EP3287608B1 - Innenring für einen leitschaufelkranz einer strömungsmaschine - Google Patents

Innenring für einen leitschaufelkranz einer strömungsmaschine Download PDF

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EP3287608B1
EP3287608B1 EP17179470.4A EP17179470A EP3287608B1 EP 3287608 B1 EP3287608 B1 EP 3287608B1 EP 17179470 A EP17179470 A EP 17179470A EP 3287608 B1 EP3287608 B1 EP 3287608B1
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EP
European Patent Office
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fixing
ring
vane
elements
inner ring
Prior art date
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EP17179470.4A
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English (en)
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EP3287608A1 (de
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Joseph Tomsik
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP3287608B1 publication Critical patent/EP3287608B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/162—Bearing supports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/36—Retaining components in desired mutual position by a form fit connection, e.g. by interlocking

Definitions

  • Multi-stage turbomachines such as thermal gas turbines often include a vane ring between adjacent rotor stages. These vane rings are at least partially equipped with adjustable guide vanes in order to deflect the respective operating fluid of the turbomachine in a targeted manner, so that the operating fluid impinges on the downstream rotor stage at an optimum angle.
  • the adjustable vanes are rotatably mounted at one end in an outer ring or housing of the turbomachine and the other end in an inner ring.
  • a gas turbine which comprises a stator vane ring with an inner ring as a stator stage in a compressor, wherein the inner ring consists of elastically deformable semicircular ring segments.
  • the inner ring consists of elastically deformable semicircular ring segments.
  • a first aspect of the invention relates to an inner ring for a vane ring of a turbomachine, by means of which adjustable guide vanes are rotatably storable.
  • a higher mechanical and aerodynamic load capacity of the inner ring and thus the vane ring is inventively achieved in that the inner ring comprises a first and a second fixing ring, which are connected to each other via at least one relative to a central axis of the inner ring fixing element, wherein the at least one fixing element with a an associated guide vane corresponding, with respect to the central axis radially projecting blade storage for rotatably supporting the vane includes.
  • the fixing rings Due to the division of the inner ring into two fixing rings, it is also not necessary to form the fixing rings elastically deformable for mounting, since the fixing rings can be arranged without deformation of an upstream and downstream side of the guide vanes and can be combined via the at least one fixing element to the inner ring , Due to the higher mechanical and aerodynamic load capacity of the inner ring an improvement in the efficiency, the surge limit and the power of an associated turbomachine is made possible with the same axial length of the associated stator stage or the associated vane ring. By integrating these two functionalities in the fixing element also space is gained because no additional space is required for through-bolts or other securing means.
  • the pitch that is, the circumferential distance between the vanes
  • the inner ring for such a guide vane comprises such a fixing element.
  • terms such as "axial” and “radial” basically refer to the central axis of the inner ring, which in the installed position runs coaxially to a rotational axis of an associated turbomachine.
  • the fixing rings can basically be produced by means of turning and / or milling methods or generatively, for example by selective laser melting.
  • the fixing element (s) may also generally be produced generatively, for example by selective laser melting. Alternatively, however, other production methods, such as forging and / or milling are conceivable.
  • the fixing element comprises a bushing as a blade bearing, in which a bearing journal of the associated vane can be arranged, or that the fixing element as a blade bearing comprises a bearing pin, which can be arranged in a socket of the associated vane.
  • first fixing ring and / or the second fixing ring is formed segmented or are.
  • first fixing ring and / or the second fixing ring may be divided into two, three, four or more ring segments. This segmentation facilitates in certain applications, the assembly of the respective fixing ring and thus the vane ring.
  • first fixing ring and / or the second fixing ring carries or carry a sealing element, in particular a honeycomb seal.
  • the inner ring can be sealed against other components of the turbomachine, which contributes to a further reduction of flow losses.
  • the sealing element can be materially connected, for example by soldering, with the relevant fixing ring.
  • the relevant Fixing ring be produced generatively together with the sealing element.
  • other manufacturing methods are conceivable.
  • the fixing element against rotation in particular form-fitting, is arranged in a corresponding, preferably polygonal mounting opening of the first fixing ring and / or the second fixing ring.
  • the fixing element along its axial extent has one or more areas which are geometrically designed such that the fixing element is arranged against rotation in an associated mounting opening.
  • the relevant area of the fixing element and the associated mounting opening in cross section may be oval, triangular, square, rectangular or polygonal, whereby a fluid-tight and torsion-proof arrangement is ensured.
  • tilting of a guide blade mounted by means of the fixing element is particularly reliably prevented in this way.
