DE10247355A1

DE10247355A1 - Turbinendeckbandsegmentbefestigung

Info

Publication number: DE10247355A1
Application number: DE10247355A
Authority: DE
Inventors: Stuart Lee; Harald Schiebold
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-22
Also published as: DE50307000D1; US20040115043A1; EP1408200A2; EP1408200A3; US7189057B2; EP1408200B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinendeckbandsegmentbefestigung mit einem Gehäuse 1 und mehreren in dem Gehäuse 1 angeordneten Deckbandsegmenten 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Deckbandsegmente 2 mit einem Spiel 3 in dem Gehäuse 1 gelagert sind, dass das Spiel 3 bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuse 1 und den Deckbandsegmenten 2 auf Null reduziert ist und dass die Deckbandsegmente 2 mittels einer elastisch verformbaren Lagerung an dem Gehäuse 1 gelagert sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinendeckbandsegmentbefestigung mit einem Gehäuse und mehreren in dem Gehäuse angeordneten Deckbandsegmenten.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Spalt an einer Rotorschaufelspitze mittels Deckbandsegmenten abzudichten. Dabei ist es auch bekannt, dass sich der Spalt zwischen der Spitze der Rotorschaufel und dem Deckband in Abhängigkeit von der thermischen Ausdehnung oder Kontraktion sowohl der Rotorschaufel als auch des Gehäuses ändert. Ein zu großer Spalt führt zu Strömungsverlusten, während ein zu kleiner Spalt mechanische Beschädigungen hervorrufen kann.

Üblicherweise sind die einzelnen Deckbandsegmente mit einem entsprechenden Spiel locker an dem Gehäuse gelagert, wobei das Spiel in axialer und Umfangsrichtung so bemessen ist, dass es bei einer temperaturbedingten Ausdehnung der Deckbandsegmente nicht Null wird und diese nicht klemmen können. Hierdurch wird erreicht, dass die radiale Lagerung im Gehäuse und somit der radiale Spalt zur Rotorschaufel weitestgehend unabhängig von der Temperatur der Deckbandsegmente ist.

Um den Spalt zwischen der Spitze der Rotorschaufel und dem jeweiligen Deckbandsegment zu steuern, wurden unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen. So zeigt beispielsweise die US 4,657,479 eine mechanische Lösung mit einem aktiven System, bei welcher die Relativposition des Deckbandsegments zu dem äußeren Gehäuse veränderbar ist. Die Steuerung erfolgt mitteils einer Anzahl von Bolzen, welche zwischen den Deckbandsegmenten angeordnet sind. Die Bolzen werden durch einen Steuermechanismus gedreht, wobei sie die Deckbandsegmente voneinander trennen. Hierdurch erhöht sich die gesamte Umfangslänge des aus den einzelnen Deckbandsegmenten gebildeten Deckbandes, sodass sich eine Radialbewegung nach außen relativ zu dem Gehäuse ergibt. Hierdurch wird der Spalt zur Rotorschaufelspitze vergrößert. Eine Bewegung in die umgekehrte Richtung wird mittels Federelementen vorgenommen.

Dieser Mechanismus erweist sich hinsichtlich seines Aufbaues, seiner Herstellungskosten sowie seines Betriebs als sehr aufwendig und störungsanfällig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein externes Steuersystem benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinendeckbandsegmentbefestigung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher Wirkungsweise eine zuverlässige Steuerung des Spalts, auch bei extremen Betriebsbedingungen, ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die einzelnen Deckbandsegmente mit einem Spiel in dem Gehäuse gelagert sind, dass das Spiel bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuse und den Deckbandsegmenten auf Null reduziert ist und dass die Deckbandsegmente mittels einer elastisch verformbaren Lagerung an dem Gehäuse gelagert sind.

Die erfindungsgemäße Turbinendeckbandsegmentbefestigung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.

Erfindungsgemäß sind die Deckbandsegmente so angeordnet, dass die Radialbewegung der Deckbandsegmente passend zu ei ner Ausdehnung der Rotorschaufeln erfolgt, um auf diese Weise das Spiel an den Rotorschaufelspitzen steuern zu können.

