DE1751327A1 - Gasturbine der Axialbauart - Google Patents

Description

• "Gasturbine der Axialbauart"

  Die I:rf znclung bezieht sich -auf eine Gasturbine der AYialhauart mit

  zwischen Gehäure und Rotor begrenztem R.ngkantil, axial Dufcinander-

  follz°enden Leit- und Laufschaufelkränzen (Stufen) im ftingk-itia-l und

  die Leitschaufeln tragenden (n) he.itapnarat (en) mit ra.@lir@i. @iu")erer"

  Tragring (Fußring) und radial innerer Rinanordnunr; fUr die beit-

  schaufeln, wobei Dickflächen -am Innerumfang der lnnenr%njanordnunr

  mit Gegenflächen am Außenumfang des Rotoro zusam-menar beit.en.

  '-Bei Gasturbinen der genannten Art oder auch Kompressoren entspre-

  chenden Aufbaues sind die Leitapparate mit Inrler.rin:°"#inardciunfen ver-

  Zehen, welche den Motor zwischen seinen Laufschaufelkrän«rn um,--eb(,r

  und mit Dichtun7selementen versehen sind, welche mit zur eh@r"-eri Gegenflächen am Außenumfang des Rotors zusammenarbeiten, damit hPCkagen des reib;ases am Innenumfang` der Leitapnarnte mfiglichel kleinge'Ialten werden. Vielfach sind die Dichtun-selemente der Innenringarordnung starr mit dieser verbunden, wodurch relativ -große-Luftspalte vorgesehen sein müssen, um der Exzentrizität, hervorgerufen durch die relativen iärmedehnuri;°7en zwischen Rotor und Zeitapparat bzw: GehäusE,RechnunT zu tragen.
• . Derartige thermische iiberganr-svorr-ö.n'ge Haben besondere Bedeutung bei Gasturbinen, weil dort der Temperaturanstie.m während des Betriebes in der Größenordnung- von 5400 oder mehr liegen kann. :enn auch den hierbei auf tretender @°iärmedehnun@@-e@@ durch Vorgabe ausreichend großer Luftspalte zwischen den Dichtungselementen des Leitapparates und den Rotor Rechnung getragen werden kann, so treten hierbei jedoch relativ hohe Leckverlüste des Treibgases auf, welche den dirkungsgrad der Gästurbine bemerkenswert beeinträchtiFen können.
• Der Erfinduni liegt die Aufgabe zugrunde, eine -Ge.Qturbine der Axialbauart zu schaffen, mit wele',er die i--tesc'iilderten schwierigkeiten überwunden werden können, d. h. bei einer der einz7an:xa genannten Art die Anordnunj so zu treffen, daß mit we= sentlich kleineren Dichtungsspalten und Leckverlusten gearbeitet werden kann. Die Lösunn der-gestellten Aufgabe gelingt erfindunge erö.'dadurch, daß die Innenringanordnung aus einem rin7förmit-en Dichtunt°sgehäuse besteht, an dessen innerem Umfang in riingnuten mit den üegenfl--ichcn des t;otors zurammeriarbeitende Dichtunrese=mente r@elagert sind und cieesen Auenumfan@ in nadialebener: lierende l@lanschrinre bzw. Laachenkrä: ze aufweist, an weichen

  eweils l,eitscliaufc-%lrupnen zusammenfit -f,ride i3ot#7enqtyiclre bzw.

