DE102015212933A1

DE102015212933A1 - Guide device for a turbine stage

Info

Publication number: DE102015212933A1
Application number: DE102015212933.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Jankura; David Luczewsky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitvorrichtung (1) für eine Turbinenstufe einer Turbine. Die Leitvorrichtung (1) umfasst einen inneren Leitschaufelring (2) und einen äußeren Leitschaufelring (3) und mehrere zwischen dem inneren Leitschaufelring (2) und dem äußeren Leitschaufelring (3) befestigten Leitschaufeln (4). Die Leitschaufeln (4) sind als Hohlschaufeln mit einem im Wesentlichen tragflächenförmigen Querschnittsprofil (5) ausgebildet und jeweils durch eine stoffschlüssige Verbindung (6) mit dem inneren Leitschaufelring (2) und dem äußeren Leitschaufelring (3) verbunden. Die Leitschaufeln (4) weisen im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung (6), im sich verjüngendem Bereich (7) des Querschnittsprofils (5) eine Materialverdickung (8) auf. Die Materialverdickung (8) sorgt für einen gleichmäßigen Wärmeeintrag und ermöglicht somit die stoffschlüssige Verbindung zwischen den dünnwandigen Leitschaufeln (4) und dem inneren Leitschaufelring (2) sowie dem äußeren Leitschaufelring (3). The invention relates to a guide device (1) for a turbine stage of a turbine. The guide device (1) comprises an inner vane ring (2) and an outer vane ring (3) and a plurality of vanes (4) secured between the inner vane ring (2) and the outer vane ring (3). The guide vanes (4) are formed as hollow blades with a substantially wing-shaped cross-sectional profile (5) and in each case by a cohesive connection (6) with the inner vane ring (2) and the outer vane ring (3). The guide vanes (4) have a material thickening (8) in the region of the material connection (6), in the tapered region (7) of the cross-sectional profile (5). The material thickening (8) ensures a uniform heat input and thus enables the cohesive connection between the thin-walled vanes (4) and the inner vane ring (2) and the outer vane ring (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitvorrichtung für eine Turbinenstufe einer Turbine, vorzugsweise einer Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. The invention relates to a guide device for a turbine stage of a turbine, preferably a steam turbine according to the preamble of the independent claim 1.

Eine gattungsgemäße Leitvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 97/22783 bekannt. Leitvorrichtungen werden verwendet, um das Arbeitsmedium einer Turbine beispielsweise Dampf bei einer Dampfturbine, im richtigen Winkel auf die Laufschaufel der Turbine zu leiten und so einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Leitschaufeln sind dabei üblicher Weise zwischen einem inneren und einem äußeren Leitring befestigt, welcher im so genannten Leitschaufelträger fixiert und mit diesem im Turbinengehäuse montiert ist. Zur Befestigung der Leitschaufeln im Leitring werden der Profilierung der Leitschaufeln entsprechende Öffnungen in den Leitring eingebracht und in diese die Leitschaufel eingeschoben und mit Stiften fixiert. Das Einbringen der profilierten Öffnungen im Leitring erfolgt durch Drahterodieren. Das Herstellen einer solchen Leitvorrichtung benötigt einen hohen Arbeitsaufwand und ist somit mit hohen Kosten verbunden. A generic guide is for example from the WO 97/22783 known. Guiding devices are used to direct the working medium of a turbine, for example steam in a steam turbine, at the correct angle to the blade of the turbine and thus to achieve the highest possible efficiency. The guide vanes are usually mounted between an inner and an outer guide ring, which is fixed in the so-called guide vane and mounted with this in the turbine housing. For attachment of the guide vanes in the guide ring of the profiling of the vanes corresponding openings are introduced into the guide ring and inserted into this the guide vane and fixed with pins. The introduction of the profiled openings in the guide ring is carried out by wire erosion. The production of such a guide requires a lot of work and is therefore associated with high costs.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitvorrichtung bereitzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine vereinfachte Herstellung und eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht. Starting from the prior art, it is an object of the present invention to provide a guide device, which compared to the prior art, a simplified production and a more cost-effective production possible.

