DE102017105760A1 - Gasturbine, Leitschaufelkranz einer Gasturbine und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Gasturbine, Leitschaufelkranz einer Gasturbine und Verfahren zum Herstellen desselben Download PDF

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Abstract

Gasturbine (10) mit einem als Axialverdichter ausgebildeten Verdichter (11), wobei der Verdichter (11) statorseitige Leitschaufeln (30, 30a) und rotorseitige Laufschaufeln (29) aufweist, mit einem mindestens eine Brennkammer (21) aufweisenden Brenner (13); mit einer Turbine (12); mit einem in Strömungsrichtung der verdichteten Luft gesehen stromabwärts des Verdichters (12) angeordneten Diffusor (22), der eine Innenwand (26) und eine Außenwand (27) aufweist; mit einem sich an die Außenwand (27) anschließenden Zwischengehäuse (28). Ein austrittseitiger Leitschaufelkranz (32) statorseitiger, austrittseitiger Leitschaufeln (30a) des Verdichters (11) verfügt über ein Innendeckband (33) und ein Außendeckband (34) verfügt, wobei am Außendeckband (34) des Leitschaufelkranzes (32) erste Befestigungseinrichtungen (35) ausgebildet sind, über die der Leitschaufelkranz (32) unmittelbar an das Zwischengehäuse (28) befestigt ist, und wobei am Innendeckband (33) des Leitschaufelkranzes (32) zweite Befestigungseinrichtungen (36) ausgebildet sind, über die die Innenwand (25) des Diffusors (22) unmittelbar an dem Leitschaufelkranz (32) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbine. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen austrittseitigen Leitschaufelkranz aus statorseitigen Leitschaufeln eines als Axialverdichter ausgebildeten Verdichters einer Gasturbine und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • Der grundsätzliche Aufbau einer Gasturbine, wie zum Beispiel einer Industriegasturbine, ist dem hier angesprochenen Fachmann grundsätzlich bekannt. So verfügt eine Gasturbine als wesentliche Baugruppen über einen Verdichter, über einen mindestens eine Brennkammer aufweisenden Brenner sowie über eine Turbine. Im Verdichter wird ein Luftstrom verdichtet, wobei der in dem Verdichter verdichtete Luftstrom der oder jeder Brennkammer der Gasturbine zuführbar ist. In der oder jeder Brennkammer der Gasturbine wird in Anwesenheit der verdichteten Luft ein Brennstoff verbrannt, wodurch die Luft erhitzt wird. Die erhitzte Luft ist ausgehend von der oder jeder Brennkammer der Turbine der Gasturbine zuführbar, wobei in der Turbine die erhitzte Luft entspannt wird.
  • Die Arbeitsleistung einer solchen Gasturbine ergibt sich dann aus der Differenz der von der Turbine abgegebenen und der vom Verdichter aufgenommenen Leistung. Diese Differenz entsteht durch den Energieeintrag in der oder jeder Brennkammer des Brenners.
  • Aus der EP 2 372 161 B1 ist eine Gasturbine mit einem als Axialverdichter ausgebildeten Verdichter, mit einem mindestens eine Brennkammer aufweisenden Brenner und mit einer Turbine bekannt.
  • Aus der Praxis ist es weiterhin bekannt, dass eine Gasturbine stromabwärts des Verdichters einen ersten Diffusor und stromabwärts der Turbine einen zweiten Diffusor aufweist, um über den ersten Diffusor unmittelbar stromabwärts des Verdichters die verdichtete Luft und mit dem zweiten Diffusor unmittelbar stromabwärts der Turbine die entspannte Luft zu führen. Der stromabwärts des Verdichters positionierte erste Diffusor verfügt dabei über eine Innenwand und eine Außenwand, wobei sich an die Außenwand dieses ersten Diffusors ein Zwischengehäuse der Gasturbine anschließt.
  • Bei aus der Praxis bekannten Gasturbinen bereitet die Verbindung des stromabwärts des Verdichters positionierten Diffusors mit statorseitigen Baugruppen der Gasturbine Schwierigkeiten. Insbesondere bereitet es Schwierigkeiten, die Innenwand des Diffusors mit ausreichender Qualität zu befestigen. So unterliegen der Diffusor und angrenzende statorseitige Baugruppen der Gasturbine thermischen Belastungen, insbesondere Temperaturschwankungen, die thermische bedingte Dehnungen in der Verbindung des Diffusors mit den statorseitigen Baugruppen der Gasturbine verursachen können. Dadurch kann die Qualität der Verbindung des Diffusors mit angrenzenden statorseitigen Baugruppen der Gasturbine beeinträchtigt werden.
