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WO2010081468A1 - Verfahren zur montage eines integralen innenrings eines turboverdichterstators - Google Patents

Verfahren zur montage eines integralen innenrings eines turboverdichterstators Download PDF

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WO2010081468A1
WO2010081468A1 PCT/DE2010/000023 DE2010000023W WO2010081468A1 WO 2010081468 A1 WO2010081468 A1 WO 2010081468A1 DE 2010000023 W DE2010000023 W DE 2010000023W WO 2010081468 A1 WO2010081468 A1 WO 2010081468A1
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radius
ring
outer radius
vane
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PCT/DE2010/000023
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Stiehler
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
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    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49323—Assembling fluid flow directing devices, e.g., stators, diaphragms, nozzles

Definitions

  • the invention relates to a method for mounting an integral inner ring of a turbocompressor stator to a vane ring.
  • the vanes are mounted on a rotatable ring.
  • the inner ring is provided with openings (bearing countersinks) into which bearing bushes for the inner pins of the guide vanes can be inserted. Only when the guide vanes are inserted in the compressor housing, the installation (assembly) of the inner ring takes place.
  • assembly has hitherto been possible only in segments.
  • the inner ring is divided circumferentially into individual segments with a center angle ⁇ 180 °, and the segments with the openings are individually “threaded" into the inner lugs of the vanes, as far as the gaps between the segments allow. In practice, therefore, the segments typically have a midpoint angle not greater than 30 °.
  • Such a segmented inner ring is shown, for example, in EP 1 508 672 A1.
  • a method for mounting a segmented inner ring without axial division is known from DE 10 2006 024 085 Al. The method described therein makes use of the fact that the openings in the segments of the inner ring are significantly larger in diameter than the inner cones of the guide vanes, so that the latter can be temporarily positioned eccentrically and obliquely in the openings.
  • segmented inner rings have fundamental disadvantages compared to one-piece, closed (integral) inner rings.
  • the segmentation leads to greater wear and a significantly shorter service life.
  • the segmentation leads to an undesirable cluster swing.
  • the inventive method for mounting an integral inner ring of a turbocompressor stator to a vane ring comprises the following steps:
  • the invention is based on the recognition that an integral inner ring can be designed so deformable that the inner ring can be biased with a suitable geometric design of its openings and the inner pins of the vanes so that the Verforrmingshunt of the inner ring during its relaxation for threading the inner ring in the Guide vane ring can be used.
  • the die ensures that no overstretching of the inner ring occurs because it limits the bend to a defined radius.
  • Figure 1 is a plan view of a die and a part of an inner ring before its pre-bending
  • Figure 2 is a schematic partial view of a vane ring with one side attached inner ring
  • Figure 3 is a larger schematic partial view of the vane ring with partially threaded inner ring.
  • FIG. 4 shows the geometric model on which the method according to the invention is based.
  • an integral, that is undivided, one-piece inner ring 10 is provided with an outer radius R which is constant over the circumference.
  • a one-piece inner ring is to be understood here also a one-piece part ring with a center angle> 180 °.
  • the outer radius R of the inner ring 10 corresponds to an inner radius S of the Leitschaufelkranzes 12, to which the inner ring 10 is to be mounted.
  • the vane ring 12 is the entirety or, as described in the following assembly process, a part of the inner ring 10 to be held vanes 14, which are already pre-assembled in the tubular housing or in a housing part of the compressor.
  • the vane ring 12 is in the latter case a partial ring (preferably with a midpoint angle ⁇ 180 °) of circumferentially juxtaposed vanes 14.
  • the vanes 14 have inner pins 16 which are to be stored in associated openings 18 (bearing depressions) of the inner ring 10.
  • the inner ring 10 is pre-bent by the inner ring 10 constant to an outer radius r is biased, which is smaller than the outer radius R of the inner ring 10 in the untensioned state.
  • the bias is applied over the entire circumference of the inner ring 10 or over a certain part, preferably over a part whose arc length of the arc length of the preassembled vane ring 12 corresponds (based on the radii R and S).
  • the inner ring 10 is brought into contact with the die 20 at an inner contact point A for this purpose.
  • the inner ring 10 is fixed with a clamping 22 with adjustable drawbar.
  • two further adjustable clamping units 24 are provided with which at two points of pull, which are preferably diametrically opposed to each other (center angle distance ⁇ 180 °), the inner ring 10 is bent onto the die 20.
  • the clamping units 24 may - according to the example shown in Figure 1 - train bearing forming pins 26 and / or claws on which a tensile force is applied.
  • the clamping direction S is adjusted during pretensioning so that the inner ring 10 does not buckle, but applies uniformly to the die 20.
  • the clamping units 22 and 24 are then fixed, so that the inner ring 10 remains in its prestressed state.
  • Figures 2 and 3 show schematically how subsequently the inner ring 10 is threaded by relaxing on its original outer radius R in the vane part ring.
  • the biased inner ring 10 is attached to one end 28 of the vane ring 12 and unrolled in the vane ring 12 by the adjustable clamping units 22 and 24 are relieved (release of the fixation).
  • the openings 18 of the inner ring 10 are moved without tilting or jamming over the inner pins 16 of the guide vanes 14. This is possible in the particular relaxation restoring deformation of the inner ring 10 to its original outer radius R alone due to the play of the openings 18.
  • FIG. 3 shows how, at the tangential contact point P, the outer radius of the inner ring without transition from the smaller radius r (pretensioned) changes directly to the original radius R (relaxed).
  • the disassembly of the inner ring 10 from the vane ring 12 is also possible by tilting or jamming by reversing the described assembly process.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings (10) eines Turboverdichterstators an einen Leitschaufelkranz (12) umfasst folgende Schritte: - Bereitstellen des Leitschaufelkranzes (12) mit einem inneren Radius S; - Bereitstellen des Innenrings (10) mit einem äußeren Radius R, der dem inneren Radius S entspricht; - Vorspannen des Innenrings (10) auf einen äußeren Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10); und - Entspannen des Innenrings (10) auf den äußeren Radius R.

