CH698039A2 - Voll eingekapselter Haltestift für eine Turbinendüse. - Google Patents

Abstract

Ein Haltestift, um Halteansätze (440, 445) einer äusseren Seitenwand einer Turbinendüse in einer Nut (320) zwischen einem vorderen Steg (330) und einem hinteren Steg (325) eines Halterings (300) zu befestigen. Der Haltestift passt durch koaxiale Löcher (350) im Ansatz (440, 445) und in den Stegen (330, 325), um die Radial- und Umfangslage der Düse zu sichern sowie deren Übergangsbewegung zuzulassen. Da sie sowohl mit der Düse als auch mit dem Haltering (300) einen beschränkten Kontakt halten, reduzieren sie die Wärmeübertragung von der Düse zum Haltering auf signifikante Weise. Indem sie die Düse positionieren, stellen sie auch die gewünschten Düsenhalsquerschnitte für die beabsichtigte Turbinenleistung ein. Der Stift wurde so ausgelegt, dass die Düse sich nicht durch Ausrücken des Stifts aus seiner Sollaxialposition von der Baugruppe lösen kann und der Stift nicht aufgrund von Kurzzeitermüdung, Kriechen oder Nachgiebigkeit versagt, wodurch ein Herausfallen der Düse verhindert werden kann.

Description

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Beschreibung Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein einen Haltestift für eine Gasturbinendüse und insbesondere einen voll eingekapselten Haltestift für ein Haltesystem einer äusseren Seitenwand für eine Düse.

[0002] In einer Gasturbine strömen heisse Verbrennungsgase aus Brennkammern durch Düsen und Schaufeln der ersten Stufe und durch die Düsen und Schaufeln nachfolgender Turbinenstufen. Die Düsen der ersten Stufe umfassen eine ringförmige Anordnung oder Baugruppe von gegossenen Düsensegmenten, wobei jedes eine oder mehrere Düsenleit-schaufein pro Segment aufweist. Jedes Düsensegment der ersten Stufe umfasst auch innere und äussere Seitenwandab-schnitte, die radial voneinander beabstandet sind. Nach dem Zusammenbau der Düsensegmente sind die Leitschaufeln in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet, um zwischen den ringförmigen inneren und äusseren Seitenwänden eine ringförmige Anordnung zu formen. Ein Düsenhaltering, der mit der äusseren Seitenwand der Düsen der ersten Stufe gekoppelt ist, trägt die Düsen der ersten Stufe im Gasströmungsweg der Turbine. Ein ringförmiger Düsenstützring, der bevorzugt entlang einer horizontalen Mittellinie geteilt ist, steht mit der inneren Seitenwand im Eingriff und kann die Düsen der ersten Stufe gegen axiale Verschiebung abstützen.

[0003] Seitendichtungen können die ringförmige Segmentanordnung entlang angrenzender Umfangskanten voneinander abdichten. Die Seitendichtungen dichten zwischen einer Hochdruckregion radial nach innen von der inneren Seitenwand und radial nach aussen von der äusseren Seitenwand, d.h. der Verdichterauslassluft bei hohem Druck und den heissen Verbrennungsgasen im Heissgasströmungsweg ab, die bei einem niedrigeren Druck sind. Zur Abdichtung zwischen der inneren Seitenwand der Düsen der ersten Stufe und einer axial gegenüberliegenden Fläche des Düsenstützrings und zwischen der äusseren Seitenwand und einem Mantel für die Laufschaufel der ersten Stufe werden Scharnierdichtungen verwendet.

[0004] Fig. 1 veranschaulicht ein dem Stand der Technik entsprechendes Seitenwand-Haltesystem 100 für eine Düse der ersten Stufe 110. Die Düse der ersten Stufe 110 umfasst eine äussere Seitenwand 115, eine innere Seitenwand 120 und einen Flügel 125, die zwischen einem Düsenhaltering 130 und einem Düsenstützring 135 liegen. Der Düsenhaltering 130 und der Stützring 135 sind am Gehäuse der Turbine (nicht gezeigt) angebracht. Die Düse der ersten Stufe umfasst auch Scharnierschienen für die innere Seitenwand und äussere Seitenwand. Die Scharnierschiene 145 an der inneren Seitenwand 120 bietet der Düse 110 axialen Halt gegen den Stützring 135, und die Scharnierschiene 150 bietet der Düse 110 axialen Halt gegen den Mantel 160 der Laufschaufel 170 der ersten Stufe. Die innere Scharnierschiene 145 und äussere Scharnierschiene 150 weisen ausserdem Scharnierdichtungen 147, 152 auf.

[0005] Die Scharnierschiene 150 an der äusseren Seitenwand 115 der Düse 110 ragt von der äusseren Seitenwand 115 radial nach aussen vor. In der Scharnierschiene 150 ist an ihrem äussersten radialen Vorsprung ein nach vorne gerichteter ringförmiger Haltesteg 175 integriert. Der Haltesteg 175 passt mit einer nach hinten gerichteten ringförmigen Nut 180 zusammen, die durch einen hinteren Haltehaken 185 am Haltering hergestellt wird. Der auf den Haltehaken 185 des Halterings 130 wirkende Haltesteg 175 der Scharnierschiene 150 bietet der Düse 110 radialen Halt. Der ringförmige Haltehaken 185 kann in Segmente (nicht gezeigt) unterteilt sein. Der Halt in der Umfangsrichtung wird durch einen drehungs-verhindernden Stift (nicht gezeigt) gewährleistet, der durch den Haltering 130 und den Haltesteg 175 reicht.

