[0001] Die Erfindung betrifft eine Hebelanbindung einer Leitschaufelverstellung einer Strömungsmaschine
zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Leitschaufel und einem Stellantrieb
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung
zwischen einer Leitschaufel und einem Stellantrieb und eine Strömungsmaschine.
[0002] Verdichter in axialen Strömungsmaschinen, beispielsweise Flugtriebwerke, umfassen
in der Regel im Bereich der vorderen Verdichterstufen oder im Hochdruckverdichter
eine Leitschaufelverstellung. Durch die Leitschaufelverstellung werden die Leitschaufeln
der relevanten Leitschaufelreihe drehzahlabhängig um ihre Hochachse verstellt, so
dass ein absoluter Leitradabströmwinkel veränderbar ist. Hierdurch kann ein Strömungsabriss
beim Hochfahren der Strömungsmaschine bzw. bei geringen Drehzahlen verhindert werden.
Eine Stufenbelastung wird reduziert. Alternativ könnte auch ein Strömungsabriss durch
eine Verstellung der Laufschaufeln der Verdichterstufen verwirklicht werden, jedoch
ist dies technisch wesentlich komplizierter, so dass sich die Verstellung der Leitschaufeln
durchgesetzt hat.
[0003] Die Verstellung der Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe erfolgt herkömmlicherweise
mechanisch durch Betätigung eines Stellantriebs. Der Stellantrieb wirkt über einen
Verstellring und jeweils einen Verstellhebel auf die Leitschaufeln. Der Verstellring
ist außerhalb der Strömungsmaschine angeordnet und gewöhnlich in Strömungsrichtung
betrachtet hinter und koaxial der Leitschaufelreihe positioniert. Er ist in Umfangsrichtung
und in Axialrichtung der Strömungsmaschine verschiebbar. Bei mehreren zu verstellenden
Verdichterstufen werden die Verstellringe gleichzeitig über einen drehbar am Verdichtergehäuse
gelagerten Stellhebel des Stellantriebs angesteuert, der sich in Axialrichtung der
Strömungsmaschine erstreckt und mit den Verstellringen verbunden ist.
[0004] Bei bekannten Leitschaufelverstellungen wird der Verstellhebel, im Folgenden der
Einfachheit halber auch nur Hebel genannt, in Radialrichtung der Strömungsmaschine
auf einen sich in Hochrichtung der Leitschaufel erstreckenden Schaufelschaft gesteckt.
Danach wird der Hebel an einem Kontaktbereich des Schaufelschafts formschlüssig fixiert
und durch eine Verschraubung lagegesichert. Die Verschraubung kann durch ein Innengewinde
oder durch ein Außengewinde erfolgen. Diese Art der Hebelanbindung erfordert einen
ausreichend dicken Schaufelschaft für die Gestaltung der Kontaktflächen. Allerdings
kann der Schaftdurchmesser aufgrund der geometrischen Randbedingungen wie kleiner
Strömungskanaldurchmesser und hohe Schaufelzahl kaum größer als das kleinstmögliche
Außengewinde werden. Wenn nun aufgrund der geometrischen Randbedingungen die Schaftdurchmesser
deutlich verkleinert werden müssen, ist bei Schaftdurchmessern, die kaum größer als
die zulässige Gewindegröße sind, die vorbeschriebene bekannte Hebelanbindung nicht
mehr darstellbar. Es liegt also für Verdichter von Triebwerken eine Herausforderung
in der deutlichen Verkleinerung der Geometrie, d. h. einer Miniaturisierung auch der
Verstellschaufeln, sowie deren Verbindung mit einem Verstellhebel. Konventionelle
Verbindungssysteme über Dachschrägen, Konusgeometrien und dergleichen erfordern im
Außenbereich des Schaufelschaftes eine Reduzierung dessen Durchmessers, was den Einsatz
von Schrauben oder Muttern mit einem Minimalgewindedurchmesser von M5 nicht mehr erlaubt.
[0005] Druckschriftlicher Stand der Technik ist in dem Patent
EP 1 561 906 B1 gezeigt. Bei der hier gezeigten Hebelanbindung hat der Verrstellhebel einen klauenartigen
Verbindungabschnitt zur Anbindung an einem Schaufelschaft. Der Verbindungsabschnitt
hat zwei sich gegenüberliegende Klauenelemente, die sich von einer Unterseite des
Verstellhebels erstrecken und einen in Hebellängsrichtung erstreckenden Schlitz begrenzen.
Der Schlitz ist an seinen beiden Stirnseiten über seinen gesamten Querschnitt geöffnet.
In seinen Schlitzgrund ist ein Langloch eingebracht, dass eine Öffnung zur Oberseite
des Verstellhebels darstellt. Zur Montage wird der Hebel mit seinem Schlitz über den
Schaufelschaft geschoben, bis sich deren gegenüberliegenden Klauenflächen in drehfestem
Formschluss mit korrespondierenden Schaftflächen befinden. Anschließend wird der Hebel
mittels eines in eine Innengewindebohrung eines freien Endes des Schaufelschaftes
eingedrehten Schraubelements an dem Schaufelschaft radial gesichert, das durch das
Langloch geführt ist.
