CH702553B1

CH702553B1 - Turbinenleitapparatbaugruppe.

Info

Publication number: CH702553B1
Application number: CH00037/11A
Authority: CH
Inventors: Andres Jose Garcia-Crespo
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2015-12-31
Also published as: JP2011144805A; CN102128059B; CN102128059A; JP5782260B2; DE102010061604A1; CH702553A2; US8454303B2; US20110171018A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitapparatschaufelsegment (200) mit einer ersten Strömungswand (220), einer zweiten Strömungswand (225) und einer bei Einbau des Leitapparatschaufelsegments (200) in die Gasturbine zwischen der ersten Strömungswand (220) und zweiten Strömungswand (225) angeordnete Leitschaufel (205), wobei die Leitschaufel (205) mechanisch mit der ersten Strömungswand (220) verbunden ist und mit der zweiten Strömungswand (225) höchstens in Kontakt steht.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Der hierin offengelegte Erfindungsgegenstand betrifft ein Leitapparatschaufelsegment und eine Leitapparatbaugruppe für ein Gasturbinensystem.

[0002] Gasturbinenleitapparate sind statische Komponenten einer Gasturbine, die dafür konfiguriert sind, heisses Gas mit ca. 1260 °C (ca. 2300 °F) in einem Heissgaspfad den rotierenden Abschnitten der Turbine zuzuführen (d.h. eine Drehbewegung des Rotors vorzugeben). Obwohl deutliche Fortschritte in ihren Hochtemperatureigenschaften erzielt worden sind, müssen Superlegierungskomponenten oft luftgekühlt und/oder mit einer Beschichtung geschützt werden, um eine angemessene Betriebslebensdauer in bestimmten Bereichen von Gasturbinentriebwerken, wie z.B. bei den Schaufelblättern, zu zeigen. Um den durch Verbrennung erzeugten hohen Temperaturen zu widerstehen, werden die Schaufelblätter in der Turbine gekühlt. Die Kühlung der Schaufelblätter stellt einen parasitären Verlust für die Energieerzeugung dar, da die Luft, die zum Kühlen der Teile verwendet wird, verdichtet werden muss, aber der Anteil der Nutzarbeit, der daraus entzogen werden kann, relativ klein ist. Somit ist es wünschenswert, diese Teile mit einem geringstmöglichen Luftstrom zu kühlen, um einen effizienten Betrieb der Turbine zu ermöglichen. Die benötigte Kühlluft kann verringert werden, indem fortschrittlichere Materialien genutzt werden, die den Hochtemperaturbedingungen in dem Strömungspfad widerstehen können. Diese Materialien sind tendenziell um Grössenordnungen teuerer als die derzeitigen Supernickellegierungen, oder können sehr schwierig in der erforderlichen Form eines herkömmlichen Leitapparatsystems zu bearbeiten sein. Materialien, wie z.B. Keramiken und Einkristall-Superlegierungen, können den Gasturbinenwirkungsgrad erhöhen, da deren Eigenschaften geringe bis keine Kühlanforderungen stellen. Diese Materialien können jedoch die Kosten erhöhen und sind oft nicht in der Lage, die Lebensdaueranforderungen zu erfüllen.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kostengünstige Leitapparatbaugruppe und ein Leitapparatschaufelsegment für Turbinen mit reduzierten Kühlanforderungen bereitzustellen, die den Temperatur- und Belastungsanforderungen in Gasturbinen genügen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0004] Die Erfindung betrifft ein Leitapparatschaufelsegment für eine Gasturbine mit einer ersten Strömungswand, einer zweiten Strömungswand und einer bei Einbau des Leitapparatschaufelsegments in die Gasturbine zwischen der ersten Strömungswand und der zweiten Strömungswand angeordnete Leitschaufel, wobei die Leitschaufel mechanisch mit der ersten Strömungswand verbunden ist und mit der zweiten Strömungswand höchstens in Kontakt steht.

[0005] Die Erfindung betrifft ferner eine Leitapparatbaugruppe für eine Gasturbine, die ein Leitapparatschaufelsegment, ein angrenzend an das Leitapparatschaufelsegment angeordnetes Leitapparatstruktursegment und einen von dem Leitapparatstruktursegment unterstützten Zwischenstufendichtungsträger enthält. Das Leitapparatstruktursegment weist eine erste Strömungswand, eine zweite Strömungswand, eine Leitschaufel, die bei Einbau des Leitapparatstruktursegmentes in die Gasturbine zwischen der ersten Strömungswand und der zweiten Strömungswand angeordnet, mechanisch mit der ersten Strömungswand verbunden ist, mit der zweiten Strömungswand höchstens in Kontakt steht und aus anderem Material als dem der ersten Strömungswand und der zweiten Strömungswand besteht, sowie eine Stützschaufel, die fest zwischen der ersten Strömungswand und der zweiten Strömungswand angeordnet ist, auf.

