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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinen wie beispielsweise Dampfturbinen. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei eine Leitvorrichtung für eine solche Turbine, mit zumindest einer Leitschaufel, die in einem Leitkanal zwischen einem Innenleitring und einem Außenleitring angeordnet ist, wobei die Leitschaufel mit den Innen- und Außenleitringen verbunden ist.
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Um bei Turbinen das Antriebsmedium wie beispielsweise den Dampf bei einer Dampfturbine im richtigen Winkel auf die Laufschaufeln zu leiten, verwendet man üblicherweise eine Leitvorrichtung mit Leitschaufeln, die in einem sog. Leitschaufelträger fixiert und mit diesem zusammen im Turbinengehäuse montiert werden. Um eine exakte Einbaulage der Leitschaufeln zu gewährleisten, sind zu deren Positionierung im Leitschaufelträger Positionierungselemente vorgesehen. Dies kann beispielsweise ein Außenleitring sein, an dem die Leitschaufeln fixiert werden und mit dem zusammen die Leitschaufeln dann in eine entsprechende Nut in der Innenfläche des Leitschaufelträgers eingesetzt werden. Üblicherweise sind auch die radial innenliegenden Enden der Leitschaufeln mit einem dort vorgesehenen Deckband verbunden, um den Dampfkanal gegen die Turbinenwelle abzudichten, Spaltverluste zu reduzieren und mehrere Leitschaufeln zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens mechanisch zu verbinden.
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Üblicherweise werden die genannten Leitschaufeln hierbei mit Nieten an den als Deckbändern ausgebildeten Leitringen befestigt. Die Leitringe bzw. Deckbänder besitzen hierzu entsprechende Bohrungen, in die die Niete eingebracht werden können, wobei das Vernieten in der Regel in manuellen Verfahren, Schaufel für Schaufel durchgeführt wird. Die Leitschaufeln können hierbei an ihren stirnseitigen Enden Nietzapfen umfassen, mit denen sie durch die genannten Bohrungen in den deckbandförmigen Leitringen vernietet werden können.
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Um die Leitschaufeln vernünftig und stabil vernieten zu können, muss ein 90°-Winkel zwischen Nietachse und der Aufsetzfläche des Deckbandes, gegen die die Schaufelstirnseite gesetzt wird, vorgesehen werden.
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Eine solche Leitvorrichtung mit am Innenleitring vernieteten Leitschaufeln zeigt beispielsweise die Schrift
WO 97/22783 . Ähnliche Leitvorrichtungen zeigen weiterhin die Schriften
DE 195 47 653 und
DE 10 2008 051 937 .
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Für die Führung bzw. Leitung des Antriebsmediums wäre es jedoch vorteilhaft, im Bereich des Innenleitrings nicht an die durch die bisherigen Nietverfahren bedingte zylindrische Kontur des Leitrings gebunden zu sein. Bei Dampfturbinen werden die Schaufelstufen regelmäßig als Expansionsstufen ausgeführt, wobei der Dampf beim Durchströmen einer Leitschaufelstufe expandieren soll. Hierzu müssen die inneren und äußeren Begrenzungsflächen des Leitkanals in Strömungsrichtung betrachtet auseinander laufen. Entsprechende Expansionsschrägen können mit bisherigen Leitvorrichtungen jedoch nicht mit vertretbarem Fertigungsaufwand realisiert werden. Deshalb wird bislang entweder auf eine Expansionsschräge am Deckband verzichtet und auseinander laufende Konturen lediglich zwischen den Schaufelstufen bzw. unmittelbar vor und nach den Leitschaufeln vorgesehen, wodurch eine insgesamt betrachtet stufenförmige bzw. treppenartige Expansionskontur zustande kommt. Alternativ wird bisweilen auch auf eine Einzelbeschaufelung mit den dann jedoch bekannten Nachteilen ausgewichen.
