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Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelsegment für eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend wenigstens ein radial äußeres Deckband und ein radial inneres Deckband, die sich entlang eines jeweiligen Kreisbogens erstrecken und gemeinsam einen Ringabschnitt bilden, wobei in radialer Richtung zwischen dem äußeren Deckband und dem inneren Deckband mehrere Leitschaufeln in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, die mit dem inneren Deckband und dem äußeren Deckband materialschlüssig verbunden, insbesondere einstückig verbunden sind, wobei das äußere Deckband bezogen auf eine axiale Längsrichtung ein axial vorderes Stirnwandelement und ein axial hinteres Stirnwandelement umfasst, derart dass das äußere Deckband und die beiden Stirnwände im Längsschnitt ein wannenartiges Profil bilden, wobei am äußeren Deckband für jede Leitschaufel eine zugeordnete Verstärkungsrippe ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Stirnwänden erstreckt.
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Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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Für die Sicherung in Umfangsrichtung derartiger Leitschaufelsegmente in einem zugehörigen Gehäuse ist es bekannt, stiftartige Elemente zu verwenden (sogenannte Pin-Sicherung) oder am Leitschaufelsegment ein hierfür ausgebildetes Sicherungselement anzulöten, wobei die Verwendung von derartigen zusätzlichen Bauteilen als Sicherungselemente zusätzliche Arbeitsschritte bei der Montage erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leitschaufelsegment im Hinblick auf dessen Einbau und Sicherung in einem zugehörigen Gehäuse so zu verbessern, dass die obigen Nachteile überwunden werden können.
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Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass bei wenigstens einer Leitschaufel an der hinteren Stirnwand wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Sicherungsrippen ausgebildet sind, wobei ein durch die beiden Sicherungsrippen in Umfangsrichtung begrenzter Zwischenraum von radial außen nach radial innen verjüngend ausgebildet ist.
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Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung des Leitschaufelelements mit den beiden Sicherungsrippen und dem zwischen ihnen ausgebildeten Zwischenraum kann auf die Pin-Sicherung bzw. gelötete Sicherungselemente verzichtet werden. Dies vereinfacht den Zusammenbau bzw. die Herstellung der Gasturbine.
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Es ist bevorzugt, dass die beiden Sicherungsrippen durch eine erste Sicherungsrippe und eine zweite Sicherungsrippe gebildet sind, wobei die erste Sicherungsrippe mit der Verstärkungsrippe der in Umfangsrichtung innen liegenden zugeordneten Leitschaufel verbunden ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die zweite Sicherungsrippe nur in der hinteren Stirnwand ausgebildet ist.
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Die Ausgestaltung der beiden Sicherungsrippen stellt eine optimierte Anpassung der strukturellen Steifigkeit an der betreffenden Leitschaufel dar in Kombination mit der gewünschten Umfangssicherung durch die beiden Sicherungsrippen.
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Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die erste Sicherungsrippe und die zweite Sicherungsrippe bezogen auf eine entlang einer Umfangsrichtungstangente verlaufende Breitenrichtung voneinander verschiedene Rippenbreiten aufweisen, wobei die Umfangsrichtungstangente auf jeweils gleichem radialem Abstand vom Zentrum des Kreissegments liegt.
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Dabei ist es bevorzugt, dass die erste Sicherungsrippe oder/und die zweite Sicherungsrippe eine von radial außen nach radial innen zunehmende Breite aufweisen.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Sicherungsrippe auf gleichem radialem Abstand vom Zentrum des Kreissegments in axialer Richtung gemessene voneinander unterschiedliche Rippenhöhen aufweisen.
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Dabei kann die erste Sicherungsrippe auf gleichem radialem Abstand vom Zentrum des Kreissegments eine größere Rippenhöhe und eine größere Rippenbreite aufweisen als die zweite Sicherungsrippe.
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Aus diesen einzelnen bevorzugten Merkmalen ergeben sich zwei in ihren Dimensionen und ihrer jeweiligen Form optimal angepasste Sicherungsrippen für die Umfangssicherung des Leitschaufelsegments. Die Formgebung kann insbesondere auch dahingehend optimiert sein, dass eine verbesserte Flächenpressung zwischen den Sicherungsrippen und einem anliegenden Gehäusebauteil, insbesondere einer die beiden Sicherungsrippen aufnehmende Gehäusenut, erreicht werden kann. Hierdurch kann für die in einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine verwendeten Leitschaufelsegmente ein für jeden Betriebszustand der Gasturbine optimale Umfangssicherung ermöglicht werden.
