[0001] Die Erfindung betrifft insbesondere eine Leitschaufelbaugruppe nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Es ist allgemein bekannt, in Triebwerken, zum Beispiel Turbomaschinen und insbesondere
Gasturbinentriebwerken verstellbare Leitschaufeln für die Beeinflussung der Strömung
in Abhängigkeit von der Drehzahl rotierender Laufschaufeln vorzusehen. Insbesondere
bei Gasturbinentriebwerken werden üblicherweise verstellbare Leitschaufeln im Bereich
des Verdichters eingesetzt, wobei die Leitschaufeln in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl
verstellt werden. Die verstellbaren Leitschaufeln werden hierbei in der englischen
Fachsprache als
variable stator vanes kurz "VSV" bezeichnet.
[0003] Die verstellbaren Leitschaufeln sind hier üblicherweise Bestandteil einer Leitschaufelreihe
und innerhalb eines Gehäuses angeordnet, in dem auch die rotierenden Laufschaufeln
angeordnet sind. Die einzelnen Leitschaufeln sind dabei in der Praxis jeweils über
einen Lagerzapfen verstellbar an dem Gehäuse gelagert. Innerhalb des Gehäuses ist
üblicherweise eine drehbare Lagerung einer Leitschaufel an einer Nabe, z.B. eines
Verdichters, vorgesehen. An dem Gehäuse ist jeder Lagerzapfen drehbar in einer zugehörigen
Lageröffnung in der Wandung des Gehäuses gelagert. Dabei durchgreift der Lagerzapfen
diese Lageröffnung entlang einer Erstreckungsrichtung des Lagerzapfens, sodass ein
Ende des Lagerzapfens an einer Außenseite des Gehäuses zugänglich ist, um durch Drehung
des Lagerzapfens die entsprechende Leitschaufel verstellen zu können.
[0004] Hierbei greift üblicherweise jeweils ein Hebel an einem Zapfenende an, der an einem
Verstellelement in Form eines Verstellrings eines Verstellmechanismus befestigt ist,
um durch Verstellung des Verstellelements und mehrerer hieran angelenkter Hebel gleichzeitig
mehrere Leitschaufeln zu verstellen. Eine solche, gattungsgemäße Leitschaufelbaugruppe
mit verstellbaren Leitschaufeln für einen Verdichter eines Gasturbinentriebwerks zeigt
beispielsweise die
US 9,309,778 B2. Die Lagerzapfen der Leitschaufeln, die häufig auch als Spindeln bezeichnet werden,
sind in der Praxis in radial vorstehenden, hülsenförmigen Lagerfortsätzen des Gehäuses
vorgesehen. Diese Lagerfortsätze sind an einer Wandung des Gehäuses ausgeformt und
stellen die drehbare Lagerung und Abstützung der Lagerzapfen sicher.
[0005] Das wenigstens eine Verstellelement der für die Verstellung der Leitschaufeln vorgesehenen
Verstelleinrichtung stützt sich üblicherweise an einer Außenseite des Gehäuses ab
und ist relativ hierzu in Umfangsrichtung verstellbar, um eine Drehung der Leitschaufeln
um ihre jeweilige Drehachse zu bewirken. Um das Verstellelement dabei in einem definierten
radialen Abstand zur Außenseite des Gehäuses zu halten, ist es bekannt, eine oder
mehrere Ausgleichseinrichtungen vorzusehen. Eine Ausgleichseinrichtung ist hierbei
vor allem dazu vorgesehen, um beim Betrieb eines Triebwerks, in dem sich das Gehäuse,
in Abhängigkeit des Zyklus, stärker als das Verstellelement erwärmt, zu vermeiden,
dass das Gehäuse das Verstellelement radial nach außen verlagert und hierdurch die
Verstellgenauigkeit des Verstellelements reduziert wird oder sogar ein Verformen oder
ein Verklemmen des Verstellelements auftritt. Über eine Ausgleichseinrichtung ist
ein radialer Abstand des Verstellelements zu der Außenseite des Gehäuses vorgegeben
und es werden unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Verstellelements einerseits und
des Gehäuses andererseits kompensiert, um das Verstellelement in einer definierten
Lage relativ zu dem Gehäuse zu halten, z.B. ein ringförmiges Verstellelement bezüglich
des Gehäuses zentriert zu halten. Hierfür sind Beispielsweise sind mehrere Ausgleichseinrichtungen
entlang der Umfangsrichtung verteilt angeordnet, um das Verstellelement an unterschiedlichen
Stellen gegen das Gehäuse abzustützen und zu diesem zu zentrieren.
[0006] Aus der
DE 10 2014 219 552 A1 ist beispielsweise eine Ausgleichseinrichtung mit einem Abstandshalter bekannt, der
in einem Ausgleichselement in Form einer Buchse gehalten ist. Diese Buchse weist einen
höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das Verstellelement und deren Abstandshalter,
über den sich das Verstellelement an einer Außenseite des Gehäuses abstützen kann.
Im Betrieb des Triebwerks erwärmen sich sowohl das Gehäuse der Leitschaufelbaugruppe
als auch die als Ausgleichselement fungierende Buchse und das Verstellelement. Die
Wärmeausdehnung der Buchse führt hierbei zu einer Verlagerung des hieran befestigten
Abstandshalter radial nach außen, während die Wärmeausdehnung des Verstellelements
und des Abstandshalters zu einer Verlagerung radial nach innen führen. Durch den höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Buchse erfolgt im Ergebnis eine temperaturbedingte
radiale Verlagerung des Abstandshalters nach außen, die im Wesentlichen mit der temperaturbedingt
auftretenden radialen Dehnung des Gehäuses korrespondiert. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
des Gehäuses und des Verstellelements werden dementsprechend im Wesentlichen ausgeglichen
und ein radialer Abstand zwischen dem Abstandshalter und der Außenseite des Gehäuses
wird im Wesentlichen konstant gehalten. Auf diese Weise kann auch eine Zentrierung
des Verstellelements zu dem Gehäuse im Betrieb des Triebwerks aufrechterhalten werden.