[0006] Gasturbinen zur Stromerzeugung verwenden traditionell eine Art von Haken-Haltesystem. Verbesserungen wurden am traditionellen Haken-Haltesystem erreicht, indem die kontinuierliche Hakenanordnung, die in FA Class-Maschinen von General Electric Company typisch ist, zu einer segmentierten Hakenanordnung geändert wurde, die in FB Class-Ma-schinen von General Electric Company typisch ist. Diese Änderung hatte zwar eine festgelegte Düsenbelastung und bessere Düsenabdichtung, aber auch eine schlechte Wärmeisolierung des Halterings und dadurch eine wesentliche Kostenerhöhung der Düsenanordnung zur Folge. Zu den Problemen, die mit Haken-Haltedesigns einhergehen, gehören eine schlechte Scharnierdichtung, die Unrundheit des Halterings auch hohe Spannungen an der Hinterkante.

[0007] Daher besteht ein Bedarf danach, eine festgesetzte Düsenbelastung und verbesserte Dichtung bereitzustellen, bei gleichzeitiger Verbesserung der Wärmeisolierung des Halterings, Kostensenkung und Verbesserung der Montageflexibilität der Düsenanordnung.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0008] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Haltestift, um die äussere Seitenwand einer Düse der ersten Stufe in einer Gasturbine zu halten.

[0009] Kurzgefasst wird einem Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend ein Haltestift zur Befestigung von Halteansätzen einer äusseren Seitenwand bereitgestellt, die ein Längsscharnier aufweist. Die Halteansätze werden in einer Nut zwischen einem vorderen Steg und einem hinteren Steg eines Halterings befestigt, wobei die Haltestifte durch koaxiale Löcher im Ansatz und in den Stegen passen. Der Haltestift weist einen allgemein zylindrisch geformten Stift auf. Der Stift hat einen Aussendurchmesser, der geeignet ist, durch die koaxialen Löcher im Ansatz und in den Stegen zu passen. Der Stift hat auch eine Länge, die geeignet ist, zwischen einem geschlossenen Ende im koaxialen Loch des vorderen Stegs und einer Innenwand der Scharnierschiene zu passen.

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[0010] Einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend wird ein Verfahren zur Befestigung von Ansätzen einer äusseren Seitenwand einer Turbinendüse bereitgestellt, wobei die äussere Seitenwand ein Längsscharnier aufweist. Die Halteansätze werden durch koaxiale Löcher in den Ansätzen und in den Stegen in einer Nut zwischen einem vorderen Steg und einem hinteren Steg eines Halterings befestigt. Das Verfahren umfasst das Vorsehen von Führungsmitteln an einem Spitzenende des Haltestifts und von Eingriffsmitteln am hinteren Ende des Haltestifts. Das Verfahren umfasst ausserdem das Einführen des Haltestifts durch die koaxialen Löcher des hinteren Stegs des Halterings, des Ansatzes der Seitenwand und des vorderen Stegs des Halterings. Wenn der Haltestift eingeführt worden ist, sitzt der Stift im geschlossenen Ende des koaxialen Lochs in vorderen Steg des Halterings.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, wobei gleiche Teile überall in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen tragen, wobei:

Fig. 1 ein typisches Seitenwand-Haltesystem einer Düse der ersten Stufe zeigt, das ein Haken-Halte system für die äussere Seitenwand in einer Gasturbine des Stands der Technik verwendet;

Fig. 2A, Fig. 2B eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Halterings für das äussere Seitenwand-Halte-

system zeigen;

Fig. 3A, 3B und 3C Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einlochdüse der ersten Stufe für das äussere Seitenwand-Haltesystem zeigen;

Fig.4 eine schematische Seitenrissansicht des Haltesystems der äusseren Seitenwand zeigt; und

Fig.5 eine auseinandergezogene Ansicht für eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Stifts zeigt, der den Haltering mit den Halteansätzen der äusseren Seitenwand einer Düse der ersten Stufe verbindet;

Fig.6A eine isometrische Ansicht des vorderen Endes einer Ausführungsform des erfindungsgemässen

Haltestifts mit einer kugelförmigen Mitte zeigt;

Fig.6B eine isometrische Ansicht des hinteren Endes einer Ausführungsform des erfindungsgemässen

Haltestifts mit einer kugelförmigen Mitte und einem Loch in der Endfläche zeigt.

Fig.7A ein hinteres Ende für eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Haltestifts mit einem ra dialen Durchgangsloch für den Eingriff eines Ausbauwerkzeugs zeigt.

Fig.7B ein hinteres Ende für eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Haltestifts mit axial seg mentierten Kerben für den Eingriff eines Ausbauwerkzeugs zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0012] Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen viele Vorteile auf, einschliesslich einer verbesserten Düsenstabilität, festgesetzten Düsenbelastung und verbesserten Wärmeisolierung des Halterings. Der Stift ist hinsichtlich der Abmessungen und der Merkmale einzigartig für das Haltesystem und ist für die Funktionalität der Turbinenbaugruppe kritisch (2 pro Düse). Die Stifte für jede Düse sichern nicht nur die Radial- und Umfangslage der Düsen, sondern lassen auch die Übergangsbewegung zu. Sie halten auch einen minimalen Kontakt sowohl mit den Düsen als auch mit dem Haltering, um die Wärmeübertragung von der Düse zum Haltering (die Ursache für die Unrundheit des Halterings) auf signifikante Weise zu verringern. Indem sie die Düsen positionieren, stellen sie auch die gewünschten Düsenhaisquerschnitte für die optimale Turbinenleistung ein. Die Axiallängen für die Stifte wurden derart optimiert, dass die Düse sich nicht durch Ausrücken des Stifts aus seiner Sollaxialposition von der Baugruppe lösen kann, und der Stift wurde so ausgelegt, dass der Stift nicht aufgrund von Kurzzeitermüdung, Kriechen oder Nachgiebigkeit versagt, wodurch ein Herausfallen der Düse minimiert wird.

