EP2194230A1 - Leitschaufelanordnung für eine Axialturbomaschine - Google Patents

Leitschaufelanordnung für eine Axialturbomaschine Download PDF

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Publication number
EP2194230A1
EP2194230A1 EP08021215A EP08021215A EP2194230A1 EP 2194230 A1 EP2194230 A1 EP 2194230A1 EP 08021215 A EP08021215 A EP 08021215A EP 08021215 A EP08021215 A EP 08021215A EP 2194230 A1 EP2194230 A1 EP 2194230A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vane
inner ring
guide
assembly
guide vane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08021215A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francois Dr. Benkler
Raoul Dr. Costamagna
Bernward Dr. Mertens
Uwe Sieber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08021215A priority Critical patent/EP2194230A1/de
Priority to CN2009801488378A priority patent/CN102239311A/zh
Priority to EP09747819A priority patent/EP2356319A1/de
Priority to US13/132,339 priority patent/US20110286851A1/en
Priority to JP2011537913A priority patent/JP2012510582A/ja
Priority to RU2011127398/06A priority patent/RU2011127398A/ru
Priority to PCT/EP2009/064427 priority patent/WO2010063525A1/de
Publication of EP2194230A1 publication Critical patent/EP2194230A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a vane assembly for an axial turbomachine comprising an annular vane carrier and an inner ring disposed concentrically with the vane carrier, between which a plurality of vanes are radiantly arranged, each vane being attached to the vane carrier.
  • vane arrangement is sufficiently known from the prior art.
  • this is known in compressors of stationary gas turbines, in which vanes of the compressor are attached to a vane support or on a compressor housing.
  • known guide blade carrier which are formed in particular in most cases tubular, on its inner circumferential surfaces in the circumferential direction extending retaining grooves with undercuts in which guide vanes or outer rings are inserted and secured.
  • the guide vanes may be formed as free-standing vanes, so that their airfoil tips lie opposite one another with the gap forming an inner boundary wall of the flow path of the compressor. It is also known that the inner boundary wall of the flow path is part of the vanes or can be held by the vanes themselves.
  • the known guide vanes either have cover bands arranged on the top side, which then form parts of the boundary wall, or the guide vanes carry an inner ring on the top side, the outer surface of which then represents the inner boundary for the flow path.
  • the attachment of the inner ring to the guide vanes of the vane assembly can be done via a suitable screw, by welding or by caulking.
  • the object of the invention is therefore to provide an aforementioned vane arrangement for an axial turbomachine, which allows a particularly strain-tolerant, low-wear and reliable attachment of vanes to an inner ring.
  • the inner ring of the vane arrangement is fastened resiliently over at least one of the guide vanes.
  • all vanes of the vane assembly are resiliently connected to the inner ring.
  • the invention is based on the finding that a rigid connection of guide vanes on the inner ring is disadvantageous. Accordingly, it proposes a type of connection which permits relative movements of guide vanes to inner ring without wear to a small extent, without damaging the connection. Consequently, the invention turns away from the previous approaches, in which a rigid, firm connection between vanes and inner ring was provided.
  • a spring element is now to be used for fixing the guide vane on the inner ring.
  • each respective vane on the inner ring side comprises a sunk in the inner ring vane head, by means of which the vane is resiliently mounted on the inner ring.
  • the relevant vane on the inner ring is resiliently fastened, it comprises at least one structural element, namely the vane head, which is connectable to the inner ring and adapted to carry this.
  • the guide vane head of each relevant vane comprises a web, which is in each case arranged in an outwardly open, arranged on the inner ring recess and in which in at least one of the respective web facing side surface of the recess, a spring element is arranged, which bears against the inner ring and the web of the relevant vane biased.
  • the spring element provided, which is supported on the one hand on the inner ring and on the other hand at the web of the relevant vane.
  • the guide vane assembly is designed so that the spring element is biased and thus the web of the relevant vane either indirectly or directly to the inner ring, in detail to one of the two side surfaces of the recess pressed.
  • the guide vane head is hammer-shaped by means of the web and a head part extending transversely thereto, wherein the web connects the head part with an aerodynamically curved airfoil of the relevant vane and wherein the inner ring has a circumferential groove corresponding to the vane head for receiving the vane heads, which groove each in the section between two adjacent vanes of a cover, so the blade is closed.
  • This embodiment is particularly advantageous when the vane assembly itself, the inner ring and / or the annular vane support is not formed integrally, but are formed by at least two arcuate ring segments, which in each case separate from the other ring segments during assembly and / or disassembly be handled.
  • the cover prevents on the one hand a displacement of the inner ring relative to the Vanes along the circumference, since the cover is arranged between two vanes and thus blocks the displacement along the groove.
  • the cover also provides for a stepless boundary surface of the flow channel.
