EP2884055A1

EP2884055A1 - Verstellbare leitschaufeln mit kegelstumpf in einer lageranordnung

Info

Publication number: EP2884055A1
Application number: EP14197256.2A
Authority: EP
Inventors: Frank Stiehler; Joachim Wulf; Alexander Halcoussis; Birgit Effner
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-06-17
Also published as: EP2884054A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitrad (100) für eine Strömungsmaschine, mit in Umfangsrichtung des Leitrads (100) nebeneinander angeordneten, um ihre radial verlaufende Längsachse (14) verstellbaren Leitschaufeln (200) und einem radial innen angeordneten Innenring (7). Die Leitschaufeln (200) sind an ihrem radial inneren Ende in dem Innenring (7) gelagert. Der Innenring (7) ist in Axialrichtung einstückig ausgebildet. Wenigstens eine Leitschaufel (200) weist eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (14) ausgebildete und radial innen angeordnete Gleitfläche (41) auf. Die Gleitfläche (41) und der Innenring (7) bilden eine Reibpaarung. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk, mit wenigstens einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe mit dem erfindungsgemäßen Leitrad (200).

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 vorliegende Erfindung betrifft ein Leitrad für eine Strömungsmaschine, mit in Umfangsrichtung des Leitrads nebeneinander angeordneten, um ihre radial verlaufende Längsachse verstellbaren Leitschaufeln und einem radial innen angeordneten Innenring gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbine nach Anspruch 15.
In Strömungsmaschinen, insbesondere in Verdichtern, sind Leitschaufeln oft verstellbar, um unterschiedliche Lastzustände im Betrieb der Strömungsmaschine abzubilden. Die Leitschaufeln können beispielsweise im Volllastbetrieb in geöffneter Stellung positioniert sein, während im Teillastbetrieb eine weiter geschlossene Position für einen hohen Wirkungsgrad sinnvoll sein kann. Dies kann etwa bei Flugtriebwerken für den Startvorgang eines Flugzeugs im Volllastbetrieb und im Teillastbetrieb zu deutlichen Treibstoffeinsparungen und damit zu Kosteneinsparungen führen. Im Bereich der Lagerungen der verstellbaren Leitschaufeln können jedoch Leckageströmungen auftreten, die unter anderem zu Wirkungsgradverlusten durch eine Bypassströmung und durch eine Störung des Hauptgasstroms durch die Strömungsmaschine führen können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leitrad mit verstellbaren Leitschaufeln vorzuschlagen, das einerseits Leckageströmungen wenigstens im Bereich der radial inneren Lagerung zumindest minimiert und dabei die Funktionalität der verstellbaren Leitschaufel möglichst nicht beeinträchtigt, und andererseits den Bauraum, insbesondere in Längsausrichtung der Leitschaufeln, minimiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Leitrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Erfindungsgemäß wird somit ein Leitrad für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen, welches in Umfangsrichtung des Leitrads nebeneinander angeordnete, um ihre radial verlaufende Längsachse verstellbare Leitschaufeln sowie einen radial innen angeordneten Innenring aufweist. Der Innenring ist, zumindest abschnittsweise, insbesondere ein Dichtungsträger, beispielsweise ein Dichtungsträger für Einlaufdichtungen. Die Leitschaufeln sind um ihre radial verlaufende Längsachse verstellbar, insbesondere verdrehbar. Am radial inneren Ende sind die Leitschaufeln in dem Innenring gelagert.
Der Innenring ist in Axialrichtung (Drehachse der Strömungsmaschine; Hauptdurchströmungsrichtung) einstückig ausgebildet. Der einstückige Innenring ist in Axialrichtung nicht geteilt. Ein einstückiger Innenring kann in Umfangsrichtung einfach oder mehrfach geteilt sein. Insbesondere ist der einstückige Innenring in zwei 180 Grad Segmente oder drei 120 Grad Segmente in Umfangsrichtung geteilt. Ein einstückiger Innenring kann beispielsweise mittels generativer Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Die Leitschaufel weist eine, im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel ausgebildete, radial innen angeordnete Gleitfläche auf. Die Gleitfläche schließt die Leitschaufel insbesondere radial innen ab, das heißt, die Gleitfläche kann abschließend radial innen in Bezug auf die Leitschaufel angeordnet sein. Jenseits der Gleitfläche weist die Leitschaufel radial innen insbesondere keine weiteren Abschnitte auf, insbesondere keine Lagerzapfen, keine weiteren Lageranordnungen oder Lagerflächen. Die stirnseitige Gleitfläche kann beispielsweise eine plane, ebene oder eine gekrümmte Fläche sein.
