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Die
Erfindung betrifft eine Axialströmungsmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
Axialströmungsmaschine der eingangsgenannten Art ist z.
B. in der Diplomarbeit von Victor Roberto Gellert (vom Dezember
2000, an der FH-Düsseldorf) mit dem Thema "Probabilistische
Berechnung der Frequenzlage einer Verdichterschaufel mittels Monte
Carlo Simulation" auf Seite 14 als Bild 3.6 gezeigt.
Die in diesem Dokument und in 1 der vorliegenden
Anmeldung gezeigte Axialströmungsmaschine ist als Axialverdichter
ausgebildet.
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Wie
aus 1 ersichtlich, hat eine solche herkömmliche
Axialströmungsmaschine eine Mehrzahl von verstellbaren,
einer gemeinsamen Statorstufe 1' der Axialströmungsmaschine
zugeordneten Leitschaufeln 10' zum Leiten eines durch die
Axialströmungsmaschine hindurchzuführenden Fluids, wobei
jede Leitschaufel 10 drehbar gelagert ist und an einem
Endabschnitt 11' dieser mit einem ersten Ende 21' eines
Stellhebels 20' gekuppelt ist, wobei ein zweites Ende 22' jedes
Stellhebels 20' schwenkbar mit einem den Leitschaufeln 10' gemeinsamen Stellelement 30' gekuppelt
ist, so dass über eine Stellbewegung des Stellelements 30' gleichzeitig
alle Stellhebel 20' verschwenkbar und dadurch gleichzeitig
alle Leitschaufeln 10' der Statorstufe 1' verstellbar sind.
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2 und 3 zeigen
geschnittene Teilansichten einer solchen herkömmlichen
Axialströmungsmaschine. Wie aus 2 und 3 ersichtlich,
sind die jeweiligen Leitschaufeln 10' mit ihrem hier als
Wellenzapfen ausgebildeten Endabschnitt 11' drehbar in
einer Lagerbuchse 12' gelagert. Der Endabschnitt 11' ist
in eine Durchgangsöffnung (nicht bezeichnet) im ersten
Ende 21' des Stellhebels 20' eingesetzt. Am Umfang
des Endabschnitts 11' ist eine Fläche (nicht bezeichnet)
vorgesehen, welche mit einem ebenfalls über eine Öffnung
in den Stellhebel 20' eingesetzten, durch Verstemmen darin
gesicherten Sicherungsstift 23' zum Übertragen
von Stellkraft zusammenwirkt. Der Sicherungsstift 23' bildet
einen hinsichtlich einer Übertragung von Stellkraft zum
Verstellen der Leitschaufeln 10' schwächsten Punkt
in der Verbindung von Stellelement 30' und jeweiliger Leitschaufel 10',
so dass es beim Versuch der Rotation einer blockierten 10' Abscheren
des zugehörigen Sicherungsstiftes 23' führt.
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Bei
einer solchen wie in den 1 bis 3 gezeigten
herkömmlichen Axialströmungsmaschine, wie einem
Axialkompressor bzw. Axialverdichter, kann es durch einzelne, falsch
stehende, verstellbare Leitschaufeln 10' einer Statorstufe 1' der
Axialströmungsmaschine zu schwerwiegenden Schäden kommen.
Diese Schäden werden durch eine ungleichmäßige
Strömungsanregung auf Laufschaufeln (nicht gezeigt) einer
folgenden Rotorstufe der Axialströmungsmaschine verursacht.
Eine Fehlstellung der einzelnen Leitschaufeln 10' wird
dabei durch eine Blockierung der Bewegungsfreiheit in den Lagerbuchsen 12' der
einzelnen verstellbaren Leitschaufeln 10' verursacht.
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Aus
DE 1 915 930 C ist
eine Vorrichtung an Turbomaschinen bekannt zum frühzeitigen
Erkennen von Schaufelschäden, die durch Anreißen
von Schaufeln entstehen, wobei der Schaufel ein elektrischer Signalkreis
zugeordnet ist, dessen Widerstand durch eine Beeinflussung des Signalkreises
wahrnehmbar verändert wird. In die Schaufel ist zumindest
im anrissgefährdeten Bereich des Schaufelblattes ein Signaldraht
inkorporiert, der im Fall eines Schaufelanrisses den Signalkreis
unterbricht und dadurch ein Signal auslöst.
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Aus
DE 922 130 B ist
ein kraftbeanspruchtes Maschinenteil bekannt, das bei Überbeanspruchung zur
Vermeidung größerer Schäden zerstört
werden soll, wobei die Zerstörung einen Schaltvorgang auslöst,
durch den z. B. ein Antriebsmotor der Maschine stillgelegt wird.
