DE1045177B - Multi-stage, axial flow turbomachine with high working medium temperatures, in particular gas turbine - Google Patents
Multi-stage, axial flow turbomachine with high working medium temperatures, in particular gas turbineInfo
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Description
Die Abdichtung der Leit- und Laufschaufelkanäle von Strömungsmaschinen mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen ist nicht nur für den Wirkungsgrad, sondern auch für die Betriebssicherheit dieser Maschinen von entscheidender Bedeutung. Es sind daher schon zahlreiche Vorschläge gemacht worden, die auf die Konstanthaltung des durch unterschiedliche Wärmedehnungen sich verändernden Spaltes zwischen umlaufenden und stillstehenden Teilen dieser Maschinen abzielen. Die vorliegende Erfindiung befaßt sich mit der Lösung dieser Aufgabe bei mehrstufigen, axial durchströmten Turbomaschinen, also Turbinen und Verdichtern, und ist vor allem für Gasturbinen geeignet. The sealing of the guide and blade channels of flow machines with high working medium temperatures is not only for the efficiency, but also for the operational safety of these machines vital. Numerous proposals have therefore already been made based on keeping constant the gap between the circumferential ones, which changes due to different thermal expansions and idle parts of these machines. The present invention is concerned with the solution to this problem in multi-stage, axially flowed through turbomachines, i.e. turbines and Compressors, and is particularly suitable for gas turbines.
Es ist eine mehrstufige, axial durchströmte Turbomaschine bekannt, deren Leitvorrichtung aus mehreren ungeteilten, hintereinanderliegenden Ringträgern besteht, an denen die Leitschaufeln konzentrisch zur Rotorachse befestigt sind. Die Ringträger sind dabei U-förmig profiliert, und1 die Leitschaufeln sind zwischen den Schenkeln zweier benachbarter Ringträger eingesetzt. Mittels den Fußteil der Leitschaufeln durchdringender Schraubenbolzen werden alle diese Teile zusammengehalten. Zwecks Einhaltung der zentrischen Lage bei Wärmedehnungen sind am Leitrad der ersten Stufe radial einwärts Führungsstifte ange bracht, welche in am Umfang einer gewellten Tragscheibe eingearbeitete Bohrungen eingreifen und dadurch die Schaufeln dieses Leitrades sowie die damit verbundenen Ringträger in bekannter Weise in mindestens zwei in der Rotorachse sich schneidenden Ebenen führen. Diese bekannte Anordnung kann den hohen Anforderungen an eine exakte Radialführung der sich dehnenden Teile nicht genügen, weil einerseits die gewellte Tragscheibe keine stabile Basis für die Radialführung darstellt und andererseits die durch ab- oder zunehmende Temperaturen längs der Schaufelkanäle bedingten Unterschiede in der Wärmedehnung nicht berücksichtigt werden. Bei Einstellung solcher Spaltweiten, wie sie für brauchbare hydraulische Wirkungsgrade erforderlich sind, wird es sich nicht vermeiden lassen, daß die Leitschaufeln bzw. die Laufschaufelabdeckungen verkanten und die umlaufenden Teile der Maschine an den feststehenden anstreifen. A multi-stage, axially flow-through turbomachine is known, the guide device of which consists of several undivided ring carriers lying one behind the other, on which the guide vanes are fastened concentrically to the rotor axis. The ring supports are U-shaped profiled, and the vanes 1 are inserted between the legs of two adjacent ring carrier. All these parts are held together by means of screw bolts penetrating the base of the guide vanes. In order to maintain the central position in the event of thermal expansion, guide pins are attached to the stator of the first stage radially inward, which engage in bores machined on the circumference of a corrugated support disk and thereby the blades of this stator and the associated ring carriers in a known manner in at least two in the rotor axis intersecting planes. This known arrangement cannot meet the high requirements for an exact radial guidance of the expanding parts, because on the one hand the corrugated support plate does not represent a stable basis for the radial guidance and on the other hand the differences in thermal expansion caused by decreasing or increasing temperatures along the blade channels are not taken into account . When setting such gap widths as are necessary for usable hydraulic efficiency, it will not be possible to avoid the guide vanes or the rotor blade covers tilting and the rotating parts of the machine rubbing against the stationary ones.