Die Gleitfläche und der Innenring bilden eine Reibpaarung.
Die Gleitfläche kann eben oder linienförmig oder punktförmig sein. Eine punktförmige Gleitfläche ist beispielsweise eine Kugel, die sich relativ gegen eine plane ebene oder eine gekrümmte Fläche dreht oder bewegt. Eine linienförmige Gleitebene ist beispielsweise eine plane ebene Fläche, die sich relativ gegen eine ringförmige oder walzenförmige Ebene bewegt.
Die Lagerung der Leitschaufel in dem Innenring weist vorzugsweise keinen Lagerzapfen auf.
Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks "kann sein" bzw. "kann haben" usw. synonym zu "ist vorzugsweise" bzw. "hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutern.
Wann immer hierin Zahlenworte genannt werden, so versteht der Fachmann diese als Angabe einer zahlenmäßig unteren Grenze. Sofern dies zu keinem für den Fachmann erkennbaren Widerspruch führt, liest der Fachmann daher beispielsweise bei der Angabe "ein" oder "einem" stets "wenigstens ein" oder "wenigstens einem" mit. Dieses Verständnis ist ebenso von der vorliegenden Erfindung mit umfasst wie die Auslegung, dass ein Zahlenwort wie beispielsweise "ein" alternativ als "genau ein" gemeint sein kann, wo immer dies für den Fachmann erkennbar technisch möglich ist. Beides ist von der vorliegenden Erfindung umfasst und gilt für alle hierin verwendeten Zahlenworte.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Strömungsmaschine eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk.
Wenigstens eine Leitschaufel kann zur Lagerung in dem Innenring wenigstens eine Rotationsfläche einer ebenen Kurve um die Längsachse der Leitschaufeln aufweisen. Ebene Kurven können mathematisch mittels zwei Koordinaten, beispielsweise mittels einer x-Koordinate und einer y-Koordinate in einer Ebene, beschrieben und dargestellt werden. Im Gegensatz zur ebenen Kurve können Raumkurven mittels drei Koordinaten (z. B. x, y, z) beschrieben werden. Eine einfache ebene Kurve ist beispielsweise eine Gerade. Eine Rotationsfläche mit einer Geraden (als ebener Kurve) kann ein Kegelstumpf sein.
Insbesondere ist der in Bezug auf die Längsachse der Leitschaufel radial außen liegende Begrenzungsradius der Rotationsfläche größer als der radial innen liegende Begrenzungsradius der Rotationsfläche. Weiterhin können die Radien der Rotationsfläche von radial außen nach radial innen kleiner werden. Anders ausgedrückt können sich die Rotationsflächen nach radial innen verjüngen. Die Verjüngung kann kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich sein.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Leitrad ein Abschnitt einer Verdichterstufe der Strömungsmaschine. Eine Verdichterstufe kann ein oder mehrere Leiträder aufweisen.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die ebene Kurve eine Gerade und das radial innere Ende der Leitschaufel weist die Form eines Kegelstumpfes auf.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve wenigstens zwei Geradenabschnitte auf.Das radial innere Ende der Leitschaufel weist insbesondere die Form von zwei aneinandergereihten Kegelstümpfen auf. Die Radien der Rotationsflächen verjüngen sich an dem Übergang der beiden Geraden diskontinuierlich. Ebenso kann die ebene Kurve mehrere Geradenabschnitte aufweisen.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve eine konvexe oder eine konkave Form auf.Bei einer konvexen Form verjüngen sich die Radien der Rotationsflächen zunächst langsamer, dann zunehmend stärker bis zu dem radial innen liegenden Begrenzungsradius. Bei einer konkaven Form verjüngen sich die Radien der Rotationsflächen zunächst stärker und dann geringer bis zu dem radial innen liegenden Begrenzungsradius. Die Radien verjüngen sich sowohl bei der konvexen als auch bei der konkaven Form kontinuierlich.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve wenigstes zwei konvexe Formen oder wenigstes zwei konkave Formen auf. Die Verjüngung der Radien der Rotationsflächen ist an dem Übergang der zwei konvexen Formen oder der konkaven Formen insbesondere diskontinuierlich.