[0006] Eine Hebelanbindung mit einem Schlitz in einem Verbindungabschnitts eines Verstellhebels
ist zudem in dem Patent
EP 2 273 074 B1 gezeigt. Bei dieser Lösung wird der Schlitz von seitlichen Hakenelementen begrenzt,
die im montierten Zustand in seitliche Nuten eines Schaufelschaftes eingreifen. Der
Schlitz ist über eine Bohrung zur Oberseite des Verstellhebels zum Durchführen eines
Schraubelements geöffnet.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hebelanbindung einer Leitschaufelverstellung einer
Strömungsmaschine zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Leitschaufel und
einem Stellantrieb bereitzustellen, die die genannten Nachteile beseitigt. Zudem ist
es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer
Leitschaufel und einem Stellantrieb zu schaffen und eine Strömungsmaschine bereitzustellen,
die bei kleinem Bauraum eine hohe verstellbare Leitschaufelzahl ermöglicht.
[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Hebelanbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und durch eine Strömungsmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
[0009] Eine erfindungsgemäße Hebelanbindung einer Leitschaufelverstellung einer Strömungsmaschine
zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Leitschaufel und einem Stellantrieb,
wobei die Leitschaufel einen Schaufelschaft hat, der sich entlang ihrer Hochachse
erstreckt und der mittels eines Hebels mit einem Verstellring des Stellantriebs in
Verbindung bringbar ist, sieht vor, dass der Schaufelschaft einen Kontaktbereich hat,
der gegenüber einem radial äußeren Schaftbereich querschnittsreduziert ist. Der Hebel
hat einen Verbindungsabschnitt mit einem Langloch und einer Einfädelöffnung. Das Langloch
hat gegenüberliegende Schlüsselflächen zur drehfesten Wirkverbindung mit Kontaktflächen
des Kontaktbereichs. Die Einfädelöffnung geht umfangsseitig in das Langloch über und
ist im Vergleich zum Langloch querschnittserweitert. Dabei ist sie derart querschnittserweitert,
dass der Hebel über die Einfädelöffnung mit seinem Verbindungsabschnitt auf den Schaufelschaft
radial aufschiebbar ist.
[0010] Durch die Kombination Langloch mit Einfädelöffnung wird in Draufsicht eine schlüssellochförmige
Ausnehmung geschaffen, die es ermöglicht, dass der Schaufelschaftdurchmesser im Bereich
radial außerhalb der Schaft-Hebel-Verbindungsstelle den gleichen Durchmesser aufweisen
kann wie radial innerhalb. Die Höhe der Kontaktflächen zur Übertragung des Drehmomentes
der Verstellkräfte über den Hebel beeinflusst nicht den Außendurchmesser des Schaufelschaftes,
wie dies bei konventionellen Verbindungen wie Keilflächen oder Konusgeometrien der
Fall ist. Somit kann ein Minimaldurchmesser von 5 mm, getrieben von einer M5er Sicherungsmutter
für den Schaufelschaft, realisiert werden. Der radial außen befindliche Teil des Schaufelschafts
kann dabei den exakt gleichen Durchmesser wie der radial innen liegende Teil des Schaufelschafts
aufweisen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Hebel nach dem Erreichen seiner
Soll-Position an dem Schaufelschaft nicht abgehoben werden kann, sondern quasi automatisch
beim Erreichen seiner Soll-Position eine selbstgesicherte drehfeste Verriegelung mit
dem Schaufelschaft eingeht. Die Übertragung des Drehmoments vom Stellantrieb zum Verstellen
der Schaufeln erfolgt somit über den Formschluss.
[0011] Mit anderen Worten, durch die Einfädelöffnung muss der Durchmesser des Kontaktbereichs
nicht größer als der Außendurchmesser des radial äußeren Schaftbereichs sein, wodurch
die erfindungsgemäße Hebelanbindung auch für sehr kleine Schaftdurchmessern geeignet
ist. Der Schaufelschaftdurchmesser ist also nicht mehr die maßgebende Größe bei der
Ausbildung des Kontaktbereichs. Somit ist selbst bei kleinem Schaufelschaftdurchmesser
eine verlässliche Anbindung des Hebels an dem Schaufelschaft möglich. Hierdurch ist
die Hebelanbindung insbesondere zur Verwendung in Verdichtern von Strömungsmaschinen
geeignet, die bei einem kleinen verfügbaren Bauraum eine hohe Schaufelzahl erfordern,
wie Flugtriebwerke oder kompakte Industriegasturbinen. Aufgrund der quasi nicht vorhandenen
geometrischen Randbedingungen des Schaufelschaftes kann der Schaftdurchmesser deutlich
verkleinert werden.
[0012] Ein Formschluss zwischen dem Verbindungsabschnitt des Hebels und dem Kontaktbereich
des Schaufelschaftes wird bei einer Ausführungsform dadurch erreicht, dass die Schlüsselflächen
und korrespondierenden Kontaktflächen jeweils Parallelflächen sind. Bevorzugterweise
sind die Kontaktflächen in ihrer Größe und Form gleich. Die Schlüsselflächen sind
aus montagetechnischen Gründen bevorzugterweise ebenfalls gleich in ihrer Größe und
Form. Alternativ können die Schlüsselflächen und die Kontaktflächen in einem Winkel
zueinander angestellt sein. Beispielsweise können die Schlüsselflächen und Kontaktflächen
in Längsrichtung des Schaufelschaftes betrachtet ähnlich den Schenkeln eines gleichschenkligen
Dreiecks, quasi dachförmig, zueinander angestellt sein. Alternativ zu einer dachförmigen
Winkelstellung zueinander ist auch eine mehrwinkelige, trapezförmige und ähnliche
Ausrichtung und dergleichen vorstellbar. Beispielsweise können die Schlüsselflächen
und/oder die Kontaktflächen so angestellt sein, dass im Übergangsbereich von der Einfädelöffnung
in das Langloch Einführschrägen ausgebildet sind, die einen Art sich in Montagrichtung
verjüngenden Trichter bilden und den Übergang des Schaufelschaftes aus der Einfädelöffnung
in das Langloch bei der Montage erleichtern. Wesentlich ist, dass die Schlüsselflächen
und die Kontaktflächen nicht rotationssymmetrisch zur Hochachse ausgebildet sind,
und dass der Formschluss spielfrei ist. Grundsätzlich genügen so bereits eine Schlüsselfläche
und eine korrespondierende Kontaktfläche, um eine drehfeste Verriegelung zu erreichen.