Gemäß
DE
922 130 B ist das kraftbeanspruchte Maschinenteil ein Scherstift,
der zugleich als Unterbrecher eines elektrischen Stromkreises ausgebildet
ist.
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Aus
EP 1 727 971 B1 ist
eine Anordnung bekannt zur Detektion einer Beschädigung
einer Komponente einer Strömungsmaschine. Die Anordnung weist
eine zur Erfassung einer Messgröße bestimmte Messleitung,
die zumindest teilweise durch das Innere der Komponente verläuft,
so dass eine Beschädigung der zu überwachenden
Komponente auch zu einer Veränderung der Messleitung führt,
und eine Auswerteeinheit auf, an die die Messleitung zumindest mit
ihrem einen Ende angeschlossen ist und die zur Auswertung einer
durch die Veränderung der Messleitung hervorgerufenen Änderung
der Messgröße ausgebildet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialströmungsmaschine
bereitzustellen, bei der auf einfache und zuverlässige
Weise eine Fehlstellung einzelner Leitschaufeln so rechtzeitig erfassbar
ist, dass aus der Fehlstellung resultierende Folgeschäden
sicher vermieden werden können.
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Dies
wird mit einer Axialströmungsmaschine gemäß Anspruch
1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass eine Alarmierung, z. B. über die Begrenzung
der Stellkraft, voraussetzen würde, dass die Steigerung
der Verstellkraft bei einzelnen, blockierten Leitschaufeln signifikant
ist. Dies ist aber gerade bei Axialströmungsmaschinen mit
mehreren verstellbaren Leitschaufel-Stufen nicht der Fall, da hier
nicht unterschieden werden kann, ob es sich um die Blockade einer
einzelnen Leitschaufel handelt oder um die betriebsbedingte Erhöhung
der Stellkraft auf alle Leitschaufeln.
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Gemäß der
Erfindung ist eine Axialströmungsmaschine mit einer Mehrzahl
von verstellbaren, einer gemeinsamen Stufe der Axialströmungsmaschine
zugeordneten Leitschaufeln zum Leiten eines durch die Axialströmungsmaschine
hindurchzuführenden Fluids bereitgestellt, wobei jede Leitschaufel
drehbar gelagert ist und an einem Endabschnitt dieser mit einem
ersten Ende eines Stellhebels gekuppelt ist, wobei ein zweites Ende
jedes Stellhebels schwenkbar mit einem den Leitschaufeln gemeinsamen
Stellelement gekuppelt ist, so dass über eine Stellbewegung
des Stellelements gleichzeitig alle Stellhebel verschwenkbar und
dadurch gleichzeitig alle Leitschaufeln verstellbar sind. Die erfindungsgemäße
Axialströmungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass
an einem Verbindungsabschnitt des zweiten Endes jedes Stellhebels
mit dem Stellelement eine konstruktiv schwächst ausgeführte
Stelle vorgesehen ist, welche einen hinsichtlich einer Übertragung
von Stellkraft zum Verstellen der Leitschaufeln schwächsten
Punkt in der Verbindung von Stellelement und jeweiliger Leitschaufel
bildet, dass alle Stellhebel an einer vom jeweiligen ersten Ende
dieser um einen bestimmten Abstand entfernten Position dieser über
eine Signalleitung mechanisch miteinander verbunden sind, wobei
die Signalleitung eine Zugfestigkeit aufweist, die kleiner als eine
einer zum Verstellen der Leitschaufeln erforderlichen Minimalstellkraft
entsprechende Zugfestigkeit ist, und dass eine Auswerteeinrichtung
vorgesehen ist, die mit der Signalleitung verbunden ist und die eingerichtet
ist, eine Unterbrechung der Signalleitung zu erfassen und bei Unterbrechung
der Signalleitung ein Unterbrechungssignal zu erzeugen.
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Gemäß der
Erfindung ist somit eine Axialströmungsmaschine bereitgestellt,
bei der auf einfache und zuverlässige Weise eine Fehlstellung
einzelner Leitschaufeln so rechtzeitig erfassbar ist, dass aus der
Fehlstellung resultierende Folgeschäden sicher vermieden
werden können. Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen
Axialströmungsmaschine und deren Leitschaufel-Verstellmechanismus gewährleistet,
dass bei Blockierung von bereits einer Leitschaufel, z. B. in deren
Lagerbuchse, über die Auswerteeinrichtung automatisch ein
Signal zur Alarmierung von z. B. einem Bediener erzeugt und ggf. das
Herunterfahren der Strömungsmaschine eingeleitet werden
kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine
ist ein gegenüber einer Alarmierung per Stellkraftbegrenzung
sehr fehlalamierungssicheres und dennoch zuverlässiges
Ansprechverhalten zur Erkennung von Blockaden realisiert. Insbesondere liegt
ein Vorteil der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine
im sehr zeitnahen Ansprechen schon bei bereits nur einer einzigen
blockierten Leitschaufel, welche eine Überschreitung einer
durch die Sollbruchstelle definierten Maximalstellkraft und damit
ein Brechen der Sollbruchstelle und daraufhin ein Zerreißen
der Signalleitung verursacht.
