DE1426885A1

DE1426885A1 - Geteilte Duesenplatte fuer Turbinen

Info

Publication number: DE1426885A1
Application number: DE19651426885
Authority: DE
Inventors: Tuttle Alan Henry; Browning William Wortley
Original assignee: Worthington Corp
Current assignee: Worthington Corp
Priority date: 1964-11-17
Filing date: 1965-10-28
Publication date: 1969-10-23
Also published as: DE1426885B2; BE669775A; US3300180A; GB1109457A; NL6513461A

Description

WORTHINGTON CORPORATION, 401 Worthington Avenue, Harrison/New Jersey, U.S.A.,

Geteilte Düsenplatte für Turbinen

Die Erfindung bezieht sich auf Düsenplatten für Turbinen,

Ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Düsenplatten geteilter Konstruktion, die extrem schneller Temperatursteigerung bis auf hohe Betriebstemperaturen standhalten können, ohne die Entstehung schädlicher Wärmespannungen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Düsenplatten, die zu groß sind, um als Einheit im Präzisionsguß hergestellt werden können, bei denen aber für Beschaufelungselemente der wünschenswerte Präzisionsguß aus hochtemperaturfestern Material angewandt werden kann und wobei geschmiedete innere und äußere Halteeinrichtungen für die Beschaufelungsseg-

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mente vorgesehen sind»

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Düsenwänden mit aus Segmenten zusammengesetzter Beschaufelung und geteilten inneren und äußeren Halteeinrichtungen, bei denen ein oder mehrere der Beschaufelungssegmente auf einfache We'iee ersetzt werden können trotz nur minimaler Demontage der Düsenplatte und der Turbine, zu der die Düsenplatte gehört·

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von -Düsenplatten von ganz besonders dauerhafter Konstruktion, durch die langzeitiger, zufriedenstellender, wartungsfreier Betrieb der Anlage unter den vorgeschriebenen Betriebsbedingungen gewährleistet wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Düsenplatte₈ die insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich,, für Spitzenkrafterzeugung geeignet ist und für zweiflutige Kraftrilokgewinnungsgasturbinen mit radialer, sich verzweigender Eüssiröäimsg«

Die obigen und weitere Ziele sowie bemerkenswerte "Jorteile der Erfindung ergeben sieh ohne weiteres aus der SolgemSsn Besehreibung, die sich auf das ia der Zeichnung dargestellt© ün-sführungsbeispiel bezieht. Darin sinds

Fig. 1 eine Frontansicht dar ©rfiseliiBgsgeiEäßeffi Büseaplattej

Fig» 2 ein vertikaler Querschnitt längs Linie 2>2 der Fig. 1, in der der Turbinenläufer strichpunktiert in seiner betrieblichen Stellung gegenüber der Düseztplatte angedeutet

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Fig« 3 ein Teilschnitt längs Linie 3-5 de;r Jig. 1|

Fig» k eine Teilansicht in Richtung der Linie k-k in Fig. 1j

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Fig. 5 eine Teilansicht der aneinanderstoßenden Enden der zur Befestigung dienenden Plattenteile der Düsenplatte in Richtung der Linie 5-5 der Fig. 2$

Fig. 6 eine Teilansicht des radial innersten Bereichs eines der Beschaufelungssegmente der Düsenplatte und

Fig. ? ist eine Teilansicht der Halteplatte der Düsenplatte in Richtung der Linie 7-7 der Fig. 2.

Die in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düsenplatte besitzt einen Haltering, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, und eine konzentrische Haltescheibe, die allgemein mit 20 bezeichnet ist. Der Haltering und die Haltescheibe sind beide längs derselben Horizontalebene geteilt, wie aus Fig. hervorgeht, wodurch sich die Ringsegmente lh und 16 und die Scheibensegmente l8 und 20 ergeben. Der Haltering 10 und die Haltescheibe 12 sind vorzugsweise Schmiedeteile aus irgendeinem geeigneten, hochtemperaturfesten Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl des Type 3^7· Innenschlüsselschrauben 22 mit Zentrierhülsen erstrecken sich in der gezeigten Weise durch Bohrungen 2k (Fig. h) mit übergroßer Bohrung in dem Halteringsegment lh in Gewindebohrungen 26 (Fig. h) in Halteringsegraent 16_t um auf diese Weise die Halteringsegmente in der dargestellten Lage zu halten. Im Halteringsegment 1** sind Ausnehmungen 28 gebildet, um das Einsetzen der genannten Schrauben 22 in die Bohrungen Zh zu ermöglichen.

