DE102009037620A1

DE102009037620A1 - Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009037620A1
Application number: DE102009037620A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Weidmann
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-02-17
Also published as: ES2669120T3; WO2011018072A3; US20120141253A1; EP2464831A2; EP2464831B1; WO2011018072A2

Abstract

Eine Strömungsmaschine (10), insbesondere Gasturbine, mit einem Gehäuse (22) und einem Leitschaufelkranz (12), dessen äußeres Deckband (16) durch Trennfugen in Segmente (14) unterteilt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Deckband (16) über ein erstes Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme und ein zweites, vom ersten Befestigungselement (30) unabhängiges Befestigungselement (24) zur Umfangskraftaufnahme am Gehäuse (22) befestigt ist, wobei das erste und das zweite Befestigungselement (24, 30) für die Segmente (14) des äußeren Deckbandes (16) ein Spiel in radialer Richtung ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, mit einem Gehäuse und mindestens einem Leitschaufelkranz, dessen äußeres Deckband durch Trennfugen in Segmente unterteilt ist.
Eine solche Strömungsmaschine ist beispielsweise aus der DE 198 07 247 C2 bekannt. Die Leitschaufelkränze sind im Bereich ihres äußeren Deckbands mit Lagerungszapfen am Gehäuse der Strömungsmaschine befestigt, wobei die Segmente des Leitschaufelkranzes im Bereich des äußeren Deckbands radial frei beweglich sind. Eine solche Lagerung wird auch als Speichenzentrierung bezeichnet. Der Lagerungszapfen nimmt dabei alle vom Leitschaufelkranz auf das Gehäuse übertragenen Kräfte auf, insbesondere in Umfangsrichtung und axialer Richtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Befestigung eines Leitschaufelkranzes am Gehäuse der Strömungsmaschine zu schaffen, die eine radiale Beweglichkeit der Leitschaufelkranzsegmente ermöglicht bei gleichzeitig geringer Belastung für die Befestigungselemente.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Strömungsmaschine der oben genannten Art vorgesehen, wobei das äußere Deckband der Leitschaufelkranz über ein erstes Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme und ein zweites, vom ersten Befestigungselement unabhängiges Befestigungselement zur Umfangskraftaufnahme am Gehäuse befestigt ist und wobei das erste und das zweite Befestigungselement für die Segmente des äußeren Deckbandes ein Spiel in radialer Richtung ermöglichen.
Auf diese Weise erfolgt die Axialkraftaufnahme und die Umfangskraftaufnahme über getrennte, unabhängige Befestigungselemente. Die Belastung der Befestigungselemente wird dadurch verringert, und die Befestigungselemente können optimal auf ihre jeweilige Funktion ausgelegt werden. Axialkraft und Umfangskraft sind orthogonal zueinander, wodurch eine unabhängige Kraftaufnahme ermöglicht wird, während gleichzeitig Kräfte in Radialrichtung nicht durch die Befestigungselemente aufgenommen werden, wodurch ein Spiel in radialer Richtung für den Leitschaufelkranz ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Befestigungselement zur Umfangskraftaufnahme durch ein im Wesentlichen ringförmiges, radial nach innen ragendes Gehäusebauteil gebildet, wobei erste Schlitze und/oder erste Nasen im Gehäusebauteil vorgesehen sind, die mit zweiten Nasen bzw. zweiten Schlitzen in einem radial nach außen ragenden, Umfangskraft übertragenden Bauteil des äußeren Deckbandes derart ineinandergreifen, dass der Leitschaufelkranz in Umfangsrichtung fixiert ist und die zweite Nase oder der zweite Schlitz ein Spiel in radialer Richtung aufweist. Dies ermöglicht eine einfache Geometrie der Umfangskraft übertragenden Bauteile und damit einen möglichst geringen benötigten Bauraum. Durch eine symmetrische oder asymmetrische Anordnung der Nasen und Schlitze in Umfangsrichtung kann die Einbauposition des Leitschaufelkranzes bestimmt werden.
