DE102009004934B4

DE102009004934B4 - Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators

Info

Publication number: DE102009004934B4
Application number: DE102009004934.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: EP2379847A1; CA2746134C; DE102009004934A1; WO2010081468A1; EP2379847B1; US8943689B2; CA2746134A1; US20110265328A1

Abstract

Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings (10) eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz (12), mit folgenden Schritten:- Bereitstellen des Leitschaufelkranzes (12) mit einem inneren Radius S;- Bereitstellen des integralen Innenrings (10) mit einem äußeren Radius R, der dem inneren Radius S entspricht;- Vorspannen des integralen Innenrings (10) auf einen über den Umfang des Innenrings (10) äußeren Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10); und- Abrollen des integralen Innenrings (10) im Leitschaufelkranz (12) durch Entspannen des integralen Innenrings (10) auf den äußeren Radius R, - dadurch gekennzeichnet,- dass zum Vorspannen des integralen Innenrings (10) eine Matrize (20) mit einem Radius verwendet wird, deren Außenradius kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10) abzüglich dessen radialer Dicke.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz.
Bei Turboverdichtern für Gasturbinen, die einen beschaufelten Stator aufweisen, werden die Leitschaufeln auf einem drehfesten Innenring gelagert. Der Innenring ist mit Öffnungen (Lagersenkungen) versehen, in die Lagerbuchsen für die Innenzapfen der Leitschaufeln einsetzbar sind. Erst wenn die Leitschaufeln im Verdichtergehäuse eingesetzt sind, erfolgt die Installation (Montage) des Innenrings. Bei Innenringen ohne axiale Teilung ist die Montage bislang nur segmentweise möglich. Der Innenring ist in Umfangsrichtung in einzelne Segmente mit einem Mittelpunktswinkel < 180° unterteilt, und die Segmente mit den Öffnungen werden einzeln in die Innenzapfen der Leitschaufeln „eingefädelt“, soweit die Spalte zwischen den Segmenten dies zulassen. In der Praxis weisen die Segmente daher in der Regel einen Mittelpunktswinkel auf, der nicht größer als 30° ist.
Ein solcher segmentierter Innenring ist beispielsweise in der EP 1 508 672 A1 gezeigt. Ein Verfahren zur Montage eines segmentierten Innenrings ohne axiale Teilung ist aus der DE 10 2006 024 085 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird ausgenutzt, dass die Öffnungen in den Segmenten des Innenrings im Durchmesser deutlich größer sind als die Innenzapfen der Leitschaufeln, so dass letztere zeitweilig exzentrisch und schräg in den Öffnungen positioniert sein können. Die Offenlegungsschrift DE 21 52 365 A offenbart ein Montageverfahren für eine mehrstufige Axialturbomaschine. Zum Anbringen eines Ummantelungsrings wird der im entspannten Zustand halbkreisförmige Ummantelungsring an seinen Enden über eine Stangenkonstruktion zusammengezogen, was keine Stütze des Innenrings während der Vorspannung gestattet, so dass eine Überdehnung möglich ist. Die US 3 969 805 A betrifft ebenfalls ein gattungsgemäßes Montageverfahren, bei dem ein axial geschlitzter Innenring zum Einsatz kommt
Segmentierte Innenringe haben jedoch im Vergleich zu einteiligen, geschlossenen (integralen) Innenringen grundsätzliche Nachteile. So führt die Segmentierung zu einem größeren Verschleiß und einer erheblich verkürzten Lebensdauer. Außerdem führt die Segmentierung zu einem unerwünschten Clusterschwingen.
Bislang ist aber kein Verfahren bekannt, mit dem ein integraler Innenring ohne axiale Teilung in zufriedenstellender Weise montiert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Mangel zu beheben und ein Verfahren anzugeben, das eine einfache Montage und ggf. Demontage eines Leitschaufeln tragenden Innenrings zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz weist folgende Schritte auf:

Bereitstellen des Leitschaufelkranzes mit einem inneren Radius S;
- Bereitstellen des Innenrings mit einem äußeren Radius R, der dem inneren Radius S entspricht;
- Vorspannen des Innenrings auf einen äußeren Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings; und
- Entspannen des Innenrings auf den äußeren Radius R.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein integraler Innenring so verformbar gestaltet werden kann, dass der Innenring bei geeigneter geometrischer Auslegung seiner Öffnungen und der Innenzapfen der Leitschaufeln so vorgespannt werden kann, dass die Verformungsbewegung des Innenrings bei dessen Entspannung zum Einfädeln des Innenrings in den Leitschaufelkranz genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird beim Vorspannen des Innenrings die Verwendung einer Matrize mit einem Radius verwendet, deren Außenradius kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings abzüglich dessen radialer Dicke. Die Matrize stellt sicher, dass keine Überdehnung des Innenrings auftritt, da sie die Biegung auf einen definierten Radius begrenzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine Matrize und eines Teils eines Innenrings vor dessen Vorbiegung;
2 eine schematische Teilansicht eines Leitschaufelkranzes mit einseitig angesetztem Innenring;
3 eine größere schematische Teilansicht des Leitschaufelkranzes mit teilweise eingefädeltem Innenring; und
4 das geometrische Modell, das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz wird im Folgenden anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
Zunächst wird ein integraler, also ungeteilter, einstückiger Innenring 10 mit einem über den Umfang konstanten äußeren Radius R bereitgestellt. Unter einem einstückigen Innenring soll hier auch ein einstückiger Teilring mit einem Mittelpunktswinkel ≥ 180° verstanden werden. Der äußere Radius R des Innenrings 10 entspricht einem inneren Radius S des Leitschaufelkranzes 12, an den der Innenring 10 montiert werden soll.
Der Leitschaufelkranz 12 ist die Gesamtheit oder, wie im folgenden Montageverfahren beschrieben, ein Teil der vom Innenring 10 zu haltenden Leitschaufeln 14, die im rohrförmigen Gehäuse bzw. in einem Gehäuseteil des Verdichters bereits vormontiert sind. Der Leitschaufelkranz 12 ist in letzterem Fall ein Teilring (vorzugsweise mit einem Mittelpunktswinkel ≈ 180°) von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 14. Die Leitschaufeln 14 weisen Innenzapfen 16 auf, die in zugeordneten Öffnungen 18 (Lagersenkungen) des Innenrings 10 gelagert werden sollen.
Unter dem äußeren Radius R des Innenrings 10 und dem inneren Radius S des Leitschaufelkranzes 12 sind von der axialen Mittelachse des Verdichtergehäuses gemessene Radien zu verstehen, die im montierten Zustand des Innenrings 10 zusammenfallen. Konkret sind dies der halbe Außendurchmesser des Innenrings 10 und ein Radius im Bereich der Innenzapfen 16 der Leitschaufeln 14. (Der Einfachheit halber sind in den Zeichnungen - mit Ausnahme der 4 - nicht die Radien selbst, sondern die zugehörigen Bogenlinien mit R, S (und später mit r) bezeichnet).
Mittels einer Matrize 20 in Form einer Scheibe oder eines Scheibenrings oder eines entsprechenden Segments mit einem Außenradius, der kleiner ist als der äußere Radius R des Innenrings 10 abzüglich dessen radialer Dicke, wird der Innenring 10 vorgebogen, indem der Innenring 10 konstant auf einen äußeren Radius r vorgespannt wird, der kleiner ist als der äußere Radius R des Innenrings 10 im ungespannten Zustand. Die Vorspannung erfolgt über den gesamten Umfang des Innenrings 10 oder über einen bestimmten Teil, vorzugsweise über einen Teil, dessen Bogenlänge der Bogenlänge des vormontierten Leitschaufelkranzes 12 entspricht (bezogen auf die Radien R bzw. S).
Wie in 1 gezeigt wird der Innenring 10 hierzu an einem inneren Anlagepunkt A in Anlage mit der Matrize 20 gebracht. Dort wird der Innenring 10 mit einer Verklammerung 22 mit verstellbarem Zuggestänge fixiert. Neben dieser Verklammerung 22 sind zwei weitere verstellbare Spanneinheiten 24 vorgesehen, mit denen an zwei Zugpunkten, die einander vorzugsweise diametral gegenüberliegen (Mittelpunktswinkelabstand ≈ 180°), der Innenring 10 auf die Matrize 20 gebogen wird. Die Spanneinheiten 24 können - gemäß dem in 1 dargestellten Beispiel - Zuglager bildende Stifte 26 und/oder Krallen aufweisen, auf die eine Zugkraft aufgebracht wird. Die Spannrichtung S wird beim Vorspannen so eingestellt, dass sich der Innenring 10 nicht ausbeult, sondern gleichmäßig an die Matrize 20 anlegt. Die Spanneinheiten 22 und 24 werden anschließend fixiert, sodass der Innenring 10 in seinem vorgespannten Zustand verbleibt.
Die 2 und 3 zeigen schematisch, wie anschließend der Innenring 10 durch Entspannen auf seinen ursprünglichen Außenradius R in den Leitschaufel-Teilring eingefädelt wird. Der vorgespannte Innenring 10 wird an einem Ende 28 des Leitschaufelkranzes 12 angesetzt und im Leitschaufelkranz 12 abgerollt, indem die verstellbaren Spanneinheiten 22 und 24 entlastet werden (Lösen der Fixierung). Dabei werden die Öffnungen 18 des Innenrings 10 ohne Verkanten oder Verklemmen über die Innenzapfen 16 der Leitschaufeln 14 bewegt. Dies ist bei der besonderen Entspannungsrückverformung des Innenrings 10 auf seinen ursprünglichen Außenradius R alleine aufgrund des Spiels der Öffnungen 18 möglich.
In 3 ist gezeigt, wie am tangentialen Berührungspunkt P der Außenradius des Innenrings ohne Übergang vom kleineren Radius r (vorgespannt) unmittelbar auf den ursprünglichen Radius R (entspannt) wechselt. Während also das Abrollen des Innenrings 10 im Leitschaufelkranz 12 kontinuierlich erfolgt, vollführt der Radius des Innenrings 10 am mitlaufenden tangentialen Berührungspunkt P einen Krümmungssprung von r auf R.
Die Betriebsendlage des Innenrings 10, in der die Innenzapfen 16 und die Öffnungen 18 fluchten, wird somit alleine unter Ausnutzung des Lagersenkungsspiels und der Abweichung zwischen der gespannten und der entspannten Innenringgeometrie erreicht.
Die kinematische Beschreibung des Abrollvorgangs geht aus der Modellbetrachtung gemäß 4 hervor. Daraus ergibt sich, dass das Abrollen des Innenrings 10 im Leitschaufelkranz eine Hypozykloidenbewegung darstellt, entsprechend dem Abrollen eines Planetenrads in einem Zahnkranz. Die Bewegungsbahn eins festen Punktes des Innenrings 10 entspricht demnach einer Zykloide, die auf einem Innenkreis mit dem Radius R-r (bezogen auf die Mittelachse des Innenrings 10 bzw. des Leitschaufelkranzes 12) erzeugt wurde.
Die Demontage des Innenrings 10 vom Leitschaufelkranz 12 ist durch Umkehrung des beschriebenen Montagevorgangs ebenfalls ohne Verkanten oder Verklemmen möglich.
Bezugszeichenliste