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Somit
können, durch ungleichmäßige Strömungsanregung
auf die Laufschaufeln der folgenden Rotorstufe verursachte Schaufelbrüche
und Rotorschäden sicher vermieden werden. Zusätzlich
ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Axialströmungsmaschine eine Detektierung, in welcher
Stufe der Axialströmungsmaschine sich eine oder mehrere
blockierte Leitschaufeln befinden, da jede einzelne Stufe der Axialströmungsmaschine
einen separaten Leitschaufel-Verstellmechanismus mit separater Signalleitung
aufweisen kann. Die Signalleitungen der unterschiedlichen Stufen
können alle mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung oder jede
mit einer separaten Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die erfindungsgemäße
Ausgestaltung einer Axialströmungsmaschine ist sowohl für
Neuanlagen als auch für Nachrüstungen geeignet.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weist der Endabschnitt einer
jeden Leitschaufel eine Außenkontur mit einer Außenfläche
auf, wobei das erste Ende eines jeden Stellhebels eine Öffnung mit
einer eine Innenfläche aufweisenden Innenkontur hat, und
wobei der Endabschnitt einer jeden Leitschaufel in die Öffnung
des ersten Endes des jeweils zugeordneten Stellhebels eingesetzt
ist, so dass die Innenfläche und die Außenfläche
zur Stellkraftübertragung aneinander anliegen.
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Mit
dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine bzw. von
deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist eine zuverlässige,
formschlüssige Verbindung zwischen dem Endabschnitt (z.
B. einem Wellenzapfen) der Leitschaufel und erstem Ende des Stellhebels
gegeben. Vorteilhafterweise erlaubt die vorgenannte Ausbildung im
Reparatur- bzw. Wartungsmodus ein schnelles, wenig aufwendiges Auswechseln
des Stellhebels, insbesondere auch ohne Auswechseln der Leitschaufel.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zweite
Ende jedes Stellhebels eine Öffnung auf, in die ein Achsenelement
eingesetzt ist, wobei das Achsenelement ein erstes Ende, das auf
einer ersten Seite des Stellhebels daraus vorsteht, und ein zweites
Ende aufweist, das auf einer bezüglich der ersten Seite
in eine entgegengesetzte Richtung weisenden zweiten Seite des Stellhebels daraus
vorsteht, wobei das erste Ende des Achsenelements mit der Sollbruchstelle
versehen ist und mit dem Stellelement drehbeweglich gekuppelt ist,
und wobei das zweite Ende des Achsenelements Befestigungsmittel
aufweist, mittels denen die Signalleitung an dem zweiten Ende des
Achsenelements befestigt ist.
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Bei
dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine bzw. von
deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist die Sollbruchstelle auf
der Position des zweiten Endes des Stellhebels angeordnet, so dass
bei blockierter Leitschaufel durch die Hebelübersetzung
schon geringste Verstellbewegungen der Stellhebel zum Reißen
der Signalleitung zwischen entsprechend blockiertem Stellhebel und
einem benachbarten nicht blockierten Stellhebel führen.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung der Axialströmungsmaschine
bzw. von deren Leitschaufel-Verstellmechanismus ist die Möglichkeit,
mit geringem konstruktiven Aufwand eine direkte Verbindung von zweitem
Ende des Stellhebels, mittels integriertem Befestigungsmittel, mit
der Signalleitung vorzusehen. Durch unterschiedliche Dimensionierung
des ersten Endes des Achsenelements bzw. dessen Sollbruchstelle
kann die erforderliche Scherkraft, welche zuverlässig zum
Sollbruch führt, je nach Stufe der Axialströmungsmaschine
variiert werden.
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Gemäß noch
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die
Befestigungsmittel eine Klemmeinrichtung auf.
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Mit
dieser Ausgestaltung der Befestigungsmittel wird eine einfache und
damit kostengünstige und außerdem schnelle Montierbarkeit/Demontierbarkeit
der Signalleitung an dem Achsenelement gewährleistet. In
diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass gemäß der
Erfindung die Signalleitung auch direkt an den jeweiligen Stellhebeln
befestigt sein kann, z. B. mittels eines Klebepunktes, eines Lötpunktes,
der Klemmeinrichtung, Herumwickeln um den jeweiligen Stellhebel
usw.
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Gemäß noch
einer Ausführungsform der Erfindung weist die Klemmeinrichtung
auf: eine Gewindebohrung und eine Nut, die zueinander benachbart in
dem zweiten Ende des Achsenelements ausgebildet sind, ein Klemmelement,
das eine Durchgangsbohrung und einen Klemmabschnitt aufweist, und eine
Gewindeschraube, wobei die Signalleitung in die Nut eingelegt ist,
so dass die Signalleitung um ein bestimmtes Querschnittsmaß dieser
aus der Nut vorsteht, wobei das Klemmelement so an dem zweiten Ende
des Achsenelements angeordnet ist, dass die Gewindebohrung zu der
Durchgangsbohrung fluchtet und dass der Klemmabschnitt die Nut überlappt,
und wobei die Gewindeschraube durch die Durchgangsbohrung hindurchgeführt
ist und mit einem Gewindeabschnitt dieser in einen Gewindeabschnitt
der Gewindebohrung eingeschraubt ist, so dass die aus der Nut vorstehende
Signalleitung zwischen dem Klemmabschnitt des Klemmelements und
einem Bodenabschnitt der Nut festgeklemmt ist.
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Mit
dieser Ausgestaltung der Klemmeinrichtung ist eine einfache und
robuste, im Falle einer Reparatur/Wartung schnell lösbare
bzw. wieder herstellbare Verbindung zwischen zweitem Ende des Stellhebels
und Signalleitung gegeben. Vorteilhafterweise kann die Klemmeinrichtung
für im Querschnitt bzw. in der Materialfestigkeit unterschiedlich
dimensionierte Signalleitungen genutzt bzw. ausgelegt werden. Zu diesem
Zweck könnte beispielsweise der Querschnitt der Nut an
eine Querschnittsveränderung der Signalleitung angepasst
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Signalleitung
als elektrische Signalleitung ausgebildet und elektrisch mit der
Auswerteeinrichtung verbunden.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung kann über die elektrische Signalleitung
ein Signalstrang, insbesondere ein Signalkreis bzw. Stromkreis,
realisiert sein, wobei die Auswerteeinrichtung z. B. eine durch
eine Leitungsunterbrechung verursachte Widerstandsänderung
im Signalstrang und/oder z. B. eine durch eine Leitungsunterbrechung
verursachte Stromunterbrechung und/oder z. B. eine durch eine Leitungsunterbrechung
verursachte Signallaufzeit-Änderung erfassen kann.
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Dies
kann bei einer offenen Signalleitung z. B. mit einer am freien Ende
dieser vorgesehenen Signalreflexionseinrichtung, welche in regelmäßigen Zeitabständen über
die Signalleitung gesendete Signalimpulse an die Auswerteeinrichtung
zurücksendet, so dass eine veränderte Signallaufzeit,
eine fehlende Rücksendung usw. als Leitungsunterbrechung detektiert
wird, oder bei einer geschlossenen Signalleitung z. B. über
eine kurz vor einem Eingang der Auswerteeinrichtung vorgesehene
Signalmodulationseinrichtung realisiert, welche die über
einen Ausgang der Auswerteeinrichtung in regelmäßigen
Zeitabständen in die Signalleitung gesendeten Signalimpulse
am Eingang der Auswerteeinrichtung moduliert, so dass bei fehlender
Modulation oder fehlendem Signal eine Leitungsunterbrechung detektiert wird.
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Durch
die vorteilhafte Ausgestaltung als elektrische Leitung, insbesondere
als dünner Metalldraht, ist die Signalleitung robust, preiswert
und einfach zu installieren. Bei einer einfachen Widerstandmessung,
wobei die Signalleitung als geschlossene elektrische Signalleitung
bzw. einen Stromkreis bzw. Signalkreis bildend ausgestaltet ist,
kann ein Reißen der Signalleitung durch eine Widerstandsänderung erfasst
werden. Eventuell temperaturbedingte Widerstandsänderungen
können über einen zusätzlich vorgesehenen,
signalmäßig mit der Auswerteeinrichtung gekoppelten
Temperatursensor und geeignete, das temperaturabhängige
Widerstandsverhalten der Signalleitung beschreibende, in der Auswerteeinrichtung
gespeicherte Daten (z. B. Graphen) berücksichtigt werden.