Die erfindungsgemäße Leitvorrichtung für eine Turbinenstufe einer Turbine, umfassend einen inneren Leitschaufelring und einen äußeren Leitschaufelring und mehreren zwischen dem inneren Leitschaufelring und dem äußeren Leitschaufelring befestigten Leitschaufeln, zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitschaufeln als Hohlschaufeln mit einem im Wesentlichen tragflächenförmigen Querschnittsprofil ausgebildet sind und jeweils durch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem inneren Leitschaufelring und dem äußeren Leitschaufelring verbunden sind, wobei die Leitschaufeln im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung, im sich verjüngenden Bereich des Querschnittsprofils (abströmseitig) eine Materialverdickung aufweisen. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Leitschaufelringen und den Leitschaufeln kann auf die aufwändige und kostenintensive Erodierung der Öffnungen im Leitschaufelringen verzichtet werden. Die Materialverdickung im sich verjüngenden Bereich des Querschnittsprofils der Leitschaufeln ermöglicht dabei die stoffschlüssige Verbindung, ohne dass es in diesem Bereich der Leitschaufeln zu einer thermischen Überbelastung des Materials kommt. Der verjüngende Bereich der Hohlleitschaufeln ist in diesem Bereich sehr dünnwandig und dadurch sehr empfindlich bezüglich thermischer Beanspruchung. Durch die Materialverdickung in diesem Bereich wird eine stoffschlüssige Verbindung erstmals ermöglicht. The turbomachine turbine nozzle guide apparatus according to the invention, comprising an inner vane ring and an outer vane ring and a plurality of stator vanes secured between the inner vane ring and the outer vane ring, is characterized in that the vanes are formed as hollow vanes having a substantially airfoil-shaped cross-sectional profile and respectively are connected by a cohesive connection with the inner vane ring and the outer vane ring, wherein the guide vanes in the region of the material connection, in the tapered region of the cross-sectional profile (downstream) have a thickening of material. The cohesive connection between the vane rings and the guide vanes eliminates the costly and costly erosion of the vents in the vane rings. The thickening of the material in the tapering region of the cross-sectional profile of the guide vanes makes possible the integral connection without thermal overstressing of the material in this region of the guide vanes. The tapered portion of the hollow vanes is very thin-walled in this area and thus very sensitive to thermal stress. Due to the material thickening in this area, a cohesive connection is made possible for the first time.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die stoffschlüssige Verbindung eine Schweißverbindung ist. Durch Schweißen lässt sich eine besonders einfache, dauerhafte und sichere stoffschlüssige Verbindung zwischen den Leitschaufelringen und den Leitschaufeln erzielen. An embodiment of the invention provides that the cohesive connection is a welded connection. By welding, a particularly simple, durable and secure cohesive connection between the guide vane rings and the guide vanes can be achieved.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Materialverdickung im Wesentlichen keilförmig ausgebildet ist, wobei sich der Keil in Richtung des sich verjüngenden Querschnitts öffnet. Durch diese spezielle geometrische Ausgestaltung der Materialverdickung wird ein gleichmäßiger Wärmeeintrag im sensiblen, sich verjüngenden Bereich des Querschnittsprofils erzielt. Durch den gleichmäßigen Wärmeeintrag wird auch ein Verzug durch thermische Spannungen weitgehend vermieden. A further embodiment of the invention provides that the material thickening is formed substantially wedge-shaped, wherein the wedge opens in the direction of the tapered cross section. Through this special geometric design of the material thickening a uniform heat input in the sensitive, tapered region of the cross-sectional profile is achieved. Due to the uniform heat input and distortion due to thermal stresses is largely avoided.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die erfindungsgemäße Leitvorrichtung es erstmals möglicht ist, Leitschaufeln mit Hohlprofil auf einfachste und kostengünstige Weise durch Einschweißen der Hohlleitschaufel zwischen einen inneren Leitschaufelring und einem äußeren Leitschaufelring herzustellen. Bislang war das stoffschlüssige Verbinden, insbesondere das Einschweißen von Hohlleitschaufeln sehr problematisch, da die Wandstärke der Hohlleitschaufeln insbesondere im sich verjüngenden Profilbereich sehr gering war und damit eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere ein Schweißen nicht möglich war. Durch die Ausbildung einer Materialverdickung in diesem sensiblen Bereich wird eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere ein Schweißen, erstmals ermöglicht. In summary, it can be stated that the guide device according to the invention makes it possible for the first time to produce guide vanes with a hollow profile in a simple and cost-effective manner by welding the hollow guide vane between an inner vane ring and an outer vane ring. So far, the cohesive bonding, in particular the welding of hollow vanes was very problematic because the wall thickness of the hollow vanes was very low, especially in the tapered profile area and thus a cohesive connection, in particular welding was not possible. By forming a material thickening in this sensitive area, a cohesive connection, in particular welding, is made possible for the first time.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. An embodiment of the invention will be explained below with reference to FIGS.