[0013] Gasturbinen für die Stromerzeugung verwenden typischerweise ein Haken-Haltesystem. Haken-Haltesysteme haben mehrere konstruktionsbedingte Nachteile, die nicht überwunden werden können. Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Hakendesigns. Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Konstruktion hält die Düse der ersten Stufe mit zwei axial orientierten Stiften. Zu den Vorteilen dieses Haltesystems gehören eine verbesserte Düsenstabilität, eine festgesetzte Düsenbelastung, eine geringere Spannung an den Flügelhinterkanten, eine verbesserte Wärmeisolierung des Halterings, eine verbesserte Flexibilität der Düsenanordnung, eine verbesserte Scharnierabdichtung und eine verbesserte Giessbarkeit der Düse.

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[0014] Das heisst, die Düse der ersten Stufe ist durch zwei axial orientierte Stifte am Haltering an der äusseren Seitenwand angebracht. Beide Stifte werden an jedem Ende in axial orientierten Stiftlöchern im Haltering getragen, wodurch sie auf einfache Weise getragen werden. Ein Stift ragt durch ein Stiftloch in einem Düsenansatz. Ein zweiter Stift ragt durch einen Schlitz in einem Düsenansatz.

[0015] Der Schlitz ist zur Druckseite der Düse hin offen. Der erste Stift hindert die Düse daran, sich in den Radial-und Tangentialrichtungen zu bewegen. Der zweite Stift hindert die Düse daran, sich um die Axialrichtung zu drehen. Kombiniert mit den Scharnierschienen der inneren Seitenwand und der äusseren Seitenwand ist das Ergebnis ein voll eingespanntes, nicht redundantes Haltesystem.

[0016] Die Ansätze sind derart angeordnet, dass sie die Düsenstabilität maximieren, die Spannung an Merkmalen minimieren, die die Lebensdauer begrenzen, d. h., an der Hinterkante, und festgesetzte Düsenbelastungen gewährleisten. Die Düsenstabilität wird maximiert, indem die Ansätze möglichst weit nach vorne und möglichst weit auseinander angeordnet, um längere Momentarme zum Abreagieren von Gasbelastungen zu erhalten. Die Verschiebung der Tragansätze fort von der Hinterkante minimiert die Spannung an der Hinterkante. Die Düsenbelastung wird deterministischer, indem die Haltemittel ausgelegt werden, um Lasten nur in den vorbestimmten Richtungen tragen zu können. Das erfindungsge-mässe Haltesystem reduziert im Vergleich zum ursprünglichen Hakendesign auch auf drastische Weise die Wärmezufuhr von der Düse zu den Haltemitteln. Die Verringerung wird durch Minimierung der Kontaktfläche und Vermeidung von toten Hohlräumen zwischen der Düse und den Haltemitteln erreicht. Das Haltesystem ist zur einfachen Montage ausgelegt und wird bei der Herstellung überprüft. Das Haltesystem führt zu einer erhöhten Lebensdauer der Düse und des Halterings, zu einer Verringerung von Lecks, was zu einer Stickoxid (NOx)-Senkung führt, und zu wesentlich geringeren Düsenanordnungskosten als bei Triebwerken mit vergleichbarer Technologie.

[0017] Das Haltesystem der äusseren Seitenwand für Einlochdüsen der ersten Stufe umfasst einen Umfangshaltering mit einer Umfangsringnut, eine Vielzahl von Düsen der ersten Stufe, jeweils mit einer inneren Seitenwand und einer äusseren Seitenwand, einen ersten Ansatz und einen zweiten Ansatz, die an die äussere Seitenwand jeder Düse befestigt sind, einen ersten Haltestift und einen zweiten Haltestift und eine Scharnierschiene auf jeder Seitenwand für jede Düse. Fig. 2A, 2B, 3A-3C und 4 veranschaulichen Aspekte des Haltesystems der Seitenwand, wie in der Anmeldung Nr. 11/836-865 «Outer Sidewall Retention Scheme For A Singlet Turbine Nozzle» vom 10. August 2007 offenbart, die an General Electric Company abgetreten wurde.

