DE102016201766A1

DE102016201766A1 - Leitschaufelsystem für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102016201766A1
Application number: DE102016201766.7A
Authority: DE
Inventors: Joachim Wulf; Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-08-10
Also published as: US20170226887A1; US10450888B2; EP3203035B1; EP3203035A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelsystem (10) für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einer um eine Verstellachse (12) drehbar gelagerten Leitschaufel (14), welche mit einem radial inneren Endbereich (16) in einer korrespondierenden Ausnehmung (18) eines Innenrings (20) angeordnet ist, wobei die Anordnung der Leitschaufel (40) an dem Innenring (20) mittels eines Sicherungselements (22) formschlüssig gesichert ist. Für eine besonders vorteilhafte Sicherung dieser Anordnung ist es vorgesehen, dass das Sicherungselement (22) als längliches Element ausgebildet ist, welches wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung (42) und/oder Durchgangsöffnung (38) des radial inneren Endbereichs (16) der Leitschaufel (14) und wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung (40) des Innenrings (20) angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, und ein Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystems (10).

Description

Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. CSJU-GAM-SAGE-2008-001 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (FP7/2007-2013) für Clean Sky Joint Technology Initiative gefördert.
Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelsystem für eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine und ein Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystems für eine Strömungsmaschine.
Aus der EP 2 884 055 A1 ist ein Leitrad für eine Strömungsmaschine bekannt, bei welchem in Umfangsrichtung des Leitrads nebeneinander angeordnete, um ihre radial verlaufende Längsachse verstellbare Leitschaufeln vorgesehen sind. Radial innen von den Leitschaufeln ist ein Innenring angeordnet. Die Leitschaufeln sind an ihrem radial inneren Ende in jeweiligen Ausnehmungen des Innenrings gelagert. Wenigstens eine der Leitschaufeln weist dabei eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse ausgebildete und radial innen angeordnete Gleitfläche auf. Die Gleitfläche und der Innenring bilden eine Reibpaarung. Dadurch werden jeweilige Leckagen an der Lagerung der Leitschaufel an dem Innenring besonders reduziert.
Zur Sicherung der Lagerung der Leitschaufel an dem Innenring ist dabei ein in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel angeordneter Sicherungsstift in radialer Richtung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig verbunden. Die Verstellbarkeit der Leitschaufel, insbesondere die Verdrehbarkeit um die Längsachse der Leitschaufel, wird dabei mittels einer in Umfangsrichtung ausgebildeten Nut im Innenring, in der der Sicherungsstift geführt wird, ermöglicht. Jede Leitschaufel wird dabei mit jeweils einem ihr zugeordneten Sicherungsstift gesichert. Alternativ ist es vorgesehen, die Leitschaufel mittels einer in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel angeordneten Nietverbindung oder Schraubverbindung in radialer Richtung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig zu verbinden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass eine parallel zur Längsachse der Leitschaufel angeordnete Schraube zur Fixierung des Innenrings an dem radial innenliegenden Ende der Leitschaufel ausgebildet ist. Auch in diesen Fällen ist pro Leitschaufel eine Sicherung in Form einer Nietverbindung oder Schraubverbindung vorgesehen. Nachteilig an den bekannten Sicherungssystemen ist jedoch, dass hierdurch zusätzliche Leckagepfade in axialer Richtung geöffnet werden können, wodurch die Leistung der Strömungsmaschine vermindert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sicherung eines Leitschaufelsystems für eine Strömungsmaschine zu verbessern. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine zu verbessern und ein besonders einfaches Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystems für eine Strömungsmaschine zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Leitschaufelsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Leitschaufelsystems, der Strömungsmaschine und des Verfahrens zur Montage des Leitschaufelsystems als jeweils wechselseitig vorteilhafte Ausgestaltungen anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Leitschaufelsystem für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einer um eine Verstellachse drehbar gelagerten Leitschaufel, welche mit einem radial inneren Endbereich in einer korrespondierenden Ausnehmung eines Innenrings angeordnet ist, wobei die Anordnung der Leitschaufel an dem Innenring mittels eines Sicherungselements formschlüssig gesichert ist.
Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass das Sicherungselement als längliches Element ausgebildet ist, welches wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung des radial inneren Endbereichs der Leitschaufel und wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung des Innenrings angeordnet ist. Diese Sicherung stellt eine zuverlässige formschlüssige Verbindung eines Leitschaufelzapfens mit dem Innenring dar. Ein Abspringen des Innenrings zum Beispiel im Fall von sogenannten Pumpstößen ist damit besonders unwahrscheinlich oder sogar gänzlich ausgeschlossen. Weiterhin werden durch die jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen vorzugsweise keine zusätzlichen Leckagepfade in axialer Richtung geöffnet, da diese in Umfangsrichtung verlaufen. Die formschlüssige Verbindung des Innenrings mit der Leitschaufel unterdrückt zudem die als Cording bekannte thermische Verformung des Innenrings. Dadurch wird ein unnötiger Verschleiß von jeweiligen an dem Innenring angeordneten Dichtungselementen verhindert. Das Cording wird insbesondere durch transiente thermische Verformungen des Innenrings und/oder der Leitschaufeln hervorgerufen.
Das Leitschaufelsystem kann dabei Teil eines Leitschaufelrings sein, welches auch als Leitrad bezeichnet wird. Insbesondere kann das Leitschaufelsystem mehrere, um jeweils eine Verstellachse drehbar gelagerte Leitschaufeln umfassen, welche in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die jeweilige Verstellachse der Leitschaufeln entspricht dabei vorzugsweise einer radialen Richtung der Strömungsmaschine. Vorzugsweise ist die Leitschaufel beziehungsweise sind die Leitschaufeln an dem Innenring gelagert und/oder der Innenring an den Leitschaufeln gehalten.
Vorzugsweise ist das Sicherungselement dazu ausgebildet, dass es durch die Anordnung in den jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen eine relative, radiale Bewegung der Leitschaufeln und des Innenrings zueinander verhindert oder zumindest auf ein bestimmtes Maximalmaß begrenzt. Die jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen können dabei so ausgebildet sein, dass sich entweder die Leitschaufel mit dem Sicherungselement zusammen innerhalb des Innenrings um die Verstellachse drehen lässt oder die Leitschaufel gedreht werden kann, ohne dass das Sicherungselement mitgedreht werden muss. Dadurch ist die Ei- und/oder Verstellbarkeit der Leitschaufel auch mit der Sicherung gewährleistet. Die Leitschaufel kann somit weiterhin in einem vorbestimmten Winkelbereich eingestellt beziehungsweise gedreht werden, wodurch die Strömungsmaschine in jedem Betriebspunkt mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Vorzugsweise wird das Leitschaufelsystem in einem Niederdruckverdichter oder einem Hochdruckverdichter von Flugtriebwerken eingebaut.
Die Leitschaufel des Leitschaufelsystems kann an ihrem radial inneren Endbereich kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Diese Bauweise zeichnet sich durch eine sehr geringe radiale Bauhöhe aus. Dies erlaubt eine leckageoptimale Gestaltung jeweiliger innerer Kavitäten des Innenrings und auch der Strömungsmaschine und damit insgesamt eine strukturmechanisch günstige Gestaltung eines Rotorverbands. Bei einem radial inneren Endbereich, welcher als Lagerzapfen ausgebildet ist und von dem Innenring umfasst wird, ist dagegen mit erhöhen Leckagen zu rechnen. Insbesondere kann es in diesem Fall notwendig sein, den Innenring axial geteilt auszubilden.
