DE19855130A1 - Kühlbarer Mantel einer Gasturbine oder dergleichen - Google Patents
Kühlbarer Mantel einer Gasturbine oder dergleichenInfo
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Abstract
Kühlbarer Mantel einer Gasturbine oder dergleichen, mit mehreren bogenförmigen Mantelsegmenten (10), die in Umfangsrichtung aneinandergrenzend zu einem im Wesentlichen geschlossenen, ein Laufrad (110), insbesondere einer Hochdruckturbine, umgebenden Mantelring angeordnet sind, wenigstens einer ringförmigen Mantelkühlkammer (15), die in radialer Richtung zwischen den Mantelsegmenten (10) und bogenförmigen, mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (34) versehenen Leitsegmenten (30) gebildet ist, wenigstens einer Luftführungskammer (25), die in radialer Richtung zwischen den Leitsegmenten (30) und wenigstens einem Trägersegment (20) gebildet ist, sowie wenigstens einem, an dem Trägersegment (20) angebrachten Luftzuführungskanal (26), der in die Luftführungskammer (25) mündet, wobei die Leitsegmente (30) lose mit radialem Spiel gelagert sind. Hierdurch wird eine spannungsfreie Aufnahme auch im Falle intensiver Vorgänge mit hohen Temperaturgradienten gewährleistet.
Description
Die Erfindung betrifft einen kühlbaren Mantel einer Gasturbine oder dergleichen
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 0 516 322 B1, von der die Erfindung ausgeht, ist ein kühlbarer Mantel
für eine Gasturbine bekannt. Der Mantel wird durch mehrere bogenförmige Man
telsegmente gebildet, die in Umfangsrichtung aneinandergrenzend einen Mantel
ring bilden, der ein Laufrad einer Hochdruckturbinenstufe umgibt. Zur Kühlung der
dem Laufrad abgewandten Seite der Mantelsegmente ist eine ringförmige Mantel
kühlkammer vorgesehen, die sich in radialer Richtung zwischen den Mantelseg
menten und bogenförmigen Leitsegmenten erstreckt. Die Leitsegmente sind aus
Blechabschnitten geformt, die mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen verse
hen sind. Ferner ist eine Luftführungskammer vorhanden, die sich in radialer Rich
tung zwischen den Leitsegmenten und einem gehäuseseitigen Träger bzw. Trä
gersegment erstreckt. Der Träger weist ferner einen Luftzuführungskanal auf, der
in die Luftführungskammer mündet.
Zur Kühlung des Mantels wird Kühlluft in den Luftzuführungskanal eingespeist.
Von dort tritt sie durch die Durchgangsöffnungen hindurch, wobei sich Hochge
schwindigkeits-Luftstrahlen ausbilden, die im Wesentlichen senkrecht auf die
Rückseite der Mantelsegmente aufprallen. Nach dem Aufprall werden sie umge
lenkt und es stellt sich eine Querströmung in der Mantelkühlkammer ein.
Die mit dieser Einrichtung erzielbare hohe Kühlwirkung beruht insbesondere auf
der Kombination von Prall- und Konvektionskühlung. Um den besonders günsti
gen Wärmeübergang der sich einstellenden Prallkühlung optimal zu nutzen,
kommt es im besonderen Maße darauf an, eine möglichst hohe Geschwindigkeit
der durch die Durchgangsöffnungen austretenden Kühlluftstrahlen zu realisieren.
Grundvoraussetzung hierfür ist die Einstellung einer möglichst hohen Druckdiffe
renz zwischen der Luftführungskammer und der Mantelkühlkammer.