[0018] Fig. 2A und 2B zeigen einen isometrischen Querschnitt einer Ausführungsform des Halterings jeweils in einer Perspektive von vorne und von hinten. Der Haltering 300 umfasst einen Hauptkörper 310 allgemein zylindrischer Form, der durch Methoden, die dem Fachmann bekannt sind, vom Turbinengehäuse getragen wird. Auch wenn dies nicht dargestellt ist, ist der Haltering bevorzugt in zwei halbkreisförmige Ringe aufgeteilt, um die Montage zu erleichtern. Der Hauptkörper 310 kann ein Paar Umfangshaltestege 315 aufweisen, die vom Hauptkörper 310 in einer Tiefe d radial nach innen vorspringen. Das Paar Umfangsstege kann auf der hinteren Seite des Halterings 300 liegen, wobei jeder Steg in einem vorbestimmten Abstand w axial voneinander beabstandet ist. Der Vorsprung d vom Hauptkörper 310 und die vorbestimmte Breite w zwischen dem Paar Umfangsstege 315 definieren eine Umfangsringnut 320. Das Paar Umfangshaltestege 315 kann einen hinteren Haltesteg 325 und einen vorderen Haltesteg 330 umfassen. Der hintere Haltesteg 325 weist eine hintere Umfangsfläche 326 und eine vordere Umfangsfläche 328 auf. Der vordere Haltesteg 330 weist eine vordere Umfangsfläche 331 und eine hintere Umfangsfläche 333 auf. Der vordere Haltesteg 330 kann optional entlang seiner Um-fangslänge durch eine Vielzahl radial orientierter Kühllöcher 340 unterbrochen sein, wodurch Umfangssegmente 334 im vorderen Haltesteg 330 erzeugt werden. Die Kühllöcher 340 stellen einen Weg für Kühlluft von ausserhalb des Hauptkörpers 310 des Halterings bereit und stehen mit einem inneren Kanal im Flügel der Düse im Eingriff, um die Düse zu kühlen.

[0019] Eine Vielzahl von axial orientierten Durchgangslöchern 345 ist zwischen der hinteren Umfangsfläche 326 und der vorderen Umfangsfläche 328 des hinteren Haltestegs 325 vorgesehen. Eine Vielzahl von axial orientierten geschlossenen Löchern 350 ist durch die hintere Fläche 333 des vorderen Haltestegs 330 vorgesehen. Die Vielzahl von axial orientierten Durchgangslöchern 345 im hinteren Haltesteg 325 und die Vielzahl von axial orientierten geschlossenen Löchern 350 im vorderen Haltesteg 330 sind in der Radial- und Umfangsrichtung koaxial 358 angeordnet, um einen Haltestift (nicht gezeigt) durch den hinteren Haltesteg 325 und im Loch 350 des vorderen Haltestegs 330 axial aufzunehmen. Die koaxial orientierten Löcher 358 sind zudem in Paaren 360 in der Umfangsrichtung angeordnet, die um die Haltestege herum gleich beabstandet sind. Die Umfangsanordnung der gepaarten Löcher 360, die der Schlüssel für die feste Einspannung der Haltestifte ist, wird weiter unten ausführlicher beschrieben. Der Durchmesser der gepaarten Löcher 360 ist bemessen, um die Haltestifte für die Düse aufzunehmen.

[0020] Fig. 3A zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Düse der ersten Stufe im Haltesystem der äusseren Seitenwand. Fig. 3B zeigt eine isometrische Ansicht einer Aussenfläche der äusseren Seitenwand der Düse der ersten Stufe. Fig. 3C zeigt eine Draufsicht der Aussenfläche der äusseren Seitenwand der Düse der ersten Stufe.

[0021] Die Düse der ersten Stufe 400 umfasst eine innere Seitenwand 410, eine äussere Seitenwand 420 und einen dazwischen liegenden Flügel 430. Der Flügel 430 kann einen inneren Hohlraum zur Düsenkühlung aufweisen, mit einem Einlass, der in der Axial- und Umfangsrichtung allgemein mit dem Luftkühlloch des Halterings ausgerichtet ist. Die äussere Seitenwand 420 weist eine Aussenseite 422 und eine Innenseite 424 auf. Was die Orientierung der vier Seiten der Seitenwand der Düse anbetrifft, wenn sie auf dem Haltering installiert ist, ist eine hintere Seite die stromabwärts liegen-

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de Seite und eine vordere Seite die stromaufwärts liegende Seite in Bezug auf den Strom durch die Turbine. Ferner ist die rechte Seite die Saugseite und die linke Seite die Druckseite, wenn der Strömungsweg vom Brennkammerende aus betrachtet wird.

[0022] Die Aussenseite 422 der äusseren Seitenwand 420 weist zwei Halteansätze auf. Ein erster Ansatz 440 und ein zweiter Ansatz 445 sind in einem vorbestimmten Abstand s vor der Hinterkante 450 der Seitenwand angeordnet, wobei die Ansätze in axialer Ausrichtung mit dem hinteren Ende der Seitenwand sind. Der erste Ansatz 440 liegt auf der Druckseite 456 der Seitenwand. Der zweite Ansatz 445 liegt auf der Saugseite 454 der Seitenwand. Der erste Ansatz 440 und der zweite Ansatz 445 sind in der Umfangsrichtung in der Nähe der Kante ihrer jeweiligen Kante der äusseren Seitenwand 420 angeordnet. Der erste Ansatz 440 und der zweite Ansatz 445 weisen eine Breite w-i auf. W-i ist geeignet, um in die Umfangshaltenut (Fig. 2A, 320) des Paars Haltestege hineinzupassen, wenn die Düse am Haltering montiert ist. Der erste Ansatz 440 weist einen axial orientierten offenen Schlitz 442 auf. Der zweite Ansatz 445 weist ein axial orientiertes Stiftloch 447 auf. Das geschlossene Stiftloch 447 und der offene Schlitz 442 sind in einer Tiefe zentriert, um sich radial mit der Achse der axial orientierten Lochsatzes in den Haltestegen auszurichten, wenn die Düse am Haltering montiert ist. Das geschlossene Stiftloch 447 und der offene Schlitz 442 sind bemessen, um Haltestifte für die Düse aufzunehmen. Die Düsenstabilität wird maximiert, indem die Ansätze möglichst weit nach vorne und möglichst weit auseinander angeordnet werden, um längere Momentarme zum Abreagieren von Gasbelastungen zu erhalten. Die Verschiebung der Tragansätze weg von der Hinterkante minimiert die Spannung an der Hinterkante.