Besonders vorteilhaft erweist sich die vorliegende Erfindung, wenn sehr große Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse (kaltes Gehäuse) und dem Läufer (hohe Temperatur der Rotorscheiben) vorliegen. Während im normalen Betrieb die Deckbandsegmente, bedingt durch das vorhandene Spiel, so gelagert sind, dass sie sich entsprechend thermisch ausdehnen und kontrahieren können, erfolgt bei der beschriebenen großen Temperaturdifferenz durch Überwindung des erfindungsgemäß definierten Spiels ein Klemmen der einzelnen Deckbandsegmente relativ zu dem Gehäuse. Somit werden die einzelnen Deckbandsegmente zu einem einzigen Ring verklemmt, der sich hinsichtlich seines Ausdehnungsgrades und seines thermischen Expansionsverhaltens wie ein einziges Bauteil verhält. Mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen elastisch verformbaren Lagerung können sich die somit verklemmten Deckbandsegmente weiterhin entsprechend thermisch ausdehnen, während zur Überwindung des Spiels die ursprünglich vorhandene große Temperaturdifferenz berücksichtigt wird. Hierbei erfolgt nämlich dann ein schnelleres Schließen des Spieles, um ein Berühren der Spitzen der Rotorschaufeln zu vermeiden.

Erfindungsgemäß kann es günstig sein, wenn das Spiel der Deckbandsegmente in Umfangsrichtung ausgebildet ist. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, das Spiel in axialer Richtung im Bereich der Lagerung der Deckbandsegmente vorzusehen. Bei einem Spiel in Umfangsrichtung schließen sich die einzelnen Deckbandsegmente durch thermische Ausdehnung zu einem einzigen, ununterbrochenen Ring, der sich bei der weiteren thermischen Ausdehnung wie ein einziges Bauteil verhält. Ein derartiger ununterbrochener Ring aus den Deckbandsegmentelementen verhält sich hinsichtlich seiner radialen Durchmesseränderung entsprechend in Abhängigkeit von den thermischen Ausdehnungsverhalten des Gehäuses. Bei einem Spiel in axialer Richtung werden die einzelnen Deckbandsegmente jeweils einzeln gegen das Gehäuse verklemmt. Auch hierbei bilden sie mit dem Gehäuse eine Einheit und können sich bei weiterer Erwärmung passend zu der thermischen Reaktion des Gehäuses ausdehnen oder kontrahieren; die hierbei wirkende Kinematik wird durch geeignete Gestaltung der flexiblen Aufhängung erreicht.

Aus alledem ergibt sich eine verbesserte, vollautomatische Steuerung des Spiels an den Spitzen der Rotorschaufeln. Auf externe Betätigungseinrichtungen kann gänzlich verzichtet werden.

Bei der Variante mit axialer Verklemmung erfolgt die erfindungsgemäß vorgesehene "weiche" Lagerung der einzelnen Deckbandsegmente in bevorzugter Weise durch Lagerelemente, welche im Wesentlichen T-förmig ausgebildet sind. Die Lagerelemente weisen somit im Querschnitt seitliche Arme mit definierter Neigung und Steifigkeit auf, mit denen sie sich gegen das Gehäuse abstützen bzw. mittels derer sie an dem Gehäuse gehalten sind. Durch die elastische Verformbarkeit dieser Arme, verbunden mit einer entsprechenden Lagerung am Gehäuse, ist die Bewegbarkeit der Deckbandsegmente relativ zu dem Gehäuse möglich und bei Verklemmung wird die beabsichtigte radiale Bewegung bewirkt.