Zudem können die Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen aufeinander ausgerichtet sein. Das heißt, jeweilige Durchgangsöffnungen und/oder Ausnehmungen sind wenigstens in teilweiser Überdeckung zueinander angeordnet, um so das Sicherungselement in Umfangsrichtung durch diese Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung führen zu können. Dabei sind die Durchgangsöffnungen und/oder Ausnehmungen vorzugsweise so geformt, dass die Leitschaufel weiterhin verstellbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass wenigstens zwei Leitschaufeln des Leitschaufelsystems mittels eines gemeinsamen Sicherungselements gesichert sind. Insbesondere kann ein Sicherungselement zum gemeinsamen Sichern einer Vielzahl oder aller Leitschaufeln eingesetzt werden. Dadurch sinkt der Aufwand zur Sicherung der Anordnung der Leitschaufeln an dem Innenring ganz erheblich. Es ist nicht mehr notwendig, jede Leitschaufel einzeln separat zu sichern. Insbesondere kann dafür ein Sicherungselement in Umfangsrichtung in den Innenring eingeschoben werden. Dieses Sicherungselement kann sich über die gesamte Erstreckung in Umfangsrichtung des Innenrings erstrecken. Damit ist das Leitschaufelsystem besonders schnell und einfach zu montieren, außerdem sind weniger Teile notwendig. Die gemeinsame Sicherung von mehreren Leitschaufeln mittels eines gemeinsamen Sicherungselements wird dabei erst durch die Ausrichtung der jeweiligen Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine in dieser einfachen Form ermöglicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass die Ausnehmung der Leitschaufel als außen wenigstens teilweise um den radial inneren Endbereich der Leitschaufel verlaufende Nut ausgebildet ist. Eine solche Nut ist dabei schnell und kostengünstig zu fertigen. Außerdem wird durch eine solche Nut der Verstellbereich der Leitschaufel bei dem Drehen um die Verstellachse nicht eingeschränkt. Außerdem wirkt sich die am Umfang des radial inneren Endbereichs der Leitschaufel verlaufende Nut vorteilhaft auf das Schwingungsverhalten der Leitschaufel im Betrieb der Strömungsmaschine aus. Zudem wird bei einer nur bereichsweise um den radial inneren Endbereich der Leitschaufel verlaufenden Nut die Gefahr von durch die Sicherung erzeugten Leckagen minimiert. In der Nut der Leitschaufel kann das Sicherungselement radial nach außen und/oder nach innen abgestützt sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass das Sicherungselement als in Umfangsrichtung verlaufender, im Querschnitt runder oder rechteckiger Sicherungsdraht ausgebildet ist. Ein Sicherungsdraht ist ein besonders kostengünstiges herzustellendes und/oder besonders leichtes Sicherungselement. Außerdem kann ein Sicherungsdraht besonders einfach an die Form beziehungsweise den Radius des Innenrings angepasst werden. Die jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen können wenigstens bereichsweise einen korrespondierenden Querschnitt aufweisen. Ein eckiger, insbesondere ein rechteckiger Querschnitt und ein eckiger, insbesondere rechteckiger Sicherungsdraht sind dabei besonders kostengünstig zu fertigen. Ein runder Querschnitt und/oder ein runder Sicherungsdraht sind besonders robust. Insbesondere kommt es zu keinen Spannungsspitzen aufgrund scharfer Winkel in dem radial inneren Endbereich der Leitschaufel und/oder in dem Innenring.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass der Innenring in axialer Richtung der Strömungsmaschine ungeteilt ist. Ein solcher Innenring ist besonders kostengünstig zu fertigen, benötigt bei der Montage keine zusätzlichen Verbindungselemente in axialer Richtung und weist keine Leckage durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Spalt auf. Ein solcher axial ungeteilter Innenring ist besonders vorteilhaft, wenn der radial innere Endbereich der Leitschaufel kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem radial inneren Endbereich mit einem Lagerzapfen und einem Tellerelement zum Halten der Leitschaufel an dem Innenring kann ein so geformter Endbereich problemlos in die korrespondierende Ausnehmung des Innenrings eingeführt werden. Insbesondere sind dann auch keine zusätzlichen Hülsen zum Lagern der Leitschaufel am Innenring notwendig.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass der Innenring in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine in wenigstens zwei Innenringsegmente geteilt ist. Beispielsweise kann das Leitschaufelsystem einen Innenring mit zwei sich über 180° erstreckenden Innenringsegmenten aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass der Innenring aus vier 90-Grad-Innenringsegmenten zusammengesetzt ist. Ein in Umfangsrichtung geteilter Innenring ermöglicht eine besonders einfache Montage der Strömungsmaschine. Außerdem kann so ein besonders großer Innenring vorgesehen sein, dessen Durchmesser nicht durch jeweilige Fertigungsanlagen auf einen maximalen Durchmesser eines fertigbaren Bauteils beschränkt ist. Außerdem ermöglicht ein in Umfangsrichtung geteilter Innenring ein besonders einfaches Einführen des Sicherungselements. Das Sicherungselement kann so einfach in eine Öffnung an einer Stirnseite der jeweiligen