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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Leit- bzw. Statorschaufeleinrichtung für einen Verdichter von einer
Gasturbine. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sie sich auf
eine Leitschaufel-Befestigungseinrichtung, wobei die Einrichtung
um 180° um die
Schaufelbohrungsachse gedreht werden kann für eine verlängerte Betriebsdauer, und sie
kann auch vom Äußeren des
Verdichtergehäuses
entfernt und ausgetauscht werden, ohne dass das Gehäuse oder die
Leitschaufel entfernt werden muss.
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Hintegrund
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In einer Gasturbine liefert ein Axialströmungsverdichter
Luft unter Druck für
eine Expansion durch einen Turbinenabschnitt und enthält üblicherweise
einen Rotor, der von einem Gehäuse
umgeben ist. Das Gehäuse
weist im allgemeinen zwei halbe, zylindrische Abschnitte auf, die
lösbar
miteinander verbunden sind. Der Rotor enthält mehrere Stufen, die jeweils
eine Rotorscheibe mit einer einzelnen Reihe von Schaufeln aufweist,
die um ihren äußeren Rand
herum angeordnet sind. Die Stufen sind miteinander und mit einer
von einer Turbine angetriebenen Welle verbunden. Das Gehäuse haltert
mehrere Stufen oder ringförmige
Reihen von Leit- oder Statorschaufeln. Die Statorschaufelstufen
sind zwischen den Verdichterschaufelstufen angebracht und helfen, die
durch den Verdichter gedrückte
Luft zu verdichten und die Luftströmung in die nächste Stufe
von Lauf- oder Rotorschaufeln unter dem richtigen Winkel zu richten,
um für
eine glatte, gleichmäßige Strömung durch
den Verdichter zu sorgen.
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Es ist seit langem bekannt, dass
die Verwendung von verstellbaren Leitschaufeln zum Steuern der durch
den Verdichter strömenden
Luftmenge die Leistungsfähigkeit
des Verdichters über
dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerkes optimiert. Zu diesem
Zweck sind ausgewählte
Statorschaufelstufen (im allge meinen am vorderen Abschnitt von dem Verdichter)
mit verstellbaren bzw. variablen Statorschaufeln versehen. In der üblichen
bekannten Praxis ist an der Stelle von jeder verstellbaren Statorschaufel
das Gehäuse
mit einer Öffnung
oder Bohrung versehen, die von einem äußeren Ansatzstück umgeben
ist. Die verstellbare Statorschaufel selbst hat eine Basis und/oder
einen Wellenabschnitt, der sich durch die Bohrung erstreckt und
darin drehbar ist. In Verbindung mit der Bohrung ist eine Lagereinrichtung
vorgesehen, um Verschleiß an
dem Gehäuse
und der Statorschaufel zu verhindern.
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Durch geeignete Prüfungen wird
ein Statorprogramm entwickelt, das die Leistungsfähigkeit
des Verdichters, während
akzeptable Strömungsabrissgrenzen
eingehalten werden, über
dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerkes optimiert. Es ist ein Stellsystem
vorgesehen, um die Statorschaufeln von jeder verstellbare Statorschaufeln
aufweisenden Stufe gemäß dem Statorprogramm
zu drehen und neu zu positionieren.
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In der üblichen Praxis ist ein verschiebbarer Gleichlaufring
für jede
variable Stufe vorgesehen und umgibt das Gehäuse. Jede verstellbare Statorschaufel
von jeder variablen Stufe hat einem Hebelarm, der operativ mit seinem
entsprechenden Gleichlaufring verbunden ist. Die Gleichlauf ringe
werden durch einen geeigneten Antriebs- oder Kurbelwellenmechanismus
verschoben, der durch eine geeignete Stelleinrichtung (Aktuator)
betätigt
wird, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
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Die oben genannten Lagereinrichtungen,
die zum Schutz der verstellbaren Statorschaufel und des benachbarten
Gehäuseabschnittes
ausgelegt sind, unterliegen selbstverständlich Verschleiß. Dies
kann zu einem Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der verstellbaren
Statorschaufel und dem Verdichtergehäuse führen. Ein übermäßiger Metall-zu-Metall-Kontakt vergrößert Reibung
in dem verstellbaren Schaufelsystem, der seinerseits eine Bewegung
der Schaufeln verhindert oder stört,
was zu einem Strömungsabriss
im Triebwerk führen
könnte.