[0007] Bei der aus der
DE 10 2014 219 552 A1 bekannten Leitschaufelbaugruppe ist jedoch die Montage der Ausgleichseinrichtung
vergleichsweise aufwendig. Insbesondere muss der Abstandshalter relativ zu der Buchse
und dem Verstellelement nahezu exakt positioniert werden, um die gewünschte Kompensation
zu erreichen. Zudem ist die Buchse in eine Durchgangsbohrung des Verstellelements
eingesetzt, sodass bei der Auslegung der einzelnen Komponenten der Ausgleichseinrichtung
insbesondere aufwendig berücksichtigt werden muss, welche Wärmeübertragung sich zwischen
dem Verstellelement und der hierin platzierten Buchse ergibt.
[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs genannten
Stand der Technik eine verbesserte Leitschaufelbaugruppe bereitzustellen.
[0009] Diese Aufgabe wird mit einer Leitschaufelbaugruppe des Anspruchs 1 gelöst.
[0010] Erfindungsgemäß weist die Ausgleichseinrichtung der Leitschaufelbaugruppe hierbei
ein zwischen dem Verstellelement und der Außenseite des Gehäuses angeordnetes Ausgleichselement
auf, welches über wenigstens ein an dem Verstellelement angelenktes Verbindungselement
der Ausgleichseinrichtung mit dem Verstellelement verbunden ist. Das Ausgleichselement,
das eine Anlagefläche für die Anlage an der Außenseite des Gehäuses definiert, ist
dabei in einer Ausführungsvariante über das Verbindungselement derart an dem Verstellelement
gelagert, dass bei einer Wärmeausdehnung des Ausgleichselements eine radiale Verlagerung
der Anlagefläche bezüglich des Verstellelements auftritt. Diese temperaturbedingt
auftretende radiale Verlagerung kann eine gegenüber dem Verstellelement größere, temperaturbedingte
radiale Ausdehnung des Gehäuses kompensieren, also bewirken, dass ein radialer Abstand
des Ausgleichselements zu der Außenseite des Gehäuses im Wesentlichen beibehalten
wird und sich auch bei Erwärmung der Leitschaufelbaugruppe ein definierter (veränderter)
radialer Abstand zwischen dem Verstellelement und dem Gehäuse einstellt, über den
eine vorgegebene Relativlage des Verstellelements zu dem Gehäuse aufrechterhalten
wird - z.B. das Verstellelement zu dem Gehäuse zentriert bleibt.
[0011] Bei der erfindungsgemäßen Lösung führt somit eine Temperaturerhöhung somit zu einer
stärkeren Ausdehnung des Ausgleichselements als des Verbindungselements, über das
das Ausgleichselement mit dem Verstellelement verbunden ist. Dies kann z.B. dadurch
erreicht werden, dass das Ausgleichselement einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist als das wenigstens eine Verbindungselement. Insbesondere wenn das Verbindungselement
und das Ausgleichselement aus einem Material mit (weitestgehend) identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten
oder aus demselben Material gefertigt sind, kann in einer Variante vorgesehen sein,
dass das mindestens eine Ausgleichselement aufgrund seiner Abmessungen und Anordnung
nahe des Gehäuses (im Vergleich zu dem Verbindungselement) im Betrieb des Triebwerks
eine gegenüber dem Verbindungselement stärkere temperaturbedingte Erwärmung erfährt
als das Verbindungselement. Beispielsweise ist das Verbindungselement kürzer und/oder
schmaler ausgebildet als das Ausgleichselement, sodass eine Temperaturänderung in
der Umgebung des Gehäuses auf das Verbindungselement hinsichtlich einer sich ändernden
Ausdehnung weniger Einfluss hat als auf das Ausgleichselement.
[0012] Für die Verlagerbarkeit des Ausgleichselements relativ zu dem Verstellelement bei
einer Erwärmung oder Abkühlung des Ausgleichselements ist das wenigstens eine Verbindungselement
ebenfalls an dem Ausgleichselement angelenkt. Das wenigstens eine Verbindungselement
kann hebelartig ausgestaltet und mit einem Hebelende an dem Verstellelement angelenkt
sein. Bei einer hebelartigen Ausgestaltung des wenigstens einen Verbindungselements
kann ein Hebelende des Verbindungselements an dem Verstellelement angelenkt sein und
ein anderes Hebelelement des Verbindungselements an dem Ausgleichselement angelenkt
sein.
[0013] Beispielsweise ist das Ausgleichselement derart mit dem wenigstens einen Verbindungselement
gekoppelt und hierüber mit dem Verstellelement verbunden, dass sich bei einer temperaturbedingten
Dehnung des Ausgleichselements entlang der Umfangsrichtung ein radialer Abstand zwischen
dem Ausgleichselement und dem Verstellelement ändert. Beispielsweise kann sich bei
einer Dehnung des Ausgleichselements (thermische Expansion) der radiale Abstand verkleinern
und bei einer temperaturbedingten Schrumpfung (thermische Kontraktion) der radiale
Abstand vergrößern.
[0014] Grundsätzlich kann das Ausgleichselement geometrisch unterschiedlich ausgestaltet
sein. In einer Ausführungsvariante ist es längserstreckt ausgebildet und weist eine
Längserstreckung entlang der Umfangsrichtung auf. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass das Ausgleichselement stabförmig ist.