[0023] Die äussere Seitenwand 420 umfasst ausserdem eine Scharnierschiene 460 an der Hinterkante 450. Die Scharnierschiene 460 läuft von der Innenseite der Seitenwand von der Druckseite zur Saugseite und erstreckt sich in einer allgemein äusseren Radialrichtung von der Hinterkante 450 der Seitenwand. Die Schiene springt weit genug radial nach aussen vor, um die radiale Ausdehnung der Durchgangslöcher in der hinteren Seite des hinteren Haltestegs teilweise oder ganz zu überdecken. Eine Scharnierdichtung 465 ist auf der hinteren Fläche 468 der Scharnierschiene 460 vorgesehen, um eine Sitzfläche gegen den Mantel der Schaufel der ersten Stufe bereitzustellen. Die Scharnierdichtung 465 bietet der äusseren Seitenwand auch axialen Halt gegen den Mantel. Der axiale Halt für die äussere Seitenwand durch den Mantel ergänzt den Radial- und Umfangshalt durch die Haltestege.

[0024] In Fig. 3C zeigt die Draufsicht der äusseren Seitenwand, dass die Seitenwand die Form eines Parallelogramms mit einem Seitenwand-Schrägungswinkel 485 von etwa 23 Grad zur Axialrichtung aufweist. Die Schrägung bewirkt, dass das hintere Ende 450 der äusseren Seitenwand 420 (und daher die Scharnierschiene 460) in der Umfangsrichtung zur Druckseite 456 hin und von der Saugseite 454 der äusseren Seitenwand 420 fort verschoben ist. Wenn der erste Haltestift 490 im ersten Halteansatz 440 angeordnet ist, wird die axiale Einführung und Entnahme entlang der Mittellinie 492 des ersten Haltestifts 490 daher durch die Scharnierschiene 460 blockiert. Die Mittellinie 496 des zweiten Haltestifts 495 im zweiten Halteansatz 445 liegt aber umfangsmässig ausserhalb der Scharnierschiene 460. Die Anordnung einer weiteren Düse am Haltering (nicht gezeigt) benachbart zum zweiten Ansatz 445 bewirkt, dass ein Abschnitt ihres Scharniers das Ausrücken des Stifts 495 blockiert.

[0025] Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenrissansicht des Haltesystems 500 der äusseren Seitenwand für eine Düse der ersten Stufe. Heisse Verbrennungsgase strömen aus einer Brennkammer (nicht gezeigt) durch ein Übergangsstück 510. Die Heissgase treten in die Düse der ersten Stufe 520 ein, wobei sie auf den Flügel 430 treffen. Die Heissgase werden vom Flügel 430 zur Laufschaufel 540 der ersten Stufe gelenkt. Der Lenkprozess, der von den Düsen durchgeführt wird, beschleunigt auch den Gasstrom, was eine Abnahme des statischen Drucks zwischen Einlass- und Auslassbereichen und eine Hochdruckaufladung der Düsen zur Folge hat. Der Haltering 300 weist einen vorderen Umfangssteg 330 und einen hinteren Umfangssteg 325 auf. Halteansätze 440, 445 (wovon einer gezeigt wird) der äusseren Seitenwand 420 für jede Düse der ersten Stufe passen in die ringförmige Nut 320. Haltestifte 442, 447 (wovon einer gezeigt wird) passen jeweils durch Axiallöcher 345 und 350 im hinteren Haltesteg 325 und vorderen Haltesteg 330. Die Haltestifte 442, 447 gewährleisten durch Halteansätze 440, 445 den Radial- und Umfangshalt der Düse 520 der ersten Stufe. Die Scharnierschiene 460 auf der äusseren Seitenwand 420 gewährleistet den axialen Halt der Düse an dem Punkt der Scharnierdichtung 465, der mit dem Mantel 550 für die Laufschaufel 540 der ersten Stufe in Kontakt ist. Die Scharnierschiene 470 an der inneren Seitenwand 410 gewährleistet den axialen Halt der Düse an dem Punkt der Scharnierdichtung 475, der mit dem Stützring 580 in Kontakt ist. Die Haltestifte 442, 447 (wovon einer gezeigt wird) werden durch die Scharnierschiene 460 daran gehindert, aus den Halteansätzen 440, 445 auszurücken.

[0026] Der erfindungsgemässe Haltestift wurde für das zugehörige neue Düsenhaltesystem mit zwei Stiften am Aussen-umfang entwickelt. Diese Stifte lassen eine gewisse Axialbewegung der Turbinendüsen zu, während sie ihre radiale Lage sichern. Der Stift ist auch so ausgelegt, dass die Düse sich auch bei Versagen des Stifts niemals von der Baugruppe löst. Die Stifte lassen auch die Drehung der Düse (um einen Stift herum) während der Installation zu.

[0027] Die Stifte erlauben die Wärmeisolierung der Turbinendüse vom Haltering, wobei sie dennoch das Haltevermögen (in der Radial- und Umfangsrichtung) des ersetzten Hakenmerkmals aufweisen. Auch die Herstellung von korrekten Dü-sen-halsquerschnitten sowie die Sicherung der Düsen vor der Lösung in der Turbine werden durch dieses Stiftdesign gewährleistet.

