[0001] Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der
Finanzhilfevereinbarung Nr. CSJU-GAM-SAGE-2008-001 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union
(
FP7/
2007-2013) für Clean Sky Joint Technology Initiative gefördert.
[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitrad für eine Strömungsmaschine, mit in
Umfangsrichtung des Leitrads nebeneinander angeordneten, um ihre radial verlaufende
Längsachse verstellbaren Leitschaufeln und einem radial innen angeordneten Innenring
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbine
nach Anspruch 15.
[0003] In Strömungsmaschinen, insbesondere in Verdichtern, sind Leitschaufeln oft verstellbar,
um unterschiedliche Lastzustände im Betrieb der Strömungsmaschine abzubilden. Die
Leitschaufeln können beispielsweise im Volllastbetrieb in geöffneter Stellung positioniert
sein, während im Teillastbetrieb eine weiter geschlossene Position für einen hohen
Wirkungsgrad sinnvoll sein kann. Dies kann etwa bei Flugtriebwerken für den Startvorgang
eines Flugzeugs im Volllastbetrieb und im Teillastbetrieb zu deutlichen Treibstoffeinsparungen
und damit zu Kosteneinsparungen führen. Im Bereich der Lagerungen der verstellbaren
Leitschaufeln können jedoch Leckageströmungen auftreten, die unter anderem zu Wirkungsgradverlusten
durch eine Bypassströmung und durch eine Störung des Hauptgasstroms durch die Strömungsmaschine
führen können.
[0004] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leitrad mit verstellbaren Leitschaufeln
vorzuschlagen, das einerseits Leckageströmungen wenigstens im Bereich der radial inneren
Lagerung zumindest minimiert und dabei die Funktionalität der verstellbaren Leitschaufel
möglichst nicht beeinträchtigt, und andererseits den Bauraum, insbesondere in Längsausrichtung
der Leitschaufeln, minimiert.
[0005] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Leitrad mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Sie wird ferner durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 15
gelöst. Erfindungsgemäß wird somit ein Leitrad für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen,
welches in Umfangsrichtung des Leitrads nebeneinander angeordnete, um ihre radial
verlaufende Längsachse verstellbare Leitschaufeln sowie einen radial innen angeordneten
Innenring aufweist. Der Innenring ist, zumindest abschnittsweise, insbesondere ein
Dichtungsträger, beispielsweise ein Dichtungsträger für Einlaufdichtungen. Die Leitschaufeln
sind um ihre radial verlaufende Längsachse verstellbar, insbesondere verdrehbar. Am
radial inneren Ende sind die Leitschaufeln in dem Innenring gelagert.
[0006] Der Innenring ist in Axialrichtung (Drehachse der Strömungsmaschine; Hauptdurchströmungsrichtung)
einstückig ausgebildet. Der einstückige Innenring ist in Axialrichtung nicht geteilt.
Ein einstückiger Innenring kann in Umfangsrichtung einfach oder mehrfach geteilt sein.
Insbesondere ist der einstückige Innenring in zwei 180 Grad Segmente oder drei 120
Grad Segmente in Umfangsrichtung geteilt. Ein einstückiger Innenring kann beispielsweise
mittels generativer Fertigungsverfahren hergestellt werden.
[0007] Die Leitschaufel weist eine, im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel
ausgebildete, radial innen angeordnete Gleitfläche auf. Die Gleitfläche schließt die
Leitschaufel insbesondere radial innen ab, das heißt, die Gleitfläche kann abschließend
radial innen in Bezug auf die Leitschaufel angeordnet sein. Jenseits der Gleitfläche
weist die Leitschaufel radial innen insbesondere keine weiteren Abschnitte auf, insbesondere
keine Lagerzapfen, keine weiteren Lageranordnungen oder Lagerflächen. Die stirnseitige
Gleitfläche kann beispielsweise eine plane, ebene oder eine gekrümmte Fläche sein.
[0008] Die Gleitfläche und der Innenring bilden eine Reibpaarung.
[0009] Die Gleitfläche kann eben oder linienförmig oder punktförmig sein. Eine punktförmige
Gleitfläche ist beispielsweise eine Kugel, die sich relativ gegen eine plane ebene
oder eine gekrümmte Fläche dreht oder bewegt. Eine linienförmige Gleitebene ist beispielsweise
eine plane ebene Fläche, die sich relativ gegen eine ringförmige oder walzenförmige
Ebene bewegt.
[0010] Die Lagerung der Leitschaufel in dem Innenring weist vorzugsweise keinen Lagerzapfen
auf.
