[0001] Die Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine, insbesondere Turbine mit einem
eine Reihe von verstellbaren Leitschaufeln umfassenden Leitapparat im Strömungskanal,
der zum einen durch eine innere Nabe und zum anderen durch einen äußeren Leitschaufelträger
begrenzt ist, wobei die Leitschaufeln einerseits in radialen Lagerbohrungen des ringförmigen
Leitschaufelträgers drehbar gelagert sind und andererseits mit ihrem Kopfprofil gegen
den Leitschaufelträger, sowie mit ihrem Fußprofil gegen die Nabe dichten, also die
Leitschaufeln einseitig gelagert sind.
[0002] Verstellbare, insbesondere Turbinenleitapparate werden bekanntlich im Turbinen- und
Turboladerbau verwendet um die Turbine während des Betriebes besser an den jeweiligen
Betriebszustand anpassen zu können. Denn die gegebene Charakteristik beispielsweise
eines Abgasturboladers im Zusammenhang mit einer Kolbenmaschine hoher spezifischer
Leistung macht es schwierig, für den gesamten Betriebsbereich das erwünschte Luftangebot
zur Verfügung zu stellen. So kann durch Verstellen des Leitapparate-Querschnitts der
Ladedruck und damit das Luftangebot für einen gegebenen Lastpunkt innerhalb gewisser
Grenzen verändert werden. Durch Öffnen des Turbinenquerschnitts mit zunehmender Last
nach einer vorgegebenen Charakteristik kann dann der Druckanstieg so begrenzt werden,
dass sich bei Volllast der Spülluftdruck und damit auch der Zünddruck und Kraftstoffverbrauch
des normal ausgelegten Motors einstellen.
[0003] So kann also der Wirkungsgrad der Turbine mit einem verstellbaren Turbinenleitapparat,
insbesondere beim Betrieb abseits vom Auslegungspunkt, angehoben oder abgesenkt werden.
[0004] Üblicherweise haben verstellbare Turbinenleitapparate mehrere um eine Achse drehbar
angeordnete Leitschaufeln, die über Hebel und Stellringe angelenkt werden.
[0005] Grundsätzlich muss zwischen verstellbaren Turbinenleitapparaten für axial und radial
durchströmten Turbinen unterschieden werden. Während der radial durchströmte verstellbare
Turbinenleitapparat relativ einfach aufgebaut werden kann (siehe beispielsweise DE
42 18 229 C1), ist der axial durchströmte wesentlich aufwendiger zu realisieren, da
insbesondere die Naben- und Zuströmgehäusekontur kugelförmig, d. h. zumindest gekrümmt
gestaltet werden muss. Dies ist notwendig, um bei allen Leitschaufelstellungen zur
Naben- und Zuströmgehäusekontur hin einen gleichförmigen radialen Spalt zu erzeugen.
[0006] Eine gattungsbildende Axialströmungsmaschine, insbesondere axial durchströmte Turbine
zeigt die DE 42 13 709 A1. Der verstellbare Turbinenleitapparat bietet durch Verdrehen
der Leitschaufeln dort die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt in der Turbine bei
Teillast des Motors zu verringern und dadurch den Luftdruck vor dem Zylinder anzuheben.
[0007] Der vorbekannte axial durchströmte verstellbare Turbinenleitapparat umfasst innerhalb
der den ringförmigen Strömungskanal begrenzenden Wandungen zum einen die innere Nabe
und zum anderen den die Nabe ringförmig umfassenden äußeren Leitschaufelträger, der
im Zuströmgehäuse der Turbine eingehängt ist. Die eigentliche Verstellung der Leitschaufel
erfolgt über ein Hebelgestänge und vorzugsweise automatisch in Funktion der Betriebsparameter
wie Ladedruck, Drehzahl usw.
[0008] Um die Strömungsverluste in einem axial durchströmten verstellbaren Turbinenleitapparat
gering zu halten, müssen die Spalte zwischen den Leitschaufeln und dem Zuströmgehäuse,
bzw. der Nabe so gering wie möglich gehalten werden. Zu diesem Zwecke sind bereits
verschiedene Maßnahmen bekannt geworden, wie z. B. dass die Leitschaufeln einen im
Leitschaufelträger gelagerten Drehzapfen, der mit einem Schaufeldrehteller, der gegenüber
dem Zuströmgehäuse abgedichtet ist, aufweisen (siehe beispielsweise DE 27 40 192 C2
oder DE 42 37 031 C1).