  • Es besteht Bedarf daran, den Diffusor einer Gasturbine, insbesondere die Innenwand des Diffusors, mit hoher Qualität an einer statorseitigen Baugruppe einer Gasturbine zu befesigen.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Gasturbine, einen austrittseitigen Leitschaufelkranz einer solchen Gasturbine und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 1 gelöst.
  • Ein austrittseitiger Leitschaufelkranz statorseitiger Leitschaufeln des Verdichters verfügt über ein Innendeckband und ein Außendeckband. Am Außendeckband des austrittseitigen Leitschaufelkranzes der statorseitigen Leitschaufeln sind erste Befestigungseinrichtungen ausgebildet, über die der Leitschaufelkranz unmittelbar an dem Zwischengehäuse befestigt ist. Am Innendeckband des austrittseitigen Leitschaufelkranzes der statorseitigen Leitschaufeln sind zweite Befestigungseinrichtungen ausgebildet sind, über die die Innenwand des Diffusors unmittelbar an den Leitschaufelkranz befestigt ist.
  • Bei der Gasturbine stellen die austrittsseitigen, statorseitigen Leitschaufeln einen Leitschaufelkranz mit einem Innendeckband und einem Außendeckband bereit. An dem Außendeckband sind erste Befestigungseinrichtungen ausgebildet, über die der Leitschaufelkranz unmittelbar an das Zwischengehäuse angebunden ist. Am Innendeckband sind zweite Befestigungseinrichtungen ausgebildet, über die die Innenwand des Diffusors unmittelbar an dem austrittsseitigen Leitschaufelkranz angebunden ist. Dadurch kann die Innenwand des Diffusors einfach und mit hoher Qualität über den Leitschaufelkranz an das Zwischengehäuse angebunden und in definierter zentrischer Position gehalten werden. Temperaturbedingte Dehnungen in der Anbindung der Innenwand des Diffusors können reduziert werden.
  • Vorzugsweise ist die Außenwand des Diffusors unmittelbar an das Zwischengehäuse angebunden oder integraler Bestandteil desselben. Hierdurch kann die Anbindung des Diffusors an statorseitige Baugruppen der Gasturbine weiter verbessert werden. Auch hier besteht eine geringe Gefahr temperaturbedingter Dehnungen.
  • Nach einer Weiterbildung ist ein Verhältnis zwischen einer Dicke der statorseitigen Leitschaufeln des austrittseitigen Leitschaufelkranzes und einer Dicke des Innendeckbands des Leitschaufelkranzes und/oder ein Verhältnis zwischen einer Dicke der statorseitigen Leitschaufeln des austrittseitigen Leitschaufelkranzes und einer Dicke des Außendeckbands des Leitschaufelkranzes größer bzw. größer/gleich als 1:5.
  • Diese Verhältnisse der Dicke der statorseitigen Leitschaufeln des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes und der Dicke der Deckbänder des Leitschaufelkranzes sind bevorzugt, um eine sichere Anbindung des Leitschaufelkranzes an das Zwischengehäuse sowie der Innenwand des Diffusors an den Leitschaufelkranz zu gewährleisten.
  • Der austrittseitige Leitschaufelkranz aus statorseitigen, austrittseitigen Leitschaufeln eines als Axialverdichter ausgebildeten Verdichters einer Gasturbine ist in Anspruch 9 definiert.
  • Das Verfahren zum Herstellen des Leitschaufelkranzes aus statorseitigen Leitschaufeln ist in Anspruch 10 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 eine Gasturbine nach dem Stand der Technik im Querschnitt;
    • 2 ein Detail einer erfindungsgemäßen Gasturbine im Bereich eines Zwischengehäuses derselben im Querschnitt;
    • 3 ein vergrößertes Detail der 2;
    • 4 ein Detail der Gasturbine in perspektivischer Ansicht, und
    • 5 ein alternatives Detail der Gasturbine in perspektivischer Ansicht.