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In
diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die Signalleitung
gemäß der Erfindung natürlich auch als
optische, als fluidgefüllte oder als akustische Signalleitung
realisiert sein kann, wie z. B. in
EP 1 727 971 B1 beschrieben.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist die Axialströmungsmaschine
als Axialverdichter bzw. Axialkompressor zum Verdichten des Fluids
ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch auf alle Axialströmungsmaschinen,
insbesondere mehrstufige Axialströmungsmaschinen, mit einem
Schaufel-Verstellmechanismus anwendbar, wie z. B. auch Turbinen
und Radialverdichter.
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Im
Fazit wird gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung durch eine konstruktive Änderung an der Leitschaufelansteuerung
durch eine z. B. angefräste Fläche der Sicherungsstift
aus dem Stand der Technik ersetzt. Durch die stärkere Ausführung
der Konstruktion an dieser Stelle, verschiebt sich der Schwachpunkt
des Verstellantriebes auf die Befestigung der Verstellrolle bzw.
des Gleitsteins, also auf die mit dem Stellelement verbundene, andere
Seite des Verstellhebels. Kommt es nun zu einer Blockade der Leitschaufeln
in der Buchse, schert also die Befestigung der Verstellrolle (des
Gleitsteins) ab. Der Verstellhebel und die Leitschaufel sind immer
noch starr miteinander verbunden.
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Die
Erfindung ermöglicht es, eine blockierte Leitschaufel zu
detektieren und die Stufe in der diese Leitschaufel sich befindet
zu erkennen. Hierzu verbindet gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ein dünnes, durchgehendes Kabel (Signalleitung) alle
Verstellhebel einer Stufe miteinander.
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Zur
Fixierung des Kabels am Verstellhebel dient eine halbkreisförmige
Klemme, welche durch eine mit Loctite® gesicherte
Schraube verschraubt ist.
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Kommt
es nun zu einer oben beschriebenen Blockade der Leitschaufel, schert
die Befestigung der Verstellrolle bzw. des Gleitseins ab. Die Verstellhebel bewegen
sich nicht mehr parallel zueinander. Die relative Längung
zwischen einer sich bewegenden Leitschaufel und der blockierten
Leitschaufel führt zum Zerreißen der Signalleitung.
Durch eine elektronische Schaltung wird dieses Reißen zur
Anzeige gebracht und die Alarmierung z. B. eines Operators generiert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt
eine Axialströmungsmaschine gemäß dem
Stand der Technik.
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2 zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß dem Stand
der Technik.
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3 zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß dem Stand
der Technik.
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4A zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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4B zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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5 zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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6 zeigt
eine schematische Ansicht von Betriebszuständen eines Leitschaufel-Verstellmechanismus
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Nun
werden unter Bezugnahme auf die 4A bis 6 Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine
beschrieben, wobei der Grundaufbau einer solchen Axialströmungsmaschine
dem in 1 gezeigten entspricht, weshalb im Folgenden gleiche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen, jedoch ohne Apostroph bezeichnet sind.
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Eine
erfindungsgemäße Axialströmungsmaschine
weist eine Mehrzahl von verstellbaren, einer gemeinsamen Stufe 1 der
Axialströmungsmaschine zugeordneten Leitschaufeln 10 zum
Leiten eines durch die Axialströmungsmaschine hindurchzuführenden
Fluids auf.
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Jede
Leitschaufel 10 ist drehbar gelagert und an einem Endabschnitt 11 dieser
mit einem ersten Ende 21 eines Stellhebels 20 gekuppelt.
Ein zweites Ende 22 jedes Stellhebels 20 ist schwenkbar
mit einem den Leitschaufeln 10 gemeinsamen Stellelement 30 (siehe 5)
gekuppelt, so dass über eine Stellbewegung des Stellelements 30 (welches
z. B. als Verstelltrommel oder Verstellring ausgebildet ist) gleichzeitig
alle Stellhebel 20 verschwenkbar und dadurch gleichzeitig
alle Leitschaufeln 10 verstellbar sind.
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An
einem Verbindungsabschnitt des zweiten Endes 22 jedes Stellhebels 20 mit
dem Stellelement 30 ist eine Sollbruchstelle 24 (siehe 5)
vorgesehen, welche einen hinsichtlich einer Übertragung
von Stellkraft zum Verstellen der Leitschaufeln 10 schwächsten
Punkt in der Verbindung von Stellelement 30 und jeweiliger
Leitschaufel 10 bildet.
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Alle
Stellhebel 20 einer Stufe 1 der hier als Axialverdichter
ausgebildeten Axialströmungsmaschine sind an einer vom
jeweiligen ersten Ende 21 dieser um einen bestimmten Abstand
entfernten Position dieser über eine elektrische Signalleitung 40 (siehe 5 und 6)
mechanisch miteinander verbunden.