Gemäß vorliegender Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß jeder Ringträger für sich an radial auswärts liegenden Führungslinealen geführt ist und daß für den axialen Zusammenhalt des aus Ringträgern und Leitschaufeln bestehenden Verbandes Verbindungen mit ausreichender radialer Bewegungsfreiheit angeordnet sind. Mit dieser Anordnung ist die Gefahr des Verwerfens bzw. Verziehens der Leitschaufelträger selbst bei sehr großem Temperatur-According to the present invention, these disadvantages are eliminated in that each ring carrier for itself is guided on radially outward guide rulers and that for the axial cohesion of the Ring carriers and guide vanes existing association connections with sufficient radial freedom of movement are arranged. With this arrangement, there is a risk of warping or warping of the guide vane carriers even at very high temperatures
Mehrstufige, axial durchströmteMulti-stage, axial flow
Turbomaschine mit hohenTurbomachine with high
Arbeitsmitteltemperaturen,Working medium temperatures,
insbesondere Gasturbineespecially gas turbine
Anmelder:Applicant:
Mas chinenf abrik
Augsburg-Nürnberg A. G.,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7Machinenf abrik
Augsburg-Nürnberg AG,
Augsburg 2, Stadtbachstr. 7th
Fritz Bauer, Augsburg,
ist als Erfinder genannt wordenFritz Bauer, Augsburg,
has been named as the inventor
gefälle längs des Strömungsweges beseitigt. Da die einzelnen Tragringe und die zwischen ihnen eingehängten Leitschaufeln axiale Dehnmöglichkeit besitzen, können auch keine durch axialeDruckspannungen hervorgerufene Verwerfungen oder Verkantungen mehr eintreten. Die Leitschaufelbefestigung bei einer Turbine nach der Erfindung ist daher besonders vorteilhaft für Gasturbinen mit sehr hohen Treibmitteltemperaturen, die bekanntlich in Strömungsrichtung sehr stark absinken und demzufolge sehr unterschiedliche Dehnungen hervorrufen.gradient along the flow path eliminated. Because the individual support rings and those suspended between them Guide vanes have the possibility of axial expansion, neither can they be due to axial compressive stresses caused distortions or canting occur more. The guide vane attachment at a Turbine according to the invention is therefore particularly advantageous for gas turbines with very high propellant temperatures, which, as is well known, sink very sharply in the direction of flow and therefore very different Cause stretching.
Die Anordnung und1 Befestigung der stillstehenden Gasführungsteile nach der Erfindung bietet auch für den Zusammenbau und für die Wartung von Turbomaschinen ganz beachtliche Vorteile, die besonders dann zur Geltung kommen, wenn die Radialführungselemente vom eigentlichen Gehäuse getrennt mit einem starren Rahmen verbunden sind. Man kann dann nämlich die ungeteilten Einzelringe für die Leitschaufeln über den Läufer schieben, bevor dieser in die Lager eingesetzt wird. Danach werden die Tragringe in den Führungselementen gelagert, wobei man vorteilhaft über die ganze Läuferlänge sich erstreckende Führungslineale vorsieht. Die freien Räume zwischen den Einzelringen gestatten nun den Zugang zum radialen Spalt an jeder beliebigen Stelle jeder Laufradstufe. Dadurch ist es möglich, unter Verwendung bekannter Meß lehren (Kaliber) den radialen; Spalt zu kontrollieren und notfalls durch radiale Verschiebung des Tragrings zu korrigieren. Erst wenn düese Justierungsarbeiten beendet sind, wird das Gehäuse aufgesetzt, das bei dieser speziellen Konstruktion keineThe arrangement and 1 fixing the stationary gas guide parts according to the invention also provides for the assembly and for maintenance of turbomachinery very considerable advantages, particularly then come into play when the radial guide elements from the actual housing separated by a rigid frame are connected. The undivided individual rings for the guide vanes can then be pushed over the rotor before it is inserted into the bearings. The support rings are then stored in the guide elements, with guide rulers advantageously being provided that extend over the entire length of the runner. The free spaces between the individual rings now allow access to the radial gap at any point on each impeller stage. This makes it possible to teach using known measuring (caliber) the radial; Check the gap and, if necessary, correct it by moving the support ring radially. Only when this adjustment work has been completed is the housing put on, which with this special construction is not
809 680/160809 680/160
Tragfunktionen zu erfüllen hat und deshalb aus leichten Schalen bestehen kann.Has to fulfill carrying functions and can therefore consist of light shells.