[0015] Grundsätzlich kann das Ausgleichselement über ein einzelnes Verbindungselement, das
an dem Verstellelement angelenkt ist, mit dem Verstellelement verbunden sein, während
es zum Beispiel an einer weiteren Stelle starr an dem Verstellelement fixiert ist,
gegebenenfalls über eine weitere Komponente. In einem Ausführungsbeispiel werden jedoch
demgegenüber mindestens zwei Verbindungselemente für die Verbindung des Ausgleichselements
mit dem Verstellelement vorgesehen, die an entlang der Umfangsrichtung zueinander
beabstandeten Stellen an dem Verstellelement angelenkt sind. Das Ausgleichselement
ist hier dementsprechend über mindestens zwei Verbindungselemente an dem Verstellelement
der Verstelleinrichtung gelagert, sodass durch eine Wärmeausdehnung des Ausgleichselements
Schwenkbewegungen der Verbindungselemente verursacht werden, die wiederum zu einer
radialen Verlagerung des Ausgleichselements führen. Die Anlenkung der beiden Verbindungselemente
und ihre Verbindung mit dem Ausgleichselement ist hierbei beispielsweise derart, dass
bei einer Wärmeausdehnung des Ausgleichselements die zwei Verbindungselemente um verschiedene
Schwenkachse an dem Verstellelement verschwenkt werden, und zwar in zueinander entgegengesetzte
Schwenkrichtungen (bei vorzugsweise im Wesentlichen parallelem Verlauf der beiden
Schwenkachsen).
[0016] Bei einer hierauf basierenden Ausführungsvariante ist beispielsweise vorgesehen,
dass die mindestens zwei Verbindungselemente mit dem Verstellelement und dem Ausgleichselement
derart verbunden sind, dass sich ein Abschnitt des Verstellelements, an dem zwei Verbindungselemente
(der mindestens zwei Verbindungselemente) angelenkt sind, diese zwei Verbindungselemente
und das Ausgleichselement entlang der Mittelachse betrachtet an Kanten einer virtuellen
Trapezkontur entlang erstrecken. Die vorstehend genannten Abschnitte und Elemente
sind somit in einer Ansicht entlang der Mittelachse betrachtet trapezförmig angeordnet.
Hierbei erstreckt sich dann beispielsweise das Ausgleichselement entlang einer Basis
der virtuellen Trapezkontur und die zwei Verbindungselemente erstrecken sich entlang
zweier Schenkel der virtuellen Trapezkontur. Der Verstellelementabschnitt, an dem
die zwei Verbindungselemente angelenkt sind, definiert wiederum die gegenüber der
Basis kürzere Grundseite der virtuellen Trapezkontur, die parallel zu der Basis verläuft
und die über die zwei hierzu abgewinkelt verlaufenden Schenkel mit der Basis verbunden
ist. In dieser Konfiguration wird durch Anlenkung der Verbindungselemente an dem Verstellelement
einerseits und an dem Ausgleichselement andererseits infolge einer Wärmeausdehnung
des Ausgleichselements, das gegebenenfalls auf der Außenseite des Gehäuses aufliegt,
die Trapezkontur gestaucht und folglich ein radialer Abstand des Ausgleichselements
zu dem Verstellelement reduziert. Dieser veränderte radiale Abstand zwischen dem Verstellelement
und dem Ausgleichselement kompensiert im Wesentlichen eine radiale Wärmeausdehnung
des Gehäuses in Richtung des sich temperaturbedingt ebenfalls, jedoch geringer radial
nach außen ausdehnenden Verstellelements, sodass die Relativlage des Ausgleichselements
zu der Außenseite des Gehäuses im Wesentlichen unverändert bleibt, auch wenn sich
temperaturbedingt das Gehäuse und das Verstellelement unterschiedlich stark ausdehnen.
[0017] Die virtuelle Trapezkontur, entlang der sich insbesondere die zwei Verbindungselemente
und das Ausgleichselement in einer Ausführungsvariante erstrecken, kann der Kontur
eines gleichschenkeligen Trapezes entsprechen. Die beiden Verbindungselemente erstrecken
sich somit - als Schenkel der Trapezkontur - mit einer identischen wirksamen Länge
zwischen zwei Verbindungsstellen an dem Verstellelement einerseits und dem Ausgleichselement
andererseits und erstrecken sich zu dem Ausgleichselement unter identischen Innenwinkeln.
[0018] In einer Ausführungsvariante ist das Ausgleichselement über vier Verbindungselemente
mit dem Verstellelement verbunden, die jeweils an dem Verstellelement angelenkt sind
und paarweise einander gegenüberliegend an zwei Seiten des Verstellelements angeordnet
sind, die bezogen auf die Mittelachse voneinander abgewandt sind. Beispielsweise befindet
sich ein erstes Paar Verbindungselemente an einem ersten Ende des Ausgleichselements,
während sich ein weiteres, zweites Paar von Verbindungselementen an einem entlang
der Umfangsrichtung beabstandeten Ende des Ausgleichselements befindet. Die zwei Verbindungselemente
eines Paares von Verbindungselementen sind dann beispielsweise an dem Verstellelement
einander gegenüberliegend an zwei voneinander abgewandten (axialen vorderen und hinteren)
Stirnseiten eines im Querschnitt rechteckförmigen oder kreisförmigen Verstellelements
angeordnet. Die vorstehend erläuterte Ausführungsvariante ist hierbei unabhängig von
einer Querschnittsform des Ausgleichselements oder des Verstellelements.
[0019] Das Verstellelement kann grundsätzlich z.B. rohrförmig oder hülsenförmig oder als
Vollwelle ausgebildet sein und/oder einen rechteckförmigen oder kreisförmige Querschnitt
aufweisen.
[0020] Grundsätzlich kann sich das Verstellelement über die Ausgleichseinrichtung und insbesondere
das Ausgleichselement der Ausgleichseinrichtung an der Außenseite des Gehäuses abstützen.
Es kann jedoch natürlich auch bestimmte (Betriebs-) Zyklen des Triebwerks geben, in
denen ein kleiner radialer Abstand zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse
entsteht (insbesondere wenn das Verstellelement eine höhere Temperatur aufweist als
das Gehäuse).
[0021] Alternativ oder ergänzend können mehrere entlang der Umfangsrichtung zueinander beabstandete,
jeweils mit dem Verstellelement gekoppelte Ausgleichseinrichtungen vorgesehen sein.