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Hiervon abgesehen ergeben sich durch die bislang verwendeten Nietverfahren zur Befestigung der Deckbänder auch noch ganz andere Nachteile. Es bestehen Risiken hinsichtlich Qualität des Niets, ungewollte Verformung des Leitrings, aber auch hinsichtlich der Beschädigung der Befestigung der Leitschaufeln im Leitring, in der Regel durch einen Stift oder Ring. Dabei sind die bisherigen Nietverfahren aufwändig und benötigen qualifiziertes Fachpersonal, wobei sich die Qualität der Nieten am Werkstück nicht zerstörungsfrei prüfen lässt. Im Ergebnis eignen sich die bisherigen Nietverfahren nur bedingt für die Vergabe an Lieferanten. Da das Deckband und dessen Befestigung sicherheitsrelevant sind, können bei Ausfall einer oder mehrerer Nieten erhebliche Schäden in der Turbine auftreten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leitvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll eine einfach herstellbare, zuverlässige und sich durch Service-Freundlichkeit auszeichnende Leitvorrichtung geschaffen werden, die eine verbesserte Strömungsführung für das Arbeitsmedium ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Leitvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Turbine gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also vorgeschlagen, die Leitschaufeln mit ihren inneren Enden nicht mehr gegen ein flaches Leitband stirnseitig zu vernieten, sondern einen Innenleitring mit Ausnehmungen zu versehen, in die die Leitschaufeln mit ihren inneren Endabschnitten eingesetzt werden können und dort form-, stoff- und/oder reibschlüssig zu fixieren. Erfindungsgemäß besitzt der Innenleitring eine an die Querschnittskontur der zumindest einen Leitschaufel formangepasste Schaufelausnehmung, in der die Leitschaufel mit einem Schaufelendabschnitt aufgenommen ist, wobei sich eine Außenkontur des Innenleitrings über die Leitschaufeln hinweg stetig im Durchmesser ändern kann. Durch das Einstecken der Leitschaufeln in Schaufelausnehmungen im Innenring ist die Außenkontur des Innenleitrings nicht mehr zwangsweise zylindrisch auszubilden, wie dies beim stirnseitigen Vernieten erforderlich ist, so dass sich die Außenkontur des Innenrings nahezu beliebig ändern kann und insbesondere an die gewünschte Strömungsleitfunktion angepasst sein kann. Hiervon abgesehen ergibt sich durch das Einstecken der Leitschaufeln in die genannten Schaufelausnehmungen im Innenleitring eine stabile Fixierung der Leitschaufeln an ihrem Schaufelfuß, die die Leitschaufeln gegen Vibrationen und Schwingungen sichert.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Außenkontur des Innenrings insbesondere auch im Bereich der Leitschaufeln und deren Verbindung zum Innenleitring als sich kontinuierlich erstreckende Expansionsschräge ausgebildet sein. Ungeachtet der Anbindung der Leitschaufeln kann sich die Außenkontur des Innenleitrings über die Schaufelausnehmungen hinweg axial kontinuierlich im Durchmesser erweitern und eine gleichmäßig ansteigende und/oder gleichmäßig gekrümmte Expansionsschräge bilden. Hierdurch werden gegenüber einem treppenartigen Durchmesserverlauf deutliche Vorteile in der Weiterleitung des Arbeitsmediums erzielt, da beispielsweise bei Wasserturbinen Kavitationserscheinugen und andere unerwünschte Strömungseffekte an Unstetigkeitsstellen wie Treppenstufen vermieden werden.
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Um Spaltverluste zu vermeiden und eine stabile Sicherung der Leitschaufeln gegen Schwingungen zu erreichen, können in Weiterbildung der Erfindung die Leitschaufeln spaltfrei und formschlüssig in den Schaufelausnehmungen des Innenleitrings sitzen. Die Schaufelausnehmungen im Innenleitring können hierzu zumindest näherungsweise komplementär zur Querschnittskontur der Leitschaufeln an den Schaufelfüßen ausgebildet sein, wobei insbesondere eine spielfreie Passung, ggf. auch eine leichte Klemmpassung mit einem geringfügigen Untermaß der Schaufelausnehmungen vorgesehen sein kann.