  • each relevant vane which are arranged on opposite side surfaces of the recess.
  • each such mounted vane is indirectly, so arranged biased on the inner ring via the spring elements.
  • the spring force of each spring element is directed in the circumferential direction of the inner ring. If a clamping sleeve is used as the spring element, only a line contact is present between the web of each relevant vane and the clamping sleeve, whereby the static load on the vane at the connection point is less than in a flat fixed guide vane. Since the static load is mainly due to an occurring displacement of the inner ring in the circumferential direction caused by an aerodynamic blade load, a displacement-tolerant mounting in the form of a resilient mounting in the circumferential direction is required to avoid wear and cracking and crack growth.
  • the inner ring comprises two partial rings, which can be mounted after their assembly into a one-piece inner ring.
  • the vane arrangement is used in particular in stationary turbomachines, it is advantageous if the vane arrangement itself comprises two or more ring segments, that is, that the inner ring and / or the annular vane carrier are formed as arcuate ring segments. Since the vane assembly and its components to the non-rotatable components of a Turbomachine, which, if used in the stationary area, have a dividing plane, whereby the rotationally fixed components are divided for an upper and a lower half, is suitable in two, each 180 ° large ring segments divided guide vane assembly, especially for stationary turbomachinery. Then, a simple assembly of the individual components to an overall annular vane arrangement is possible.
  • the guide vane assembly is used in a turbomachine, which may be designed in particular as an axial compressor or axial turbine.
  • the guide blade carrier can be arranged within a separate housing or even be designed as a housing itself.
  • FIG. 1 shows a segment 10 of a vane assembly 12 of an axial turbomachine in a perspective view.
  • the segment 10 is arcuate and spans an arc of 180 °.
  • Two of the in FIG. 1 Segments 10 shown can be assembled into a guide vane assembly 12 according to the invention, which is then annular.
  • On an inner surface 16 of the vane support 14 extending in the axial direction of grooves 18 for receiving vanes 20 are provided on an inner surface 16 of the vane support 14 extending in the axial direction of grooves 18 for receiving vanes 20 are provided.
  • the guide vanes 20 to be inserted into the grooves 18 are shown offset from the guide blade carrier 14 due to the exploded view.
  • the radially outer part of the guide blade 20 is referred to as a guide blade root and the radially inner part of the guide blade 20 as a Leitschaufelkopf.
  • the vane 20 has an aerodynamically curved airfoil.
  • an inner ring 22 is arranged on the guide vanes 20, from which in FIG. 2 only a 180 ° large segment is shown.
  • the inner ring 22 or its segments are made up of two partial rings 36, 38 or partial ring segments together.
  • the vane assembly 12 composed of two segments 10 thus includes a ring of vanes 20 which is also known as a vane ring and may be part of a compressor stage or turbine stage.
  • the vane support 14 is attached to a non-illustrated housing of the axial turbomachine, such as a compressor, or even formed as a housing.
  • the vane support 14 carries the guide vanes 20 which are fastened to it on the inside and in turn carry the inner ring 22 on the inside of the head.
  • the outer circumferential surface of the inner ring 22 and the inner surface 16 of the vane support 14 form the radial inner and outer boundary for a medium flowing through the axial turbomachine.
  • the Axial turbomachine is designed as a compressor, it is the medium to be compressed or compressed air.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section (in the sense of the axial turbomachine) by an inventive compound of the guide vane 20 with the inner ring 22.
  • the belonging to the vane 20 airfoil 28 is only partially shown.
  • a vane head 30 is provided, which has a web 32 and a transversely extending head portion 34. By means of the web 32 and the head part 34, the guide blade head 30 viewed in cross-section on a total of a hammer shape.
  • the inner ring 22 is provided with an outwardly open groove 44, whose longitudinal section contour is formed corresponding to the guide vane head 30.
  • the inner ring 22 comprises the two partial rings 36, 38, which in turn according to FIG. 2 are also formed as a 180 ° arcuate segments.
  • the partial rings 36, 38 or their segments are fixedly connected to one another via a welded connection 40.
  • the partial rings 36, 38 each have mutually directed projections 42, 43, each for forming an undercut, through which the hammer-shaped vane head 30 can be radially fixed.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a portion of the inner ring 22, in which the partial rings 36, 38 are shown for the sake of clarity not in its final construction position, but at a distance. In their final construction position, the two projections 42, 43 - as far as possible - without gaps to each other.
  • a recess 46 is provided for each vane 20, of which two in FIG. 4 are shown.
  • the recesses 46 serve to receive the web 32 of the vane head 30 of the vane 20.
  • the projection 43 thus forms between the recesses a cover 47, which the groove 44 between two vanes 20 closes to provide a non-offset flow path.
