Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer Axialströmungsmaschine

Abstract

 Die Schäfte der Leitschaufeln (1) einer Axialströmungs­maschine, insbesondere einer Verbrennungsturbine, sind im ringförmigen Leitschaufelträger (12) winkelver­stellbar gelagert und in ihrer Achsrichtung schwingungs­dämpfend federbelastet. Ein zum Strömungskanal kon­zentrischer Verstellring (7) ist in der Nut eines Trägerringes (13) mittels radialer und axialer Rollen (9, 10) spielfrei und reibungsarm gelagert. Auf den Leitschaufelschäften (1a) aufgekeilte Hebel (4) sind mit Stiften (5) drehbar im Zylinderbolzen (6) gelagert, die ihrerseits in seitlich offenen Bohrungen des Ver­stellrings (7) achsparallel zu diesem drehbar und verschiebbar gelagert sind. Hierdurch wird eine weit­gehend spielfreie Übertragung der Verstellbewegung auf die Leitschaufelschäfte ohne Punkt- oder Linienberührung erzielt. Der Leitschaufelträger (12) schließt die Nut des Trägerrings (13) ab, so daß der gesamte Verstell­mechanismus staubgeschützt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer Axialströmungsmaschine von der im Oberbegriff des Patentanspruches agegebenen Art.

[0002] Eine Verstelleinrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 35 19 747 bekannt. Sie ermöglicht es, während des Be­triebes der Strömungsmaschine, insbesondere eines Turbo­verdichters, den Anstellwinkel der Leitschaufeln zu ver­ändern und dadurch das Verhalten der Maschine an unter­schiedliche Betriebsbedingungen, wie z. B. Teillast und Vollast, anzupassen und Wirkungsgradverluste zu reduzieren.

[0003] Bei der vorbekannten Verstelleinrichtung ist der Verstell­ring mit den Hebeln der Leitschaufeln durch einfache Scharnierstifte verbunden und wird von ihnen getragen, ist also nicht gesondert am Gehäuse geführt. Die Ge­lenkverbindungen mittels der Scharnierstifte müssen ein ausreichendes Spiel haben, damit die Verstellbe­wegungen, bei der sich der Verstellring und die Hebel in verschiedenen Ebenen drehen, möglich ist. Auch die unvermeidlichen Wärmedehnungen setzen ein ausreichendes Spiel in den Gelenkverbindungen voraus.

[0004] Auf die Leitschaufeln einer Strömungsmaschine wirken im Betrieb sehr starke Kräfte ein. Soweit sie senk­recht zur Leitschaufelachse oder parallel zu ihr wir­ken, müssen sie von der Lagerung des Leitschaufelschaftes im Leitschaufelträger aufgenommen werden. Zusätzlich treten aber auch starke Drehmomente um die Leitschaufel­achse auf, die über die Hebel auf den Verstellring über­tragen werden. Dabei kann es durch das Spiel in der Ge­lenkverbindung und durch mangelnde Führung des Ver­stellrings zu starken Schwingungen kommen, wodurch Wirkungsgradverluste eintreten und die Lebensdauer der Leitschaufel herabgesetzt wird.

[0005] Es sind auch Verstelleinrichtungen für Leitschaufeln bekannt, bei denen die Leitschaufel über Hebel mit einer in Axialrichtung verschiebbaren Verstellhülse gelenkig verbunden sind, wie z. B. gemäß DE-PS 31 25 639. Axialverschiebbare Verstellhülsen haben den Nachteil, daß benachbarte Leitschaufelkränze nur gemeinsam, aber nicht einzeln verstellt werden können. Auch treten be­züglich der Lagerspiele und der Empfindlichkeit gegen Schwingungsbelastungen ähnliche Probleme auf. Die be­kannten Verstelleinrichtungen sind zur Verwendung im Niedertemperaturbereich insbesondere bei Verdichten oder der Verdichtungsstufe von offenen Gasturbinen, vorgesehen. Eine auch im Hochtemperaturbereich, insbe­sondere in geschlossenen Gasturbinen, befriedigend einsetzbare Verstelleinrichtung ist nicht bekannt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstell­einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbesseren, daß eine leichtgängige, kompakte und gegen äußere Ein­flüsse weitgehend geschützte Konstruktionen geschaffen wird, die auch für den Einsatz im Hochtemperaturbereich ausgelegt werden kann und bei der die auf die Leit­schaufeln wirkenden Kräft weitgehend spielfrei aufge­nommen werden, so daß Schwingungen nicht auftreten, andererseits aber die Verstellbewegungen sich leicht­gängig und verschleißarm abspielen können.