[0011] Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks
"kann sein" bzw. "kann haben" usw. synonym zu "ist vorzugsweise" bzw. "hat vorzugsweise"
usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutern.
[0012] Wann immer hierin Zahlenworte genannt werden, so versteht der Fachmann diese als
Angabe einer zahlenmäßig unteren Grenze. Sofern dies zu keinem für den Fachmann erkennbaren
Widerspruch führt, liest der Fachmann daher beispielsweise bei der Angabe "ein" oder
"einem" stets "wenigstens ein" oder "wenigstens einem" mit. Dieses Verständnis ist
ebenso von der vorliegenden Erfindung mit umfasst wie die Auslegung, dass ein Zahlenwort
wie beispielsweise "ein" alternativ als "genau ein" gemeint sein kann, wo immer dies
für den Fachmann erkennbar technisch möglich ist. Beides ist von der vorliegenden
Erfindung umfasst und gilt für alle hierin verwendeten Zahlenworte.
[0013] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand
von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
[0014] Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten
Merkmale aufweisen.
[0015] In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Strömungsmaschine eine
Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk.
[0016] Wenigstens eine Leitschaufel kann zur Lagerung in dem Innenring wenigstens eine Rotationsfläche
einer ebenen Kurve um die Längsachse der Leitschaufeln aufweisen. Ebene Kurven können
mathematisch mittels zwei Koordinaten, beispielsweise mittels einer x-Koordinate und
einer y-Koordinate in einer Ebene, beschrieben und dargestellt werden. Im Gegensatz
zur ebenen Kurve können Raumkurven mittels drei Koordinaten (z. B. x, y, z) beschrieben
werden. Eine einfache ebene Kurve ist beispielsweise eine Gerade. Eine Rotationsfläche
mit einer Geraden (als ebener Kurve) kann ein Kegelstumpf sein.
[0017] Insbesondere ist der in Bezug auf die Längsachse der Leitschaufel radial außen liegende
Begrenzungsradius der Rotationsfläche größer als der radial innen liegende Begrenzungsradius
der Rotationsfläche. Weiterhin können die Radien der Rotationsfläche von radial außen
nach radial innen kleiner werden. Anders ausgedrückt können sich die Rotationsflächen
nach radial innen verjüngen. Die Verjüngung kann kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich
sein.
[0018] In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Leitrad ein Abschnitt einer
Verdichterstufe der Strömungsmaschine. Eine Verdichterstufe kann ein oder mehrere
Leiträder aufweisen.
[0019] In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die ebene Kurve eine Gerade und
das radial innere Ende der Leitschaufel weist die Form eines Kegelstumpfes auf.
[0020] In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve wenigstens
zwei Geradenabschnitte auf.Das radial innere Ende der Leitschaufel weist insbesondere
die Form von zwei aneinandergereihten Kegelstümpfen auf. Die Radien der Rotationsflächen
verjüngen sich an dem Übergang der beiden Geraden diskontinuierlich. Ebenso kann die
ebene Kurve mehrere Geradenabschnitte aufweisen.
[0021] In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve eine konvexe
oder eine konkave Form auf.Bei einer konvexen Form verjüngen sich die Radien der Rotationsflächen
zunächst langsamer, dann zunehmend stärker bis zu dem radial innen liegenden Begrenzungsradius.
Bei einer konkaven Form verjüngen sich die Radien der Rotationsflächen zunächst stärker
und dann geringer bis zu dem radial innen liegenden Begrenzungsradius. Die Radien
verjüngen sich sowohl bei der konvexen als auch bei der konkaven Form kontinuierlich.
[0022] In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve wenigstes zwei
konvexe Formen oder wenigstes zwei konkave Formen auf. Die Verjüngung der Radien der
Rotationsflächen ist an dem Übergang der zwei konvexen Formen oder der konkaven Formen
insbesondere diskontinuierlich.
[0023] In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve eine Hypozykloidenform
auf, welche durch Abwälzung eines ersten Kreises in einem zweiten Kreis erzeugt wird.
Der Radius des ersten Kreises ist kleiner als der Radius des zweiten Kreises. Beispielhafte
Ausführungen zur Hypozykloidenform werden insbesondere in dem erteilten Patent der
Anmelderin mit der Patentnummer
EP 2 379 847 B1 mit dem Titel
"Veifahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators " offenbart. Auf die diesbezügliche Offenbarung wird hiermit vollumfänglich Bezug
genommen. Der Radius des zweiten Kreises kann der radial außen liegende Begrenzungsradius
der Rotationsflächen sein. Ebenso kann der Radius des zweiten Kreises zwischen dem
radial außen liegenden Begrenzungsradius und dem innen liegenden Begrenzungsradius
der Rotationsflächen liegen.
