DE3711224A1 - Verstelleinrichtung fuer die leitschaufeln einer axialstroemungsmaschine - Google Patents
Verstelleinrichtung fuer die leitschaufeln einer axialstroemungsmaschineInfo
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- F01D17/10—Final actuators
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- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für die
Leitschaufeln einer Axialströmungsmaschine von der im
Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen Art.
Eine Verstelleinrichtung dieser Art ist aus der DE-OS
35 19 747 bekannt. Sie ermöglicht es, während des Be
triebes der Strömungsmaschine, insbesondere eines Turbo
verdichters, den Anstellwinkel der Leitschaufeln zu ver
ändern und dadurch das Verhalten der Maschine an unter
schiedliche Betriebsbedingungen, wie z. B. Teillast und
Vollast, anzupassen und Wirkungsgradverluste zu reduzieren.
Bei der vorbekannten Verstelleinrichtung ist der Verstell
ring mit den Hebeln der Leitschaufeln durch einfache
Scharnierstifte verbunden und wird von ihnen getragen,
ist also nicht gesondert am Gehäuse geführt. Die Ge
lenkverbindungen mittels der Scharnierstifte müssen
ein ausreichendes Spiel haben, damit die Verstellbe
wegungen, bei der sich der Verstellring und die Hebel
in verschiedenen Ebenen drehen, möglich ist. Auch die
unvermeidlichen Wärmedehnungen setzen ein ausreichendes
Spiel in den Gelenkverbindungen voraus.
Auf die Leitschaufeln einer Strömungsmaschine wirken
im Betrieb sehr starke Kräfte ein. Soweit sie senk
recht zur Leitschaufelachse oder parallel zu ihr wir
ken, müssen sie von der Lagerung des Leitschaufelschaftes
im Leitschaufelträger aufgenommen werden. Zusätzlich
treten aber auch starke Drehmomente um die Leitschaufel
achse auf, die über die Hebel auf den Verstellring über
tragen werden. Dabei kann es durch das Spiel in der Ge
lenkverbindung und durch mangelnde Führung des Ver
stellrings zu starken Schwingungen kommen, wodurch
Wirkungsgradverluste eintreten und die Lebensdauer
der Leitschaufel herabgesetzt wird.
Es sind auch Verstelleinrichtungen für Leitschaufeln
bekannt, bei denen die Leitschaufel über Hebel mit
einer in Axialrichtung verschiebbaren Verstellhülse
gelenkig verbunden sind, wie z. B. gemäß DE-PS 31 25 639.
Axialverschiebbare Verstellhülsen haben den Nachteil,
daß benachbarte Leitschaufelkränze nur gemeinsam, aber
nicht einzeln verstellt werden können. Auch treten be
züglich der Lagerspiele und der Empfindlichkeit gegen
Schwingungsbelastungen ähnliche Probleme auf. Die be
kannten Verstelleinrichtungen sind zur Verwendung im
Niedertemperaturbereich insbesondere bei Verdichten
oder der Verdichtungsstufe von offenen Gasturbinen,
vorgesehen. Eine auch im Hochtemperaturbereich, insbe
sondere in geschlossenen Gasturbinen, befriedigend
einsetzbare Verstelleinrichtung ist nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstell
einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß eine leichtgängige, kompakte und gegen äußere Ein
flüsse weitgehend geschützte Konstruktionen geschaffen
wird, die auch für den Einsatz im Hochtemperaturbereich
ausgelegt werden kann und bei der die auf die Leit
schaufeln wirkenden Kräfte weitgehend spielfrei aufge
nommen werden, so daß Schwingungen nicht auftreten,
andererseits aber die Verstellbewegungen sich leicht
gängig und verschleißarm abspielen können.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eines
oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale des Patentan
spruchs gelöst.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen achssenkrechten Schnitt durch einen Teil
des Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine
mit zugehöriger Verstelleinrichtung;
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt gemäß der Linie
II-II von Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Verstellein
richtung.
Die Leitschaufeln 1 eines Leitschaufelkranzes der Ma
schine haben Schäfte 1 a, die in radialen Lagerbohrungen
eines ringförmigen Leitschaufelträgers 12 drehbar ge
lagert sind und zwar in Lagerbuchsen 2, die einen Außen
flansch 2 a aufweisen und in der Lagerbohrung mittels einer
eingeschraubten Ringmutter 3 festgelegt sind. An der Außen
seite des Leitschaufelträgers 12 ist auf dem verlängerten
Schaft 1 a der Leitschaufel ein Hebel 4 mittels einer
Paßfeder 17 drehfest aufgesetzt. Der Hebel 4 stützt
sich gegen das über den Leitschaufelträger 12 überstehende
Ende der Lagerbuchse 2 ab. Auf die Oberseite des Hebels 4
drückt eine Tellerfeder 16, die sich über eine Scheibe 15
gegen eine auf ein Gewindeende 1 b des Schaftes 1 a auf
geschraubte Kronenmutter 14 abstützt. Die Tellerfeder 16
übt auf den Schaft 1 a eine in Fig. 2 nach oben ge
richtete Vorspannkraft aus, durch die ein Flansch 1 c
des Schaftes 1 a gegen die untere Stirnfläche der Lager
buchse 2 gedrückt wird. Dadurch ist der Schaft 1 a in
der Lagerbuchse 2 axial spielfrei, gegen Wärmedehnungen
elastisch und schwingungsdämpfend eingespannt.
