[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung für einen Kompressor
oder eine Turbine einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung für einen Kompressor
oder eine Turbine mit einer Vielzahl von jeweils um eine radiale Achse schwenkbaren
Leitschaufeln, welche in zumindest einer Radialebene angeordnet sind. Die Leitschaufeln
bilden somit eine scheibenförmige Anordnung, wobei in Strömungsrichtung stromauf und
stromab Laufschaufeln angeordnet sind, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt
ist.
[0003] Zur Verstellung der Leitschaufeln jeder scheibenförmigen Anordnung von Leitschaufeln
ist ein Leitschaufelverstellring vorgesehen, welcher in Umfangsrichtung verdrehbar
ist. Der Leitschaufelverstellring ist mit der jeweiligen Leitschaufel über einen Hebelmechanismus
gekoppelt, so dass bei einer Verdrehung des Leitschaufelverstellrings die Leitschaufeln
um ihre radialen Achsen verschwenkt werden. Der Leitschaufelverstellring ist mit einer
geeigneten Betätigungsvorrichtung gekoppelt.
[0005] Der Leitschaufelverstellring, welcher zur präzisen Verstellung der Leitschaufeln
mittels eines Antriebsmechanismus in Umfangsrichtung relativ zu einem Gehäuse verdrehbar
ist, wird gemäß dem Stand der Technik mittels Abstandshaltern, welche gleichmäßig
um seinen Umfang verteilt angeordnet sind, gegen das Gehäuse abgestützt und zu diesem
zentriert. Beim Betrieb der Gasturbine erwärmt sich das Gehäuse stärker als der Leitschaufelverstellring.
Hierdurch wird der radiale Abstand zwischen dem Gehäuse und den, mit dem Leitschaufelverstellring
verbundenen Abstandshaltern verringert. Um ein Verklemmen aufgrund unterschiedlicher
Thermalausdehnungen im Betrieb zwischen den Abstandshaltern und dem Gehäuse zu vermeiden,
wird gemäß dem Stand der Technik zwischen den Abstandshaltern und dem Gehäuse ein
Spiel oder Kaltspalt vorgesehen, welcher im kalten Betriebszustand der Bauteile vorhanden
ist. Bedingt durch diese Spalte oder Abstände der Abstandshalter zu der Oberfläche
des Gehäuses treten bei bestimmten Betriebszuständen sowohl radiale als auch tangentiale
Fehlstellungen des Leitschaufelverstellrings relativ zu dem Gehäuse auf. Dies wiederum
führt zu Fehlstellungen der Statorschaufeln oder der Leitschaufeln über den Umfang
der Leitschaufelanordnung. Hieraus resultiert eine nicht korrekte Einstellung der
Leitschaufeln. Weiterhin kann die Schaufelfehlstellung zu erhöhten aerodynamischen
Anregungen benachbarter Rotor- und/oder Statorschaufeln führen.
[0006] Mittels der Betätigungsvorrichtung ist es somit möglich, den Anstellwinkel der jeweiligen
Leitschaufel den Betriebsbedingungen des Kompressors oder der Turbine anzupassen.
Dabei kann sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen der Nachteil
ergeben, dass, die Verstellung der Leitschaufeln durch thermale Effekte unpräzise
wird.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelverstellvorrichtung für
einen Kompressor oder eine Turbine einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu
schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit
die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine präzise Verstellung der Leitschaufeln
auch bei unterschiedlichen thermalen Ausdehnungen ermöglicht.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst,
die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
[0009] Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass an dem Leitschaufelverstellring für jeden
Abstandshalter eine aus einem Kunststoff gefertigte Buchse befestigt ist, an welcher
der Abstandshalter gelagert ist. Die Buchse ist aus einem Kunststoffmaterial mit einem
hohen thermalen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt. Aufgrund der hohen thermalen Ausdehnung
wird der Abstandshalter (Centraliser) während der Erwärmung um einen höheren Betrag
radial nach außen bewegt, als der umgebende Leitschaufelverstellring (Unisonring).