[0028] Designs des Stands der Technik schliessen die Verwendung von Stiften nur als ein drehungsverhinderndes Merkmal ein, sowohl im Haltering als auch in der Düse.

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[0029] Der Stift ist sowohl hinsichtlich der Abmessungen als auch der Merkmale einzigartig für das Haltesystem und ist kritisch für die Funktionalität der Turbinenbaugruppe (2 pro Düse). Die Stifte für jede Düse sichern die Radial-und Umfangslage der Düsen und lassen auch die Übergangsbewegung zu. Sie halten auch minimalen Kontakt sowohl mit den Düsen als auch mit dem Haltering, um die Wärmeübertragung von der Düse auf den Haltering (die Ursache für die Unrundheit des Halterings) erheblich zu reduzieren. Indem sie die Düsen positionieren, stellen sie auch die gewünschten Düsenhaisquerschnitte für die optimale Turbinenleistung ein. Die Axiallängen für die Stifte wurden so optimiert, dass die Düse sich nicht durch Ausrücken des Stifts aus seiner Sollaxialposition von der Baugruppe lösen kann, und der Stift wurde so ausgelegt, dass der Stift nicht aufgrund von Kurzzeitermüdung, Kriechen oder Nachgiebigkeit versagt, wodurch ein Herausfallen der Düse minimiert wird.

[0030] Die Stifte gewährleisten aufgrund ihrer Form, ihrer Grösse und ihres Materials, dass die Düse sich nicht von der Baugruppe löst. Standardstifte müssten bearbeitet werden, um den Durchmesser sowie die Längen zu korrigieren, um auch nur entfernt die gleiche Wirkung zu erreichen. Diese Stifte gewährleisten auch die Wärmeisolierung des Halterings und haben weniger unrundheitsbedingte Reparaturen des Halterings zur Folge. Jede andere Länge oder Form wird entweder die Düsenbewegung auf negative Weise behindern oder die Lösung der Düse erlauben. Der Haltestift wurde im Szenario des ungünstigsten Falls für die Streckgrenze, die Kurzzeitermüdung und Verformung mit ANSYS analysiert, wobei er alle Kriterien erfüllte, die für die Turbinenbaugruppe vorgegeben wurden. Der Stift an sich verhindert aufgrund seiner Form und Grösse die Lösung der Düse, wobei er auch die optimale Düsenlage beibehält. Der Stift weist auch eine zylindrische oder kugelförmige Mitte auf, die bei der Installation die Düsendrehung erlaubt, ein Merkmal, das in heutigen Turbinen nicht existiert.

[0031] Fig. 5 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Stifts, der den Haltering mit den Halteansätzen der äusseren Seitenwand einer Düse der ersten Stufe verbindet. Der Haltering 300 umfasst einen hinteren Haltesteg 325 und einen vorderen Haltesteg 330. Der hintere Haltesteg 325 weist ein Durchgangsloch 345 auf. Der vordere Haltesteg weist ein geschlossenes Endloch 350 auf. Die äussere Seitenwand 420 umfasst den ersten Ansatz und den zweiten Ansatz, wobei in dieser Ansicht der zweite Ansatz 445 zu sehen ist und in die Nut 320 des Halterings 300 passt. Das Längsscharnier 460 weist eine Innenseite 467 und eine Scharnierdichtung 4 65 zur Abdichtung gegen den Mantel 550 auf.

[0032] Der Haltestift 600 wird installiert und den Haltering 300 mit dem zweiten Ansatz 445 der äusseren Seitenwand 420 in Eingriff haltend gezeigt. Ein identischer Haltestift 490 steht auf entsprechende Weise mit dem ersten Ansatz 440 (siehe Fig. 3C) im Eingriff. Eine Ausführungsform für einen Körper 610 des Stifts 610 kann zylindrisch sein. Die beschränkte Kontaktfläche zwischen dem zylindrisch geformten Körper 610 des Haltestifts 600 und den Ansätzen 440,445 begrenzt die Wärmeübertragung von der heissen Seitenwand 420 zum Haltering 300. Für den zylindrischen Stiftkörper 610 ist ein Spalt zwischen dem Stiftdurchmesser 640 und dem Durchmesser 448 des Stiftlochs 447 im Ansatz 445 (Fig. 3B) vorgesehen, um bei der Ein- und Ausschaltung der Maschine das Rollen der Düse nach vorne und hinten zuzulassen. Der Stift weist eine Länge 645 auf.

[0033] Eine andere Ausführungsform des Stifts, die in Fig. 6A und Fig. 6B gezeigt wird, kann eine allgemein zylindrische Form an einem vorderen Abschnitt 650 und einem hinteren Abschnitt 660 des Stifts 600 aufweisen, mit einer kugelförmigen Erhebung 620 etwa am Mittelpunkt des Stifts, die in der Umfangsrichtung um die Fläche herum verläuft, und kugelförmigen Vertiefungen 630, die auf jeder Seite der kugelförmigen Erhebung 630 in der Umfangsrichtung verlaufen. Die kugelförmige Erhebung 620 bei dieser Ausführungsform des Haltestifts begrenzt insbesondere die effektive Kontaktfläche zwischen den Halteansätzen 440, 445 (Fig. 3C) und dem Haltering, was die Wärmeübertragung zwischen der heissen Seitenwand 420 zum Haltering 300 zusätzlich begrenzt. Die kugelförmige Erhebung 620 erlaubt der Düse ausserdem, beim Ein- oder Ausschalten der Maschine nach vorne und hinten zu rollen.