Der Leitschaufelträger 12 ist staubdicht in eine ring
förmige Ausnehmung eines Trägerringes 13 eingesetzt.
In einer Nut 13 a des Trägerringes 13 ist ein Verstell
ring 7 drehbar geführt. Die Führung in Radialrichtung
erfolgt über Radialrollen 10, die in der Nut 13 a ange
ordnet und mittels Lagerstiften 11 am Trägerring 13 ge
lagert sind. Die Führung in Axialrichtung erfolgt durch
Axialrollen 8, die am Verstellring 7 mittels Lager
stiften 9 gelagert sind, mit ihren vorzugsweise ballig
ausgebildeten Umfangsflächen ein wenig über die Stirn
fläche des Verstellrings 7 überstehen und gegen die
axialen Begrenzungsflächen der Nut 3 a anliegen. Um
Verstellring 7 und Leitschaufelträger einsetzen zu
können, ist der Trägerring 13 in einer geeigneten Axial
ebene in zwei Hälften geteilt und diese durch (nicht
dargestellt) Befestigungsmittel miteinander verbunden.
Der Verstellring 7 weist entsprechend der Leitschaufel
anzahl eine Anzahl von zylindrischen Axialbohrungen 7 a
auf, die zur inneren Umfangsfläche des Verstellrings 7
hin offen sind. Darin sind drehbar und axial verschieb
bar Zylinderbolzen 6 gelagert. Jeder Zylinderbolzen 6
hat eine achssenkrechte Bohrung, in der ein zum Schaft 1 a
der Leitschaufel achsparalleler Stift 5 drehbar ge
lagert ist, der mit dem Hebel 4 verbunden ist.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist an dem Verstellring 7
ein Ansatz 19 vorgesehen, der durch eine Ausnehmung
des Trägerrings 13 nach außen ragt und an dem mittels
eines Zylinderlagers 20 eine Verstellspindel 21 angreift.
Diese ist durch eine Durchführung 18 a des Außengehäu
ses 18 der Strömungsmaschine nach außen geführt, wo
bei eine gas- und staubdichte Abdichtung mittels ei
nes elastischen Balges 22 erfolgt, der mittels eines
Flansches 23 an dem Durchführungsstutzen 18a befestigt
ist. An dem nicht näher gezeigten Außenende der Ver
stellspindel 21 kann ein beliebiger hand- oder motor
betätigbarer Verstellantrieb angreifen, um die Spin
del 21 in ihrer Achsrichtung zu bewegen und dadurch
den Verstellring 7 in seiner Umfangsrichtung entspre
chend dem Pfeil 24 zu drehen.
Bei Drehung des Verstellrings 7 in Umfangsrichtung wer
den über die Zylinderbolzen 6 und Stifte 5 die Enden
der Hebel 4 mitgenommen, so daß sie sich bezüglich der
Leitschaufelachse verdrehen. Da die Hebel 4 drehfest
mit den Schäften 1 a der Leitschaufeln verbunden sind,
werden dadurch auch die Leitschaufeln um ihre Achsen
verdreht. Die bei dieser Verstellbewegung notwendiger
weise auftretenden Lageveränderungen der Stifte 5 re
lativ zur Mittelebene und Radialrichtung des Verstell
rings 7 werden dabei durch die Drehbarkeit und Axial
verschiebbarkeit der Zylinderbolzen 6 ausgeglichen.
Hierdurch werden jegliche Verklemmungen vermieden, ob
wohl an den relativ zueinander beweglichen Lagerflächen
der verschiedenen beweglichen Teile keinerlei Lager
spiele erforderlich sind und die Führung der Leitschau
feln mittels des Verstellrings formschlüssig, spiel
frei und ausschließlich über Flächenberührung ohne
Punkt- oder Linienkontakt erfolgt.
Der gesamte Verstellmechanismus ist staubdicht
in dem vom Trägerring 13 und dem darin eingesetzten
Leitschaufelträger 12 umschlossenen Raum eingekapselt.
Die gesamte Verstelleinrichtung ist von kompakter Kon
struktion, die in Achsrichtung nicht wesentlich mehr
Platz einnimmt, als der Leitschaufelkranz selbst. Es
ist deshalb ohne weiteres möglich, auch axial eng be
nachbarte Leitschaufelkränze jeweils mit einer derar
tigen Verstelleinrichtung auszurüsten.
Bei geeigneter Materialwahl der Werkstoffe für die mit
einander in Gleitberührung stehenden Teile ist die ge
samte Verstelleinrichtung schmiermittel- und somit war
tungsfrei. Vorzugsweise können für den Leitschaufel
schacht 1, den Verstellring 7 und den Stift 5 Spezial
stähle, wie z. B.