  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbine.
  • 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Gasturbine 10 im Bereich eines Verdichters 11, einer Turbine 12 und eines mindestens eine Brennkammer aufweisenden, zwischen den Verdichter 11 und die Turbine 12 geschalteten Brenners 13. Von dem Verdichter 11 sind ein statorseitiges Gehäuse 14 und eine rotorseitige Welle 15 mit mehreren Verdichterstufen gezeigt. Von der Turbine 12 sind ein statorseitiges Gehäuse 16 und eine rotorseitige Welle 17 mit mehreren Turbinenstufen gezeigt. Die rotorseitige Welle 15 des Verdichters 11 und die rotorseitige Welle 17 der Turbine 12 sind miteinander gekoppelt.
  • Von dem Brenner 13 ist ein Brennergehäuse 18 gezeigt, welches zwischen das statorseitige Gehäuse 14 des Verdichters 11 und das statorseitige Gehäuse 16 der Turbine 12 geschaltet ist. Vorzugsweise weist das Brennergehäuse 18 mehrere Ausnehmungen 19 auf, wobei jede Ausnehmung 19 der Aufnahme jeweils mindestens eines Flammrohrs 20 einer jeweiligen Brennkammer 21 dient. Über den Umfang des Brennergehäuses 18 sind diese Ausnehmungen 19 zur Aufnahme der Flammrohre 20 vorzugsweise in Umfangsrichtung gesehen gleichverteilt angeordnet.
  • Der Verdichter 11 dient der Verdichtung eines Luftstroms. Der verdichtete Luftstrom verlässt den Verdichter 11 über einen Diffusor 22 und gelangt über den Diffusor 22 in einen ringförmigen Strömungskanal 23, der vom Brennergehäuse 18 bereitgestellt wird. Ausgehend von diesem ringartigen Strömungskanal 23 des Brennergehäuses 18 gelangt die verdichtete Luft in den Bereich jeder Brennkammer 21 und damit in den Bereich jedes Flammrohrs 20, wobei im Bereich der jeweiligen Brennkammer 21 ein Kraftstoff verbrannt wird und hierbei die Luft erhitzt wird. Die erhitzte Luft wird ausgehend von der jeweiligen Brennkammer 21 der Turbine 12 zugeführt, wobei hierzu Zwischenstücke 24 dienen. Ausgehend von jeder Brennkammer 21 kann die erhitzte Luft über jeweils ein Zwischenstück 24 der Turbine 12 der Gasturbine 10 zugeführt werden. Im Bereich der Turbine 12 der Gasturbine 10 wird die erhitzte Luft entspannt. Stromabwärts der Turbine 12 ist ein weiterer Diffusor 25 angeordnet, über den die entspannte Luft stromabwärts der Turbine 12 geführt wird.
  • Der sich unmittelbar an den Verdichter 11 anschließende Diffusor 22 weist eine radial innere Innenwand 26 und eine radial äußere Außenwand 27 auf, wobei diese Innenwand 26 und Außenwand 27 des Diffusors 22 einen Strömungskanal für die verdichtete Luft in Richtung auf den Brenner 13 definieren. An die Außenwand 27 des Diffusors 22 schließt sich ein Zwischengehäuse 28 der Gasturbine an.
  • In Strömungsrichtung der verdichteten Luft gesehen stromaufwärts des Diffusors 22 ist der Verdichter 11 positioniert, wobei der Verdichter 11, wie bereits ausgeführt, typischerweise mehrere Stufen aus rotorseitigen Laufschaufeln 29 und statorseitigen Leitschaufeln 30 aufweist. Die rotorseitigen Laufschaufeln 30 rotieren zusammen mit der rotorseitigen Welle 15 des Verdichters 11, statorseitige Leitschaufeln 30 sind in einem Leitschaufelträger 31 des statorseitigen Gehäuses 14 des Verdichters 11 befestigt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine 10 bilden die austrittsseitigen, statorseitigen Leitschaufeln 30a einen Kranz 32 aus Leitschaufeln 30a, der auch als austrittsseitiger Leitschaufelkranz bezeichnet wird. Dieser austrittsseitige Leitschaufelkranz 32 verfügt über ein Innendeckband 33 und ein Außendeckband 34.