Erfindungsgemäß kann somit die im Vergleich zum Verstellring stärkere radiale Ausdehnung
des Gehäuses bei einer Erwärmung des Gehäuses während des Betriebs dadurch kompensiert
werden, dass der Abstandshalter entsprechend dieser thermalen Ausdehnung des Gehäuses
radial nach außen bewegt wird. Diese Radialbewegung wird durch die thermale Ausdehnung
der Buchse bewirkt, welche sich stärker ausdehnt, als der Leitschaufelverstellring.
Somit zieht die Buchse den Abstandshalter radial nach außen, angepasst an die thermale
Ausdehnung des Gehäuses. Ein thermaler Ausdehnungskoeffizient der Buchse ist somit
höher als ein thermaler Ausdehnungskoeffizient des Leitschaufelverstellrings. Somit
ist es möglich, den Abstandshalter stets in Kontakt oder mit einem vorgegebenen Spaltmaß
zu der Oberfläche des Gehäuses zu halten. Dabei wird vermieden, dass zu große Abstände
oder Spaltmaße auftreten, welche zu Fehlstellungen des Leitschaufelverstellrings führen
könnten. Ebenso wird verhindert, dass der Abstandshalter auf der Oberfläche des Gehäuses
klemmt, was zu höheren Verstellkräften oder zum Blockieren des Verstellmechanismus
führt.
[0010] Der Betrag der Thermaldehnung der Buchse und damit die Radialbewegung des Abstandshalters
kann erfindungsgemäß über die Länge der Buchse, über das Buchsenmaterial als auch
über das Material des Abstandshalters angepasst werden.
[0011] Die erfindungsgemäße Lösung bringt somit den Vorteil, dass Fehlstellungen der Leitschaufeln
oder Statorschaufeln reduziert oder gänzlich vermieden werden können. Dies führt zu
einer exakteren Anströmung sowohl der Leitschaufeln als auch der Laufschaufeln und
damit zu einem geringeren Brennstoffverbrauch. Weiterhin wird sowohl die aerodynamische
Anregung benachbarter Rotor- und/oder Statorschaufeln reduziert, als auch die Verstellkräfte
des Verstellsystems durch das Vermeiden des Verklemmens der Abstandshalter auf dem
Gehäuse reduziert.
[0012] In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Buchse
rohrartig ausgebildet ist und dass der Abstandshalter einen zentrisch in der Buchse
befestigten Schaft aufweist. Der Schaft kann somit an geeigneter Stelle in der Buchse
gelagert werden, während die restliche Länge des Schaftes in der Buchse in radialer
Richtung (Axialrichtung der Buchse) gleiten kann. Bevorzugterweise ist der Schaft
am radial äußeren Bereich der Buchse befestigt, während die Buchse bevorzugterweise
an einer radial innenliegenden Seite des Leitschaufelverstellrings an diesem befestigt
oder in anderer Weise fixiert ist.
[0013] Zur Einstellung des Abstands zwischen dem Abstandshalter und der Oberfläche des Gehäuses
ist es günstig, wenn der Schaft mit der Buchse verschraubt ist. Durch eine Drehung
des Schaftes kann somit das Spaltmaß zwischen dem Abstandshalter und der Oberfläche
des Gehäuses eingestellt werden.
[0014] Weiter bevorzugt ist der thermale Ausdehnungskoeffizient der Buchse höher als ein
thermaler Ausdehnungskoeffizient, des Abstandshalters und/oder ein thermaler Ausdehnungskoeffizient
des Gehäuses.
[0015] Vorzugsweise ist der thermale Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffbuchse mindestens
doppelt so groß wie der thermale Ausdehnungskoeffizient des Leitschaufelverstellrings
und/oder des Abstandshalters und/oder des Gehäuses. Der Leitschaufelverstellring,
der Abstandshalter und das Gehäuse sind bevorzugt aus dem gleichen Material hergestellt,
insbesondere aus einer hochfesten Stahllegierung mit α = 10/13 x 10
-6 mm/mmK oder aus einer Titanlegierung mit α = 8/10 x 10
-6 mm/mmK. Die Buchse ist vorzugsweise aus Polyimid.
[0016] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit
der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden
Erfindung,
- Fig. 2
- eine perspektivische Teilansicht eines Kompressors mit verstellbaren Leitschaufeln
und Leitschaufelverstellringen,
- Fig. 3
- eine Detailansicht, analog Fig. 2,
- Fig. 4
- ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lagerung des Abstandshalters in einer
Radialschnittebene, und
- Fig. 5
- ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Schnittansicht.