[0009] Andererseits, damit die Leitschaufeln während des "heißen" Betriebes nicht klemmen,
müssen sie in der Regel mit angemessenem Spiel eingebaut werden. Um eine leichte Verstellbarkeit
auch bei Lastwechsel, also bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der Komponenten
des Leitapparates gewährleisten zu können, werden bisher ausreichend große Spalte
in Kauf genommen, die jedoch, d. h. die daraus resultierenden Spaltströmungen am Kopf
und am Fuß der Leitschaufeln sich sehr störend auf die Hauptströmung im Kanal auswirken
können.
[0010] Diese beiden Forderungen nach einerseits einer Minimierung der Spaltquerschnitte
und andererseits einer leichten Verstellbarkeit der Komponenten widersprechen sich,
weshalb die in der Vergangenheit realisierten verstellbaren axial durchströmten Turbinenleitapparate
entweder leichtgängig waren oder geringe Strömungsverluste aufwiesen.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Axialströmungsmaschine der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass die Komponenten des Leitapparates sowohl
leichtgängig betätigbar sind, als auch nur geringe Spaltströmungen zulassen. Es sollen
also beide oben genannten Forderungen in einer neuen Axialströmungsmaschine vereint
werden.
[0012] Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
[0013] Dadurch dass die Nabe zumindest im Dichtbereich des Fußprofiles der Leitschaufeln
mit einer nachgiebigen Nabenkontur ausgeführt ist und die einseitige Lagerung der
Leitschaufeln im Leitschaufelträger in Richtung der Leitschaufelachsen ebenfalls nachgiebig
ausgestaltet ist, können die Strömungsverluste durch Spalte zwischen den Leitschaufel-
und der Zuströmgehäuse- bzw. Nabenkonturen reduziert werden und außerdem Verspannungen
der Komponenten des verstellbaren Leitapparates, verursacht durch Dichtungselemente
und durch thermische Ausdehnung der Komponenten vermieden werden.
[0014] Dadurch dass in besonders vorteilhafter Weise die nachgiebige Ausgestaltung der Lagerung
der Leitschaufeln im Leitschaufelträger mittels jeweils einer in Richtung der Leitschaufelachsen
wirkenden Feder, insbesondere einer Tellerfeder erreicht wird, ist gewährleistet,
dass das Kopfprofil einer Leitschaufel in jedem Betriebszustand an der Zuströmgehäusekontur
anliegt, wodurch der Spalt zwischen diesen beiden Komponenten sehr gering gehalten
oder ganz vermieden werden kann.
[0015] Dadurch dass in vorteilhafter Weise die nachgiebige Nabenkontur in Form eines in
die Nabenkontur eingepassten Innenrings, der im vorgespannten Zustand sich gegen die
Fußprofile der Leitschaufeln abstützt, ausgeführt ist, liegt dieser Innenring immer
an den Leitschaufelkonturen an.
[0016] Zudem ist in einer bevorzugten Ausführung der Innenring zur Montag mit einem Schlitz
versehen, so dass auch hier eine thermische Ausdehnung ausgleichbar ist. Der Schlitz
ist so angeordnet, dass er zwischen zwei Leitschaufeln liegt und während eines Verstellvorganges
nicht durch die Schaufelkontur überstrichen wird, so dass die durch den Schlitz verursachten
Verluste minimiert werden können.
[0017] Dadurch dass zudem der Schlitz mittels eines Dichtbleches bezüglich des Nabeninnenraums
an der Innenseite abgedeckt ist, sind Massenstromverluste durch den Schlitz vermeidbar.
[0018] In bevorzugter Ausführung ist der Innenring derart an der Nabe angeflanscht, dass
er in radialer Richtung des Zuströmgehäuses, also in Richtung der Leitschaufelachse
beweglich ist, in axialer Richtung des Zuströmgehäuses jedoch nur mit geringem Spiel
in die Nabenkontur eingesetzt ist. Durch diese Maßnahme werden wiederum Massenstromverluste
vermieden.