1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer als Hohlschaufel ausgebildeten Leitschaufel einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung; 1 shows a three-dimensional representation of a trained as a hollow blade vane of a guide device according to the invention;

2 zeigt eine Detailansicht einer Materialverdickung im sich verjüngenden Bereich eines Querschnittsprofils der in 1 dargestellten Leitschaufel; 2 shows a detailed view of a material thickening in the tapered region of a cross-sectional profile of in 1 illustrated vane;

3 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Leitvorrichtung mit den in 1 und 2 dargestellten Leitschaufeln. 3 shows a representation of a guide device according to the invention with the in 1 and 2 illustrated vanes.

Die Figuren zeigen zum Teil vereinfachte Darstellungen, bei denen nur die zur Erfindung wesentlichen Teile dargestellt sind. The figures show partly simplified representations in which only the essential parts of the invention are shown.

1 zeigt eine Leitschaufel (4) für eine erfindungsgemäße Leitvorrichtung. Die Leitschaufel (4) ist als Hohlschaufel ausgebildet. Die Ausbildung als Hohlschaufel dient dazu, insbesondere bei Dampfturbinen, Flüssigkeit von der Leitschaufeloberfläche abzusaugen und so eine Tropfenschlagerosion innerhalb der Turbine zu vermeiden. Die Leitschaufel (4) weist einen im Wesentlichen tragflächenförmigen Querschnitt (5) aus. Dies bedeutet, dass sie eine Einström- und eine Abströmseite (9, 10) aufweist, wobei sich der Querschnitt zur Abströmseite (10) hin verjüngt. Auf Grund der Verjüngung weist die Leitschaufel (4) im hinteren verjüngenden Bereich (7) nur eine sehr geringe Wandstärke auf, die ein Schweißen der Leitschaufel (4) an einen Leitschaufelring (2, 3) (siehe 3) erschwert oder gar unmöglich macht. Aus diesem Grund ist im sich verjüngenden Bereich (7) des Querschnittsprofils (5) eine Materialverdickung (8) vorgesehen. Auf Grund dieser Materialverdickung (8) ist eine stoffschlüssige Verbindung (6) (siehe 3), insbesondere ein Schweißen der Leitschaufel (4) an den oberen und unteren Leitschaufelring (2, 3) (siehe 3) möglich, ohne dass es zu einem Verzug oder gar einer Zerstörung der Leitschaufeln (4) der Leitschaufeln (4) auf Grund des hohen thermischen Eintrags kommt. 1 shows a vane ( 4 ) for a guide device according to the invention. The vane ( 4 ) is designed as a hollow blade. The education as Hollow blade serves, especially in steam turbines, to suck liquid from the vane surface and thus to avoid drop impact erosion within the turbine. The vane ( 4 ) has a substantially wing-shaped cross-section ( 5 ) out. This means that they have an inflow and an outflow side ( 9 . 10 ), wherein the cross section to the downstream side ( 10 ) tapers. Due to the taper, the vane ( 4 ) in the rear tapered region ( 7 ) only a very small wall thickness, which is a welding of the guide vane ( 4 ) to a vane ring ( 2 . 3 ) (please refer 3 ) makes it difficult or even impossible. For this reason, in the tapered area ( 7 ) of the cross-sectional profile ( 5 ) a material thickening ( 8th ) intended. Due to this material thickening ( 8th ) is a material connection ( 6 ) (please refer 3 ), in particular a welding of the vane ( 4 ) to the upper and lower guide vane ring ( 2 . 3 ) (please refer 3 ), without causing distortion or even destruction of the guide vanes ( 4 ) of the guide vanes ( 4 ) comes due to the high thermal input.

