DE102006024085B4

DE102006024085B4 - Turboverdichter in Axialbauweise

Info

Publication number: DE102006024085B4
Application number: DE102006024085.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: DE102006024085A1; EP2024608B1; WO2007134585A1; EP2024608A1; US20100232952A1; US8376692B2; CA2652272A1; CA2652272C

Abstract

Turboverdichter in Axialbauweise für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, mit einem beschaufelten Stator und einem beschaufelten Rotor, wobei der Stator ein an diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeteiltes Verdichtergehäuse und mindestens einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln (2) umfasst, dessen Leitschaufeln (2) radial außerhalb ihres Schaufelblatts (3) am und/oder im Verdichtergehäuse sowie radial innerhalb ihres Schaufelblatts (3) an und/oder in einem statorzugehörigen Innenring (9) um radiale oder vorwiegend radiale Achsen schwenkbar gelagert sind, wobei der Innenring (9) an mindestens zwei Stellen seines Umfangs geteilt, d.h. segmentiert ist und für jede Leitschaufel (2) mindestens eine radial von innen in eine Öffnung (11) einsetzbare Lagerbuchse (12) aufweist,
wobei jede verstellbare Leitschaufel (2) am radial inneren und radial äußeren Ende ihres Schaufelblatts (3) jeweils eine tellerartige Platte (4, 5) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest die radial innere Platte (4) zur Lagerbuchse (12) hin eine kegelige bzw. ballige Verjüngung (6) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter in Axialbauweise für eine Gasturbine, mit einem beschaufelten Stator und einem beschaufelten Rotor, wobei der Stator ein an diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeteiltes Verdichtergehäuse und mindestens einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln umfasst, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Turboverdichtern in Axialbauweise für Gasturbinen lassen sich hinsichtlich der Gehäusekonstruktion prinzipiell zwei Bauarten unterscheiden. Es gibt längsgeteilte Verdichtergehäuse mit zwei sich diametral gegenüberliegenden, axial verlaufenden Trennfugen, welche sich in zwei „Halbschalen“ zerlegen lassen. Diese Bauart wird auch als „Split Case“ bezeichnet. Weiterhin gibt es quergeteilte Verdichtergehäuse, welche aus mehreren konzentrischen, axial aneinander gereihten Gehäuseringen zusammengesetzt sind. Die Gehäuseringe sind miteinander in der Regel über radial nach Außen weisende Flansche verschraubt. Beide Bauarten haben spezifische Vor- und Nachteile und können bei vielstufigen Verdichtern mit erheblicher Axialstreckung auch kombiniert werden.
Im vorliegenden Fall geht es um Verdichter oder Verdichtermodule mit längsgeteiltem Gehäuse, d.h. um die „Split Case“-Bauart, welche hinsichtlich Leichtbau und Montagefreundlichkeit Vorteile bietet.
Weiterhin soll es sich um Verdichter handeln, welche mindestens einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln aufweisen. Solche Verdichter können besser an wechselnde Betriebsbedingungen angepasst werden, dies bei geringer Stufenzahl, kleinem Bauvolumen und geringem Gewicht. Es ist üblich, verstellbare Leitschaufeln radial außerhalb des Schaufelblatts am bzw. im Verdichtergehäuse, radial innerhalb des Schaufelblatts an bzw. in einem statorzugehörigen Innenring zu lagern. Hierfür weisen die Leitschaufeln ausgehend vom Schaufelblatt einen - in der Regel längeren - Außenzapfen sowie einen - in der Regel kürzeren - Innenzapfen auf. Jeweils am Übergang Schaufelblatt/Zapfen ist häufig eine tellerartige Platte angeordnet, welche strömungstechnische und mechanische Funktionen besitzt. Der statische Innenring, dessen radial äußere Oberfläche einen Teil der inneren Ringraumbegrenzung bildet, weist zu jeder Leitschaufel eine komplementäre Vertiefung für die innere, tellerartige Platte an der Leitschaufel sowie ein Lager für den Innenzapfen auf. Das Lager ist in der Regel als Gleitlager mit radial orientierter Längsmittelachse ausgeführt. Der Innenring ist quergeteilt, wobei die Trennfuge durch die Längsmitte der Lager verläuft. Zusätzlich ist der Innenring an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeteilt, so dass er im Grunde aus vier Halbringen besteht, wovon jeweils zwei axial aneinandergrenzen