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Das Leitschaufelsegment umfasst vorzugsweise wenigstens drei, weiter bevorzugt vier bis sechs Leitschaufeln, wobei die beiden Sicherungsrippen bezogen auf die Umfangsrichtung einer innen liegenden Leitschaufel (16, 16a), vorzugsweise der zweiten oder der dritten oder der vierten Leitschaufel zugeordnet sind. Allerdings kann das Leitschaufelsegment auch eine andere Anzahl von Leitschaufeln aufweisen, insbesondere auch 7 oder mehr. Allgemeiner kann auch gesagt werden, dass die beiden Sicherungsrippen bezogen auf die Umfangsrichtung in einem mittleren Bereich der hinteren Stirnwand angeordnet sind bzw. einer Leitschaufel zugeordnet sind, die benachbart zur Mitte der Stirnwand liegt, oder bei einer ungeraden Anzahl von Leitschaufeln der mittleren Leitschaufel zugeordnet sind.
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Um die strukturelle Steifigkeit zu verbessern ist es bevorzugt, dass die beiden Sicherungsrippen einstückig mit der hinteren Stirnwand, insbesondere einstückig mit dem Leitschaufelsegment ausgebildet sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine mit wenigstens einem ringförmigen Leitschaufelmodul, das aus mehreren oben beschriebenen Leitschaufelsegmenten zusammengesetzt ist.
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Dabei kann das Leitschaufelmodul Teil einer Turbinenstufe sein, insbesondere einer Turbinenstufe einer Niederdruckturbine.
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Bei der Gasturbine ist es ferner bevorzugt, dass ein Gehäuseelement der Turbine, insbesondere der Niederdruckturbine derart ausgestaltet ist, dass es mit den Sicherungsrippen von wenigstens einem Leitschaufelsegment in formschlüssiger oder/und reibschlüssiger Verbindung steht, derart dass das Leitschaufelsegment im Betrieb der Gasturbine zumindest in Umfangsrichtung durch die Verbindung zwischen zwischen Gehäuse und Sicherungsrippen gehalten ist. Dabei ist es bevorzugt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse und Sicherungsrippen durch eine die Sicherungsrippen aufnehmende Nut gebildet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
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1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Perspektivdarstellung eine Ausführungsform eines Leitschaufelsegments.
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2 zeigt in einer schematischen vergrößerten Perspektivdarstellung Sicherungsrippen gemäß dem gestrichelt gekennzeichneten Bereich II der 1.
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Ein in 1 vereinfacht perspektivisch dargestelltes Leitschaufelelement 10 umfasst ein radial inneres Deckband 12 (unten in 1), ein radial äußeres Deckband 14 (oben in 1) und mehrere Leitschaufeln 16, die in radialer Richtung RR zwischen den beiden Deckbändern 12 und 14 angeordnet sind. In Umfangsrichtung sind mehrere Leitschaufeln 16 nebeneinander angeordnet. Die beiden Deckbänder 14, 16 bilden einen Ringabschnitt, wobei mehrere Leitschaufelsegmente, die zu einem Leitschaufelring (nicht dargestellt) zusammengesetzt sind, in radialer Richtung RR und in Umfangsrichtung UR einen Ringkanal begrenzen, durch den in axialer Richtung AR ein Fluid, insbesondere Heißgas strömen kann.
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Die Leitschaufeln 16 sind mit den beiden Deckbändern 12 und 14 vorzugsweise materialschlüssig verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet. Ein Leitschaufelsegment 10 kann insbesondere durch Gießverfahren aus Metall hergestellt werden. Die Leitschaufeln 16 sind bevorzugt hohl ausgebildet. Am radial äußeren Deckband 14 sind Öffnungen 18 ersichtlich, die mit dem Hohlraum der einzelnen Leitschaufeln 16 in Verbindung stehen und die insbesondere dazu dienen, den Gießkern nach nach dem Gießen des Leitschaufelsegments 10 aus den einzelnen Leitschaufeln 16 wieder zu entfernen.