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Die
elektrische Signalleitung 40 weist erfindungsgemäß eine
Zugfestigkeit auf, die kleiner als eine einer zum Verstellen der
Leitschaufeln 10 erforderlichen Minimalstellkraft entsprechende
Zugfestigkeit ist.
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Im
Sinne dieser Erfindung ist die Minimalstellkraft als solche Stellkraft
definiert, wie sie in einem Leerlaufzustand oder Außerbetriebszustand
der Axialströmungsmaschine und bei optimaler Leichtgängigkeit
aller Stellhebel 20 zum Verschwenken eines einzigen Stellhebels
mit zugeordneter Leitschaufel 10 erforderlich ist.
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Ferner
ist erfindungsgemäß eine Auswerteeinrichtung 50 (siehe 6)
vorgesehen, die elektrisch mit der elektrischen Signalleitung 40 verbunden
ist und die eingerichtet ist, eine Unterbrechung der elektrischen
Signalleitung 40 zu erfassen und bei Unterbrechung der
elektrischen Signalleitung 40 ein Unterbrechungssignal
zu erzeugen. Hinsichtlich der Erfassung einer Unterbrechung der
elektrischen Signalleitung 40 wird auf die im allgemeinen
Teil der Beschreibung der Erfindung genannten Möglichkeiten bzw.
möglichen Ausführungsformen verwiesen, wobei jede
dieser Möglichkeiten als für die in Bezug auf die 4A bis 6 beschriebenen
Ausführungsformen anwendbar zu betrachten ist.
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4A und 4B zeigen
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
unterschiedliche perspektivische Ansichten, in denen ein Leitschaufel-Verstellmechanismus
für eine Leitschaufel 10 dargestellt ist.
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Die
Leitschaufel 10 ist in einer Lagerbuchse 12 drehbar
gelagert und an dem hier als Wellenzapfen ausgebildeten Endabschnitt 11 dieser
mit dem ersten Ende 21 des Stellhebels 20 gekuppelt.
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Der
Endabschnitt 11 einer jeden Leitschaufel 10 weist
die hier in Form eines Außendurchmessers gestaltete Außenkontur
mit zwei einander diametral gegenüberliegenden parallel
zueinander angeordneten Außenflächen 11A auf
(in 4B nur eine der Außenflächen 11A sichtbar).
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Das
erste Ende 21 eines jeden Stellhebels 20 weist
eine Durchgangsbohrung 21A auf, wobei in das erste Ende 21 korrespondierend
zur Durchgangsbohrung 21A auf einer Seite eine im Querschnitt
rechteckige Nut eingefräst ist, welche eine Innenkontur
mit zwei einander gegenüberliegenden parallel zueinander
angeordneten Innenflächen 21B definiert.
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Der
Endabschnitt 11 einer jeden Leitschaufel 10 ist
ausfallsicher in die Öffnung des ersten Endes 21 des
jeweils zugeordneten Stellhebels 20 eingesetzt, so dass
die Innenflächen 21B der die Öffnung bildenden
Nut und die Außenflächen 11A des Endabschnitts 11 zur
Stellkraftübertragung formschlüssig aneinander
anliegen. Die formschlüssige Form kann in beliebiger Ausführung
vorliegen, zum Beispiel auch polygonartig.
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Das
zweite Ende 22 jedes Stellhebels 20 weist eine
in Form einer Durchgangsbohrung ausgebildete Öffnung 22A auf,
in die ein in Form eines Rundbolzens ausgebildetes Achsenelement 25 ausfallsicher
eingesetzt ist.
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Das
Achsenelement 25 weist ein erstes Ende 25A auf,
das auf einer ersten Seite des Stellhebels 20 daraus vorsteht.
Das erste Ende 25A des Achsenelements 25 ist mit
der Sollbruchstelle 24 (in 4A und 4B nicht
gezeigt, siehe hierzu 5) versehen und mit dem Stellelement 30 (in 4A und 4B nicht
gezeigt, siehe z. B. 1 und 5) gekuppelt.
Die Sollbruchstelle 24 kann z. B. als umlaufende Rille,
ein- oder zweiseitige Nut oder Kerbnut oder ähnlich ausgebildet
sein.
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Alle
Stellhebel 20 sind an einer, vom jeweiligen ersten Ende 21 um
einen bestimmten Abstand entfernten, Position über die
elektrische Signalleitung 40 (in 4A und 4B nicht
gezeigt, siehe hierzu 6) mechanisch miteinander verbunden.