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die ebene Kurve eine Hypozykloidenform auf, welche durch Abwälzung eines ersten Kreises in einem zweiten Kreis erzeugt wird. Der Radius des ersten Kreises ist kleiner als der Radius des zweiten Kreises. Beispielhafte Ausführungen zur Hypozykloidenform werden insbesondere in dem erteilten Patent der Anmelderin mit der Patentnummer EP 2 379 847 B1 mit dem Titel "Veifahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators " offenbart. Auf die diesbezügliche Offenbarung wird hiermit vollumfänglich Bezug genommen. Der Radius des zweiten Kreises kann der radial außen liegende Begrenzungsradius der Rotationsflächen sein. Ebenso kann der Radius des zweiten Kreises zwischen dem radial außen liegenden Begrenzungsradius und dem innen liegenden Begrenzungsradius der Rotationsflächen liegen.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Innenring mittels eines in einer Ebene senkrecht zur Längsachse angeordneten Sicherungsstifts in radialer Richtung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig verbunden. Die Verstellbarkeit der Laufschaufel, insbesondere die Verdrehbarkeit um die Längsachse der Laufschaufel, kann beispielsweise mittels einer Nut im Innenring in Umfangsrichtung, in der der Sicherungsstift geführt wird, weiterhin ermöglicht werden.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Innenring mittels einer in einer Ebene senkrecht zur Längsachse angeordneten Nietverbindung oder Schraubverbindung in radialer Richtung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel formschlüssig verbunden.
In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist zwischen den Rotationsflächen der Leitschaufeln und dem Innenring ein Spalt ausgebildet ist und die Gleitlagerung im Wesentlichen mittels einer Gleitfläche senkrecht zur Längsachse stirnseitig am radialen Ende der Leitschaufel ausgebildet.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist ein radial äußeres Gehäuselager der verstellbaren Leitschaufel ein elastisches Element zum Längenausgleich der Leitschaufel in radialer Richtung auf. Das elastische Element kann ein Federelement (z. B. Spiralfeder, Federring etc.), ein Kunststoffelement, ein Gummielement oder ein anderes Element oder eine Vorrichtung sein. Ein Längenausgleich kann infolge einer thermischen Materialausdehnung notwendig werden. Eine thermische Materialausdehnung tritt beispielsweise in thermisch hochbelasteten Flugtriebwerken auf.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die Leitschaufeln einstückig hergestellt. Eine einstückige Herstellung kann beispielsweise mittels eines Gußverfahrens oder mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, z. B. mittels eines selektiven Lasersinterverfahren (SLM - Selective Laser Melting) erfolgen.
Eine Lageranordnung der verstellbaren Leitschaufel kann als Leitschaufellagervorrichtung oder Leitschaufellagereinrichtung oder Leitschaufellagerung bezeichnet werden.
In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die verstellbare Leitschaufel ein Abschnitt eines Verdichters, beispielsweise eines Hochdruckverdichters oder eines Niederdruckverdichters.
In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfasst die verstellbare Leitschaufel wenigstens ein Leitschaufelprofil zur Umströmung eines Arbeitsfluids und einen Außenzapfen zum Drehen und Übertragen einer Drehbewegung der verstellbaren Leitschaufel. Der Außenzapfen kann beispielsweise außerhalb eines Gehäuses der Gasturbine, oder in Verbindung mit dem Gehäuse, mittels eines Elektromotors, eines Getriebes oder einer anderen Ansteuerung gedreht und bewegt werden.
Eine radiale Längsachse der verstellbaren Leitschaufel ist in manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Längsachse, die sich vom äußeren Gehäuse-Lager durch die verstellbare Leitschaufel bis zum Innenring-Lager erstreckt. Insbesondere ist die Längsachse der Leitschaufel auch die Drehachse des äußeren Gehäuse-Lagers, als auch die Drehachse des Innenring-Lagers. Beispielsweise ist die verstellbare Leitschaufel um die radiale Längsachse derart drehbar angeordnet, dass die Anströmung der Leitschaufel wenigstens ein Volllastbetrieb und ein Teillastbetrieb der Gasturbine ermöglicht.
Der Begriff "radial äußeres Gehäuse-Lager" ist in gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen synonym zu den Begriffen "radial äußere Lagerung", "Lagerung am Endbereich in radial äußerer Richtung" oder "endseitige Lagerung in radial äußerer Richtung" oder ähnlichen Begriffen zu verstehen.