und üblicherweise miteinander verschraubt werden. So ist es möglich, die Leitschaufeln in die getrennten Verdichtergehäusehälften zu installieren und anschließend den Innenring mit der Lagerung für die Innenzapfen zu montieren. Dabei werden bei jeder Verdichtergehäusehälfte zwei Halbringe des Innenrings axial gegeneinander über die freistehenden Innenzapfen und die tellerartigen Platten der Leitschaufeln bewegt, bis sie sich in Solllage berühren und dann miteinander verschraubt. Dabei sind die Innenringteile häufig bereits selbst mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag versehen, der mit umlaufenden Schneiden (Fins) am Rotor dichtend (Inner Airseal) zusammenwirkt. Diese Innenring-Konstruktion gemäß dem Stand der Technik weist Nachteile auf. Die mechanische Stabilität und die Endgenauigkeit sind infolge der Querteilung und Verschraubung nicht optimal. In Relation zu einem monolithischen Bauteil sind die radialen und axialen Abmessungen in der Regel größer, was Auswirkungen auf die Rotordimensionierung hat. Der örtliche Rotordurchmesser muss reduziert werden, zusätzlich nimmt u.U. die Rotorlänge zu. Beides ist ungünstig für das dynamische Rotorverhalten (Steifigkeit, Schwingungsverhalten, Gewicht, etc.) Im Betrieb können sich Teile der Verschraubung lösen und zu gravierenden Schäden führen. Die Trennfuge infolge der Querteilung wirkt sich auf die Lage und Erstreckung des Einlaufbelags aus, da die Fuge sich über den gesamten Innenringumfang erstreckt. Aufgrund ihrer Komplexität ist diese Konstruktion auch teuer.
Beispielsweise sind aus der US 5 636 968 A und der US 2005 / 0 232 756 A1 gattungsgemäße Turboverdichter bekannt.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei einem Turboverdichter der eingangs genannten Art mit verstellbaren Leitschaufeln den die letzteren im Bereich der Inner Airseal und des Rotors stützenden und lagernden Innenring hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften, seines Bauvolumens, seines Gewichts und seiner Montagefreundlichkeit zu optimieren, um letztlich auch die Rotordynamik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
In Anpassung an das längsgeteilte Verdichtergehäuse ist der Innenring an mindestens zwei Stellen seines Umfangs ebenfalls geteilt, d.h. segmentiert. Jedes seiner mindestens zwei Segmente ist einstückig, d.h. monolithisch. Der Innenring weist in seinen Segmenten für jede der verstellbaren Leitschaufeln mindestens eine radial von Innen in eine Öffnung einsetzbare Lagerbuchse auf. Ausgehend von einem Zustand, in dem die verstellbaren Leitschaufeln bereits in die demontierten Verdichtergehäusehälften eingesetzt sind, und die der inneren Lagerung dienenden Innenzapfen von den Schaufelblättern frei nach innen vorstehen, können die Segmente noch ohne Lagerbuchsen radial von Innen mit ihren Öffnungen für die Lagerbuchsen an einem Segmentende beginnend über die Innenzapfen bewegt werden. Durch fortschreitendes Einfädeln bewegen sich immer mehr Öffnungen über die Innenzapfen, bis alle Innenzapfen in den Öffnungen des ihnen zugeordneten Segments sitzen. Bei diesem Montagevorgang wird ausgenutzt, dass die Öffnungen in den Segmenten im Durchmesser deutlich größer sind, als die Innenzapfen, so dass letztere zeitweilig exzentrisch und schräg in den Öffnungen positioniert sein können.
In das in Solllage befindliche Segment können dann radial von Innen die Lagerbuchsen eingesetzt werden, wobei eine oder mehrere Buchsen pro Lagerung, d.h. pro Innenzapfen und Öffnung, vorgesehen sein können. Die in sich monolithischen Segmente sind festigkeits-, bauraum- und gewichtsmäßig optimal und benötigen keine Zusatzelemente, wie Schrauben, Muttern, Stifte, etc., welche sich lösen können. Die Lagerbuchsen als Verschleißteile können ausgetauscht werden, ohne die Segmente des Innenrings bzw. die Leitschaufeln demontieren zu müssen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Vorzugsweise soll an dem Innenring ein Dichtungsträger mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag lösbar befestigt sein. Der Dichtungsträger soll, wie der Innenring selbst, segmentiert und radial formschlüssig, als Blechprofil, am Innenring gehalten sein.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