Bei mehreren Ausgleichseinrichtungen einer Leitschaufelbaugruppe können diese insbesondere
einer Zentrierung des Verstellelements bezüglich des Gehäuses dienen, an dem die Leitschaufeln
verstellbar gelagert sind. Durch die entlang des Umfangs verteilt angeordneten Ausgleichseinrichtungen,
bei denen jeweils wenigstens ein an dem Verstellelement angelenktes Verbindungselement
und ein Ausgleichselement (z.B. mit im Vergleich zu dem wenigstens einen Verbindungselement
höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten) vorgesehen sind, kann bei einer temperaturbedingten
unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Verstellelements einerseits und des Gehäuses
andererseits erreicht werden, dass das Verbindungselement bezüglich des Gehäuses zentriert
verbleibt. Eine Verstellbarkeit der Leitschaufeln mittels des Verstellelements und
insbesondere eine durch die Verstelleinrichtung erzielbare Verstellgenauigkeit wird
damit durch die unterschiedlich großen Wärmeausdehnungen (bei gleicher Temperaturveränderung)
nicht oder nicht nennenswert beeinträchtigt.
[0022] In einem Ausführungsbeispiel ist an dem Ausgleichselement mindestens ein separates
Gleitelement befestigt, das eine Gleitfläche zur Anlage an der Außenseite des Gehäuses
aufweist. Über die Gleitfläche des Gleitelements ist hierbei zum Beispiel eine reibungsreduzierte
Anlage des Ausgleichselements an dem Gehäuse gegeben, sodass das Ausgleichselement
über das Gleitelement gleitend an dem Gehäuse anliegen kann. Das Ausgleichselement
ist derart bei einer temperaturbedingten Dehnung des Ausgleichselements und/oder einer
Verstellung des Verstellelements unter Überwindung einer vergleichsweise geringen
Haftreibung (in Relation zu einer direkten Anlage des Ausgleichselements selbst an
dem Gehäuse) relativ zu dem Gehäuse verlagerbar. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen
sein, dass das mindestens eine separate Gleitelement mit einem Fixierungsabschnitt
in eine Bohrung des Ausgleichselements eingesteckt ist. Ein solcher Fixierungsabschnitt
für die Verbindung des Gleitelements mit dem Ausgleichselement weist beispielsweise
Mittel für die formschlüssige und kraftschlüssige Fixierung in der Bohrung des Ausgleichselements
auf. In einer Weiterbildung sind hierfür beispielsweise radial vorstehende Raststege
oder Rastlamellen an dem Fixierungsabschnitt des Gleitelements vorgesehen. Derart
kann das Gleitelement mit seinem Fixierungsabschnitt problemlos in die Bohrung des
Ausgleichselements eingesteckt werden und ist hierin durch das Einstecken automatisch
verliersicher arretiert.
[0023] Das Verstellelement kann als einteiliger oder mehrteiliger Verstellring ausgebildet
und/oder ringsegment- oder ringförmig ausgebildet sein. Wie einleitend bereits erläutert,
handelt es sich üblicherweise bei einem Verstellelement für eine Leitschaufelbaugruppe,
mittels dem die Leitschaufeln um ihre radiale Drehachse drehbar sind, um ein sich
umfangsseitig erstreckendes und an dem Gehäuse verlagerbar gehaltenes einteiliges
oder mehrteiliges Verstellelement in Form eines Verstellrings. Ein solcher Verstellring
kann bei einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Leitschaufelbaugruppe über
wenigstens eine Ausgleichseinrichtung oder mehrere entlang des Umfangs verteilt angeordnete
Ausgleichseinrichtungen bezügliche des Gehäuses zentriert sein und hierüber bei einer
Temperaturerhöhung zentriert bezüglich des Gehäuses gehalten werden.
[0024] Beispielsweise ist das Ausgleichselement zumindest teilweise aus Magnesium hergestellt
respektive weist das Ausgleichselement Magnesium als Herstellungsmaterial auf. Alternativ
oder ergänzend kann das wenigstens eine Verbindungselement zumindest teilweise aus
Titan, insbesondere einer Titanlegierung hergestellt sein respektive weist das Verbindungselement
als Herstellungsmaterial zumindest teilweise Titan insbesondere eine Titanlegierung
auf.
[0025] Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann ein Triebwerk, insbesondere ein Gasturbinentriebwerk,
mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Leitschaufelbaugruppe bereitgestellt werden,
das eine verbesserte Kompensation temperaturbedingt auftretender und unterschiedlicher
Wärmeausdehnungen eines Verstellelements für die Verstellung von Leitschaufeln einerseits
und einem Gehäuse für die Lagerung der Leitschaufeln andererseits ermöglicht.
[0026] Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Lösung.
[0027] Hierbei zeigen:
- Figuren 1A - 1D
- in unterschiedlichen Ansichten und jeweils ausschnittsweise eine Ausgleichseinrichtung
einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Leitschaufelbaugruppe mit einem
Verstellelement zur Verstellung von Leitschaufeln der Leitschaufelreihe;
- Figuren 2A-2B
- verschiedene perspektivische Ansichten der Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen
Leitschaufelbaugruppe, mit dem Verstellelement und der Ausgleichseinrichtung in einem
an ein Gehäuse der Leitschaufelbaugruppe montierten Zustand (ohne Darstellung der
Leitschaufeln);
- Figur 3A
- ausschnittsweise und in vergrößerter geschnittener Ansicht ein Ausgleichselement der
Ausgleichseinrichtung mit einem hieran befestigten Gleitelement zur Anlage an einer
Außenseite des Gehäuses;
- Figur 3B
- in perspektivischer Ansicht das Gleitelement der Figur 3A in Einzeldarstellung;
- Figur 4
- ausschnittsweise und in perspektivischer Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte
Anordnung mit mehreren Leitschaufelbaugruppen mit je einer Leitschaufelreihe und mehreren
Laufschaufelbaugruppen;
- Figur 5
- in Schnittdarstellung schematisch ein Gasturbinentriebwerk, in dem wenigstens eine
erfindungsgemäße Leitschaufelbaugruppe Verwendung findet.