  Segmente eines Kopfringes radial-Zentrisch wärmebeweglich gelagert sind.. Das Dichtunpsp;eh:iuse dient hierbei als .entrierrinn ftzr die zu Gruppen zusammmengefaf3ten Leitschaufelanordnunm. t-Iierhei ipt es besonders vorteilhaft, wenn auch der i'Lopfring bzw. dessen Boprenstücke Lascher-kränze bzw. Flanschringe aufweisen, welche radial einwärts gerichtet in =:adialebenen liegen, sich mit dein Flancchrin--en bzw. Laschenkränzen des Di ahtunzC-meli@iures. izb(,rla-%nen und - mit hadiälcc'litzen an AYialbclzen de^ Dicitu?sreliäuse:- r-efzhrt sind. Gema' einer bevorzugten AiUS-fiihrun,-sforni der F,rfindunbildet .'e ein Flanschring bzw. Laschenkranz des Dichtungsgehäuses einen icl i:"uersclznitt rabelförrzigen Kranz, zwischen dessen Gabelschenkeln über den Umfaiiv-#Tleici mäßiz verteilte Axialbolzen mit Gleitsteinen gelabert Lind, an denen der l#,-nnfrinFr bzw. dessen @'sogenstücke radial be- weglich -Fleitend Fef.ihrt sind. Lwecknä2iFerc:Pire sind die bolzen durch öicherunp-,s- bzw. 'ierrierelun=-Lsciiräuben Zelten axiale Verschiebung gesichert. :;Feuere@ierl:mle und Vorteile der Erfindung -werden iin t'olrze,iden an Band der Ausf-=hrun: sbeisniele darstellenden Zeicinun@ erläutert, in welcher zeigen: '( in einem Axislschnitt l:i.nUs der Linie I-1 aus Fig. 2 im Ausschnitt eine Gasturbineder Erfndun-; in einen ,,uerrchnit t lü.r!t_ s der @liiie II-II aus i i. 1 den oberen und unteren rechten @..uadranten Bier Gasturbine; Fir-. ? im Detail die zentri^ch-wärmebewerliche ila:~erun7 des -Leitapparates atrt Fig. 4 einen Schnitt längs der"Linie IV-IV der Fig. 3 und Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie-V-V aus Fig. 2, d.. h. die Flanschverbindung zwischen den beiden Zentrierringhälften. Inebesonder&raus Fig. 1 und 2 ist eine Gästurbine 10 ersichtlich mit einem Rotor 11,- welcher in einem etwa zylindrischen Gehäuse 12 von kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist und in,zentrischer Lage durch geeignete, nicht dargestellte'Lageranordnungen zwecks Rotation um seine Achse A gehalten ist, Der Rotor 11 ist mit einer Anzahl von Laufschaufelreihen 13 versehen (vorliegendenfalle 3), welche in Form von Laufschaufelkränzen angeordnet sind. Der Rotor 11 und das Gehäuse 12 begrenzen gemeinsam einen Ringkanal 14, durch welchen heiße Treibgase, insbesondere die Verbrennungsprodukte einer geeigneten Brennka.m-;ieranördnung (nicht dargestellt) geleitet werden, wie durch Pfeile angedeutet. Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine Mehrzahl von Leitapparaten 15, 16 und 17 vorfresehen. Diese Leitapparate sind .`eweils mit Leitschaufelkränzen 18, 19 und 20 versehen, welche in Gefällerichtung des Treibcases sich mit den Laufschaufelkränzen 1# abwechselnd axial aneinanderrereilzt eind. Die Laufschaufeln erstrecken sich radial auswärts durch den Ringkanal 14, während die Leitschaufeln 13, 19 und 20 am inneren Umfang des Gehäuses 12 befestigt, sich radial einwärts durch den Ringkanal erstrecken. Wie die Zeichnung zeigt, hat die Gasturbine drei Stufenanordnungen bzw. drei Paare von Zeit- und Laufschaufelkränzen. Während des Betriebes strömt heißes Treibgas durch die Stufenanordnungen, um den Rotor 11, angreifend an den Laufschaufeln 1'3, in Drehung zu versetzen; 'das Treibgas wird schlie:;lich am Ende der dritten Stufenanordnung in entspanntem Zustand abgeleitet. ., _ Die heißen Treibgase haben relativ hohe Turbinen-Eintrittstempevr raturen von etwa 6500 C, manchmal kann sogar die Eintrittstemperatur bis zu etwa. 1Q30°C.betragen. Daraus geht hervor, daß während des Betriebes,die einzelnen.'Turbinen-Bauteilg großen Temperaturbeanspruchungen und entsprebhenden Wärmedehnungen unterworfen sind, `denn der Temperaturanstieg innerhalb der einzelnen Bauteile und ihre Ausdehnungskoeffizienten nicht gleich sind, können große Wärmespannungen auftreten, begleitet von,einer,unerwünschten Verformung der Bauteile und einem Anstreifen. zwischen den rotierenden und feststehenden Teilen.