[0019] Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Innenkontur des ringförmigen Leitschaufelträgers,
die Nabe, sowie die Kopf- und Fußprofile der Leitschaufeln zur Verbesserung der Dichtwirkung
entsprechend kugelförmig ausgebildet.
[0020] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Leitapparates einer gattungsbildenden Axialströmungsmaschine
wird zwar eine erhöhte Reibung zwischen den Komponenten in Kauf genommen, ein Verklemmen
der Mechanik, hervorgerufen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Komponenten
ist jedoch wirksam verhindert. Die Materialauswahl könnte so aussehen, dass im Graugussverfahren
aus einem hochwarmfesten Material hergestellte Leitschaufeln in einem Keramik-Leitschaufelträger
gelagert sind und mit ihren Fußprofilen gegen eine ebenfalls gegossene Nabe dichten.
Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Spalte zwischen Leitschaufel und Zuströmgehäuse,
bzw. Nabe so gering wie möglich gehalten werden können, wodurch die Strömungsverluste
auf ein Minimum reduzierbar sind.
[0021] Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt die einzige Figur 1 einen Teillängsschnitt durch eine Abgasturboladerturbine.
[0022] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente, insbesondere
die Ansicht des Verstellleitapparates gezeigt.
[0023] Ein axial durchströmter, ringförmiger Kanal 20 einer Axialturbine ist zum einen durch
eine innere Nabe 21 und zum anderen durch einen ringförmigen Leitschaufelträger 7
mitsamt Zuströmgehäuse 8 begrenzt. Der Leitschaufelträger 7 ist auf nicht näher beschriebene
Art im Zuströmgehäuse 8 eingehängt.
[0024] Die verstellbaren Leitschaufeln 30 umfassen jeweils ein Leitschaufelblatt 1, einen
Schaufelzapfen 2 und einen Schaufeldrehteller 3. Der Schaufelzapfen 2 ist in einer
radialen Lagerbohrung des ringförmigen Leitschaufelträgers 7 drehbar gelagert und
in bekannter Weise beispielsweise mittels einer aufgeschraubten Kronmutter oder ähnlichem
am Leitschaufelträger 7 festgelegt. An der Außenseite des Leitschaufelträgers 7 ist
auf dem verlängerten Zapfen 2 der Leitschaufel 30 ein Anlenkhebel 5 mittels einer
Passfeder drehfest aufgesetzt. Der Anlenkhebel 5 ist mit dem Schaufelzapfen 2 und
dem Leitschaufelträger 7 unter Zwischenschaltung einer Tellerfeder 4 kontaktiert,
so dass der Anlenkhebel 5 sich gegen den Leitschaufelträger 7 abstützt. Die Tellerfeder
4 übt auf den Schaufelzapfen 2 eine Vorspannkraft aus, durch die das Fußprofil 31,
d. h. die untere Kontur des Leitschaufelblattes 1 gegen die äußere Oberfläche der
Nabe 21 gedrückt wird, also das Fußprofil 31 der Leitschaufel 30 am Anschlag mit der
Nabe 21 ist und so gegen die Kontur der Nabe 21 abdichtet. Dadurch ist der Schaufelzapfen
2 in der Lagerbohrung des Leitschaufelträgers 7 nahezu spielfrei, aber dennoch gegen
Wärmedehnung in Richtung der Achse A der Leitschaufel 30 elastisch und schwingungsdämpfend
eingespannt. Der Schaufeldrehteller 3 dichtet den Kanal 20 gegen die Lagerbohrung
des Leitschaufelträgers 7 ab.
[0025] Der Anlenkhebel 5 ist in bekannter Weise über einen Stellring 6 durch nicht weiter
gezeigte Betätigungsmittel bewegbar.
[0026] Die Gehäusekontur der Nabe 21 ist zumindest teilweise kugelförmig unter Einschließung
eines Hohl- oder Innenraums 22 gestaltet.