Die Lagereinrichtung enthält
Buchsen, die verschleißen,
wenn die verstellbare Statorschaufel während des Betriebes des Triebwerkes
geschwenkt wird. Einige Abschnitte der Buchsen, die stark belastet
werden, haben die Tendenz, stärker
zu verschleißen
als andere, weniger stark belastete Abschnitte. In bekannten Lagereinrichtungen
dieses Typs ist unzulässiger
Verschleiß in
einem Bereich von etwa 6000 bis 10000 Betriebsstunden des Triebwerkes
beobachtet worden.
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Die Wartung zum Austauschen der Buchsen beinhaltet
ein Entfernen des Verdichtergehäuses
und Herausziehen der verstellbaren Statorschaufeleinrichtung. Dies
ist teuer, zeitraubend und erfordert erfahrene Arbeiter.
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Genauer gesagt, ist in bekannten
Statorschaufeleinrichtungen, beispielsweise den hier in 1 dargestellten, üblicherweise
eine Schubscheibe 10 vorgesehen, die in einem innenseitigen
Durchmesser von einer Senkbohrung 11 von einem Verdichtergehäuse 12 angeordnet
ist. Weiterhin ist eine Hülse 14 üblicherweise
entlang einer einen Außendurchmesser
aufweisenden Senkbohrung 15 von dem Gehäuse 12 vorgesehen.
Die Statorschaufel 16 hat einen radial äußeren Schaufelknopf 18,
der in den Innendurchmesser der Senkbohrung 11 eingesetzt
ist. Um die Schaufel zu befestigen, liegt ein Abstandshalter 20 über der
Schaufel und hat eine Mittelöffnung,
durch die eine Spindel 22 vorsteht, die in einem mit Außengewinde
versehenen Spindelabschnitt 24 endet. Über der Spindel 22 wird
ein Hebelarm 26 aufgenommen, und die Einrichtung wird durch
eine Mutter 28 befestigt, die auf den Spindelabschnitt 24 geschraubt
wird und eine Hülse 30 gegen den
Hebel 26 und den Abstandshalter 20 und den Knopf 18 gegen
die Schubscheibe 10 klemmt. Üblicherweise ist der Hebelarm
mit dem Gleichlaufring 30 durch einen Stift 32 verbunden.
Ein nicht gezeigter Antriebsmechanismus verschiebt den Ring 30,
um die Schwenkstellung von dem Hebel 26 und somit den Winkel
der Statorschaufel gemäß einem
vorbestimmten Programm zu steuern.
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Die radiale Druckbelastung auf den
Schaufelknopf 18 wird durch die Schubscheibe 10 übertragen
und wirkt auf den Innendurchmesser von dem Verdichtergehäuse. Diese
radiale Bela stung, zusammen mit dem Drehmoment der Schaufel, bewirkt, dass
die Schaufel 10 vorzeitig verschleißt oder abnutzt. Wenn sie abgenutzt
ist, beschleunigt sie den Verschleiß der Hülse 14, wodurch ein
Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der Schaufel und dem Gehäuse bewirkt
wird. Dieser erhöhte
Verschleiß macht
es möglich,
dass der Schaufelwinkel sich von dem gewünschten Arbeitswinkel weg bewegt
und einen Fehler an der benachbarten Rotorschaufel und eine kostspielige
und weitgehende Beschädigung
an dem Verdichter bewirkt. Um jedoch die innere Scheibe 10 auszutauschen,
müssen
alle Rohrleitungen des Triebwerks, die Verdichtergehäusehälften und
das gesamte verstellbare Statorschaufelsystem demontiert werden,
was eine teure Ausschaltzeit zur Folge hat.