Beschaufelungssegmente sind allgemein bei 30 angedeutet. Sie erstrecken sich, wie gezeigt, zwischen der radial nach innen gerichte-

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ten Oberfläche des Halteringe 10 und dem Umfang der Haltescheibe 12« Jedes der Beschaufelungssegmente 30 ist vorzugsweise einstückig, und zwar insbesondere im Präzisionsguß aus irgendeinem geeigneten hochtemperaturfesten Material hergestellt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl 'des Typs 3^f?. Die Beschaufelungssegmente besitzen jeweils einen bogenförmigen inneren Segmentfuß 32, einen gebogenen äußeren Mantelteil ^k und eine Mehrzahl von Düsenschaufeln "36 von geeigneter Formgebung dazwischen» Ein geringer Spielraum ist zwischen 'den einander benachbarten Umfangsenden der innerer. Fußteile 32 vorgesehen, wie es bei 33 in Fig» 1 angedeutet ist, um Wärme- ' dehnungen in Umf angsrichtxtng ohne Entwicklung schädlicher Wärmespannungen Platz zu geben. Bei dem hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zehn Schaufelsegmente benutzt, von denen jedes fünf Düsensohaufein besitzt* Es versteht sich, jedoch, daß Änderungen der Schaufelzahl und/oder der Segmentzahl ohne-weiteres innerhalb des von der Erfindung gesteckten .Rahmens liegen. ""'-■■ - -"■'■ ■--■■·-

Die äußeren Mantelsegment'e ~$k umfassen gebogene, insgesamt schwal-Oetischwanzartig geformte Vorsprünge 38 (Fig· 2), die sich in ent-' sprechend geformte, bogengestaltige Befestigungsnuten ^fO erstrecken^ die in der gezeigten V/eise in den radial nach innen gewendeten Oberflächen der Halteringsegmente lh und l6 gebildet sind,- um auf diese Weise die Beschaufelungssegmente gegenüber dem äußeren Haltering festzulege'n.0- . . ■■-.-.■

i]ine insgesamt zylindrische, geteilte Halteplatte kk ist mittels einer Mehrzahl von Bolzen 46 an den äußeren Haltering angeschraubt,

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wie es am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist. Sie liegt an den angrenzenden Außenflächen der äußeren Mantelsegmente 36 an und verhindert auf diese Weise Bewegung der Beschaufelungssegraente 30 gegenüber dem äußeren Haltering 10 in Achsrichtung. Die Bolzen k6 sind vorzugsweise mittels eines Sicherungsdrahtes 4? (Fig. 7) bei der Montage gesichert, um Lockerwerden aufgrund der Betriebsvibriationen der Turbine mit Sicherheit zu verhindern. Stifte k9 ragen (Fig. 3) durch entsprechende Bohrungen 51 in den äußeren Halteringteilen Ik und 16 in Nuten 53, die sich in den äußeren Mantelsegmenten }k befinden. Dies verhindert Bewegungen in Umfangsrichtung der Besehäufelungssegmente 30 in den Montagenuten kO der äußeren Halteringsegmente unter dem Einfluß der Kräfte, die auf die Beschaufelungssegmente von den heißen, unter Druck stehenden Gasen ausgeübt werden, die während des Turbinenbetriebs in der Allgemeinrichtung, die von den Pfeilen in Fig. 2 angedeutet ist, zwischen den Düsenschaufeln 36 hindurchströmen. Die Stifte 49 werden in ihrer Stellung in den Bohrungen 51 in der bei 55 angedeuteten Weise durch Heftschweißung gesichert. Zwischen den der Strömungsrichtung entgegenliegenden, äußeren Schulterflächen der äußeren Mantelsegmente 34 und der Halteringteile 14 und 16 ist in der bei 57 in Fig. 3 gezeigten Weise geringes Spiel vorgesehen, um eine gewisse Ausdehnung der Mantelsegmente gegenüber den Ringteilen an dieser Stelle zu ermöglichen.