[0013] Die Kontaktflächen lassen sich fertigungstechnisch einfach durch Querschnittsverjüngungen
des Schaufelschaftes ausarbeiten. Beispielsweise können Sie durch Ausfräsen hergestellt
werden. Durch die Ausbildung als Querschnittsverjüngungen entstehen zudem im Übergangsbereich
der Kontaktflächen zu einem an den Kontaktbereich radial innen angrenzenden Schaftbereich
Schulterflächen, die als Auflage für den Verbindungsabschnitt im montierten Zustand
wirken.
[0014] Mittels eines Schraubelements kann der Hebel mit dem Schaufelschaft zusätzlich verspannt
werden. Das Schraubelement kann beispielsweise eine Mutter sein, die mit dem radial
äußeren Schaftbereich, insbesondere einem freien Ende, des Schaufelschaftes zusammenwirkt.
Die Mutter ist bevorzugterweise selbstsichernd. Anstatt eines Außengewindes kann grundsätzlich
auch ein Innengewinde bei entsprechender Anpassung der Mutter ausgebildet sein. Zur
Sicherung der Verspannung kann zusätzlich ein Sicherungselement zur Anordnung zwischen
dem Verbindungsabschnitt und dem Schraubelement vorgesehen ist, das beispielsweise
einen abwinkelbaren Arm zur seitlichen Anlage an dem Schraubelement und/oder dem Verbindungsabschnitt
hat. Der zumindest eine Arm lässt sich nach dem Verspannen ohne Verwendung zusätzlichen
Werkzeugs an dem Schraubelement und/oder dem Verbindungsabschnitt anlegen. Insbesondere
können auch mehrere Arme vorgesehen sein, so dass beim Ausfall eines Armes immer noch
eine verlässliche Sicherung gewährleistet ist. Die Übertragung des Drehmoments vom
Stellantrieb zum Verstellen der Schaufeln erfolgt bevorzugterweise ausschließlich
über den Formschluss. Das Schraubelement dient vorrangig zur Sicherung der Verriegelung.
[0015] Zur Anbindung des Hebels an dem Verstellring kann der Hebel mit einem Verstellringstift
zusammenwirken, der der dazu eingerichtet ist, dass der Hebel mittels einer radialen
Bewegung an dem Verstellring montiert wird. Bevorzugterweise hat der Hebel eine Durchführung
bzw. Durchgangsbohrung, durch die der jeweilige Verstellringstift geführt wird. Dies
erlaubt eine schnelle und sichere Montage. Zur Vorgabe einer Soll-Position des Verstellrings
in der hebelseitigen Durchgangsbohrung kann der Verstellringstift beispielsweise eine
Ringschulter haben, die als eine Aufschiebe- bzw. Eintauchbegrenzung wirkt. Bevorzugterweise
wird der Verstellringstift nach dem Erreichen seiner Soll-Position an dem Hebel befestigt.
[0016] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer
Leitschaufel und einem Stellantrieb, wobei die Leitschaufel einen Schaufelschaft hat,
der sich entlang ihrer Hochachse erstreckt und der mittels eines Hebels mittel- oder
unmittelbar mit einem Verstellring des Stellantriebs in Verbindung gebracht wird,
wird der Hebel aus einer ersten Montagerichtung radial auf den Schaufelschaft aufgeschoben
und anschließend durch eine Bewegung in eine zweite Montagerichtung mit dem Schaufelschaft
formschlüssig verriegelt. Die zweite Montagerichtung und die zweite Montagerichtung
sind unterschiedlich. Die erste Montagerichtung und die zweite Montagerichtung verlaufen
bevorzugterweise orthogonal zueinander, beispielsweise verläuft die zweite Montagerichtung
in axialer Richtung. Durch die andersartige zweite Montagerichtung erfolgt bereits
ohne eine Verspannung eine Verriegelung. Der Hebel kann nun weder abgehoben, sich
weder radial nach innen noch radial nach außen bewegen.
[0017] Ein bevorzugtes Verfahren umfasst die Schritte,
- radiales Aufschieben des Hebels auf den Schaufelschaft über eine hebelseitige Einfädelöffnung
und radiales Verbinden des Hebels mit dem Verstellring,
- axiales Verschieben des Verstellrings mit dem Hebel entlang eines hebelseitigen Langlochs
bis sich gegenüberliegende Schlüsselflächen des Langloches in Anlage mit korrespondierenden
Kontaktflächen des Schaufelschaftes befinden,
- Verspannen des Hebels mit dem Schaufelschaft durch Zusammenwirken eines Schraubelements
mit einem radial äußeren Schaftbereich, wobei der Hebel zwischen schaftseitigen Schulterflächen
und dem Schraubelement radial eingespannt wird.