[0017] Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß Fig. 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei
der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass
die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden kann. Das Triebwerk
10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander
einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor
13, einen Hochdruckkompressor 14, Brennkammern 15, eine Hochdruckturbine 16, eine
Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die
sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
[0018] Der Mitteldruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere
Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer
Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und
die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal
durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung
von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel
oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine
17 gekoppelt sind.
[0019] Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung
von Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal
durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln
24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder
Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe
27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um
die Triebwerksachse 1.
[0020] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Kompressors beschrieben, sie ist jedoch
auch für Leitschaufeln einer Turbine anwendbar.
[0021] Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Kompressors mit mehreren
Reihen von verstellbaren Leitschaufeln 20, zwischen denen jeweils Kompressorlaufschaufeln
22 angeordnet sind. Die einzelnen Leitschaufeln 20 sind jeweils um eine radiale Achse
33 verschwenkbar. Sie sind mit einem Hebel 34 verbunden, welcher an seinem gegenüberliegenden
Endbereich mit einem Leitschaufelverstellring 29 drehbar gekoppelt ist. Durch eine
Verdrehung des Leitschaufelverstellrings 29 in Umfangsrichtung erfolgt eine Verschwenkung
der einzelnen Hebel 34. Hierdurch wird eine Verdrehung der Leitschaufeln 20 um die
jeweilige Achse 33 bewirkt.
[0022] Eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung, welche beispielsweise als Kolben-Zylinder-Einheit
ausgebildet ist, ist über jeweils eine Koppelstange (nicht dargestellt) mit einer
Kurbelwelle 36 gekoppelt, so wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Kurbelwelle 36 ist
mittels Lagern 37 gelagert. Die Kurbelwelle 36 ist weiterhin mittels Koppelstangen
35 mit den Leitschaufelverstellringen 29 gekoppelt. Eine Betätigung der Betätigungsvorrichtung
führt somit zu einer Verdrehung oder Verschwenkung der Kurbelwelle 36, welche wiederum
zu einer Verdrehung des jeweiligen Leitschaufelverstellrings 29 führt, da die Kurbelwelle
36 über eine Koppelstange 35 mit dem Leitschaufelverstellring 29 verbunden ist.
[0023] Die Fig. 3 zeigt weiterhin mehrere um den Umfang verteilt angeordnete Abstandshalter
30, welche (s. auch die nachfolgend beschriebene Fig. 4) einen Schaft 32 aufweisen,
der an dem Leitschaufelverstellring 29 einstellbar gelagert ist. Der Abstandshalter
liegt an der Oberfläche des Gehäuses 38 an und wird zusammen mit dem Leitschaufelverstellring
29 in Umfangsrichtung bewegt. Der Abstandshalter zentriert den Leitschaufelverstellring
29 in Radialrichtung relativ zu dem Gehäuse 38. Bei der Darstellung der Fig. 3 weist
das Gehäuse 38 an den Bereichen, an denen der Abstandshalter 30 anliegt, geeignete
Sockel oder Anlageflächen oder ähnliches auf.
[0024] Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung im Detail in
einer Schnittansicht einer Radialebene. Dabei ist das Gehäuse 38 nur schematisch dargestellt
und weist gegenüber dem Abstandshalter 30 einen zum Zwecke der Verdeutlichung übergroß
dargestellten Abstand auf.
[0025] An dem Leitschaufelverstellring 29 ist eine aus einem Kunststoffmaterial gefertigte
Buchse 31 gelagert. Diese Buchse ist in Form einer Hülse ausgebildet und weist eine
zentrische Ausnehmung auf, in welcher der Schaft 32 des Abstandshalters 30 gelagert
ist. Die Lagerung des Schaftes 32 erfolgt an einem radial äußeren Bereich der Buchse
31 mittels eines Gewindes 39. Durch Drehung des Schaftes 32 ist es somit möglich,
die radiale Position des Abstandshalters 30 einzujustieren.