Innenringsegmente – also einer Fläche, welche zu dem nächsten Innenringsegment bei dem zusammengefügten Innenring weist – eingefädelt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass pro Innenringsegment jeweils ein Sicherungselement vorgesehen ist. Dadurch können die jeweiligen Sicherungselemente bei in Umfangsrichtung geteilten Innenringen besonders einfach montiert werden. Insbesondere kann jeweils ein Teil des Leitschaufelsystems, bestehend aus einem Innenringsegment, den jeweiligen zugeordneten Leitschaufeln und dem zugeordneten Sicherungselement, montiert werden und anschließend dann einfach der Innenring und damit auch das Leitschaufelsystem durch Verbinden dieser Innenringsegmente mit den daran gehaltenen Leitschaufeln und den bereits montierten Sicherungselementen zusammengesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass der Innenring zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Dadurch wird die Herstellung eines Innenrings mit besonders komplexen Geometrien ermöglicht, insbesondere mit hinterschnittenen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen, welche mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht oder nur sehr aufwendig hergestellt werden können. Das additive Fertigungsverfahren eignet sich insbesondere, um einen in axialer Richtung ungeteilten Innenring mit komplexen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen herstellen zu können. Ebenso ist es natürlich möglich, dass auch die jeweiligen Leitschaufeln und/oder das Sicherungselement zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sind. Insbesondere ist es so möglich, den Innenring und das Sicherungselement und/oder die Leitschaufeln in einer gemeinsamen Fertigung, insbesondere in einem einzigen Fertigungsschritt, herzustellen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass an dem Innenring radial innenseitig wenigstens ein Dichtungselement angeordnet ist. Mittels dieses Dichtungselements kann ein Strömungsraum der Strömungsmaschine gegenüber einer radial innenseitig angeordneten Welle der Strömungsmaschine abgedichtet werden. Aufgrund der formschlüssigen Sicherung der Leitschaufeln an dem Innenring kommt es, wie bereits erläutert, zu keinem oder nur zu einem besonders reduzierten Cording. Dadurch ist ein Verschleiß dieses Dichtungselements im Betrieb der Strömungsmaschine besonders reduziert. Dabei kann radial innenseitig an dem Innenring ein Dichtungsträger zum Halten des Dichtungselements vorgesehen sein. Dies gewährleistet ein einfaches Austauschen des Dichtungselements.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitschaufelsystems ist es vorgesehen, dass die Ausnehmung und/oder die Durchgangsöffnung des radial inneren Endbereichs der Leitschaufel wenigstens bereichsweise länglich korrespondierend zu dem Sicherungselement ausgebildet ist und/oder die Ausnehmung und/oder die Durchgangsöffnung des Innenrings wenigstens bereichsweise länglich korrespondierend zu dem Sicherungselement ausgebildet ist. Dadurch kann das Sicherungselement an den jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen besonders zuverlässig abgestützt werden. Durch die korrespondierenden länglichen Ausgestaltungen der Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen und des Sicherungselements ist die Leitschaufel zudem besonders lagegenau an dem Innenring gehalten werden, wodurch das sogenannte Cording besonders reduziert wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass diese Strömungsmaschine wenigstens ein Leitschaufelsystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt umfasst. Die sich aus der Verwendung des Leitschaufelsystems gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystems für eine Strömungsmaschine. Erfindungsgemäß ist dabei das Bereitstellen wenigstens einer um eine Verstellachse drehbar lagerbaren Leitschaufel mit einem radialen Endbereich, welcher wenigstens eine in Einbaulage der Leitschaufel in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufende Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung aufweist, eines Innenrings mit einer zu dem radial inneren Endbereich der Leitschaufel korrespondierenden Ausnehmung und mit wenigstens einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung, und eines als längliches Element ausgebildeten Sicherungselements vorgesehen. Vorzugsweise ist die Leitschaufel dabei drehbar an der Strömungsmaschine lagerbar, insbesondere an einem Außenring der Strömungsmaschine beziehungsweise eines Leitschaufelrings. In einem weiteren Schritt ist das Einführen des radial inneren Endbereichs der Leitschaufel in die Ausnehmung des Innenrings vorgesehen. Danach wird das Sicherungselement in die Ausnehmung und/oder in die Durchgangsöffnung des Innenrings und in die Ausnehmung und/oder in die Durchgangsöffnung der Leitschaufel zum formschlüssigen Sichern der Anordnung der Leitschaufel an dem Innenring eingeführt. Dafür kann es notwendig sein, die Leitschaufel nach dem Einführen in die Ausnehmung des Innenrings so auszurichten, dass die jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen wenigstens so weit in Überdeckung sind, dass das Durchführen des Sicherungselements möglich ist.
Vorzugsweise wird das Sicherungselement eingeschoben. Insbesondere kann das Sicherungselement in Umfangsrichtung in die jeweiligen Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen eingeführt werden. Dabei kann es vorgesehen sein, dass ein als Sicherungsdraht ausgebildetes Sicherungselement erst durch dieses Einführen an die in Umfangsrichtung gekrümmte Form des Innenrings angepasst wird. Außerdem kann ein ausreichend langes Sicherungselement durch mehrere Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen von mehreren Leitschaufeln durchgeführt werden, wodurch diese mit einem einzelnen Sicherungselement gemeinsam gesichert werden können.
Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung eignet sich also zur Montage eines Leitschaufelsystems gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, wobei das Leitschaufelsystem so besonders einfach montiert werden kann. Das Verfahren zur Montage gemäß dem dritten Erfindungsaspekt kann damit auch als Teil eines Verfahrens zur Montage einer Strömungsmaschine gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt verwendet werden. Die sich aus dem Leitschaufelsystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt beziehungsweise aus der Strömungsmaschine gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten beziehungsweise des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei die vorteilhaften Ausgestaltungen des ersten beziehungsweise des zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt:
1 in einem Meridianschnitt ein Leitschaufelsystem für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einer drehbar gelagerten Leitschaufel, welche an einem Innenring angeordnet ist, wobei diese Anordnung mittels eines Sicherungselements formschlüssig gesichert ist;
2 in einer schematischen Perspektivansicht ausschnittsweise das Leitschaufelsystems gemäß 1;
3 bis 6 in einer schematischen Schnittansicht ausschnittsweise alternative Ausführungsformen der Leitschaufel und des Sicherungselements für das Leitschaufelsystem gemäß 1.
1 zeigt in einem Meridianschnitt ein Leitschaufelsystem 10 für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einer um eine Verstellachse 12 drehbar gelagerten Leitschaufel 14, welche mit einem radial inneren Endbereich 16 in einer korrespondierenden Ausnehmung 18 eines Innenrings 20 angeordnet ist. Der radial innere Endbereich 16 ist dabei kegelstumpfförmig ausgebildet. Die Anordnung der Leitschaufel 14 an dem Innenring 20 ist dabei mittels eines Sicherungselements 22 formschlüssig gesichert. Aufgrund dieser Sicherung der Anordnung wird verhindert, dass der radial innere Endbereich 16 der Leitschaufel 14 beispielsweise aufgrund von sogenannten Pumpstößen von dem Innenring 20 abspringt beziehungsweise aus dessen Ausnehmung 18 herausrutscht.
In dem gezeigten Beispiel weist das Leitschaufelsystem 10 einen Außenring 24 auf, an welchem die Leitschaufel 14 mittels eines Lagerzapfens 26 drehbar gelagert ist. An dem Außenring 24 können auch beispielsweise jeweilige Verstelleinrichtungen zum Drehen der Leitschaufel 14 um die Verstellachse 12 vorgesehen sein. Durch diese Drehung der Leitschaufel 14 kann deren Stellung an einen jeweiligen Betriebspunkt der Strömungsmaschine angepasst werden und somit den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erhöhen. Vorzugsweise ist die Strömungsmaschine dabei als Flugtriebwerk ausgebildet.
In der 1 ist ein Koordinatensystem 30 zur Orientierung eingezeichnet. Der Pfeil 32 markiert dabei die radial Richtung nach außen der Strömungsmaschine. Der Pfeil 34 markiert die axiale Richtung der Strömungsmaschine. Da es sich um einen Meridianschnitt handelt, weist die Umfangsrichtung der Strömungsmaschine in die Blattebene hinein beziehungsweise hinaus und folgt dabei einer Krümmung des Innenrings 20. In der 2 bis 6 ist das Koordinatensystem 30 ebenfalls eingezeichnet. In 2 ist dabei die Umfangsrichtung der Strömungsmaschine durch Pfeil 46 kenntlich gemacht.
Das Leitschaufelsystem 10 bildet dabei Teil eines sogenannten Leitschaufelrings beziehungsweises eines sogenannten Leitrads der Strömungsmaschine. Der Leitschaufelring umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 14. Das Leitschaufelsystem 10 beziehungsweise der Leitschaufelring ist dabei vorzugsweise ein Teil eines Hochdruck- oder Niederdruckverdichters der Strömungsmaschine.
Radial innenseitig ist an dem Innenring 20 ein Dichtungselement 36 vorgesehen. Mittels dieses Dichtungselements 36 kann ein Strömungsraum, welcher durch den Außenring 24 und den Innenring 20 begrenzt wird, gegenüber weiteren Teilen der Strömungsmaschine abgedichtet werden. Das Dichtungselement 36 kann dabei beispielsweise als schleifende Bürstendichtung ausgebildet sein, mittels welcher dieser Strömungsraum an einer rotierenden Welle der Strömungsmaschine abgedichtet wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sicherungselement 22 als längliches Element ausgebildet, welches wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Durchgangsöffnung 38 des radial inneren Endbereichs 16 der Leitschaufel 14 angeordnet ist. Durch die Ausrichtung des Sicherungselements 22 in Umfangsrichtung und zudem in jeweils dazu korrespondierenden Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen 40 (siehe auch 2) ist eine einzelne oder gemeinsame Sicherung einer oder mehrerer Leitschaufeln 14 an dem Innenring 20 mittels eines einzigen Sicherungselements 22 möglich. Dadurch ist diese Sicherung besonders einfach zu montieren und benötigt besonders wenige Teile. Gleichzeitig wird der Innenring 20 aufgrund der gesicherten Anordnung besonders zuverlässig an der Leitschaufel 14 gehalten und jeweilige transiente thermische Effekte, welche auch als Cording bezeichnet werden, sind reduziert. Dadurch ist ein Verschleiß des Dichtungselements 36 beim Betrieb der Strömungsmaschine besonders gering.
Über das Sicherungselement 22 sind die Leitschaufeln 14 und der Innenring 20 radial aneinander nach außen und/oder nach innen abgestützt. Die Durchgangsöffnung 40 beziehungsweise die Durchgangsöffnungen 40 des Innenrings 20 sind dabei in der schematischen Perspektivansicht des Leitschaufelsystems 10 gemäß 2 gezeigt. Dort ist auch zu erkennen, dass die Durchgangsöffnung 38 der Leitschaufel 14 und die Durchgangsöffnung 40 des Innenrings 20 für die Montage beziehungsweise ein Einführen des Sicherungselements 22 aufeinander ausgerichtet sind. Da die jeweiligen Durchgangsöffnungen 38, 40 in Umfangsrichtung verlaufen, kommt es aufgrund der Sicherung der Anordnung des Leitschaufelsystems 10 vorzugsweise zu keinen zusätzlichen axialen Leckagen.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Leitschaufelsystems 10 zeigt Durchgangsöffnungen 40 des Innenrings 20, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Entsprechend weist ein hier nicht gezeigtes Sicherungselement 22 vorzugsweise ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt auf, um sich besonders gut in der Durchgangsöffnung 40 abstützen zu können. Ebenso kann auch die Durchgangsöffnung 38 der Leitschaufel 14 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Querschnitte 38, 40 der Durchgangsöffnungen 38, 40 und des Sicherungselements 22 sind dabei derart ausgebildet, dass sie insgesamt zumindest ein minimales Spiel aufweisen, um die Verstellbarkeit der Leitschaufel 14 zu gewährleisten. Alternativ können die Durchgangsöffnungen 38, 40 und/oder das Sicherungselement 22 auch einen runden Querschnitt aufweisen. Ein runder Querschnitt führt dabei zu besonders geringen Spannungsspitzen bei einer Belastung, wodurch das Leitschaufelsystem 10 besonders robust ist. Es können auch andere Querschnittsformen für die Durchgangsöffnungen 38, 40 und das Sicherungselement 22 gewählt werden.
Die 3 bis 6 zeigen in einer schematischen Schnittansicht den radial inneren Endbereich 16 der Leitschaufel 14 mit dem dort angeordneten Sicherungselement 22 in verschiedenen Ausgestaltungsformen. 3 zeigt dabei die Ausgestaltungsform gemäß 1. Hier ist das Sicherungselement 22 ebenso wie die Durchgangsöffnung 38 im radial inneren Endbereich 16 der Leitschaufel 14 rechteckig ausgebildet. Der Querschnitt der Durchgangsöffnung 38 ist gegenüber dem Querschnitt des Sicherungselementes 22 in axialer Richtung vergrößert. Damit ist die Verstellbarkeit der Leitschaufel 14 gewährleistet.