  • the in FIG. 3 shown guide vane 20 in FIG. 4 not shown.
  • Each recess 46 has two opposing side surfaces 48.
  • a further pocket 50 is provided, in which a designed as a clamping ring spring element 52 is provided for resilient attachment of the guide vane 20 on the inner ring 22.
  • a spring element 52 is shown schematically in the recess 46 shown there on the left.
  • a side view on the in FIG. 4 further shown on the right portion of the partial ring 36 shows FIG. 5 ,
  • This recess 46 is bounded by two side surfaces 48, in each of which a pocket 50 is provided.
  • the pocket 50 is formed substantially circular segment-shaped and extends over the entire axial length of the recess 46.
  • the bag 50 may be made, for example, before the introduction of the recess 46 by drilling or eroding.
  • the pocket 50 is arranged such that the diameter of the pocket 50 located in the radial plane of the axial turbomachine is arranged in the projection 43 or in the cover 47, so that only a comparatively small portion of the drilling circle is captured by the recess 46.
  • the clamping sleeve then has a diameter which is only slightly smaller than the diameter of the pocket 50. Due to the selected position of the pocket 50, the clamping element formed as a spring element 52 may still protrude into the recess 46 so far that the web arranged there, which in FIG. 5 is not shown, resiliently fixed over the spring element 52 on the inner ring 22. Due to the selected arrangement of the recess 46, the pockets 50 and the spring elements 52, the force direction of the latter acts in the circumferential direction.
  • the spring element 52 could also be mounted in pockets, which are arranged on the web 32, and not on the side surfaces 48 of the recess 46.
  • FIG. 6 and FIG. 7 12 schematically show the torsion of the vane 20 by load and bearing action for a prior art fixed vane (FIG. FIG. 6 ) and for a fixed according to the invention guide vane ( FIG. 7 ).
  • a head-side attached according to the prior art guide vane 20 is particularly strong, could at their weakest point, especially on the vane head 32, or on the inner ring particularly high loads and wear occur, which can lead to cracking and crack growth depending on the load.
  • a resilient and thus designated as a floating bearing attachment of the guide vane head 30 is proposed, which leads to a much lower torsion of the vane 20 by load and bearing reaction.
  • the load on the vane head 32 can be reduced, which delays or prevents the formation of cracks and wear.
  • the displacement of the inner ring in the circumferential direction which occurs due to aerodynamic blade loading, causes a static load on the blade, which can be better compensated by the connection according to the invention than guide vanes fastened according to the prior art.
  • the invention relates to a vane assembly 12 for an axial turbomachine comprising at least one annular vane support 14 and an inner ring 22 concentric with the vane support 14, between which a plurality of vanes 20 are radially disposed.
  • a vane assembly 12 for an axial turbomachine comprising at least one annular vane support 14 and an inner ring 22 concentric with the vane support 14, between which a plurality of vanes 20 are radially disposed.
  • the vane 20 on the inner ring 22nd are resiliently attached.
  • the fastening takes place by means of a spring element 52.
  • the spring element 52 By the spring element 52, a uniform contact pressure of the guide vane head 30 to the inner ring 22 or possibly to a further spring element 52 can be ensured, so that occurring stresses and wear can be reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung (12) für eine Axialturbomaschine, die zumindest einen ringförmigen Leitschaufelträger (14) und einen konzentrisch zum Leitschaufelträger (14) angeordneten Innenring (22) umfasst, zwischen denen strahlenartig eine Anzahl von Leitschaufeln (20) angeordnet sind. Um eine verschleißarme und besonders langlebige Befestigung der von dem Leitschaufelträger (14) getragenen Leitschaufel (20) am Innenring (22) zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die Leitschaufel (20) am Innenring (22) federnd befestigt sind. Die Befestigung erfolgt dabei mittels eines Federelementes (52). Durch das Federelement (52) kann eine gleichmäßige Anpressung des Leitschaufelkopfes (30) an den Innenring (22) oder gegebenenfalls an ein weiteres Federelement (52) gewährleistet werden, so dass auftretende Spannungen sowie Verschleiß vermindert werden können

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leitschaufelanordnung für eine Axialturbomaschine, umfassend einen ringförmigen Leitschaufelträger und einen konzentrisch zum Leitschaufelträger angeordneten Innenring, zwischen denen strahlenartig eine Anzahl von Leitschaufeln angeordnet ist, wobei jede Leitschaufel am Leitschaufelträger befestigt ist.
