DE102005042747A1

DE102005042747A1 - Leitschaufelkranz für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102005042747A1
Application number: DE102005042747A
Authority: DE
Inventors: Robert Koletzki
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-08

Abstract

Bei einem Leitschaufelkranz für eine Flugturbine besteht das Innendeckband aus Halbkreis-Ringsegmenten (2) mit in diesen angeordneten Lagerbuchsen (20) zur Aufnahme der Drehzapfen (7) der verstellbaren Leitschaufeln (6). Das Einführen der kreisförmig angeordneten Drehzapfen in die Lagerbuchsen erfolgt unter elastischer Verformung der aus einem elastischen Material bestehenden Halbkreis-Ringsegmente. Nach dem Entspannen der Halbkreis-Ringsegmente werden diese fest mit einem ringförmigen Träger (14) verbunden, an dem die üblicherweise zur Abdichtung oder Strömungsbeeinflussung erforderlichen, aber bei der Verbindung des Innendeckbandes mit den Leitschaufeln abgekoppelten Mittel, angebracht sind. Die Halbkreis-Ringsegmente sind daher bei der Montage sehr elastisch, weisen im Betrieb die erforderliche Rundheit und Steifigkeit auf und ermöglichen die notwendigen Maßnahmen zur Abdichtung und Strömungsbeeinflussung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für eine Gasturbine, insbesondere für den Verdichter einer Flugturbine, bestehend aus beidseitig gelagerten, verstellbaren Leitschaufeln, deren innere Drehzapfen in Lagerbuchsen eines – zu Montagezwecken aus elastisch verformbaren Halbkreis-Ringsegmenten gebildeten – Innendeckbandes drehbeweglich gehalten sind.

Bei einer Gasturbine, beispielsweise bei dem der Brennkammer vorgeschalteten Verdichter, ist zwischen den benachbarten Rotorstufen jeweils ein Leitschaufelkranz angeordnet. Die in Strömungsrichtung vorderen Leitschaufelkränze sind mit verstellbaren Leitschaufeln ausgeführt, um die Luft gezielt so umleiten zu können, dass sie in einem optimalen Winkel auf die darauffolgende Rotorstufe trifft. Die äußeren Drehzapfen der verstellbaren Leitschaufeln sind im Verdichtergehäuse gelagert, während die inneren Drehzapfen in Lagerbohrungen eines Innendeckbandes fixiert sind. Neben der Abstützung der Leitschaufeln besteht eine weitere wichtige Funktion des Innendeckbandes in dessen Dichtwirkung gegenüber dem Rotor zur Vermeidung einer Rezirkulation der verdichteten Luft aus dem Bereich höheren Druckes in den Bereich niedrigeren Druckes. Zu diesem Zweck sind am Rotor Dichtspitzen angeformt, denen an dem die Leitschaufeln abstützenden Innendeckband ein separat eingesetzter Einlaufdichtring gegenübersteht. Im Spezialfall des Innendeckbandes für die Einlassleitschaufeln kann an diesem auf der zum Rotor gerichteten Seite zur Strömungsbeeinflussung auch ein Restriktor angeordnet sein. Schließlich besteht eine weitere Aufgabe des Innendeckbandes darin, eine Abdichtung gegenüber dem sekundären Luftsystem zu gewährleisten. Das geschieht bekanntermaßen beispielsweise mit einer statischen Dichtung, die mit einer dieser gegenüberliegenden Dichtfläche des Innendeckbandes in Wirkverbindung steht.

Die bekannten, axial verschraubten Innendeckbänder sind insofern nachteilig, als diese aus einer relativ großen Zahl von Einzelteilen bestehen, so dass der Platzbedarf, das Gewicht und letztlich der Montageaufwand hoch sind.

Bei einem anderen Konstruktionsprinzip, dem sogenannten „snap-on"-Innendeckband, wird bei der Montage das jeweilige Halbkreis-Ringsegment elastisch zusammengedrückt und auf die inneren Drehzapfen der bereits montierten Leitschaufeln gesteckt und erreicht danach wieder seine Ausgangsform. Beide Halbkreis-Ringsegmente bilden dann ein zweiteiliges Innendeckband.