Erfindungsgemäß sind die Deckbandsegmente somit im kalten Zustand, bedingt durch das vorliegende Spiel, relativ frei bewegbar, während sie oberhalb einer definierten Temperaturdiffernez, bedingt durch ihre thermische Ausdehnung, mit dem Gehäuse verklemmt sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Zuordnung einer Rotorschaufel zu einem Deckbandsegment im Gehäuse einer Turbinenstufe,
2 eine vergrößerte Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer elastisch verformbaren Lagerung,
3 eine Teil-Schnittansicht der erfindungsgemäßen Deckbandsegmente,
4 eine Darstellung der unterschiedlichen Positionen der Deckbandsegmente bei einer Ausgestaltung analog 2, und
5 eine weitere Variante zur Ausbildung des Spiels der erfindungsgemäßen Deckbandsegmente.
Die 1 zeigt in stark vereinfachter Teilansicht einen Teilbereich einer Turbinenstufe mit einer Rotorschaufel 5, die in üblicher Weise an einer nicht mehr dargestellten Scheibe befestigt ist. Die Spitze 6 der Rotorschaufel wird über einen Spalt längs mehrerer Deckbandsegmente 2 geführt, die, wie sich beispielsweise aus 4 ergibt, einen Ring bilden. Die Deckbandsegmente 2 sind in noch zu beschreibender Weise an einem Gehäuse 1 gelagert.
Die 2 zeigt die Ausgestaltungsform von Lagerelementen 4 zur Lagerung der Deckbandsegmente 2 an dem Gehäuse 1. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Lagerelement 4 im Wesentlichen T-förmig mit einem radial längeren Mittelteil und seitlichen Armen 7 ausgebildet. Diese sind über Ansätze 8 in Nuten 9 des Gehäuses 1 gehalten. Diese Ausgestaltung wird durch den Pfeil A gezeigt. Sie gestattet eine Bewegung der Deckbandsegmente 2 radial nach außen.
In 4 ist durch die gestrichelte Linienführung die Bewegbarkeit der Deckbandsegmente 2 bei weiterer thermischer Belastung radial nach außen gezeigt. Durch die "weiche" Lagerung mittels der Lagerelemente 4 können sich die Deckbandsegmente entsprechend radial nach außen bewegen, um auf eine Erwärmung der Rotorschaufeln 5 zur Aufrechterhaltung des entsprechenden Spitzenspiels zu reagieren.
Die 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Spiels 3. Dieses ist in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Deckbandsegmenten 2 vorgesehen. Wenn sich diese ausdehnen, so ändert sich auch ihre Länge in Umfangsrichtung. Bei einer entsprechenden thermischen Ausdehnung schließen sich die einzelnen Deckbandsegmente 2 zu einem geschlossenen Ring, so wie oben beschrieben.
Die 5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltungsform, bei welcher das Spiel in axialer Richtung als axialer Spalt zwischen dem Deckbandsegment 2 und dem Gehäuse 1 ausgebildet ist. Auch hierbei führt eine Erwärmung der Deckbandsegmente 2 nach entsprechender thermischer Ausdehnung zu einem Klemmen in dem Gehäuse 1. Nachfolgend kann dann der bereits im Zusammenhang mit 4 beschriebene Effekt der weiteren Bewegung der Deckbandsegmente 2, bedingt durch die Formänderung oder Deformation der Lagerelemente 4 erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Er findung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

1: Gehäuse
2: Deckbandsegment
3: Spiel
4: Lagerelement
5: Rotorschaufel
6: Spitze
7: Arm
8: Ansatz
9: Nut

Claims

Turbinendeckbandsegmentbefestigung mit einem Gehäuse (1) und mehreren in dem Gehäuse (1) angeordneten Deckbandsegmenten (2), dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Deckbandsegmente (2) mit einem Spiel (3) in dem Gehäuse (1) gelagert sind, dass das Spiel (3) bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuse (1) und den Deckbandsegmenten (2) auf Null reduziert ist und dass die Deckbandsegmente (2) mittels einer elastisch verformbaren Lagerung an dem Gehäuse (1) gelagert sind.
Turbinendeckbandsegmentbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel (3) in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Deckbandsegmenten (2) ausgebildet ist.
Turbinendeckbandsegmentbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel (3) in axialer Richtung im Bereich der Lagerung der Deckbandsegmentelemente (2) ausgebildet ist.
Turbinendeckbandsegmentbefestigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung im Querschnitt im Wesentlichen T-förmige Lagerelemente (4) mit spezifisch geneigten und geformten Seitenarmen umfasst.
Turbinendeckbandsegmentbefestigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (4) einstückig mit den Deckbandsegmenten (2) ausgebildet sind.