DE3540401A1 - Leitschaufelkranz fuer turbomaschinen, insbesondere fuer gasturbinen - Google Patents
Leitschaufelkranz fuer turbomaschinen, insbesondere fuer gasturbinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz für
Turbomaschinen, insbesondere für Gasturbinen, der in
einem durch zwei konzentrische Ringe gebildeten Kanal der
Maschine angeordnet ist und dessen Schaufeln eintritts
seitig aus einem feststehenden Teil, austrittsseitig
aus einem diesem gegenüber verschwenkbaren Teil be
stehen, wobei sich die Trennung zwischen festen und
schwenkbaren Schaufelteilen im Bereich der größten
Schaufeldicke befindet und selbst in den äußersten
Regulierstellungen der schwenkbaren Schaufelteile noch
ein tangentialer Anschluß an das Profil der festen
Schaufelteile gewährleistet ist.
Ein solcher Leitschaufelkranz ist bekannt aus der
deutschen Auslegeschrift 10 41 739.
Bei einem solchen Leitschaufelkranz erfordert die An
lenkung durch Schwenkachsen im Zentrum des verschwenk
baren Teils und ihre Ausführung eine massive Lagerung
im äußeren und inneren Ring des Turbinengehäuses.
Besonders im inneren Ring ist der Raumbedarf einer sol
chen Schwenkachsenlagerung erheblich und unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leitschaufelkranz
für Turbomaschinen zu schaffen mit Schaufeln, deren
schwenkbare Schaufelteile ohne massive Gelenkachsen
und ohne die Lagerung in zwei konzentrischen Ringen
auskommen.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Leitschaufelkranz
der eingangs erwähnten Art dadurch, daß der Spalt zwi
schen festem und schwenkbarem Schaufelteil auf einer
Seite durch ein elastisches Band und auf der gegenüber
liegenden Seite durch ein nachgiebiges Band überdeckt
ist.
Der wesentliche Vorteil, der mit der Erfindung erreicht
wird, ist darin zu sehen, daß ein Leitschaufelkranz
geschaffen wird, der ohne massive Gelenkachse die An
triebsverbindung zum schwenkbaren Schaufelteil her
stellt und der ohne Lagerung in beiden konzentrischen
Ringen, insbesondere ohne das Lager im inneren Gehäuse
ring auskommt. Dadurch ist Platz für zusätzliche Maß
nahmen zur Dichtspaltoptimierung gegenüber den Lauf
schaufeln im inneren Gehäuse, wie z. B. aktive Spalt
regelung (kühlluftgesteuert) geschaffen. Auch für
sonstige Ausgestaltungen des inneren Ringes des Turbinen
gehäuses bietet sich eine größere Vielfalt an. Thermische
oder Abdichtprobleme lassen sich leichter lösen.
Obwohl die Leitschaufeln in der erfindungsgemäßen Aus
bildung relativ einfach herstellbar, zu warten, zu repa
rieren oder auszutauschen sind, ergibt die Überbrückung
der Trennung zwischen festen und schwenkbaren Schaufel
teilen keine aerodynamische Störung, insbesondere des
Tragflächenprofils. Dies ist unabhängig von der je
weiligen Schwenkstellung des betreffenden Schaufelteils.
Anordnung und Ausbildung des elastischen Bandes ergeben
eine relativ hohe Temperaturwechselbeständigkeit und
Zeitstandfestigkeit. Gleiches gilt für das gewählte Ab
deckband. Letzteres kann relativ steifer ausgeführt sein
als das die Gelenkachse ersetzende elastische nachgiebige
Band. Ausführungen, insbesondere als Verbundwerkstoffe,
haben sich bewährt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beige
fügten Zeichnung rein schematisch dargestellt und anhand
dessen in der Beschreibung erläutert. Die Erfindung ist
nicht auf das dargestellte beschriebene Ausführungsbei
spiel beschränkt, sondern umfaßt ausdrücklich auch
Kombinationen und Unterkombinationen dieser Merkmale
und Merkmalen aus den Ansprüchen.
Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine verstellbare
zweiteilige Schaufel,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kanal, der
durch zwei konzentrische Ringe, eine Turbo
maschine, insbesondere eines Gasturbinen
gehäuses gebildet ist,
Fig. 3 den Antrieb des Leitschaufelkranzes nach
Fig. 2.
Wie ersichtlich, ist der Leitschaufelkranz aus einzelnen
Leitschaufeln oder leitschaufelähnlichen Teilen gebildet,
die über den Umfang eines Ringes der Turbomaschine als
Kranz oder Leitgitter verteilt angeordnet sind mit der
Eintrittsseite in der Zeichnung (Fig. 1) links und der
Austrittsseite dort rechts zu einem Rotor hin, d. h.,
z. B. eine Turbinenstufe mit ihren Laufschaufeln.