[0006] Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0007] Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen: <tb>Fig. 1<SEP>eine Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Leitapparatschaufelsegmentes veranschaulicht; <tb>Fig. 2<SEP>eine Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Leitapparatstruktursegmentes veranschaulicht; <tb>Fig. 3<SEP>eine exemplarische Ausführungsform einer Leitapparatbaugruppe veranschaulicht, die eine abwechselnde Anordnung der exemplarischen Ausführungsform der Leitapparatschaufelsegmente von Fig. 1 und der exemplarischen Ausführungsform der Leitapparatstruktursegmente von Fig. 2 veranschaulicht; <tb>Fig. 4<SEP>eine Explosionsansicht der exemplarischen Ausführungsform des Leitapparatschaufelsegmentes von Fig. 1 veranschaulicht; <tb>Fig. 5<SEP>eine Ansicht der exemplarischen Ausführungsform der Leitapparatschaufelsegmente der Fig. 1 und 4 in einem teilweise zusammengebauten Zustand veranschaulicht; <tb>Fig. 6<SEP>eine Explosionsansicht der exemplarischen Ausführungsform des Leitapparatstruktursegmentes von Fig. 1 veranschaulicht; <tb>Fig. 7<SEP>eine Querschnittsseitenansicht von einer der exemplarischen Ausführungsformen der Leitschaufeln in einer Turbinenumgebung veranschaulicht; <tb>Fig. 8<SEP>eine Querschnittsseitenansicht einer exemplarischen Ausführungsform von Leitapparatstruktursegmenten in einer Turbinenumgebung veranschaulicht; <tb>Fig. 9<SEP>eine vergrösserte Ansicht eines Zwischenabstandes zwischen Leitschaufeln und entsprechenden Oberflächen in einer Turbinenumgebung veranschaulicht. <tb>Fig. 10<SEP>eine exemplarische Ausführungsform eines Einschnitts veranschaulicht, der in den zweiten Strömungswänden angeordnet sein kann; <tb>Fig. 11<SEP>eine exemplarische Ausführungsform einer auf Leitschaufeln angrenzend an die zweiten Strömungswände in einer Turbinenumgebung angeordneten Reibspitze veranschaulicht; <tb>Fig. 12<SEP>eine exemplarische Ausführungsform einer Abriebsspitze veranschaulicht, die auf t-Leitschaufeln angrenzend an zweite Strömungswände in einer Turbinenumgebung angeordnet sind.

[0008] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0009] Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer exemplarischen Ausführungsform eines Leitapparatschaufelsegmentes 200. Das Leitapparatschaufelsegment 200 (Leitapparat) kann mehrere Leitschaufeln 205, 210, 215 enthalten. Drei Leitschaufeln 205, 210, 215 sind für Veranschaulichungszwecke dargestellt. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen kommen weniger oder mehr Leitschaufeln in Betracht. Das Leitapparatsegment 200 enthält ferner eine erste (z.B. äussere) Strömungswand 220 und eine zweite (z.B. innere) Strömungswand 225. Wie hierin weiter beschrieben, sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden und stehen mit einer Oberfläche 226 der inneren zweiten Strömungswand 225 in mechanischem Kontakt. Somit sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 einseitig gelagert, indem sie durch die erste Strömungswand 220 unterstützt werden. Zusätzlich bestehen die Leitschaufeln 205, 210, 215 aus einem anderen Material als dem der ersten und zweiten Strömungswände 220, 225. In exemplarischen Ausführungsformen können die Leitschaufeln 205, 210, 215 aus einem Keramik- oder Keramikmatrixverbundstoff(CMC)-Material bestehen, und die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225 können aus Metall (z.B. einer Superlegierung, wie z.B. einer Ni-Legierung) bestehen. Somit sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 von den ersten und zweiten Strömungswänden 220, 225 dergestalt entkoppelt, dass die Leitschaufeln 205, 210, 215 nicht einteilig starr mit den ersten und zweiten Strömungswänden 220, 225 im Vergleich zu dem Stand der Technik verbunden sind, in welchem Leitschaufeln und Strömungswände typischerweise ein einziges integriertes Metallteil sind. Die Leitschaufeln 205, 210, 215 und die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225 sind daher mechanisch und thermisch teilweise deswegen getrennt, weil die Leitschaufeln 205, 210, 215 und die ersten und zweiten Strömungswände 220 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zusätzlich sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 keine Strukturelemente der Leitschaufelanordnung, von welcher die Segmente 200 einen Teil bilden. Wärmespannungen, welche typischerweise an Schnittstellen zwischen den Leitschaufeln und Strömungswänden, die einzelne integrierte Teile sind, vorhanden sind, sind somit verringert. Obwohl die Leitschaufeln 205, 210, 215 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden sind und mit der zweiten Strömungswand 225 in Kontakt stehen, widersteht die mechanische Anordnung des Düsensegmentes 200 den Wärmespannungen aus dem Heissgaspfad über die Leitschaufeln 205. Beispielsweise ist die aerodynamische Belastung des Schaufelblattes die einzige Reaktionskraft, die als Biegespannung auf den Leitschaufeln 205, 210, 215 zu sehen ist. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen werden andere Materialien als CMC ebenfalls in Betracht gezogen, um den Temperatur/Belastungsanforderungen des Systems einschliesslich des Segmentes 200 zu begegnen.