Für die Wartung besonders von Gasturbinen, deren Schaufeln in gewissen Zeitabständen einer Kontrolle unterzogen werden müssen, ist es ebenfalls vorteilhaft, daß die leichten Gehäuseteile ohne Schwierigkeiten abgenommen werden können und durch »Ziehen« einzelner Leitschaufeln bzw. Leitschaufelsegmente die Laufschaufeln zugänglich gemacht werden können. Im Bedarfsfall, z. B. zum Auswechseln einzelner schadhafter Laufschaufeln, kann man sogar eine ganze Laufschaufelstufe freilegen, indem man zwei Leitschaufelreihen zieht und den Einzelring zur Seite schiebt. Bei geeigneter Laufschaufelbefestigung, z. B. in Nuten, kann man also ohne Ausbau des Laufers die Laufschaufeln auswechseln.For the maintenance of gas turbines in particular, the blades of which have to be checked at certain time intervals must be subjected to, it is also advantageous that the lightweight housing parts without difficulty can be removed and by »pulling« individual guide vanes or guide vane segments the blades can be made accessible. If necessary, e.g. B. to replace individual damaged blades, you can even expose an entire blade stage by pulls two rows of guide vanes and pushes the single ring to one side. With suitable blade attachment, z. B. in grooves, so you can replace the blades without removing the rotor.
Tm folgenden werden einige Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigtSome exemplary embodiments are explained below. It shows
Fig. 1 eine axial durchströmte Turbine im Axialschnitt, Fig. 2 einen Radialschnitt nach Linie II-II der Fig. 1 im kleineren Maßstab,1 shows an axial section of a turbine through which there is an axial flow, FIG. 2 shows a radial section along line II-II of the Fig. 1 on a smaller scale,
Fig. 3 Teil III der Fig. 1 mit der Einhängung der Leitschaufeln,Fig. 3 Part III of Fig. 1 with the suspension of the guide vanes,
Fig. 4a und 4b Befestigungen für die Leitschaufeln,4a and 4b fastenings for the guide vanes,
Fig. 5 Lauf- und Leitschaufeln einer Turbine, bei der die den Spalt begrenzenden Wände schräg verlaufen. 5 rotor blades and guide vanes of a turbine in which the walls delimiting the gap run obliquely.
In Fig. i, 2 und 3 ist 1 ein vierstufiger Turbinenläufer mit den Laufschaufeln 2, 2', 2". 2'", denen die Leitschaufeln 3, 3', 3", 3'" zugeordnet sind. Die Leitschaufeln sind von einzelnen, einteiligen Tragringen 4, 4', 4", 4'" gehalten, wobei die axiale Verbindung der Ringe untereinander durch die lyraförmig profilierten Leitschaufelfüße hergestellt ist, die zu diesem Zweck — wie in. Fig. 3 deutlicher dargestellt — mit radialen Bunden 5, 6 versehen sind, mit denen sie in entsprechende Umfangsnuten 4 c und 4 a' der Tragringe 4 bzw. 4' eingreifen. Eine Ausnahme bilden die Leitschaufeln 3j die zu einem geschlossenen Ring 3 α zusammengefaßt sind, der seinerseits an drei, den Tragring 4 durchsetzenden Führungsstiften 7 geführt ist. Die in ein und derselben Radialebene liegenden Führungsstifte 7 sind in einem Ansatz 8 des starren Führungslineals 9 befestigt; sie bilden somit einen Fixpunkt für die axiale Verschiebung der Tragringe 4, 4', 4", 4'" und der sie verbindenden Leitschaufeln 3', 3", 3'". Die Tragringe4, 4', 4", 4'" sind mit Gleitführungen 10, bestehend aus je zwei an der Umfangsfiäche angebrachten stegartigen Ansätzen, versehen, mit denen sie unter Einhaltung ihrer einmal festgelegten Achslage radial und axial geführt sind. Zwei Führungen liegen in der horizontalen Läuferachsebene diametral gegenüber und die dritte in der senkrechten Achsebene. Gegebenenfalls ist hierbei zu berücksichtigen, daß die Läuferachse beispielsweise durch die Schmierölkeile von Gleitlagern parallel verschoben wird. Die Führungslineale 9 sind mit WinkelstückenIn FIGS. 1, 2 and 3, 1 is a four-stage turbine runner with the rotor blades 2, 2 ', 2 ". 