  • Eine eingangs genannte Leitschaufelanordnung ist hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist diese bei Verdichtern von stationären Gasturbinen bekannt, bei denen Leitschaufeln des Verdichters an einen Leitschaufelträger oder an einem Verdichtergehäuse befestigt sind. Hierzu weisen bekannte Leitschaufelträger, welche im Speziellen zumeist rohrförmig ausgebildet sind, an ihren inneren Mantelflächen in Umfangsrichtung verlaufende Haltenuten mit Hinterschneidungen auf, in denen Leitschaufeln bzw. Außenringe eingeschoben und befestigt sind. Die Leitschaufeln können dabei einerseits als freistehende Leitschaufeln ausgebildet sein, so dass deren Schaufelblattspitzen unter Spaltbildung einer inneren Begrenzungswand des Strömungspfades des Verdichters gegenüberliegen. Auch ist bekannt, dass die innere Begrenzungswand des Strömungspfades Teil der Leitschaufeln ist oder von den Leitschaufeln selber gehalten werden kann. In diesem Fall weisen die bekannten Leitschaufeln entweder jeweils kopfseitig angeordnete Deckbänder auf, welche dann Teile der Begrenzungswand bilden, oder die Leitschaufeln tragen kopfseitig einen Innenring, dessen äußere Mantelfläche dann die innere Begrenzung für den Strömungspfad darstellt. Die Befestigung des Innenrings an den Leitschaufeln der Leitschaufelanordnung kann dabei über eine geeignete Verschraubung, durch Anschweißen oder auch mittels Verstemmens erfolgen.
  • Bei den bekannten Befestigungsarten des Innenrings an den Leitschaufeln der Leitschaufelanordnung kann es während des Betriebs des Verdichters zu Verschleiß oder Risseinleitung an der Verbindung von Innenring und Leitschaufel kommen. Die Verschleißerscheinungen treten aufgrund der Verdrehung des Innenrings durch die aerodynamische Schaufellast auf und/oder aufgrund von thermisch bedingten Dehnungen, welche durch die bei der Verdichtung im Verdichter erzeugte Wärme auftritt. Auch periodische Schaufellaständerungen oder Vibrationen können zu Verschleißerscheinungen führen.
  • Aufgabe der Erfindung ist demzufolge die Bereitstellung einer eingangs genannten Leitschaufelanordnung für eine axiale Turbomaschine, die eine besonders dehnungstolerante, verschleißarme und zuverlässige Befestigung von Leitschaufeln an einem Innenring ermöglicht.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Leitschaufelanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei der eingangs genannten Leitschaufelanordnung der Innenring der Leitschaufelanordnung federnd über zumindest eine der Leitschaufeln befestigt ist. Vorzugsweise sind alle Leitschaufeln der Leitschaufelanordnung federnd mit dem Innenring verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine starre Verbindung von Leitschaufeln am Innenring nachteilig ist. Sie schlägt demgemäß eine Verbindungsart vor, die im geringfügigen Umfang Relativbewegungen von Leitschaufeln zu Innenring verschleißfrei ermöglicht, ohne Beschädigung der Verbindung. Folglich wendet sich die Erfindung von den bisherigen Vorgehensweisen ab, bei dem eine starre, feste Verbindung zwischen Leitschaufeln und Innenring vorgesehen war.
  • Im Zuge der Erfindung soll nun zur Fixierung der Leitschaufel am Innenring ein Federelement verwendet werden. Durch die Verwendung einer federnden Befestigung von Leitschaufeln am Innenring kann eine gleichmäßige Anpressung der betreffenden Leitschaufel am Innenring erfolgen, was auftretende Spannungen, verursacht durch thermische Dehnungen und/oder statische und/oder dynamische Spannungen wirkungsvoll minimiert. Gleichzeitig lassen sich durch die federnde Befestigung die für eine einfache Montage erforderlichen Montagespiele besonders einfach ausgleichen.
  • Durch die Verringerung von Verschleiß und Vermeidung von Rissen kann eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit insgesamt ermöglicht werden, da bisher erforderliche Kontrollen und Nacharbeit verschlissener Komponenten bei Verwendung der Erfindung wegfallen. Weiterhin kann Reparaturaufwand gespart werden und ggf. auf Zwischeninspektionen verzichtet werden. Außerdem ist die beschriebene Maßnahme leicht kombinierbar mit einigen der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, was eine verbesserte Reparaturmöglichkeit bestehender Turbomaschinen darstellt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst jede betreffende Leitschaufel innenringseitig einen im Innenring versenkten Leitschaufelkopf, mittels dem die Leitschaufel am Innenring federnd befestigt ist. Damit die betreffende Leitschaufel am Innenring federnd befestigbar ist, umfasst sie mindestens ein Konstruktionselement, namentlich den Leitschaufelkopf, der mit dem Innenring verbindbar und geeignet ist, diesen zu tragen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Leitschaufelkopf jeder betreffenden Leitschaufel einen Steg, welcher jeweils in einer nach außen geöffneten, am Innenring angeordneten Aussparung angeordnet ist und bei dem in zumindest einer der dem betreffenden Steg zugewandten Seitenfläche der Aussparung ein Federelement angeordnet ist, welches am Innenring und am Steg der betreffenden Leitschaufel vorgespannt anliegt. Somit ist zur federnden Befestigung der Leitschaufel am Innenring ein weiteres Konstruktionsbauteil, das Federelement, vorgesehen, welches sich einerseits am Innenring abstützt und andererseits am Steg der betreffenden Leitschaufel. Dabei ist die Leitschaufelanordnung so ausgelegt, dass das Federelement vorgespannt ist und somit den Steg der betreffenden Leitschaufel entweder mittelbar oder unmittelbar an den Innenring, im Detail an eine der beiden Seitenflächen der Aussparung, anpresst.