[0018] Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine hat eine Vielzahl von den erfindungsgemäßen
Hebelanobindungen zum Herstellen einer Verbindung zwischen Leitschaufeln einer Verstellschaufelreihe
und einem Stellantrieb. Durch die erfindungsgemäßen Hebelanbindungen sind Leitschaufelverstellungen
bei Leitschaufeln mit sehr kleinem Schaftdurchmesser und/oder in einem sehr engen
Abstand zueinander möglich. Beispielsweise weisen die Leitschaufelverstellungen der
vorderen Verdichterstufen oder des Hochdruckverdichters derartige Hebelanbindungen
auf, so dass die Strömungsmaschine mit einem sehr leistungsstarken bzw. leistungsoptimierten
Verdichter ausgestattet werden kann.
[0019] Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
[0020] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von stark
vereinfachten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne
Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Bezugszeichen
für einander entsprechende Elemente sind figurenübergreifend verwendet und werden
gegebenenfalls nicht für jede Figur neu beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitt einer Leitschaufelverstellung
mit erfindungsgemäßer Hebelanbindung,
- Figur 2:
- eine Draufsicht auf einen Hebel der Hebelanbindung,
- Figur 3:
- eine Seitenansicht des Hebels aus Figur 2,
- Figur 4:
- eine perspektivische Draufsicht auf einen Abschnitt eines Schaufelschaftes der Hebelanbindung,
- Figur 5:
- einen Längsschnitt durch die Leitschaufelverstellung aus Figur 1,
- Figur 6:
- einen Längsschnitt durch die Leitschaufelverstellung aus Figur 1 und
- Figur 7 bis 9:
- Montageschritte zur Montage der Hebelanbindung.
[0021] Generell beziehen sich hier Angaben wie "radial", "radial außen", "radial innen",
"koaxial" und "Umfangsrichtung" auf eine Maschinenlängsachse X der erfindungsgemäßen
Strömungsmaschine, die die Drehachse eines Rotors der Strömungsmaschine darstellt.
[0022] Figur 1 zeigt eine Leitschaufelverstellung von Leitschaufeln einer verstellbaren
Leitschaufelreihe einer Strömungsmaschine. Aufgrund der gewählten Sichtweise von außen
auf einen Gehäuseabschnitt der Strömungsmaschine ist von den Laufschaufeln lediglich
ein vom Schaufelblatt radial nach außen führender Schaufelschaft 1 gezeigt. Der Schaufelschaft
1 wird gewöhnlich auch als radial äußerer Lagerzapfen bezeichnet. Grundsätzlich hat
die Leitschaufel ein Schaufelblatt, das sich in einem vom Hauptstrom durchströmten
Strömungskanal der Strömungsmaschine befindet. Über einen zum Schaufelblatt radial
inneren Lagerzapfen ist die Leitschaufel in einem Innenring gelagert, der eine Rotorwelle
radial beabstandet umgreift. Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Flugtriebwerk
und die Leitschaufelreihe ist im Verdichter des Flugtriebwerks angeordnet.
[0023] Zum Ausbilden einer erfindungsgemäßen Hebelabindung 2 der Leitschaufelverstellung
hat die Leitschaufel den sich vom Schaufelblatt radial nach außen erstreckenden Schaufelschaft
1, der aus dem Strömungskanal der Strömungsmaschine und aus deren Gehäuse 4 herausgeführt
ist und der entlang der Hochachse H der Leitschaufel verläuft. Mittels eines sich
außerhalb des Hauptströmungspfads der Strömungsmaschine befindenden Verstellhebels
bzw. Hebels 6 der Hebelanbindung 2 steht der Schaufelschaft 1 und somit die Leitschaufel
in Wirkverbindung mit einem zur Leitschaufelreihe koaxial und außerhalb des Hauptströmungspfads
der Strömungsmaschine angeordneten Verstellring 8. Der Verstellring 8 ist in Figur
6 skizziert. Die Verbindung des Hebels 6 mit dem Verstellring 8 erfolgt über Verstellringstifte
10. Die Verspannung des Hebels 6 an dem Schaufelschaft 1 erfolgt mittels eines Schraubelements
12, beispielsweise einer selbstsichernden Mutter.
[0024] Zur Verstellung der Leitschaufeln 1 um ihre Hochachsen H wird der Verstellring 8
über einen nicht gezeigten Stellantrieb entlang des Gehäuses 4 verschoben. Die Verschiebung
bewirkt dann eine entsprechende Verschwenkung der Leitschaufeln um ihre Hochachen
H. Die Übertragung des Drehmoments von dem Hebel 6 auf die Leitschaufel erfolgt über
einen im Folgenden noch erläuterten Formschluss zwischen dem Hebel 6 und dem Schaufelschaft
1. Das Schraubelement 12 dient vorrangig zur Sicherung des Formschlusses. Jede Leitschaufel
der verstellbaren Leitschaufelreihe ist mit einer derartigen Hebelanbindung 2 versehen,
die jeweils mit dem Verstellring 8 verbunden sind.