Wie oben erwähnt, weist die elektrische Signalleitung 40 gemäß der
Erfindung eine Zugfestigkeit auf, welche kleiner als eine der zum
Verstellen der Leitschaufeln 10 erforderlichen Minimalstellkraft
entsprechende Zugfestigkeit ist.
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Die
elektrische Signalleitung 40 kann gemäß der
Erfindung direkt, z. B. mittels eines Klebepunktes, eines Lötpunktes,
einer Klemmeinrichtung, durch Wickeln um den jeweiligen Stellhebel 20 usw.
an den jeweiligen Stellhebeln 20 oder an dem Achsenelement 25 zwischen
Sollbruchstelle und Stellelement 30 befestigt sein.
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Jeder
Stufe 1 der Axialströmungsmaschine ist ein Stellelement 30 und
ein durch die elektrische Signalleitung 40 gebildeter Signalstrang
zugeordnet. Jedem einzelnen Signalstrang, einer Gruppe von Signalsträngen
oder allen Signalsträngen gemeinsam ist eine Auswerteeinrichtung 50 (siehe 6)
zugeordnet.
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Die
Auswerteeinheit 50 ist elektrisch mit dem/jedem Signalstrang
bzw. der/den jeweiligen elektrischen Signalleitungen) 40 verbunden.
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Die
Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, z. B. durch elektrische
und/oder elektronische Komponenten und in diesen hinterlegten geeigneten
Algorithmen, die Betriebszustände der jeweiligen elektrischen
Signalleitung 40 zu erfassen und entsprechende, weiterverarbeitbare
Signale zu erzeugen, wie z. B. das Unterbrechungssignal.
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5 zeigt
in einer Teilansicht einen Leitschaufel-Verstellmechanismus einer
Axialströmungsmaschine gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform
gemäß 5 entspricht im Wesentlichen
der Ausführungsform gemäß den 4A und 4B,
weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 5 weist das
Achsenelement 25 ein erstes Ende 25A, das auf der
ersten, in 5 oberen, Seite des Stellhebels 20 daraus
vorsteht, und ein zweites Ende 25B auf, das auf einer bezüglich
der ersten Seite in eine entgegengesetzte Richtung (in 5 nach
unten) weisenden zweiten Seite des Stellhebels 20 daraus
vorsteht.
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Am
zweiten Ende 25B des Achsenelementes 25 sind Befestigungsmittel
zum Befestigen der elektrischen Signalleitung 40 vorgesehen.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung
weisen die Befestigungsmittel eine Klemmeinrichtung 26 auf.
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Die
Klemmeinrichtung 26 weist eine Gewindebohrung 26A und
eine Nut 26B auf, die in Axialrichtung des Achsenelementes 25 zueinander
benachbart aufeinanderfolgend angeordnet sind und die in Radialrichtung
des Achsenelementes 25 in dieses eingebracht sind.
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Der
Gewindebohrung 26A und der Nut 26B sind ein als
schalenförmiges Segment eines Kreiszylinders ausgebildetes
Klemmelement 26C und eine Gewindeschraube 26D zugeordnet,
wobei ein Außengewinde der Gewindeschraube 26D zu
einem Innengewinde der Gewindebohrung 26A korrespondiert.
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Das
Klemmelement 26C weist eine Durchgangsbohrung (nicht bezeichnet)
und einen benachbarten Klemmabschnitt (nicht bezeichnet) zum Übergreifen
der elektrischen Signalleitung 40 auf.
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Die
Tiefe der Nut 26B ist um ein bestimmtes Maß geringer
als ein jeweiliger Durchmesser der elektrischen Signalleitung 40.
Hierdurch überragt die in die Nut 268 eingelegte
elektrische Signalleitung 40 radial die Nut 26B um
ein bestimmtes Maß.
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Das
Klemmelement 26C ist komplementär so am zweiten
Ende 25B des Achsenelementes 25 positioniert,
dass die Durchgangsbohrung des Klemmelementes 26C zu der
Gewindebohrung 26A fluchtet. Dabei übergreift
der Klemmabschnitt die Nut 26B und die darin eingelegte
elektrische Signalleitung 40.
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Die
Gewindeschraube 26B ist durch die Durchgangsöffnung
des Klemmelementes 26C hindurchgeführt und in
die Gewindebohrung 26A eingeschraubt, wodurch die elektrische
Signalleitung 40 zwischen dem Klemmabschnitt des Klemmelementes 26C und
einem Bodenabschnitt (nicht bezeichnet) der Nut 26B festklemmt
ist.
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In
diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die auf die elektrische
Signalleitung 40 ausgeübte Klemmkraft größer
als die Zugfestigkeit der elektrischen Signalleitung 40 ist.