- X21 Cr. Mo 12.1
X5 Ni Cr Ti 2615
X8 Cr Ni Mo Nb 1810
X8 Cr Ni Mo B Nb 1810
eingesetzt und die Reibflächen dieser Bauteile zusätzlich
oberflächengehärtet werden, während für Lagerbuchse 2
und Zylinderbolzen 6 Lagerwerkstoffe mit guten Gleit
eigenschaften wie z. B. Stellite 21, Tribaloy T 400 oder
Stähle wie GGG-Ni Cr Nb 202 oder GGG 40 verwendet werden.
Die durch den extern angeordneten (nicht dargestellten)
Stellantrieb über die Verstellspindel 21 erzeugte Ver
stellbewegung wird gasdicht sperrgas- und wartungsfrei
über den Metallfaltenbalg 22 abgedichtet in das Maschinen
innere eingeleitet.
Die gesamte Verstelleinrichtung ist aufgrund ihrer kom
pakten Bauweise so konzipiert, daß sie sich auch zur
Nachrüstung an vorhandenen Maschinen eignet.
Die Auswahl bzw. Werkstoffpaarung unter den vorgenannten
bevorzugten Werkstoffen kann gezielt je nach den zu er
wartenden Betriebstemperaturen des jeweiligen Einsatzbe
reiches vorgenommen werden, wobei sich die genannten Werk
stoffe insbesondere für den Hochtemperatureinsatz eignen.
Für den Hochtemperatureinsatz sind ferner die folgenden
vorteilhaften Merkmale der erfindungsgemäßen Verstell
einrichtung hervorzuheben:
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist keinerlei Punkt-
oder Linienberührung zwischen den bewegungsübertragenden
Teilen auf, sondern ausschließlich Flächenberührung
zwischen Zylinderflächen. Hierdurch in Verbindung mit einer
temperaturbezogenen Werkstoffauswahl kann eine definierte
Spielqualität über einen äußeren Temperaturbereich und
auch über lange Betriebszeiten aufrechterhalten werden.
Punkt- oder Linienberührung würde zwangsläufig zu einer
Spielvergrößerung bei längerer Betriebszeit führen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere
hinsichtlich der besonders kritischen Schaufeldreh
schwingungen weitgehend spielfrei und bleibt es auch
in einem großen Temperaturbereich und während einer
langen Betriebszeit. Sie eignet sich deshalb besonders
zur Verwendung z. B. im Hochtemperaturteil von Ver
brennungsturbinen, wo die Betriebstemperaturen z. B.
600°C und mehr betragen können.
Bei extremen Temperaturänderungen im An- und Abfahr
betrieb ist eine gewisse Änderung des Lagerspiels der
Leitschaufellagerung unvermeidbar. Die erfindungsgemäß
vorgesehene Federbelastung des Leitschaufelschaftes
sorgt für eine wirksame Unterdrückung bzw. Dämpfung
etwaiger Biegeschwingungen der Leitschaufel.
Claims (1)
- Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer Axial strömungsmaschine, mit einem ringförmigen Leitschaufel träger mit radialen Lagerbohrungen, in denen die Schäfte der Leitschaufeln um die Schaftachsen drehbar gelagert sind, an den Außenseiten des Leitschaufelträgers ange ordneten, auf den Schäften der Leitschaufeln drehfest ausgekeilten Hebeln, einem koaxial zum Leitschaufel träger angeordneten Verstellring, mit dem die Enden der Hebel gelenkig verbunden sind, und einem Verstell antrieb, mit dem der Verstellring in seiner Umfangs richtung bewegbar ist, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
- 1. der Verstellring (7) ist in einer auf drei Seiten geschlossenen Nut (13 a) eines Trägerringes (13) gelagert, die auf der vierten, radial nach innen gerichteten Seite durch den in die Nut eingesetzten Leitschaufelträger (12) abdichtend geschlossen ist, wobei die Hebel (4) und ihre Gelenkverbindungen mit dem Verstellring (7) ge schützt innerhalb der Nut liegen;
- 2. der Verstellring (7) ist in der Nut (13 a) axial und radial mittels Rollen (10, 9) gelagert;
- 3. die Gelenkverbindung zwischen jedem Hebel (4) und dem Verstellring (7) besteht aus einem Zylinderbolzen (6), der in einer zylindrischen, zur inneren Umfangs fläche hin offenen Ausnehmung des Verstellrings (7) achsparallel zum Verstellring drehbar und axial ver schiebbar gelagert ist, und aus einem senkrecht zur Achse des Zylinderbolzens (6) angeordneten Stift (5), der in Bohrungen des Zylinderbolzens (6) und des Hebels (4) eingesetzt und in einer der Bohrungen drehbar ge lagert ist;
- 4. der Schaft (1 a) jeder Leitschaufel (1) ist mittels einer Vorspannfeder (16) gegen eine in der Lager bohrung des Leitschaufelträgers (12) befestigte Lager buchse (2) mit einer radial nach außen wirkenden Vor spannkraft verspannt.
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