Problematisch ist in diesem Zusammenhang der Leckverlust, der sich durch Sei
tenumströmungen der Leitsegmente ergibt. Zur Vermeidung solcher Leckagen
sind deshalb die einzelnen Leitsegmente mit dem Träger vollständig und umlau
fend verlötet. Der hierfür erforderliche Aufwand ist enorm und führt deshalb zu ho
hen Herstellkosten. Darüberhinaus ist diese Konzeption auch deshalb problema
tisch, weil derartige Mantelsegmente speziell bei modernen Gasturbinen mit ex
trem hohen Turbineneintrittstemperaturen stark beschädigungsgefährdet sind. Im
Falle eines notwendigen Austausches oder einer Reparatur der Leitsegmente fal
len überproportional hohe Kosten an, die unter anderem auf die damit verbunde
nen Lötarbeiten zurückzuführen sind.
Auch ist diese Art der Anbindung der Leitsegmente an den Träger bei instatio
nären Vorgängen, wie beispielsweise beim Hochfahren der Gasturbine oder bei
Lastwechseln, problematisch, da bei diesen Betriebszuständen hohe Temparatur
gradienten innerhalb der Bauteile und Baugruppen auftreten und zu hohen me
chanischen Spannungen führen können. Besonders gefährdet ist hierbei die Löt
verbindung zwischen den Leitsegmenten und dem Träger.
Die Erfindung versucht, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die
Aufgabe zugrunde, einen kühlbaren Mantel der eingangs genannten Art anzu
geben, der ohne gravierende Einbuße an Kühleffektivität konstruktiv einfach auf
gebaut ist, wodurch sich sowohl die Herstellungs- als auch die Reparatur- und
Wartungskosten reduzieren lassen. Darüber hinaus sollen die mechanischen Be
lastungen bei den beschriebenen instationären Vorgängen verringert und somit
eine erhöhte Lebensdauer erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einem kühlbaren Mantel
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Leitsegmente lose und mit radialem
Spiel gelagert sind. Durch diese Art der Lagerung sind Relativbewegungen zwi
schen dem Träger bzw. Trägersegment und den Mantelsegmenten möglich. Das
radiale Spiel ist so bemessen, dass eine weitgehend ungehinderte Relativbewe
gung auch für den ungünstigsten instationären Betriebszustand möglich ist. Dieser
tritt während der Hochlaufphase auf, bei der die Leitsegmente mit Kühlluft beauf
schlagt werden, die eine vergleichsweise hohe Temperatur besitzt, wodurch hin
gegen der Träger noch vergleichsweise kalt ist.
Ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau lässt sich dann realisieren, wenn
die Leitsegmente lose zwischen dem Träger und Abstandshaltern geführt sind,
wobei die Abstandshalter in radialer Richtung abstehend an der Rückseite der
Mantelsegmente angebracht sind. Der auf die Leitsegmente auftreffende Kühlluft
strom drückt diese gegen die Abstandshalter, wodurch ein fest vorgegebener Ab
stand zwischen den Leitsegmenten und der Rückseite der Mantelsegmente ein
gehalten wird. Damit ist in radialer Richtung die Mantelkühlkammer festgelegt,
deren radiale Erstreckung der Höhe der Abstandshalter entspricht. Der vergleichs
weise hohe Druck, unter dem die Kühlluft zugeführt wird, sorgt dafür, dass die
Leitsegmente während der Dauer der Beaufschlagung mit Kühlluft sicher gegen
die Abstandshalter gedrückt gehalten sind.
Als Abstandshalter haben sich besonders Rippen bewährt, die eine durchgehende
Unterstützung der Leitsegmente längs einer durchgehenden Linie erlauben. Eben
so eignen sich punktuelle Stützelemente, wie beispielsweise Pins oder Erhebun
gen in zylindrischer beziehungsweise kegeliger Ausgestaltung, deren Anordnung
prinzipiell beliebig ist und dadurch eine noch bessere Vergleichmäßigung der
Kühlwirkung zulassen.
Eine besonders sichere Lagerung der Leitsegmente lässt sich dann erreichen,
wenn diese mit zumindest zwei radialen Stegen versehen sind, die mit geringem
axialem Spiel in korrespondierende Führungsnuten des Trägers eingreifen. Das
geringe Spiel erlaubt einerseits die radiale Verschiebebewegung der Leitsegmen
te, minimiert andererseits die Leckverluste infolge seitlichen Umströmens der Leit
segmente auch bei vergleichsweise hohem Überdruck der Kühlluftzufuhr.