[0034] Die Länge des Stifts 645 (Fig. 5) kann für die 7FA HGP-Gasturbine von General Electric Co. eine Auslegungslänge von etwa 2,700 Zoll mit einer Toleranz von etwa +/- 0,200 Zoll haben, der Stift kann aber für andere Anwendungen skaliert werden. Der Stiftdurchmesser wurde auf etwa 0,500" +/- 0,005" optimiert, ist aber ebenfalls für andere Maschinen aufwärts oder abwärts skalierbar. Der Stift 600 ist bemessen, um zwischen das geschlossene Ende 351 des geschlossenen Lochs 350 und die Innenwand 467 des Längsscharniers 460 zu passen. Ferner ist der Stift 600 so bemessen, dass der Stift 600 noch mit dem geschlossenen Loch 350 des vorderen Haltestegs 330 im Eingriff steht, wenn er aus dem Kontakt mit der Innenwand 467 des Längsscharniers 460 ausgerückt ist. Der Stift 600 ist auch dimensioniert, um in das Durchgangsloch 345 im hinteren Haltesteg 325 einzugreifen, wenn er ganz vorne am geschlossenen Ende 351 des geschlossenen Lochs 350 des vorderen Haltestegs sitzt.

[0035] An einem vorderen Ende des Stifts sind Führungsmittel vorhanden, die den Zusammenbau erleichtern. Die Führungsmittel können zum Beispiel eine tatsächliche Abschrägung, eine einfache Bruchkante, ein Radius oder etwas ähnliches (das in der Grösse und Form variieren kann) sein, was den Stift beim Zusammenbau in das Loch führt.

[0036] Am hinteren Ende des Stifts können Eingriffsmittel vorgesehen sein. Eingriffsmittel können ein einfaches zylindrisches Ende des Stifts umfassen, das mit einer Zange im Eingriff steht. Doch es können auch andere Eingriffsmittel am Ende des Stifts vorgesehen sein, um den Ausbau mit anderen Werkzeugen zu erlauben. Diese Eingriffsmittel können, ohne aber darauf beschränkt zu sein, das Vorsehen eines Durchgangslochs in der zylindrischen Fläche am hinteren Ende

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des Stifts oder von parallelen Segmentschlitzen im hinteren Ende des Stifts umfassen. Eine Aus-führungsform der Eingriffsmittel ist eine Gewindebohrung auf einer kreisförmigen Fläche am hinteren Ende des Stifts.

[0037] Fig. 6A-6B zeigen eine isometrische Ansicht des vorderen Endes und hinteren Endes einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Stifts mit einer kugelförmigen Mitte. Der Haltestift 600 umfasst einen zylindrischen vorderen Abschnitt 650 und hinteren Abschnitt 660. Das Frontende 615 des Stifts weist Führungsmittel auf. Eine Abschrägung 680 wird als ein Beispiel der Führungsmittel für den Stift gezeigt. Die kugelförmige mittlere Erhebung 620 ist zwischen kugelförmigen Vertiefungen 630 zentriert. Das hintere Ende 617 kann einen zylindrischen Hohlraum 690 mit Innengewinden 695 umfassen.

[0038] Fig. 7A-7B veranschaulichen andere Ausführungsformen von Eingriffsmitteln am hinteren Ende für den erfindungsgemässen Haltestift. Fig. 7A zeigt das hintere Ende 617 des zylindrischen Körpers 610 des Haltestifts 600. Der zylindrische Körper 610 weist ein radiales Durchgangsloch 665 für den Eingriff mit einem Werkzeug auf, um den Auszug des eingebauten Stifts zu erleichtern. Fig. 7B zeigt das hintere Ende 617 des zylindrischen Körpers des Haltestifts 600. Der zylindrische Körper 610 weist zwei parallele Segmentschlitze 655 für den Eingriff mit einem Ausbauwerkzeug auf.

[0039] Es wird ein Verfahren bereitgestellt, um Ansätze einer äusseren Seitenwand, die ein Längsscharnier einer Turbinendüse aufweist, durch koaxiale Löcher in den Ansätzen und den Stegen in einer Nut zwischen einem vorderen Steg und einem hinteren Steg eines Halterings zu befestigen. Die Schritte umfassen das Vorsehen von Führungsmitteln an einem Frontende 615 des Haltestifts; das Vorsehen von Eingriffsmitteln am hinteren Ende des Haltestifts; und das Einführen des Haltestifts durch die koaxialen Löcher des hinteren Stegs des Halterings, des Ansatzes der Seitenwand und des vorderen Stegs des Halterings.

[0040] Der Schritt des Einführens der Stifte durch die koaxialen Löcher des Halterings und der Ansätze kann das Vorsehen eines Werkzeugs, das geeignet ist, mit Eingriffsmitteln am hinteren Ende 617 des Stifts 600 zusammenzupassen, und das Ineinandergreifen des Werkzeugs mit den Eingriffsmitteln am Stift umfassen.