[0028] Die Figur 5 veranschaulicht schematisch und in Schnittdarstellung ein (Gasturbinen-)
Triebwerk T, bei dem die einzelnen Triebwerkskomponenten entlang einer Mittelachse
oder Rotationsachse M hintereinander angeordnet sind. An einem Einlass oder Intake
E des Triebwerks T wird Luft entlang einer Eintrittsrichtung E mittels eines Fans
F angesaugt. Angetrieben wird dieser Fan F über eine Welle, die von einer Turbine
TT in Drehung versetzt wird. Die Turbine TT schließt sich hierbei an einen Verdichter
V an, der beispielsweise einen Niederdruckverdichter 11 und einen Hochdruckverdichter
12 aufweist, sowie gegebenenfalls noch einen Mitteldruckverdichter. Der Fan F führt
einerseits dem Verdichter V Luft zu sowie andererseits einem Bypasskanal B zur Erzeugung
des Schubs. Die über den Verdichter V geförderte Luft gelangt schließlich in einen
Brennkammerabschnitt BK, in dem die Antriebsenergie zum Antreiben der Turbine TT erzeugt
wird. Die Turbine TT weist hierfür eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine
14 und eine Niederdruckturbine 15 auf. Die Turbine TT betreibt über die bei der Verbrennung
freiwerdende Energie den Fan F an, um dann über die in den Bypasskanal B geförderte
Luft den erforderlichen Schub zu erzeugen. Die Luft verlässt hierbei den Bypasskanal
B im Bereich eines Auslasses A am Ende des Triebwerks T, an dem die Abgase aus der
Turbine TT nach außen strömen. Der Auslass A weist hierbei üblicherweise eine Schubdüse
auf.
[0029] Der Verdichter V umfasst mehrere in axialer Richtung hintereinander liegende Reihen
von Laufschaufeln 110 und dazwischenliegende Reihen von Leitschaufeln 111 im Bereich
des Niederdruckverdichters 11. Die um die Mittelachse M rotierenden Reihen von Laufschaufeln
110 und die Reihen stationärer Leitschaufeln 111 sind abwechselnd entlang der Mittelachse
M angeordnet und in einem (Verdichter-) Gehäuse 1 des Verdichters V aufgenommen. Die
einzelnen Leitschaufeln 111 sind an dem ein- oder mehrteiligen Gehäuse 1 verstellbar
gelagert - üblicherweise zusätzlich zu einer radial inneren Lagerung an der Nabe des
Verdichters V.
[0030] Die Figur 4 zeigt hierbei ausschnittsweise in größerem Detaillierungsgrad eine aus
dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Laufschaufelreihen 12a bis 12d und Leitschaufelreihen
13a bis 13c für den Niederdruckverdichter 11. Die Leitschaufeln 111 der hintereinander
angeordneten Leitschaufelreihen 13a, 13b und 13c sind verstellbar an dem Gehäuse 1
gelagert, um die Stellung der Leitschaufeln 111 in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl
ändern zu können. Hierfür ist ein Lagerzapfen 111a jeder Laufschaufel 111 drehbar
in einer Lageröffnung gelagert, die durch einen hülsenförmigen und radial nach außen
vorspringenden Lagerfortsatz 10 des Gehäuses 1 ausgebildet ist. Jeder Lagerzapfen
111a ist in einem zugehörigen Lagerfortsatz 10 um eine Drehachse D drehbar gelagert
und abgestützt. Dabei durchgreift jeder Lagerzapfen 111a seinen zugeordneten Lagerfortsatz
10, sodass an der Außenseite des Gehäuses 1 ein Zapfenende 111b aus dem Lagerfortsatz
10 herausragt.
[0031] An den einzelnen Zapfenenden 111b kann somit jeweils ein Verstellhebel 31 einer Verstelleinrichtung
3 angreifen, um den Lagerzapfen 111a drehen und damit die Stellung der zugehörigen
Leitschaufel 111 einer Leitschaufelgruppe ändern zu können. Die Hebel 31 einer Leitschaufelreihe
13a, 13b oder 13c sind dabei jeweils an einem Verstellelement in Form eines Verstellrings
30 der Verstelleinrichtung 3 angelenkt. Der- häufig mehrteilige, in wenigstens zwei
Segmente unterteilte - Verstellring 30 erstreckt sich umfangsseitig entlang der äußeren
Mantelfläche des Gehäuses 1. Durch Verstellung des Verstellrings 30 können somit die
hieran angelenkten Verstellhebel 31 und mehrere, üblicherweise alle Leitschaufeln
111 einer Leitschaufelreihe 13a, 13b oder 13c verstellt werden. Die einzelnen Verstellringe
30 für die einzelnen Leitschaufelreihen 13a, 13b und 13c sind hierbei üblicherweise
unabhängig voneinander verstellbar.
[0032] Ein Verstellring 30 stützt sich an einer Außenseite des Gehäuses 1 ab, beispielsweise
an einer umfangsseitig umlaufenden Anlagefläche 114. Der Verstellring 30 ist hierbei
in radialer Richtung zu der Außenseite des Gehäuses 1 und vorliegend zu der Anlagefläche
114 um einen radialen Abstand a beabstandet. Dieser radiale Abstand a wird über mehrere
entlang des Umfangs verteilt angeordnete Ausgleichseinrichtungen vorgegeben, über
die der Verstellring 30 an der Außenseite des Gehäuses 1 abgestützt ist und den Verstellring
30 bezüglich des Gehäuses 1 zentriert halten sollen. Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks
T besteht hierbei aber die Schwierigkeit, dass sich das Gehäuse 1 temperaturbedingt
und in Anhängigkeit vom Zyklus stärker radial nach außen ausdehnt als der Verstellring
30. Es kann somit zu Ungenauigkeiten bei der Verstellung der Leitschaufeln 111 mithilfe
des Verstellrings 30 oder gar zu einem Verklemmen oder Verformen des Verstellrings
30 kommen. Hier soll die erfindungsgemäße Lösung Abhilfe schaffen, zu der eine mögliche
Ausführungsvariante anhand der Figuren 1A bis 1D, 2A bis 2B und 3A bis 3B näher veranschaulicht
ist.