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Auf dieses Problem ist das US-Patent 5,308,226
mit der Bezeichnung "Variable
Stator Vane Assembly for an Axial Flow Compressor of a Gas Turbine
Engine" gerichtet.
In diesem Patent wird eine etwas komplexe Statorschaufelmontage
beschrieben. Sie gestattet, dass Teile davon, die abnutzen, d. h. die
Hülse,
entfernt und ausgetauscht werden oder die gesamte Statorschaufel-Befestigungseinrichtung von
der Außenseite
des Gehäuses
und ohne Demontage des Gehäuses
oder der Statorschaufel um 180° gedreht
wird. Auf diese Weise kann die Betriebsdauer der Einrichtung und
des Verdichters stark verlängert
werden. Die in diesem Patent offenbarte Montage erfordert jedoch
eine wesentliche Anzahl von bearbeiteten Teilen und eine Komplexität der Montage, die
zwar wirksam ist, um eine Drehung oder Entfernung und Austausch
der Hülse
zu gestatten, aber etwas teuer und arbeitsintensiv bleibt.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine neuartige und verbesserte verstellbare Statorschaufel
zu schaffen, die ermöglicht, dass
Teile, die einer Abnutzung ausgesetzt sind, auf einfache Weise gedreht
werden, um ihre nutzbare Verschleißdauer zu verlängern, oder
am Ende ihrer Verschleißdauer
ausgetauscht werden, ohne dass das Verdichtergehäuse entfernt oder die verstellbare Statorschaufeleinrichtung
auseinandergebaut werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird eine Leitschaufeleinrichtung
mit verstellbarem Winkel für
einen Axialströmungsverdichter
von einer Gasturbine bereitgestellt, der ein Verdichtergehäuse (42)
mit einer Bohrung (44) aufweist, die darin an der Stelle
der winkelverstellbaren Leitschaufeleinrichtung ausgebildet ist, wobei
die Einrichtung enthält:
einen
Vorsprung (46) auf dem Gehäuse (42), der die Gehäusebohrung
(44) umgibt,
eine erste Buchse (62), die
sich in der Bohrung (44) erstreckt und einen Flansch (66)
aufweist, der über dem
radial äusseren
Ende von der Bohrung (44) liegt und an dem Vorsprung (46)
lösbar
befestigt ist, wobei die Buchse (62) einen radial äusseren
Endabschnitt (80) aufweist,
eine zweite Buchse (64),
die in der ersten Buchse (62) angeordnet ist und einen
Lagerabschnitt (90) aufweist, der unter der Innenfläche des äusseren
Endabschnittes (80) der ersten Buchse (62) liegt
und diesen gegen diese drückt,
wobei
die ersten und zweiten Buchsen (62, 64) Öffnungen
(82, 92) durch die äusseren End- bzw. Lagerabschnitte
in Übereinstimmung
miteinander aufweisen, und
eine Leit- bzw. Statorschaufel (40),
die eine Basis (50), eine von der Basis (50) vorstehende
Spindel (52) innerhalb der zweiten Buchse (64)
und einen ersten, einen verminderten Durchmesser aufweisenden Spindelabschnitt
(54) aufweist, der sich durch die übereinstimmenden Öffnungen
(82; 92) erstreckt, wobei die zweite Buchse (64)
die Spindel (52) und den ersten, einen verminderten Durchmesser
aufweisenden Spindelabschnitt (54) wenigstens teilweise eng
umschließt,
wodurch radiale Schubbelastungen auf die Schaufel (40)
durch den Lagerabschnitt (90) auf den Endabschnitt (80)
und den Flansch (66) übertragen
werden, der an dem Gehäuse
(42) befestigt ist,
wobei die zweite Buchse (64)
vom Äusseren
des Gehäuses
(42) lösbar
und austauschbar ist, ohne daß das
Gehäuse
(42) von dem Verdichter oder die Leitschaufel (40)
aus der Gehäusebohrung
entfernt werden muss.