  • the mounting opening (s) can be introduced, for example, by drilling, milling and / or electrochemical removal (ECM / PEM) in the respective fixing ring. If both fixing rings should have mutually aligned mounting holes, it has been shown to minimize tolerance to be advantageous to pair the fixing rings analogous to the installation position and to produce the mounting holes together.
  • the fixing element is coupled in a first end region with a locking element designed as a locking element.
  • the fixing element can be supported axially on one of the fixing rings and is secured at least in one direction against falling out.
  • the first fixing ring and / or the second fixing ring has a receiving profile in which the locking plate is added safe fall.
  • the receiving profile can in principle also be formed by the first and second fixing ring, if they are arranged in their installation position, so that each fixing ring taken by itself has only a portion of the receiving profile.
  • the blocking plate rests on the second fixing ring.
  • the fixing element is fixed in a second end region with a securing element, preferably designed as a nut, on the second fixing ring.
  • a securing element preferably designed as a nut
  • the fixing element can be axially supported on the respective fixing ring and is secured at least in one direction against falling out.
  • the fixing element preferably has a corresponding thread.
  • inner ring for the production of the vane ring this has a certain axial length one comparatively higher mechanical and aerodynamic load capacity than known from the prior art vane rings.
  • the outer ring can in principle be formed in one piece or as part of the housing.
  • the skilled worker is aware that the specified sequence of steps can be varied at least in part, without departing from the scope of the inventive method. Furthermore, it can be provided that the specified steps for disassembly of the vane ring can be carried out in the reverse order. Also in this case, corresponding variations of the step sequence are conceivable.
  • step c) bushes are used as radially inner blade bearings in the inner plate of the vanes and used bearing pins as radially projecting blade bearings of the fixing in the jacks.
  • bearing journals are used as blade bearings of the guide vanes in respective bushes as radially projecting blade bearings of the fixing elements.
  • a mechanically particularly stable connection of the inner ring is made possible in a further advantageous embodiment of the invention in that in step g) nuts are screwed as securing elements on the second end portions of the fixing elements until the first and the second fixing ring are fixed on the fixing elements to each other.
  • a third aspect of the invention relates to a turbomachine, in particular an aircraft engine, comprising at least one inner ring according to the first aspect of the invention and / or at least one vane ring, which is produced by a method according to the second aspect of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional side view of an inner ring 14 according to the invention for a vane ring 10 according to a first embodiment, wherein only the radially inner region is shown.
  • Fig. 1 is described below in synopsis with Fig. 2 and Fig. 3 be explained, wherein Fig. 2 a fragmentary perspective view of the vane ring 10 in the flow direction according to arrow II and Fig. 3 a schematic sectional view of the Guide vane 10 according to section line III-III shows.
  • the vane ring 10 comprises a plurality of adjustable guide vanes 12, which are rotatably mounted in an inner ring 14, wherein the inner ring 14 is an independent invention aspect.
  • the inner ring 14 comprises a first fixing ring 16a which is axially forward when viewed in the flow direction, and an axially rear second fixing ring 16b, between which a fixing element 18 extends axially per guide blade 12 relative to a central axis M of the inner ring 14.
  • the fixing rings 16a, 16b can be formed independently of one another as a 360 ° or ring elements or segmented, for example as half-ring segments.
  • the axially rear fixing ring 16b additionally carries a sealing element 17, which in the present case is designed as a honeycomb seal and is connected by soldering to the fixing ring 16b.
  • the fixing element 18 comprises approximately in its center a radially outwardly projecting blade bearing 20, which is in the present case designed as a bearing journal.
  • the fixing element 18 has a first region 18a and a second region 18b, which are square or square in cross section. In these areas 18a, 18b, the fixing element 18 is positively and non-rotatably arranged in corresponding mounting holes 28a, 28b in the first and second fixing ring 16a, 16b. As a result, the guide vane 12 is additionally secured in its installed position against tilting.
  • a securing element 30a designed as a U-shaped blocking plate is pushed onto a first end region of the fixing element 18. It can be seen that the securing element 30a rests on the second fixing ring 16b and is received in a corresponding receiving profile 32. This reliably prevents unwanted falling out of the securing element 30a.
  • the fixing element 18 is screwed to a securing element 30b designed as a nut, whereby the fixing rings 16a, 16b are connected to one another via the fixing element 18.
  • the radially outer ends of the guide vanes 12 are inserted into a one-piece outer ring (not shown) or in a housing of a turbomachine. Subsequently, in each case a bushing 24 and a fixing element 18 are inserted into the inner plates 26 of the individual guide vanes 12. Thereafter, the first fixing ring 16a is pushed from the front onto the fixing elements 18 and the securing elements 30a are pushed radially from below onto the fixing elements 18. Then the second fixing ring 16b is pushed from the rear side onto the fixing elements 18, whereby at the same time the securing elements 30a are secured against radial falling out. Finally, the nuts 30b are screwed onto the fixing elements 18.
  • Fig. 4 shows a schematic sectional side view of an inner ring 14 according to the invention for a vane ring 10 according to a second embodiment.
  • the basic structure and the assembly or disassembly of the vane ring 10 substantially correspond to those of the first embodiment.
  • the fixing element 18 in the present case as a blade bearing 20 on a socket or bore, in which a bearing pin 34 of the associated vane 12 is arranged.
  • the blade bearing 20 of the fixing element 18 is sealed by means of a sealing element 36 designed as a sealing ring or piston ring relative to the first fixing ring 16a and the second fixing ring 16b.
  • the sealing element 36 is arranged on the outside of the blade bearing 20 before the arrangement of the fixing rings 16a, 16b.
  • Fig. 5 shows for further clarification a schematic perspective view of the in Fig. 4 shown fixing element 18, in the blade bearing 20, the guide vane 12 is arranged. It can be seen that the blocking plate 30a is inserted into a groove 38 in an end region of the fixing element 18. Likewise, the square-shaped areas 18a, 18b can be seen, which serve for the positive and rotationally fixed arrangement of the fixing element 18.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Innenring für einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine mit wenigstens einem solchen Innenring und/oder Leitschaufelkranz.
  • Mehrstufige Strömungsmaschinen wie beispielsweise thermische Gasturbinen umfassen zwischen benachbarten Rotorstufen häufig jeweils einen Leitschaufelkranz. Diese Leitschaufelkränze werden zumindest teilweise mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattet, um das jeweilige Betriebsfluid der Strömungsmaschine gezielt umzulenken, so dass das Betriebsfluid in einem optimalen Winkel auf die stromab liegende Rotorstufe auftrifft. Die verstellbaren Leitschaufeln sind dabei einenends in einem Außenring oder Gehäuse der Strömungsmaschine und anderenends in einem Innenring drehbar gelagert.
  • Aus der DE 10 2005 042 747 ist eine Gasturbine bekannt, welche in einem Verdichter einen Leitschaufelkranz mit einem Innenring als Statorstufe umfasst, wobei der Innenring aus elastisch verformbaren Halbkreis-Ringsegmenten besteht. Zur Montage des Innenrings wird dieser verformt bis radial innere Lagerzapfen der Leitschaufeln in entsprechenden Lagerbuchsen des Innenrings angeordnet werden können. Nach dem Entspannen des Innenrings wird dieser mit einem Träger verbunden.
  • Als nachteilig an dem bekannten Innenring bzw. an einem mit diesem versehenen Leitschaufelkranz ist der Umstand anzusehen, dass der Innenring aufgrund seiner elastischen Verformbarkeit bei einer gegebenen axialen Baulänge eine vergleichsweise geringe mechanische Stabilität und aerodynamische Belastbarkeit besitzt, wodurch es während des Betriebs der zugeordneten Strömungsmaschine zu Strömungsverlusten und einer damit verbundenen Verschlechterung des Wirkungsgrads, der Pumpgrenze und der Leistung der Strömungsmaschine kommen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Innenring für einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine zu schaffen, der eine höhere mechanische und aerodynamische Belastbarkeit besitzt. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes mit einer höheren mechanischen und aerodynamischen Belastbarkeit sowie eine entsprechend verbesserte Strömungsmaschine anzugeben.
  • Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Innenring mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 sowie durch eine Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Innenring für einen Leitschaufelkranz einer Strömungsmaschine, mittels welchem verstellbare Leitschaufeln drehbeweglich lagerbar sind. Eine höhere mechanische und aerodynamische Belastbarkeit des Innenrings und somit des Leitschaufelkranzes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Innenring einen ersten und einen zweiten Fixierring umfasst, welche über wenigstens ein bezüglich einer Mittelachse des Innenrings axiales Fixierelement miteinander verbunden sind, wobei das wenigstens eine Fixierelement eine mit einer zugeordneten Leitschaufel korrespondierende, bezüglich der Mittelachse radial vorspringende Schaufellagerung zur drehbeweglichen Lagerung der Leitschaufel umfasst. Mit anderen Worten umfasst der erfindungsgemäße Innenring zwei Fixierringe, die über ein oder mehrere axial angeordnete Fixierelemente miteinander verbunden sind, wobei jedes Fixierelement zusätzlich eine radial vorspringende bzw. abragende Schaufellagerung umfasst und damit sowohl die Funktionalität der axialen Fixierung als auch der Drehlagerung einer zugeordneten Leitschaufel in sich vereint. Durch die Teilung des Innenrings in zwei Fixierringe ist es zudem nicht erforderlich, die Fixierringe zur Montage elastisch verformbar auszubilden, da die Fixierringe ohne Verformung von einer stromaufwärtigen und einer stromabwärtigen Seite her an den Leitschaufeln angeordnet und über das wenigstens eine Fixierelement zum Innenring vereinigt werden können. Aufgrund der höheren mechanischen und aerodynamischen Belastbarkeit des Innenrings wird bei gleicher axialer Baulänge der zugeordneten Statorstufe bzw. des zugeordneten Leitschaufelkranzes eine Verbesserung des Wirkungsgrads, der Pumpgrenze und der Leistung einer zugeordneten Strömungsmaschine ermöglicht. Durch die Integration dieser beiden Funktionalitäten in dem Fixierelement wird zudem Bauraum gewonnen, da kein zusätzlicher Platzbedarf für Durchsteckschrauben oder sonstige Sicherungsmittel erforderlich ist. Dadurch kann die Teilung, das heißt der Umfangsabstand zwischen den Leitschaufeln reduziert werden, wodurch zusätzliche aerodynamische Vorteile erzielt werden. Alternativ ist es möglich, die axiale Baulänge der mit dem Innenring versehenen Statorstufe bzw. des mit dem Innenring versehenen Leitschaufelkranzes bei gleicher mechanischer und aerodynamischer Belastbarkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren. Vorzugsweise umfasst der Innenring für jede Leitschaufel ein solches Fixierelement. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich Ausdrücke wie "axial" und "radial" grundsätzlich auf die Mittelachse des Innenrings, die in Einbaulage koaxial zu einer Drehachse einer zugeordneten Strömungsmaschine verläuft. Die Fixierringe können grundsätzlich über Dreh- und/oder Fräsverfahren oder generativ, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen hergestellt sein. Das bzw. die Fixierelemente können generell ebenfalls generativ, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen hergestellt sein. Alternativ sind aber auch andere Herstellungsverfahren, beispielsweise Schmieden und/oder Fräsen denkbar.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Fixierelement als Schaufellagerung eine Buchse umfasst, in welcher ein Lagerzapfen der zugeordneten Leitschaufel anordenbar ist, oder dass das Fixierelement als Schaufellagerung einen Lagerzapfen umfasst, welcher in einer Buchse der zugeordneten Leitschaufel anordenbar ist. Hierdurch kann das Fixierelement optimal an die jeweilige Ausgestaltung der zugeordneten Leitschaufel als Gegenteil angepasst werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Fixierring und/oder der zweite Fixierring segmentiert ausgebildet ist bzw. sind. Beispielsweise kann der erste Fixierring und/oder der zweite Fixierring in zwei, drei, vier oder mehr Ringsegmente unterteilt sein. Diese Segmentierung erleichtert in bestimmten Anwendungsfällen die Montage des betreffenden Fixierrings und somit des Leitschaufelkranzes.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der erste Fixierring und/oder der zweite Fixierring ein Dichtelement, insbesondere eine Wabendichtung trägt bzw. tragen. Hierdurch kann der Innenring gegenüber weiteren Bauteilen der Strömungsmaschine abgedichtet werden, was zu einer weiteren Verringerung von Strömungsverlusten beiträgt. Das Dichtelement kann stoffschlüssig, beispielsweise durch Löten, mit dem betreffenden Fixierring verbunden sein. Alternativ kann der betreffende Fixierring zusammen mit dem Dichtelement generativ hergestellt sein. Jedoch sind auch weitere Herstellungsverfahren denkbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Fixierelement verdrehsicher, insbesondere formschlüssig, in einer korrespondierenden, vorzugsweise mehreckigen Montageöffnung des ersten Fixierrings und/oder des zweiten Fixierrings angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Fixierelement entlang seiner axialen Erstreckung einen oder mehrere Bereiche aufweist, die geometrisch derart gestaltet sind, dass das Fixierelement verdrehsicher in einer zugeordneten Montageöffnung angeordnet ist. Beispielsweise können der betreffende Bereich des Fixierelements und die zugeordnete Montageöffnung im Querschnitt oval, dreieckig, quadratisch, rechteckig oder mehreckig ausgebildet sein, wodurch eine fluiddichte und verdrehsichere Anordnung gewährleistet ist. Zusätzlich wird auf diese Weise ein Verkippen einer mittels des Fixierelements gelagerten Leitschaufel besonders zuverlässig verhindert. Die Montageöffnung(en) kann bzw. können beispielsweise durch Bohren, Fräsen und/oder elektrochemisches Abtragen (ECM/PEM) in den betreffenden Fixierring eingebracht werden. Wenn beide Fixierringe miteinander fluchtende Montageöffnungen aufweisen sollen, hat es sich zur Toleranzminimierung als vorteilhaft gezeigt, die Fixierringe analog zur Einbaulage zu paaren und die Montageöffnungen gemeinsam zu erzeugen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Fixierelement in einem ersten Endbereich mit einem als Sperrplatte ausgebildeten Sicherungselement gekoppelt ist. Hierdurch kann das Fixierelement axial an einem der Fixierringe abgestützt werden und ist zumindest in eine Richtung gegen Herausfallen gesichert.
  • Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Sperrplatte U-förmig ausgebildet und/oder in einer Nut des Fixierelements angeordnet ist. Hierdurch kann die Sperrplatte zur Montage einfach auf das Fixierelement aufgeschoben werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Fixierring und/oder der zweite Fixierring ein Aufnahmeprofil aufweist, in welchem die Sperrplatte herausfallsicher aufgenommen ist. Das Aufnahmeprofil kann grundsätzlich auch durch den ersten und zweiten Fixierring gebildet werden, wenn diese in ihrer Einbaulage angeordnet sind, so dass jeder Fixierring für sich genommen nur einen Teilbereich des Aufnahmeprofils aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Sperrplatte auf dem zweiten Fixierring aufliegt. Hierdurch ist ein unerwünschtes Herausfallen der Sperrplatte in radialer Richtung während des Betriebs einer zugeordneten Strömungsmaschine verunmöglicht.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Fixierelement in einem zweiten Endbereich mit einem vorzugsweise als Mutter ausgebildeten Sicherungselement am zweiten Fixierring festgelegt ist. Hierdurch kann das Fixierelement axial an dem betreffenden Fixierring abgestützt werden und ist zumindest in eine Richtung gegen Herausfallen gesichert. Wenn als Sicherungselement eine Mutter verwendet wird, weist das Fixierelement vorzugsweise ein korrespondierendes Gewinde auf.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Schaufellagerung des Fixierelements mittels eines Dichtelements, insbesondere eines Dichtrings, gegenüber dem ersten Fixierring und/oder dem zweiten Fixierring abgedichtet ist. Hierdurch wird die Durchströmung der Fixierringe zusätzlich reduziert.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes einer Strömungsmaschine. Dabei werden zumindest die Schritte a) Bereitstellen eines Außenrings und mehrerer verstellbarer Leitschaufeln, b) Einsetzen von radial äußeren Schaufellagerungen der Leitschaufeln in den Außenring, c) Verbinden von radial inneren Schaufellagerungen der Leitschaufeln mit jeweils einer radial vorspringenden Schaufellagerung eines zugeordneten Fixierelements, d) Anordnen eines ersten Fixierrings an jeweiligen ersten Endbereichen der Fixierelemente, e) Anordnen jeweils eines Sicherungselements an ersten Endbereichen der Fixierelemente, wobei die Sicherungselemente eine relative axiale Bewegung des ersten Fixierrings gegenüber den Fixierelementen begrenzen, f) Anordnen eines zweiten Fixierrings an jeweiligen zweiten Endbereichen der Fixierelemente, so dass sich die Fixierelemente axial zwischen dem ersten und zweiten Fixierring erstrecken und g) Anordnen jeweils eines Sicherungselements an jedem zweiten Endbereich der Fixierelemente, wobei die Sicherungselemente eine relative axiale Bewegung des zweiten Fixierrings gegenüber den Fixierelementen begrenzen, durchgeführt. Durch die Verwendung des gemäß dem ersten Erfindungsaspekts ausgebildeten Innenrings zur Herstellung des Leitschaufelkranzes weist dieser bei einer bestimmten axialen Baulänge eine vergleichsweise höhere mechanische und aerodynamische Belastbarkeit als aus dem Stand der Technik bekannte Leitschaufelkränze auf. Der Außenring kann grundsätzlich einteilig bzw. als Teil des Gehäuses ausgebildet sein. Dem Fachmann ist bewusst, dass die angegebene Schrittabfolge zumindest in Teilen variiert werden kann, ohne den Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verlassen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die angegebenen Schritte zur Demontage des Leitschaufelkranzes in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können. Auch in diesem Fall sind entsprechende Variationen der Schrittabfolge denkbar.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in Schritt c) Buchsen als radial innere Schaufellagerungen in Innenteller der Leitschaufeln eingesetzt und Lagerzapfen als radial vorspringende Schaufellagerungen der Fixierelemente in die Buchsen eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich werden in Schritt c) Lagerzapfen als Schaufellagerungen der Leitschaufeln in jeweilige Buchsen als radial vorspringende Schaufellagerungen der Fixierelemente eingesetzt. Hierdurch kann die drehbewegliche Lagerung der Leitschaufeln über die Fixierelemente in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Leitschaufeln und des vorhandenen Bauraums erfolgen.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn in Schritt e) jeweils ein als Sperrplatte ausgebildetes Sicherungselement radial von innen in eine jeweilige Nut in den ersten Endbereichen der Fixierelemente eingeschoben wird und nach dem Anordnen des zweiten Fixierrings in Schritt f) auf diesem aufliegt. Hierdurch ist das Sicherungselement zuverlässig gegen Herausfallen geschützt.