Es ist möglich, dass das Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme in Kraftrichtung hinter einem Axialkraft übertragenden Bauteil des äußeren Deckbands angeordnet ist. Dies ermöglicht die Übertragung von Druckkräften auf das Befestigungselement.
Vorzugsweise wird die Axialkraft über mehrere voneinander getrennte Kontaktflächen zwischen dem Leitschaufelkranz und dem Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme übertragen. Auf diese Weise kann die Reibung zwischen dem Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme und dem Leitschaufelkranz reduziert werden.
Vorzugsweise ist das Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme ringförmig und bildet mit dem Gehäuse eine formschlüssige Verbindung. Dies ermöglicht beispielsweise eine rotationssymmetrische Ausführungsform des Befestigungselements zur Axialkraftaufnahme.
Die formschlüssige Verbindung kann durch einen Montagefortsatz am Gehäuse und eine Nut im ringförmigen Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme gebildet werden.
Vorzugsweise ist der Innenradius des Montagefortsatzes größer als der Außenradius des äußeren Deckbands. Dies ermöglicht eine Montage der Strömungsmaschine in axialer Richtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Befestigungselemente zur Axialkraftübertragung vorgesehen, welche in Kraftrichtung vor einem Axialkraft übertragenden Bauteil des Leitschaufelkranzes angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Axialkraft vom Leitschaufelkranz über Zugkräfte auf die Befestigungselemente übertragen.
Vorzugsweise sind die Befestigungselemente zur Axialkraftübertragung radial elastische Elemente. Dies gewährleistet die Beweglichkeit der Leitschaufelkranzsegmente in radialer Richtung.
Die Befestigungselemente zur Axialkraftübertragung können formschlüssig am Gehäuse und am Leitschaufelkranz befestigt sein.
Die vorzugsweise formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme und dem Gehäuse kann durch einen Sicherungsdraht gesichert sein. Auf diese Weise wird ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung zwischen dem Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme und dem Gehäuse verhindert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den schematischen Zeichnungen zeigen:
1 einen Leitschaufelkranz;
2 eine Schnittansicht einer Strömungsmaschine mit zwei Leitschaufeln und einer Laufschaufel;
3 eine Schnittansicht einer Strömungsmaschine mit einer radial beweglichen Leitschaufel;
4 eine Schnittansicht einer Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 ein Leitschaufelkranzsegment der Strömungsmaschine gemäß 4; und
6 eine Strömungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht.
In den 1 bis 3 ist eine Strömungsmaschine 10 mit einem Leitschaufelkranz 12 gezeigt. Dieser weist ein äußeres Deckband 16 auf, das durch Trennfugen in einzelnen Segmente 14 unterteilt ist. Wie in 1 und 3 durch die doppelseitigen Pfeile angedeutet ist, können sich die Segmente 14 des äußeren Deckbands 16 in radialer Richtung bewegen.
2 zeigt einen Abschnitt der Strömungsmaschine 10 mit zwei Leitschaufelkränzen 12 und einer Laufschaufel 18. Die beiden Leitschaufelkränze 12 sind durch einen Wabenträger 20 verbunden.
3 zeigt einen Leitschaufelkranz 12 zwischen zwei Laufschaufeln 18. Der Leitschaufelkranz 12 und die damit verbundenen Wabenträger 20 sind in einem Gehäuse 22 der Strömungsmaschine 10 befestigt, wobei die (in 3 nicht gezeigte) Befestigung für die Segmente 14 des äußeren Deckbandes 16 des Leitschaufelkranzes 12 ein Spiel in radialer Richtung zur speichenzentrierten Befestigung ermöglicht. Das äußere Deckband 16 des Leitschaufelkranzes 12 kann sich dabei in radialer Richtung zwischen den mit gestrichelten Linien gezeigten radial innen und außen liegenden Positionen bewegen.