[0033] Hiernach ist eine Ausgleichseinrichtung 4 mit einem längserstreckten, stabförmigen
Ausgleichselement 40 vorgesehen. Über die Ausgleichseinrichtung 4 werden unterschiedliche
Wärmeausdehnungen des Verstellrings 30 einerseits und des Gehäuses 1 andererseits
kompensiert, indem ein Ausgleichselement 40 vorgesehen wird, das über mehrere an dem
Verstellring 30 angelenkte Verbindungshebel 41 - 44 (mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten)
mit dem Verstellring 30 derart verbunden ist, dass sich das Ausgleichselement 40 durch
eine temperaturbedingt auftretende Dehnung (thermische Expansion oder Kontraktion)
radial relativ zu dem Verstellring 30 verlagern kann. Hierfür weist das vorliegend
nach Art eines (Flach-) Stabes ausgebildete Ausgleichselement 40 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf als die Verbindungshebel 41 - 44, über die das Ausgleichselement 40 radial verlagerbar
an dem Verstellring 30 zwischen dem Verstellring 30 und der Außenseite des Gehäuses
1 gehalten ist. Ferner ist die Temperaturkompensation dadurch unterstützt, dass das
die Verbindungshebel 41 - 44 kürzer und schmaler ausgebildet sind als das Ausgleichselement
40 und das Ausgleichselement 40 näher zu dem Gehäuse 1 (im Vergleich zu den Verbindungshebeln
41 - 44) angeordnet ist. Im Betrieb des Triebwerks T hat damit die temperaturbedingte
Ausdehnung weniger Einfluss auf die Verbindungshebel 41 - 44 als auf das Ausgleichselement
40.
[0034] Jeder der vorliegend vier Verbindungshebel 41 - 44 ist an einem Hebelende über eine
erste Gelenkverbindung 413, 423, 433 oder 443 an dem Verstellring 30 angelenkt und
an seinem anderen Hebelende über eine zweite Gelenksverbindung 410, 420, 430 oder
440 an dem Ausgleichselement 40. Die Verbindungshebel 41 - 44 sind paarweise einander
gegenüberliegend an den zwei Stirnseiten 30A und 30B des Verstellrings angeordnet
und halten das Ausgleichselement 40 radial zu einer Unterseite 30C des Verstellrings
30, die einer der Außenseite des Gehäuses 1 zugewandt ist, und zwischen dem Verstellring
30 und der Außenseite des Gehäuses 1 radial verlagerbar. Die Anbindung der Verbindungshebel
40 - 44 an das Ausgleichselement 40 erfolgt hierbei jeweils im Bereich eines Längsendes
des längserstreckenden Ausgleichselements 4. Die Verbindungshebel 41 - 44 sind hierbei
an voneinander abgewandten ersten und zweiten Stirnseiten 30A und 30B des - hier im
Querschnitt rechteckförmigen - Verstellrings 30 angeordnet. Die erste Stirnseite 30A
bildet dabei im bestimmungsgemäß montierten Zustand einer insbesondere den Verstellring
30 und die Ausgleichseinrichtung 4 umfassenden Leitschaufelbaugruppe L eine vordere
Stirnseite, während die zweite Stirnseite 30B eine rückwärtige oder hintere Stirnseite
des Verstellrings 30 bildet.
[0035] Der Verstellring 3 kann über das Ausgleichselement 40 gegen das Gehäuse 1 abgestützt
sein. Hierfür kann das Ausgleichselement mit einer unteren Seite an der Anlagefläche
114 des Gehäuses 1 aufliegen, wie dies anhand der perspektivischen Darstellungen der
Figuren 2A und 2B veranschaulicht ist.
[0036] In einer Achsrichtung entlang der Mittelachse M betrachtet erstreckt sich das Ausgleichselement
4 zusammen mit zwei an der ersten oder zweiten Stirnseite 30A oder 30B angelenkten
Verbindungshebeln 41, 42 oder 43, 44 und einem Abschnitt des Verstellrings 3, an dem
die ersten Gelenkverbindungen 413, 423 (433, 443) definiert sind, entlang einer virtuellen
Trapezkontur TF. Das Ausgleichselement 40 erstreckt sich dabei in Umfangsrichtung
U an einer längeren Grundseite respektive Basis dieser Trapezkontur TF, während sich
die beiden einander zugewandten Verbindungshebel 41, 42 oder 43, 44 einer Stirnseite
30A oder 30B entlang zweier Schenkel dieser Trapezkontur TF erstrecken. Die kürzere
Grundseite der Trapezkontur TF wird durch einen Abschnitt des Verstellrings 30 gebildet.
Durch diese trapezförmige Anordnung und Anlenkung der Verbindungshebel 41 - 44 ist
erreicht, dass sich das Ausgleichselement 40 bei einer temperaturbedingten Wärmeausdehnung
relativ zu der Unterseite 30C des Verstellrings 30 verlagert und sich damit ein radialer
Abstand b (vergleiche Figur 1C) des Ausgleichselements 40 zu der Unterseite 30C des
Verstellrings 30 infolge einer Wärmeausdehnung des Ausgleichselements 40 verändern
kann.