Die Detailansicht der Materialverdickung (8) ist in 2 gezeigt. Die Materialverdickung (8) ist im Wesentlichen keilförmig ausgebildet, wobei sich der Keil (9) in Richtung des sich verjüngenden Querschnittes (7) öffnet. Durch diese spezielle Keilgeometrie erzielt man eine Vergleichmäßigung der Wanddicke im sich verjüngenden Profilquerschnitt (7). Hierdurch wird die thermische Belastung reduziert. Eine stoffschlüssige Verbindung (6), insbesondere ein Schweißen wird dadurch auch in diesem empfindlichen Bereich ermöglicht. Hierdurch lässt sich eine geschweißte Leitvorrichtung (1) auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Eine solche geschweißte Leitvorrichtung (1) ist in 3 dargestellt (Darstellung zeigt nur die obere Hälfte der Leitvorrichtung). Die Leitvorrichtung (1) besteht aus einem inneren Leitschaufelring (2) und einem äußeren Leitschaufelring (3) zwischen denen die Leitschaufeln (4) angeordnet und mit den Leitschaufelring (3, 4) verschweißt sind. Die Schweißung erfolgt dabei zwischen jeweils zwischen den Leitschaufelringen (3, 4) und dem äußeren durch Materialverdickung (8) verstärkten Bereich der Leitschaufel (8). Die Leitschaufeln (8) sind dabei vorzugsweise im gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Das Schweißen der Leitschaufeln (8) zwischen dem inneren und dem äußeren Leitschaufelrin (3, 4) ermöglicht eine sehr einfache Konstruktion im Gegensatz zu dem bislang aufwändigen drahterrodierten Leitringen. Neben dem Drahterrodieren der Leitringe entfällt auch das zusätzliche Sichern der Leitschaufeln im Leitschaufelring mittels Stiften, wie es bislang notwendig war. Hierdurch verringert sich die Montagezeit erheblich. The detailed view of the material thickening ( 8th ) is in 2 shown. The material thickening ( 8th ) is substantially wedge-shaped, with the wedge ( 9 ) in the direction of the tapered cross section ( 7 ) opens. This special wedge geometry achieves an equalization of the wall thickness in the tapered profile cross section (FIG. 7 ). This reduces the thermal load. A cohesive connection ( 6 ), in particular welding is thereby made possible even in this sensitive area. This allows a welded guide device ( 1 ) in a simple and inexpensive manner. Such a welded guide device ( 1 ) is in 3 shown (representation shows only the upper half of the guide). The guiding device ( 1 ) consists of an inner vane ring ( 2 ) and an outer vane ring ( 3 ) between which the guide vanes ( 4 ) and with the vane ring ( 3 . 4 ) are welded. The welding takes place between each between the guide vane rings ( 3 . 4 ) and the outer by material thickening ( 8th ) reinforced area of the vane ( 8th ). The vanes ( 8th ) are preferably arranged at a uniform distance from each other. Welding the guide vanes ( 8th ) between the inner and outer vanes ( 3 . 4 ) allows a very simple construction in contrast to the previously elaborate wire-cut guide rings. In addition to the wire erosion of the guide rings, the additional securing of the guide vanes in the guide vane ring by means of pins, as was previously necessary. This considerably reduces the assembly time.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäße Leitvorrichtung eine besonders einfache und schnelle Herstellung Montage ermöglicht. Die erfindungsgemäße Leitvorrichtung eignet sich für sämtliche Turbinenarten, insbesondere für die Turbinenstufe von Dampfturbinen. In summary, it can be stated that the guide device according to the invention enables a particularly simple and rapid manufacture of the assembly. The guide device according to the invention is suitable for all turbine types, in particular for the turbine stage of steam turbines.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 97/22783 [0002]

Claims

Guide device ( 1 ) for a turbine stage of a turbine, comprising an inner vane ring ( 2 ) and an outer vane ring ( 3 ) and several between the inner vane ring ( 2 ) and the outer vane ring ( 3 ) attached vanes ( 4 ), characterized in that the guide vanes ( 4 ) as hollow blades with a substantially wing-shaped cross-sectional profile ( 5 ) are formed and in each case by a cohesive connection ( 6 ) with the inner vane ring ( 2 ) and the outer vane ring ( 3 ), the guide vanes ( 4 ) in the region of the cohesive connection ( 6 ), in the tapered area ( 7 ) of the cross-sectional profile (downstream) a thickening of the material ( 8th ) exhibit.

Guide vane device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cohesive connection ( 6 ) is a welded joint.

Guide vane device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the material thickening ( 8th ) is substantially wedge-shaped, wherein the wedge ( 9 ) in the direction of the tapered region ( 7 ) opens the cross section.