Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine mit verstellbaren federbelasteten Leitschaufeln

Abstract

 Die Schenkelfeder (5) verspannt den Schaft (32) der Leitschaufel (31) und den Verstellhebel (4) gegeneinander und drückt gleichzeitig den Leitschaufelschaft (32) gegen ihre Lagerung (33).
Dadurch wird im Betrieb das Spiel zwischen allen beweglichen bzw. gefügten Teilen des Verstellmechanismus aufgehoben.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen.

[0002] Sie betrifft die Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine mit rotierbar gelagerten, verstellbaren Leitschaufeln sowie ein Abgasturbolader mit einer solchen Leitvorrichtung.

Stand der Technik

[0003] Abgasturbinen, beispielsweise von Turboladern, werden in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt. Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor wird dabei als Antriebsmittel zum Antreiben des Turbinenrades benutzt. Das Turbinenrad ist durch eine Welle mit dem Verdichterrad verbunden, mit welchem die dem Verbrennungsmotor zuzuführende Ansaugluft komprimiert wird. Um den variablen Betriebsbedingungen moderner Motoren gerecht zu werden, können im Abgasturbinen anstelle von festen Strömungsgittern (Düsenring) verstellbare Turbinengeometrien (VTG) eingesetzt werden. Dabei lassen sich durch einen Verstellmechanismus die Anstellwinkel von Turbinenleitschaufein dem jeweiligen Betriebspunkt anpassen.

[0004] Eine VTG Vorrichtung umfasst in der Regel mehrere in einem Lagergehäuse gelagerte Leitschaufeln und einen Verstellmechanismus zum Drehen der Leitschaufeln. VTG Vorrichtungen sind etwa in EP 0 226 444 oder DE 43 09 636 beschrieben.

[0005] Die Leitschaufeln einer Abgasturbine, welche im Betrieb sehr stark erhitzt werden, müssen mit angemessenem Spiel in den Lagerbuchsen eingebaut sein, damit sie nicht verklemmen. Aus demselben Grund muss der gesamte VTG Verstellmechanismus funktionsbedingt genügend Spiel aufweisen. Das Spiel kann in den Radiallagerstellen der Leitschaufeln sowie zwischen Verstellhebel und Leitschaufelschaft mitunter zu Schwingungsreibverschleiss (Fretting) an den verschiedenen Kontakt- und Auflageflächen führen, welcher beispielsweise durch betriebsbedingte Vibrationen des Lagergehäuses oder durch variable Strömungskräfte verursacht werden kann.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verstellvorrichtung für eine Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine dahingehend zu verbessern, dass die einzelnen Teile im Betrieb weitgehend spiellos miteinander zusammenwirken können.

[0007] Diese Aufgabe wird mittels einer Schenkelfeder gelöst, welche den Schaft der Leitschaufel und den Verstellhebel gegeneinander verspannt und gleichzeitig den Leitschaufelschaft gegen ihre Lagerung drückt. Dadurch wird im Betrieb das Spiel zwischen allen beweglichen bzw. gefügten Teilen des Verstellmechanismus aufgehoben.

[0008] Die Schenkelfeder greift mit je einem Schenkel am Lagergehäuse und an dem Verstellhebel an. So wird die Einheit aus Verstellhebel und Leitschaufel zusätzlich gegen das Lagergehäuse verspannt, d.h. der Leitschaufelschaft liegt mit einer positiven Auflagekraft in den Lagerstellen auf. Der Verstellhebel, welcher mit einem Verstellelement (Verstellring) verbunden und über diesen verstellbar ist, wird durch die Federkraft der Schenkelfeder gegen das Verstellelement gedrückt, so dass auch in dieser Kontaktstelle eine positive Auflagekraft wirkt.

[0009] Somit sorgt die erfindungsgemässe Verspannung der Leitvorrichtung mit einer Schenkelfeder dafür, dass die Einheit aus Verstellhebel und Leitschaufel in sich, sowie bezüglich der umliegenden, mit dieser Einheit zusammenwirkenden Teile spielfrei ist. Die Kräfte, welche beim Verstellen der Leitschaufeln auf die Einheit wirken, sind grösser als die von der Schenkelfeder ausgeübten Federkräfte, so dass das von der Dimensionierung der Kontaktbereicht an sich vorhandene Spiel beim Verstellen ausgenutzt und die Leitvorrichtung ohne zu verklemmen verstellt werden kann.