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Die Befestigung der Schaufeln an dem Innenleitring kann hierbei grundsätzlich in verschiedener Art und Weise erfolgen. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Schaufeln durch stoffschlüssige Verbindungsmittel, insbesondere in Form einer Schweißverbindung, in den genannten Schaufelausnehmungen gehalten sein. Hierbei können am Fügerand zwischen den Schaufelausnehmungen und den Leitschaufeln Schweißpunkte oder auch eine durchgehende Schweißnaht gesetzt werden, wobei zur Reduzierung des Wärmeeintrags auch ein einzelner Schweißpunkt vorteilhaft sein kann. Sind die Schaufelausnehmungen in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung als Durchbrüche nach Art von Durchgangslöchern ausgebildet, können die genannten Schweißstellen an der Innenkontur und/oder an der Außenkontur des Innenleitrings gesetzt werden. Sind alternativ hierzu die genannten Schaufelausnehmungen in Form von sacklochartigen Taschen ausgebildet, können an der Außenkontur entsprechende Schweißpunkte gesetzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen direkten Schweißverbindung zwischen Innenleitring und Leitschaufeln können auch andere Verbindungsmittel zur Fixierung der Leitschaufeln in den genannten Schaufelausnehmungen vorgesehen sein. Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein, die beispielsweise Verriegelungsstifte oder ähnliche Formschlussmittel umfassen kann. Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung die formschlüssige Verbindungsvorrichtung einen oder mehrere ring- oder ringsegmentförmige Halteleisten umfassen, die gleichzeitig mehrere, vorzugsweise alle Leitschaufeln in den Schaufelausnehmungen festhalten. Hierzu kann der Innenleitring zumindest eine ring- oder ringsegmentförmige Halteausnehmung umfassen, in die die genannte Halteleiste einsteckbar ist, und zwar derart, dass die genannte Halteleiste mit Haltekerben in den Leitschaufeln in Eingriff bringbar ist. Die genannte Halteausnehmung bzw. der für die genannte Halteleiste vorgesehene Einsetzraum kann an dem Innenleitring derart angeordnet werden, dass sich die einzusteckenden Leitschaufeln mit dem Aufnahmeraum für die Halteleiste überdecken, so dass die genannte Halteleiste in Haltekerben oder ähnliche hinterschnittene Halteausnehmungen in den Leitschaufeln eingreifen kann. Insbesondere können die genannten kerbenartigen Halteausnehmungen an Längsseiten der Leitschaufeln vorgesehen sein.
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Die genannte Halteleiste kann hierbei durch verschiedene Verbindungsmittel an dem Innenleitring und/oder an den Leitschaufeln gesichert werden, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen, oder auch durch andere formschlüssige Haltemittel beispielsweise in Form von Klemmschrauben oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Halteleiste auch durch Verformung oder Rasthaken fixiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Halteleiste können die Leitschaufeln in den Schaufelausnehmungen auch direkt durch die genannten Verbindungsmittel gehalten werden, beispielsweise durch Verformung der Leitschaufelfußabschnitte und/oder der Randkonturen der Schaufelausnehmungen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verklebung der Leitschaufeln in den Schaufelausnehmungen bzw. an dem Innenleitring vorgesehen sein. Grundsätzlich sind auch weitere stoffschlüssige, reibschlüssige oder formschlüssige Verbindungsmittel und Kombinationen hiervon möglich.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine perspektivische Gesamtdarstellung der Leitvorrichtung für eine Turbine nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2: eine Teilschnittansicht der Leitvorrichtung aus 1, wobei ein Segment der Leitvorrichtung mit mehreren, hintereinander angeordneten Sätzen von Leitschaufeln dargestellt ist, wobei der ringförmige Leitkanal und die Befestigung der mehreren Sätze von Leitschaufeln im Leitschaufelträger zu sehen ist,
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3: eine ausschnittsweise perspektivische Schnittansicht des Innenleitrings und des Außenleitrings mit den dazwischen angebrachten Leitschaufeln,
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4: eine Schnittansicht durch die Innen- und Außenleitringe, die die Expansionsschrägen an der Innenkontur des Außenrings und an der Außenkontur des Innenrings zeigt, und
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5: eine ausschnittsweise, teilweise geschnittene perspektivische Darstellung des Innenleitrings und des Außenleitrings und der dazwischen angeordneten Leitschaufeln sowie einer Halteleiste, die die Leitschaufeln formschlüssig in den Schaufelausnehmungen des Innenleitrings hält.