• Erfindungsgemäß ist die.Stufenanordnung 17 mit eine« äußeren FIüllring 22 (Fußring) versehen sowie einer -inneren @ü_zllringanordnung; 23 (.Kopfring), welche mit den Zeitschaufeln 1'? verbunden sind. Wie insbesondere Fig. 2 zeigt; sind 2uß- und Kopfring in. einer Anzahl gleicher Bogenstücke (Segmente) aufgeteilt, die weils einen Winkel-von ungefähr 30o überstreichen. Demgemäß sind vorliegendenfale. 12 Schaufelgruppen vorgesehen, welche die Leiteehaufelkränze innerhalb des Leitapparates bilden. Zweckmäßig sind mindestens q; Schaufelgruppen, d. h. bei axialer Gehäuseteilfuge zwei e Gehäusehälfte, vorgesehen, da hierdurch eine gute Zentrierung ermöglicht ist.
• Der Kopfring 23 ist mit einem ringVirmiüen, radial einwärts gerichteten Dichtungsflansch 25 versehen, welcher. mit geringem Abstand mit einer zugehörigen Ringschulter des Rotors 11 zusammenarbeitet und mit dieser eine Ringdichtung gegen den Hindurchtritt des Treibgases im Sinne einer Vordichtung bildet.
• Die Hauptdichtung enthält einen Ringkranz von etwa schuhförmigen Dichtungsorganen 27, welche als Bogenstücke ausgebildet sind und den Umfanprswinkelbereich der Kopfring-Segmente (d.h. etwa 30o) überdecken. Sie sind gleitend.von einem ringförmig en Dichtunnsgehäuse 28.getragen, wie vor allem Fig. 4 zeigt. `.
• Das Dichtungsgehäuse 28 weist an seinem inneren Umfang eine ringförmige Hinterschneidung 29>auf, und die Dichtungssegmente 2? sind an ihrem äußeren Umfang mit Lagervorsprüngen 30 versehen, mit welchen sie innerhalb der iiin-erschmeidung #-lpitenrl gehalten werden. Es ist virteilhaft, zur Verminderung, der Reibung zwicehen den aufeinander gleitenden Teilen der Dichtungssegmente 2'' und der Gegenflächen 31 am Rotor (fig. 1) die Dichtungssegmente mit kleinen Dichtungsspitzen 32 zu versehen. ilie an sich bekannt, bilden diese Dichtungsspitzen weiterhin Labyrinth-Dichtungskanäle zur weiteren Verbesserung der Dichtwirkun7.
• Das Dichtungsgehäuse 28 weist einerseits einen radial auswärts gerichteten Dichtungsflansch 34 auf und einen Kranz vön Laschen 35e' welcher mit axialem Abstand zum vorgenannten Dichtungsflansch in` einer zu diesem parallelen Radial-Ebene angeordnet ist. Der Kopfe ring 23 ist andererseits mit einen Kranz vorspringender haschen 36 versehen, welche radial einwärts gerichtet und gleitend zwischen den Kränzen 34 und 35 angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Laschen-Krän.ze 35 und 36 nicht in sich geschlossen, sondern weisen eine Reihe von in Umfangsrichtung, mit Abstand zueinander anreordneteri Vorsprringen von im wesentlichen Trapezform auf, wie insbesondere Fig. 3 zeigt, und sind über-» Tappend zueinander angeordnet. Diese Laschenkränze können `,-jedoch, falls erforderlich, auch in Umfangsrichtung geschlossen sein, wie der Flansch 34. Demgemäß bedeutet der Ausdruck Laschenkranz sowohl einen in sich geschlossenen Fianschring als auch einen In Umfangsrichtung:Unterbrechungen aufweisenden Kranz von Vor aprüngen: Der Laschenkranz 36 weist Radialschlitze -37 auf, welche an ihrem radial inneren Ende offen und in welchen Gleitetene_38 (vorzugsweise aus hartem. Stahl) angeordnet sind. Die Gleitsteine 38 sind unbeweglich mit den Flansch- bzw. Ringvoreprüngen-34, 35 durch geeignete Bolzen 39 fehalten, welche die Steine durchdringen und im