[0025] Wie in den Figuren 2 und 3 skizziert, hat der Hebel 6 einen Verbindungsabschnitt
14 zur Verbindung mit einem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Kontaktbereich 16 des
Schaufelschaftes 1 und einen Verbindungsabschnitt 18 zur Verbindung mit dem Verstellringstift
12. Der Verbindungsabschnitt 18 zur Verbindung mit dem Verstellringstift 12 wird der
Übersicht halber im Folgenden Anbindungsabschnitt genannt. Der Verbindungsabschnitt
14 und der Anbindungsabschnitt 18 bilden die beiden Enden des Hebels 6 und sind über
einen streifenartigen Hebelabschnitt 20 miteinander verbunden. Die Rotationsachse
des Verbindungsabschnitts 14 um die Hochachse H und die Rotationsachse des Anbindungsabschnitts
18 um eine Längsachse des Verstellringstifts 10 sind dabei parallel und verlaufen
vorzugsweise in radialer Richtung. Einen möglichen radialen Versatz des Verbindungsabschnitts
14 und des Anbindungsabschnitts 18 kann durch den streifenartigen Hebelabschnitt 20
ausgeglichen werden, indem der Hebelabschnitt 20 jeweils an dem Verbindungsabschnitt
14 und dem Anbindungsabschnitt 18 angewinkelt angeordnet ist, wie dies in Figur 2
dargestellt ist. Dieser Winkel kann 90° betragen. Vorzugsweise weicht eine Längserstreckung
des Hebelabschnitts 20 aber von dem im wesentlichen senkrechten Lot zwischen den beiden
Rotationsachsen ab. Dies erleichtert die Montage des Hebels 6.
[0026] Der Verbindungsabschnitt 14 ist gegenüber dem streifenartigen Hebelabschnitt 20 verdickt
ausgebildet und hat eine sich in Längsrichtung L des Hebels 6 erstreckende reckteckige
Gestalt. Er weist eine schlüssellochartige Ausnehmung 22 auf, die ihn in seiner Dickenrichtung
(in Figur 2 senkrecht zur Blattebene) von seiner Oberseite zur Unterseite durchsetzt.
[0027] Die Ausnehmung 22 wird von einem Langloch 24 gebildet, dass sich in Hebellängsrichtung
L erstreckt und zwei gegenüberliegende Schlüsselflächen 26, 28 aufweist. Die Schlüsselflächen
26, 28 sind hier als plane Parallelflächen ausgebildet, die über einen konstanten
Abstand voneinander beabstandet sind und in Richtung der Hebellängsachse L verlaufen.
Über eine Konkavfläche 30 sind sie nahe des streifenartigen Hebelabschnitts 20 miteinander
verbunden.
[0028] Zudem wird die Ausnehmung 22 von einer Einfädelöffnung 32 gebildet. Die Einfädelöffnung
32 liegt aus Sicht des streifenartigen Hebelabschnitts 20 hinter dem Langloch 24 und
ist zu diesem umfangsseitig geöffnet. Mit anderen Worten, die Einfädelöffnung 32 geht
an dem von der Konkavfläche 30 abgewandten Ende des Langlochs 24 in dieses über. In
dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Einfädelöffnung 32 als eine Durchgangsbohrung
mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet. Gegenüber dem Langloch 24 ist die Einfädelöffnung
32 in Breitenrichtung B des Hebels 6 querschnittserweitert. Dabei hat sie einen derartigen
Querschnitt, dass der Schaufelschaft 1 mit seinem in den Figuren 4 und 5 gezeigten
radial äußerem freien Ende 34 hindurchgeführt werden kann bzw. das der Hebel 6 auf
das freie Ende 34 des Schaufelschafts 1 aufgeschoben werden kann.
[0029] Der Anbindungsabschnitt 18 ist gegenüber dem streifenartigen Hebelabschnitt 20 verdickt,
allerdings nicht so stark wie der Verbindungsabschnitt 14. Er hat eine Durchgangsbohrung
36 zum Durchführen des Verstellringstiftes 10 bzw. zum radialen Aufschieben des Hebels
6 auf den Verstellringstift 10.
[0030] Der streifenartige Hebelabschnitt 20 ist hier mit einer konstanten Dicke und Breite
ausgeführt. Zum Ausgleich von radialen Höhen bzgl. der Schaft-Hebel-Verbindungsstelle
und der Verstellringstift-Hebel-Verbindungsstelle kann über den streifenartigen Hebelabschnitt
20 durch eine entsprechende Verformung ein Höhenausgleich zwischen dem Verbindungsabschnitt
14 und dem Anbindungsabschnitt 16 erfolgen
[0031] Gemäß den Figuren 4 und 5 hat der schaufelschaftseitige Kontaktbereich 16 zum Angriff
des hebelseitigen Verbindungsabschnitts 14 zwei voneinander abgewandte Kontaktflächen
38, 40. Die Kontaktflächen 38, 40sind korrespondierend zu den Schlüsselflächen 26,
28 des Langlochs 24 ausgebildet und somit hier plane Parallelflächen. Sie sind abgeflachte
Umfangsabschnitte des Schaufelschafts 1 und über unveränderte konvexe Umfangsflächen
42 des Schaufelschaftes 1 miteinander verbunden sind. Aufgrund der Perspektive ist
lediglich eine Umfangsfläche 42 zu erkennen. Insbesondere sind die Kontaktflächen
38, 40 lokale Querschnittsverjüngungen des Schaufelschaftes 8, die derart voneinander
beabstandet sind, dass im montierten Zustand ein spielfreier bzw. nahezu spielfreier
Formschluss mit den Schlüsselflächen 26, 28 erfolgt. Hierdurch ist der Kontaktbereich
16 im Unterschied zum radial äußeren freien Ende 34 bzw. radial äußeren Schaftbereichs
des Schaufelschaftes 1 und zu einem radial inneren angrenzenden Schaftbereich 44 nicht
rotationssymmetrisch zur Hochachse H, was grundsätzlich eine verdrehgesicherte Befestigung
des Hebels 6 durch Formschluss ermöglicht.