[0010] Bei einer Leitvorrichtung mit mehreren Leitschaufeln können Schenkelfedern mit entgegengesetzter Windungsorientierung und entsprechend entgegengesetzten Federkräften eingesetzt werden, so dass sich die der Verstellkräfte entgegenwirkenden Federkräfte in der Summe reduzieren, bzw. praktisch aufheben. Damit behindert die erfindungsgemässe Verspannung den Betrieb der verstellbaren Leitvorrichtung nicht, so dass nicht etwa stärkere Antriebe für den Verstellmechanismus verwendet werden müssten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung genauer erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1

einen Schnitt durch einen turbinenseitigen Teil eines Abgasturboladers mit erfindungsgemäss mittels Schenkelfedern verspannten Leitschaufeln.

Fig. 2

eine vergrössert isometrisch dargestellte Ansicht der Anordnung nach Fig. 1, und

Fig. 3

eine Detailansicht einer Schenkelfeder zum Verspannen der Leitschaufeln nach Fig. 2.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0012] Fig. 1 zeigt die Turbinenseite eines Abgasturboladers mit dem im Turbinengehäuse 21 angeordneten Turbinenrad. Das Turbinenrad umfasst eine Nabe 12 und darauf befestigte oder integral mit der Nabe gefertigte Laufschaufeln 11. Im Strömungskanal, welcher zu den Laufschaufeln hinführt, ist eine Leitvorrichtung angeordnet. Die Leitvorrichtung umfasst verstellbare Leitschaufeln 31 zum Regulieren der Abgasströmung. Die Leitschaufeln sind mit einem Leitschaufelschaft 32 in den Lagerstellen 33 eines Lagergehäuses 22 rotierbar gelagert. Wie in der vergrösserten Teildarstellung in Fig. 2 gezeigt, können die Leitschaufeln 31 über einen Verstellhebel 4 um die Achse des Leitschaufelschafts 32 gedreht werden. Der Verstellhebel hat beidseits des länglichen Schafts 41 Wirkbereiche. In der dargestellten Ausführungsform ist dies auf der Seite des Leitschaufelschafts eine Ausnehmung 42, welche formschlüssig mit dem Leitschaufelschaft verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist dies eine Ausnehmung 43, in welche ein Fortsatz des Verstellrings 6 eingreift, um den Verstellhebel gemäss den dargestellten Pfeilen hin- und her zu bewegen. Die Kontakte beider Wirkbereiche weisen ein minimales Spiel auf, um etwa thermische Ausdehnungen im Betrieb zu ermöglichen, ohne grosse Materialspannungen zu erzeugen.

[0013] Erfindungsgemäss ist eine Schenkelfeder 5 zwischen dem Lagergehäuse 22, dem Leitschaufelschaft 32 und dem Verstellhebel 4 eingespannt. Die in Fig. 3 detailliert dargestellte Schenkelfeder 5 ist mit ihren Windungen 51 koaxial zum Leitschaufelschaft 32 angeordnet. Die Schenkelfeder ist mit einer ersten Abkröpfung 53 am Ende eines ersten Schenkels 52 am Lagergehäuse abgestützt. Mit einer zweiten Abkröpfung 55 am Ende eines zweiten Schenkels 54 hintergreift die Schenkelfeder den Schaft 41 des Verstellhebels 4. Eine zusätzliche Abkröpfung 56 an der zweiten Abkröpfung 55 dient als Montagehilfe und sorgt im Betrieb dafür, dass die Schenkelfeder nicht von dem Verstellhebel gleitet.

[0014] Im eingespannten Zustand werden die Schenkel der Schenkelfeder zwischen dem Verstellhebel und dem Lagergehäuse zusammengedrückt. In Abhängigkeit der Ausrichtung des ersten Schenkels 52 bezüglich der Radialen der Windungen 51 ergibt sich eine Reaktionskraft welche im Bereich der den Leitschaufelschaft umschliessenden Windungen eine Kraft auf den Leitschaufelschaft ausübt. Der Leitschaufelschaft wird dadurch in den Lagerstellen 33 gegen das Lagergehäuse 22 gedrückt. Der Verstellhebel wiederum wird durch den zweiten Schenkel 54 der Schenkelfeder gegen den Verstellring 6 sowie gegen den Leitschaufelschaft 32 gedrückt. All die Kontaktbereiche, bei welchen im Kaltzustand ein gewisses Spiel vorgesehen ist, werden somit von der Schenkelfeder gegeneinandergedrückt. Betriebsbedingte Vibrationen werden somit durch die Schenkelfeder abgefedert und der Schwingungsreibverschleiss bleibt aus.

[0015] Die Schenkelfeder ist somit in der Lage, sowohl das Kalt- als auch das Betriebsspiel aller beweglichen bzw. gefügten Teile des Verstellmechanismus auszugleichen.

[0016] Durch eine geeignete Anzahl Windungen 51 bleibt die notwendige Federkraft auch beim Verstellen der Leitschaufeln nahezu konstant.

