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Axialverdichter
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Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter, insbesondere für eine
Gasturbine, mit mindestens einer Leitschaufelreihe, deren Leitschaufeln mit Hilfe
von Leitschaufelfüßen an Tragring-Segmenten befestigt sind, die in einer zugeordneten
umlaufenden Ringnut des Verdichtergehäuses festgelegt sind.
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Ein bekannter Axialverdichter dieser Art besitzt Leitschaufeln, die
auf dünnen Tragring-Segmenten zu jeweils zwei Leitschaufelreihen angeordnet und
offenbar durch Vernietung der Leitschaufelfüße befestigt sind. Das Einhalten der
geforderten genauen Ausrichtung der Leitschaufeln ist durch diese Befestigungsart
im Zusammenhang mit den dünnen Tragring-Segmenten erschwert und ein Austausch einzelner
Leitschaufeln nur mit großem Aufwand durchführbar. Da zudem die Leitschaufelreihe
in nur zwei Segmente unterteilt ist, die demnach einen Zentriwinkel von 1800 Grad
aufweisen, ist das Einhalten der geforderten radialen Ausrichtung noch weiter erschwert
und
zusätzlich der Einbau dieser großen Segmente in die zugeordneten
Ringnuten aufwendig, was insbesondere für Axialverdichter hoher Leistung zutrifft,
deren Leitschaufelreihen einen entsprechend großen Durchmesser aufweisen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Axialverdichter
der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Leitschaufeln auf einfache Weise und
ohne Beeinträchtigung der geforderten exakten radialen Ausrichtung sicher auf den
Tragring-Segmenten befestigt sind bei gleichzeitiger leichter Austauschbarkeit einzelner
Leitschaufeln. Darüber hinaus soll das Einbringen der die Leitschaufeln tragenden
Segmente in die vorgesehenen Ringnuten sowie deren sichere Befestigung leicht durchführbar
sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Leitschaufelfüße
in Nuten, die sich über die gesamte axiale Breite der jeweils nur die Leitschaufeln
einer einzigen Leitschaufelreihe tragenden Segmente erstrecken, in radialer und
peripherer Richtung formschlüssig und lösbar befestigt und durch Anlage an die Flanken
der Ringnut in axialer Richtung arretiert sind, und daß die Segmente jeweils einen
Zentriwinkel von 200 Grad bis 600 Grad, vorzugsweise 300 Grad bis 1150 Grad, aufweisen
und durch mindestens je einen Haltestift, der im Grund der Ringnut angeordnet und
radial nach innen ausgerichtet ist sowie durch Federbelastung in eine zugeordnete
Radialöffnung des Segmentes eingreift, in peripherer Richtung fixiert sind.
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Durch diese Art der Befestigung der Leitschaufeln in den Segmenten
ist die streng radiale Ausrichtung der Leitschaufeln nicht gefährdet bei gleichzeitiger
einfacher Austauschbarkeit einzelner Schaufeln. Da die in radialer
und
peripherer Richtung formschlüssige Festlegung der Leitschaufeln in den Segmenten
eine radiale Wandstärke dieser Segmente bewirkt, welche für die Aufnahme der den
Formschluß bewirkenden Profilierungen ausgelegt ist, ergibt sich bei der üblichen
Form solcher Profilierungen eine radiale Wandstärke der Segmente, die gute Steifigkeit
und geringe Verformung während des Betriebs zur Folge hat. Hierdurch lassen sich
die im Betrieb auftretenden Schaufelschwingungen genauer vorausberechnen und durch
geeignete konstruktive Maßnahmen so legen, daß keine Resonanzerscheinungen auftreten.
Durch die Beschränkung des Zentriwinkels der Segmente auf 200 Grad bis 600 Grad,
vorzugsweise 300 Grad bis 450 Grad, ist deren Bearbeitung und Montage oder Demontage
ohne Schwierigkeiten durchzuführen. Hierbei erweist sich der radial nach innen ausgerichtete
und durch Federbelastung in eine zugeordnete Öffnung des Segmentes eingreifender
Haltestift besonders vorteilhaft für eine sichere und trotzdem leicht lösbare periphere
Fixierung der Segmente. Insgesamt gesehen, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung
vereinfachte Herstellung mit leichter Montage bzw. Demontage vereint, so daß der
Gesamtaufwand gering ist.
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Um die Festlegung der Leitschaufelfüße in den Nuten sowie die Ausbildung
der Leitschaufeln zu vereinfachen, ist es empfehlenswert, daß jede Nut entsprechend
der Schrägstellung der zugehörigen Leitschaufel, bezogen auf eine die Längsachse
enthaltende Ebene, schräg im Segment verläuft.
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Für die formschlüssige Festlegung der Leitschaufelfüße in den Segmenten
stehen dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine besonders empfehlenswerte
Festlegung, die Einfachheit mit Sicherheit verbindet, kann gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung darin be-
stehen, daß jeder Leitschaufelfuß hammerkopfartig
ausgebildet und in der entsprechend geformten Nut gehalten ist.
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Eine andere sich günstig auf die Festlegung der Leitschaufeln auswirkende
Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß jede Leitschaufel durch mindestens
eine am radialen Ende des Leitschaufelfußes in einer Bohrung geführte Schraubenfeder
radial nach innen gedrückt ist. Die Schraubenfeder stützt sich hierbei am Grund
der Nut ab.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen,
daß die Leitschaufelreihe an der Peripherie ihrer Tragring-Segmente eine ringförmige
Umfangsnut aufweist, die durch den Bereich der Radialöffnungen der einzelnen Segmente
verläuft und eine solche Tiefe besitzt, daß zwischen dem Grund der Umfangsnut und
dem Radialstift ein Keil einschiebbar ist zum Herausdrücken der Haltestifte aus
den Radialöffnungen. Hierdurch ist es möglich, für den Ausbau der Trag-Segmente
deren periphere Fixierung auf einfache Weise aufzuheben.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei bilden sämtliche beschriebenen und/oder in den Zeichnungen dargestellten
Merkmale für sich oder in einer Kombination, die im Sinne der Erfindung wirkt, den
Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Ausschnitt eines Axialverdichters in teilweise
geschnittener Seitenansicht,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Gegenstand
der Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie II-II in anderem Maßstab, Fig. 3 einen
peripheren Schnitt gemäß der Schnittlinie III-III, wobei die Schnittfigur in die
Zeichenebene abgewickelt ist, Fig. 11 einen Schnitt durch den Gegenstand de Fig.
3 gemäß der Schnittlinie IV-IV in etwas größerer Darstellung, Fig. 5 einen Querschnitt
durch den Gegenstand der Fig. 2 gemäß der Schnittlinie V- in etwas größerer Darstellung,
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 2 entsprechend der Schnittlinie
VI-VI in etwas größerer Darstellung und Fig. 7 die perspektivische Darstellung eines
Leitschaufelfußes als Einzelheit.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Axialverdichters in Seitenansicht
dargestellt, wobei der obere Bereich axial geschnitten ist. Man erkennt das Verdichtergehäuse
10, das einen oberen halbkreisförmigen Teil 12 sowie einen unteren ebenfalls halbkreisförmigen
Teil 14 aufweist, der nur bereichsweise dargestellt ist. Beide Teile 12, 14 sind
mit radial nach außen gerichteten Flanschen 16 versehen und durch angedeutete Schrauben
18 miteinander verbunden. Die Trennebene der Teile 12 und 111 verläuft horizontal
und durch die Längsachse 28 des Axialverdichters. Die Gasdurchströmung des axialverdichters
erfolgt von rechts nach links.
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Im kreisringförmigen Verdichtergehäuse 10 sind innen umlaufende Ringnuten
20 mit axialem Abstand eingearbei-
tet, in denen die Leitschaufeln
22 gehalten sind, wobei die Leitschaufeln jeder Ringnut eine peripher umlaufende
Leitschaufelreihe 23 bilden. Zwischen den Leitschaufeln 22 sind die Laufschaufeln
24 angeordnet und auf einer Welle 26 befestigt, deren Längsachse 28 angedeutet ist.
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Die Leitschaufeln 22 sind nicht direkt in den Ringnuten 20, welche
im dickwandigen Verdichtergehäuse 10 eingearbeitet sind, angeordnet, sondern es
sind Tragring-Seg mente 30 formschlüssig in den Ringnuten 20 fixiert und die Leitschaufeln
22 ihrerseits ebenfalls formschlüssig an den Tragring-Segmenten befestigt.
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In Fig. 1 erkennt man noch die Umfangsnuten 32, die an den Umfangsflächen
der Tragring-Segmente 30 eingearbeitet sind. Die Nuten haben hierbei rechteckförmigen
Querschnitt. Einzelheiten über diese Umfangsnuten 32 sowie über die Befestigungsart
der Leitschaufeln sind in den folgenden Figuren besser zu erkennen.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II durch
Fig. 1, wobei nur ein Ausschnitt der Leitschaufelreihe 23 dargestellt ist. Man erkennt
ein Tragring-Segment 30 an das sich weitere Tragring-Segmente zu einem Tragring
anschließen. Zwischen den einzelnen Segmenten sind hierbei radial verlaufende Ausdehnungsspalte
34 vorgesehen. Die periphere Weite dieser Ausdehnungsspalte ist so gewählt, daß
bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen eine spannungsfreie periphere Ausdehnung
der Tragring-Segmente möglich ist. Der Zentriwinkel < dieser Tragringsegmente
liegt zwischen 200 Grad und 600 Grad. Jedoch ist zu beachten, daß sich eine Aufteilung
des Tragringes in Segmente solcher Größe ergibt, daß diese sich nicht über die Trennfuge
zwischen den beiden Flanschen 16 hinaus von einem Teil, z. B. 12, ins andere Teil,
z. B. 14, erstrecken. Hierdurch wäre
nämlich der Zusammenbau der
Gehäuseteile erschwert.
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Jedes Segment 30 weist zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln an
seiner peripher verlaufenden Umfangsfläche eine Radialöffnung 36 in Form einer radial
verlaufenden Sacklochbohrung auf. In diese Radialöffnung 36 greift ein im Profil
angepaßter radial verlaufender Haltestift 38 ein. Dieser Haltestift ist in einer
entsprechenden Bohrung des Verdichtergehäuses 10 geführt und durch eine Schraubenfeder
110 radial nach innen beaufschlagt. Um hierbei die Gesamtlänge der Bohrung zu verkürzen,
weist der Haltestift 38 ebenfalls ein Sackloch auf, in das die Schraubenfeder 40
eingreift. Durch den Haltestift 38 wird das Tragring-Segment 30 in peripherer Richtung
fixiert. Die Haltestifte 38 jeder Leitschaufelreihe 23 sind auf einer Radialebene
angeordnet. Weitere Einzelheiten über die Anordnung sind Fig. 5 zu entnehmen, welche
einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie V-V zeigt.
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Um die periphere Fixierung der Segmente 30 im Falle einer Demontage
aufheben zu können, weisen die Segmente 30 jeder Leitschaufelreihe die peripher
umlaufende Umfangsnut 32 auf. Diese Umfangsnut weist ein rechteckförmiges Profil
auf und verläuft durch den Bereich der Radialöffnungen 36 der Segmente 30 und hat
eine solche radiale Tiefe, daß zwischen dem Grund der Umfangsnut 32 und dem radialen
Ende des Haltestiftes 38 ein Keil eingeschoben und hierdurch der Haltestift aus
dem Segment geschoben werden kann, so daß dieses frei ist. Ein solcher in den Figuren
nicht dargestellter Keil wird vom peripheren Ende eines Segmentes in die Umfangsnut
32 eingeschoben.
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aus dem Querschnitt gemäR Fig. 5 ist die formschlüssige radiale und
axiale Festlegung des Tragring-Segmentes 30
im Axialverdichtergehäuse
10 deutlich zu erkennen. Jedes Segment 30 weist ungefähr einen rechteckförmigen
Querschnitt auf, dessen axiale Länge auf die Länge der Leitschaufelfüße und dessen
radiale Wandstärke auf die Profilierungen der Leitschaufelfüße abgestimmt ist. Zur
axialen Führung des Segmentes 30 liegen seine Seitenflächen 42 an den Flanken 44
der Ringnut 20 an. Für die radiale Fixierung und Führung weist die Ringnut 20 in
der Nähe des Nutgrundes axial verlaufende und in den Innenraum der Nut zeigende
ringförmige Vorsprünge 46 auf. Diese Vorsprünge 46 greifen in entsprechend geformte
ringförmige Ausnehmungen der Segmente 30 ein, so daß die Segmente 30 in radialer
Richtung formschlüssig durch Hintergriff dieser Vorsprünge 46 gehalten sind, wie
dies sehr deutlich aus Fig. 5 zu erkennen ist.
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Jedes Segment 30 ist somit durch die Vorsprünge 116 und die Haltestifte
38 formschlüssig und doch lösbar im Verdichtergehäuse 10 festgelegt. Hierbei ist
es vorteilhaft, wenn die radialen Endflächen 48 der Segmente 30 am Grund der Nut
20 anliegen.
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Wie aus den Figuren 2 und 3 zu erkennen ist, sind an jedem Segment
30 mehrere Leitschaufeln 22 befestigt, deren Anzahl von der Größe des Zentriwinkels
i , das heißt von der peripheren Erstreckung des Segmentes, sowie von der Bauart
und Baugröße des Axialverdichters abhängt. Jede Leitschaufel 22 weist einen Leitschaufelfuß
50 auf, der gegenüber dem Profil der Leitschaufel verdickt ist (vergl. auch Fig.
7). Der Leitschaufelfuß 50 ist hammerkopfartig ausgebildet, er weist demnach an
seinem radialen Ende beidseitige Vorsprünge 52 auf, die sich über die gesamte axiale
Länge des Leitschaufelfußes erstrecken. Jeder Leitschaufelfuß 50 ist in einer zugeordneten
und zum Innenraum offenen in Richtung der Längsachse des Axialverdichters verlaufenden
Nut 54
gelagert. Hierbei liegen die ebenen Seitenwände 56 sowie
die ebenfalls ebene Endfläche 58 des Schaufelfußes an entsprechenden Wänden der
Nut 54 an, so daß im Zusammenhang mit den Vorsprüngen 52, welche einen Hintergriff
der Nut bilden, jede Leitschaufel 22 formschlüssig und lösbar in peripherer und
radialer Richtung fixiert ist.
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Wie weiter aus Fig. 3 zu erkennen ist, verlaufen die Leitschaufeln
in axialer Richtung schräg zu einer Ebene, die. durch die angedeutete Längsachse
28 des Axialverdichters gelegt ist. Dementsprechend schräg sind auch die Nuten 54
in die Segmente 30 eingearbeitet, wobei sich diese Nuten über die gesamte axiale
Breite der Segmente erstrecken, so daß die Leitschaufelfüße 50 in die Nuten 54 eingeschoben
werden können. Aus Fig. 3 ist auch zu ersehen, daß sich die in der Draufsicht rhombenförmigen
Leitschaufelfüße 50 über die gesamte axiale Breite b des Segments 30 erstrecken,
das heißt, die Leitschaufelfüße 50 enden bündig mit dem Segment. Hierdurch liegen
die Leitschaufelfüße 50 mit ihren Enden 60 an den Flanken 62 der Ringnut 20 an,
so daß die Leitschaufelfüße in axialer Richtung festgelegt und im Zusammenhang mit
der vorgeschriebenen Festlegung nach allen Richtungen fixiert sind.
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Hierzu wird noch auf Fig. 4 verwiesen, die einen Querschnitt durch
den Gegenstand der Fig. 3 gemäß der Schnittlinie IV-IV zeigt. Man erkennt dort zusätzlich,
daß im Bereich zwischen den beiden gleichweit vorstehenden Vorsprüngen 46 der Leitschaufelfuß
in axialer Richtung an beiden Enden verkürzt sein -muß, so daß der Leitschaufelkopf
dort eine Stufe 64 aufweist, wie insbesondere auch aus Fig. 7 zu erkennen ist. Die
beidseitige axiale Verkürzung des Leitschaufelfußes ist erforderlich, um das mit
Leitschaufeln bestückte Tragringsegment in die zugeordnete Ringnut einführen zu
können, denn die
im Bereich der Vorsprünge 46 liegende Verkürzung
schafft Raum für die Vorsprünge 46.
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Die zweite Leitschaufel von links der Fig. 2 weist bezüglich der Befestigung
des Leitschaufelfußes eine Variante auf. Wie besser aus dem Querschnitt gemäß Fig.
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6 zu entnehmen ist, sind in der radialen ebenen Endfläche 58 des Leitschaufelfußes
zwei radial verlaufende Sacklochbohrungen 66 vorgesehen, die bezüglich der Mittenebene
68 der Leitschaufeln symmetrisch angeordnet sind. In diesen Bohrungen 66 sind Schraubenfedern
70 angeordnet, die sich am Grund der Nut 54 abstützen und somit die Leitschaufeln
22 radial nach innen drücken.
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Hierdurch ist die Fixierung der Leitschaufeln in radialer Richtung
verbessert. Die Sackloch-Bohrungen 66 sind auch in Fig. 7 eingezeichnet.
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Wie insbesondere aus Fig. 2 zu erkennen ist, verlaufen die Seitenwände
56 der Schaufelfüße und dementsprechend die zugeordneten Nutflächen parallel, auch
verläuft die Endfläche 58 jedes Leitschaufelfußes senkrecht und eben zur radialen
Richtung. Hierdurch ist die Fertigung von Leitschaufelfuß und zugeordneter Nut wesentlich
vereinfacht.
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Für die Dimensionierung können folgende Richtwerte angenommen werden.
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Die axiale Breite b der Segmente liegt je nach Maschinengröße zwischen
50mm und 150mm, wobei die radiale Dicke 4Omm bis 120mm beträgt. Die Dimensionen
der anderen Bauelemente können insbesondere den Fig. 4 bis 6 entnommen werden, welche
die einzelnen Bauelemente in ungefähr richtigem Größenverhältnis zeigen.
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Bezugszeichenliste 10 Verdichtergehäuse 14 unterer Teil 18 Schraube
22 Leitschaufel 24 Laufschaufel 28 Längsachse 32 Umfangsnut 36 Radialöffnung 110
Schraubenfeder 44 Flanke 48 Endfläche 52 Vorsprung 56 Seitenwand 60 Ende 611 Stufe
68 Mittenebene 12 oberer Teil 16 Flansch 20 Ringnut 23 Leitschaufelreihe 26 Welle
30 Tragring-Segment 34 ausdehnungsspalte 38 Haltestift 42 Seitenfläche 116 Vorsprung
50 Leitschaufelfuß 54 Nut 58 Endfläche 62 Flanke 66 Sackloch-Bohrung 70 Schraubenfeder
Stand der Technik: DE-AS 10 54 202.