[0032] Im Übergangsbereich der Kontaktflächen 38, 40 zum radial innen angrenzenden ursprünglichen
Schaftbereich 44 sind Schulterflächen 46, 48 gebildet. Die Schulterflächen 46, 48
bilden Auflagen für den Verbindungsabschnitt 14 im verspannten Zustand und begrenzen
eine radiale Position des Hebels 6 an dem Schaufelschaft 1. Sie ermöglichen überhaupt
erst die Verspannung mit dem Schraubelement 12.
[0033] Das freie Ende 34 des Schaufelschaftes 1 ist zum Zusammenwirken mit dem Schraubelement
12 mit einem nicht dargestellten Außengewinde versehen und somit als ein Gewindeabschnitt
ausgeführt. Wie in Figur 7 skizziert, ist das Außengewinde bzw. das freie Ende 34
über eine Ringnut 50 vom Kontaktbereich 16 beabstandet ist. Grundsätzlich ist es auch
möglich, anstelle eines Außengewindes ein Innengewinde in dem freien Ende 34 zum Zusammenwirken
mit einem entsprechenden Schraubelement 12 vorzusehen.
[0034] In Figur 6 ist die Verriegelung und Verspannung des Hebels 6 an dem Schaufelschaft
1 im Kontaktbereich 16 im Schnitt gezeigt. Es ist deutlich zu erkennen, wie der Schaufelschaft
1 nicht in der Einfädelöffnung 32, sondern in dem Langloch 24 angeordnet ist und dieses
insbesondere durchsetzt. In dem hier zeigten Ausführungsbeispiel wirkt die Konkavfläche
30des Langlochs 24 als axialer Anschlag für den Schaufelschaft 1. Eine Anlage ist
aber nicht zwingend notwendig, Vielmehr erlaubt das Langloch 24 den Ausgleich von
Fertigungs- und Montagetoleranzen, so dass der Schaufelschaft 1 auch grundsätzlich
in seiner montierten Stellung von der Konkavfläche 30 beabstandet sein kann, solange
er sich in dem Langloch 24 befindet.
[0035] Zudem ist die Verspannung des Hebels 6 mittels des Schraubelements 12 zu erkennen.
Der Verbindungsabschnitt 14 ist zwischen den Schulterflächen 46, 48 und dem Schraubelement
12 eingespannt und dabei vom Gehäuse 4 der Strömungsmaschine radial beabstandet. Zusätzlich
kann, wie gezeigt, zwischen dem Verbindungsabschnitt 14 und dem Schraubelement 12
eine Unterlegscheibe 52 auf den Schaufelschaft 1 aufgesetzt sein. Um eine leichtgängige
Verstellung der Leitschaufel um ihre Hochachse H zu ermöglichen, ist der Schaufelschaftes
1 durch eine Lagerbuchse 54 geführt, die in das Gehäuse 4 eingesetzt ist.
[0036] Des Weiteren ist in Figur 6 zu erkennen. wie der Hebel 6 mit dem Verstellringstift
10 zusammenwirkt. Dieser ist durch die Durchgangsbohrung 36 im Anbindungsabschnitt
18 des Hebels 6 geführt und hat zur Einstellung seiner Eintauchtiefe eine Ringschulter
56, die gleichzeitig eine radiale Auflage für den Hebel 6 bildet.
[0037] Ferner ist deutlich der radiale Höhenunterschied zwischen der Schaft-Hebel-Verbindungsstelle
und der Verstellringstift-Hebel-Verbindungsstelle zu erkennen. In dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel befindet sich die schaufelschaftseitige Anbindung radial innen
zur verstellringseitigen Anbindung.
[0038] Die Schaft-Hebel-Verbindungsstelle ist hier zudem in Strömungsrichtung betrachtet
hinter der Verstellringstift-Hebel-Verbindungsstelle angeordnet. Allerdings kann die
Schaft-Hebel-Verbindungsstelle in Strömungsrichtung betrachtet auch vor der Verstellringstift-Hebel-Verbindungsstelle
angeordnet sein. Die axiale Position der Verbindungsstellen zueinander bestimmt unter
anderem ein freier Montageraum außerhalb des Gehäuses 4.
[0039] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage der erfindungsgemäßen Hebelanbindung
2 an einem Schaufelschaft 1 einer Leitschaufel einer Leitschaufelreihe ist wesentlich,
dass der Hebel 6 der Hebelanbindung 2 in einer ersten Montagerichtung radial bzw.
im Wesentlichen radial auf den Kontaktbereich 16 des Schaufelschafts 1 aufgeschoben
(Figur 7) und mittels einer Bewegung in eine axiale bzw. im Wesentlichen axiale zweiten
Montagerichtung mit dem Schaufelschaft 1 formschlüssig verriegelt wird (Figur 8).