[0017] Alternativ kann die Schenkelfeder mit dem zweiten Schenkel 54 auch am Verstellring 6, im leitschaufelseitigen Wirkbereicht 42 des Verstellhebels, d.h. im Bereich der Verbindung zwischen dem Verstellhebel und dem Leitschaufelschaft oder direkt an dem Leitschaufelschaft 32 angreifen.

[0018] Damit die beim Verstellen von mehreren Leitschaufeln aufzubringende Verstellkraft des Verstellrings trotz der Schenkelfedern nicht zu gross wird, und damit diese Kraft beim Öffnen und beim Schliessen der Leitschaufeln etwa gleich gross bleibt, können die Schenkelfedern, beispielsweise alternierend, in entgegengesetzte Richtung öffnen, bzw. die Windungen der Schenkelfedern mit entgegengesetztem Drehsinn gewickelt sein.

Bezugszeichenliste

[0019] 

11

Laufschaufeln

12

Nabe

21

Turbinengehäuse

22

Lagergehäuse

31

Leitschaufel

32

Leitschaufelschaft

33

Lagerstellen

4

Verstellhebel

41

Verstellhebelschaft

42

Leitschaufelseitiger Wirkbereich des Verstellhebels

43

Verstellringseitiger Wirkbereich des Verstellhebels

5

Schenkelfeder

51

Windung

52, 54

Schenkel

53, 55, 56

Abkröpfungen

6

Verstellring, Verstellelement

Ansprüche

1. Leitvorrichtung einer Strömungsmaschine, umfassend ein Lagergehäuse (22), mindestens eine Leitschaufel (31) mit einem drehbar gelagerten Leitschaufelschaft (32) sowie einen Verstellhebel (4) zum Drehen der Leitschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschaufel (31) und der Verstellhebel (4) mittels einer Schenkelfeder (5) gegeneinander verspannt sind.

2. Leitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellhebel (4) mit einem Verstellelement (6) verbunden und über das Verstellelement bewegbar ist, und dass mittels der Schenkelfeder (5) die Leitschaufel (31) bezüglich des Lagergehäuses (22) und der Verstellhebel (4) bezüglich des Verstellelements (6) verspannt sind.

3. Leitvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfeder (5) zwei Schenkel (52, 54) und einen Windungsbereich (51) mit mindestens einer Windung umfasst, dass
die Schenkelfeder mit dem Windungsbereich koaxial zu den dem Leitschaufelschaft (32) angeordnet ist, dass
ein erster Schenkel (52) der Schenkelfeder am Lagergehäuse (21) abgestützt ist, und dass
ein zweiter Schenkel (54) der Schenkelfeder am Verstellhebel (4) abgestützt ist.

4. Leitvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende mindestens eines der beiden Schenkel (52, 54) mindestens eine Abkröpfung (53, 55, 56) angeordnet ist.

5. Leitvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des zweiten Schenkels (54) eine erste Abkröpfung (55) zum Abstützen am Verstellhebel (4) angeordnet ist, und dass im Anschluss an die erste Abkröpfung (55) eine zweite Abkröpfung (56) zum Hintergreifen des Verstellhebels (4) angeordnet ist.

6. Leitvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfeder (5) zwei Schenkel (52, 54) und einen Windungsbereich (51) mit mindestens einer Windung umfasst, dass
die Schenkelfeder mit dem Windungsbereich koaxial zu den dem Leitschaufelschaft (32) angeordnet ist, dass
ein erster Schenkel (52) der Schenkelfeder am Lagergehäuse (21) abgestützt ist, und dass
ein zweiter Schenkel (54) der Schenkelfeder am Leitschaufelschaft (32) abgestützt ist.

7. Leitvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfeder (5) zwei Schenkel (52, 54) und einen Windungsbereich (51) mit mindestens einer Windung umfasst, dass
die Schenkelfeder mit dem Windungsbereich koaxial zu den dem Leitschaufelschaft (32) angeordnet ist, dass
ein erster Schenkel (52) der Schenkelfeder am Lagergehäuse (21) abgestützt ist, und dass
ein zweiter Schenkel (54) der Schenkelfeder am Verstellelement (6) abgestützt ist.

8. Leitvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung mehrere Leitschaufeln (31) mit jeweils ei nem Verstellhebel (4) umfasst, dass die Leitschaufeln und der jeweilige Verstellhebel mit einer Schenkelfeder (5) verspannt sind, wobei die Schenkelfeder (5) einen Windungsbereich (51) mit mindestens einer in einem Drehsinn gewickelten Windung umfasst, und dass
der Drehsinn der Windung der Schenkelfeder mindestens einer ersten Leitschaufel dem Drehsinn der Windung der Schenkelfeder mindestens einer zweiten Leitschaufel entgegengesetzt ist.

9. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch eine Leitvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung