DE69505074T2 - Montageweise für einen Ring mit verstellbaren Leitschaufeln - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln, die häufig als Schaufeln mit variabler Anstellung bezeichnet werden und die in zahlreichen modernen Turbomaschinen, im allgemeinen in den ersten Stufen des Verdichters, eingesetzt werden, um die Eigenschaften der Gasströmung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine zu verändern.
• Die verschwenkbaren Schaufeln ein und derselben Stufe werden im allgemeinen von einer gemeinsamen Vorrichtung gesteuert, die einen Steuerring umfaßt sowie Pleuelstangen, die an dem Steuerring und an den einzelnen Schaufeln angelenkt sind. Die Vorrichtung ist um die Schaufeln herum und außerhalb des Stators angeordnet, der den Gasströmungskanal begrenzt, in den die Schaufeln hineinragen. Die anderen Endbereiche der Schaufeln, die dem Rotor benachbart sind, sind durch eine ringförmige Verbindungsvorrichtung miteinander verbunden. Diese Verbindungsvorrichtung bestand traditionell aus zwei Ringen, von denen der eine auf der stromaufwärtigen Seite und der andere auf der stromabwärtigen Seite angeordnet war und die durch Schrauben einander angenähert und miteinander verbunden wurden, so daß sie zwischen sich die Drehzapfen der Schaufeln und die Buchsen umschlossen, die die Schwenkbewegung ermöglichten. Diese Lösung war nachteilig wegen der relativ großen Anzahl von Schrauben, die für den Zusammenbau der Ringe erforderlich war, und wegen des zusätzlichen Gewichts, das sich daraus ergab.
• US-A-4 395 195 beschreibt ein System zum Halten der inneren Enden von schwenkbaren Schaufeln, das aus zwei Gruppen von ringförmigen Segmenten besteht, die in Umfangsrichtung einander überlappen, wobei die inneren Segmente auf halber Länge der äußeren Segmente miteinander verbunden sind. Die in die äußeren Segmente verschachtelten inneren Segmente sind durchbohrt und halten mit Hilfe von individuellen Scheiben, die den Nuten der Drehzapfen zugeordnet sind, die Enden der schwenkbaren Schaufeln, indem sie verhindern, daß diese sich in radialer Richtung verschieben und gleiten.
• Man hat in jüngster Zeit vorgeschlagen (so in dem französischen Patent 2 556 410), die Buchsen und die Dichtungen zwischen Verriegelungselementen in Form von Kreissektoren zu halten, durch deren Zusammenfügen ein voller Ring entsteht, und die Vorrichtung durch eine - in der Praxis aus zwei zusammengefügten Teilen gebildete - ringförmige Schiene zu vervollständigen, entlang derer die Sektoren aneinandergereiht werden und die die Elemente gegen die Zentrifugalkräfte und andere Kräfte in der gewünschten Anordnung festhält. Diese Vorrichtung ist leichter, hat jedoch den Nachteil, daß sie keine Mittel aufweist, um die Schaufeln in Richtung ihrer Schwenkachse, d. h. in radialer Richtung der Maschine, zu halten. Man muß deshalb die Montage der Schaufeln weiter vervollständigen, und dies ist die Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird. Sie ist gekennzeichnet durch eine mit Öffnungen versehene ringförmige Struktur, die sich an die die Zapfen haltenden Sektoren und an die den Satz von Sektoren haltende Schiene anfügt, wobei die genannten Öffnungen so geformt sind, daß die ihnen benachbarten Teile der ringförmigen Struktur in die Kehlen der Drehzapfen eingreifen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Drehzapfen durch die ringförmige Struktur miteinander verbunden sind, wobei die Kehlen im Bereich dieser Struktur bleiben.
• Man kann zwei Hauptkonzepte unterscheiden: Die ringförmige Struktur kann von der Schiene getrennt oder in diese integriert sein. Bei dem ersten Konzept ist der Ring vorteilhafterweise fortlaufend ausgebildet, und die Öffnungen haben dann eine geeignete Form, damit man die Zapfen in dem Ring montieren kann. Man kann konkret die Möglichkeit in Betracht ziehen, die Öffnungen als Schlitze auszubilden, die auf einer der Seiten des Rings münden, oder als Ausnehmungen, die verbreiterte Teile aufweisen, durch die man die nicht durch die Kehlen eingeschnittenen intakten Teile der Drehzapfen hindurchschieben kann. Bei dem zweiten Konzept kann man vorsehen, daß die Struktur einen Querschnitt in Form eines doppelten Winkelprofils hat, wobei die Winkel jeweils aus einem von der Schiene aufragenden ersten Steg und einem zweiten Steg bestehen und wobei die ersten Stege parallel verlaufen und die zweiten Stege auf gleichen Zylinderflächen liegen und, ausgehend von den ersten Stegen, einander zugewandt sind.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung von Fig. 1 entsprechend der Linie II-II,
• Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen des Rings,
• Fig. 5 und 6 zeigen zwei weitere mögliche Ausführungsformen der Erfindung.
• Die von der Erfindung betroffene Vorrichtung und die benachbarten Teile der Maschine sind in Fig. 1 und 2 vollständig dargestellt. Die Schaufeln 1 mit variabler Anstellung sind in kreisförmigen Stufen zwischen Stufen von Rotorschaufeln 2 gleicher Form verteilt, die fest mit einem Rotor 3 verbunden sind. Die Schaufeln 1 dienen zum Ausrichten der Strömung. Sie enden außen in einem Steuerzapfen 4, der durch das Statorgehäuse 5 dringt und außerhalb desselben in einem sechseckigen oder quadratischen Kopf 6 endet, der mit einem Betätigungsschlüssel an einem Ende einer Pleuelstange 8 in Eingriff steht, deren anderes Ende durch einen drehbaren Wellenstumpf 9 eines Betätigungsrings 10 gleitet, durch dessen Drehung um die Achse der Maschine die Pleuelstangen 8 und die Schaufeln 1 der ganzen Stufe verschwenkt werden.
• Die Schaufeln 1 enden in ihrem entgegengesetzten Endbereich in einem Führungszapfen 11, der sich in einer Buchse 12 dreht, die an ihren beiden Enden kreisförmige Kragen 13 und 14 aufweist. Die Buchse 12 ist in die Bohrungen 15 eines Halterings 16 eingesetzt, der, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus Sektoren 17 zusammengesetzt ist, die in Winkelrichtung in einer Bohrungshälfte enden. Wenn die Sektoren 17 zusammengebaut werden, fügen sich die Bohrungshälften zusammen und bilden die vollständigen Bohrungen 15, in denen die Buchsen 12 und die Zapfen 11 gehalten sind. Die Sektoren 17 sind nicht direkt miteinander verbunden sondern in eine Schiene 18 eingefädelt, die aus zwei Halbringen 19 zusammengesetzt ist, die an ihren Verbindungsstellen durch Schrauben 20 miteinander verbunden sind.
• Die Schiene 18 hat einen trogförmigen Querschnitt, der einen Hohlraum 21 bildet. Sie besteht aus einem Boden 22, von dessen Rändern zwei Flanken 23 und 24 nach oben ragen, die jeweils eine Randleiste 25 oder 26 besitzen, die sich oberhalb des Bodens 22 vortritt und eine Randleiste 27 bzw. 28 außerhalb der Sektoren 17 umgreift, um diese festzuhalten. Um die Verbindung zu vervollständigen und noch fester zu machen, weist die Flanke 23 eine innere Randleiste 29 auf, und die Randleiste 27 und der Kragen 13 sind zwischen den Randleisten 25 und 29 gefaßt; auf der anderen Seite der Sektoren 17 ist eine äußere Randleiste 30 angeordnet, so daß die Randleiste 26 zwischen den parallel zueinander verlaufenden Randleisten 28 und 30 gefaßt wird.
• Der Boden 22 trägt auf seiner Innenseite vor den Dichtungslippen 32 in Form eines kreisförmigen Kammes, die sich von dem Rotor 3 aus erheben, eine Schicht 31 aus abnutzbarem, d. h. leicht verschleißbarem oder erodierbarem Material. Bekanntlich bewirken die thermischen differentiellen Ausdehnungen der Schaufeln 1 und des Rotors 3, daß die Dichtungslippen 32 während des Betriebs der Maschine das Verschleißmaterial 31 berühren, auf ihm reiben und es abnutzen, wobei sie es nach ihrer Form modellieren, so daß nur ein sehr geringes Spiel verbleibt, so daß Leckverluste an diesen Stellen der Maschine fast vollständig verhindert werden.
• In dem Hohlraum 21 ist eine Ring 33 aufgenommen, der in die Kehlen 34 der Drehzapfen 11 eingreift. Der Ring 33 ist über seinen ganzen Umfang fortlaufend ausgebildet und so für alle Drehzapfen 11 gemeinsam.
• Fig. 3 zeigt ein konkretes Realisierungsbeispiel, das die Montage ermöglicht: Der Ring 33 weist Öffnungen 35 auf mit einem breiten Teil 36, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Drehzapfen 11, die somit an dieser Stelle durch den Ring 33 greifen können, und einem engen Teil 37, dessen Breite kleiner ist als der Durchmesser der Drehzapfen 11, jedoch größer als der Durchmesser am Boden der Kehle 34. Da die engen und breiten Teile 37 bzw. 36 jeder Öffnung 35 über den Umfang des Rings 33 aneinandergrenzen und aufeinanderfolgen, kann durch eine Drehbewegung des Rings 33 erreicht werden, daß die Ränder 38 der engen Teile 37 in die Kehlen 34 eindringen und so die Schaufel 1 in radialer Richtung der Maschine halten, nachdem die Drehzapfen 11 durch die breiten Teile 36 eingeführt wurden, bis ihre Kehlen 34 in die Höhe des Rings 33 gelangen.
• Fig. 4 zeigt, daß auch andere Konzepte möglich sind, mit denen die gleiche Haltewirkung erreicht werden kann, und daß insbesondere die Öffnungen 35 in Form von Ausnehmungen im Zentrum des Rings 33 durch Schlitze 39 ersetzt werden können, deren Breite mit derjenigen der engen Teile 37 identisch ist und die sich in seitlicher Richtung bis zu einem der Ränder des Rings 33 erstrecken. Der Ring 33 wird dann durch eine Bewegung in Achsenrichtung der Maschine in die Kehlen 34 eingesetzt.
• Es können auch andere Konzepte ins Auge gefaßt werden. So kann der Ring 33 (wie in Fig. 5 dargestellt) durch einen Ring 43 ersetzt werden, der integraler Bestandteil einer Schiene 18 ist und im übrigen die gleiche oder doch annähernd die gleiche Form hat wie zuvor. Er setzt sich dann aus zwei Winkelprofilen 44 zusammen, die einander fast gegenüberliegen, jedoch Abstand voneinander haben und aus einem ersten Steg 45 bestehen, der mit dem Boden 22 verbunden ist und sich bis zu einem zweiten Steg 46 erhebt. Die ersten Stege 45 sind zueinander parallel, und die zweiten Stege 46, die auf ein und derselben Zylinderfläche liegen, sind, ausgehend von den ersten Stegen 45, einander zugewandt und durch eine kreisförmige Nut 47 voneinander getrennt, die einen Zwischenraum mit konstanter Breite bildet, in den man die Drehzapfen 11 mit ihrer Kehle 34 einfädeln kann. Die freien und konvergierenden Ränder 48 der zweiten Stege 46 greifen also in die Kehlen 34 ein.
• Fig. 6 zeigt eine Variante, bei der die Schiene 18' modifiziert ist: Die Flanke 23 fehlt hier, und die andere Flanke 24' ist anders ausgebildet; ihre Randleiste 26' weist nämlich von dem Hohlraum 21 nach außen. Die Randleisten 28' und 30' der Sektoren 17' des Rings 16' weisen dann ins Innere der Verbindungsvorrichtung, so daß sie die Randleiste 26' festhalten. Die Flanke 23 ist an dieser Stelle durch eine Verlängerung 50 der Sektoren 17' ersetzt, um die Verbindung mit der Schiene 18' beizubehalten und den Hohlraum 21 abzudecken. Der Boden 22 der Schiene 18 ist hier mit einer von der Verbindungsvorrichtung nach außen weisenden Randleiste 51 ausgestattet, die zwischen zwei übereinander angeordneten Randleisten 52 und 53 der Verlängerung 50 gehalten ist.
• Der von der Schiene 18 getrennte Ring 33 kann gegen eine zufällige Verschiebung während des Betriebs gesichert werden, die ein Zerlegen der Verbindungsvorrichtung zur Folge haben könnte. Man kann ihn beispielsweise durch eine Schraube oder einen eingepreßten Stift 40 mit einem der Sektoren 17 verbinden.

Claims (8)

1. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln (1) mit einem Satz von Sektoren (17, 17), die zu einem Ring (16, 16') verbunden und mit Ausnehmungen (15) zur Aufnahme der Drehlagerbuchsen (12) für die Drehzapfen (11) der Schaufeln (1) ausgestattet sind, ferner mit Kehlen (34) in diesen Drehzapfen (11) sowie mit einer ringförmigen Schiene (18, 18'), an der die Sektoren gehalten sind, gekennzeichnet durch eine mit Öffnungen (35, 39, 47) versehene ringförmige Struktur (33, 43), wobei an diese Öffnungen angrenzende Teile (38, 48) der ringförmigen Struktur in die Kehlen der Drehzapfen (11) eingreifen.

2. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene einen hohlen Querschnitt (21) hat und einen Bodenteil (22) aufweist, der die Drehzapfen (11) abdeckt, wobei die ringförmige Struktur (33, 43) zwischen dem Boden (22) und den genannten Sektoren (17, 17') angeordnet ist.

3. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (22) eine Schicht (31) aus einem Verschleißmaterial trägt, die zu einer Dichtungsanordnung (32) gehört.

4. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur (33) ein von der Schiene (18) getrennter durchlaufender Ring ist.

5. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen aus zwei benachbarten Abschnitten bestehen, von denen der erste (36) größer als der Durchmesser der Drehzapfen und der zweite (37) schmaler als der Durchmesser der Drehzapfen mit Ausnahme der Kehlen (34) ist.

6. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (39) Schlitze sind, die auf einer der Seiten des Rings münden.

7. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur (43) in die Schiene (18, 18') integriert ist.

8. Montagevorrichtung für eine kreisförmige Schaufelstufe mit verschwenkbaren Schaufeln nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Struktur einen Querschnitt in Form eines doppelten Winkelprofils hat, wobei die Winkel (44) jeweils aus einem von dem Boden (22) aufragenden ersten Steg (45) und einem zweiten Steg (46) bestehen und wobei die ersten Stege parallel verlaufen und die zweiten Stege auf gleichen Zylinderflächen liegen und, ausgehend von den ersten Stegen, einander zugewandt sind.