Der Begriff "radial innere Lagerung" ist in gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen synonym zu den Begriffen "radial inneres Innenring-Lager", "Lagerung am Endbereich in radial innerer Richtung" oder "endseitige Lagerung in radial innerer Richtung" oder ähnlichen Begriffen zu verstehen.
Der Innenring kann in Umfangsrichtung geteilt sein. Insbesondere zur Montage kann der Innenring in zwei 180 Grad-Segmente geteilt sein. Ebenso kann die Teilung drei 120 Grad-Segmente, vier 90 Grad-Segmente oder andere Segmentierungen aufweisen.
Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann vorteilhaft eine Abdichtung, oder zumindest eine Reduzierung, einer Spaltströmung oder Leckageströmung im Bereich der Rotationsflächen am radial inneren Ende der Leitschaufel erreicht werden. Mittels des erfindungsgemäßen Leitrads kann somit vorteilhaft eine optimale Abdichtung des Spalts, der als sogenannter "Pennyspalt" bezeichnet werden kann, im Bereich der Rotationsflächen erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann weiterhin vorteilhaft eine Verkürzung der Toleranzkette (z. B. Dehnungstoleranzen infolge thermischer Ausdehnungen im Betriebszustand, Fertigungstoleranzen etc.) über die gesamte radiale Länge der Leitschaufel erreicht werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Leitrads kann die radiale Bauhöhe des Innenrings gegenüber einer Lagerung beispielsweise mittels eines Zapfens am radial inneren Ende einer verstellbaren Leitschaufel reduziert werden. Eine Zapfenanordnung, insbesondere mit einer zusätzlichen Buchse als Zapfenlagerung, weist in der Regel eine größere radiale Ausdehnung oder Länge auf als dies mit dem erfindungsgemäßen Leitrad ausführbar ist. Die Kavität, in der beispielsweise ein Kegelstumpf im Innenring geführt wird, ist kleiner gegenüber einer Kavität mit einer Zapfenanordnung. Dadurch kann beispielsweise der Rotordurchmesser der Gasturbine vergrößert werden und/oder das Gewicht des Innenrings und damit der Gasturbine insgesamt reduziert werden. Dies kann weitere Vorteile ermöglichen, beispielsweise Materialkostenreduzierung bei der Fertigung, reduzierte Treibstoffkosten bei einem Einsatz der Gasturbine in einem Flugzeug etc.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann vorteilhaft die Anzahl der Einzelteile einer Leitradanordnung reduziert werden. Beispielsweise können Dichtungsträger und/oder Buchsen (bzw. Lagerbuchsen) für eine alternative Stift- oder Zapfenlagerung der verstellbaren Leitschaufel entfallen.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitrad kann weiterhin vorteilhaft ein Spalt zwischen einem radial inneren Leitschaufelkegel und dem Innenring, insbesondere während eines vorgesehenen Einsatzes als Gasturbine während des Flugbetriebs, stabilisiert werden. Dieses Stabilisieren kann als "Reduzieren des Chordings" bezeichnet werden. Der Begriff "Chording" ist als Ovalisierung des Spaltes infolge von radialen Bewegungen des Innenrings auf den Verbindungsabschnitten der verstellbaren Leitschaufeln zu verstehen. Beispielsweise können die verstellbaren Leitschaufeln mittels Zapfen oder Stiften, und zusätzlich durch Buchsen, nach dem Stand der Technik mit dem Innenring verbunden sein. Diese Verbindungen können nach dem Stand der Technik im vorgesehenen Betrieb Relativbewegungen zueinander ausführen, die zu dem genannten Chording führen können. Mittels des erfindungsgemäßen Leitrads kann dagegen ein radiales Ende der verstellbaren Schaufel mittels eines Leitschaufelkegels in dem Innenring geführt, gelagert und mittels einer radialen Anschlagfläche in dem Kegelstumpf gegrenzt oder fixiert sein. Auf der radial äußeren Seite kann die verstellbare Leitschaufel mittels einer Lagerung und eines elastischen Elements fixiert sein. Diese Lageranordnung kann vorteilhaft eine Relativbewegung, die in diesem Fall keine Drehbewegung der verstellbaren Leitschaufel ist, zwischen der Leitschaufel und dem Innenring verhindern oder zumindest reduzieren, so dass der Chordingeffekt zumindest reduziert wird. Anders ausgedrückt wird der Chordingeffekt mittels des erfindungsgemäßen Leitrads durch ein radiales Kräftegleichgewicht zwischen dem Innenring und einem elastischen Element (dies kann auch als "Anfederung bezeichnet werden) zumindest reduziert.