DE102007059220A1

DE102007059220A1 - Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke

Info

Publication number: DE102007059220A1
Application number: DE200710059220
Authority: DE
Inventors: Moritz Wirth
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitschaufelkranz (3) für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke, mit an den radial äußeren Leitschaufelfüßen (6) angebrachten Haken (7, 8) zum Einführen in zugeordnete Ausnehmungen (9, 10) von Gehäuseteilen (11, 12). Die Leitschaufeln (4) können sich im Betrieb leicht verdrehen, wodurch der Anströmwinkel der Leitschaufelblätter (5) verändert werden kann und Wirkungsgradverluste entstehen können. Erfindungsgemäß ist mindestens ein die äußeren Leitschaufelfüße (6) umspannendes Ringelement (24) vorgesehen, das die Leitschaufelfüße (6) miteinander verbindet, so dass ein Verdrehen der Leitschaufeln (4) im Betrieb weitgehend verhindert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke, mit an den radial äußeren Leitschaufelfüßen der Leitschaufeln angebrachten, abgewinkelten Haken zum Einführen in zugeordnete Ausnehmungen von Gehäuseteilen.
Bei Hochdruckverdichtern bekannter Flugtriebwerke dieser Art ist an den radial äußeren Leitschaufelfüßen seitlich in axialer Richtung je ein abgewinkelter Haken angebracht, mit denen die Leitschaufelfüße in zugeordnete, umlaufende Ausnehmungen axial gegenüberliegender Gehäuseteile eingeführt werden. Diese Ausnehmungen, auch T-Slots genannt, erlauben es – auch bei Einhaltung vorgegebener Toleranzen bei der Fertigung der Ausnehmungen und der Haken – den einzelnen Leitschaufeln, sich beim Anfahren und im Betrieb aufgrund von durch die Anströmung erzeugten Schwingungen leicht zu verdrehen. Dadurch verändert sich der Anströmwinkel der Leitschaufelblätter derart, dass Wirkungsgrad- bzw. Pumpgrenzverluste entstehen. Dabei sind die Leitschaufelblätter an ihren radial innenliegenden Schaufelblattenden frei gegenüber der die Laufschaufeln tragenden Triebwerkswelle angeordnet.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bekannt, die Leitschaufelfüße gruppenweise zu verschweißen oder zu verlöten, wobei zwei bis zwanzig Leitschaufeln zu einem Cluster verbunden werden. Das Verschweißen oder Verlöten ist sehr teuer und aufwendig. Außerdem ergibt sich ein Schweißverzug, und die Schweißnähte unterliegen der Gefahr von Rissen bei der hohen thermischen und dynamischen Beanspruchung der Leitschaufelkränze.
Es ist bei einer gattungsfremden Leitschaufelanordnung nach WO 2005/078242 A1 mit an den radial innenliegenden Enden der Schaufelblätter gebildetem Innendeckband bekannt, zwischen dem Innendeckband und einem radial anschließenden Dichtungsträger ein Federelement in Form einer Blattfeder anzuordnen. Diese soll die Schwingungen der Leitschaufeln von Verdichtern einer Gasturbine dämpfen. Zusätzlich sind hier Sicherungsdrähte seitlich neben dem Federelement in Ausnehmungen innerhalb des Innendeckbandes angeordnet. Auch bei dieser Leitschaufelanordnung werden die Leitschaufeln jeweils gruppenweise miteinander verbunden bzw. verlötet oder verschweisst, wobei auch das Innendeckband, der Dichtungsträger und die Sicherungsdrähte jeweils nur einer Gruppe von z. B. vier Leitschaufeln zugeordnet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere bei Hochdruckverdichtern von Flugtriebwerken, dahingehend zu verbessern, dass auch bei unabhängig voneinander in die Ausnehmungen der Gehäuseteile eingeführten Haken der Leitschaufelfüße ein Verdrehen der Leitschaufeln weitgehend verhindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein die radial äußeren Leitschaufelfüße umspannendes Ringelement gelöst. Dieses umspannt die Leitschaufelfüße auf ihren radial äußeren Flächen und verbindet die einzeln, mit ihren Haken in die Ausnehmungen der Gehäuseteile eingeführten Leitschaufelfüße derart, dass ein Kippeln bzw. Verdrehen der Leitschaufeln um ihre Längsachse bzw. deren in die Ausnehmungen der Gehäuseteile eingebrachter Haken der Leitschaufelfüße weitgehend verhindert ist.
Das metallische Ringelement ist in weiterer Ausbildung der Erfindung aus federelastischem metallischem Material gebildet und nicht geschlossen, sondern in noch weiterer Ausbildung der Erfindung mit einem Querschlitz versehen. Dieser unterteilt das Ringelement in Umfangsrichtung, so dass dieses bei der Montage des Leitschaufelkranzes leicht um die Leitschaufelfüße herumgelegt werden kann.
Das metallische Ringelement kann auch in einer alternativen Ausführungsform aus mindestens zwei miteinander fest verbundenen Kreissegmenten gebildet sein.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die radial äußeren Flächen der Leitschaufelfüße mit Nuten zum Einlegen des metallischen Ringelementes versehen. Diese einzelnen Nuten in jedem Leitschaufelfuß bilden bei der Montage des Leitschaufelkranzes eine um diesen auf der radial außen liegenden Fläche der Leitschaufelfüße umlaufende Ringnut, in welche das metallische Ringelement eingesetzt wird. Die Nuten sind seitlich nahe den Haken zum Einführen in die Ausnehmungen der Gehäuseteile angeordnet. Durch Einbringen des metallischen Ringelementes in die umlaufende Ringnut kann der axiale Spalt zwischen den einzelnen Nuten bzw. der Ringnut und dem Ringelement sehr klein gewählt werden, da das metallische Ringelement und die einzelnen Nuten mit genauen Toleranzen hergestellt werden können, wodurch die Freiheit der Leitschaufeln gegen ein Kippeln bzw. Verdrehen um ihre Längsachsen verhindert werden kann.