Flanschring 34 gelagert Rind. Der Bolzen 39 kann gegen Axial-Bewegung durch eine Sicherungs- oder Verriegelungsschraube 40 abgesichert :sein. Wenn bei der dargestellten Anordnung die Leitschaufeln 20 und andere Bauteile des Zeitapparates 'I sich in radialer Richtung ausdehnen, entsprechend der Aufheizun;,« durch das heiße l'.reibgas während des Betriebes der Turbine, so wird das Dichtungsgehäuse 28 durch diese Bewec#unF# praktisch nicht beeinluGt, weil diese öewegunraufgrund der Wärmedehnung sich in einer Relativbewegung zwischen den Gleitsteinen 38 und den Führungsschlitzen 37 auswirkt. Auch ^;ärmedehnungen des 28 haben eine freie Bewegung im Rahmen der zentrisch wärmebeweglichen Lagerung durch die Gleitanordnung 38, 37 zur Folge. Diese @Järmebeweglichleit ist ersichtlich nur in radia,-er hichtung geneben, während eine Bewegunm in Umfangsrichtung durch die in den Schlitzen 37 geführten Gleiteteine 3F3' verhindert ist, so dajeine definierte, Jeweils die ZeritriziV-it r*eiw,#ihrlei,stende .Garerung gegeben ist. Demgemäß werden die Dichtüngseegmente 27 immer in praktisch konzentrischer Zage zu der Dichtungegegenflächsn 31 am Rotor gehalten. unabhängig von.-der relativen Wärmedehnung"der:einzelnen Stufenbauteile, so daß die Dichtungssegmefte in sehr dichter Abstandslage-zu den Dichtungsflächen 31, jedoch ohne die Gefahr eines AnstreifeZe oder Reibene gehalten werden können, was bislang durcheine Verformung der einzelnen Bauteile und/oder Wärmespannungen , aufgrund gegenseitiger Wärmedehnungen der Bauteile verursacht sein v konnte. Wie insbesondere Fig.. 2 zeigt, ist das Gehäuse 12 vorzugsweise in eine obere Hälfte 12a und eine untere Hälfte 12b geteilt, welche innerhalb einer axialen Teilfuge B-B' zusammengefügt werden, damit eine leichte Montage und Demontage, wie an sich bekannt, gewährleistet ist. Auch der Leitapnarat 1'; ist in eins obere und untere Hälfte 17a und 17b geteilt, wobei die obere Hälfte 1"7a innerhalb der oberen Gehäusehälfte 12a und die untere Hälfte 17b innerhalb der unteren Gehäusehälfte 12b gelagert ist. Dementsprechend sind die Dichtungegehäusehälften 23a und 28b mit zwei Paaren von diametral einander gegenüberliegender Dichtungsflanschen 42a, 42b versehen (von denen nur das rechte Dichtungsflanechpaar in Fir. ^ ersichtlich ist). Diese Dichtungsflansche sind durch Bolzen 43 zurammengeepannt.
• Die Gasturbine 10 ist vorzugsweise fUr horizontale Gebrauchslage vorgesehen (Rotorachee horizontal). In diesem Falle ist es nicht erforderlich, daß die obere Leitr,nparath,zlftc 1"a in radialer Richtung wirkende Führungselemente aufweist. Dies ist aus Fig. ersichtlich, wo die Gleitsteine 38, Bolzen -#(? und Verriegelungeschrauben 40 innerhalb der oberen Hälfte des @citaprarate@ fort= gelassen werden können und lediglich in der-unteren-Hälfte des Leitapparates 17b verwendet sind. - Der Leitapparat..16 kann im . wesentlichen identisch zum Zeitapparat 17 ausgebildet sein und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden; Der erste Leitapparat 15 kann die übliche, aus dem Gasturbinenbau bekannte konstruktive Gestaltung aufweisen. Mit.anderen Worten: Die Erfindung käri@n innhalb einer mehrstufigen Gasturbine nach Fig1- für einen oder mehrere der Leitapparate,:Anwendung finden: Es ist ersichtliäh, daß durch die Erfindung,eine einfache und sehr wirksame Dichtungsanordnung für mit hohen Gastemperaturen arbeitende Gasturbinen der Axialbauart geschaffen ist, wobei.unerwünsclite Verformungenaufgrund von Wärmeepannungen praktisch vermieden sind und Leckverloste des Gases innerhalb der Leitapparate"auf wirksame Weise sehr klein gehalten werden können. -