  • Eine mechanisch besonders stabile Verbindung des Innenrings wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass in Schritt g) Muttern als Sicherungselemente auf die zweiten Endbereiche der Fixierelemente aufgeschraubt werden, bis der erste und der zweite Fixierring über die Fixierelemente aneinander festgelegt sind.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, umfassend wenigstens einen Innenring gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und/oder wenigstens einen Leitschaufelkranz, welcher mittels eines Verfahrens gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt hergestellt ist. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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 verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Innenrings für einen Leitschaufelkranz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
    Fig. 2
    eine ausschnittsweise Perspektivansicht des Leitschaufelkranzes in Strömungsrichtung;
    Fig. 3
    eine schematische Schnittansicht des Leitschaufelkranzes;
    Fig. 4
    eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Innenrings für einen Leitschaufelkranz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
    Fig. 5
    eine schematische Perspektivansicht eines in Fig. 4 gezeigten Fixierelements; und
    Fig. 6
    eine schematische Perspektivansicht des Fixierelements, das in einem Fixierring angeordnet ist.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Innenrings 14 für einen Leitschaufelkranz 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei lediglich der radial innere Bereich dargestellt ist. Fig. 1 wird im Folgenden in Zusammenschau mit Fig. 2 und Fig. 3 erläutert werden, wobei Fig. 2 eine ausschnittsweise Perspektivansicht des Leitschaufelkranzes 10 in Strömungsrichtung gemäß Pfeil II und Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Leitschaufelkranzes 10 gemäß der Schnittlinie III-III zeigt. Der Leitschaufelkranz 10 umfasst mehrere verstellbare Leitschaufeln 12, die drehbar in einem Innenring 14 gelagert sind, wobei der Innenring 14 einen eigenständigen Erfindungsaspekt darstellt. Der Innenring 14 umfasst einen in Strömungsrichtung betrachtet axial vorderen ersten Fixierring 16a sowie einen axial hinteren zweiten Fixierring 16b, zwischen welchen sich pro Leitschaufel 12 ein bezüglich einer Mittelachse M des Innenrings 14 axiales Fixierelement 18 erstreckt. Die Fixierringe 16a, 16b können unabhängig voneinander als 360°- bzw. Ringelemente oder segmentiert, beispielsweise als Halbringsegmente ausgebildet sein. Der axial hintere Fixierring 16b trägt zusätzlich ein Dichtelement 17, welches vorliegend als Wabendichtung ausgebildet und durch Löten mit dem Fixierring 16b verbunden ist. Das Fixierelement 18 umfasst ungefähr in seiner Mitte eine radial nach außen vorspringende Schaufellagerung 20, die vorliegend als Lagerzapfen ausgebildet ist. Es wird deutlich, dass die Fixierringe 16a, 16b im montierten Zustand eine Öffnung 22 bilden, durch welche die Schaufellagerung 20 ragt. Die Leitschaufel 12 umfasst ihrerseits als Schaufellagerung eine Buchse 24, die in einer Bohrung im Bereich des Innentellers 26 angeordnet ist und in welche der Lagerzapfen 20 des Fixierelements 18 eingesetzt ist.
  • Das Fixierelement 18 weist einen ersten Bereich 18a und einen zweiten Bereich 18b auf, die im Querschnitt quadratisch bzw. viereckig ausgebildet sind. In diesen Bereichen 18a, 18b ist das Fixierelement 18 formschlüssig und verdrehsicher in korrespondierenden Montageöffnungen 28a, 28b im ersten bzw. zweiten Fixierring 16a, 16b angeordnet. Hierdurch wird die Leitschaufel 12 in ihrer Einbaulage zusätzlich gegen Verkippen gesichert.