1 einen Teil eines Leitschaufelkranzes mit verstellbaren Leitschaufeln,
2 eine perspektivische Teilansicht des Leitschaufelkranzes nach Montage des Innenrings einschließlich der Lagerbuchsen, und
3 eine perspektivische Teilansicht des Leitschaufelkranzes bei Montage des Dichtungsträgers.

1 gibt einen Teil eines Leitschaufelkranzes 1 mit verstellbaren Leitschaufeln 2 wieder. Solche Leitschaufelkränze werden bevorzugt in Turboverdichtern verwendet, um deren strömungsmechanische Eigenschaften verändern bzw. anpassen zu können. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist das Verdichtergehäuse einschließlich Schaufellagerung und Verstellmechanismus nicht dargestellt. Man erkennt, dass jede Leitschaufel 2 ein strömungstechnisch wirksames Schaufelblatt 3, eine radial innere und eine radial äußere, jeweils tellerartige Platte 4, 5 sowie einen radial inneren Innenzapfen 7 und einen radial äußeren Außenzapfen 8 aufweist. Letzterer dient der Lagerung in bzw. am Verdichtergehäuse und der Verbindung mit dem Verstellmechanismus. Im Bereich der Innenzapfen 7 erkennt man den statorzugehörigen Innenring 9, welcher in der Regel zwei in Umfangsrichtung aneinandergrenzende Segmente 10 umfasst. Der Innenring 9 bzw. dessen Segment 10 ist geschnitten dargestellt, so dass die Öffnungen 11 für die Lagerbuchsen zu sehen sind. Die Öffnungen 11 können beispielsweise durch Bohren, Senken oder Drehen hergestellt sein. Wichtig ist, dass sie eine nachträgliche Montage der Lagerbuchsen radial von Innen ermöglichen. Die monolithischen Segmente 10 können zur Montage auf einen definiert kleineren Radius vorgespannt und radial von Innen - in 1 von Unten - über die Innenzapfen 7 bewegt werden. Obwohl die Innenzapfen 7 und die Öffnungen 11 dabei großteils nur ungefähr fluchten, ist diese Art der Montage aufgrund der Durchmesserdifferenz zwischen den Innenzapfen 7 und den Öffnungen 11 möglich. Um die Montage zu erleichtern, weisen die in den Innenring 9 eintauchenden Platten 4 eine z.B. konische oder ballige Verjüngung 6 auf.
1 deutet an, dass das Segment 10 nicht synchron über alle Innenzapfen 7 bewegt wird, sondern an einer Stelle am Umfang - hier links - beginnend und dann über den Umfang - hier nach rechts - fortschreitend. Dabei kann der Radius des Segments 10 durch allmähliche Reduktion der Vorspannung stufenlos oder durch gestufte Reduktion schrittweise bis zum entspannten Zustand vergrößert werden. Letztlich sollen Innenzapfen 7 und Öffnungen 11 in Solllage fluchtend positioniert sein. Es sei darauf hingewiesen, dass der geschilderte Montagevorgang zusätzlich erleichtert werden kann, indem die gehäuseseitige Lagerung der Außenzapfen erst danach, durch Einsetzen der Lagerbuchsen, vervollständigt wird, in Analogie zur Lagerung am Innenring 9. Ggf. kann dadurch auf eine Vorspannung des Segments vollständig verzichtet werden, d.h. ein Einfädeln ohne Verformung erfolgen.
2 zeigt den Zustand mit in Solllage befindlichem Innenring 9 bzw. Segment 10, wobei die Lagerbuchsen 12 in die Öffnungen 11 eingesetzt sind und die Innenzapfen 7 mit definiertem, kleinem Lagerspiel umschließen.
3 zeigt die anschließende Montage des Dichtungsträgers 13. Dieser ist wie der Innenring 9 segmentiert und komplementär zum Segment 10 als Segment 14 in Form eines radial formschlüssigen Blechprofils ausgeführt. Das Segment 14 trägt einen Einlaufbelag 15, z.B. in Form einer Honigwabendichtung. Zur Montage wird das Segment 14 in Umfangsrichtung über das Segment 10 bewegt, bis beide Segmente sich überdecken, d.h. in gleicher Winkelposition stehen. Es kann eine Verdrehsicherung erfolgen, z.B. durch plastische Verformung endseitiger Biegeelemente. Der Dichtungsträger 13 verhindert im Betrieb zusätzlich ein Lösen und Herausfallen der Lagerbuchsen 12. Bei Verschleiß der Lagerbuchsen 12 wird zuerst der Dichtungsträger 13, d.h. das Segment 14 demontiert. Die Lagerbuchsen lasen sich dann austauschen, ohne den Innenring 9 demontieren zu müssen.
Falls kein Dichtungsträger (13) erforderlich bzw. vorhanden ist, können die Lagerbuchsen (12) auch mit anderen Sicherungselementen aus Blech bzw. Draht gegen Lösen und Herausfallen gesichert werden.