Ferner kann die Gewindeschraube 26B z. B. mittels Klebestoff,
wie z. B. Loctite®, gegen Herausdrehen
gesichert sein.
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Nun
wird unter Bezugnahme auf 6 der Betrieb
der erfindungsgemäßen Axialströmungsmaschine,
insbesondere das Erkennen einer blockierten bzw. fehlgestellten
Leitschaufel 10, beschrieben. In diesem Zusammenhang ist
zu bemerken, dass die Folgenden Erläuterungen sowohl für
die Ausführungsform gemäß den 4A und 4B als
auch für die Ausführungsform gemäß 5 gelten.
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6 zeigt
im oberen Bereich die schematische Ansicht eines Störungsfrei-
bzw. Normal-Betriebszustandes des Leitschaufel-Verstellmechanismus.
Alle Leitschaufeln 10 stehen im gleichen Winkel und somit
ist durch die intakte elektrische Signalleitung 40 ein
Signalstrang realisiert. Im unteren Bereich der 6 ist
schematisch ein durch eine einzelne, falsch stehende Leitschaufel 10 verursachter
Störungs-Betriebszustand dargestellt.
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Genauer
gesagt hat z. B. durch eine Blockierung der Bewegungsfreiheit in
der betreffenden Lagerbuchse 12 des ersten Endes 21 der
Leitschaufel 10 verursacht beim Verstellen der Leitschaufel 10 eine
vom Stellelement 30 auf den Stellhebel 20 übertragene
Stellkraft die Scherfestigkeit der Sollbruchstelle 24 überschritten
und ein Abscheren des ersten Endes 25A des Achselementes 25 herbeigeführt.
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Die
dadurch auf die elektrische Signalleitung 40 ausgeübte
Zugkraft ist größer als die mechanische Zugfestigkeit
der elektrischen Signalleitung 40, welche als kleiner als
die Minimalstellkraft des Leitschaufel-Verstellmechanismus definiert
ist. Das führt zum Reißen der elektrischen Signalleitung 40,
wodurch der von der elektrischen Signalleitung 40 gebildete
Signalstrang unterbrochen wird, was wiederum von der Auswerteeinrichtung 50 in
der im allgemeinen Teil der Beschreibung der Erfindung angegebenen
Weise erfasst wird.
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Durch
die Blockierung in der Lagerbuchse 12 und das daraus resultierende
Abscheren des Achsenelements 25 und Reißen der
elektrischen Signalleitung 40 wird eine Fehlstellung der
betreffenden Leitschaufel 10 hervorgerufen, wie im unteren
Teil von 6 gezeigt.
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Die
Auswerteeinheit 50 generiert bei Erfassung des Reißens
der elektrischen Signalleitung ein Unterbrechungssignal, welches
z. B. an eine nicht dargestellte Steuervorrichtung weitergeleitet
und z. B. zum Herunterfahren bzw. Stoppen der Axialströmungsmaschine
verwendet werden kann. Da jeder Stufe 1 eine separate elektrische
Signalleitung 40 zugeordnet ist, kann die von der Blockierung
bzw. Fehlstellung einer Leitschaufel 10 betroffene Stufe 1 schnell
und einfach erfasst und signalisiert werden.
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- 1'
- Statorstufe
- 10'
- Leitschaufel
- 11'
- Endabschnitt
- 12'
- Lagerbuchse
- 20'
- Stellhebel
- 21'
- erstes
Ende
- 22'
- zweites
Ende
- 23'
- Sicherungsstift
- 30'
- Stellelement
- 1
- Statorstufe
- 10
- Leitschaufel
- 11
- Endabschnitt
- 11A
- Außenflächen
- 12
- Lagerbuchse
- 20
- Stellhebel
- 21
- erstes
Ende
- 21A
- Durchgangsbohrung
- 21B
- Innenflächen
- 22
- zweites
Ende
- 22A
- Öffnung
- 24
- Sollbruchstelle
- 25
- Achsenelement
- 25A
- erstes
Ende
- 25B
- zweites
Ende
- 26
- Klemmeinrichtung
- 26A
- Gewindebohrung
- 26B
- Nut
- 26C
- Klemmelement
- 26D
- Gewindeschraube
- 30
- Stellelement
- 40
- Signalleitung
- 50
- Auswerteeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 1915930
C [0006]
- - DE 922130 B [0007, 0007]
- - EP 1727971 B1 [0008, 0029]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Roberto Gellert
(vom Dezember 2000, an der FH-Düsseldorf) mit dem Thema ”Probabilistische Berechnung
der Frequenzlage einer Verdichterschaufel mittels Monte Carlo Simulation” auf
Seite 14 als Bild 3.6 [0002]