[0041] In einem Verfahren zum Ausbau von Ausführungsformen des erfindungsgemässen Stifts sind Eingriffsmittel am hinteren Ende des Stifts vorgesehen. Ferner ist ein Werkzeug vorgesehen, das geeignet ist, mit Eingriffsmitteln am hinteren Ende des Stifts zusammenzupassen. Das Werkzeug kann so einfach sein wie eine Zange. Das Werkzeug kann ein lochstanzenartiges Werkzeug sein, das in das Durchgangsloch 665 im hinteren Ende 617 bei einer Ausführungsform des Stifts passt, wie in Fig. 7A gezeigt. Das Werkzeug kann auch ein zangenartiges Werkzeug sein, das mit den Eingriffsmitteln am hinteren Ende zusammenpasst, die bei einer anderen Ausführungsform des Stifts durch die parallel segmentierten Schlitze 655 bereitgestellt werden, wie in Fig. 7B. Bei einer weiteren Ausführungsform der Eingriffsmittel, kann das Werkzeug ein gewindetes Kopfende aufweisen, um in das Gewinde 695 im Hohlraum 690 im hinteren Ende 617 des Stifts 600 von Fig. 6B einzugreifen. Am Gewindekopf des Werkzeugs kann das Werkzeug ausserdem einen Gleithammer oder eine ähnliche Vorrichtung umfassen, um den Stift auszuziehen.

[0042] Auch wenn hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung beschrieben wurden, werden dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen einfallen. Daher versteht es sich, dass die beiliegenden Ansprüche alle Modifikationen und Änderungen einschliessen sollen, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Haltestift (600), um Halteansätze (440, 445) einer äusseren Seitenwand (620), die ein Längsscharnier (460) einer Turbinendüse (400) aufweist, in einer Nut (320) zwischen einem vorderen Steg (330) und einem hinteren Steg (325) eines Halterings (300) zu befestigen, wobei die Haltestifte (600) durch koaxiale Löcher (350) im Ansatz (440, 445) und in den Stegen (330, 325) passen, wobei der Haltestift (600) umfasst:

einen allgemein zylindrisch geformten Stift (600) mit einem Aussendurchmesser (640), der geeignet ist, durch die koaxialen Löcher im Ansatz (440) , (445) und in den Stegen (330, 325) zu passen, und einer Länge (645), die geeignet ist, zwischen einem geschlossenen Ende (351) im koaxialen Loch (350) des vorderen Stegs (330) und einer Innenwand (467) der Scharnierschiene (460) zu passen.

2. Haltestift (600) nach Anspruch 1, wobei die Länge (645) mindestens ausreicht, um eine Entfernung zwischen dem geschlossenen Ende (351) im koaxialen Loch (350) und dem hinteren Haltesteg (325) zu überspannen.

3. Haltestift (600) nach Anspruch 1, wobei die Länge (645) mindestens ausreicht, um eine Entfernung zwischen der Innenwand (467) des Längsscharniers (460) und dem vorderen Haltesteg (330) zu überspannen.

4. Haltestift (600) nach Anspruch 1, wobei der Stift (600) zylindrisch geformt ist, mit einem Aussendurchmesser (640), der entlang der Länge (645) des Stifts (600) konstant ist, und wobei zwischen dem Stiftdurchmesser (640) und dem Durchmesser (448) des koaxialen Lochs des Düsenansatzes ein Spalt vorgesehen ist, um bei der Ein- und Ausschaltung das Rollen der Düse (400) nach vorne und hinten zuzulassen.

5. Haltestift (600) nach Anspruch 1, wobei eine Kontaktfläche (620) im mittleren Abschnitt des Stifts (600) beschränkt ist, um die Wärmeübertragung zwischen dem Düsenansatz (440, 445) und dem Haltering (300) durch den Stift (600) zu minimieren.

6. Haltestift (600) nach Anspruch 5, wobei die Aussendurchmesser-Kontaktfläche in der Mitte ihrer Länge (645) eine kugelförmige Erhebung (620) aufweist, die durch kugelförmige Vertiefungen (630) auf jeder Seite der kugelförmigen

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Erhebung (630) begrenzt wird, um bei der Ein- und Ausschaltung der Maschine das Rollen der Düse (400) nach vorne und hinten zuzulassen, wobei die kugelförmige Erhebung (620) radial auf den Aussendurchmesser des Stifts (640) begrenzt ist.

7. Haltestift (600) nach Anspruch 6, wobei die Länge der kugelförmigen Erhebung (630) aufweist: eine Axiallänge entlang des Stifts, die kleiner ist als eine Breite des Ansatzes (440, 445).

8. Haltestift (600 nach Anspruch 7, wobei die kombinierte Länge der kugelförmigen Erhebung (620) und der kugelförmigen Vertiefungen (630) aufweist:

eine Axiallänge entlang des Stifts, die etwa der Breite der Nut (320) im Haltering (300) entspricht.

9. Haltestift (600) nach Anspruch 1, ausserdem umfassend:

ein Spitzenende (615), das mit einem Führungsmittel versehen ist, um die Einführung zu erleichtern, umfassend mindestens eines von einer Abschrägung (680), einer Bruchkante und einem Radius am Spitzenende des Stifts; und ein hinteres Ende (617), das mit einem Eingriffsmittel versehen ist, um den Ausbau des Haltestifts zu erleichtern, wobei das Eingriffsmittel in einem Abschnitt des hinteren Endes (617) liegt, der sich zwischen dem hinteren Steg (325) und der Scharnierdichtung (460) erstreckt, wenn der Stift am geschlossenen Ende (450) des koaxialen Lochs (450) im vorderen Steg (330) sitzt.

10. Haltestift (600) nach Anspruch 9, wobei das Eingriffsmittel umfasst:

mindestens eines von einem Durchgangsloch (665) und Schlitzen (665) in einer zylindrischen Fläche (610) des Stifts (600) und eine Gewindebohrung (690, 695) im hinteren Ende (617) des Stifts (600).

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