[0024] In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Innenring mittels eines in
einer Ebene senkrecht zur Längsachse angeordneten Sicherungsstifts in radialer Richtung
mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig verbunden. Die Verstellbarkeit
der Laufschaufel, insbesondere die Verdrehbarkeit um die Längsachse der Laufschaufel,
kann beispielsweise mittels einer Nut im Innenring in Umfangsrichtung, in der der
Sicherungsstift geführt wird, weiterhin ermöglicht werden.
[0025] In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Innenring mittels einer in
einer Ebene senkrecht zur Längsachse angeordneten Nietverbindung oder Schraubverbindung
in radialer Richtung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig verbunden.
[0026] In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist zwischen den Rotationsflächen
der Leitschaufeln und dem Innenring ein Spalt ausgebildet ist und die Gleitlagerung
im Wesentlichen mittels einer Gleitfläche senkrecht zur Längsachse stirnseitig am
radialen Ende der Leitschaufel ausgebildet.
[0027] In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist ein radial äußeres Gehäuselager
der verstellbaren Leitschaufel ein elastisches Element zum Längenausgleich der Leitschaufel
in radialer Richtung auf. Das elastische Element kann ein Federelement (z. B. Spiralfeder,
Federring etc.), ein Kunststoffelement, ein Gummielement oder ein anderes Element
oder eine Vorrichtung sein. Ein Längenausgleich kann infolge einer thermischen Materialausdehnung
notwendig werden. Eine thermische Materialausdehnung tritt beispielsweise in thermisch
hochbelasteten Flugtriebwerken auf.
[0028] In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die Leitschaufeln einstückig
hergestellt. Eine einstückige Herstellung kann beispielsweise mittels eines Gußverfahrens
oder mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, z. B. mittels eines selektiven
Lasersinterverfahren (SLM - Selective Laser Melting) erfolgen.
[0029] Eine Lageranordnung der verstellbaren Leitschaufel kann als Leitschaufellagervorrichtung
oder Leitschaufellagereinrichtung oder Leitschaufellagerung bezeichnet werden.
[0030] In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die verstellbare Leitschaufel
ein Abschnitt eines Verdichters, beispielsweise eines Hochdruckverdichters oder eines
Niederdruckverdichters.
[0031] In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst die verstellbare Leitschaufel
wenigstens ein Leitschaufelprofil zur Umströmung eines Arbeitsfluids und einen Außenzapfen
zum Drehen und Übertragen einer Drehbewegung der verstellbaren Leitschaufel. Der Außenzapfen
kann beispielsweise außerhalb eines Gehäuses der Gasturbine, oder in Verbindung mit
dem Gehäuse, mittels eines Elektromotors, eines Getriebes oder einer anderen Ansteuerung
gedreht und bewegt werden.
[0032] Eine radiale Längsachse der verstellbaren Leitschaufel ist in manchen erfindungsgemäßen
Ausführungsformen eine Längsachse, die sich vom äußeren Gehäuse-Lager durch die verstellbare
Leitschaufel bis zum Innenring-Lager erstreckt. Insbesondere ist die Längsachse der
Leitschaufel auch die Drehachse des äußeren Gehäuse-Lagers, als auch die Drehachse
des Innenring-Lagers. Beispielsweise ist die verstellbare Leitschaufel um die radiale
Längsachse derart drehbar angeordnet, dass die Anströmung der Leitschaufel wenigstens
ein Volllastbetrieb und ein Teillastbetrieb der Gasturbine ermöglicht.
[0033] Der Begriff "radial äußeres Gehäuse-Lager" ist in gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
synonym zu den Begriffen "radial äußere Lagerung", "Lagerung am Endbereich in radial
äußerer Richtung" oder "endseitige Lagerung in radial äußerer Richtung" oder ähnlichen
Begriffen zu verstehen.
[0034] Der Begriff "radial innere Lagerung" ist in gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
synonym zu den Begriffen "radial inneres Innenring-Lager", "Lagerung am Endbereich
in radial innerer Richtung" oder "endseitige Lagerung in radial innerer Richtung"
oder ähnlichen Begriffen zu verstehen.