  • Zur axialen Positionierung sowie zum gegenseitigen Festlegen des Fixierelements 18 und der Fixierringe 16a, 16b ist ein als U-förmige Sperrplatte ausgebildetes Sicherungselement 30a auf einen ersten Endbereich des Fixierelements 18 aufgeschoben. Man erkennt, dass das Sicherungselement 30a auf dem zweiten Fixierring 16b aufliegt und in einem korrespondierenden Aufnahmeprofil 32 aufgenommen ist. Hierdurch wird ein unerwünschtes Herausfallen des Sicherungselements 30a zuverlässig verhindert. An seinem gegenüberliegenden Endbereich ist das Fixierelement 18 mit einem als Mutter ausgebildeten Sicherungselement 30b verschraubt, wodurch die Fixierringe 16a, 16b über das Fixierelement 18 miteinander verbunden sind.
  • Zur Montage des Leitschaufelkranzes 10 werden die radial äußeren Enden der Leitschaufeln 12 in einen einteiligen Außenring (nicht gezeigt) bzw. in ein Gehäuse einer Strömungsmaschine eingesetzt. Anschließend werden jeweils eine Buchse 24 und ein Fixierelement 18 in die Innenteller 26 der einzelnen Leitschaufeln 12 eingesetzt. Danach wird der erste Fixierring 16a von Vorne auf die Fixierelemente 18 aufgeschoben und die Sicherungselemente 30a radial von unten auf die Fixierelemente 18 aufgeschoben. Daraufhin wird der zweite Fixierring 16b von der Hinterseite her auf die Fixierelemente 18 geschoben, wodurch gleichzeitig die Sicherungselemente 30a gegen radiales Herausfallen gesichert werden. Abschließend werden die Muttern 30b auf die Fixierelemente 18 geschraubt.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Innenrings 14 für einen Leitschaufelkranz 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau und die Montage bzw. Demontage des Leitschaufelkranzes 10 entsprechen im Wesentlichen denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Fixierelement 18 vorliegend als Schaufellagerung 20 eine Buchse oder Bohrung auf, in welcher ein Lagerzapfen 34 der zugeordneten Leitschaufel 12 angeordnet ist. Weiterhin ist die Schaufellagerung 20 des Fixierelements 18 mittels eines als Dichtring bzw. Kolbenring ausgebildeten Dichtelements 36 gegenüber dem ersten Fixierring 16a und dem zweiten Fixierring 16b abgedichtet. Bei der Montage wird das Dichtelement 36 vor der Anordnung der Fixierringe 16a, 16b an der Außenseite der Schaufellagerung 20 angeordnet.
  • Fig. 5 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine schematische Perspektivansicht des in Fig. 4 gezeigten Fixierelements 18, in dessen Schaufellagerung 20 die Leitschaufel 12 angeordnet ist. Man erkennt, dass die Sperrplatte 30a in eine Nut 38 in einem Endbereich des Fixierelements 18 eingeschoben ist. Ebenso sind die quadratisch ausgebildeten Bereiche 18a, 18b zu erkennen, die zur formschlüssigen und verdrehfesten Anordnung des Fixierelements 18 dienen.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Fixierelements 18, das in der Montageöffnung 28b des axial hinteren Fixierrings 16b angeordnet ist. Man erkennt die zum Bereich 18b der einzelnen Fixierelemente korrespondierende quadratische Form der Montageöffnungen 28b. Ebenso ist die Nut 38 des Fixierelements erkennbar.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Leitschaufelkranz
    12
    Leitschaufel
    14
    Innenring
    16a
    erster Fixierring
    16b
    zweiter Fixierring
    17
    Dichtelement
    18
    Fixierelement
    18a
    Bereich
    18b
    Bereich
    20
    Schaufellagerung
    22
    Öffnung
    24
    Buchse
    26
    Innenteller
    28a
    Montageöffnungen
    28b
    Montageöffnung
    30a
    Sicherungselement
    30b
    Sicherungselement
    32
    Aufnahmeprofil
    34
    Lagerzapfen
    36
    Dichtelement
    38
    Nut
    M
    Mittelachse

Claims (15)

  1. Innenring (14) für einen Leitschaufelkranz (10) einer Strömungsmaschine, mittels welchem verstellbare Leitschaufeln (12) drehbeweglich lagerbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieser einen ersten und einen zweiten Fixierring (16a, 16b) umfasst, welche über wenigstens ein bezüglich einer Mittelachse (M) des Innenrings (14) axiales Fixierelement (18) miteinander verbunden sind, wobei das wenigstens eine Fixierelement (18) eine mit einer zugeordneten Leitschaufel (12) korrespondierende, bezüglich der Mittelachse (M) radial vorspringende Schaufellagerung (20) zur drehbeweglichen Lagerung der Leitschaufel (12) umfasst.
  2. Innenring (14) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fixierelement (18) als Schaufellagerung (20) eine Buchse umfasst, in welcher ein Lagerzapfen (34) der zugeordneten Leitschaufel (12) anordenbar ist, oder dass das Fixierelement (18) als Schaufellagerung (20) einen Lagerzapfen umfasst, welcher in einer Buchse (24) der zugeordneten Leitschaufel (12) anordenbar ist.