[0027] Im Dichtbereich 23 des Fußprofils 31 der Leitschaufel 30 ist ein Innenring 9 in die
Nabekontur eingepasst, der im vorgespannten Zustand sich gegen das Fußprofil 31 der
Leitschaufel 30 abstützt und mittels eines Flansches 12 an der Nabe 21 so befestigt
ist, dass er in Richtung der Achse A der Leitschaufel 30 zwar beweglich ist, jedoch
in der Kontur der Nabe 21, also in axialer Richtung des Kanals 20 ein nur geringes
Spiel aufweist. Dazu ist die Kontaktierung zwischen Flansch 12 und Innenring 9 beispielsweise
lediglich verzahnt.
[0028] Der Innenring 9 selbst ist mit einem Schlitz 10 versehen, der so angeordnet ist,
dass er zwischen zwei Leitschaufeln liegt und beim Verstellvorgang nicht durch die
Schaufelkontur überstrichen wird. Um Massenstromverluste durch den Schlitz 10 zu verhindern,
ist er vom Hohl- bzw. Innenraum 22 der Nabe 21 her gesehen mit einem Dichtblech 11
abgedeckt.
[0029] Die Erfindung wäre im übrigen bei Verdichtern sinngemäß anwendbar. Ferner soll der
Einsatz bei Axialgebläsen mit eingeschlossen sein.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 1
- Leitschaufelblatt
- 2
- Schaufelzapfen
- 3
- Schaufeldrehteller
- 4
- Tellerfeder
- 5
- Anlenkhebel
- 6
- Stellring
- 7
- Leitschaufelträger
- 8
- Zuströmgehäuse
- 9
- Innenring
- 10
- Schlitz
- 11
- Dichtblech
- 12
- Flansch
- 20
- Strömungskanal
- 21
- Nabe
- 22
- Hohl- bzw. Innenraum
- 23
- Dichtbereich
- 30
- Leitschaufel
- 31
- Fußprofil der Leitschaufel
- 32
- Kopfprofil der Leitschaufel
- A
- Leitschaufelachse
1. Axialströmungsmaschine, insbesondere Turbine mit einem eine Reihe von verstellbaren
Leitschaufeln umfassenden Leitapparat im Strömungskanal, der zum einen durch eine
innere Nabe und zum anderen durch einen äußeren Leitschaufelträger begrenzt ist, wobei
die Leitschaufeln einerseits im Bereich ihrer Kopfprofile (32) in radialen Lagerbohrungen
des ringförmigen Leitschaufelträgers drehbar gelagert sind und andererseits die Fußprofile
(31) der Leitschaufeln gegen die Nabe dichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (21) zumindest im Dichtbereich (23) der Fußprofile (31) der Leitschaufeln
(30) mit einer nachgiebigen Nabenkontur (9) ausgeführt ist und die Lagerung der Leitschaufeln
(30) in Richtung der Leitschaufelachsen (A) ebenfalls nachgiebig (4) ausgestaltet
ist.
2. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur des ringförmigen Leitschaufelträgers (7), die Nabe (21), sowie die
Kopf- und Fußprofile (31 und 32) der Leitschaufeln (30) zur Verbesserung der Dichtwirkung
entsprechend kugelförmig ausgebildet sind.
3. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Ausgestaltung der Lagerung der Leitschaufeln (30) mittels jeweils
einer in Richtung der Leitschaufelachsen (A) wirkenden Feder (4) realisiert ist.
4. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Nabenkontur in Form eines in die Nabenkontur eingepassten Innenrings
(9), der im vorgespannten Zustand sich gegen die Spitzen (31) der Leitschaufeln (30)
abstützt, ausgeführt ist.
5. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (9) mit einem Schlitz (10) versehen ist, der so angeordnet ist, dass er zwischen zwei Leitschaufeln (30) positioniert ist und bei der Verstellbewegung
der Leitschaufel (30) nicht überstrichen wird.
6. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (10) mittels eines Dichtblechs (11) bezüglich des Nabeninnenraums (22)
abgedeckt ist.
7. Axialströmungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (9) derart an der Nabe (21) angeflanscht ist, das er in radialer Richtung
des Zuströmgehäuses (8) beweglich ist, in axialer Richtung des Zuströmgehäuses (8)
jedoch nur mit geringen Spiel in der Nabenkontur eingepasst ist.