4 zeigt eine Ausgestaltungsform, bei welcher das Sicherungselement 22 in einer Ausnehmung 42 an der Leitschaufel 14 angeordnet ist. Bei der Ausnehmung 42 gemäß 4 handelt es sich als außen wenigstens teilweise um den radial inneren Endbereich 16 der Leitschaufel 14 verlaufende Nut. Eine korrespondierende Nut zur Aufnahme eines weiteren Bereichs des Sicherungselements 22 ist an der Innenseite der Ausnehmung 18 ausgebildet (nicht dargestellt). Durch diese Ausgestaltung ist wiederum gewährleistet, dass die Leitschaufel 14 weiterhin um die Verstellachse 12 gedreht werden kann, ohne dass diese Drehung durch das Sicherungselement 22 blockiert wird. Das Sicherungselement 22 weist zudem einen runden Querschnitt auf.
5 zeigt eine Ausnehmung 42, welche als komplett um den radial inneren Endbereich 16 verlaufende Nut ausgebildet ist. Eine korrespondierende Nut zur Aufnahme eines weiteren Bereichs des Sicherungselements 22 ist an der Innenseite der Ausnehmung 18 ausgebildet (nicht dargestellt). Die komplett umlaufende Nut schränkt einen Verstellbereich bei der Drehung der Leitschaufel 14 nicht ein. Das Sicherungselement 22 weist zudem einen runden Querschnitt auf.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform, bei welcher die Ausnehmung 42 ähnlich zu der Ausnehmung 42 gemäß 4 ausgebildet ist. Bei der Ausgestaltungsform gemäß 6 ist die Ausnehmung 42 jedoch rechteckig ausgebildet. Ebenso ist hier das Sicherungselement 22 im Querschnitt rechteckig ausgebildet.
In 2 ist ein Innenringsegment 44 des Innenrings 20 gezeigt. Mindestens zwei dieser Innenringsegmente 44 bilden den Innenring 20 aus. Der Innenring 20 ist in Umfangsrichtung geteilt. Das Sicherungselement 22 wird bei dem geteilten Innenring 20 einfach in Umfangsrichtung durch die jeweiligen Durchgangsöffnungen 40 des Innenringsegments 44 geführt. Dabei sind vorher die Leitschaufeln 14 mit ihrem radial inneren Endbereich 16 in der Ausnehmung 18 des Innenringsegments 44 angeordnet worden. Es kann dabei pro Innenringsegment 44 jeweils ein Sicherungselement 22 vorgesehen sein. Auch die Verwendung eines einzigen, umlaufenden Sicherungselements 22 ist möglich.
Beispielsweise ist es möglich, einen im Querschnitt runden oder rechteckigen Sicherungsdraht als Sicherungselement 22 über einen Sektor von bis zu 180 Grad in Umfangsrichtung durch den Innenring 20 beziehungsweise ein Innenringsegment 44 zu schieben und formschlüssig mit den kegelstumpfförmigen Lagerzapfen der Leitschaufeln 14 zu verbinden. Dabei kann dieser Sicherungsdraht als gerader Draht bereitgestellt werden und erst durch das Einfädeln an eine Krümmung des Innenrings 20 angepasst werden.
Anstelle von Durchgangsöffnungen 40 können der Innenring 20 beziehungsweise das die Innenringsegmente 44 auch jeweilige Ausnehmungen 42, beispielsweise in Form einer Nut, aufweisen. Diese Nut könnte beispielsweise radial nach innen weisen, wodurch dann weiterhin eine radial außenseitige Abstützung des Sicherungselements 22 in einer solchen Nut des Innenrings 20 möglich ist. Generell kann eine Form und/oder ein Querschnitt einer Durchgangsöffnung 40 oder einer Ausnehmung 42 des Innenrings 20 zu den Formen und/oder Querschnitten des Sicherungselements 22 und/oder der Ausnehmung 42 der Leitschaufel 14 und/oder der Durchgangsöffnung 38 der Leitschaufel 14 korrespondieren. Für beispielhafte Formen und Querschnitte wird auf die 3 bis 6 verwiesen.