Mit dem inneren Deckband 17 des Leitschaufelkranzes 12 sind die verschiedenen Leitschaufeln vorzugsweise integral verbunden.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Befestigung des Leitschaufelkranzes 12 am Gehäuse 22 der Strömungsmaschine 10. Ein Befestigungselement 24 zur Umfangskraftaufnahme ist ein im Wesentlichen ringförmiges, radial nach innen ragendes Gehäusebauteil 26, in welchem mehrere Schlitze vorgesehen sind. Der Leitschaufelkranz 12 weist ein radial nach außen ragendes Bauteil 28 im Bereich des äußeren Deckbands 16 auf, welches Nasen ausbildet, die mit den Schlitzen im Gehäusebauteil 26 formschlüssig verbunden sind und den Leitschaufelkranz 12 in Umfangsrichtung fixieren. Es ist natürlich auch möglich, dass das Gehäusebauteil 26 Nasen aufweist, die in Schlitze im Bauteil 28 des Leitschaufelkranzes 12 eingreifen, oder dass sowohl am Gehäusebauteil 26 als auch am Bauteil 28 des Leitschaufelkranzes 12 Nasen und Schlitze vorgesehen sind, die gegenseitig ineinander eingreifen, um die formschlüssige Verbindung herzustellen.
Eine auf den Leitschaufelkranz 12 wirkende Kraft in Umfangsrichtung wird vom Bauteil 28 über die ineinandergreifenden Nasen und Schlitze auf das Gehäusebauteil 26 übertragen, welches die Umfangskraft aufnimmt und somit den Leitschaufelkranz 12 in Umfangsrichtung im Gehäuse 22 der Strömungsmaschine 10 fixiert.
In Axialrichtung wirkende Kräfte werden durch das Befestigungselement 24 zur Umfangskraftaufnahme nicht aufgenommen. Das Befestigungselement 24 zur Umfangskraftaufnahme lässt, für sich alleine genommen, eine Bewegung des Leitschaufelkranzes 12 in einer oder beiden axialen Richtungen zu.
Ein Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme ist in Kraftrichtung hinter einem Axialkraft übertragenden Bauteil 32 des Leitschaufelkranzes 12 angeordnet. Die Richtung der Axialkraft weist in der gezeigten Ausführungsform von links nach rechts. In dieser Anordnung wird die Axialkraft vom Leitschaufelkranz 12 über das Axialkraft übertragende Bauteil 32 auf das Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme als Druckkraft übertragen.
Das Axialkraft übertragende Bauteil 32 weist mehrere voneinander getrennte Kontaktflächen 34 auf, über die die Axialkraft zwischen dem Leitschaufelkranz 12 und dem Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme übertragen wird. In 5 ist ein Segment 14 des Deckbandes 16 des Leitschaufelkranzes 12 gezeigt, welches an seinen in Umfangsrichtung liegenden Enden jeweils eine Kontaktfläche 34 aufweist. Es ist natürlich auch möglich, dass sich die Kontaktfläche 34 über den gesamten Umfang des Leitschaufelkranzes 12 erstreckt.
Für die Kontaktflächen 34 kann eine besondere Oberflächenstruktur oder eine besondere Beschichtung, beispielsweise eine Panzerung, vorgesehen sein, um die Reibung zwischen Leitschaufelkranz 12 und dem Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme möglichst gering zu halten.
Das zur Montage am Umfang geschlitzte Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme ist ringförmig und weist eine an seinem äußeren Radius in Umfangsrichtung verlaufende Nut auf, mit der es mit einem Montagefortsatz 36, welcher am Gehäuse 22 ausgebildet ist, formschlüssig verbunden ist. Der Innenradius des Montagefortsatzes 36 ist größer als der Außenradius des Leitschaufelkranzes 12. Auf diese Weise kann der Leitschaufelkranz 12 bei der Montage der Strömungsmaschine 10 in axialer Richtung in das geschlossene Gehäuse 22 eingeführt werden.