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Bei dem radial äußeren Deckband 14 sind in axialer Richtung AR eine vordere Stirnwand 20 und eine hintere Stirnwand 22 vorgesehen, die vom Deckband 16 aus radial nach außen vorstehen, derart dass das Deckband 16 und die Stirnwände 20, 22 ein wannenartiges Profil in einem zur Axialrichtung AR parallelen Längsschnitt aufweisen. Die Stirnwände 20, 22 sind gegenüber der radialen Richtung geneigt, vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 20° bis 45°.
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Wie aus der 1 ersichtlich, weisen die Leitschaufeln 16 ein Strömungs- bzw. Schaufelprofil auf mit einer aufgrund des Blickwinkels nicht sichtbaren konvexen Saugseite und einer konkaven Druckseite 24, wobei die Saugseite und die Druckseite 24 über eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 28 miteinander verbunden sind. Strömt Heißgas in im Wesentlichen axialer Richtung AR in den durch die Deckbänder 12, 14 und die Leitschaufeln 16 gebildeten Strömungskanälen 30 wirkt aufgrund der Strömungsprofile der Leitschaufeln 16 eine in der gezeigten Ausführungsform in Umfangsrichtung UR nach links (bzw. im Gegenuhrzeigersinn) wirkende Kraft auf das Leitschaufelsegment 10. Um die notwendige strukturelle Festigkeit zu gewährleisten, kann jeder Leitschaufel 16 im radial äußeren Deckband 14 eine Verstärkungsrippe 32 zugeordnet sein, um die wirkenden Kräfte am Deckband 14 bzw. den Stirnwänden 20, 22 abzustützen.
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Die beim Durchströmen von Heißgas in Umfangsrichtung UR wirkenden Kräfte werden ferner durch wenigstens zwei Sicherungsrippen 34, 36 an einem das Leitschaufelsegment 10 aufnehmenden Gehäuse (nicht dargestellt) abgestützt, so dass das Leitschaufelsegment 10 bzw. ein aus mehreren Leitschaufelsegmenten gebildeter Leitschaufelring einer Turbinenstufe einer Gastrubine in Umfangsrichtung gesichert ist.
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Die Ausgestaltung und Anordnung einer ersten Sicherungsrippe 34 und einer zweiten Sicherungsrippe 36 wird nachfolgend anhand der vergrößerten Darstellung der 2 erläutert, die dem gestrichelt umrandeten Bereich II der 1 entspricht.
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Die erste Sicherungsrippe 34 erstreckt sich in radialer Richtung RR von einem oberen Rand 38 der Stirnwand 22 nach unten bzw. radial innen. In ihrem oberen Bereich weist sie ausgehend vom oberen Rand 38 einen Übergangsbereich 35 auf, der bevorzugt geneigt oder stufenartig ausgebildet ist. In ihrem unteren Bereich geht sie bei 39 (Übergangsbereich) direkt in die der Leitschaufel 16a (1) zugeordnete Verstärkungsrippe 32a über. Die erste Sicherungsrippe 34 weist eine in Umfangsrichtung UR bzw. entlang einer Umfangrichtungstangente verlaufende Breite auf, wobei die Breite von radial außen nach radial innen zunimmt. In axialer Richtung steht die erste Sicherungsrippe 34 von der Stirnwand 22 ab und weist eine in axialer Richtung verlaufende zugehörige Höhe auf.
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Die zweite Sicherungsrippe 36 erstreckt sich ebenfalls in radialer Richtung RR von dem oberen Rand 38 der Stirnwand 22 nach unten bzw. radial innen. In ihrem oberen Bereich weist sie ausgehend vom oberen Rand 38 einen Übergangsbereich 37 auf, der bevorzugt geneigt oder stufenartig ausgebildet ist. Allerdings endet die zweite Sicherungsrippe in radialer Richtung RR in einem Abschlussbereich 41 zwischen Stirnwand 22 und Deckband 14, das in dieser Darstellung nur noch angedeutet ist. Die zweite Sicherungsrippe 36 ist also vorzugsweise nur an der Stirnwand 22 vorgesehen und weist keine rippenartige Fortsetzung oder Verbindung zu einer anderen Verstärkungsrippe einer Leitschaufel auf. Auch die zweite Sicherungsrippe 36 weist eine in Umfangsrichtung UR bzw. entlang einer Umfangrichtungstangente verlaufende Breite auf, wobei die Breite von radial außen nach radial innen zunimmt. In axialer Richtung steht die zweite Sicherungsrippe 36 von der Stirnwand 22 ab und weist eine in axialer Richtung verlaufende zugehörige Höhe auf.