In noch weiterer Ausbildung der Erfindung sind die seitlich an den Leitschaufelfüßen angebrachten abgewinkelten Haken von metallischen Laschen umgeben, wobei die freien Enden der Laschen die Nuten übergreifen, um das in die Nuten bzw. die Ringnut eingesetzte metallische Ringelement radial von der Außenseite einzuspannen bzw. radial einwärts zu drücken.
Das metallische Ringelement kann als ein Draht aus einem hitzebeständigen Metall, insbesondere einer Nickellegierung, gebildet sein. Diese besteht insbesondere aus Nimonic 90 oder aus Haynes 25.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes für thermische Strömungsmaschinen wird anhand eines in den Figuren dargestellten Flugtriebwerkes näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Ausschnitt aus einem Flugtriebwerk mit einem zwischen zwei Laufschaufelkränzen angeordneten feststehenden Leitschaufelkranz mit einem die Leitschaufelfüße umspannenden Ringelement,
2 das Detail X aus 1 in etwas vergrößerter Darstellung,
3 eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Leitschaufelkranzes mit mehreren, vom Ringelement umspannten Leitschaufeln und
4 eine detaillierte Draufsicht auf einen Leitschaufelfuß und das Ringelement.
Der Ausschnitt gemäß 1 aus einem Flugtriebwerk zeigt eine rotierend gelagerte Triebwerkswelle 1 mit zwei daran angebrachten rotierenden Laufschaufelkränzen 2 sowie einen zwischen diesen angeordneten, feststehenden Leitschaufelkranz 3 aus einer Vielzahl von am Umfang der Triebswerkswelle 1 angeordneten Leitschaufeln 4. Diese bestehen jeweils aus einem Leitschaufelblatt 5 und je einem radial äußeren Leitschaufelfuß 6 und daran in Axialrichtung angebrachten, abgewinkelten Haken 7, 8, die in umlaufend ausgebildete Ausnehmungen 9 bzw. 10 von Gehäuseteilen 11 bzw. 12 eingreifen.
Das Gehäuseteil 11 ist mit einem radial auswärts gerichteten Flansch 13 zwischen einem ebenfalls radial auswärts gerichteten Flansch 14 des Gehäuseteils 12 und einem weiteren Gehäuseteil 15 mittels einer Schraubverbindung 16 fest eingebaut. Eine weitere Schraubverbindung 17 dient zur Verbindung eines radial auswärts gerichteten weiteren Flansches 18 des Gehäuseteils 12 mit einem weiteren Gehäuseteil 19. Die abgewinkelten Haken 7, 8 der Leitschaufelfüße 6 sind in die axialen Ausnehmungen 9 bzw. 10 der Gehäuseteile 11 bzw. 12 unter Zwischenlage von U-förmig geformten, metallischen Laschen 20, 21 eingesetzt, deren Breite der Breite der Leitschaufelfüße 6 entspricht.
Wie es das in 2 vergrößert dargestellte Detail X aus 1 zeigt, ist in die äußere Fläche jedes Leitschaufelfußes 6 einer jeden Leitschaufel 4 radial von außen eine Nut 22 eingebracht, die zusammen mit den Nuten 22 aller übrigen Leitschaufelfüße 6 der übrigen Leitschaufeln 4 eine Ringnut 23 bildet. In die Nuten 22 bzw. die Ringnut 23 ist ein im Querschnitt kreisförmiges, federelastisches, metallisches Ringelement 24 eingebracht, das alle Leitschaufeln 4, d. h. deren Leitschaufelfüße 6, radial von außen umspannt und die Leitschaufelfüße 6 mit ihren abgewinkelten Haken 7 bzw. 8 in den umlaufenden Ausnehmungen 9 bzw. 10 der Gehäuseteile 11 bzw. 12 gegen ein Verdrehen der Leitschaufeln 4 um ihre Längsachse sichert, wobei das Verdrehen der Leitschaufeln 4 aus Schwingungen der Leitschaufeln 4 resultiert, die von der aus den Zwischenräumen zwischen den Laufschaufeln austretenden Strömung erzeugt werden.
Das federelastische, metallische Ringelement 24 und die zugehörigen Nuten 22 der Ringnut 23 sind mit engen Toleranzen hergestellt, so dass der axiale Spalt 25 zwischen Nut 22 und Ringelement 24 minimal ist. Zur einfachen Montage ist das Ringelement 24 mit einem Querschlitz 27 versehen, der ein leichtes Aufbiegen des elastischen Ringelementes 24 bei der Montage ermöglicht.
In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform kann das metallische Ringelement auch aus mindestens zwei miteinander fest verbundenen Kreissegmenten gebildet sein.
Wie es im Detail in 2 dargestellt ist, sind die freien Enden 26 der Laschen 20 axial bis über die Nuten 22 bzw. die Ringnut 23 verlängert, um diese zu übergreifen und das in die Ringnut 23 eingesetzte elastische Ringelement 24 radial von der Außenseite her zu halten. Dabei entspricht die Breite der metallischen Laschen der Breite eines jeden Leitschaufelfußes 6.
Die 3 veranschaulicht in einer Draufsicht auf einen Teilbereich des Leitschaufelkranzes 4, wie das in die Nuten 22 bzw. die Ringnut 23 eingesetzte elastische Ring element 24 die Leitschaufelfüße 6 der Leitschaufeln 4 umspannt.
Die 4 veranschaulicht in einer detaillierten Draufsicht auf den Leitschaufelfuß 6 einer Leitschaufel 4, wie bei einer Länge L und einer Breite B des Leitschaufelfußes 6 ein Winkel β zwischen dem Ringelement 24 und einer Querseite 28 des Leitschaufelfußes 6 entsteht, der ohne die Verwendung des Ringelementes 24 aufgrund der Schwingungen der Leitschaufelblätter 5 zum Verdrehen der Leitschaufelblätter 5 führen könnte.
Das metallische Ringelement 24 kann als ein im Querschnitt kreisförmiger Draht aus metallischem Material und insbesondere aus einem hitzebeständigen Material, bevorzugt aus einer Nickellegierung gebildet sein. Diese kann Nimonic 90 oder Hynes 25 od. dgl. sein. Die Dicke D des Ringelementes 24 entspricht genau der Breite der Nuten 23.