2'", to which the guide blades 3, 3 ', 3 ", 3'" are assigned. The guide vanes are held by individual, one-piece support rings 4, 4 ', 4 ", 4'", the axial connection of the rings to one another being established by the lyre-shaped profiled guide vane feet, which for this purpose - as shown more clearly in FIG. 3 - are provided with radial collars 5, 6, with which they engage in corresponding circumferential grooves 4 c and 4 a 'of the support rings 4 and 4'. An exception are the guide vanes 3j, which are combined to form a closed ring 3 α, which in turn is guided on three guide pins 7 which penetrate the support ring 4. The guide pins 7 lying in one and the same radial plane are fastened in an attachment 8 of the rigid guide ruler 9; they thus form a fixed point for the axial displacement of the support rings 4, 4 ', 4 ", 4'" and the guide vanes 3 ', 3 ", 3'" connecting them. The support rings 4, 4 ', 4 ", 4'" are provided with sliding guides 10, each consisting of two web-like attachments attached to the circumferential surface, with which they are guided radially and axially while maintaining their axial position once defined. Two guides are diametrically opposite in the horizontal plane of the rotor axis and the third in the vertical axis plane. If necessary, it should be taken into account that the rotor axis is displaced in parallel, for example by the lubricating oil wedges of slide bearings. The guide rulers 9 are with angle pieces
11 und 12 an kräftigen Ringträgern 13 und 14 befestigt, die zur Erhöhung der Starrheit mit Kühlräumen 13 α, 14 α ausgestattet sind. Notfalls können aber auch die Führungslineale 9 gekühlt werden. In den Winkelstücken 11 sind die Führungslineale mit dem Paßstift 11a fixiert, wogegen die Winkelstücke11 and 12 attached to strong ring carriers 13 and 14, which increase the rigidity with cold rooms 13 α, 14 α are equipped. If necessary, you can but also the guide rulers 9 are cooled. In the angle pieces 11, the guide rulers are with the dowel pin 11a fixed, whereas the angle pieces
12 mit Langlöchern versehen sind, in denen der mit dem FührungsUneal fest verbundene Führungskeil 12 α axial geführt ist. Die Ringträger 13 und 14 stützen sich über Pratzen 15 am starren Rahmen. 16 ab. Das gut isolierte, in vier Segmente unterteilte Gehäuse 17 sowie das Einströmgehäuse 18 und das Ausströmgehäuse 19 sind ebenfalls an den Ringträgern 13 und 14 befestigt. Das Gehäuse 17 bzw. die einzelnen Segmente haben hierbei also nur sich selbst zu tragen oder — falls der Zwischenraum 20 zwischen Leitvorrichtung und Gehäuse mit Sperr- oder Kühlgas ausgefüllt wird — nur diesen geringen Druck aufzunehmen. Aus Fig. 2 erkennt man besonders gut, daß nach Abnahme nur eines einzigen Segments des Gehäuses 17 der Leitapparat freigelegt ist. Löst man nun noch die Schraubverbindungen bzw. die Stahlbänder, mit denen die Leitschaufeln gehalten werden, dann erhält man Zugang zu den Laufschaufeln, ohne den Läufer ausgebaut zu haben.12 are provided with elongated holes in which the guide wedge 12 α firmly connected to the guide uneal is axially guided. The ring carriers 13 and 14 are based on claws 15 on the rigid frame. 16 from. That Well-insulated housing 17, divided into four segments, as well as the inflow housing 18 and the outflow housing 19 are also attached to the ring carriers 13 and 14. The housing 17 or the individual segments have to carry only themselves here or - if the space 20 between the guide device and the housing is filled with sealing or cooling gas - only absorb this low pressure. the end Fig. 2 can be seen particularly well that after removing only a single segment of the housing 17 of the diffuser is exposed. If you now loosen the screw connections or the steel strips with which the Guide vanes are held, then you get access to the blades without having to remove the rotor to have.
In Fig. 3 sind die radialen Spalte α zwischen dem lyraförmig profilierten und radiale Bunde aufweisenden Fuß der Leitschaufel 3' und dem nächstfolgenden Tragring 4' ersichtlich, die so bemessen sind, daß bei unterschiedlichen Dehnungen der einzelnen Tragringe die Innenflächen der Bunde 4 V und 6 die Innenflächen der Nuten 4 α' und 6 a nicht berühren. Auf diese Weise wird die Übertragung zusätzlicher Radialbeanspruchungen von Tragring zu Tragring bzw. das Verziehen der Leitschaufeln (Schrägstellung) unterbunden. In Fig. 3, the radial gaps α between the lyre-shaped profiled and radial collars having foot of the guide vane 3 'and the next following support ring 4' can be seen, which are dimensioned so that with different expansions of the individual support rings, the inner surfaces of the collars 4 V and 6 do not touch the inner surfaces of the grooves 4 α 'and 6 a. In this way, the transfer of additional radial loads from support ring to support ring or distortion of the guide vanes (inclined position) is prevented.