Mit dem snap-on-Innendeckband werden zwar die bei dem axial verschraubten Innendeckband auftretenden Nachteile vermieden, jedoch kann die zur Montage notwendige Deformation der Halbringe zu plastischer Formänderung führen, wobei sich Unrundheiten negativ auf die Reibungskräfte, die Dichtungselemente und die Ringraumströmung auswirken. Die Ausbildung einer Dichtfläche am Innendeckband im Zusammenwirken mit einer statischen Dichtung ist nicht möglich, da die beiden Innendeckbandhälften die im Falle des Zusammenwirkens mit der statischen Dichtung auftretenden radialen Kräfte nicht aufnehmen können und das Auseinanderdrücken der beiden Hälften zu Verklemmungen sowie Leckagen an der Dichtung führen würde. Eine z.B. integrale Anordnung eines Restriktors an einem snap-on Innendeckband ist nicht möglich, da dieser bei der Montage des Innendeckbandes mit dem Rotor kollidieren würde. Darüber hinaus sind der Anwendung von snap-on-Innendeckbändern in Verbindung mit einer aufgebrachten Einlaufschicht Grenzen gesetzt, da Einlaufschichten auf grund ihrer Sprödheit elastische Verformungen nur bedingt nachvollziehen können und somit die für das Innendeckband zulässige Deformation und somit auch dessen Montierbarkeit eingeschränkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Innendeckband mit niedrigem Gewicht und Platzbedarf zu entwickeln, das mit geringem Aufwand montiert werden kann und auch als Dichtfläche gegenüber einer statischen Dichtung oder auf der Rotorseite als Einlaufdichtung oder als Restriktor wirksam ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Innendeckband für den einstellbaren Leitschaufelkranz gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass die zum Einfädeln der inneren Drehzapfen der Leitschaufeln in die am Innendeckband vorgesehenen Lagerbuchsen elastisch zusammengedrückten und nach der Montage wieder entspannten Halbkreis-Ringsegmente entweder durch einen anschließend befestigten ringförmigen Träger starr miteinander verbunden sind oder mittels der Befestigung an einem relativ starren halbringförmigen Träger wieder in die geforderte Form gebracht werden, so dass die erforderliche Rundheit und Steifigkeit des Innendeckbandes und damit ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist. Die Träger sind zudem mit den erforderlichen Mitteln zur statischen und/oder dynamischen Abdichtung an der Vorderseite bzw. der Rückseite des Leitschaufelkranzes und Mitteln zur Strömungsbeeinflussung auf der dem Rotor zugewandten Seite verbunden, die dadurch bei der Montage des Innendeckbandes von den elastischen Halbkreis-Ringsegmenten abgekoppelt sind und somit deren Elastizi tät und Montagefähigkeit nicht beeinträchtigen. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass nach aufgetretenem Verschleiß z.B. an der Einlaufschicht, nur der Träger gewechselt werden muß und nicht das gesamte Deckband. Der Träger allein ist preiswerter als ein gesamtes Deckband und folglich sind die aufzubringenden Ersatzteilkosten sowie die damit verbundene Kapitalbindung im Ersatzteillager geringer.

In Ausgestaltung der Erfindung kann das statische Dichtungselement auch unmittelbar an die Halbkreis-Ringsegmente angeformt sein, wobei in diesem Fall, wenn keine dynamische Abdichtung oder Strömungsbeeinflussung auf der Rotorseite erforderlich ist, die beiden Halbkreis-Ringsegmente auch unmittelbar miteinander verbunden werden können. In jedem Fall ist stromauf eine statische Abdichtung möglich, ohne dass die Funktion des Leitschaufelkranzes – beispielsweise durch Verklemmen – beeinträchtigt wird.

In Ausgestaltung der Erfindung sind an der Seitenfläche der Halbkreis-Ringsegmente, an der der ringförmige Träger anliegt, Führungsstifte angeformt, um die lagerichtige Positionierung der Träger bei der Montage zu gewährleisten.

