gegenüberliegende erste Aufnahmen
(50) aufweisen, in denen das Federelement (52) sitzt.
3. Verdichter (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem das Federelement (52) gekapselt ist.
4. Verdichter (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die Enden (44) axial arretiert sind.
5. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der Innenring (32) zumindest zwei Segmente (40) umfasst.
6. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem an den zweiten Zapfen (26) jeweils eine Bundbuchse (28) angeordnet ist.
7. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der zweite Zapfen (26) eine endlos umlaufende Nut (24) mit einem darin sitzenden
Dichtring aufweist.
8. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem der Innenring (32) beziehungsweise die Segmente (40) axial teilbar sind.
9. Gasturbine mit einem Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
1. Compressor (10) having a housing, which defines the radially outer limit of an annular
flow duct (36) and in which guide vanes (14) of a vane ring extending radially through
the flow duct (36) are pivotally mounted, wherein each guide vane (14) on the housing
side comprises a first pivot (26) extending through the housing and on the rotor side
comprises a second pivot (26) extending into an inner ring (32), characterized in that the inner ring (32) is embodied as a split ring having two opposing ends (44) and
is provided with a spring element (52) for spreading the split ring.
2. Compressor (10) according to Claim 1, in which the two ends (44) of the split ring
comprise opposing first sockets (50), in which the spring element (52) is seated.
3. Compressor (10) according to Claim 1 or 2, in which the spring element (52) is encapsulated.
4. Compressor (10) according to Claim 1, 2 or 3, in which the ends (44) are axially locked.
5. Compressor (10) according to one of the preceding claims, in which the inner ring
(32) comprises at least two segments (40).
6. Compressor (10) according to one of the preceding claims, in which a collared bushing
(28) is arranged on each of the second pivots (26).
7. Compressor (10) according to one of the preceding claims, in which the second pivot
(26) comprises a continuous circumferential groove (24) having a sealing ring seating
therein.
8. Compressor (10) according to one of the preceding claims, in which the inner ring
(32) or the segments (40) are axially dividable.
9. Gas turbine having a compressor (10) according to one of the preceding claims.
1. Compresseur (10)
comprenant une enveloppe, qui délimite à l'extérieur radialement un canal (36) annulaire
d'écoulement et dans lequel sont maintenues, en étant montées tournantes, des aubes
(14) directrices, s'étendant radialement dans le canal (36) d'écoulement, d'une couronne
d'aubes directrices,
chaque aube (14) directrice a, du côté de l'enveloppe, un premier tenon (26) traversant
l'enveloppe et, du côté du rotor, un deuxième tenon (26) pénétrant dans un anneau
(32) intérieur,
caractérisé en ce que
l'anneau (32) intérieur est constitué sous la forme d'un anneau fendu ayant deux extrémités
(44) opposées l'une à l'autre et est pourvu d'un élément (52) de ressort pour l'écartement
de l'anneau fendu.
2. Compresseur (10) suivant la revendication 1,
dans lequel les deux extrémités (44) de l'anneau fendu ont des premiers logements
(50), qui sont opposés l'un à l'autre et dans lesquels vient l'élément (52) de ressort.
3. Compresseur (10) suivant la revendication 1 ou 2,
dans lequel l'élément (52) de ressort est enfermé.
4. Compresseur (10) suivant la revendication 1, 2 ou 3,
dans lequel les extrémités (44) sont bloquées axialement.
5. Compresseur (10) suivant l'une des revendications précédentes,
dans lequel l'anneau (32) intérieur comprend au moins deux segments (40).
6. Compresseur (10) suivant l'une des revendications précédentes,
dans lequel, respectivement, une douille (28) à collet est montée sur le deuxième
tenon (26).
7. Compresseur (10) suivant l'une des revendications précédentes,
dans lequel le deuxième tenon (26) a une rainure (24) faisant le tour sans fin, dans
laquelle se trouve un joint torique.
8. Compresseur (10) suivant l'une des revendications précédentes,
dans lequel l'anneau (32) intérieur ou les segments (40) peuvent être subdivisés axialement.
9. Turbine à gaz ayant un compresseur (10) suivant l'une des revendications précédentes.
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