[0037] Dehnt sich das Ausgleichselement 40 beispielsweise entlang der Umfangsrichtung U
aus, schwenken die einander zugewandten Verbindungshebel 41, 42 und 43, 44 einer Stirnseite
30A oder 30B in zueinander entgegengesetzte Schwenkrichtungen, da die mit dem Ausgleichselement
40 verbundenen Hebelenden weiter zueinander beabstandet werden. Die virtuelle Trapezkontur
TF wird somit gestaucht. Das Ausgleichselement 40 nähert sich der Unterseite 30C des
Verstellrings 30 an. Kühlt umgekehrt das Ausgleichselement 40 ab, schwenken die einer
Stirnseite 30A oder 30B zugeordneten Verbindungshebel 41, 42 oder 43, 44 mit ihren
mit dem Ausgleichselement 40 verbundene Enden jeweils aufeinander zu. Die virtuelle
Trapezkontur TF wird gestreckt. Das Ausgleichselement 40 verlagert sich somit von
der Unterseite 30C des Verstellrings 30 weg radial nach innen. Auf diese Art und Weise
gleicht die Ausgleichseinrichtung 4 eine temperaturbedingt auftretende Ausdehnung
des Gehäuses 1 radial nach außen bezüglich des sich schwächer temperaturbedingt radial
nach außen ausdehnenden Verstellrings 30 aus und hält einen radialen Abstand des Ausgleichselements
40 zu der Anlagefläche 114 des Gehäuses 1 im Wesentlichen aufrecht. Dies schließt
insbesondere einen radialen Abstand von 0 cm und damit eine direkte Anlage des Ausgleichselement
40 über deren Anlagefläche an dem Gehäuse 1 ein, bei dem das Ausgleichselement 40
an der Außenseite des Gehäuses 1 anliegt und hierüber der Verstellring 30 in radialer
Richtung bezüglich der Mittelachse M abgestützt ist. Durch die temperaturbedingte
radiale Verlagerung des Ausgleichselements 40 relativ zu dem Verstellring 3 wird der
Fall sichergestellt, dass der Verstellring 3 nicht oder allenfalls geringfügig durch
das sich radial nach außen ausdehnende Gehäuse 1 abschnittsweise lokal verlagert wird.
Stattdessen wird der Verstellring 30 zentriert zu dem Gehäuse 1 gehalten.
[0038] Um eine temperaturbedingte Längung oder Schrumpfung des Ausgleichselements 40 entlang
der Umfangsrichtung U auch bei Anlage an der Anlagefläche 114 des Gehäuses 1 durch
einen etwaigen reibschlüssigen Kontakt nicht zu behindern und im Übrigen das Ausgleichselement
40 an der Anlagefläche 114 entlang der Umfangsrichtung U ohne Weiteres verschieben
zu können, wenn über den Verstellring 30 die Leitschaufeln 111 verstellt werden sollen,
kann an dem Ausgleichselement 40 wenigstens ein separates Gleitelement 5 befestigt
sein. Ein Gleitelement 5 ist vorliegend nach Art eines Stopfens ausgebildet und in
entlang der Umfangsrichtung U zueinander beabstandete Bohrungen 401 des Ausgleichselements
40 eingesteckt, sodass ein scheibenförmiger, eine Gleit- oder Kontaktfläche 50 ausbildender
Kopf an der Unterseite des Ausgleichselements 40 aus der jeweiligen Bohrung 401 vorsteht.
Über diese Gleit- oder Kontaktfläche 50 liegt das Ausgleichselement 40 an der Anlagefläche
114 des Gehäuses 1 an. Jedes Gleitelement 5 ist hierbei über einen Fixierungsabschnitt
51 in die jeweiligen Bohrung 401 des Ausgleichselements 4 eingesteckt und hierin über
radial zu einer Längsachse des Zapfens vorspringende Rasterlamellen 510 in der jeweiligen
Bohrung 401 fixiert. Dies ist anhand der vergrößerten Darstellung der Figuren 3A und
3B veranschaulicht. In Abweichung von dem Vorsehen wenigstens eines in eine Bohrung
einsteckbaren Gleitelements kann eine entsprechende Gleit- / Kontaktfläche 50 an der
Unterseite des Ausgleichselements 40 selbstverständlich auch über ein Gleitelemente
gebildet sein, das zum Beispiel durch Kleben an dem Ausgleichselement 40 fixiert ist.
[0039] Durch die Anordnung der Ausgleichseinrichtung 4 an dem entlang der Umfangsrichtung
U verstellbaren Verstellring 30 und damit die Anbindung des radial verlagerbaren Ausgleichselements
40, das an der Außenseite des Gehäuses 1 anliegt und gegen das sich der Verstellring
30 an dem Gehäuse 1 abstützt, an dem Verstellring 30 ist eine Integration der Ausgleichseinrichtung
4 an einer Leitschaufelbaugruppe L ohne oder allenfalls geringe konstruktive Veränderung
an dem Gehäuse 1 möglich. Lediglich an dem Verstellring 30 müssen die einzelnen Komponenten
der Ausgleichseinrichtung 4 festgelegt werden. Um über mehrere Ausgleichseinrichtungen
4 eine Zentrierung des Verstellrings 30 bezüglich des Gehäuses 1 auch im Betrieb des
Gasturbinentriebwerks T sicherzustellen, sind beispielsweise wenigstens drei entlang
der Umfangsrichtung U um 120° zueinander versetzte, vier um jeweils 90° zueinander
versetzte oder fünf um jeweils 72° zueinander versetzte Ausgleichseinrichtungen 4
an dem Verstellring 30 vorgesehen. Grundsätzlich kann jedoch auch eine andere Anzahl
entlang der Umfangsrichtung U verteilt an dem Verstellring 30 angeordneter Ausgleichseinrichtungen
4 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste
[0040]
- 1
- Gehäuse
- 10
- Lagerfortsatz
- 11
- Niederdruckverdichter
- 110
- Laufschaufel
- 111
- Leitschaufel
- 111a
- Lagerzapfen
- 111b
- Zapfenende
- 114
- Anlagefläche
- 12
- Hochdruckverdichter
- 12a - 12d
- Laufschaufelreihe
- 13
- Hochdruckturbine
- 13a - 13c
- Leitschaufelreihe
- 14
- Mitteldruckturbine
- 15
- Niederdruckturbine
- 3
- Verstelleinrichtung
- 30
- Verstellring (Verstellelement)
- 30A, 30B
- 1. / 2. Stirnseite
- 30C
- Unterseite
- 31
- Verstellhebel
- 4
- Ausgleichseinrichtung
- 40
- Ausgleichselement
- 401
- Bohrung
- 41, 42, 43, 44
- Verbindungshebel (Verbindungselement)
- 410, 420, 430, 440
- (Zweite) Gelenkverbindung
- 413, 423, 433, 443
- (Erste) Gelenkverbindung
- 5
- Gleitelement