[0010] In exemplarischen Ausführungsformen kann das Leitapparatschaufelsegment 200 ferner ein Leitschaufelaufsteckteil 230 und eine Endkappe 235 enthalten, die in jeder von den Leitschaufeln 205, 210, 215 angeordnet sind. Das Leitschaufelaufsteckteil 230 und die Endkappe 235 sind mechanisch mit der entsprechenden Leitschaufel 205, 210, 215, wie hierin weiter beschrieben, verbunden, und starr mit der ersten Strömungswand 220 (z.B. mittels Schweissen) verbunden. In exemplarischen Ausführungsformen sind das Leitschaufelaufsteckteil 230 und die Endkappe 235 miteinander (z.B. mittels Schweissen) verbunden und sind auch mit dem Ansatz 211 der ersten Strömungswand 220 (z.B. mittels Schweissung oder Hartlötung) verbunden. In exemplarischen Ausführungsformen bestehen das Leitschaufelaufsteckteil 230 und die Endkappe 235 aus einem ähnlichen Metallmaterial wie die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225. Auf diese Weise sind, wie vorstehend beschrieben, die Leitschaufeln 205, 210, 215 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden. Zusätzlich wird durch Verschweissung des Leitschaufelaufsteckteils 230 und der Endkappe 235 mit dem Ansatz 221 eine Dichtung erzeugt, die den Luftstrom in den Leitschaufeln 205, 210, 215 und den heissen Turbinenströmungspfad ausserhalb der Leitschaufeln 205, 210, 215 isoliert.

[0011] In exemplarischen Ausführungsformen kann das Leitapparatschaufelsegment 200 ferner einen Zwischenstufendichtungsträger 240 und eine Zwischenstufendichtung 245 enthalten. Herkömmliche Leitapparate tragen typischerweise ihren eigenen Zwischenstufendichtungsträger. In exemplarischen Ausführungsformen ist die zweite Strömungswand 225 mit dem Zwischenstufendichtungsträger 240 verbunden. Jedoch sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 ohne Verbindung zu der zweiten Strömungswand, unterstützen also nicht die zweite Strömungswand 225 oder den Zwischenstufendichtungsträger 240. Wie es ferner unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird, wird der Zwischenstufendichtungsträger 240 von einer getrennten exemplarischen Struktur unterstützt. In exemplarischen Ausführungsformen ist der Zwischenstufendichtungsträger ein beliebiges Material, das für die Lagerung der Zwischenstufendichtung geeignet ist, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, rostfreier Stahl. Die Zwischenstufendichtung 245 kann jede geeignete Dichtung einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Wabendichtung sein.