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Leitrads sind eine mögliche Kostenreduzierung aufgrund der bereits genannten Vorteile, ein robustes und kompaktes Design und damit einer Reduzierung der Komplexität gegenüber alternativen Leiträdern mit Zapfen und Buchsen, weiterhin eine mögliche Erhöhung der Standzeit des Leitrads mit den verstellbaren Leitschaufeln bei einem Entfallen von Buchsen (bei einer Lagerung mit Zapfen), sowie eine vereinfachte Montage und dadurch eine mögliche Vermeidung von Beschädigungen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den jeweils schematisch vereinfachten Figuren gilt:

Fig. 1: zeigt einen Ausschnitt eines Leitrads gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2: zeigt einen Leckagestrom zwischen einer Leitradschaufelplattform und einem Innenring gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3: zeigt eine verstellbare Leitschaufel mit einem Leitschaufelkegelstumpf und einem Innenring eines erfindungsgemäßen Leitrads;
Fig. 4a: zeigt schematisch eine Gerade als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4b: zeigt schematisch einen Geradenzug als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4c: zeigt schematisch ein Kreissegment als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4d: zeigt schematisch eine konvexe Form als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4e: zeigt schematisch zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4f: zeigt schematisch eine konkave Form als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4g: zeigt schematisch zwei konkave Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 4h: zeigt schematisch eine Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche;
Fig. 5: zeigt eine verstellbare Leitschaufel in einer Aufsicht von radial außen nach radial innen;
Fig. 6: zeigt einen Ausschnitt einer verstellbaren Leitschaufel in einer Seitenansicht;
Fig. 7: zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lageranordnung mit einer verstellbaren Leitschaufel und einem Innenring;
Fig. 8: zeigt eine Schnittdarstellung der Ansicht aus Fig. 7 mit einer verstellbaren Leitschaufel und einem Innenring;
Fig. 9: zeigt eine perspektivische Ansicht einer radial inneren Lagerung mit einer verstellbaren Leitschaufel und einem Innenring in einem geschlossenen Zustand der Leitschaufel;
Fig. 10a: zeigt einen senkrecht zur Längsachse der Leitschaufel angeordneten Sicherungsstift zur Fixierung des Innenrings an der Leitschaufel;
Fig. 10b: zeigt eine parallel zur Längsachse der Leitschaufel angeordnete Schraube zur Fixierung des Innenrings an der Leitschaufel;

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Leitrads 110 in perspektivischer Ansicht gemäß dem Stand der Technik. Das Leitrad 110 kann alternativ als Leitradkranz 110 bezeichnet werden.
Das Leitrad 110 wird im vorgesehenen Einsatz in Axialrichtung a in einer Strömungsmaschine, insbesondere in einer Gasturbine, angeströmt.
Das Leitrad 110 weist mehrere, in Umfangsrichtung u nebeneinander angeordnete verstellbare Leitschaufeln 210 gemäß dem Stand der Technik auf. Die Leitschaufeln 210 weisen jeweils Außenzapfen 1 auf, die am radial äußeren Ende (in Radialrichtung r) mit einem Gehäuse (in Fig. 1 nicht dargestellt) der Strömungsmaschine, verbunden sind oder über das Gehäuse hinaus nach außen hinausragen, insbesondere zur Ansteuerung und zum Drehen des Außenzapfens und damit des Leitschaufelprofils. An das radial innere Ende der Außenzapfen 1 schließen sich Leitschaufelprofile 3 an.
Die radial inneren Enden der Leitschaufelprofile 3 sind mittels Stiften 5 (oder Innenzapfen 5) mit einem radial geteilten, erstem Innenringsegment 8 gemäß dem Stand der Technik des Leitrads 110 verbunden (siehe Fig. 2). Das zweite Innenringsegment 9 ist mit Dichtungen, beispielsweise Einlaufdichtungen 19 (oder Einlaufdichtsegmenten 19) verbunden (siehe Fig. 2).
Fig. 2 zeigt einen Detailausschnitt aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung mit einer Leitradschaufelplattform 11 und dem radial geteilten Innenringsegment 9 nach dem Stand der Technik.