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Um die Verschleißflächen auszutauschen, kann der
Hebel der Betätigungseinrichtung
entfernt werden, und die Bolzen, die die erste Buchse an dem Vorsprung
bzw. Ansatzstück
befestigen, können
in ähnlicher
Weise entfernt werden, wodurch die ersten und zweiten Buchsen aus
der Bohrung und aus der Spindel der Statorschaufel herausgezogen
werden können.
Die Buchsen können
dann ausgetauscht und wieder um die Spindel der Statorschaufel in
der Bohrung eingesetzt werden. Alternativ und um die Verschleißdauer der
Teile zu verlängern,
können
die Buchsen herausgenommen, wie es zuvor beschrieben ist, und 180° gedreht
und wieder befestigt werden. Auf diese Weise können die Verschleißflächen für einen
gleichförmigen
Verschleiß angeordnet
werden.
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Kurze Beschriebung der
Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun mit weiteren
Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Darstellung von einer Statorschaufeleinrichtung für einen
Axialströmungsverdichter
gemäß dem Stand
der Technik ist, wie er oben beschrieben ist;
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2 ein
Teilquerschnitt von einer Statorschaufeleinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist und
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3 eine
auseinandergezogene, perspektivische Ansicht von der in 2 dargestellten Statorschaufeleinrichtung
ist.
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Beste Art zum Ausführen der
Erfindung
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Es wird nun auf die Zeichnungen,
und insbesondere auf die 2 und 3, Bezug genommen, wo eine
Statorschaufel 40 dargestellt ist, die in einem Verdichtergehäuse 42 angeordnet
ist. Das Gehäuse 42 hat
mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Bohrungen 44 um
das Gehäuse
herum, von denen in 2 nur
eine dargestellt ist. Jede Bohrung 44 erstreckt sich in
einem Vorsprung oder Ansatzstück 46,
das von dem Gehäuse 42 radial
nach außen
vorsteht. Die Bohrung 44 hat eine innen vergrößerte Senkbohrung 48.
Die Schaufel 40 enthält
eine ringförmige
Basis 40 mit einer radial nach außen vorstehenden Spindel 52, die
ihrerseits einen ersten Spindelabschnitt 54 mit vermindertem
Durchmesser und einen zweiten Abschnitt 56 mit vermindertem Durchmesser
hat, wobei der letztere bei 58 mit einem Außengewinde
versehen ist.
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Eine Leitschaufel-Befestigungseinrichtung, die
allgemein mit 60 bezeichnet ist, enthält erste und zweite Buchsen 62 bzw. 64.
Die erste Buchse 62 ist eine im allgemeinen zylindrische
Metallbuchse, die für
eine Anordnung in der Bohrung 44 bemessen ist. Die Buchse 62 endet
an ihrem radial äußeren Ende in
einem rechtwinkligen Flansch 66, um über der oberen Ebene 68 von
dem Vorsprung 46 zu liegen. Der Flansch 66, wie
er in 3 dargestellt
ist, hat zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 70 und 72, die
eine Befestigung des Flansches 66 in einer darüber liegenden
Relation zu der Ebene 68 des Vorsprungs 46 durch
Bolzen 74 erleichtern, die durch die Öffnung 70 und 72 hindurch
in Gewindeöffnungen 76 und 78 auf
dem Vorsprung bzw. Ansatzstück 46 führen.
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Die Buchse 62 hat auch einen äußeren Endabschnitt 80,
der über
der Bohrungsöffnung 44 liegt und
eine zentrale Öffnung 82 hat.