[0012] Fig. 2 stellt eine Ansicht eines exemplarischen Leitapparatstruktursegmentes 300 dar. Das Leitapparatschaufelsegment 300 kann mehrere Leitschaufeln 305, 315 enthalten. Zwei Leitschaufeln 305, 315 sind für Veranschaulichungszwecke dargestellt. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen kommen weniger oder mehr Leitschaufeln in Betracht. Das Leitschaufelstruktursegment 300 enthält eine erste (z.B. äussere) Strömungswand 320 und eine zweite (z.B. innere) Strömungswand 325. Zusätzlich enthält das Leitapparatstruktursegment 300 ferner eine Stützschaufel 310. Wie weiter hierin beschrieben, sind die Leitschaufeln 305, 315 mechanisch mit der ersten Strömungswand 320 verbunden und stehen mit einer Oberfläche 326 der inneren zweiten Strömungswand 325 in mechanischem Kontakt. Somit sind die Leitschaufeln 305, 315 einseitig unterstützt, indem sie von der ersten Strömungswand 320 unterstützt werden. Zusätzlich bestehen die Leitschaufeln 305, 315 aus anderem Material als dem der ersten und zweiten Strömungswände 320, 325. In exemplarischen Ausführungsformen können die Leitschaufeln 305, 315 aus Keramik oder CMC-Material bestehen, und die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 können metallisch sein (z.B. eine Superlegierung wie z.B. eine Ni-, Co- oder Fe-Superlegierung). Somit sind die Leitschaufeln 305, 315 von den ersten und zweiten Strömungswänden 320, 325 im Vergleich zu dem Stand der Technik entkoppelt, in welchen die Leitschaufeln und Strömungswände typischerweise nur ein einziges integriertes metallisches Teil sind. Die Leitschaufeln 305, 315 und die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 sind somit mechanisch getrennt. Auf diese Weise sind die Leitschaufeln 305, 315 keine Strukturelemente der Leitschaufelanordnung, in welchem das Segment 30 ein Teil ist. Typischerweise an den Schnittstellen zwischen den Leitschaufeln und Strömungswänden vorhandene Wärmespannungen sind somit verringert. Obwohl die Leitschaufeln 305, 315 mechanisch mit der ersten Strömungswand 320 verbunden sind, widerstehen die mechanischen Kopplungen den Wärmespannungen aus dem Heissgaspfad über die Leitschaufeln 305, 315. Im Gegensatz dazu kann die Stützschaufel 310 aus einem ähnlichen oder demselben Material wie die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 bestehen. Beispielsweise können, wie vorstehend beschrieben, die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 metallisch sein. Ebenso kann die Stützschaufel 310 metallisch sein. In exemplarischen Ausführungsformen können die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 und die Stützschaufel 310 ein einziges integriertes Teil sein. In exemplarischen Ausführungsformen kann die Stützschaufel 310 durch Injektion von Radraumspülluft gekühlt werden. Die doppelte Nutzung dieser Luft zum Kühlen der Strukturleitschaufeln und dann zum Spülen des Radhohlraums ermöglicht, dass das Schaufelblattsystem, in welchem das Leitapparatstruktursegment 300 ein Teil ist, eine Kühlströmungsanforderung von 0 Prozent hat, was das System vereinfacht und das Betriebsverhalten des Zyklus verbessert.

[0013] In exemplarischen Ausführungsformen kann das Leitapparatstruktursegment 300 ferner ein Leitschaufelaufsteckteil 330 und eine Endkappe 335 enthalten, das auf jeder von den Leitschaufeln 305, 315 angeordnet ist. Das Leitschaufelaufsteckteil 330 und die Endkappe 235 sind mechanisch mit der entsprechenden Leitschaufel 305, 315 verbunden, wie es hierin weiter beschrieben wird, und starr mit der ersten Strömungswand 320 (z.B. mittels Schweissung) verbunden. In exemplarischen Ausführungsformen sind das Leitschaufelaufsteckteil 330 und die Endkappe 335 auch miteinander (z.B. mittels Schweissen) verbunden und sind mit einem Ansatz 321 auf der ersten Strömungswand 320 (z.B. mittels Schweissen) verbunden. In exemplarischen Ausführungsformen bestehen das Leitschaufelaufsteckteil 330 und die Endkappe 335 aus einem ähnlichen metallischen Material wie die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 und die Stützschaufel 310. Wie vorstehend beschrieben sind die Leitschaufeln 305, 315 mechanisch mit der ersten Strömungswand 320 verbunden.

[0014] In exemplarischen Ausführungsformen kann das Leitapparatstruktursegment 300 ferner einen Zwischenstufendichtungsträger 340 und eine Zwischenstufendichtung 345 enthalten. In exemplarischen Ausführungsformen sind der Zwischenstufendichtungsträger 340 und eine Zwischenstufendichtung 345 mit dem Zwischenstufendichtungsträger 240 und der Zwischenstufendichtung 245 von Fig. 1 zusammenhängend angeordnet. Ebenso sind verschiedene Leitapparatstruktursegmente 300 mit mehreren Leitapparatschaufelsegmenten 200 zusammenhängend angeordnet. Wie vorstehend beschrieben, tragen herkömmliche Leitapparate ihren eigenen Zwischenstufendichtungsträger. Zusätzlich unterstützt das Leitapparatschaufelsegment 200 nicht den Zwischenstufendichtungsträger 240. Jedoch unterstützt das Leitapparatstruktursegment 300 den Zwischenstufendichtungsträger 340. Wie vorstehend beschrieben, sind die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325 und die Stützschaufel 310 ein einziges integriertes Teil. Somit ist die zweite Strömungswand mit dem Zwischenstufendichtungsträger 340 verbunden, und die erste Strömungswand 320 ist mit dem (nicht dargestellten) Turbinengehäuse verbunden. Daher unterstützt das Leitapparatstruktursegment 300 den Zwischenstufendichtungsträger 340. In exemplarischen Ausführungsformen ist der Zwischenstufendichtungsträger 340 ein beliebiges Material, das zum Tragen der Zwischenstufendichtung geeignet ist, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, rostfreier Stahl. Die Zwischenstufendichtung 345 kann jede geeignete Dichtung einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Wabendichtung sein.