Die Laufschaufel 1 hat einen feststehenden Teil 2 und
einen schwenkbaren Teil 3 mit einer Trennung zwischen den
beiden im Bereich der größten Schaufeldicke, wobei die
Trennlinie profiliert ist wie Fig. 1 zeigt, um einerseits
die Verschwenkbarkeit des schwenkbaren Teils mit einem
Verstellglied 4 zu ermöglichen und andererseits die
Auslenkung des schwenkbaren Teils 3 in seiner Maximal
auslenkstellung gemäß Pfeil in Fig. 1. Deshalb weist die
Trennungslinie 5 am feststehenden Teil 2 zwei Bögen mit
unterschiedlichen Radien und einer Verbindungslinie bzw.
-fläche auf.
Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist das Verstellglied 4 einge
setzt in das schwenkbare Teil 3 und form- oder reib
schlüssig darin gehalten. In Fig. 1 dient dazu ein
schwalbenschwanzartiger Fortsatz des Verstellglieds 4.
Auch andere Arten des gegenseitigen Eingriffs können ge
wählt werden, um die Schwenkbewegung zu übertragen.
Das Schaufelprofil, insbesondere ein aerodynamisch
günstiges Tragflächenprofil oder dergleichen, bleibt durch
die Trennung oder Schwenken des Teils 3 praktisch unbe
rührt, d. h. der Profilanschluß bzw. -übergang bleibt ge
währleistet durch die Bänder 6 und 7, wobei 6 das
elastische Band bildet und 7 das Abdeckband für den
zwischen dem feststehenden Teil und dem schwenkbaren
Teil bestehenden Spalt oder Zwischenraum 8. Das elastische
Band der Schaufel ist an seinen beiden Längsseiten, die
in der Höhe der Schaufeln verlaufen, unlösbar befestigt,
einerseits am feststehenden Teil 2 und andererseits am
schwenkbaren Teil 3. Das elastische Band ist auch mit
dem Verstellglied 4 verbunden, so daß die Schwenkbewegung
in Pfeilrichtung (siehe Fig. 1) ermöglicht wird.
Auf der gegenüberliegenden (inneren) Seite der Schaufel
bzw. des Schaufelkranzes ist dagegen das Abdeckband 7
nur auf einer Seite, nämlich am festen Teil 2 über dessen
Höhe unlösbar befestigt, während das abschwenkbare Teil 3
lose aufliegt. Dabei wird der Spalt 8 sicher überdeckt,
auch in der äußersten Schwenkstellung des Teils 3.
Das elastische Band 6 kann aus einem Elastomer, oder
einem Kunststoff, wie einem Silikon-Kautschuck bestehen,
oder, wenn Arbeitstemperaturen etwas über 200°C erwünscht
sind, aus einem Polyimid oder ähnlich temperaturfesten
Kunststoff. Besonders geeignet sind verstärkte Kunststoffe
oder Elastomere oder Verbundwerkstoffe aus Elastomeren
oder kautschuckartigen Kunststoffen, die einerseits für
die auftretenden Betriebstemperaturen ausreichende Festig
keit aufweisen, andererseits jedoch genügend elastisch
nachgiebig sind. Hierfür sind auch Gewebeeinlagen, ins
besondere Kohlenstoff-, Glasfaser- oder Metallfadengewebe,
-gewirke oder ähnliches geeignet.
Auch Faserverbunde mit Kunstharzen, insbesondere Polymeren
einschließlich Graphit-, Aramid- oder Nylonfäden, Fasern
oder Wicklungen oder bandartige Teile hieraus sind
für Zwecke der Erfindung geeignet. Gleiches gilt für
zusammengesetzte Bänder, insbesondere streifen- oder lagen
artig zusammengesetzte oder verbundene, z.B. vulkanisier
te Bänder.
Für das Abdeckband 7 sind auch einfachere Werkstoffe
oder Werkstoffverbunde anwendbar, sofern sie nur nach
giebig anliegen und dem schwenkbaren Teil 3 bei dessen
Verstellung über den gesamten Winkel folgen können, welcher
in aller Regel bei den hier in Rede stehenden Anwendungen
im Bereich von etwa 0 bis 45° liegt. Hier können auch
Folien zur Anwendung kommen, wie z.B. Folien aus Fluor-
Kohlenstoffen wie FEP oder PTFE. Weiter sind Kunstharze
verschiedener Art, insbesondere Polymer-Kunststoffe eben
falls geeignet, einschließlich Polyimid. Aus Service
gründen können auch die Bänder 6 und 7 aus gleichem
elastischen Material verwendet werden, obwohl dies für
die Wirkung nicht erforderlich ist. Bei der Auswahl wird
man sich auch von der Preiswürdigkeit im jeweiligen An
wendungsfall leiten lassen.
In Fig. 2 dargestellt ist die Anordnung des Leitschaufel
kranzes zwischen dem inneren Ring des Gehäuses einer
Turbomaschine 9 und dem Außenring 10 des Gehäuses oder
eines ähnlichen gehäuseseitigen Ringteils. Beide Ringe
9 und 10 sind zueinander konzentrisch angeordnet.