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Wie die 1 und 2 zeigen, kann die Leitvorrichtung 1 einen im Wesentlichen ringförmigen Leitschaufelträger 2 umfassen, der in seinem Inneren mehrere Sätze von Leitschaufeln 3 aufnimmt, die in axialer Richtung hintereinander bzw. voneinander beabstandet angeordnet sind und sich im Wesentlichen jeweils senkrecht zu einer Längsachse des Leitschaufelträgers 2 erstrecken.
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Wie insbesondere 3 zeigt, sind die Leitschaufeln 3 einer jeden Leitschaufelebene hierbei jeweils näherungsweise radial zur Längsachse der Turbine bzw. des Leitschaufelträgers 2 angeordnet und erstrecken sich zwischen einem Außenleitring 4 und einem Innenleitring 5, mit denen die genannten Leitschaufeln 3 an ihren radial äußeren Enden bzw. radial inneren Enden verbunden sind. Wie 2 zeigt, sind die Leitschaufeln 3 hierbei mit den genannten Außenleitringen 4 in die Innenumfangskontur des Leitschaufelträgers 2 eingesetzt bzw. daran befestigt. Hierdurch ergibt sich durch die axial hintereinander angeordneten Sätze von Leitschaufeln 3 ein ringförmiger Leitkanal 6 zwischen den genannten Außen- und Innenleitringen 4 und 5, durch den das Arbeitsmedium, insbesondere Dampf hindurchtreten kann, wie dies der Pfeil 7 in 2 verdeutlicht. Der Dampf wird hierbei durch die Leitschaufeln 3 in der gewünschten Weise umgelenkt und insbesondere auch expandiert. In axialer Richtung betrachtet nimmt der Querschnitt des Leitkanals 6 in Dampfrichtung zu, vgl. 2.
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Wie die 3 bis 5 verdeutlichen, sind die Leitschaufeln 3 in Ausnehmungen in den Außen- und Innenleitringen 4 und 5 eingesetzt. Sowohl der Außenleitring 4 als auch der Innenleitring 5 besitzen jeweils an die Querschnittskontur der Leitschaufeln 3 formangepasste Schaufelausnehmungen 8, in die die üblicherweise gebogenen Leitschaufeln 3 passgenau eingesetzt werden können. Die genannten Schaufelausnehmungen 8 können hierbei insbesondere in Form von durchgangslochartigen Durchbrüchen ausgebildet sein, so dass die Leitschaufeln 3 beispielsweise von innen her oder auch von außen her durch die genannten Schaufelausnehmungen 8 hindurch gesteckt werden können.