  • An dem Außendeckband 34 des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 sind erste Befestigungseinrichtungen 35 ausgebildet, über die der Leitschaufelkranz 32 unmittelbar an das Zwischengehäuse 28 angebunden bzw. unmittelbar an dem Zwischengehäuse 28 befestigt werden kann.
  • An dem Innendeckband 33 des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 sind zweite Befestigungseinrichtungen 36 ausgebildet, über die die Innenwand 26 des Diffusors 22 unmittelbar an den Leitschaufelkranz 32 angebunden ist bzw. unmittelbar an dem austrittsseitigen Leitschaufelkranz 32 befestigt werden kann.
  • Die Außenwand 27 des Diffusors 22 kann separat am Zwischengehäuse 28 befestigt sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Außenwand 27 des Diffusors 22 integraler Bestandteil des Zwischengehäuses 28.
  • Bei der erfindungsgemäßen Gasturbine wird demnach vorgeschlagen, die austrittsseitigen Leitschaufeln 30a in einem ein Innendeckband 33 und ein Außendeckband 34 aufweisenden, separaten Leitschaufelkranz 32 zusammenzufassen, wobei dieser Leitschaufelkranz 32 über die ersten Befestigungseinrichtungen 35 des Außendeckbands 34 unmittelbar an dem Zwischengehäuse 28 angebunden ist, und wobei die Innenwand 26 des Diffusors 22 unmittelbar an den Befestigungseinrichtungen 36 des Innendeckbands 33 des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 angebunden ist. Hiermit kann eine optimale Verbindung des Diffusors 22 mit statorseitigen Baugruppen, nämlich mit dem Zwischengehäuse 28 bereitgestellt werden.
  • Die statorseitigen Leitschaufeln 30 des Leitschaufelkranzes 32 bilden zusammen mit dem Innendeckband 33, dem Außendeckband 34 und den ersten und zweiten Befestigungseinrichtungen 35, 36 eine monolithische Baugruppe.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Leitschaufeln 30a des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 eine Tandem-Anordnung ausbilden. Jeweils zwei solche austrittsseitigen Leitschaufeln 30a bilden jeweils eine Tandem-Anordnung aus in Axialrichtung unmittelbar hintereinander angeordneten Leitschaufeln 30a aus.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen einer Dicke der statorseitigen Leitschaufeln 30a des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 und einer Dicke des Innendeckbands 33 desselben größer bzw. größer/gleich als 1:5 ist. Ferner ist auch ein Verhältnis zwischen der Dicke der statorseitigen Leitschaufeln 30a und einer Dicke des Außendeckbands 34 des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 größer bzw. größer/gleich als 1:5.
  • Unter der Dicke des jeweiligen Deckbands 33, 34 ist der Abstand zwischen zwei Begrenzungsflächen des jeweiligen Deckbands in Radialrichtung gesehen zu verstehen.
  • Unter der Dicke der jeweiligen statorseitigen Leitschaufel 30a des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 ist ein maximaler Abstand zwischen einer Saugseite und einer Druckseite der jeweiligen Leitschaufeln 30a zu verstehen.