Bei der Montage der Strömungsmaschine 10 wird nach dem Einführen des Leitschaufelkranzes 12 in Gehäuse 22 das ringförmige zur Montage am Umfang geschlitzte Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme am Montagefortsatz 36 des Gehäuses 22 eingesetzt, wobei der Montagefortsatz 36 in die Nut des Befestigungselements 30 formschlüssig eingreift.
Der Innenradius des Befestigungselements 30 zur Axialkraftaufnahme ist kleiner als der Außenradius des Leitschaufelkranzes 12. Auf diese Weise liegt der Leitschaufelkranz 12 mit den Kontaktflächen 34 am Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme an und der Leitschaufelkranz 12 wird durch das Befestigungselement 30 in seiner axialen Position fixiert.
In der gezeigten Ausführungsform liegt das Axialkraft übertragende Bauteil 32 in der der Axialkraft entgegengesetzten Richtung am Befestigungselement 24 zur Umfangskraftaufnahme an. Auf diese Weise wird die axiale Position des Leitschaufelkranzes 12 durch die beiden Befestigungselemente 24, 30 zur Umfangskraftaufnahme und zur Axialkraftaufnahme exakt definiert, wobei die bei normalem Betrieb der Strömungsmaschine wirkende Axialkraft aufgrund ihrer Richtung nur vom Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme aufgenommen wird.
Die beiden Befestigungselemente 24, 30 zur Umfangskraftaufnahme und zur Axialkraftaufnahme bilden gemeinsam eine Führung für die Bauteile 28, 32 des Segments 14 des äußeren Deckbandes 16 des Leitschaufelkranzes 12, welche eine Bewegung des Segments 14 in radialer Richtung ermöglicht.
Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme und dem Montagefortsatz 36 des Gehäuses 22 ist durch einen Sicherungsdraht 38 gesichert. Es ist auch möglich, dass das Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme direkt am Gehäuse 22 durch den Sicherheitsdraht 38 gesichert ist.
Eine zweite Ausführungsform des Befestigungselements 30 zur Axialkraftaufnahme ist in 6 gezeigt. Das Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme ist in dieser Ausführungsform in Kraftrichtung vor einem Axialkraft übertragenden Bauteil 32 des Leitschaufelkranzes 12 angeordnet, wodurch Zugkräfte zwischen dem Axialkraft übertragenden Bauteil 32 und dem Befestigungselement 30 zur Axialkraftaufnahme übertragen werden können.
Es sind ein oder mehrere Befestigungselemente 30 zur Axialkraftaufnahme je Segment 14 des äußeren Deckbandes des Leitschaufelkranzes 12 vorgesehen. Die Befestigungselemente 30 sind formschlüssig am Gehäuse 22 und am Leitschaufelkranz 12 befestigt. Am Gehäuse 22 wird die formschlüssige Verbindung mit dem Befestigungselement 30 durch einen Sicherungsdraht 38 gesichert. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement 30 und dem Leitschaufelkranz 12 wird durch eine Klemme 40 gesichert, die Teil des Wabenträgers 20 oder ein separates Teil sein kann.
Die Befestigungselemente 30 zur Axialkraftaufnahme sind radial elastische Elemente. Das am Leitschaufelkranz 12 befestigte Ende des Befestigungselements 30 zur Axialkraftaufnahme kann sich entlang einer Kreisbahn um das am Gehäuse 22 befestigte Ende des Befestigungselements 30 bewegen, wobei bei kleinen Winkeln die Bewegung annähernd linear, in radialer Richtung erfolgt.
Es ist möglich, dass die Befestigungselemente 30 zur Axialkraftaufnahme vollständig getrennte Bauteile sind. Alternativ können mehrere und insbesondere alle Befestigungselemente 30 an dem am Gehäuse 22 befestigten Ende miteinander verbunden sein, wodurch sich ein im Wesentlichen ringförmiges Befestigungselement 30 bildet, mit mehreren radial elastischen Fortsätzen, die an ihrem Ende jeweils am Leitschaufelkranz 12 befestigt sind.