Vorzugsweise sind der Innenring 20 beziehungsweise die Innenringsegmente 44 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Beispielsweise können dafür ein sogenanntes Selective Laser Melting- oder Selective Electron Beam Melting-Verfahren verwendet werden. Dadurch kann ein Innenring 20 mit Geometrien hergestellt werden, welche mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar sind. Insbesondere können direkt jeweilige Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen 40 bei dem Innenring 20 vorgesehen sein. Die Durchgangsöffnungen 40 können dagegen bei einem axial ungeteilten Innenring 20, insbesondere aufgrund der Krümmung des Innenrings 20, beispielsweise nicht durch herkömmliches Fräsen oder Bohren in den Innenring 20 eingebracht werden.
Bezugszeichenliste

10: Leitschaufelsystem
12: Verstellachse
14: Leitschaufel
16: radial innerer Endbereich
18: Ausnehmung
20: Innenring
22: Sicherungselement
24: Außenring
26: Lagerzapfen
30: Koordinatensystem
32: Pfeil
34: Pfeil
36: Dichtungselement
38: Durchgangsöffnung
40: Durchgangsöffnung
42: Ausnehmung
44: Innenringsegment
46: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2884055 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Finanzhilfevereinbarung Nr. CSJU-GAM-SAGE-2008-001 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (FP7/2007-2013) für Clean Sky Joint Technology Initiative [0001]

Claims

Leitschaufelsystem (10) für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einer um eine Verstellachse (12) drehbar gelagerten Leitschaufel (14), welche mit einem radial inneren Endbereich (16) in einer korrespondierenden Ausnehmung (18) eines Innenrings (20) angeordnet ist, wobei die Anordnung der Leitschaufel (40) an dem Innenring (20) mittels eines Sicherungselements (22) formschlüssig gesichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (22) als längliches Element ausgebildet ist, welches wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung (42) und/oder Durchgangsöffnung (38) des radial inneren Endbereichs (16) der Leitschaufel (14) und wenigstens in einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung (40) des Innenrings (20) angeordnet ist.
Leitschaufelsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Leitschaufeln (14) des Leitschaufelsystems (10) mittels eines gemeinsamen Sicherungselements (22) gesichert sind.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (42) der Leitschaufel (14) als außen wenigstens teilweise um den radial inneren Endbereich (16) der Leitschaufel (14) verlaufende Nut ausgebildet ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (22) als in Umfangsrichtung verlaufender, im Querschnitt runder oder eckiger Sicherungsdraht ausgebildet ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (20) in axialer Richtung der Strömungsmaschine ungeteilt ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (20) in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine in wenigstens zwei Innenringsegmente (44) geteilt ist.
Leitschaufelsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass pro Innenringsegment (44) jeweils ein Sicherungselement (22) vorgesehen ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (20) zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenring (20) radial innenseitig wenigstens ein Dichtungselement (36) angeordnet ist.
Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (42) und/oder die Durchgangsöffnung (38) des radial inneren Endbereichs (16) der Leitschaufel (14) wenigstens bereichsweise länglich korrespondierend zu dem Sicherungselement (22) ausgebildet ist und/oder die Ausnehmung und/oder die Durchgangsöffnung (40) des Innenrings (20) wenigstens bereichsweise länglich korrespondierend zu dem Sicherungselement (22) ausgebildet ist.
Strömungsmaschine, insbesondere Flugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens ein Leitschaufelsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Montage eines Leitschaufelsystem (10) für eine Strömungsmaschine mit den Schritten: – Bereitstellen wenigstens einer um eine Verstellachse (12) drehbar lagerbaren Leitschaufel (14) mit einem radial inneren Endbereich (16), welcher wenigstens eine in Einbaulage der Leitschaufel (14) in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufende Ausnehmung (42) und/oder Durchgangsöffnung (38) aufweist, eines Innenrings (26) mit einer zu dem radial inneren Endbereich (16) der Leitschaufel (14) korrespondierenden Ausnehmung (18) und mit wenigstens einer in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine verlaufenden Ausnehmung und/oder Durchgangsöffnung (40), und eines als längliches Element ausgebildeten Sicherungselements (22); – Einführen des radial inneren Endbereichs (16) der Leitschaufel (14) in die Ausnehmung (18) des Innenrings (20); – Einführen des Sicherungselements (22) in die Ausnehmung (42) und/oder in die Durchgangsöffnung (38) des Innenrings (20) und in die Ausnehmung und/oder in die Durchgangsöffnung (40) der Leitschaufel (14) zum formschlüssigen Sichern der Anordnung der Leitschaufel (14) an dem Innenring (20).