  • Vorteilhafterweise ist der Leitschaufelkopf mittels des Steges und eines sich daran quer erstreckenden Kopfteils hammerförmig ausgebildet, wobei der Steg das Kopfteil mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt der betreffenden Leitschaufel verbindet und wobei der Innenring eine zum Leitschaufelkopf korrespondierend geformte umlaufende Nut zur Aufnahme der Leitschaufelköpfe aufweist, welche Nut jeweils im Abschnitt zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln von einer Abdeckung, also zum Schaufelblatt hin, verschlossen ist. Durch die formschlüssige Verbindung der Leitschaufel mit dem Innenring mittels des an der Leitschaufel angeordneten hammerförmigen Leitschaufelkopfes bzw. Leitschaufelhakens und einer am Innenring vorgesehenen Nut, welche korrespondierend zur Form des Leitschaufelkopfes ausgebildet ist, kann eine Leitschaufelanordnung angegeben werden, bei welcher der Innenring von den Leitschaufeln besonders zuverlässig getragen wird. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Leitschaufelanordnung selber, der Innenring und/oder der ringförmige Leitschaufelträger jeweils nicht einstückig ausgebildet ist, sondern durch zumindest zwei bogenförmige Ringsegmente gebildet werden, welche bei der Montage und/oder Demontage jeweils getrennt von den anderen Ringsegmenten gehandhabt werden. Die Abdeckung verhindert einerseits ein Verschieben des Innenrings gegenüber den Leitschaufeln entlang des Umfangs, da die Abdeckung jeweils zwischen zwei Leitschaufeln angeordnet ist und somit den Verschiebeweg entlang der Nut blockiert. Andererseits sorgt die Abdeckung auch für eine stufenlose Begrenzungsfläche des Strömungskanals.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei Federelemente für jede betreffende Leitschaufel vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Aussparung angeordnet sind. Hierdurch ist jede derartig gelagerte Leitschaufel mittelbar, also über die Federelemente, am Innenring vorgespannt angeordnet. Zweckmäßigerweise ist dabei die Federkraft jedes Federelements in Umfangsrichtung des Innenrings gerichtet. Sofern als Federelement eine Spannhülse verwendet wird, ist zwischen dem Steg jeder betreffenden Leitschaufel und der Spannhülse lediglich ein Linienkontakt vorhanden, wodurch die statische Belastung der Leitschaufel an der Verbindungsstelle geringer ist als bei einer flächig festgelegten Leitschaufel. Da die statische Belastung hauptsächlich durch eine auftretende Verschiebung des Innenrings in Umfangsrichtung verursacht durch eine aerodynamische Schaufelbelastung erfolgt, ist eine verschiebungstolerante Befestigung in Form einer federnden Lagerung in Umfangsrichtung erforderlich, um Verschleiß und Rissentstehung und Risswachstum zu vermeiden.
  • Zu einer einfachen Herstellung der Leitschaufelanordnung kann es von Vorteil sein, wenn der Innenring zwei Teilringe umfasst, die nach ihrem Zusammensetzen zu einem einstückigen Innenring montiert werden können.