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Die erste Sicherungsrippe 34 und die zweite Sicherungsrippe 36 sind voneinander in einem Abstand RA angeordnet, der einer Breite eines zwischen den beiden Sicherungsrippen 34, 36 gebildeten Zwischenraumes 40 entspricht. Die Breite RA des Zwischenraumes 40 nimmt von radial außen nach radial innen ab. Der Zwischenraum 40 ist also von radial außen nach radial innen verjüngend bzw. sich verengend ausgebildet. Diese Verjüngung des Zwischenraumes 40 wird dadurch gebildet, dass eine dem Zwischenraum 40 zugewandte erste Innenwand 42 der ersten Sicherungsrippe 34 und eine dem Zwischenraum 40 zugewandte zweite Innenwand 44 der zweiten Sicherungsrippe 36 geneigt zueinander verlaufen. Dabei sind beiden Innenwände 42, 44 zumindest bezogen auf eine durch die Radialrichtung RR und die Axialrichtung aufgespannte Ebene geneigt, die in der vorliegenden Darstellung im Wesentlichen orthogonal zur Zeichnungsebene verläuft.
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Jede Sicherungsrippe 34, 36 weist eine vom Zwischenraum 40 abgewandte Außenwand 46 bzw. 48 auf, wobei die Außenwand 46 der ersten Sicherungsrippe 34 zugeordnet ist und die Außenwand 48 der zweiten Sicherungsrippe zugeordnet ist. In einem zusammengebauten Zustand einer Gasturbine sind die beiden Sicherungsrippen 34, 36 in einer an einem Gehäuse ausgebildeten gemeinsamen Nut aufgenommen, derart dass die beiden Außenwände 46, 48 mit korrespondierenden Innenseiten der nicht dargestellten Gehäusenut in Kontakt kommen können bzw. stehen können. Diese flächige Anlage der Außenwände 46, 48 an den Innenseiten der Gehäusenut ermöglicht eine Abstützung des Leitschaufelsegments in Umfangsrichtung an dem Gehäuse. Die Außenwände 46, 48 der ersten Sicherungsrippe 34 und der zweiten Sicherungsrippe 36 erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel oder von radial innen nach radial außen leicht konvergent zueinander. Werden die Außenwände 46, 48 in dieser Art ausgebildet, kann das Leitschaufelelement 10 in radialer Richtung leichtgängig und einfach in die die Sicherungsrippen 34, 36 aufnehmende Nut des Gehäuses eingeführt werden. Die Nut des Gehäuses kann besonderes einfach hergestellt werden, wenn die die Nut in Umfangsrichtung begrenzenden Wandungen ebenfalls im Wesentlichen parallel oder von radial innen nach radial außen leicht konvergent zueinander verlaufen.
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Die Breite der ersten Sicherungsrippe 34 ist zwischen dem radial äußeren Übergangsbereich 35 und dem radial inneren Übergangsbereich 39 auf der gesamten radialen Länge größer als die Breite der zweiten Sicherungsrippe 36 zwischen deren radial äußerem Übergangsbereich 37 und deren Abschlussbereich 41. Zusätzlich ist die Höhe, d. h. die Erstreckung in axialer Richtung, der ersten Sicherungsrippe 34 zwischen dem Übergangsbereich 35 und dem Übergangsbereich 39 größer als die Höhe der zweiten Sicherungsrippe 36 zwischen deren Übergangsbereich 37 und deren Abschlussbereich 41. Anders ausgedrückt ist bei gleichem radialen Abstand vom Zentrum die Querschnittsfläche der ersten Sicherungsrippe 34 größer als die Querschnittsfläche der zweiten Sicherungsrippe 36. Dies gilt für die hier dargestellte Ausführungsform für die gesamte radiale Länge der ersten und der zweiten Sicherungsrippe 34, 36. Entsprechend ist die Außenfläche 46 der ersten Sicherungsrippe 34 größer als die Außenfläche der 48 der zweiten Sicherungsrippe 36.