10: Innenring
12: Leitschaufelkranz
14: Leitschaufeln
16: Innenzapfen
18: Öffnungen
20: Matrize
22: Verklammerung
24: Spanneinheiten
26: Stifte
28: Ende des Leitschaufel-Teilrings

Claims

Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings (10) eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz (12), mit folgenden Schritten: - Bereitstellen des Leitschaufelkranzes (12) mit einem inneren Radius S; - Bereitstellen des integralen Innenrings (10) mit einem äußeren Radius R, der dem inneren Radius S entspricht; - Vorspannen des integralen Innenrings (10) auf einen über den Umfang des Innenrings (10) äußeren Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10); und - Abrollen des integralen Innenrings (10) im Leitschaufelkranz (12) durch Entspannen des integralen Innenrings (10) auf den äußeren Radius R, - dadurch gekennzeichnet, - dass zum Vorspannen des integralen Innenrings (10) eine Matrize (20) mit einem Radius verwendet wird, deren Außenradius kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10) abzüglich dessen radialer Dicke.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entspannen des integralen Innenrings (10) an einem tangentialen Berührungspunkt P der Außenradius des integralen Innenrings (10) einen Krümmungssprung vom Radius r unmittelbar auf den Radius R vollführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der integrale Innenring (10) an einem inneren Anlagepunkt A in Anlage mit der Matrize (20) gebracht und dort mit einer Verklammerung (22) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des integralen Innenrings (10) mit Hilfe wenigstens zweier Spanneinheiten (24) aufgebracht wird, die an einander gegenüberliegenden Zugpunkten am integralen Innenring (10) angreifen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrichtung der auf die Zugpunkte aufgebrachten Zugkräfte so eingestellt wird, dass sich der integrale Innenring (10) nicht ausbeult und gleichmäßig an die Matrize (20) anlegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entspannen des integralen Innenrings (10) die Spanneinheiten (24) entlastet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Verklammerung (22) gekoppeltes Zuggestänge entlastet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Radius R der halbe Außendurchmesser des integralen Innenrings (10) und der innere Radius S ein von der axialen Mittelachse eines Gehäuses gemessener Radius im Bereich der Innenzapfen (16) der Leitschaufeln (14) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkranz (12) ein Teilring ist, der einen Teil von in einem Gehäuse oder Gehäuseteil vormontierten Leitschaufeln (14) mit Innenzapfen (16) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkranz (12) einen Mittelpunktswinkel von etwa 180° hat.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der integrale Innenring (10) über eine Bogenlänge bezogen auf dessen Radius R vorgespannt wird, die der Bogenlänge des Leitschaufelkranzes (12) bezogen auf dessen Radius S entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der integrale Innenring (10) beim Entspannen an einem Ende (28) des Leitschaufelkranzes (12) angesetzt und im Leitschaufelkranz (12) so abgerollt wird, dass die Bewegungsbahn eines festen Punktes des Innenrings (10) einer Zykloide entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zykloide auf einem Innenkreis mit dem Radius R-r erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt Vorspannen der äußere Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R, ein konstanter Radius r ist.