  • Insbesondere dann, wenn die Leitschaufeln 30a des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 in Tandem-Anordnung ausgeführt sind, kann vorgesehen sein, die monolithische Baugruppe des austrittsseitigen Leitschaufelkranzes 32 über ein generatives bzw. additives Fertigungsverfahren, insbesondere über 3D-Druck, herzustellen. Details solcher generativen Fertigungsverfahren sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gasturbine
    11
    Verdichter
    12
    Turbine
    13
    Brenner
    14
    Gehäuse
    15
    Welle
    16
    Gehäuse
    17
    Welle
    18
    Brennergehäuse
    19
    Ausnehmung
    20
    Flammrohr
    21
    Brennkammer
    22
    Diffusor
    23
    Strömungskanal
    24
    Zwischenstück
    25
    Diffusor
    26
    Innenwand
    27
    Außenwand
    28
    Zwischengehäuse
    29
    Laufschaufel
    30
    Leitschaufel
    30a
    austrittsseitige Leitschaufel
    31
    Leitschaufelträger
    32
    Leitschaufelkranz
    33
    Innendeckband
    34
    Außendeckband
    35
    Befestigungseinrichtung
    36
    Befestigungseinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2372161 B1 [0004]

Claims (10)

  1. Gasturbine (10), mit einem als Axialverdichter ausgebildeten Verdichter (11), in welchem Luft verdichtbar, wobei der Verdichter (11) statorseitige Leitschaufeln (30, 30a) und rotorseitige Laufschaufeln (29) aufweist; einem mindestens eine Brennkammer (21) aufweisenden Brenner (13), welchem die im Verdichter (11) verdichtete Luft zuführbar ist und in welchem in Anwesenheit der verdichteten Luft ein Brennstoff unter Erhitzung der Luft verbrennbar ist; einer Turbine (12), in welcher die erhitze Luft entspannbar ist; einem in Strömungsrichtung der verdichteten Luft gesehen stromabwärts des Verdichters (12) angeordneten Diffusor (22), der eine Innenwand (26) und eine Außenwand (27) aufweist; einem sich an die Außenwand (27) anschließenden Zwischengehäuse (28); dadurch gekennzeichnet, dass ein austrittseitiger Leitschaufelkranz (32) statorseitiger, austrittseitiger Leitschaufeln (30a) des Verdichters (11) über ein Innendeckband (33) und ein Außendeckband (34) verfügt; am Außendeckband (34) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) der statorseitigen Leitschaufeln (30a) erste Befestigungseinrichtungen (35) ausgebildet sind, über die der Leitschaufelkranz (32) unmittelbar an das Zwischengehäuse (28) befestigt ist; am Innendeckband (33) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) der statorseitigen Leitschaufeln (30a) zweite Befestigungseinrichtungen (36) ausgebildet sind, über die die Innenwand (25) des Diffusors (22) unmittelbar an dem Leitschaufelkranz (32) befestigt ist.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (27) des Diffusors (22) unmittelbar an das Zwischengehäuse (28) angebunden oder integraler Bestandteil desselben ist.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei statorseitige Leitschaufeln (30a) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) eine Tandem-Anordnung ausbilden.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer Dicke der statorseitigen Leitschaufeln (30a) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) und einer Dicke des Innendeckbands (33) des Leitschaufelkranzes (32) größer als 1:5 bzw. gleich 1:5 ist.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer Dicke der statorseitigen Leitschaufeln (30a) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) und einer Dicke des Außendeckbands (34) des Leitschaufelkranzes (32) größer als 1:5 bzw. gleich 1:5 ist.
  6. Gasturbine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der statorseitigen Leitschaufeln (30a) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) durch einen maximalen Abstand zwischen einer Saugseite und einer Druckseite der jeweiligen Leitschaufeln (32) bestimmt ist, und dass die Dicke des jeweiligen Deckbands (33, 34) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) durch einen Abstand zwischen zwei Begrenzungsflächen des jeweiligen Deckbands (33, 34) in Radialrichtung des Leitschaufelkranzes (32) bestimmt ist.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitigen Leitschaufel (30a) des austrittseitigen Leitschaufelkranzes (32) zusammen mit dem Innendeckband (33), dem Außendeckband (34) und den ersten und zweiten Befestigungseinrichtungen (35, 36) ein monolithische Baugruppe bilden.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die monolithische Baugruppe über eine generatives Fertigungsverfahren, insbesondere über 3D-Druck, hergestellt ist.
  9. Austrittseitiger Leitschaufelkranz (32) aus statorseitigen Leitschaufeln (30a) eines als Axialverdichter ausgebildeten Verdichters (11) einer Gasturbine, der über ein Innendeckband (33) und ein Außendeckband (34) verfügt, wobei am Außendeckband (34) erste Befestigungseinrichtungen (35) ausgebildet sind, über die der Leitschaufelkranz (32) unmittelbar an einem Zwischengehäuse (28) der Gasturbine befestigbar ist, und wobei am Innendeckband (33) zweite Befestigungseinrichtungen (36) ausgebildet sind, über die eine Innenwand (26) eines Diffusors (22) der Gasturbine unmittelbar an dem Leitschaufelkranz (32) befestigbar ist.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkranzes nach Anspruch 9, wobei derselbe als monolithische Baugruppe über ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere über 3D-Druck, hergestellt wird.
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