[0015] Fig. 3 veranschaulicht eine exemplarische Leitapparatbaugruppe 400, die eine Anordnung der exemplarischen Leitapparatschaufelsegmente 200 von Fig. 1 und der exemplarischen Leitapparatstruktursegmente 300 von Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 3 veranschaulicht, dass ein Grossteil der Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 einseitig ohne jede Verbindung mit den zweiten Strömungswänden 225, 325 der entsprechenden Segmente 200, 300 unterstützt sind. Wie vorstehend beschrieben, stehen die Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 mit einer entsprechenden Oberfläche 226, 326 der entsprechenden zweiten Strömungswände 225, 325 in Kontakt. Zusätzlich sind die Stützschaufeln 310 sowohl mit den ersten als auch zweiten Strömungswänden 320, 325 verbunden. In exemplarischen Ausführungsformen sind die Stützschaufeln 310 mechanisch mit den ersten und zweiten Strömungswänden 320, 325 entweder als ein integriertes Teil oder mittels Schweissung oder eines anderen geeigneten Verbindungsverfahrens verbunden.

[0016] Fig. 3 stellt den Zwischenstufendichtungsträger 240, 340 und die Zwischenstufendichtung 245, 345, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben, dar. In exemplarischen Ausführungsformen sind der Zwischenstufendichtungsträger 340 und die Zwischenstufendichtung 345 zusammenhängend mit dem Zwischenstufendichtungsträger 240 und der Zwischenstufendichtung 245 von Fig. 1 angeordnet. In exemplarischen Ausführungsformen kann der Zwischenstufendichtungsträger 240, 340 zwei Hälften zur leichten Demontage in einer industriellen Turbinenumgebung enthalten. Der Zwischenstufendichtungsträger trägt die zweiten Strömungswände 225, 325 mittels verschiedener mechanischer Befestigungseinrichtungen einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, Schrauben.

[0017] Wie hierin beschrieben, enthalten exemplarische Ausführungsformen die exemplarischen Leitapparatschaufelsegmente 200 von Fig. 1 und die exemplarischen Leitapparatstruktursegmente 300 von Fig. 2 . Dadurch, dass sie zwei unterschiedliche Segmente 200, 300 in der Gesamtdüsenbaugruppe 400 enthält, kann das Leitapparatstruktursegment 300 den Zwischenstufendichtungsträger 240, 340 tragen, indem es den Zwischenstufendichtungsträger 240, 340 mit dem umgebenden Gehäuse des Turbinensystems verbindet. Wie hierin beschrieben, stellen die Leitschaufeln 205, 210, 215 des Segmentes 200 eine mechanische Verbindung zu der ersten Strömungswand 220 her, bleiben aber, wie nun beschrieben, entkoppelt.

[0018] Fig. 4 stellt eine Explosionsansicht des exemplarischen Leitapparatschaufelsegmentes 200 von Fig. 1 dar. Fig. 5 stellt eine Ansicht des exemplarischen Leitapparatschaufelsegmentes 200 der Fig. 1 und 4 in einem teilweise zusammengebauten Zustand dar. Das Leitapparatschaufelsegment 200 kann mehrere Leitschaufeln 205, 210, 215 enthalten. Das Leitapparatschaufelsegment 200 enthält ferner die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225. Wie hierin beschrieben, sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden und stehen mit der Oberfläche 226 der inneren Strömungswand 225 in mechanischem Kontakt, wenn das Segment 200 vollständig zusammengebaut ist. Somit sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 von den ersten und zweiten Strömungswänden 220, 225 dergestalt entkoppelt, dass die Leitschaufeln 205, 210, 215 nicht einteilig starr mit den ersten und zweiten Strömungswänden 220, 225 im Vergleich zu dem Stand der Technik verbunden sind, in welchem die Leitschaufeln und Strömungswände typischerweise ein einziges integriertes Metallteil sind. In exemplarischen Ausführungsformen enthält jede von den Leitschaufeln 205, 210, 215 einen axialen Schwalbenschwanz 206. Zusätzlich enthält jedes von den Leitschaufelaufsteckteilen 230 eine Öffnung 231, die verschiebbar an dem entsprechenden axialen Schwalbenschwanz 206 anliegt. Sobald das Leitschaufelaufsteckteil 230 verschiebbar an dem entsprechenden axialen Schwalbenschwanz 206 anliegt, kann die Endkappe 235 (beispielsweise mittels Schweissung) mit jedem der Leitschaufelaufsteckteile 230 verbunden werden. In exemplarischen Ausführungsformen ist eine Ansatzöffnung 222 in jedem Ansatz 221 der ersten Strömungswand 220 definiert. In exemplarischen Ausführungsformen stimmen die Ansatzöffnungen 221 mit dem entsprechenden Profil jeder von den Leitschaufeln 205, 210, 215 dergestalt überein, dass die Leitschaufeln 205, 210, 215 durch die Ansatzöffnungen 222 gleiten können. Jedes von den Leitschaufelaufsteckteilen 230 ist breiter als die Ansatzöffnungen 222, sodass, wenn die Leitschaufeln 205, 210, 215 durch die Ansatzöffnungen 222 gleiten, die Leitschaufelaufsteckteile nicht die Ansätze 221 passieren und zu diesen bündig sind. Wie hierin beschrieben, können die Endkappen 235 auf die Leitschaufelaufsteckteile 230 geschweisst werden, und die Endkappen 235 und die Leitschaufelaufsteckteile 230 können auf die Ansätze 221 geschweisst werden.