[0035] Der Innenring kann in Umfangsrichtung geteilt sein. Insbesondere zur Montage kann
der Innenring in zwei 180 Grad-Segmente geteilt sein. Ebenso kann die Teilung drei
120 Grad-Segmente, vier 90 Grad-Segmente oder andere Segmentierungen aufweisen.
[0036] Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle
der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
[0037] Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann vorteilhaft eine Abdichtung, oder zumindest
eine Reduzierung, einer Spaltströmung oder Leckageströmung im Bereich der Rotationsflächen
am radial inneren Ende der Leitschaufel erreicht werden. Mittels des erfindungsgemäßen
Leitrads kann somit vorteilhaft eine optimale Abdichtung des Spalts, der als sogenannter
"Pennyspalt" bezeichnet werden kann, im Bereich der Rotationsflächen erreicht werden.
[0038] Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann weiterhin vorteilhaft eine Verkürzung der
Toleranzkette (z. B. Dehnungstoleranzen infolge thermischer Ausdehnungen im Betriebszustand,
Fertigungstoleranzen etc.) über die gesamte radiale Länge der Leitschaufel erreicht
werden.
[0039] Mittels des erfindungsgemäßen Leitrads kann die radiale Bauhöhe des Innenrings gegenüber
einer Lagerung beispielsweise mittels eines Zapfens am radial inneren Ende einer verstellbaren
Leitschaufel reduziert werden. Eine Zapfenanordnung, insbesondere mit einer zusätzlichen
Buchse als Zapfenlagerung, weist in der Regel eine größere radiale Ausdehnung oder
Länge auf als dies mit dem erfindungsgemäßen Leitrad ausführbar ist. Die Kavität,
in der beispielsweise ein Kegelstumpf im Innenring geführt wird, ist kleiner gegenüber
einer Kavität mit einer Zapfenanordnung. Dadurch kann beispielsweise der Rotordurchmesser
der Gasturbine vergrößert werden und/oder das Gewicht des Innenrings und damit der
Gasturbine insgesamt reduziert werden. Dies kann weitere Vorteile ermöglichen, beispielsweise
Materialkostenreduzierung bei der Fertigung, reduzierte Treibstoffkosten bei einem
Einsatz der Gasturbine in einem Flugzeug etc.
[0040] Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann vorteilhaft die Anzahl der Einzelteile einer
Leitradanordnung reduziert werden. Beispielsweise können Dichtungsträger und/oder
Buchsen (bzw. Lagerbuchsen) für eine alternative Stift- oder Zapfenlagerung der verstellbaren
Leitschaufel entfallen.
[0041] Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann weiterhin vorteilhaft ein Spalt zwischen einem
radial inneren Leitschaufelkegel und dem Innenring, insbesondere während eines vorgesehenen
Einsatzes als Gasturbine während des Flugbetriebs, stabilisiert werden. Dieses Stabilisieren
kann als "Reduzieren des Chordings" bezeichnet werden. Der Begriff "Chording" ist
als Ovalisierung des Spaltes infolge von radialen Bewegungen des Innenrings auf den
Verbindungsabschnitten der verstellbaren Leitschaufeln zu verstehen. Beispielsweise
können die verstellbaren Leitschaufeln mittels Zapfen oder Stiften, und zusätzlich
durch Buchsen, nach dem Stand der Technik mit dem Innenring verbunden sein. Diese
Verbindungen können nach dem Stand der Technik im vorgesehenen Betrieb Relativbewegungen
zueinander ausführen, die zu dem genannten Chording führen können. Mittels des erfindungsgemäßen
Leitrads kann dagegen ein radiales Ende der verstellbaren Schaufel mittels eines Leitschaufelkegels
in dem Innenring geführt, gelagert und mittels einer radialen Anschlagfläche in dem
Kegelstumpf gegrenzt oder fixiert sein. Auf der radial äußeren Seite kann die verstellbare
Leitschaufel mittels einer Lagerung und eines elastischen Elements fixiert sein. Diese
Lageranordnung kann vorteilhaft eine Relativbewegung, die in diesem Fall keine Drehbewegung
der verstellbaren Leitschaufel ist, zwischen der Leitschaufel und dem Innenring verhindern
oder zumindest reduzieren, so dass der Chordingeffekt zumindest reduziert wird. Anders
ausgedrückt wird der Chordingeffekt mittels des erfindungsgemäßen Leitrads durch ein
radiales Kräftegleichgewicht zwischen dem Innenring und einem elastischen Element
(dies kann auch als "Anfederung bezeichnet werden) zumindest reduziert.