[0007] Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale des Patentan­spruchs gelöst.

[0008] Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen achssenkrechten Schnitt durch einen Teil des Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine mit zugehöriger Verstelleinrichtung;

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt gemäß der Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Verstellein­richtung.

[0009] Die Leitschaufeln 1 eines Leitschaufelkranzes der Ma­schine haben Schäfte 1a, die in radialen Lagerbohrungen eines ringförmigen Leitschaufelträgers 12 drehbar ge­lagert sind und zwar in Lagerbuchsen 2, die einen Außen­flansch 2a aufweisen und in der Lagerbohrung mittels einer eingeschraubten Ringmutter 3 festgelegt sind. An der Außen­seite des Leitschaufelträgers 12 ist auf dem verlängerten Schaft 1a der Leitschaufel ein Hebel 4 mittels einer Passfeder 17 drehfest aufgesetzt. Der Hebel 4 stützt sich gegen das über den Leitschaufelträger 12 überstehende Ende der Lagerbuchse 2 ab. Auf die Oberseite des Hebels 4 drückt eine Tellerfeder 16, die sich über eine Scheibe 15 gegen eine auf ein Gewindeende 1b des Schaftes 1a auf­geschraubte Kronenmutter 14 abstützt. Die Tellerfeder 16 übt auf den Schaft 1a eine in Fig. 2 nach oben ge­richtete Vorspannkraft aus, durch die ein Flansch 1c des Schaftes 1a gegen die untere Stirnfläche der Lager­buchse 2 gedrückt wird. Dadurch ist der Schaft 1a in der Lagerbuchse 2 axial spielfrei, gegen Wärmedehnungen elastisch und schwingungsdämpfend eingespannt.

[0010] Der Leitschaufelträger 12 ist staubdicht in eine ring­förmige Ausnehmung eines Trägerringes 13 eingesetzt. In einer Nut 13a des Trägerringes 13 ist ein Verstell­ring 7 drehbar geführt. Die Führung in Radialrichtung erfolgt über Radialrollen 10, die in der Nut 13a ange­ordnet und mittels Lagerstiften 11 am Trägerring 13 ge­lagert sind. Die Führung in Axialrichtung erfolgt durch Axialrollen 8, die am Verstellring 7 mittels Lager­stiften 9 gelagert sind, mit ihren vorzugsweise ballig ausgebildeten Umfangsflächen ein wenig über die Stirn­fläche des Verstellrings 7 überstehen und gegen die axialen Begrenzungsflächen der Nut 3a anliegen. Um Verstellring 7 und Leitschaufelträger einsetzen zu können, ist der Trägerring 13 in einer geeigneten Axial­ebene in zwei Hälften geteilt und diese durch (nicht dargestellt) Befestigungsmittel miteinander verbunden.

[0011] Der Verstellring 7 wiest entsprechend der Leitschaufel­anzahl eine Anzahl von zylindrischen Axialbohrungen 7a auf, die zur inneren Umfangsfläche des Verstellrings 7 hin offen sind. Darin sind drehbar und axial verschieb­bar Zylinderbolzen 6 gelagert. Jeder Zylinderbolzen 6 hat eine achssenkrechte Bohrung, in der ein zum Schaft 1a der Leitschaufel achsparalleler Stift 5 drehbar ge­lagert ist, der mit dem Hebel 4 verbunden ist.