[0019] Somit sitzen die axialen Schwalbenschwänze 206, 211, 216 in den Leitapparataufsteckteilen 230 und können sich frei ausdehnen und zusammenziehen. Daher gibt es keine durch eine starre Verbindung, wie z.B. Schweissung, zwischen den Leitschaufeln und den Strömungswänden aus ähnlichem Metall verursachte Spannungen wie nach dem Stand der Technik. Jedoch sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 an der zweiten Strömungswand 220 über eine starre Verbindung zwischen den Leitschaufelaufsteckteilen 230, die Endkappe 235 und den Ansatz 221 (z.B. mittels Schweissung) befestigt. Wie vorstehend beschrieben, sind daher die Leitschaufeln 205, 210, 215 und die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225 mechanisch und thermisch getrennt, da die Leitschaufeln 205, 210, 215 und die ersten und zweiten Strömungswände 220, 225 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zusätzlich sind die Leitschaufeln 205, 210, 215 keine Strukturelemente der Leitschaufelanordnung, in welchen das Segment 200 ein Teil ist. Wärmespannungen, welche typischerweise an Schnittstellen zwischen Leitschaufeln und Strömungswänden, die aus einem einzigen integrierten Teil bestehen, vorhanden sind, sind somit verringert oder beseitigt. Obwohl die Leitschaufeln 205, 210, 215 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden und mit der zweiten Strömungswand 225 in Kontakt stehen, hält die mechanische Anordnung des Leitapparatsegmentes 200 den Wärmespannungen aus dem Heissgaspfad durch die Leitschaufeln 205 stand.

[0020] Fig. 6 zeigt eine Explosionsansicht eines exemplarischen Leitapparatstruktursegmentes 300. Wie vorstehend beschrieben, enthält das Leitapparatstruktursegment 300 die ersten und zweiten Strömungswände 320, 325, welche zusammen mit der Stützschaufel 310 ein einziges integriertes Teil sein können. Fig. 6 stellt dar, dass die Leitschaufeln 305, 315 ähnlich wie bei den vorstehend diskutierten Zusammenbautechniken durch die Öffnungen 322 des Ansatzes gleiten können. Leitschaufelaufsteckteile 330 können verschiebbar an axialen Schwalbenschwänzen 306, 316 befestigt werden, und die Endkappen 335 können mit den Leitschaufelaufsteckteilen 330 verbunden (z.B. geschweisst) werden. Die Leitschaufelaufsteckteile 330, Endkappen 335 und Ansätze 321 können alle starr miteinander über eine geeignete Technik, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, durch Schweissen verbunden sein.

[0021] Fig. 7 zeigt eine Querschnittsseitenansicht von einer der Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 in einer Turbinenumgebung 800. Somit kann die Querschnittsseitenansicht entweder die Leitschaufeln 205, 210, 215 des Leitapparatschaufelsegmentes 200 oder die Leitschaufeln 305, 315 des Leitapparatstruktursegmentes 300 darstellen. Fig. 7 stellt eine Ausrichtung der Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 in der Turbinenumgebung 800 dar. Für Veranschaulichungszwecke grenzt das Segment 200, 300 an zwei Turbinenlaufschaufeln 805, 810 an. Fig. 7 stellt ferner die erste Strömungswand 220, 320 und die zweite Strömungswand 225, 325, das Leitschaufelaufsteckteil 230, 330, den Zwischenstufendichtungsträger 340 und die Zwischenstufendichtung 345 dar.

[0022] Fig. 8 stellt eine Querschnittsseitenansicht der Stützschaufel 310 in einer Turbinenumgebung 900 dar. Somit kann die Querschnittsseitenansicht der Stützschaufel 310 das Leitapparatstruktursegment 300 darstellen. Fig. 8 stellt die Ausrichtung der Stützschaufel 310 in der Turbinenumgebung 900 dar. Fig. 8 stellt ferner die erste Strömungswand 320 und die zweite Strömungswand 325 und den Zwischenstufendichtungsträger 340 dar. Fig. 8 stellt ferner dar, dass die Stützschaufel 310 einen internen Luftraum 311 enthalten kann, durch welchen Kühlluft wie hierin beschrieben strömen kann. Der interne Luftraum 311 kann mit einem Luftraum 341 in dem Zwischenstufendichtungsträger 340 und mit Luftspülungslöchern 342 in Fluidverbindung stehen.