[0042] Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Leitrads sind eine mögliche Kostenreduzierung
aufgrund der bereits genannten Vorteile, ein robustes und kompaktes Design und damit
einer Reduzierung der Komplexität gegenüber alternativen Leiträdern mit Zapfen und
Buchsen, weiterhin eine mögliche Erhöhung der Standzeit des Leitrads mit den verstellbaren
Leitschaufeln bei einem Entfallen von Buchsen (bei einer Lagerung mit Zapfen), sowie
eine vereinfachte Montage und dadurch eine mögliche Vermeidung von Beschädigungen.
[0043] Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in
welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch
erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:
- Fig. 1
- zeigt einen Ausschnitt eines Leitrads gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 2
- zeigt einen Leckagestrom zwischen einer Leitradschaufelplattform und einem Innenring
gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 3
- zeigt eine verstellbare Leitschaufel mit einem Leitschaufelkegelstumpf und einem Innenring
eines erfindungsgemäßen Leitrads;
- Fig. 4a
- zeigt schematisch eine Gerade als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4b
- zeigt schematisch einen Geradenzug als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4c
- zeigt schematisch ein Kreissegment als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4d
- zeigt schematisch eine konvexe Form als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4e
- zeigt schematisch zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4f
- zeigt schematisch eine konkave Form als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4g
- zeigt schematisch zwei konkave Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 4h
- zeigt schematisch eine Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche;
- Fig. 5
- zeigt eine verstellbare Leitschaufel in einer Aufsicht von radial außen nach radial
innen;
- Fig. 6
- zeigt einen Ausschnitt einer verstellbaren Leitschaufel in einer Seitenansicht;
- Fig. 7
- zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lageranordnung mit einer verstellbaren Leitschaufel
und einem Innenring;
- Fig. 8
- zeigt eine Schnittdarstellung der Ansicht aus Fig. 7 mit einer verstellbaren Leitschaufel
und einem Innenring;
- Fig. 9
- zeigt eine perspektivische Ansicht einer radial inneren Lagerung mit einer verstellbaren
Leitschaufel und einem Innenring in einem geschlossenen Zustand der Leitschaufel;
- Fig. 10a
- zeigt einen senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel angeordneten Sicherungsstift
zur Fixierung des Innenrings an der Leitschaufel;
- Fig. 10b
- zeigt eine parallel zur Längsachse der Leitschaufel angeordnete Schraube zur Fixierung
des Innenrings an der Leitschaufel;
[0044] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Leitrads 110 in perspektivischer Ansicht gemäß
dem Stand der Technik. Das Leitrad 110 kann alternativ als Leitradkranz 110 bezeichnet
werden.
[0045] Das Leitrad 110 wird im vorgesehenen Einsatz in Axialrichtung a in einer Strömungsmaschine,
insbesondere in einer Gasturbine, angeströmt.
[0046] Das Leitrad 110 weist mehrere, in Umfangsrichtung u nebeneinander angeordnete verstellbare
Leitschaufeln 210 gemäß dem Stand der Technik auf. Die Leitschaufeln 210 weisen jeweils
Außenzapfen 1 auf, die am radial äußeren Ende (in Radialrichtung r) mit einem Gehäuse
(in Fig. 1 nicht dargestellt) der Strömungsmaschine, verbunden sind oder über das
Gehäuse hinaus nach außen hinausragen, insbesondere zur Ansteuerung und zum Drehen
des Außenzapfens und damit des Leitschaufelprofils. An das radial innere Ende der
Außenzapfen 1 schließen sich Leitschaufelprofile 3 an.
[0047] Die radial inneren Enden der Leitschaufelprofile 3 sind mittels Stiften 5 (oder Innenzapfen
5) mit einem radial geteilten, erstem Innenringsegment 8 gemäß dem Stand der Technik
des Leitrads 110 verbunden (siehe Fig. 2). Das zweite Innenringsegment 9 ist mit Dichtungen,
beispielsweise Einlaufdichtungen 19 (oder Einlaufdichtsegmenten 19) verbunden (siehe
Fig. 2).
[0048] Fig. 2 zeigt einen Detailausschnitt aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung mit einer
Leitradschaufelplattform 11 und dem radial geteilten Innenringsegment 9 nach dem Stand
der Technik.
[0049] Die Leitschaufel 210 ist mit dem Innenringsegment 8 mittels des Stiftes 5 und einer
Buchse 13 verbunden. Zur Fixierung oder Führung des Stiftes 5 in dem Innenringsegment
8 und/oder als Lagerbuchse der verstellbaren Leitschaufel 210 (zur Drehung um eine
Längsachse 14) ist die Buchse 13 in eine Bohrung 15 des Innenringsegments 8 eingefügt.