Die Halteplatte 44 trägt im wesentlichen zylindrische Berührungsdichtungen 48 üblicher Zellenkonstruktion, die dort in der gezeigten Weise aufgepreßt sind· Eine Mehrzahl von Haltestiften 53 ragt durch Bohrungen in der Halteplatte 44 in der in Fig. 5 am besten

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ersichtlichen Weise bis in Kontakt mit den Berührungedichtungen *f8, um diese in der dargestellten Lage festzuhalten. Dies· Dichtungen arbeiten ihrerseits zu naheliegenden Zwecken mit den Spitzen der Turbinenschaufeln zusammen, die strichpunktiert bei 50 in Fig. 2 angedeutet sind. Eine Zentrierfläche 52 (Tig, 2) ist, wie gezeigt, in der Nähe des unteren Endes der Halteplatte kk vorgesehen· Diese Zentrierfläche ist in genauem, vorher bestimmtem Verhältnis zu den Abströmkanten 5^ der Düsenschaufeln 36 nach der Montage der gesamten DUsenplatte bearbeitet und kann danzu benutzt werden, im Zusammenwirken mit der nicht dargestellten Turbinenkonstruktion genaue Lage der Düsenplatte innerhalb des Turbinengehäuses zu gewährleisten·

Die entsprechenden Segmente l8 und 20 der Haltescheibe 12 sind im wesentlichen mit Endkontakt in der in Fig. 1 am besten ersichtlichen Weise angeordnet. Zylindrische Zentrierstifte 60, die sich in Achsrichtung erstrecken, sind in entsprechend geformten Nuten in den zugehörigen Endflächen der Haltescheibensegment· angeordnet. Diese Zentrierstifte werden innerhalb dieser Nuten in den Haltescheibenhälften 20 durch Befestigungsstifte 62 festgehalten, die sich (Fig.1) dazwischen erstrecken. Eine Labyrinthdichtung 59 (Fig· 2) wird von" den Haltescheibenhälften l8 und 20 getragen und arbeitet zu den bekannten Zwecken mit dem Turbinenläufer zusammen, der strichpunktiert bei 61 angedeutet ist. Es wird so verständlich, daß die Haltescheibenhälften sich frei bis zu einem gewissen Grade radial nach außen dehnen können, während sie von den Haltestiften 60 in genau fluchtender Lage gehalten werden, um unerwünschten Eontakt zwischen der Labyrinthdichtung 59 und dem strichpunktiert angedeuteten Läufer 6l zu verhüten.

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Jedes der Halteringsegmente l8 und 20 besitzt einen bogenförmigen Vorsprung 64, der sich radial nach außen davon erstreckt (Fig. 2). Eine im wesentlichen entsprechend geformte Nut 66 ist in der zugehörigen Innenfläche jedes der Segmentfüße 32 vorgesehen, wobei der Vorsprung 6k in die Nut 66 mit geringem Spiel für gegenseitige radiale Bewegung hineinragt, wie es bei 68 in Fig. 6 angedeutet ist. Die Segmentfüße sind, wie bei 70 in Fig. 6 gezeigt, bearbeitet, so daß sie an ihren inneren Enden dieselbe Dicke annehmen, wie die zugehörigen Haltescheibensegmente 18 und 20,

Führungskeile 72 sind in entsprechend geformten, einander gegenüberliegenden Nuten in den benachbarten Flächen der Haltescheibensegmente l8 und 20 und der Segmentfüße 32 vorgesehen. Bei der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist je ein solcher Führungskeil 72 für jeden inneren Segmentfuß 32 vorgesehen, wobei selbstverständlich ist, daß eine größere Zahl solcher Führüngckeile für jeden Segmentfuß benutzt werden kann. Die Führunßskfciie" 72 werden in ihrer Stellung in den entsprechenden Haltescheibensegmenten 18 und 20 durch Schrauben 7^ mit Innenschlüsselkopf gehalten. Sie erstrecken sich in die entsprechend geformten Nuten des inneren Segmentfußes 32, und zwar mit leichtem Spiel zwischen den Enden des Führungsstiftes und des Nutbodens, wie bei 76 in Fig. 2 ' ' '■ angedeutet. Gs wird so verständlich, wodurch geführte, radiale Dehnbewegung der Haltescheibe und der inneren Segmentfüße möglich ' ist. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Düsenplatte werden die zusammengehörigen inneren Segmentfüße und Haltescheibensetrmente vorzugsweise gemeinsam gefräst, um auf diese Weise genauen Sitz der

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FUhrungskeile zu gewährleisten.