[0012] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist an dem Verstellring 7 ein Ansatz 19 vorgesehen, der durch eine Ausnehmung des Trägerrings 13 nach außen ragt und an dem mittels eines Zylinderlagers 20 eine Verstellspindel 21 angreift. Diese ist durch eine Durchführung 18a des Außengehäu­ses 18 der Strömungsmaschine nach außen geführt, wo­bei eine gas- und staubdichte Abdichtung mittels ei­nes elastischen Balges 22 erfolgt, der mittels eines Flansches 23 an dem Durchführungsstutzen 18a befestigt ist. An dem nicht näher gezeigten Außenende der Ver­stellspindel 21 kann ein beliebiger hand- oder motor­betätigbarer Verstellantrieb angreifen, um die Spin­del 21 in ihrer Achsrichtung zu bewegen und dadurch den Verstellring 7 in seiner Umfangsrichtung entspre­chend dem Pfeil 24 zu drehen.

[0013] Bei Drehung des Verstellrings 7 in Umfangsrichtung wer­den über die Zylinderbolzen 6 und Stifte 5 die Enden der Hebel 4 mitgenommen, so daß sie sich bezüglich der Leitschaufelachse verdrehen. Da die Hebel 4 drehfest mit den Schäften 1a der Leitschaufeln verbunden sind, werden dadurch auch die Leitschaufeln um ihre Achsen verdreht. Die bei dieser Verstellbewegung notwendiger­weise auftetenden Lageveränderungen der Stifte 5 re­lativ zur Mittelebene und Radialrichtung des Verstell­rings 7 werden dabei durch die Drehbarkeit und Axial­verschiebbarkeit der Zylinderbolzen 6 ausgeglichen.

[0014] Hierdurch werden jegliche Verklemmungen vermieden, ob­wohl an den relativ zueinander beweglichen Lagerflächen der verschiedenen beweglichen Teile keinerlei Lager­spiele erforderlich sind und die Führung der Leitschau­feln mittels des Verstellrings formschlüssig, spiel­frei und ausschließlich über Flächenberührung ohne Punkt- oder Linienkontakt erfolgt.

[0015] Der gesamte Verstellmechanismus ist staubdicht in dem vom Trägerring 13 und dem darin eingesetzten Leitschaufelträger 12 umschlossenen Raum eingekapselt.

[0016] Die gesamte Verstelleinrichtung ist von kompakter Kon­struktion, die in Achsrichtung nicht wesentlich mehr Platz einnimmt, als der Leitschaufelkranz selbst. Es ist deshalb ohne weiteres möglich, auch axial eng be­nachbarte Leitschaufelkränze jeweils mit einer derar­tigen Verstelleinrichtung auszurüsten.

[0017] Bei geeigneter Materialwahl der Werkstoffe für die mit­einander in Gleitberührung stehenden Teile ist die ge­samte Verstelleinrichtung schmiermittel- und somit war­tungsfrei. Vorzugsweise können für den Leitschaufel­schacht 1, den Verstellring 7 und den Stift 5 Spezial­stähle, wie z. B.

    X21 Cr. Mo V 12.1
    X5 Ni Cr Ti 2615
    X8 Cr Ni Mo Nb 1810
    X8 Cr Ni Mo B Nb 1810

eingesetzt und die Reibflächen dieser Bauteile zusätzlich oberflächengehärtet werden, während für Lagerbuchse 2 und Zylinderbolzen 6 Lagerwerkstoffe mit guten Gleit­eigenschaften wie z. B. Stellite 21, Tribaloy T 400 oder Stähle wie GGG-Ni Cr Nb 202 oder GGG 40 verwendet werden.

[0018] Die durch den extern angeordneten (nicht dargestellten) Stellantrieb über die Verstellspindel 21 erzeugte Ver­stellbewegung wird gasdicht sperrgas- und wartungsfrei über den Metallfaltenbalg 22 abgedichtet in das Maschinen­innere eingeleitet.

[0019] Die gesamte Verstelleinrichtung ist aufgrund ihrer kom­pakten Bauweise so konzipiert, daß sie sich auch zur Nachrüstung an vorhandenen Maschinen eignet.