1: Triebwerkswelle
2: Laufschaufelkranz
3: Leitschaufelkranz
4: Leitschaufel
5: Leitschaufelblatt
6: Leitschaufelfuß
7, 8: Haken
9, 10: Ausnehmung
11, 12: Gehäuseteil
13, 14: Flansch
15: Gehäuseteil
16, 17: Schraubverbindung
18: Flansch
19: Gehäuseteil
20, 21: Lasche
22: Nut
23: Ringnut
24: Ringelement
25: Spalt
26: freies Ende
27: Querschlitz
28: Querseite
B: Breite
D: Dicke
L: Länge
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/078242 A1 [0004]

Claims

Leitschaufelkranz für thermische Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke, mit an den radial äußeren Leitschaufelfüßen der feststehenden Leitschaufeln angebrachten abgewinkelten Haken zum Einführen in zugeordnete Ausnehmungen von Gehäuseteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein die äußeren Leitschaufelfüße (6) umspannendes, Ringelement (24) vorgesehen ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (24) aus federelastischem, metallischem Material gebildet ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ringelement (24) mit einem Querschlitz (27) versehen ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ringelement (24) aus mindestens zwei miteinander fest verbundenen Kreissegmenten gebildet ist.
Leitschaufelkranz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußeren Leitschaufelfüße (6) mit Nuten (22) zum Einlegen des metallischen Ringelementes (24) versehen sind.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (22) seitlich nahe den Haken (7, 8) der Leitschaufelfüße (6) angeordnet sind.
Leitschaufelkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgewinkelten Haken (7, 8) der Leitschaufelfüße (6) von metallischen Laschen (20, 21) umgeben sind und die freien Enden (26) der Laschen (20, 21) die Nuten (22) übergreifen und das in die Nuten (22) eingesetzte metallische Ringelement (24) radial von der Außenseite einspannen.
Leitschaufelkranz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ringelement (24) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Nuten (22) zur Aufnahme des Ringelementes (24) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind.
Leitschaufelkranz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ringelement (24) aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Material eine Nickellegierung ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebeständige Nickellegierung Nimonic 90 ist.
Leitschaufelkranz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebeständige Nickellegierung Haynes 25 ist.