Die Leitschaufel 210 ist mit dem Innenringsegment 8 mittels des Stiftes 5 und einer Buchse 13 verbunden. Zur Fixierung oder Führung des Stiftes 5 in dem Innenringsegment 8 und/oder als Lagerbuchse der verstellbaren Leitschaufel 210 (zur Drehung um eine Längsachse 14) ist die Buchse 13 in eine Bohrung 15 des Innenringsegments 8 eingefügt.
Die (zusätzlich in Umfangsrichtung u segmentierten) Innenringsegmente (8, 9) können in Umfangsrichtung u ineinander geschoben sein. Die Segmente sind mittels eines Sicherungsstiftes 17 im Einbauzustand gegen ein relatives Verschieben zueinander gesichert.
Mit dem Innenringsegment 9 sind Einlaufdichtungen 19 verbunden, die zur Ausbildung eines Dichtspalts zwischen Dichtspitzen 21, beispielsweise einer rotierenden Welle 23, vorgesehen sind.
Nach dem Stand der Technik kann sich ein Leckagestrom 25, insbesondere zwischen der Leitschaufelplattform 11 und dem ersten Innenringsegment 8, ausbilden. Der Leckagestrom 25 strömt infolge des Druckgefälles von der Druckseite des Schaufelprofils 3 zur Saugseite.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Leitring 100 einer verstellbaren Leitschaufel 200 mit einem Leitschaufelkegelstumpf 27 und einem integralen Innenring 7, der, anders als im Stand der Technik aus den Fig. 1 und Fig. 2, in Radialrichtung r nicht geteilt ist.
Eine radial innere Lagerung 31 umfasst den Leitschaufelkegelstumpf 27 der verstellbaren Leitschaufel 200 und Bereiche des Innenrings 7.
Zwischen dem Leitschaufelkegelstumpf 27 und dem Innenring 7 ist ein Spalt 28 in Axialrichtung a ausgebildet.
Eine radial äußere Gehäuse-Lagerung 33 umfasst einen Leitschaufelabsatz 35, den Außenzapfen 1, ein Gehäuse 37 (oder Gehäuseabschnitt) und wenigstens einen Federring 39 als elastisches Element.
Der Kegelstumpf 27 weist eine radiale Anschlagfläche 41 insbesondere als Gleitlager und zur Begrenzung der radialen Verschiebbarkeit der verstellbaren Leitschaufel 200 auf. Aufgrund dieser Anschlagfläche 41 kann ein thermischer Längenausgleich und/oder ein Toleranzausgleich in radialer Richtung r mittels des Federrings 39 zum Gehäuse 37 hin erfolgen.
Der Innenring 7 ist mit einer Einlaufdichtung 19 verbunden. Aufgrund dieser direkten Verbindung der Einlaufdichtung 19 mit dem Innenring 7 gegenüber einer Anordnung nach dem Stand der Technik, in dem die Einlaufdichtung 19 zunächst mit einem zweiten Innenringsegment 9 verbunden ist, das wiederum mit dem ersten Innenringsegment 8 (gemäß dem Stand der Technik) verbunden ist (siehe Fg. 2), kann die radiale Bauhöhe des Leitrads 100, insbesondere im Bereich der radial inneren Lagerung 31, reduziert werden.
Fig. 4a zeigt schematisch einen Geradenzug 50 als ebene Kurve der Rotationsfläche um die radiale Längsachse 14 der Leitschaufel 200. Das radial innere Ende der Leitschaufel 200 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kegelstumpf 27 ausgebildet, wie dies auch in Fig. 3 dargestellt wurde.
Fig. 4b zeigt schematisch einen Geradenzug 51 mit zwei Geraden als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4c zeigt schematisch ein Kreissegment 52 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4d zeigt schematisch eine konvexe Form 53 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4e zeigt schematisch zwei konvexe Formen 54 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4f zeigt schematisch eine konkave Form 55 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4g zeigt schematisch zwei konkave Formen 56 als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 4h zeigt schematisch eine Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche.
Fig. 5 zeigt eine verstellbare Leitschaufel 200 in einer Aufsicht von radial außen nach radial innen betrachtet.
In Fig. 5 wird zusätzlich ein Durchmesser 45 der Leitradschaufelplattform 11 der verstellbaren Leitschaufel 210 nach dem Stand der Technik (siehe Fig. 1 und Fig. 2) dargestellt (strichpunktiert).