[0023] Gemäss nochmaligem Bezug auf Fig. 7 stehen wie vorstehend beschrieben die Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 mit entsprechenden Oberflächen 226, 326 der zweiten Strömungswände 225, 325 in Kontakt. Der mechanische Kontakt kann einen Spalt an dem Kontaktpunkt belassen. Fig. 9 zeigt eine vergrösserte Ansicht eines Spaltes 1005 zwischen den Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 und entsprechenden Oberflächen 226, 326. Somit kann eine Luftleckage in dem Spalt 1005 vorliegen, der den Wirkungsgrad der Turbine verringert. Obwohl der Spalt 105 zum Verringern der Luftleckage verkleinert werden kann, ist der Spalt 105 empfindlich gegen thermische Verschiebungen in der Turbinenumgebung. Die Fig. 10 – 12 stellen nur einige Beispiele dar, die zum Verringern der Luftleckage aus dem Spalt 105 implementiert wurden. In weiteren Beispielausführungsformen kommen weitere Beispiele in Betracht.

[0024] Fig. 10 stellt eine exemplarische Ausführungsform eines Einschnitts 1105 dar, der auf den zweiten Strömungswänden 225, 325 angeordnet sein kann. Die entsprechenden Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 können in dem Einschnitt 1105 angeordnet sein, was den Durchtritt von Luft schwieriger als ohne den Einschnitt 1105 macht und dadurch eine bessere Abdichtung zwischen der zweiten Strömungswand 225, 325 und den Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 erzeugt.

[0025] Fig. 11 stellt eine exemplarische Ausführungsform einer Abriebsspitze 1205 dar, die auf den Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 angrenzend an die zweiten Strömungswände 225, 325 angeordnet ist. Die Abriebsspitzen 1205 sind Beschichtungen auf den Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 angrenzend an die zweiten Strömungswände 225, 325, um zahnartige Strukturen zum Verzögern der Luftbewegung in dem Spalt 1005 zu erzeugen. «Abrieb» bezieht sich auf jede Art von Beschichtung, die in dem Falle eines Kontaktes zu den Leitschaufeln 205, 210, 215 und den Oberflächen 226, 326 der zweiten Strömungswände 225, 325 verschleisst. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen kann eine Beschichtung in Verbindung mit CMC-Materialien implementiert werden, um eine Umgebungsschädigung an Teilen der Turbine zu verhindern.

[0026] Fig. 12 stellt eine exemplarische Ausführungsform einer Anstreifspitze 1305 dar, die in den Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 angrenzend an die zweiten Strömungswände 225, 325 angeordnet ist. In exemplarischen Ausführungsformen ist die Anstreifspitze 1305 ein in der Spitze der Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 angrenzend an die zweiten Strömungswände 225, 325 ausgebildeter Hohlraum. Dieser Hohlraum erzeugt Lufteffekte, die eine Leckage verringern. Somit enthalten die Leitschaufeln 205, 210, 215, 305, 315 Verbesserungen der Leitschaufelspitzengeometrie aus dem Hohlraum (z.B. der Anstreifspitze 1305).

[0027] Technische Effekte beinhalten eine Reduzierung der Kühlanforderungen von Leitapparatabschnitten, die den Turbinenwirkungsgrad verbessern, während die Kosten niedrig gehalten werden, da die Implementation von Keramik oder anderen Hochtemperaturmaterialien (wie z.B. Einkristalllegierungen) in dem Schaufelblattabschnitt begrenzt wird. Zusätzlich werden Wärmebelastungen verringert oder beseitigt, da die Leitschaufeln voneinander getrennt sind, was die Implementation von Keramikmaterialien ermöglicht, die zu wesentlich verringerten Kühlungsströmen führen.

[0028] Die Erfindung betrifft ein Leitapparatschaufelsegment 200 mit einer ersten Strömungswand 220, einer zweiten Strömungswand 225 und einer zwischen den ersten und zweiten Strömungswänden 220, 225 angeordnete Leitschaufel 205, wobei die Leitschaufel 205 mechanisch mit der ersten Strömungswand 220 verbunden ist und mit der zweiten Strömungswand 225 höchstens in Kontakt steht.