Wie in 2 dargestellt
ist, ist die obere Fläche
von dem äußeren Endabschnitt 80 bei 84 vertieft
und nimmt eine Scheibe 86 auf. Die Öffnung durch die Scheibe 86 und
die Öffnung 82 durch
die Buchse 62 passen miteinander zusammen. Eine O-Ringdichtung 88 ist
zwischen der Unterseite des Flansches 66 und einer Schrägfläche an dem
Mund des Vorsprungs 46 angeordnet, um die erste Buchse 62 mit
dem Vorsprung 46 abzudichten und zu verhindern, dass Verdichterluft
durch die Bohrung 44 leckt.
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Die zweite Buchse 64 ist
im allgemeinen langgestreckt, zylindrisch und für eine Anordnung in der ersten
Buchse 62 bemessen. Die zweite Buchse 64 weist
einen Lagerabschnitt 90 mit einer mittleren Öffnung 92 auf,
die teilweise durch einen radial nach außen vorstehenden Wulst 94 gebildet
ist. Der Wulst 94 ist in der Öffnung 82 von der
ersten Buchse 62 aufgenommen, und die Öffnung 92 ist somit
in Übereinstimmung
mit der Öffnung 82 und
der Öffnung durch
die Scheibe 86.
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Der erste Spindelabschnitt 54 ragt
durch die übereinstimmenden Öffnungen
hindurch, wenn die Spindel 52 in der ersten Buchse aufgenommen
ist, wodurch die in Umfangsrichtung verlaufenden Flächen von
der zweiten Buchse 64 als die primären Verschleißflächen dienen,
und der Endabschnitt 90 von der zweiten Buchse 64 als
die Endlager-Verschleißfläche dient,
um radiale Schublasten aufzunehmen. Es wird deutlich, dass dieser
Zusammenbau in der Bohrung 44 durch die Bolzen 74 gehalten wird,
die die erste Buchse an dem Gehäuse 42 befestigen.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass das radial innere Ende von
der zweiten Buchse 64 kurz vor der radial äußeren Fläche von
der Basis 50 der Spindel 52 endet.
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Auf dem ersten Spindelabschnitt 54 sind
ein oder mehrere ebene Flächen 96 ausgebildet,
wie es in 3 dargestellt
ist. Ein Hebel 98 hat eine Öffnung neben dem einen Ende
mit einer komplementären Form
zu der Querschnittsform von dem ersten Spindelabschnitt 54 einschließlich der
ebenen Fläche 96, so
dass der Hebel 98 nicht drehbar relativ zur Spindel und
der Statorschaufel 40 angebracht ist. Das gegenüberliegende
Ende von dem Hebel 98 enthält ein Lager 100 mit
Innenpressung, an dem ein Stift 102 mit Presspassung angebracht
ist. Eine im all-gemeinen zylindrische
Verbundbuchse 104 ist mit dem Hebelarmstift 102 zusammengesetzt
und nimmt diesen auf, wobei die Buchse 104 in einem Gleichlaufring 106
angeordnet ist. Der Gleichlaufring 106 weist einen von
zwei Halbringen auf, die durch ein Verbindungsstück mit einem Betätigungssystem
verbunden sind, wodurch der Ring 106 relativ zum Gehäuse verschoben
werden kann, um den Hebel um die Achse von der Statorschaufel zu
bewegen, wodurch der Winkel der Statorschaufel durch Drehung des
Hebels 98 verändert
werden kann.
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Aus einer Betrachtung der 2 und 3 wird deutlich, dass die radiale Schublast
der Schaufel auf den Lagerendabschnitt 90 von der zweiten
Buchse 64 wirkt, wobei diese Belastung ihrerseits durch
die äußere Endfläche 80 und
den Flansch 66 von der ersten Buchse 62 auf den
Vorsprung 46 durch die Bolzen 74 übertragen
wird. So wird den radialen Schublasten entlang der Außenseite
des Gehäuses 42 und
nicht entlang der Innenseite entgegengewirkt, wie es bei dem zuvor
beschriebenen Stand der Technik der Fall ist.