Nur im Außenring 10 ist ein Lager 11 für das Verstell
glied 4, z. B. eine ausgesparte Gelenkwelle, angeordnet.
Die ausgesparte Fläche 12 bildet die Verbindungsfläche
zum elastischen Band 6. Die Aussparung ist etwa den halben
Durchmesser der Gelenkwelle des Verstellglieds 4 betreffend,
wie Fig. 2 zeigt. Oberhalb der Aussparung befindet sich
das Lagerteil 11 für die einseitige hängende Lagerung
der Schaufel und oberhalb des Lagers ein Schwenkhebel 13,
der seinerseits an einem Gelenkbolzen 14 in einem Stell
ring 15 des Leitkranzes angeordnet ist, wie Fig. 3 per
spektivisch richtig zeigt, wobei die Dreh- bzw. Schwenk
richtungen durch Pfeile angedeutet sind.
In Fig. 2 ist dagegen die Verbindung zum Stellring 15 um
90° gedreht in die Zeichenebene dargestellt. Solche Stell
ringe und der Stellantrieb für das Verschwenken eines
Laufschaufelkranzes oder -gitters sind an sich bekannt.
Wie ersichtlich, ist die Schaufel 1 am unteren Ende,
d.h. zum inneren Ring hin nicht gelagert sondern frei
aufgehängt, d.h. sie besitzt ein, wenn auch geringes
Spiel zum Innenring 9. Gegebenenfalls kann hier noch
eine Dichtung eingelegt sein in den Zwischenraum zum
Innenring.
Aus Fig. 3 ist der Stellring 15 perspektivisch richtig
in seiner Verbindung mit der Schaufel 1 ersichtlich.
Das elastische Band 6 (auf der Druckseite der Schaufel 1)
erstreckt sich nur über die Länge (Höhe) der Aussparung 12,
der Schaufel 1. Die Lagerung des Verstellgliedes 4 ist
hierbei der Deutlichkeit wegen wegzulassen.
Unter "elastisch" im Sinne der Erfindung wird verstanden
ein Körper der sich nach dem Hook′schen Gesetz verhält,
also von selbst, z.B. federnd, in seine Ausgangslage aus
einer anderen Position zurückkehrt; in die er durch Ein
wirkung äußerer Kräfte gelangt war.
Unter "nachgiebig" im Sinne der Erfindung wird verstanden
ein Körper der anschmiegsam, biegbar oder dergleichen ist,
jedoch nicht von selbst, z.B. unmittelbar zurückfedernd
wieder in seine Ausgangslage gelangt.
Claims (10)
1. Leitschaufelkranz für Turbomaschinen, insbesondere
für Gasturbinen, der in einem durch zwei konzentri
sche Ringe gebildeten Kanal der Maschine angeordnet
ist und dessen Schaufeln eintrittsseitig aus einem
feststehenden Teil, austrittsseitig aus einem diesem
gegenüber verschwenkbaren Teil bestehen, wobei sich
die Trennung zwischen festen und schwenkbaren Schau
felteilen im Bereich der größten Schaufeldicke be
findet und selbst in den äußersten Regulierstellungen
der schwenkbaren Schaufelteile noch ein tangentialer
Anschluß an das Profil der festen Schaufelteile ge
währleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Spalt (8) zwischen festem (2) und schwenkbarem
Schaufelteil (3) auf einer Seite durch ein elasti
sches Band (6) und auf der gegenüberliegenden Seite
durch ein nachgiebiges Band (7) überdeckt ist.
2. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das elastische Band (6) an seinen
beiden Längsseiten, die in der Höhe der Schaufel (1)
verlaufen, unlösbar befestigt ist mit dem fest
stehenden (2) und dem schwenkbaren Schaufelteil (3),
dagegen das Abdeckband (7) nur am feststehenden
Teil (2).
3. Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das elastische Band (6) mit dem Verstell
glied (4) für das schwenkbare Schaufelteil (3) fest
verbunden ist.
4. Leitschaufelkranz nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da
durch gekennzeichnet, daß das elastische Band (6) mit
dem festen (2) und/oder schwenkbaren Teil (3) oder dem
Verstellglied (4) durch Kleben, Siegeln oder Schweißen
verbunden ist.
5. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schwenkbare
Teil (3) mit dem Verstellglied (4) form- und/oder
reibschlüssig verbunden ist.
6. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell
glied (4) asymmetrisch im Bereich der größten
Schaufeldicke angeordnet ist, der äußeren Profilbe
grenzungslinie zugekehrt, von der ausgehend das
schwenkbare Teil (3) verschwenkt wird.
7. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell
glied etwa hälftig - bezogen auf den Durchmesser -
ausgespart ist, um das elastische Band (6) aufzunehmen.
8. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel
(1) an ihrem Verstellglied (4) einseitig aufgehängt
bzw. gelagert ist.
9. Leitschaufelkranz nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Hängelager (11) im Außenring (10)
des Gehäuses angeordnet ist.
10. Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische
Band (6) aus einem faserverstärkten Verbundkunststoff
besteht.
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