Description

Verfahren zur Montage eines integralen Innenrings eines Turboverdichterstators
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 rnnenring 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 rnnenring 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 Mittelpunkts winkel auf, der nicht größer als 30° ist.
Ein solcher segmentierter Innenring ist beispielsweise in der EP 1 508 672 Al gezeigt. Ein Verfahren zur Montage eines segmentierten Innenrings ohne axiale Teilung ist aus der DE 10 2006 024 085 Al bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird ausgenutzt, dass die Öffnungen in den Segmenten des rnnenrings im Durchmesser deutlich größer sind als die Innenzapfen der Leitschaufeln, so dass letztere zeitweilig exzentrisch und schräg in den Öffnungen positioniert sein können.
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 Verforrmingsbewegung des Innenrings bei dessen Entspannung zum Einfädeln des Innenrings in den Leitschaufelkranz genutzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist beim Vorspannen des Innenrings die Verwendung einer Matrize mit einem Radius, 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:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Matrize und eines Teils eines Innenrings vor dessen Vorbiegung; Figur 2 eine schematische Teilansicht eines Leitschaufelkranzes mit einseitig angesetztem Innenring;
Figur 3 eine größere schematische Teilansicht des Leitschaufelkranzes mit teilweise eingefädeltem Innenring; und
Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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.

Claims

P atentansprüche
1. 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 Innenrings (10) mit einem äußeren Radius R, der dem inneren Radius S entspricht;
- Vorspannen des Innenrings (10) auf einen über den Umfang des Innenrings (10) konstanten äußeren Radius r, der kleiner ist als der äußere Radius R des ungespannten Innenrings (10); und
Abrollen des Innenrings (10) im Leitschaufelkranz (12) durch Entspannen des Innenrings (10) auf den äußeren Radius R.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entspannen des Innenrings (10) an einem tangentialen Berührungspunkt P der Außenradius des Innenrings (10) einen Krümmungssprung vom Radius r unmittelbar auf den Radius R vollführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorspannen des 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.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (10) an einem inneren Anlagepunkt A in Anlage mit der Matrize (20) gebracht und dort mit einer Verklammerung (22) fixiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des Innenrings (10) mit Hilfe wenigstens zweier Spanneinheiten (24) aufgebracht wird, die an einander vorzugsweise diametral gegenüberliegenden Zugpunkten am Innenring (10) angreifen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrichtung der auf die Zugpunkte aufgebrachten Zugkräfte so eingestellt wird, dass sich der Innenring (10) nicht ausbeult und gleichmäßig an die Matrize (20) anlegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entspannen des Innenrings (10) die Spanneinheiten (24) und ggf. ein an die Verklammerung (22) gekoppeltes Zuggestänge entlastet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Radius R der halbe Außendurchmesser des 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.
9. 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.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkranz (12) einen Mittelpunktswinkel von etwa 180° hat.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (10) über eine Bogenlänge bezogen auf dessen Radius R vorgespannt wird, die der Bogenlänge des Leitschaufelkranzes (12) bezogen auf dessen Radius S entspricht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (10) beim Entspannen an einem Ende (28) des Leitschaufelkranzes (12) angesetzt und im Leitschaufelkranz (12) so abgerollt wird, dass die Bewegungsbahn eins festen Punktes des Innenrings (10) einer Zykloide entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass, die Zykloide auf einem Innenkreis mit dem Radius R-r erzeugt wird.
PCT/DE2010/000023 2009-01-16 2010-01-14 Verfahren zur montage eines integralen innenrings eines turboverdichterstators Ceased WO2010081468A1 (de)

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