Vor dem radialen Aufschieben des Hebels 6 an dem schaftseitigen Kontaktbereich 16
wird der Hebel 6 an dem Verstellring 8 aus einer Montagerichtung montiert, die gleich
der ersten Montagerichtung ist. Der Hebel 6 wird somit nach der Montage des Verstellringstifts
10 radial bewegt, bis er sich mit seinem Verbindungsabschnitt 14 in Anlage mit dem
Kontaktbereich 16 des Schaufelschaftes 1 befindet. Die Bewegung in die zweite Montagerichtung
erfolgt aber erst, wenn sämtliche Hebel 6 auf den jeweiligen Schaufelschaft 1 aufgesetzt
und in den Verstellring 8 eingefädelt sind
[0040] Im Folgenden erfolgt anhand der Figuren 7 bis 9 eine ausführliche Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie vorerwähnt, beziehen sich Angaben wie "radial" auf
die Maschinenlängsachse X der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine, die die Drehachse
eines Rotors der Strömungsmaschine darstellt.
[0041] Zu Beginn der Montage (Figur 7) wird ein Verstellringstift 10 an dem jeweiligen Hebel
6 befestigt. Hierzu wird der Verstellringstift 10 bis zur Ringschulter 56 durch die
Durchgangsbohrung 36 des Anbindungsabschnitts 18 geführt und dann mit diesem verbunden.
[0042] Anschließend (Figuren 7 und 8) wird der Hebel 6 mittels seiner Einfädelöffnung 32
der schlüssellochartigen Ausnehmung 22 radial auf den Schaufelschaft 1, d.h. in Pfeilrichtung
entlang der Hochachse H, über dessen freies Ende 34 aufgeschoben. Der Hebel 6 umgreift
nun mit seiner Einfädelöffnung 32 den schaftseitigen Kontaktbereich 16 (Figur 8).
Der Verstellringstift 10 wird entsprechend radial in eine Öffnung 58 des Verstellrings
8 eingeführt (siehe Figur 6).
[0043] Dann erfolgt die Herstellung des Formschlusses zwischen dem Hebel 6 und dem Schaufelschaft
1 (Figuren 8 und 9). Hierzu wird der nicht skizierte Verstellring 8 mit dem Hebel
6 axial in Richtung des Schaufelschaftes 1, d.h. entlang der Maschinenlängsachse X
in Pfeilrichtung. verschoben, derart, dass der Kontaktbereich 16 aus der Einfädelöffnung
32 in das Langloch 24 der schlüssellochartigen Ausnehmung 22 übergeht. Die Schlüsselflächen
26, 28 des Langlochs 24 befinden sich nun in Anlage mit den Kontaktflächen 38, 40
des Kontaktbereichs 16. Somit ist der drehfeste Formschluss zwischen dem Hebel 6 und
dem Schaufelschaft 1 hergestellt. Gleichzeitig ist aufgrund der vergrößerten Durchmesser
des freien Endes 34 des Schaufelschaftes 1 und des radial innen an den Kontaktbereich
angrenzenden Schaufelbereichs 44 der Hebel 6 in radialer Richtung an dem Schaufelschaft
1 verriegelt.
[0044] Nach erfolgter axialer Verschiebung wird der Formschluss gesichert (Figur 9). Hierzu
wird der Hebel 6 mittels des Schraubelements 12 gegen die Schulterflächen 46, 48 des
Schaufelschaftes 1 verspannt. Das Schraubelement 12 wird auf das Außengewinde des
freien Endes 34 aufgeschraubt. Durch die radiale Auflage auf den Schulterflächen 46,
48 des Schaufelschaftes 1 kann der Verbindungsabschnitt 14 nicht radial nach innen
ausweichen. Als Folge wird der Verbindungsabschnitt 14 gegen die Schulterflächen 46,
48 gepresst. Die Sicherung des Schraubelements 12 gegen lösende Drehbewegungen erfolgt
durch Selbstsicherung. Zusätzlich kann die Unterlegscheibe 52 als eine Sicherungsscheibe
mit beispielsweise seitlichen Armen ausgebildet sein, die seitlich an das Schraubelement
12 angelegt und/oder in die Einfädelöffnung 32 eingeführt werden.
[0045] Es wird erwähnt, dass von der Erfindung auch Ausführungsbeispiele umfasst sind, bei
denen die Verstellringstifte 10 nicht mit den Hebeln 6 vormontiert werden. Beispielsweise
können die Verstellringstifte 10 zuvor an dem Verstellring 8 montiert werden und dann
die Hebel 6 auf den jeweiligen am Verstellring 8 montierten Verstellringstift 10 aufgeschoben
werden.
[0046] Offenbart ist eine Hebelanbindung einer Leitschaufelverstellung zur Verbindung einer
Leitschaufel einer Strömungsmaschine mit einem Verstellring eines Stellantriebs, die
derart eingerichtet ist, dass ein Verstellhebel der Hebelanbindung aus einer ersten
Montagerichtung bezogen auf eine Maschinenlängsachse der Strömungsmaschine radial
auf einen Schaufelschaft der Leitschaufel aufgeschoben wird und mittels einer Bewegung
in eine zweite Montagerichtung mit dem Schaufelschaft formschlüssig und insbesondere
drehfest verriegelt wird, ein Montageverfahren sowie eine Strömungsmaschine.