- 50
- Gleit- / Kontaktfläche
- 51
- Fixierungsabschnitt
- 510
- Rastlamellen
- A
- Auslass
- a
- Abstand
- B
- Bypasskanal
- b
- Abstand
- BK
- Brennkammerabschnitt
- D
- Drehachse / Spindelachse
- E
- Einlass / Intake
- F
- Fan
- L
- Leitschaufelbaugruppe
- M
- Mittelachse / Rotationsachse
- R
- Eintrittsrichtung
- T
- Gasturbinentriebwerk
- TF
- Trapezkontur
- TT
- Turbine
- U
- Umfangsrichtung
- V
- Verdichter
1. Leitschaufelbaugruppe, mit wenigstens einer Leitschaufelreihe (13a - 13c) und einem
sich entlang einer Umfangsrichtung (U) um eine Mittelachse (M) erstreckenden Gehäuse
(1) für die wenigstens eine Leitschaufelreihe (13a - 13c), wobei die wenigstens eine
Leitschaufelreihe (13a - 13c) mehrere Leitschaufeln (11) umfasst, die jeweils mittels
einer Verstelleinrichtung (3) der Leitschaufelbaugruppe (L) verstellbar an dem Gehäuse
(1) gelagert sind, und wobei
- die Verstelleinrichtung (3) mindestens ein Verstellelement (30) zur Verstellung
der Leitschaufeln (111) umfasst, das zu einer Außenseite des Gehäuses (1), bezüglich
der Mittelachse (M), radial beabstandet ist, und
- eine Ausgleichseinrichtung (4) vorgesehen ist, über die ein radialer Abstand (a)
des Verstellelements (30) zu der Außenseite des Gehäuses (1) vorgegeben ist und die
unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Verstellelements (30) einerseits und des Gehäuses
(1) andererseits zumindest teilweise kompensiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichseinrichtung (4) ein zwischen dem Verstellelement (30) und der Außenseite
des Gehäuses (1) angeordnetes Ausgleichselement (40) aufweist, welches über wenigstens
ein an dem Verstellelement (30) angelenktes Verbindungselement (41 - 44) der Ausgleichseinrichtung
(4) mit dem Verstellelement (30) verbunden ist, wobei das wenigstens eine Verbindungselement
(41 - 44) an dem Ausgleichselement (40) angelenkt ist.
2. Leitschaufelbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (40) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als
das wenigstens eine Verbindungselement (41 - 44).
3. Leitschaufelbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verbindungselement (41 - 44) hebelartig ausgestaltet und mit
einem Hebelende an dem Verstellelement (30) angelenkt ist.
4. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (40) derart mit dem wenigstens einen Verbindungselement (41
- 44) gekoppelt und hierüber mit dem Verstellelement (30) verbunden ist, dass sich
bei einer temperaturbedingten Dehnung des Ausgleichselements (40) entlang der Umfangsrichtung
(U) ein radialer Abstand (b) zwischen dem Ausgleichselement (40) und dem Verstellelement
(30) verändert.
5. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verstellelement (30) mindestens zwei Verbindungselemente (41 - 44) an entlang
der Umfangsrichtung (U) zueinander beabstandeten Stellen angelenkt sind, die jeweils
mit dem Ausgleichselement (40) verbunden sind.
6. Leitschaufelbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Verbindungselemente (41 - 44) mit dem Verstellelement (30) und
dem Ausgleichselement (40) derart verbunden sind, dass sich ein Abschnitt des Verstellelements
(30), an dem zwei Verbindungselemente (41, 42; 43, 44) angelenkt sind, diese zwei
Verbindungselemente (41, 42; 43, 44) und das Ausgleichselement (40) entlang der Mittelachse
(M) betrachtet an Kanten einer virtuellen Trapezkontur (TF) entlang erstrecken.
7. Leitschaufelbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ausgleichselement (40) an einer Basis der virtuellen Trapezkontur (TF) und
die zwei Verbindungselemente (41, 42; 43, 44) an zwei Schenkeln der virtuellen Trapezkontur
(TF) entlang erstrecken.
8. Leitschaufelbaugruppe nach dem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Trapezkontur (TF) der Kontur eines gleichschenkligen Trapezes entspricht.
9. Leitschaufelbaugruppe nach einem Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (40) über vier Verbindungselemente (41 - 44) mit dem Verstellelement
(30) verbunden ist, die jeweils an dem Verstellelement (30) angelenkt sind und paarweise
einander gegenüberliegend an zwei Seiten (30A, 30B) des Verstellelements (30) angeordnet
sind, die bezogen auf die Mittelachse (M) voneinander abgewandt sind.
10. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verstellelement (30) über die Ausgleichseinrichtung (4) an der Außenseite
des Gehäuses (1) abstützt.
11. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Umfangsrichtung (U) mehrere zueinander beabstandete, jeweils mit dem
Verstellelement (30) gekoppelte Ausgleichseinrichtungen (4) vorgesehen sind.
12. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ausgleichselement (40) mindestens ein separates Gleitelement (5) befestigt
ist, das eine Gleitfläche (50) zur Anlage an der Außenseite des Gehäuses (1) aufweist,
und/oder mindestens ein separates Gleitelement (5) mit einem Fixierungsabschnitt (51)
in eine Bohrung (401) des Ausgleichselements (40) eingesteckt ist.
13. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement als einteiliger oder mehrteiliger Verstellring (30) ausgebildet
und/oder ringsegment- oder ringförmig ist.
14. Leitschaufelbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (40) zumindest teilweise aus Magnesium hergestellt ist und/oder
das wenigstens eine Verbindungselement (41 - 44) zumindest teilweise aus Titan, insbesondere
einer Titanlegierung hergestellt ist.
15. Triebwerk mit wenigstens einer Leitschaufelbaugruppe (L) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis 14.