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Um die Leitschaufeln 3 in den genannten Schaufelausnehmungen 8 fixieren zu können, können grundsätzlich verschiedene Verbindungsmittel der vorgenannten Art vorgesehen sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich hierbei durch die Verwendung von formschlüssigen Verbindungsmitteln 9, die die genannten Leitschaufeln 3 formschlüssig in den Schaufelausnehmungen 8 festhalten. Die genannten Verbindungsmittel 9 können hierbei vorteilhafterweise eine Halteleiste 10 umfassen, die ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet sein kann und im Wesentlichen einen Durchmesser besitzt, der näherungsweise dem Durchmesser des Innenleitrings 5 bzw. des Außenleitrings 4 entspricht. Wie 5 verdeutlicht, besitzen der Innenleitring 5 und auch der Außenleitring 4 jeweils eine sich quer zur Längsrichtung der Leitschaufeln 3 erstreckende Halteausnehmung 11, die sich vorteilhafterweise in Form einer Nut von einer Stirnseite her in die genannten Innen- und Außenleitringe hinein erstrecken kann, insbesondere derart, dass die genannten Halteausnehmungen 11 sich zumindest teilweise in die Schaufelausnehmungen 8 hinein erstrecken. Durch eine Überdeckung der Halteausnehmung 11 mit den Schaufelausnehmungen 8 können die Halteleisten 10 mit den in den Schaufelausnehmungen 8 sitzenden Leitschaufeln 3 in Eingriff gebracht werden und/oder diese darin sichern. Die genannten nutförmigen Halteausnehmungen 11 können hierbei vorteilhafterweise ebenfalls eine ringförmige oder ringsegmentförmige Kontur besitzen, die zumindest näherungsweise oder teilweise der Kontur der Halteleiste 10 entsprechen kann, so dass diese passgenau in die genannte Halteausnehmung 11 jeweils eingesetzt werden kann.
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Die Leitschaufeln 3 können an ihren Längsseiten jeweils im Bereich der Schaufelausnehmungen 3 und/oder im Bereich der Halteausnehmung 11 vorzugsweise seitlich offene hinterschnittene Eingriffskonturen besitzen, beispielsweise in Form von Haltekerben 12, in die die genannten Halteleisten 10 eingreifen können.
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Wie 4 zeigt, können der Außenring 4 und/oder der Innenring 5 trotz der Befestigung der Leitschaufeln 3 nahezu beliebige Umfangskonturen annehmen. Durch die genannten Schaufelausnehmungen 8 und das Einsetzen der Leitschaufeln 3 in die genannten Schaufelausnehmungen 8 kann insbesondere die Außenkontur des Innenleitrings 5 und/oder die Innenkontur des Außenleitrings 4, d. h. also die Konturen, die dem Leitkanal 6 zugewandt sind bzw. diesen begrenzen, die gewünschte Konturierung besitzen, um die Leitfunktion auszufüllen. Dies kann insbesondere eine gewünschte Expansion des Arbeitsmediums sein, so dass in diesem Fall die Innenkontur des Außenleitrings 4 und die Außenkontur des Innenleitrings 5 als Expansionsschräge 13 ausgebildet sein können. Wie 4 zeigt, kann die Expansionsschräge 13 sich kontinuierlich über die Leitschaufeln 3 hinweg in axialer Richtung im Durchmesser vergrößern, wobei hier gleiche oder unterschiedlich starke Neigungen vorgesehen werden können. Der in 4 gezeigte Neigungswinkel α der Expansionsschräge 13 des Außenleitrings 4 kann gleich groß, aber auch kleiner oder auch größer sein als der Neigungswinkel β der Expansionsschräge 13 des Innenleitrings 5. Alternativ oder zusätzlich zu einer gleichmäßig geneigten Expansionsschräge 13 kann auch eine mehr oder minder stark gekrümmte Expansionskontur oder Leitkontur vorgesehen werden, so dass sich der Winkel α und/oder der Winkel β gemäß 4 entlang der Schnittkontur gemäß 4 ändert. Anstelle einer kegeligen Expansionskontur kann beispielsweise eine parabelförmige oder hyperbolische Expansionskontur realisiert werden, da durch die Befestigung der Leitschaufeln 3 in den Schaufelausnehmungen 8 beliebige Leitkonturen an den Innen- und Außenleitringen 5 und 4 vorgesehen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 97/22783 [0005]
- DE 19547653 [0005]
- DE 102008051937 [0005]