Rein exemplarisch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Durchmesser 45 mit ca. 13 mm angegeben. Weiterhin wird ein Rückschnitt 47 (der Rückschnitt kann als Versatz oder Versatzmaß bezeichnet werden) zwischen der Leitradschaufelplattform 11 nach dem Stand der Technik und der verstellbaren Leitschaufel 200 für die erfindungsgemäße Lageranordnung 300 angegeben, der in diesem rein exemplarischen Ausführungsbeispiel ca. 0,6 mm beträgt.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer verstellbaren Leitschaufel 200 in einer Seitenansicht. Rein exemplarisch wird in diesem Ausführungsbeispiel der Winkel zwischen der Mantelfläche des Leitschaufelkegelstumpfes 27 und der radialen Längsachse 14 der Leitschaufel 200 mit ca. 20° angegeben.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leitrads 100 mit einer verstellbaren Leitschaufel 200 und einem Innenring 7. Die verdrehbare Leitschaufel 200 ist in dem Innenring 7 in einer Vertiefung 29 gelagert. Die Lagerung wird als radial innere Lagerung 31 der Leitschaufel 200 in dem Innenring 7 bezeichnet.
Unterhalb des Innenrings 7 (in Fig. 7 nicht sichtbar) kann der Innenring 7 mit einer Einlaufdichtung 19 verbunden sein, insbesondere ohne zusätzliches zweites Innenringsegment 9 (siehe Fig. 1 und Fig. 2).
Fig. 8 zeigt die Anordnung aus Fig. 7 in einer Schnittdarstellung mit der radial inneren Lagerung 31, einer verstellbaren Leitschaufel 200 und einem Innenring 7. Die radial innere Lagerung 31 weist einen Leitschaufelkegelstumpf 27 und eine Anschlagfläche 41 auf.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der radial inneren Lagerung 31 mit der verstellbaren Leitschaufel 200 und dem Innenring 7 in einem geschlossenen Zustand der Leitschaufel 200. Der geschlossene Zustand der Leitschaufel 200 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln 200 aus einer offenen Position für den Volllastbetrieb, also einer direkten Anströmung der Leitschaufelvorderkante 49 und einer möglichst optimalen Strömungsumlenkung zur Anströmung der nachfolgenden Laufschaufeln in eine geschlossene Position verstellt werden.
Die Verstellung entspricht einer Verdrehung der Leitschaufeln 200 um ihre radiale Längsachse 14 derart, dass die Durchströmung für einen Teillastbetrieb möglichst optimal ist. Der tatsächliche Verstellwinkel hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise den maximal und konstruktiv möglichen Verstellwinkeln, den Anforderungen an einen Teillastbetrieb etc.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der maximal mögliche Verstellwinkel der Leitschaufel 200 im geschlossenen Zustand ca. -34°. Bezugswinkel ist der Winkel in der Ausgangsstellung der Leitschaufeln 200 für den Volllastbetrieb.
Fig. 10a zeigt einen senkrecht zur Längsachse 14 angeordneten Sicherungsstift 43 zur Fixierung des Innenrings 7 an dem Leitschaufelkegelstumpf 27. Der Sicherungsstift 43 wird in einer Nut 44 (in Umfangsrichtung des Innenrings 7) geführt, so dass die Leitschaufel 200 verdrehbar ist.
Fig. 10b zeigt eine parallel zur Längsachse 14 der Leitschaufel 200 angeordnete Schraube 46 zur Fixierung des Innenrings 7 an dem Leitschaufelkegelstumpf 27.