Claims

Turboverdichter in Axialbauweise für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk, mit einem beschaufelten Stator und einem beschaufelten Rotor, wobei der Stator ein an diametral gegenüberliegenden Seiten längsgeteiltes Verdichtergehäuse und mindestens einen Leitschaufelkranz mit verstellbaren Leitschaufeln (2) umfasst, dessen Leitschaufeln (2) radial außerhalb ihres Schaufelblatts (3) am und/oder im Verdichtergehäuse sowie radial innerhalb ihres Schaufelblatts (3) an und/oder in einem statorzugehörigen Innenring (9) um radiale oder vorwiegend radiale Achsen schwenkbar gelagert sind, wobei der Innenring (9) an mindestens zwei Stellen seines Umfangs geteilt, d.h. segmentiert ist und für jede Leitschaufel (2) mindestens eine radial von innen in eine Öffnung (11) einsetzbare Lagerbuchse (12) aufweist, wobei jede verstellbare Leitschaufel (2) am radial inneren und radial äußeren Ende ihres Schaufelblatts (3) jeweils eine tellerartige Platte (4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die radial innere Platte (4) zur Lagerbuchse (12) hin eine kegelige bzw. ballige Verjüngung (6) aufweist.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (10) des Innenrings (9) durch Biegen - von einem ersten Radius in unbelastetem Zustand hin zu einem zweiten, definiert kleineren Radius - verformbar ausgeführt ist.
Turboverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (9) halbiert, d.h. in zwei jeweils über einen Winkel von ca. 180° reichende Segmente (10) geteilt ist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (10) des Innenrings (9) mindestens ein Sicherungselement aus Blech und/oder Draht aufweist, welches mindestens eine Lagerbuchse (12) gegen ein Herausfallen aus einer Öffnung (11) radial nach Innen sichert.
Turboverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenring (9) ein Dichtungsträger (13) mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag (15) lösbar befestigt ist, wobei der Dichtungsträger (13) die Lagerbuchsen (12) gegen Herausfallen aus den Öffnungen (11) sichert.
Turboverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (13) an mindestens zwei Stellen seines Umfangs geteilt, d.h. segmentiert ist und unter radialem Formschluss an den Segmenten (10) des Innenrings (9) gehalten ist.
Turboverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (13) halbiert ist, und dass jedes seiner beiden Segmente (14) ein zum Innenring (9) komplementäres, radial formschlüssiges Blechprofil sowie beispielsweise eine Wabenstruktur als Anstreif- bzw. Einlaufbelag (15) umfasst.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse für jede Leitschaufel (2) mindestens eine radial von Außen in eine Öffnung einsetzbare Lagerbuchse aufweist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (11) für die Lagerbuchsen (12) im Innenring (9) und/oder die Öffnungen für die Lagerbuchsen im Verdichtergehäuse als Bohrungen, Senkungen und/oder Ausdrehungen ausgeführt sind.