Fig. 4 a zeigt eine Spannbügelbefestigung, bei der die Leitschaufeln 33', 33" mittels Bügel 39 befestigt sind, die von am Tragring 34 eingeschraubten Stiftschrauben 40 gehalten werden. Ein Spannbügel hält hierbei also zwei Leitschaufeln bzw. Leitschaufelsegmente. 4 a shows a clamping bracket fastening in which the guide vanes 33 ′, 33 ″ are fastened by means of brackets 39 which are held by studs 40 screwed into the support ring 34. A clamp holds here so two guide vanes or guide vane segments.
Fig. 4 b zeigt eine Befestigung für den Fall, daß die Leitschaufeln1 einzeln eingesetzt werden sollen. Alle Einzelschaufeln 43 eines Leitschaufelkranzes sind hierbei durch das Stahlband! 44 zusammengehalten, das mit einem geeigneten Verschluß, hier z. B. mit einer Schraubverbindung 45, 46, versehen ist. Um dem Stahlband eine gewisse Elastizität zu verleihen, ist der Verschluß durch Zwischenschaltung kleiner Teller- oder Ringfedern 47 elastisch ausgebildet.Fig. 4 b shows a fastening for the case that the guide vanes 1 are to be used individually. All individual blades 43 of a guide blade ring are here through the steel band! 44 held together with a suitable closure, here z. B. is provided with a screw connection 45, 46. In order to give the steel band a certain elasticity, the closure is made elastic by interposing small plate or ring springs 47.
Bei axial durchströmten Turbomaschinen der beschriebenen Gattung kühlen sich beim Übergang auf niedrigere Arbeitsmitteltemperaturen die die Schaufelkanäle umgebenden Arbeitsmittelführungsteile schneller ab als der Läufer. Zur Vermeidung des Anlaufens kann man gemäß Fig. 5 die Fixpunkte der sich dehnenden Teile an entgegengesetzten Turbinenenden anordnen, so daß sich bei Aufheizung die Tragringe 24, 24', 24", 24'" sowie die in diese eingehängten Leitschaufeln 23', 23", 23'" in Richtung des Pfeiles A und der Läufer 21 mit den Lauf schaufeln 22, 22', 22", 22'" in Richtung des Pfeiles B dehnen, und die die radialen Spalte begrenzenden Wände und Kanten dieser Teile derart schräg anordnen, daß beim Übergang auf niedrigere Temperaturen, wobei dann also die Schrumpfungen entgegengesetzt den Richtungen der Pfeile A und B erfolgen, die Spalte größer werden. Analog der Ausführung nach Fig. 1 kann man hierbei den Fixpunkt für die Tragringe und Leitschaufeln durch radiale FührungsstifteIn the case of turbomachines of the type described with axial flow through, the working medium guide parts surrounding the blade channels cool down faster than the rotor when the working medium temperature is changed to lower. To avoid starting, the fixed points of the expanding parts can be arranged at opposite turbine ends as shown in FIG. , 23 '"in the direction of arrow A and the runner 21 with the running blades 22, 22', 22", 22 '" stretch in the direction of arrow B , and arrange the walls and edges of these parts delimiting the radial gaps at an angle, that during the transition to lower temperatures, in which case the shrinkage then takes place in the opposite direction to the directions of arrows A and B , the gaps become larger. Analogously to the embodiment according to FIG. 1, the fixed point for the support rings and guide vanes can be established by means of radial guide pins
27 herstellen, die gleichzeitig als Radialführung für den Leitschaufelkranz 23 dienen und in einem Ansatz27 produce, which also serve as a radial guide for the guide vane ring 23 and in one approach
28 der Leitschiene 29 befestigt sind. Der Läufer 21 wird am einfachsten in der gewünschten Weise fixiert, indem sein nicht dargestelltes Traglager als Festlager ausgebildet wird.28 of the guardrail 29 are attached. The runner 21 is most easily fixed in the desired manner, by designing its support bearing, not shown, as a fixed bearing.
Die im vorhergehenden erläuterten Gestaltung?- richtlinien sind nicht nur bei Gas- und Dampfturbinen, sondern ebensogut auch bei Axialverdichtern zu verwirklichen, in denen mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis bei nichtisothermischer VerdichtungThe design guidelines explained above are not only applicable to gas and steam turbines, but can also be implemented just as well with axial compressors, in which the compression ratio increases with non-isothermal compression
auch die Verdichtungsendtemperatur steigt und im Interesse der Vermeidung hydraulischer Verluste die Verschiebungen und Dehnungen der aufgeheizten Teile berücksichtigt werden müssen.the compression end temperature also rises and, in the interest of avoiding hydraulic losses, the Displacements and expansions of the heated parts must be taken into account.
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