[0050] Die (zusätzlich in Umfangsrichtung u segmentierten) Innenringsegmente (8, 9) können
in Umfangsrichtung u ineinander geschoben sein. Die Segmente sind mittels eines Sicherungsstiftes
17 im Einbauzustand gegen ein relatives Verschieben zueinander gesichert.
[0051] Mit dem Innenringsegment 9 sind Einlaufdichtungen 19 verbunden, die zur Ausbildung
eines Dichtspalts zwischen Dichtspitzen 21, beispielsweise einer rotierenden Welle
23, vorgesehen sind.
[0052] Nach dem Stand der Technik kann sich ein Leckagestrom 25, insbesondere zwischen der
Leitschaufelplattform 11 und dem ersten Innenringsegment 8, ausbilden. Der Leckagestrom
25 strömt infolge des Druckgefälles von der Druckseite des Schaufelprofils 3 zur Saugseite.
[0053] Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Leitring 100 einer verstellbaren Leitschaufel
200 mit einem Leitschaufelkegelstumpf 27 und einem integralen Innenring 7, der, anders
als im Stand der Technik aus den Fig. 1 und Fig. 2, in Radialrichtung r nicht geteilt
ist.
[0054] Eine radial innere Lagerung 31 umfasst den Leitschaufelkegelstumpf 27 der verstellbaren
Leitschaufel 200 und Bereiche des Innenrings 7.
[0055] Zwischen dem Leitschaufelkegelstumpf 27 und dem Innenring 7 ist ein Spalt 28 in Axialrichtung
a ausgebildet.
[0056] Eine radial äußere Gehäuse-Lagerung 33 umfasst einen Leitschaufelabsatz 35, den Außenzapfen
1, ein Gehäuse 37 (oder Gehäuseabschnitt) und wenigstens einen Federring 39 als elastisches
Element.
[0057] Der Kegelstumpf 27 weist eine radiale Anschlagfläche 41 insbesondere als Gleitlager
und zur Begrenzung der radialen Verschiebbarkeit der verstellbaren Leitschaufel 200
auf. Aufgrund dieser Anschlagfläche 41 kann ein thermischer Längenausgleich und/oder
ein Toleranzausgleich in radialer Richtung r mittels des Federrings 39 zum Gehäuse
37 hin erfolgen.
[0058] Der Innenring 7 ist mit einer Einlaufdichtung 19 verbunden. Aufgrund dieser direkten
Verbindung der Einlaufdichtung 19 mit dem Innenring 7 gegenüber einer Anordnung nach
dem Stand der Technik, in dem die Einlaufdichtung 19 zunächst mit einem zweiten Innenringsegment
9 verbunden ist, das wiederum mit dem ersten Innenringsegment 8 (gemäß dem Stand der
Technik) verbunden ist (siehe Fg. 2), kann die radiale Bauhöhe des Leitrads 100, insbesondere
im Bereich der radial inneren Lagerung 31, reduziert werden.
[0059] Fig. 4a zeigt schematisch einen Geradenzug 50 als ebene Kurve der Rotationsfläche
um die radiale Längsachse 14 der Leitschaufel 200. Das radial innere Ende der Leitschaufel
200 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kegelstumpf 27 ausgebildet, wie dies auch
in Fig. 3 dargestellt wurde.
[0060] Fig. 4b zeigt schematisch einen Geradenzug 51 mit zwei Geraden als ebene Kurve der
Rotationsfläche.
[0061] Fig. 4c zeigt schematisch ein Kreissegment 52 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0062] Fig. 4d zeigt schematisch eine konvexe Form 53 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0063] Fig. 4e zeigt schematisch zwei konvexe Formen 54 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0064] Fig. 4f zeigt schematisch eine konkave Form 55 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0065] Fig. 4g zeigt schematisch zwei konkave Formen 56 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0066] Fig. 4h zeigt schematisch eine Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche.
[0067] Fig. 5 zeigt eine verstellbare Leitschaufel 200 in einer Aufsicht von radial außen
nach radial innen betrachtet.
[0068] In Fig. 5 wird zusätzlich ein Durchmesser 45 der Leitradschaufelplattform 11 der
verstellbaren Leitschaufel 210 nach dem Stand der Technik (siehe Fig. 1 und Fig. 2)
dargestellt (strichpunktiert).