Claims (7)

1. P a t e n"t a n s p r ü c h e 1. Gasturbine der Axialbauart mit zwischen Gehäuse und Rotor begrenztem Ringkanal, axial aufeinanderfolgenden Leit- und Laufschaufelkränzen (Stufen) im Ringkanal und die Leitschaufeln tragendem (n)-Leitapparat (en) mit.. radial äußerem Tragring (Fußring) und radial innerer Ringanordnung; für die Leitschaufeln, wobei Dichtflächen am Innenumfang der Innenringanordnung mit Geeenfläehen am Außenumfang; deg Rotors zusammenarbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenringanordnung aus einem ringfnrmigen Dichtungsgehäuse (28) besteht, an dessen innrem Umfang in Ringnuten (29) mit den Gegenflächen (31) des Rotors (11) zusammenarbeitende Dichtungssegmente (27) gelagert sind und des-,en Außenumfang in Hadi$lebenen liegende Flanschringe (34) bzw. Laschenkränze (35) aufweist, an welchen Jeweils Leitschaufelgrüppen zusammenfassende Bogenstücke bzw. Segmente eines Kopfringes (23) radial-zentrisch wärmebeweglich gelagert sind.
2. 2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da`3 auch der Kopfring (23) bzw. dessen Bogenstücke Laschenkränze bzw. Flanschringe (36) aufweisen, welche radial einwärts gerichtet in hadialebenen liegen, sich mit den Flanschringen bzw. Laschenkränzen (34, 35) des Dichtungsgehäuses (28) überlappen und mit' Radialschlitzen (3?) an Axialbolzen (39) des DiehtungegehäusesE (28) geführt sind.
3. 3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurich gekennzeichnet, daß @e ein Flnaschring bzw. Laschenkranz des Dichtungsgehäuses (28) eihen im Querschnitt gabelförmigen Kranz bilden,, zwischen deseen Gabelschenkeln über den Umfang gleichmäßig verteilte Axialolzen (39) mit Gleitsteinen (38) ' gelagert sind, ah denen der Kopfring (23) bzw. dese:en Bogenstücke radial beweglich gleitend geführt sind.
4. 4. Gasturbine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, däß die Axialbolzen (39) durch Sicherungs- bzw. Verriegelun@eschrauben gegen axiale Verschiebung gesichert sind.
5. 5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit axialer Teilfuge für das Außengehäuse und horizontaler Betriebslage, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich.innerhalb der unteren Leitapparathälfte Axialbolzen (39) mit Gleitsteinen (38) zur radial-zentrisch wärmebeweglichen Führun- zwischen Ko]7fring (23) und Dichtungsgehäuse (28) eingeschaltet sind:
6. 6. Gasturbine nach einem der Ansprüche -1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je 4 Dichtungssegmente (27), Kopfringstücke (23) und zucehörige Leitschaufelzruvben in Umfangsrichtung aufeinaher folgen, während das Dichtungsgehäuse(28) zwei in einer axialen Teilfuge zusammengeflanschte Ringhälften (28a, 28 b) 1 aufweist: .
7. 7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb ;eder der Leitapßarat-Gruppen zumindest der unteren Leitapparat-Hälfte mindestens eine Lasche (36) des jeweiligen Kopfringstückec (23) an einem zugehörigen Axialbolzen (39) des Dichtungsgehäusen-bzw: Zentrierringes (28) geführt ist. B. Gasturbirn nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daR. die Kopfringstücke (23) gesonderte, in Radialebenen liegende Dichtungsflansche (25) aufuei2en; welche mit einem Ringkragen (?6) des Rotor: als Vordichtung zusammenarbeiten und die `I)ichtunrseegmente mit an eich bekannten Labyrinthe bildenden Diehtungespitzen (32) an ihrem äußeren Umfang versehen sind.