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung werden die Lagerbuchsen für die Drehzapfen der Leitschaufeln erst nach dem einführen der Drehzapfen in die Lagerbohrungen der Halbkreis-Ringsegmente von innen in die Lagerbohrungen eingesteckt. Dadurch steht mehr Montagespielraum zur Verfügung oder es kann die Drehzapfenlänge und damit die Lagerfläche vergrößert werden. Die ringförmigen Träger können in diesem Fall so ausgebildet sein, dass ein Teilbereich von diesen unterhalb der Lagerbuchsen liegt und damit ein Herausfallen der Lagerbuchsen verhindert wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind an dem montierten Innendeckband vorhandene Kavitäten, beispielsweise im Bereich der Schraubverbindungen der Halbkreis-Ringsegmente mit dem ringförmigen Träger, mit einem Füllmaterial ausgefüllt, um dadurch Luftverwirbelungen zu vermeiden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Halbkreis-Ringsegments für ein snap-on-Innendeckband, das mit einem Einlauf schichtträger oder einem Restriktorträger verbunden werden kann;
2 eine detaillierte Schnittansicht eines snap-on-Innendeckbandes, an dem ein Restriktorträger und ein Dichtelement zur statischen Abdichtung angebracht sind; und
3 eine detaillierte Schnittansicht eines snap-on-Innendeckbandes in Verbindung mit einem Einlaufschichtträger.
4 eine Draufsicht auf das Innendeckband mit dargestellter Teilung
Das Innendeckband 1 besteht aus zwei Halbkreis-Ringsegmenten 2 aus einem elastischen Material, beispielsweise Aluminium, Titan, Stahl oder auch einem flexiblen Compositwerkstoff (Verbundwerkstoff). An der Seitenfläche jedes Halbkreis-Ringsegments 2 sind drei Führungsstifte 3 angeformt, und jedes Halbkreis-Ringsegment 2 weist im Minimum nur zwei Befestigungsbohrungen 4 auf. Von der Umfangsfläche der Halbkreis-Ringsegmente 2 gehen Lagerbohrungen 5 aus, die zur drehbeweglichen Aufnahme von inneren, mit einer Leitschaufel 6 eines Leitschaufelkranzes verbundenen Drehzapfen 7 dienen.
Gemäß dem in 2 gezeigten Einbauzustand ist an dem Innendeckband 1 ein zum Rotor 8 weisender ringförmiger Restriktorträger 9 mit einem an diesem angeformten Restriktor 22 zur Minimierung von Störströmungen angebracht, während an der gegenüberliegenden Seite des Innendeckbandes 1 ein feststehendes Dichtelement 10 vorgesehen ist, dessen Dichtfläche 11 zur Abdichtung gegenüber dem sekundären Luftsystem an einem stationär angeordneten Dichtring 12 anliegt. Zur Montage des Innendeckbandes 1 wird zunächst der Restriktorträger 9 vorübergehend am Rotor 8 gehalten. Anschließend werden die beiden zuvor elastisch zusammengezogenen Halbkreis-Ringsegmente 2 mit ihren Lagerbohrungen 5 auf die inneren Drehzapfen 7 der bereits in einem Gehäuse montierten Leitschaufeln 6 aufgefädelt und danach wieder entspannt. Der so vormontierte Leitschaufelkranz mit Innendeckband wird in Richtung Rotor 8 abgesenkt, so dass der Restriktorträger 9 mit Hilfe der Führungsstifte 3 lagerichtig an den beiden Halbkreis-Ringsegmenten 2 positioniert und – nach dem Lösen vom Rotor – mittels Schrauben 13 mit den Halbkreis-Ringsegmenten 2 verbunden werden kann. Das Innendeckband 1 kann somit auf einfache Weise, das heißt, von dem Restriktorträger 9 entkoppelt, nach dem snap-on-Prinzip montiert werden und weist die für einen störfreien Betrieb in Verbindung mit einer stationären Dichtung oder einer Labyrinthdichtung oder einem Restriktor 22 erforderliche Rundheit und Stabilität auf. Das Innendeckband 1 kann – falls erforderlich – auf einen stationären Dichtring 12 (2) geschoben werden, ohne dass die beiden Halbkreis-Ringsegmente 2 auseinander gedrückt werden.
Gemäß einer weiteren, in 3 gezeigten Ausführungsvariante kann das Innendeckband 1, und zwar nachdem die beiden Halbkreis-Ringsegmente 2 in der oben beschriebenen Weise mit ihren Lagerbohrungen 5 auf die inneren Drehzapfen 7 des Leitschaufelkranzes aufgefädelt wurden, mit einem separaten Einlaufschichtträger 14 verbunden werden. Der Einlaufschichtträger 14 weist eine Einlaufschicht 15 auf, die von am Rotor 8 vorgesehen Dichtspitzen 16 kontaktiert ist und so die Rezirkulation der verdichteten Luft aus dem Bereich höheren Drucks in den Bereich niedrigeren Drucks verhindert. Das Innendeckband 1 kann aufgrund der Entkopplung vom Einlaufschichtträger 14 hochelastisch ausgebildet sein und ist daher mit geringem Aufwand montierbar. Die Verbindung erfolgt mittels der bereits oben erwähnten Führungsstifte 3 sowie mit Schraubenbolzen 17 und Muttern 18. Der nach der Montage der Halbkreis-Ringsegmente 2 befestigte Einlaufschichtträger 14 sorgt für die erforderliche Rundheit und Steifigkeit des elastischen, beispielsweise aus einem hochelastischen Komposit bestehenden Innendeckbandes 1. Der Einlaufschichtträger 14 kann aus einem geschlossenen Ring, z.B. für das Deckband der Einlassleitschaufeln, oder auch aus zwei Halbkreissegmenten, z.B. zur Anwendung an einem von Rotoren umgebenen Innendeckband, bestehen.
Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, dass bestimmte Kavitäten am Innendeckband 1 zur Verminderung von Verwirbelungen mit Füllmaterial 19 ausgefüllt sind. Derartiges Füllmaterial 19 ist beispielsweise im Bereich der vorstehenden Schraubenbolzen 17 und Muttern 18 vorgesehen.
In den Lagerbohrungen 5 der beiden elastisch verformbaren Halbkreis-Ringsegmente 2 befinden sich Gleitbuchsen 20 zur Verminderung der Reibung. Wie 3 zeigt, sind die Gleitbuchsen 20 mit einem nach innen weisenden Bund 21 versehen und werden erst nach der Montage der Halbkreis-Ringsegmente 2, das heißt, wenn sich die Drehzapfen 7 bereits in den Lagerbohrungen 5 befinden, in die Lagerbohrungen 5 eingesetzt. Dadurch steht für die Montage des Innendeckbandes mehr Spiel zur Verfügung, so dass die bei der Montage induzierten Spannungen verringert bzw. die durch die begrenzte Elastizität beschränkte Einsetzbarkeit der elastischen Halbkreis-Ringsegmente 2 erhöht wird oder auch zur Verminderung des Lagerverschleißes längere Drehzapfen 7 vorgesehen werden können. Die Lagerbuchsen 20 sind durch den sich unterhalb des Bundes 21 anschließenden Einlaufschichtträger 14 gegen Herausfallen gesichert. Außerdem können, wie in 3 dargestellt, die Ansenkungen 5a der Lagerbohrungen 5 an der Seite der Halbkreis-Ringsegmente 2, an der der Einlaufschichtträger 14 angebracht ist, seitlich offen sein, so dass die Montage der elastischen Halbkreis-Ringsegmente 2 des Innendeckbands 1 zusätzlich erleichtert wird.