[0069] Rein exemplarisch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Durchmesser 45 mit ca. 13
mm angegeben. Weiterhin wird ein Rückschnitt 47 (der Rückschnitt kann als Versatz
oder Versatzmaß bezeichnet werden) zwischen der Leitradschaufelplattform 11 nach dem
Stand der Technik und der verstellbaren Leitschaufel 200 für die erfindungsgemäße
Lageranordnung 300 angegeben, der in diesem rein exemplarischen Ausführungsbeispiel
ca. 0,6 mm beträgt.
[0070] Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer verstellbaren Leitschaufel 200 in einer Seitenansicht.
Rein exemplarisch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Winkel zwischen der Mantelfläche
des Leitschaufelkegelstumpfes 27 und der radialen Längsachse 14 der Leitschaufel 200
mit ca. 20° angegeben.
[0071] Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leitrads 100 mit einer verstellbaren
Leitschaufel 200 und einem Innenring 7. Die verdrehbare Leitschaufel 200 ist in dem
Innenring 7 in einer Vertiefung 29 gelagert. Die Lagerung wird als radial innere Lagerung
31 der Leitschaufel 200 in dem Innenring 7 bezeichnet.
[0072] Unterhalb des Innenrings 7 (in Fig. 7 nicht sichtbar) kann der Innenring 7 mit einer
Einlaufdichtung 19 verbunden sein, insbesondere ohne zusätzliches zweites Innenringsegment
9 (siehe Fig. 1 und Fig. 2).
[0073] Fig. 8 zeigt die Anordnung aus Fig. 7 in einer Schnittdarstellung mit der radial
inneren Lagerung 31, einer verstellbaren Leitschaufel 200 und einem Innenring 7. Die
radial innere Lagerung 31 weist einen Leitschaufelkegelstumpf 27 und eine Anschlagfläche
41 auf.
[0074] Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der radial inneren Lagerung 31 mit der
verstellbaren Leitschaufel 200 und dem Innenring 7 in einem geschlossenen Zustand
der Leitschaufel 200. Der geschlossene Zustand der Leitschaufel 200 ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufeln 200 aus einer offenen Position für den Volllastbetrieb, also
einer direkten Anströmung der Leitschaufelvorderkante 49 und einer möglichst optimalen
Strömungsumlenkung zur Anströmung der nachfolgenden Laufschaufeln in eine geschlossene
Position verstellt werden.
[0075] Die Verstellung entspricht einer Verdrehung der Leitschaufeln 200 um ihre radiale
Längsachse 14 derart, dass die Durchströmung für einen Teillastbetrieb möglichst optimal
ist. Der tatsächliche Verstellwinkel hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise
den maximal und konstruktiv möglichen Verstellwinkeln, den Anforderungen an einen
Teillastbetrieb etc.
[0076] In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der maximal mögliche Verstellwinkel
der Leitschaufel 200 im geschlossenen Zustand ca. -34°. Bezugswinkel ist der Winkel
in der Ausgangsstellung der Leitschaufeln 200 für den Volllastbetrieb.
[0077] Fig. 10a zeigt einen senkrecht zur Längsachse 14 angeordneten Sicherungsstift 43
zur Fixierung des Innenrings 7 an dem Leitschaufelkegelstumpf 27. Der Sicherungsstift
43 wird in einer Nut 44 (in Umfangsrichtung des Innenrings 7) geführt, so dass die
Leitschaufel 200 verdrehbar ist.
[0078] Fig. 10b zeigt eine parallel zur Längsachse 14 der Leitschaufel 200 angeordnete Schraube
46 zur Fixierung des Innenrings 7 an dem Leitschaufelkegelstumpf 27.