Bezugszeichenliste

[0029] <tb>200<SEP>Leitapparatschaufelsegment <tb>205<SEP>Leitschaufel <tb>206<SEP>axialer Schwalbenschwanz <tb>210<SEP>Leitschaufel <tb>211<SEP>axialer Schwalbenschwanz <tb>215<SEP>Leitschaufel <tb>216<SEP>axialer Schwalbenschwanz <tb>220<SEP>erste Strömungswand <tb>221<SEP>Ansatz <tb>222<SEP>Ansatzöffnung <tb>225<SEP>zweite Strömungswand <tb>226<SEP>Oberfläche <tb>230<SEP>Leitschaufelaufsteckteil <tb>231<SEP>Öffnung <tb>235<SEP>Endkappe <tb>240<SEP>Zwischenstufendichtungsträger <tb>245<SEP>Zwischenstufendichtung <tb>300<SEP>Leitapparatstruktursegment <tb>310<SEP>Stützschaufel <tb>311<SEP>interner Luftraum <tb>315<SEP>Leitschaufel <tb>316<SEP>axialer Schwalbenschwanz <tb>320<SEP>erste Strömungswand <tb>321<SEP>Ansatz <tb>322<SEP>Ansatzöffnung <tb>322<SEP>Ansatzöffnung <tb>325<SEP>zweite Strömungswand <tb>326<SEP>Oberfläche <tb>335<SEP>Endkappe <tb>340<SEP>Zwischenstufendichtungsträger <tb>341<SEP>Luftraum <tb>342<SEP>Luftspülloch <tb>345<SEP>Zwischenstufendichtung <tb>400<SEP>Leitapparatbaugruppe <tb>800<SEP>Turbinenumgebung <tb>805<SEP>Turbinenlaufschaufel <tb>810<SEP>Turbinenlaufschaufel <tb>900<SEP>Turbinenumgebung <tb>1005<SEP>Spalt <tb>1105<SEP>Einschnitt <tb>1205<SEP>Abriebspitze <tb>1305<SEP>Anstreifspitze

Claims

1. Leitapparatschaufelsegment (200) für eine Gasturbine, aufweisend: eine erste Strömungswand (220); eine zweite Strömungswand (225); und eine Leitschaufel (205), die bei Einbau des Leitapparatschaufelsegments (200) in die Gasturbine zwischen der ersten Strömungswand (220) und der zweiten Strömungswand (225) angeordnet ist, wobei die Leitschaufel (205) mechanisch mit der ersten Strömungswand (220) verbunden ist und mit der zweiten Strömungswand (225) höchstens in Kontakt steht.

2. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungswand (220) und die zweite Strömungswand (225) aus einem ersten Material und die Leitschaufel (205) aus einem zweiten Material bestehen, wobei das erste Material und das zweite Material verschieden sind.

3. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 2, wobei das erste Material metallisch ist.

4. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 2, wobei das zweite Material Keramik ist.

5. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 2, wobei das zweite Material keramischer Matrixverbundstoff (CMC) ist.

6. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungswand ferner aufweist: einen Ansatz (221); und eine Ansatzöffnung (222), die in dem Ansatz (221) angeordnet ist.

7. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 6, wobei die Leitschaufel (205) ferner einen bei Einbau in die Gasturbine bezüglich deren Rotationsachse axialen Schwalbenschwanz (316) aufweist, der in der Ansatzöffnung (222) angeordnet ist.

8. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 7, der ferner ein Leitschaufelaufsteckteil (330) aufweist, das auf dem Ansatz (221) angeordnet ist, wobei der axiale Schwalbenschwanz (316) verschiebbar an dem Leitschaufelaufsteckteil (330) befestigt ist.

9. Leitapparatschaufelsegment (200) nach Anspruch 8, der ferner eine Endkappe (235) aufweist, die auf dem Ansatz (221) und dem Leitschaufelaufsteckteil (330) angeordnet ist.

10. Leitapparatbaugruppe (400) für eine Gasturbine, umfassend: – ein Leitapparatschaufelsegment (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – ein angrenzend an das Leitapparatschaufelsegment (200) angeordnetes Leitapparatstruktursegment (300), aufweisend: eine erste Strömungswand (320); eine zweite Strömungswand (325); eine Leitschaufel (305), die bei Einbau des Leitapparatstruktursegmentes (300) in die Gasturbine zwischen der ersten Strömungswand (320) und der zweiten Strömungswand (325) angeordnet ist, wobei die die Leitschaufel (305) mechanisch mit der ersten Strömungswand (320) verbunden ist und mit der zweiten Strömungswand (325) höchstens in Kontakt steht, und wobei die Leitschaufel (305) aus anderem Material als dem der ersten Strömungswand (320) und der zweiten Strömungswand (325) besteht, und eine Stützschaufel (310), die fest zwischen der ersten Strömungswand (320) und der zweiten Strömungswand (325) angeordnet ist, – einen von dem Leitapparatstruktursegment (300) unterstützten Zwischenstufendichtungsträger (340).