Besonders günstig ist die Ausgestaltung der Leitsegmente mit einem U-förmigen
Querschnittsprofil, das sich besonders einfach herstellen lässt. Durch einen span
losen Umformvorgang können jeweils seitlich Schenkel gebildet werden, die als in
Umfangsrichtung durchlaufende Stege die exakte Führung des jeweiligen Leitseg
mentes sicherstellen.
Bevorzugt sind die Leitsegmente in Umfangsrichtung überlappend angeordnet.
Damit entsteht in Umfangsrichtung eine durchgängige, nicht unterbrochene Trenn
fläche zwischen der Mantelkühlkammer und dem Luftzuführungskanal, so dass
Leckverluste an den Übergangsstellen von jeweils zwei benachbart angeordneten
Leitsegmenten weiter minimiert werden.
Im Überlappungsbereich kann eine erhöhte Zahl von Durchgangsbohrungen vor
gesehen sein, um auch in diesem Bereich die Ausbildung von Kühlluftstrahlen in
ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen. Damit wird dem Effekt Rechnung
getragen, dass durch das lose Lagern der einzelnen Leitsegmente die relative Zu
ordnung in Umfangsrichtung variieren kann, verbunden mit der Gefahr, dass im
Überlappungsbereich zu wenig Durchgangsbohrungen zweier überlappender Leit
segmente zur Deckung gebracht werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle einer erhöhten Zahl von Durch
gangsbohrungen im Überlappungsbereich bei jeweils einem der beiden Leitseg
mente Durchgangsöffnungen mit vergrößertem Querschnitt in Umfangsrichtung
vorzusehen, so dass unabhängig von der augenblicklich eingenommenen Rela
tivlage zweier benachbarter Leitsegmente die Durchgangsbohrungen freibleiben.
Im Kontaktbereich jeweils zwischen Mantelsegment und Träger sind in Umfangs
richtung verlaufende Flanschabschnitte vorgesehen, so dass Mantelsegment und
Träger mittels Halteklammern, die die jeweils aneinandergrenzenden Flansch
abschnitte umgreifen, miteinander lösbar verbunden sind. Die Halteklammern
pressen einerseits die Mantelsegmente und Träger fest aneinander, so dass
Leckverluste durch zwischen den beiden Bauteilen austretende Kühlluft weitge
hend unterbunden wird. Andererseits gestatten die Halteklammern ein einfaches
Lösen und Wiederherstellen der Verbindung, so dass nicht nur die Montage des
Mantels, sondern im besonderen Maße auch die Reparatur durch Austausch ein
zelner Elemente stark vereinfacht ist.
Zusätzliche Dichtelemente zwischen den Halteklammern einerseits und den
Flanschabschnitten andererseits gewährleisten eine praktisch vollständige Abdich
tung im Kontaktbereich zwischen Mantelsegment und Träger. Damit lässt sich der
Kühlluftbedarf auf niedrigem Niveau halten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines kühlba
ren Mantels des ersten Laufrades einer Hochdruck-Turbinenstufe dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 Kühlbarer Mantel im Axialschnitt (Teilansicht);
Fig. 2 Überlappungsbereich zweier aneinandergrenzender Leitsegmente in
perspektivischer Ansicht.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept eines kühlbaren Mantels ergibt sich
insbesondere aus Fig. 1. Es ist ein Ausschnitt aus der ersten Hochdruck-Turbi
nenstufe einer Gasturbine, bestehend aus einem Laufrad 110 und einem Leitrad
120 dargestellt. Das Laufrad 110 ist in radialer Richtung von einem Mantelring
umgeben, der aus mehreren, in Umfangsrichtung aneinandergereihten Mantel
segmenten 10 aufgebaut ist.