Bezugszeichenliste
[0079]
- 100
- Leitrad; Leitradkranz
- 110
- Leitrad; Leitradkranz gemäß dem Stand der Technik
- 200
- verstellbare Leitschaufel
- 210
- verstellbare Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik
- a
- axial; Axialrichtung
- r
- radial; Radialrichtung
- u
- Umfangsrichtung
- 1
- Außenzapfen
- 3
- Leitschaufelprofil
- 5
- Stift; Innenzapfen
- 7
- Innenring
- 8
- erstes Innenringsegment eines radial geteilten Innenrings (Stand der Technik)
- 9
- zweites Innenringsegment eines radial geteilten Innenrings (Stand der Technik); Dichtungsträger
- 11
- Leitradschaufelplattform
- 13
- Buchse
- 14
- radiale Längsachse der Leitschaufel
- 15
- Bohrung
- 17
- Sicherungsstift
- 19
- Einlaufdichtung; Einlaufdichtsegment
- 21
- Dichtspitzen
- 23
- Welle
- 25
- Leckagestrom
- 27
- Kegelstumpf; Leitschaufelkegelstumpf
- 28
- Spalt
- 29
- Vertiefung im Innenring
- 31
- radial innere Lagerung
- 33
- radial äußere Gehäuse-Lagerung
- 35
- Leitschaufelabsatz
- 37
- Gehäuse; Gehäuseabschnitt
- 39
- Federring
- 40
- Rotationsfläche
- 41
- Anschlagfläche; Gleitfläche
- 42
- radial außen liegender Begrenzungsradius der ebenen Kurve
- 46
- radial innen liegender Begrenzungsradius der ebenen Kurve
- 43
- Sicherungsstift
- 44
- Nut
- 45
- Durchmesser der Leitschaufelplattform
- 47
- Rückschnitt der Leitschaufelplattform
- 49
- Leitschaufelvorderkante
- 50
- Gerade; Geradenzug als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 51
- zwei Geraden als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 52
- Kreissegment als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 53
- konvexe Form als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 54
- zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 55
- konkave Form als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 56
- zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche
- 57
- Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche
1. Leitrad (100) für eine Strömungsmaschine, mit in Umfangsrichtung des Leitrads (100)
nebeneinander angeordneten, um ihre radial verlaufende Längsachse (14) verstellbaren
Leitschaufeln (200) und einem radial innen angeordneten Innenring (7), wobei die Leitschaufeln
(200) an ihrem radial inneren Ende in dem Innenring (7) gelagert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenring (7) in Axialrichtung einstückig ausgebildet ist und wenigstens eine
Leitschaufel (200) eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (14) ausgebildete
und radial innen angeordnete Gleitfläche (41) aufweist, wobei die Gleitfläche (41)
und der Innenring (7) eine Reibpaarung bilden.
2. Leitrad (100) nach Anspruch 1, wobei das Leitrad (100) ein Abschnitt einer Verdichterstufe
der Strömungsmaschine ist.
3. Leitrad (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine Leitschaufel (200) zur
Lagerung in dem Innenring (7) wenigstens eine Rotationsfläche (40) einer ebenen Kurve
um die Längsachse (14) der Leitschaufel (200) aufweist, wobei der radial außen liegende
Begrenzungsradius (42) der Rotationsflächen (40) größer als der radial innen liegende
Begrenzungsradius (46) der Rotationsflächen (40) ist, und wobei die Radien der Rotationsflächen
(40) von radial außen nach radial innen kleiner werden.
4. Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine Gerade (50) ist, und das
radial innere Ende der Leitschaufel (200) die Form eines Kegelstumpfes (27) aufweist.
5. Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve wenigstens zwei Geradenabschnitte
(51) aufweist.
6. Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine konvexe (52, 53) oder eine
konkave (55) Form aufweist.
7. Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve wenigstes zwei konvexe (54) Formen
oder wenigstes zwei konkave (56) Formen aufweist.
8. Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine Hypozykloidenform (57) aufweist,
welche durch Abwälzung eines ersten Kreises in einem zweiten Kreis erzeugt wird, wobei
der Radius des ersten Kreises kleiner als der Radius des zweiten Kreises ist.
9. Leitrad (100) nach Anspruch 8, wobei der Radius des zweiten Kreises der radial außen
liegende Begrenzungsradius (42) der Rotationsfläche (40) ist.
10. Leitrad (100) nach Anspruch 8, wobei der Radius des zweiten Kreises kleiner als der
radial außen liegende Begrenzungsradius (42) und größer als der innen liegende Begrenzungsradius
(40) der Rotationsflächen (40) ist.
11. Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Innenring (7) mittels
eines in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (14) angeordneten Sicherungsstifts (43)
mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel (200) formschlüssig verbunden ist.
12. Leitrad (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Innenring (7) mittels einer
in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (14) angeordneten Nietverbindung oder Schraubverbindung
mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel (200) formschlüssig verbunden ist.
13. Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen den Rotationsflächen
(40) der Leitschaufeln (200) und dem Innenring (7) ein Spalt (28) ausgebildet ist.
14. Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein radial äußeres Gehäuselager
(33) der verstellbaren Leitschaufel (200) ein elastisches Element zum Längenausgleich
der Leitschaufel (200) in radialer Richtung aufweist.
15. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit wenigstens einer Verdichter- und/oder
Turbinenstufe mit wenigstens einem Leitrad (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.