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Die Dimensionierung der beiden Sicherungsrippen erfolgt unter Berücksichtigung der Anordnung der Leitschaufeln 16 und deren Schaufelprofil sowie den damit verbundenen Krafteinwirkungen in Umfangsrichtung auf das Leitschaufelsegment 10. Wie bereits oben beschrieben, wirken in der vorliegenden Ausführungsform beim Durchströmen von Heißgas durch das Leitschaufelsegment 10 bzw. durch einen geschlossenen Leitschaufelring größere Druckkräfte in Umfangsrichtung nach links (Gegenuhrzeigersinn), so dass im Betrieb größere Kräfte in Umfangsrichtung mittels der ersten Sicherungsrippe 34 abgestützt werden müssen. Insbesondere die größere Außenfläche 46 der ersten Sicherungsrippe 34 ermöglicht eine ausreichende Flächenpressung und Abstützung des Leitschaufelsegments 10 am Gehäuse bzw. der im Gehäuse vorgesehenen Nut.
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Die von radial außen nach radial innen abnehmende Breite RA des Zwischenraums 40 wird durch die zunehmende Breite der ersten und der zweiten Sicherungsrippe 34, 36 bewirkt. Die beiden Sicherungsrippen 34, 36 weisen somit ihre größte Breite radial innen, bezogen auf die radiale Länge der beiden Sicherungsrippen 34, 36 unterhalb (nach radial innen) ihrer jeweiligen Mitte auf. Hierdurch können insbesondere im Übergangsbereich zwischen der Verstärkungsrippe 32a der Leitschaufel 16a wirkende Kräfte, die größer sind, als diejenigen, die radial außen noch wirken, optimal über das Deckband 14, die Stirnwand 22 und die Sicherungsrippen 34, 36 abgestützt werden.
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Die hier dargestellte Ausführungsform ist rein exemplarisch. Die erste und die zweite Sicherungsrippe 34, 36 könnten auch vertauscht sein, beispielsweise wenn die Leitschaufeln 16 mit ihrem Schaufelprofil anders ausgestaltet wären, insbesondere die Druckseite und die Saugseite vertauscht wären, so dass in Umfangsrichtung größere Druckkräfte nach rechts (Uhrzeigersinn) wirken würden. Die Dimensionierung der beiden Sicherungsrippen kann an unterschiedliche Gasturbinen bzw. unterschiedliche Gehäuse angepasst werden. Dabei können unterschiedliche Formen und Dimensionen der beiden Sicherungsrippen 34, 36 bereits bei der Herstellung eines Leitschaufelsegments 10 berücksichtigt werden, so dass ein fertig hergestelltes, insbesondere gegossen Leitschaufelelement 10, bereits die beiden Sicherungsrippen 34, 36 aufweist, die einstückig mit dem Leitschaufelsegment ausgebildet sind. Insgesamt kann durch die Wahl und Dimensionierung der beiden Sicherungsrippen eine optimierte Einstellung der Flächenpressung zwischen den Sicherungsrippen und der Gehäusenut erreicht werden. Ferner ergibt sich eine Kostenersparnis bei der Gehäusefertigung durch die Wahl eines optimierten Abstandes zwischen den beiden Sicherungsrippen, durch den Wegfall von zusätzlichen Bearbeitungsschritten, wie etwa Auftrag von Lotmaterial oder Einsetzen von Sicherungsstiften und dergleichen. Die beiden Sicherungsrippen 34, 36 ermöglichen also insgesamt eine flexible Anpassung an notwendige strukturelle Gegebenheiten eines Gasturbinentyps, bei dem die Leitschaufelsegmente zum Einsatz kommen sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leitschaufelelement
- 12
- radial inneres Deckband
- 14
- radial äußeres Deckband
- 16/16a
- Leitschaufel
- 18
- Öffnung
- 20
- vordere Stirnwand
- 22
- hintere Stirnwand
- 24
- Druckseite
- 26
- Vorderkante
- 28
- Hinterkante
- 30
- Strömungskanäle
- 32/32a
- Verstärkungsrippe
- 34
- erste Sicherungsrippe
- 35
- Übergangsbereich
- 36
- zweite Sicherungsrippe
- 37
- Übergangsbereich
- 38
- oberer Rand
- 39
- Übergangsbereich
- 40
- Zwischenraum
- 41
- Abschlussbereich
- 42
- erste Innenwand der ersten Sicherungsrippe
- 44
- zweite Innenwand der zweiten Sicherungsrippe
- 46
- Außenwand der ersten Sicherungsrippe
- 48
- Außenwand der zweiten Sicherungsrippe
- AR
- axiale Richtung
- RA
- Breite des Zwischenraums 40
- RR
- radiale Richtung
- UR
- Umfangsrichtung