  3. Innenring (14) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Fixierring (16a) und/oder der zweite Fixierring (16b) segmentiert ausgebildet ist bzw. sind.
  4. Innenring (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Fixierring (16a) und/oder der zweite Fixierring (16b) ein Dichtelement (17), insbesondere eine Wabendichtung trägt bzw. tragen.
  5. Innenring (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fixierelement (18) verdrehsicher, insbesondere formschlüssig, in einer korrespondierenden, vorzugsweise mehreckigen Montageöffnung (28a, 28b) des ersten Fixierrings (16a) und/oder des zweiten Fixierrings (16b) angeordnet ist.
  6. Innenring (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fixierelement (18) in einem ersten Endbereich mit einem als Sperrplatte ausgebildeten Sicherungselement (30a) gekoppelt ist.
  7. Innenring (14) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sperrplatte U-förmig ausgebildet und/oder in einer Nut (38) des Fixierelements (18) angeordnet ist.
  8. Innenring (14) nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste Fixierring (16a) und/oder der zweite Fixierring (16b) ein Aufnahmeprofil (32) aufweist, in welchem die Sperrplatte herausfallsicher aufgenommen ist und/oder dass die Sperrplatte auf dem zweiten Fixierring (16b) aufliegt.
  9. Innenring (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Fixierelement (18) in einem zweiten Endbereich mit einem vorzugsweise als Mutter ausgebildeten Sicherungselement (30b) am zweiten Fixierring (16b) festgelegt ist.
  10. Innenring (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schaufellagerung (20) des Fixierelements (18) mittels eines Dichtelements (36), insbesondere eines Dichtrings, gegenüber dem ersten Fixierring (16a) und/oder dem zweiten Fixierring (16b) abgedichtet ist.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes (10) einer Strömungsmaschine, umfassend die Schritte:
    a) Bereitstellen eines Außenrings und mehrerer verstellbarer Leitschaufeln (12);
    b) Einsetzen von radial äußeren Schaufellagerungen der Leitschaufeln (12) in den Außenring;
    c) Verbinden von radial inneren Schaufellagerungen der Leitschaufeln (12) mit jeweils einer radial vorspringenden Schaufellagerung (20) eines zugeordneten Fixierelements (18);
    d) Anordnen eines ersten Fixierrings (16a) an jeweiligen ersten Endbereichen der Fixierelemente (18);
    e) Anordnen jeweils eines Sicherungselements (30a) an ersten Endbereichen der Fixierelemente (18), wobei die Sicherungselemente (30a) eine relative axiale Bewegung des ersten Fixierrings (16a) gegenüber den Fixierelementen (18) begrenzen;
    f) Anordnen eines zweiten Fixierrings (16b) an jeweiligen zweiten Endbereichen der Fixierelemente (18), so dass sich die Fixierelemente (18) axial zwischen dem ersten und zweiten Fixierring (16a, 16b) erstrecken; und
    g) Anordnen jeweils eines Sicherungselements (30b) an jedem zweiten Endbereich der Fixierelemente (18), wobei die Sicherungselemente (30b) eine relative axiale Bewegung des zweiten Fixierrings (16b) gegenüber den Fixierelementen (18) begrenzen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Schritt c) Buchsen (24) als radial innere Schaufellagerungen in Innenteller (26) der Leitschaufeln (12) eingesetzt und Lagerzapfen als radial vorspringende Schaufellagerungen (20) der Fixierelemente (18) in die Buchsen (24) eingesetzt werden und/oder dass in Schritt c) Lagerzapfen (34) als Schaufellagerungen der Leitschaufeln (12) in jeweilige Buchsen als radial vorspringende Schaufellagerungen (20) der Fixierelemente (18) eingesetzt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Schritt e) jeweils ein als Sperrplatte ausgebildetes Sicherungselement (30a) radial von innen in eine jeweilige Nut (38) in den ersten Endbereichen der Fixierelemente (18) eingeschoben wird und nach dem Anordnen des zweiten Fixierrings (16b) in Schritt f) auf diesem aufliegt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Schritt g) Muttern als Sicherungselemente (30b) auf die zweiten Endbereiche der Fixierelemente (18) aufgeschraubt werden, bis der erste und der zweite Fixierring (16a, 16b) über die Fixierelemente (18) aneinander festgelegt sind.
  15. Strömungsmaschine, insbesondere Flugtriebwerk, umfassend wenigstens einen Innenring (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder wenigstens einen Leitschaufelkranz (10), welcher mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 hergestellt ist.
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