  • Sofern die Leitschaufelanordnung insbesondere in stationären Turbomaschinen verwendet wird, ist es von Vorteil, wenn die Leitschaufelanordnung selber zwei oder mehrere Ringsegmente umfasst, das heißt, dass der Innenring und/oder der ringförmige Leitschaufelträger als bogenförmige Ringsegmente ausgebildet sind. Da die Leitschaufelanordnung und deren Komponenten zu den drehfesten Bestandteilen einer Turbomaschine gehören, welche, sofern im stationären Bereich verwendet, eine Teilungsebene aufweisen, wodurch die drehfesten Bestandteile für eine obere und eine untere Hälfte geteilt sind, eignet sich eine in zwei, je 180° große Ringsegmente aufgeteilte Leitschaufelanordnung insbesondere für stationäre Turbomaschinen. Dann ist eine einfache Montage der einzelnen Bauteile zu einer insgesamt ringförmigen Leitschaufelanordnung möglich. Vorzugsweise wird die Leitschaufelanordnung in einer Turbomaschine verwendet, die insbesondere als Axialverdichter oder Axialturbine ausgebildet sein kann. Zudem kann der Leitschaufelträger innerhalb eines separaten Gehäuses angeordnet oder auch selber als Gehäuse ausgebildet sein.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Weitere Vorteile und weitere Merkmale ergeben sich dabei aus der Figurenbeschreibung.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    ein Segment 10 einer Leitschaufelanordnung 12 einer Axialturbomaschine in einer perspektivischen Darstellung;
    FIG 2
    eine Explosionsdarstellung von FIG 1;
    FIG 3
    einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindung von Leitschaufel und Innenring;
    FIG 4
    einen Ausschnitt des Innenrings ohne Leitschaufel;
    FIG 5
    eine Seitenansicht gemäß dem Schnitt V-V und
    FIG 6, 7
    schematisch die Verwindung der Leitschaufel durch Last- und Auflagereaktion für eine nach dem Stand der Technik befestigte Leitschaufel und für eine nach der Erfindung befestigten Leitschaufel.
  • FIG 1 zeigt ein Segment 10 einer Leitschaufelanordnung 12 einer Axialturbomaschine in einer perspektivischen Darstellung. Das Segment 10 ist bogenförmig ausgebildet und umspannt einen Bogen von 180°. Zwei der in FIG 1 gezeigten Segmente 10 können zu einer erfindungsgemäßen Leitschaufelanordnung 12 zusammengesetzt werden, welche dann ringförmig ausgebildet ist. An einer Innenfläche 16 des Leitschaufelträgers 14 sind in axialer Richtung verlaufende Nuten 18 zur Aufnahme von Leitschaufeln 20 vorgesehen. In FIG 2 sind die in die Nuten 18 einzusetzenden Leitschaufeln 20 sind aufgrund der explosionsartigen Darstellweise versetzt zum Leitschaufelträger 14 dargestellt. Der radial äußere Teil der Leitschaufel 20 wird dabei jeweils als Leitschaufelfuß bezeichnet und der radial innere Teil der Leitschaufel 20 als Leitschaufelkopf. Zwischen Leitschaufelfuß und Leitschaufelkopf weist die Leitschaufel 20 ein aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt auf. Kopfseitig ist an den Leitschaufeln 20 ein Innenring 22 angeordnet, von dem in FIG 2 lediglich ein 180° großes Segment dargestellt ist. Der Innenring 22 bzw. dessen Segmente setzen sich dabei aus zwei Teilringen 36, 38 bzw. Teilringsegmenten zusammen.
  • Die sich aus zwei Segmenten 10 zusammensetzende Leitschaufelanordnung 12 umfasst somit einen Ring von Leitschaufeln 20, welcher auch als Leitschaufelkranz bekannt ist und Teil einer Verdichterstufe oder Turbinenstufe sein kann.
  • Der Leitschaufelträger 14 ist an einem nicht weiter dargestellten Gehäuse der Axialturbomaschine, beispielsweise eines Verdichters, befestigt oder selbst als Gehäuse ausgebildet. Der Leitschaufelträger 14 trägt die an ihm innen befestigten Leitschaufeln 20, die ihrerseits innenkopfseitig den Innenring 22 tragen. Die äußere Mantelfläche des Innenrings 22 und die Innenfläche 16 des Leitschaufelträgers 14 bilden dabei die radiale innere und äußere Begrenzung für ein die Axialturbomaschine durchströmendes Medium. Sofern die Axialturbomaschine als Verdichter ausgebildet ist, handelt es sich bei dem Medium um verdichtete bzw. zu verdichtende Luft.
  • FIG 3 zeigt einen Längsschnitt (im Sinne der Axialturbomaschine) durch eine erfindungsgemäße Verbindung der Leitschaufel 20 mit dem Innenring 22. Das zur Leitschaufel 20 gehörende Schaufelblatt 28 ist nur teilweise dargestellt. Am Schaufelblatt 28, am kopfseitigen Bereich der Leitschaufel 20, ist ein Leitschaufelkopf 30 vorgesehen, welcher einen Steg 32 sowie ein sich daran quer erstreckendes Kopfteil 34 aufweist. Mittels des Steges 32 und des Kopfteils 34 weist der Leitschaufelkopf 30 im Querschnitt betrachtet insgesamt eine Hammerform auf.