Bezugszeichen
[0047]
- 1
- Schaufelschaft
- 2
- Hebelanbindung
- 4
- Gehäuse
- 6
- Verstellhebel / Hebel
- 8
- Verstellring
- 10
- Verstellringstift
- 12
- Schraubelement
- 14
- Verbindungsabschnitt
- 16
- Kontaktbereich
- 18
- weiterer Verbindungsabschnitt / Anbindungsabschnitt
- 20
- streifenartiger Hebelabschnitt
- 22
- Ausnehmung
- 24
- Langloch
- 26
- Schlüsselfläche
- 28
- Schlüsselfläche
- 30
- Konkavfläche
- 32
- Einfädelöffnung
- 34
- freies Ende des Schaufelschaftes / radial äußerer Schaftbereich
- 36
- Durchgangsbohrung
- 38
- Kontaktfläche
- 40
- Kontaktfläche
- 42
- Umfangsfläche
- 44
- angrenzender Schaftbereich radial innen
- 46
- Schulterfläche
- 48
- Schulterfläche
- 50
- Ringnut
- 52
- Unterlegscheibe
- 54
- Lagerbuchse
- 56
- Ringschulter
- 58
- Öffnung im Verstellring
- H
- Hochachse
- X
- Maschinenlängsachse
- B
- Hebelbreitenrichtung
- L
- Hebellängsrichtung
1. Hebelanbindung (2) einer Leitschaufelverstellung einer Strömungsmaschine zum Herstellen
einer Verbindung zwischen einer Leitschaufel und einem Stellantrieb,
wobei die Leitschaufel einen Schaufelschaft (1) aufweist, der sich entlang ihrer Hochachse
(H) erstreckt und der mittels eines Hebels (6) mit einem Verstellring (8) des Stellantriebs
in Verbindung bringbar ist,
wobei der Schaufelschaft (1) einen Kontaktbereich (16) aufweist, der gegenüber einem
radial äußeren Schaftbereich (34) querschnittsreduziert ist,
wobei der Hebel (6) einen Verbindungsabschnitt (14) mit einem Langloch (24) und einer
Einfädelöffnung (32) aufweist,
wobei das Langloch (24) Schlüsselflächen (26, 28) zur drehfesten Wirkverbindung mit
entsprechend ausgebildeten Kontaktflächen (38, 40) des Kontaktbereichs (16) aufweist
und die Einfädelöffnung (32) umfangsseitig in das Langloch (24) übergeht, und
wobei die Einfädelöffnung (32) im Vergleich zum Langloch (24) querschnittserweitert
ist und dazu eingerichtet ist, dass der Hebel (6) über die Einfädelöffnung (32) mit
seinem Verbindungsabschnitt (14) auf den Schaufelschaft (1) radial aufschiebbar ist.
2. Hebelanbindung nach Patentanspruch 1, wobei die Schlüsselflächen (26, 28) und die
Kontaktflächen (38, 40) Parallelflächen sind.
3. Hebelanbindung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Kontaktflächen (38, 40) durch
seitliche Querschnittsverjüngungen des Schaufelschaftes (1) sind und die Kontaktflächen
(38, 40) über jeweils eine Schulterfläche (46, 48) auf einen an den Kontaktbereich
(16) radial innen angrenzenden Schaftbereich (44) übergehen, die Auflagen für den
Verbindungsabschnitt (14) bilden.
4. Hebelanbindung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, wobei die Verspannung des Hebels (6)
an dem Schaufelschaft (1) mittels eines mit dem radial äußeren Schaftbereich (34)
zusammenwirkenden Schraubelementes (12) erfolgt.
5. Hebelanbindung nach Patentanspruch 4, wobei bei montierten Schraubelement (12) der
Verbindungsabschnitt (14) des Hebels (6) zwischen den schaftseitigen Schulterflächen
(46, 48) und dem Schraubelement (12) eingespannt ist.
6. Hebelanbindung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Hebel (6)
mit einem Verstellringstift (10) zur Verbindung an dem Verstellring (8) zusammenwirkt,
der dazu eingerichtet ist, dass die Verbindung an dem Verstellring (8) mittels einer
radialen Bewegung des Hebels (6) erfolgt.
7. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einer Leitschaufel und einem Stellantrieb,
wobei die Leitschaufel einen Schaufelschaft (1) hat, der sich entlang ihrer Hochachse
(H) erstreckt und der mittels eines Hebels (6) mittel- oder unmittelbar mit einem
Verstellring (8) des Stellantriebs in Verbindung gebracht wird, wobei der Hebel (6)
aus einer ersten Montagerichtung radial auf den Schaufelschaft (1) aufgeschoben wird
und anschließend durch eine Bewegung in eine zweite Montagerichtung mit dem Schaufelschaft
(1) formschlüssig verriegelt wird, die verschieden zur ersten Montagerichtung ist.
8. Verfahren nach Patentanspruch 7, mit den Schritten:
• radiales Aufschieben des Hebels (6) auf den Schaufelschaft (1) über eine hebelseitige
Einfädelöffnung (32) und radiales Verbinden des Hebels (6) mit dem Verstellring (8),
• axiales Verschieben des Verstellrings (8) mit dem Hebel (6) entlang eines hebelseitigen
Langlochs (24) bis sich gegenüberliegende Schlüsselflächen (26, 28) des Langloches
(24) in Anlage mit korrespondierenden Kontaktflächen (38, 40) des Schaufelschaftes
(1) befinden,
• Verspannen des Hebels mit dem Schaufelschaft (1) durch Zusammenwirken eines Schraubelements
(12) mit einem radial äußeren Schaftbereich (34), wobei der Hebel (6) zwischen schaftseitigen
Schulterflächen (46, 48) und dem Schraubelement (12) radial eingespannt wird.
9. Strömungsmaschine mit einer Vielzahl von Hebelanbindungen (2) nach einem der Patentansprüche
1 bis 6 zum Herstellen einer Verbindung zwischen Leitschaufeln einer Verstellschaufelreihe
und einem Stellantrieb.