1: Innendeckband
2: Elastische Habkreis-Ringsegmente
3: Führungsstifte
4: Befestigungsbohrungen
5: Lagerbohrungen
5a: Ansenkung
6: Leitschaufel
7: Drehzapfen
8: Rotor
9: Restriktorträger (ringförmiger Träger)
10: Dichtelement
11: Dichtfläche
12: Dichtring
13: Schrauben
14: Einlaufschichtträger (ringförmiger Träger)
15: Einlaufschicht
16: Dichtspitzen
17: Schraubenbolzen
18: Muttern
19: Füllmaterial
20: Lagerbuchsen
21: Bund
22: Restriktor

Claims

Leitschaufelkranz für eine Gasturbine, insbesondere für den Verdichter einer Flugturbine, bestehend aus beidseitig gelagerten, verstellbaren Leitschaufeln (6), deren innere Drehzapfen (7) in Lagerbuchsen (20) eines – zu Montagezwecken aus elastisch verformbaren Halbkreis-Ringsegmenten (2) gebildeten – Innendeckbandes (1) drehbeweglich gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkreis-Ringsegmente (2) im Betriebszustand über einen an deren Seitenfläche lösbar befestigten, während der Montage abgekoppelten ringförmigen Träger (9, 14) starr miteinander verbunden sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als Restriktorträger (9) mit einem an diesen angeformten Restriktor (22) zur Strömungsbeeinflussung ausgebildet ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Einlaufschichtträger (14) mit integrierter Einlaufschicht (15) ist, die von Dichtspitzen (16) eines nachfolgenden Rotors (8) kontaktiert ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenfläche der Halbkreis-Ringsegmente (2) Führungsstifte (3) zur lagerichtigen Positionierung des Trägers (9, 14) bei der Montage angeformt sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (9, 14) über eine Schraubverbindung (13; 17, 18)) an den Halbkreis-Ringsegmenten (2) angebracht sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (20) nach der Montage der Halbkreis-Ringsegmente (2) an den Leitschaufeln (2) von innen in Lagerbohrungen (5) der Halbkreis-Ringsegmente (2) eingesteckt sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchsen (20) durch einen unterhalb der Lagerbuchsen (20) liegenden Bereich des Trägers (9, 14) gegen Herausfallen gesichert sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Innendeckband (1) gebildete, zu Luftverwirbelungen führende Kavitäten mit einem Füllmaterial (19) ausgefüllt sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der stromaufwärtigen Seite der Halbkreis-Ringsegmente (2) ein Dichtelement (10) mit einer Dichtfläche (11) vorgesehen ist, die im Betriebszustand einen stationär angeordneten Dichtring (12) kontaktiert.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (10) an einen Träger (9, 14) angeformt ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (10) unmittelbar an die Halbkreis-Ringsegmente (2) angeformt ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkreis-Ringsegmente (2) unter Weglassen des ringförmigen Trägers (9, 14) über an den beiderseitigen Enden vorgesehene Befestigungsmittel unmittelbar miteinander verbunden sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkreis-Ringsegmente (2) aus einem hochelastischen Composit bestehen.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansenkungen (5a) der Lagerbohrungen (5) zur Vereinfachung des Einführens der Drehzapfen (7) an einer Seite offen sind.
Leitschaufelkranz von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (14) aus Halbkreissegmenten gebildet ist.