  • Der Innenring 22 ist mit einer nach außen offenen Nut 44 versehen, deren Längsschnittkontur korrespondierend zum Leitschaufelkopf 30 ausgebildet ist. Der Innenring 22 umfasst die beiden Teilringe 36, 38, die ihrerseits gemäß FIG 2 ebenfalls als 180° große bogenförmige Segmente ausgebildet sind. Die Teilringe 36, 38 bzw. deren Segmente sind über eine Schweißverbindung 40 miteinander fest verbunden. Die Teilringe 36, 38 weisen jeweils aufeinander gerichtete Vorsprünge 42, 43 auf, jeweils zur Bildung einer Hinterschneidung, durch welche der hammerförmige Leitschaufelkopf 30 radial fixiert werden kann.
  • FIG 4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnittes des Innenrings 22, bei dem die Teilringe 36, 38 aus Gründen der Klarheit nicht in ihrer endgültigen Konstruktionslage, sondern unter Abstand dargestellt sind. In ihrer endgültigen Konstruktionslage liegen die beiden Vorsprünge 42, 43 - so weit wie möglich - spaltfrei aneinander. Im Vorsprung 43 des Teilrings 36 ist für jede Leitschaufel 20 eine Aussparung 46 vorgesehen, von denen zwei in FIG 4 dargestellt sind. Die Aussparungen 46 dienen zur Aufnahme des Steges 32 des Leitschaufelkopfes 30 der Leitschaufel 20. Der Vorsprung 43 formt somit zwischen den Aussparungen eine Abdeckung 47, welche die Nut 44 zwischen zwei Leitschaufeln 20 verschließt, um einen versatzfreien Strömungspfad bereitzustellen. Aus Übersichtsgründen ist die in FIG 3 gezeigte Leitschaufel 20 in FIG 4 nicht dargestellt. Jede Aussparung 46 weist zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen 48 auf. In zumindest einer der beiden Seitenflächen 48 jeder Aussparung 46 ist eine weitere Tasche 50 vorgesehen, in der ein als Spannring ausgebildetes Federelement 52 zur federnden Befestigung der Leitschaufel 20 am Innenring 22 vorgesehen ist. In FIG 4 ist lediglich in der dort weiter links dargestellten Aussparung 46 ein Federelement 52 schematisch gezeigt. Eine Seitenansicht auf den in FIG 4 weiter rechts dargestellten Abschnitt des Teilrings 36 zeigt FIG 5. Diese Aussparung 46 wird von zwei Seitenflächen 48 begrenzt, in denen jeweils eine Tasche 50 vorgesehen ist. Die Tasche 50 ist im Wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildet und erstreckt sich über die gesamte axiale Länge der Aussparung 46. Die Tasche 50 kann dabei beispielsweise vor dem Einbringen der Aussparung 46 durch Bohren oder Erodieren hergestellt worden sein. Die Tasche 50 ist dabei so angeordnet, dass der in der Radialebene der Axialturbomaschine liegende Durchmesser der Tasche 50 im Vorsprung 43 bzw. in der Abdeckung 47 angeordnet ist, so dass nur ein vergleichweise kleiner Abschnitt des Bohrkreises von der Aussparung 46 erfasst ist. Die Spannhülse weist dann einen Durchmesser auf, der nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Tasche 50. Durch die gewählte Lage der Tasche 50 kann das als Spannhülse ausgebildete Federelement 52 noch soweit in die Aussparung 46 hineinragen, dass der dort angeordnete Steg 32, welcher in FIG 5 nicht dargestellt ist, federnd über dem Federelement 52 am Innenring 22 festliegt. Aufgrund der gewählten Anordnung der Aussparung 46, den Taschen 50 und den Federelementen 52 wirkt die Kraftrichtung des letztgenannten in Umfangsrichtung.
  • Ein Herausfallen des Federelementes 52 aus der Tasche 50 in die Aussparung 46 kann aufgrund der Lage der Tasche 50 vermieden werden. Dies erleichtert den Zusammenbau der Leitschaufelanordnung 12.
  • Selbstverständlich könnte das Federelement 52 auch in Taschen gelagert sein, welche am Steg 32, und nicht an den Seitenflächen 48 der Ansparung 46 angeordnet sind.
  • FIG 6 und FIG 7 zeigen schematisch die Verwindung der Leitschaufel 20 durch Last- und Auflagereaktion für eine nach dem Stand der Technik befestigte Leitschaufel (FIG 6) und für eine nach der Erfindung befestigten Leitschaufel (FIG 7).