In dieser Ausführungsform ist unabhängig von der Axialkraft eine im Wesentlichen reibungsfreie radiale Bewegung der Segmente 14 des Leitschaufelkranzes 12 möglich. Da in Kraftrichtung hinter dem Leitschaufelkranz keine Befestigungselemente 24, 30 angeordnet sind, ist eine einfache Montage in Axialrichtung möglich.
Das radial nach innen ragende Gehäusebauteil 26, das das Befestigungselement 24 zur Umfangskraftaufnahme bildet, sowie das Umfangskraft übertragende Bauteil 28 des Leitschaufelkranzes 12 ist in Ausführung und Funktion analog zur in 4 beschriebenen Ausführungsform.
Bezugszeichenliste

10: Strömungsmaschine
12: Leitschaufelkranz
14: Segment
16: äußeres Deckband
17: inneres Deckband
18: Laufschaufel
20: Wabenträger
22: Gehäuse
24: Befestigungselement zur Umfangskraftaufnahme
26: Gehäusebauteil
28: Umfangskraft übertragendes Bauteil
30: Befestigungselement zur Axialkraftaufnahme
32: Axialkraft übertragendes Bauteil
34: Kontaktfläche
36: Montagefortsatz
38: Sicherungsdraht
40: Klemme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19807247 C2 [0002]

Claims

Strömungsmaschine (10), insbesondere Gasturbine, mit einem Gehäuse (22) und einem Leitschaufelkranz (12), dessen äußeres Deckband (16) durch Trennfugen in Segmente (14) unterteilt ist, wobei das äußere Deckband (16) über ein erstes Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme und ein zweites, vom ersten Befestigungselement (30) unabhängiges Befestigungselement (24) zur Umfangskraftaufnahme am Gehäuse (22) befestigt ist und wobei das erste und das zweite Befestigungselement (24, 30) für die Segmente (14) des äußeren Deckbandes (16) ein Spiel in radialer Richtung ermöglichen.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Befestigungselement (24) zur Umfangskraftaufnahme durch ein im Wesentlichen ringförmiges, radial nach innen ragendes Gehäusebauteil (26) gebildet wird, wobei erste Schlitze und/oder erste Nasen im Gehäusebauteil (26) vorgesehen sind, die mit zweiten Nasen bzw. zweiten Schlitzen in einem radial nach außen ragenden, Umfangskraft übertragenden Bauteil (28) des äußeren Deckbandes (16) derart ineinandergreifen, dass der Leitschaufelkranz (12) in Umfangsrichtung fixiert ist und die zweite Nase oder der zweite Schlitz ein Spiel in radialer Richtung aufweist.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme in Kraftrichtung hinter einem Axialkraft übertragenden Bauteil (32) des äußeren Deckbandes (16) angeordnet ist.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkraft über mehrere voneinander getrennte Kontaktflächen (34) zwischen dem Leitschaufelkranz (12) und dem Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme übertragen wird.
Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme ringförmig ist und mit dem Gehäuse (22) eine formschlüssige Verbindung bildet.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung durch einen Montagefortsatz (36) am Gehäuse (22) und eine Nut im ringförmigen Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme gebildet wird.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius des Montagefortsatzes (36) größer ist als der Außenradius des äußeren Deckbandes (16).
Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Befestigungselemente (30) zur Axialkraftaufnahme vorgesehen sind, welche in Kraftrichtung vor einem Axialkraft übertragenden Bauteil (32) des Leitschaufelkranzes (12) angeordnet sind.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (30) zur Axialkraftaufnahme radial elastische Elemente sind.
Strömungsmaschine (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (30) zur Axialkraftaufnahme formschlüssig am Gehäuse (22) und am Leitschaufelkranz (12) befestigt sind.
Strömungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, vorzugsweise formschlüssige, Verbindung zwischen dem Befestigungselement (30) zur Axialkraftaufnahme und dem Gehäuse (22) durch einen Sicherungsdraht gesichert ist.