[0026] Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der durch die Thermaldehnungen
ausgeführten Radialbewegungen. Es wird dabei beispielsweise von einer Erwärmung mit
einem Wert von ΔT = 70 K ausgegangen. Bei einer derartigen Erwärmung des Gehäuses
38 (in diesem Beispiel hochfeste Stahllegierung mit α = 10/13 x 10
-6 mm/mmK, alternativ ebenfalls Titanlegierungen möglich mit α = 8/10 x 10
-6 mm/mmK) dehnt sich das Gehäuse bei dem gezeigten Beispiel radial um 0,3 mm aus. Das
Kunststoffmaterial der Buchse 31 mit α = 20/50 x 10
-6 mm/mmK würde sich dabei um einen Betrag von 0,42 mm ausdehnen. Der Schaft 32 und
der Verstellring 29 erfahren eine Gesamtlängenänderung von 0,08 mm (Ausdehnungskoeffizient
α = 10/13 x 10
-6 mm/mmK). Dies führt zu einer Gesamt-Radialbewegung des Abstandshalters 30 nach außen
von 0,34 mm. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dem Abstandshalter 30 und der
Oberfläche des Gehäuses 38 im Wesentlichen konstant bleibt, so dass auch bei dieser
Erhöhung der Temperatur der Leitschaufelverstellring 29 präzise zentriert wird.
[0027] Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile mit gleichen
Bezugsziffern versehen sind. Der Schaft 32 weist an seinem Ende ein Gewinde auf und
ist mittels einer Mutter 40 verstellbar gesichert, welche mit der Buchse 31 verbunden
ist.
Bezugszeichenliste
[0028]
- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- im Gehäuse umlaufender Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammern
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslaufkonus
- 29
- Leitschaufelverstellring
- 30
- Abstandshalter
- 31
- Buchse
- 32
- Schaft
- 33
- Achse
- 34
- Hebel
- 35
- Koppelstange
- 36
- Kurbelwelle
- 37
- Lager
- 38
- Gehäuse
- 39
- Gewinde
- 40
- Mutter
1. Leitschaufelverstellvorrichtung einer Gasturbine mit einer Vielzahl von jeweils um
eine radiale Achse (33) schwenkbaren Leitschaufeln (20), welche in zumindest einer
Radialebene angeordnet sind, sowie mit zumindest einem Leitschaufelverstellring (29),
welcher mit den jeweiligen Leitschaufeln (20) gekoppelt ist und mittels zumindest
einer Betätigungsvorrichtung in Umfangsrichtung drehbar ist, wobei der Leitschaufelverstellring
(29) mittels mehrerer um den Umfang verteilter und an dem Leitschaufelverstellring
(29) gelagerter Abstandshalter (30) an einem zentrisch angeordneten Gehäuse (38) in
Radialrichtung abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Leitschaufelverstellring (29) für jeden Abstandshalter (30) eine aus einem
Kunststoff mit einem höheren thermalen Ausdehnungskoeffizienten als ein thermaler
Ausdehnungskoeffizient des Leitschaufelverstellrings (29) gefertigte Buchse (31) befestigt
ist, an welcher der Abstandshalter (30) gelagert ist.
2. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) rohrartig ausgebildet ist und dass der Abstandshalter einen zentrisch
in der Buchse (31) befestigten Schaft (32) aufweist.
3. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) am radial äußeren Bereich der Buchse (31) befestigt ist.
4. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) mit der Buchse (31) verschraubt ist.
5. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) an der radial innenliegenden Seite des Leitschaufelverstellrings
(29) an diesem befestigt ist.
6. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) relativ zur Buchse (31) in radialer Richtung einstellbar ist.
7. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (32) aus einem metallischen Material mit einem ähnlichen oder gleichen
thermalen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse (38) und/oder der Leitschaufelverstellring
(29) gefertigt ist.
8. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermale Ausdehnungskoeffizient der Buchse (31) größer ist als ein thermaler
Ausdehnungskoeffizient des Abstandshalters (30) und/oder des Gehäuses (38).
9. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermale Ausdehnungskoeffizient der Buchse (31) mindestens doppelt so groß ist
wie der thermale Ausdehnungskoeffizient des Leitschaufelverstellrings (29) und/oder
des Abstandshalters (30) und/oder des Gehäuses (38).
10. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (31) aus Polyimid hergestellt ist.
11. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelverstellring (29) und der Abstandshalter (30) und das Gehäuse (38)
aus einer hochfesten Stahllegierung oder einer Titanlegierung hergestellt sind.