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Indem das radial innere Ende von
der zweiten Buchse 64 von dem inneren Ende der ersten Buchse 62 nach
innen verlängert
wird, wird eine sekundäre
Verschleißfläche an dem
inneren Ende von der zweiten Buchse 64 gebildet. Sollte
also die primäre
Buchse, d. h. die zweite Buchse 64, an ihrem äußeren Endabschnitt 90 verschleißen, drückt die
radial äußere Schulter
der Basis 50 der Schaufel 40 gegen das radial
innere Ende der zweiten Buchse 64, um eine sekundäre zusammengesetzte
Verschleißfläche zu bilden.
Dies vermeidet einen Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der Schaufel
und der Metallbuchse 62 oder der Senkbohrung 48 des
Gehäuses 42.
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Aus einer Betrachtung von 2 wird auch deutlich, dass
der Hebel 98 im Abstand von der äußeren Oberfläche der
Scheibe 86 angeordnet ist. Wenn die verschiedenen Teile
zusammengesetzt sind, wie es in 2 gezeigt
ist, wird deutlich, dass ein Spalt zwischen der Unterseite von dem
Hebel 98 und der äußeren Oberfläche der
Scheibe 86 eine messbare Funktion des Verschleißes auf
der Buchse ist, der aus den radialen Schublasten resultiert. Infolgedessen
kann nicht nur der Verschleißgrad
festgestellt werden, sondern er kann von außerhalb des Gehäuses ohne
jede Demontage des Verdichters festgestellt werden.
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Um die Buchseneinrichtung auszutauschen, falls
der Verschleiß übermäßig werden
sollte, oder um die Buchseneinrichtung 180° zu drehen, um die Betriebsdauer
der bestehenden Buchseneinrichtung zu verlängern, wird die Mutter 99 von
dem zweiten Spindelabschnitt 56 abgeschraubt, wodurch der
Hebel 98 von dem ersten Spindelabschnitt 54 entfernt werden
kann. Die Bolzen 74 sind deshalb zugänglich und können entfernt
werden, wodurch die ersten und zweiten Buchsen 62 bzw. 64 aus
der Bohrung 44 herausgezogen werden können, wobei die Spindel in der
Bohrung 44 bleibt. Dann kann eine neue Kombination der
ersten und zweiten Buchsen und der Scheibe 86 bereitgestellt
werden. Um die abgenutzten Teile zu ersetzen, werden die ersten
und zweiten Buch sen über
den vorstehenden Spindelabschnitten aufgenommen und können in
der in 2 dargestellten
Position angeordnet werden. Vor der Neuanbringung der Buchsen kann
die O-Ringdichtung 88 in ähnlicher Weise ausgetauscht
werden. Die Bolzen werden dann auf den Flansch 66 aufgebracht
und die Buchsen an dem Vorsprung bzw. Ansatzstück 46 befestigt. Dann
wird der Hebelarm 98 über
dem ersten Spindelabschnitt 54 angeordnet und die Mutter
wird festgezogen, um den Zusammenbau zu befestigen.
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Es wird deutlich, dass die zweite
Buchse 64 und auch die Scheibe 86 vorzugsweise
mit den entsprechenden Flächen
von der ersten Metallbuchse 62 verbunden werden. Alternativ
können
jedoch die zweite Buchse 64 und die Scheibe 86 mit
der ersten Buchse 62 lose mechanisch zusammengepasst werden.
Auf diese Weise können
die zweite Buchse 64 und/oder die Scheibe 86 ausgetauscht
werden, wie es im Feld notwendig ist. Es wird auch deutlich, dass die
zweite Buchse 64 und auch die Scheibe 86 aus einem
Verbundmaterial, beispielsweise einem mit Harz getränkten Gewebe,
gebildet sein können.
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Die Erfindung ist zwar in Verbindung
mit dem beschrieben worden, was gegenwärtig als das praktischste und
bevorzugte Ausführungsbeispiel
betrachtet wird, es sei aber darauf hingewiesen, dass die Erfindung
nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen einschließen
soll, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.