[0020] Die Auswahl bzw. Werkstoffpaarung unter den vorgenannten bevorzugten Werkstoffen kann gezielt je nach den zu er­wartenden Betriebstemperaturen des jeweiligen Einsatzbe­reiches vorgenommen werden, wobei sich die genannten Werk­stoffe insbesondere für den Hochtemperatureinsatz eignen. Für den Hochtemperatureinsatz sind ferner die folgenden vorteilhaften Merkmale der erfindungsgemäßen Verstell­einrichtung hervorzuheben:
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist keinerlei Punkt- ­oder Linienberührung zwischen den bewegungsübertragenden Teilen auf, sondern ausschließllich Flächenberührung zwischen Zylinderflächen. Hierdurch in Verbindung mit einer temperaturbezogenen Werkstoffauswahl kann eine definierte Spielqualität über einen äußeren Temperaturbereich und auch über lange Betriebszeiten aufrecht erhalten werden. Punkt- oder Linienberührung würde zwangsläufig zu einer Spielvergrößerung bei längerer Betriebszeit führen. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere hinsichtlich der besonders kritischen Schaufeldreh­schwingungen weitgehend spielfrei und bleibt es auch in einem großen Temperaturbereich und während einer langen Betriebszeit. Sie eignet sich deshalb besonders zur Verwendung z. B. im Hochtemperaturteil von Ver­brennungsturbinen, wo die Betriebstemperaturen z. B. 600°C und mehr betragen können.

[0021] Bei extremen Temperaturänderungen im An- und Abfahr­betrieb ist eine gewisse Änderung des Lagerspiels der Leitschaufellagerung unvermeidbar. Die erfindungsgemäß vorgesehene Federbelastung des Leitschaufelschaftes sorgt für eine wirksame Unterdrückung bzw. Dämpfung etwaiger Biegeschwingungen der Leitschaufel.

Ansprüche

Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer Axial­strömungsmaschine, mit einem ringförmigen Leitschaufel­träger mit radialen Lagerbohrungen, in denen die Schäfte der Leitschaufeln um die Schaftachsen drehbar gelagert sind, an den Außenseiten des Leitschaufelträgers ange­ordneten, auf den Schäften der Leitschaufeln drehfest ausgekeilten Hebeln, einem koaxial zum Leitschaufel­träger angeordneten Verstellring, mit dem die Enden der Hebel gelenkig verbunden sind, und einem Verstell­antrieb, mit dem der Verstellring in seiner Umfangs­richtung bewegbar ist, gekennzeichnet durch eines oder mehrerer der folgenden Merkmale:

1. Der Verstellring (7) ist in einer auf drei Seiten geschlossenen Nut (13a) eines Trägerringes (13) gelagert, die auf der vierten, radial nach innen gerichteten Seite durch den in die Nut eingesetzten Leitschaufelträger (12) abdichtend geschlossen ist, wobei die Hebel (4) und ihre Gelenkverbindungen mit dem Verstellring (7) ge­schützt innerhalb der Nut liegen;

2. der Verstellring (7) ist in der Nut (13a) axial und radial mittels Rollen (10, 9) gelagert;

3. die Gelenkverbindung zwischen jedem Hebel (4) und dem Verstellring (7) besteht aus einem Zylinderbolzen (6), der in einer zylindrischen, zur inneren Umfangs­fläche hin offenen Ausnehmung des Verstellrings (7) achsparallel zum Verstellring drehbar und axial ver­schiebbar gelagert ist, und aus einem senkrecht zur Achse des Zylinderbolzens (6) angeordneten Stift (5), der in Bohrungen des Zylinderbolzens (6) und des Hebels (4) eingesetzt und in einer der Bohrungen drehbar ge­lagert ist;

4. der Schaft (1a) jeder Leitschaufel (1) ist mittels einer Vorspannfeder (16) gegen eine in der Lager­bohrung des Leitschaufelträgers (12) befestigte Lager­buchse (2) mit einer radial nach außen wirkenden Vor­spannkraft verspannt.

Zeichnung