Bezugszeichenliste

100: Leitrad; Leitradkranz
110: Leitrad; Leitradkranz gemäß dem Stand der Technik
200: verstellbare Leitschaufel
210: verstellbare Leitschaufel gemäß dem Stand der Technik
a: axial; Axialrichtung
r: radial; Radialrichtung
u: Umfangsrichtung
1: Außenzapfen
3: Leitschaufelprofil
5: Stift; Innenzapfen
7: Innenring
8: erstes Innenringsegment eines radial geteilten Innenrings (Stand der Technik)
9: zweites Innenringsegment eines radial geteilten Innenrings (Stand der Technik); Dichtungsträger
11: Leitradschaufelplattform
13: Buchse
14: radiale Längsachse der Leitschaufel
15: Bohrung
17: Sicherungsstift
19: Einlaufdichtung; Einlaufdichtsegment
21: Dichtspitzen
23: Welle
25: Leckagestrom
27: Kegelstumpf; Leitschaufelkegelstumpf
28: Spalt
29: Vertiefung im Innenring
31: radial innere Lagerung
33: radial äußere Gehäuse-Lagerung
35: Leitschaufelabsatz
37: Gehäuse; Gehäuseabschnitt
39: Federring
40: Rotationsfläche
41: Anschlagfläche; Gleitfläche
42: radial außen liegender Begrenzungsradius der ebenen Kurve
46: radial innen liegender Begrenzungsradius der ebenen Kurve
43: Sicherungsstift
44: Nut
45: Durchmesser der Leitschaufelplattform
47: Rückschnitt der Leitschaufelplattform
49: Leitschaufelvorderkante
50: Gerade; Geradenzug als ebene Kurve der Rotationsfläche
51: zwei Geraden als ebene Kurve der Rotationsfläche
52: Kreissegment als ebene Kurve der Rotationsfläche
53: konvexe Form als ebene Kurve der Rotationsfläche
54: zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche
55: konkave Form als ebene Kurve der Rotationsfläche
56: zwei konvexe Formen als ebene Kurve der Rotationsfläche
57: Hypozykloide als ebene Kurve der Rotationsfläche

Claims

Leitrad (100) für eine Strömungsmaschine, mit in Umfangsrichtung des Leitrads (100) nebeneinander angeordneten, um ihre radial verlaufende Längsachse (14) verstellbaren Leitschaufeln (200) und einem radial innen angeordneten Innenring (7), wobei die Leitschaufeln (200) an ihrem radial inneren Ende in dem Innenring (7) gelagert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenring (7) in Axialrichtung einstückig ausgebildet ist und wenigstens eine Leitschaufel (200) eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (14) ausgebildete und radial innen angeordnete Gleitfläche (41) aufweist, wobei die Gleitfläche (41) und der Innenring (7) eine Reibpaarung bilden.
Leitrad (100) nach Anspruch 1, wobei das Leitrad (100) ein Abschnitt einer Verdichterstufe der Strömungsmaschine ist.
Leitrad (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine Leitschaufel (200) zur Lagerung in dem Innenring (7) wenigstens eine Rotationsfläche (40) einer ebenen Kurve um die Längsachse (14) der Leitschaufel (200) aufweist, wobei der radial außen liegende Begrenzungsradius (42) der Rotationsflächen (40) größer als der radial innen liegende Begrenzungsradius (46) der Rotationsflächen (40) ist, und wobei die Radien der Rotationsflächen (40) von radial außen nach radial innen kleiner werden.
Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine Gerade (50) ist, und das radial innere Ende der Leitschaufel (200) die Form eines Kegelstumpfes (27) aufweist.
Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve wenigstens zwei Geradenabschnitte (51) aufweist.
Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine konvexe (52, 53) oder eine konkave (55) Form aufweist.
Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve wenigstes zwei konvexe (54) Formen oder wenigstes zwei konkave (56) Formen aufweist.
Leitrad (100) nach Anspruch 3, wobei die ebene Kurve eine Hypozykloidenform (57) aufweist, welche durch Abwälzung eines ersten Kreises in einem zweiten Kreis erzeugt wird, wobei der Radius des ersten Kreises kleiner als der Radius des zweiten Kreises ist.
Leitrad (100) nach Anspruch 8, wobei der Radius des zweiten Kreises der radial außen liegende Begrenzungsradius (42) der Rotationsfläche (40) ist.
Leitrad (100) nach Anspruch 8, wobei der Radius des zweiten Kreises kleiner als der radial außen liegende Begrenzungsradius (42) und größer als der innen liegende Begrenzungsradius (40) der Rotationsflächen (40) ist.
Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Innenring (7) mittels eines in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (14) angeordneten Sicherungsstifts (43) mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel (200) formschlüssig verbunden ist.
Leitrad (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Innenring (7) mittels einer in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (14) angeordneten Nietverbindung oder Schraubverbindung mit dem radial inneren Ende der Leitschaufel (200) formschlüssig verbunden ist.
Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen den Rotationsflächen (40) der Leitschaufeln (200) und dem Innenring (7) ein Spalt (28) ausgebildet ist.
Leitrad (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein radial äußeres Gehäuselager (33) der verstellbaren Leitschaufel (200) ein elastisches Element zum Längenausgleich der Leitschaufel (200) in radialer Richtung aufweist.
Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit wenigstens einer Verdichter- und/oder Turbinenstufe mit wenigstens einem Leitrad (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.