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Im allgemeinen radial sich erstreckende Führungsnuten 78 (Fig. 1) befinden sich in etwa 90 -Abständen am Umfang der Halteringsegmente Ik und 16. Allgemein radial verlaufende Stifte 80 erstrecken sich in der gezeigten Weise vom Turbinengehäuse in diese Einschnitte 78, um die Düsenplatte innerhalb des Turbinengehäuses richtig festzulegene Zwischen den Enden der Stifte 80 .und' dem Boden der Einschnitte 78 ist in der bei 82 in Fig« 1 gezeigten Weise Spielraum für Radialdehnung der Düsenplatte gegenüber dem Turbinengehäuse gelassen.

Wie bereits erwähnt, ist die Düsenplatte gemäß der Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, geeignet für Gasturbinen von Spitzenkrafterzeugern, die sehr schnell auf Betriebsbedingungen hochgefahren werden. Solche Turbinen müssen beispielsweise in nur 6 Minuten vom Betriebsbeginn an auf eine maximale Einlaßtemperatur

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an den Düsenschaufeln im Bereich von 1200 F kommen, wodurch selbstverständlich Wärmespannungen von zerstörender Wirkung als Ergebnis der Wärmedehnungen der Bestandteile der Düsenplatte verursacht werden könnten, wenn nicht besondere Vorkehrungen zur Verhütung solcher Wärmespannungen getroffen wären. Bei der erfindungsgemäßen Düsenplatte sind solche Vorkehrungen getroffen in der Gestalt der in Segmente aufgeteilten Konstruktion und den Spielräumen zwischen den verschiedenen Konstruktionselementen. Im einzelnen gestattet die Segmentkonstruktion der Haltescheibe 12 freie Wärmedehnung der zugehörigen Scheibenteile Ib" und 20 ohne Entwicklung von schädlichen Wärmespannungen darin, wobei die Zentrierstifte 60 diese Wärmedehnung nicht wesentlich hindern. In ähnlicher Weise gestatten die Spielräume zwischen dem Umfang der geteilten Haltescheibe 12 und den Segmentfüßen 32 (Spielraum 76 an den radial äußeren Enden der Führungs-

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stifte 72 und Spielräume 66 an den radial äußeren Enden der Scheibenvorsprünge 63) sowie die Spielräume 33 zwischen benachbarten Segmentfüßen 32 ungehinderte Wärmedehnung der Beschaufelungssegmente 30 gegenüber der Haltescheibe 12 ohne Entwicklung schädlicher Wärmespannungen in einem dieser Konstruktionselemente der Düsen-platte. Die Spielräume 57 zwischen den äußeren Schulterteilen der äußeren Segmentmantelteile 3^ und den Halteringabschnitten Xh und l6 erlauben begrenzte Wärmedehnung der Beschaufelungssegmente 30 gegenüber diesen Ringteilene Schließlich gestatten die Spielräume 82 zwischen den Enden der Führungsstifte 80 des Turbinengehäuses und den Böden der Führungseinschnitte 78 im äußeren Haltering 10 der Düsenplatte Wärmedehnungen der Düsenplatte als Ganzes gegenüber dem Turbinengehäuse ohne Entwicklung von schädlichen Wärmespannungen.

Sollte es notwendig sein, ein oder mehrere der Beschaufelungssegmente 30 zu ersetzen, so ist es lediglich notwendig, das Turbinengehäuse so weit zu demontieren, daß ein Teil oder beide Teile der Halteplatte hk und des Halterings 10 (abhängig von der Zahl und dem Ort des zu ersetzenden Beschaufelungssegments) zugänglich werden, einen oder mehrere Teile der Halteplatte und des äußeren Halterings durch Entfernung des Sicherungsdrahtes ^7» der Bolzen ^6 und der Schrauben 22 zu entfernen, das betreffende Beschaufelungssegment bzw. die betreffenden Beschaufelungssegmente zu entfernen und auszutauschen und schließlich den äußeren Haltering und die Halteplatte wieder zu montieren.

Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf das spezielle Konstruktionsbeispiel oder die gezeigte Anordnung der Teile beschränkt ist, sondern daß erhebliche Änderungen innerhalb des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens möglich sind·

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Claims

PATENTANSPRÜCHE- ³I 4 2 6 8 8 5

1. Düsenplatte für Turbinen mit einer Mehrzahl von Düsenschaufeln, die sich zwischen äußeren und inneren Halteeinrichtungen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelung aus einer Mehrzahl von Segmenten (30) mit jeweils mindestens einer Düsenschaufel (36) besteht und die Segmente mit üiinrichtungen zur Befestigung an den äußeren Halteeinrichtungen (IO)" sowie mit Führungsorganen auf der Innenseite ausgerüstet sind, die mit entsprechenden Führungsorganen an den inneren Halteeinrichtungen (12) zusammenwirken zur gegenseitigen Festlegung der Beschaufelungssegmente (30) und der inneren Halteeinrichtungen unter Beibehaltung gegenseitiger, geführter Bewegungsmöglichkeit ο

2» Düsenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Halteeinrichtungen (12) einen insgesamt zylindrischen inneren Teil umfassen, der in eine Mehrzahl von Segmenten (l8,20) aufgeteilt ist und daß die äußeren Halteeinrichtungen (10) einen insgesamt zylindrischen äußeren Teil umfassen, der in eine Mehrzahl von Bogensegmenten (1^,16) aufgeteilt ist, und daß die äußeren Halteeinrichtungen (10) einen größeren Umfang besitzen als die inneren (12) und im wesentlichen konzentrisch dazu liegen·

Düsenplatte nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zusammenwirkende Führungs- und Zentrierungsorgane an den inneren Halteeinrichtungen zur gegenseitigen Festlegung von deren Segmenten ohne Beeinträchtigung von deren Ausdehnung.

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k, Düsenplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelungssegmente (30) jeweils einen bogenförmigen inneren Fuß (32) und einen bogenförmigen äußeren Mantelteil (3*0 in Abstand von dem Fuß besitzen, zwischen denen sich die Düsenschaufeln (36) erstrecken und daß die Führungsorgane an den inneren Halteeinrichtungen mit den Segmentfüßen (32) zusammenwirken und daß die inneren Segmentfüße in Umfangsrichtung Dehnungsabstand (33) voneinander aufweisen.

5» Düsenplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelungssegmente (30) jeweils aus einem einheitlichen, präzisionsgegossenen Stück bestehen, das einen bogenförmigen inneren Segmentfuß (32), einen bogenförmigen äußeren Mantel- , teil (3Ό und zwischen diesen die Düsenschaufeln (36) besitzt.

6« Düsenplatte nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Befestigung der bogenförmigen äußeren Mantelteile (3*0 der Beschaufelungssegmente (30) an den äußeren Halteeinrichtungen (10) bestehen aus bogenförmigen Vorsprüngen an den äußeren Hantelteilen und bogenförmigen Nuten entsprechender Gestalt in den Abschnitten der äußeren Halteeinrichtungen, wobei die Vorsprung radial nach außen in die Nuten hineinragen und durch eine He-Iteplatte (hk) darin gesichert sind, die an den Abschnitten der äußeren Halteeinrichtungen befestigt ist.

7· Düsenplatte nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsorgane fluchtende Nuten in den einander

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gegenüberliegenden, Abstand voneinander besitzenden Oberflächen der Segmente der inneren Halteeinrichtungen (12) und der Segmentfüße (32) sowie Führungskeile (72) umfassen, die in diesen Nuten mit radialem Spiel liegen.

Düsenplatte nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsorgane weiterhin bogenförmige Vörsprünge an den inneren Führungseinrichtungen (12) und bogenförmige Nuten in den Segmentfußen (32) umfassen, wobei die Vorsprünge mit Radialspiel nach außen in die Nuten hineinragen.

9„ Düsenplatte nach Anspruch 8_S dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Segmentfüße (32) in Umfangsrichtung Ausdehnungsabstand (33) voneinander besitzen.

10. Düsenplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte (44) einen insgesamt zylindrischen Teil besitzt, der mit einer seiner Oberflächen an den Vorsprüngen (38) der bogenförmigen äußeren Mantelteile (34) der Beschaufelungssegmente anliegt, um diese in den bogenförmigen Nuten zu halten, und daß der zylindrische Teil der Halfreplatte (44) Berührungsdichtungen gegenüber dem Turbineniäufer trägt.

Ho Düsenplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte (44) eine in vorbestimmtem Verhältnis zur Anordnung der Düsenschaufeln hergestellte Fläche zur Zentrierung und Ausrichtung der Düsenplatte innerhalb des Turbinengehäuses aufweistβ

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ORIGINAL INSPECTED