  • Da eine kopfseitig nach dem Stand der Technik befestigte Leitschaufel 20 besonders stark verwunden wird, konnten an deren schwächsten Stelle, namentlich am Leitschaufelkopf 32, oder auch am Innenring besonders hohe Belastungen und Verschleiß auftreten, die je nach Belastung zu Rissentstehung und Risswachstum führen können. Mit der Erfindung wird nun eine federnde und somit als Loslager zu bezeichnende Befestigung des Leitschaufelkopfes 30 vorgeschlagen, die zu einer wesentlich geringeren Verwindung der Leitschaufel 20 durch Last- und Auflagereaktion führt. Hierdurch kann die Belastung am Leitschaufelkopf 32 verringert werden, was das Entstehen von Rissen und Verschleiß verzögert bzw. verhindert. Insbesondere die durch aerodynamische Schaufelbelastung auftretende Verschiebung des Innenrings in Umfangsrichtung verursacht eine statische Belastung der Schaufel, welche durch die erfindungsgemäße Verbindung besser kompensiert werden kann als nach dem Stand der Technik befestigte Leitschaufeln.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung eine Leitschaufelanordnung 12 für eine Axialturbomaschine, die zumindest einen ringförmigen Leitschaufelträger 14 und einen konzentrisch zum Leitschaufelträger 14 angeordneten Innenring 22 umfasst, zwischen denen strahlenartig eine Anzahl von Leitschaufeln 20 angeordnet sind. Um eine verschleißarme und besonders langlebige Befestigung der von dem Leitschaufelträger 14 getragenen Leitschaufel 20 am Innenring 22 anzugeben, wird vorgeschlagen, dass die Leitschaufel 20 am Innenring 22 federnd befestigt sind. Die Befestigung erfolgt dabei mittels eines Federelementes 52. Durch das Federelement 52 kann eine gleichmäßige Anpressung des Leitschaufelkopfes 30 an den Innenring 22 oder gegebenenfalls an ein weiteres Federelement 52 gewährleistet werden, so dass auftretende Spannungen sowie Verschleiß vermindert werden können.

Claims (13)

  1. Leitschaufelanordnung (12) für eine Axialturbomaschine, umfassend einen ringförmigen Leitschaufelträger (14) und einen konzentrisch zum Leitschaufelträger (14) angeordneten Innenring (22), zwischen denen strahlenartig eine Anzahl von Leitschaufeln (20) angeordnet ist,
    wobei jede Leitschaufel am Leitschaufelträger (14) befestigt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest eine der Leitschaufeln (20) am Innenring (22) federnd befestigt ist.
  2. Leitschaufelanordnung (12) nach Anspruch 1,
    bei dem jede betreffende Leitschaufel (20) innenringseitig einen im Innenring (22) versenkten Leitschaufelkopf (30) umfasst, mittels dem die Leitschaufel (20) am Innenring (22) federnd befestigt ist.
  3. Leitschaufelanordnung (12) nach Anspruch 2,
    bei dem der Leitschaufelkopf (30) jeder betreffenden Leitschaufel (20) einen Steg (32) umfasst, welcher jeweils in einer nach außen geöffneten, am Innenring (22) angeordneten Aussparung (46) angeordnet ist, und
    bei dem in zumindest einer der dem betreffenden Steg (32) zugewandten Seitenfläche (48) der Aussparung (46) ein Federelement (52) angeordnet ist, welches am Innenring (22) und am Steg (32) der betreffenden Leitschaufel (20) vorgespannt anliegt.
  4. Leitschaufelanordnung (12) nach Anspruch 3,
    bei dem der Leitschaufelkopf (30) mittels des Steges (32) und eines sich daran quer erstreckenden Kopfteils (34) hammerförmig ausgebildet ist und der Steg (32) das Kopfteil (34) mit einem aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatt (28) der betreffenden Leitschaufel (20) verbindet und
    bei dem der Innenring (22) eine zum Leitschaufelkopf (30) korrespondierend geformte umlaufende Nut (44) zur Aufnahme der Leitschaufelköpfe (30) aufweist, welche Nut (44) jeweils im Abschnitt zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (20) von einer Abdeckung (47) verschlossen ist.
  5. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem für jede betreffende Leitschaufel (20) zwei Federelemente (52) vorgesehen sind, die an einander gegenüberliegenden Seitenflächen (48) der Aussparung (46) angeordnet sind.
  6. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    bei dem das Federelement (52) als Spannhülse ausgebildet ist.
  7. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    bei der in den Seitenflächen (48) eine Tasche (50) zur Aufnahme des Federelements (52) vorgesehen ist, aus der das Federelement (52) teilweise herausragt.
  8. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    bei dem die Federkraft in Umfangsrichtung des Innenrings (22) gerichtet ist.
  9. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    bei dem der Innenring (22) zwei Teilringe (36, 38) umfasst.
  10. Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    bei dem der Innenring (22) und/oder der ringförmige Leitschaufelträger (14) zumindest zwei Ringsegmente umfassen.
  11. Leitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    bei dem der Leitschaufelträger (14) als ein Gehäuse ausgebildet ist.
  12. Turbomaschine mit einer Leitschaufelanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Turbomaschine nach Anspruch 12,
    ausgebildet als Axialverdichter oder Axialturbine.
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