Jedes Mantelsegment 10 ist einem Trägersegment 20 zugeordnet, welches in
nicht näher dargestellter Art und Weise an einem Gehäuse 100 fixiert ist. Das Trä
gersegment 20 wird in im Wesentlichen radialer Richtung von einem Luftzufüh
rungskanal 26 durchsetzt, durch den Kühlluft aus einer nicht näher dargestellten
Kühlluftversorgung zugeführt wird. Als Kühlluft wird beispielsweise ein Teilluft
strom aus einer der vorangeschalteten Verdichterstufen verwendet. Der Luftzufüh
rungskanal 26 mündet in eine in Umfangsrichtung durchgehende Vertiefung 24,
die Teil einer Luftführungskammer 25 ist. Die Luftführungskammer 25 wird radial
innenliegend von einem Leitsegment 30 begrenzt. Das Leitsegment 30 besitzt
eine U-förmige Grundform mit zwei Stegen 32, die in korrespondierend gestaltete
Führungsnuten 22 des Trägersegmentes 20 eingreifen.
Gegenüberliegend stützt sich das Leitsegment 30 an zwei als Rippen ausgebil
deten Abstandshaltern 12 ab, die in Umfangsrichtung verlaufend und in radialer
Richtung abstehend an der Rückseite des Mantelsegmentes 10 angebracht sind.
Somit entsteht in radialer Richtung zwischen dem Mantelsegment 10 und dem
Leitsegment 30 eine Mantelkühlkammer 15.
Wie sich insbesondere aus Fig. 2 ergibt, sind die Leitsegmente 30 mit einer Viel
zahl von Durchgangsöffnungen 34 versehen, die eine Fluidverbindung zwischen
der Luftführungskammer 25 und der Mantelkühlkammer 15 darstellen und der
Ausbildung von Kühlluftstrahlen dienen.
Das Trägersegment 20 und das Mantelsegment 10 weisen Flanschabschnitte 28
beziehungsweise 18 auf, die von Halteklammern 80 umfaßt werden und damit das
Trägersegment 20 und das Mantelsegment 10 miteinander verbinden. Die Halte
klammern 80 besitzen ein in etwa U-förmiges Querschnittsprofil mit zwei Axial
stegen 89, die in korrespondierende Axialnuten 29, 19 des Trägersegments 20
beziehungsweise des Mantelsegmentes 10 eingreifen. Hierdurch entsteht ein axial
fluchtender Übergang vom Trägersegment 20 zum Mantelsegment 10.
Dichtungselemente 90 sind in Eckbereichen zwischen den Halteklammern 80 ei
nerseits und den Flanschabschnitten 28 des Trägersegments 20 und den
Flanschabschnitten 18 des Mantelsegments 10 andererseits eingesetzt, um einen
weitgehend druckdichten Abschluss zwischen den luftführenden Bereichen, ins
besondere der Mantelkühlkammer 15 beziehungsweise der Luftführungskammer
25 und der Umgebung sicherzustellen.
In Umfangsrichtung sind die Leitsegmente 30 zur Bildung von in Umfangsrichtung
durchgehenden luftführenden Kanälen überlappend angeordnet. Wie sich aus Fig.
2 ergibt, sind jeweils zwei aneinanderstoßende Leitsegmente 30 so angeordnet,
dass sich ein Überlappungsbereich 38 ergibt. Zu diesem Zweck sind die Leit
segmente 30 jeweils an einem Ende so geformt, dass sie in das benachbarte
Leitsegment 30 eingeschoben werden können. Hierzu weicht die Außenkontur
geringfügig nach innen zurück, so dass sich im Übergangsbereich 38 eine Art
Führung ergibt.
Die Besonderheit der vorliegenden Konstruktion besteht nun darin, dass die Leit
segmente 30 lose mit etwas radialem Spiel gelagert sind und somit eine Relativ
bewegung zwischen dem Trägersegment 20 und dem Leitsegment 30 ermöglicht
wird. Diese Relativbewegung gestattet insbesondere den spannungsfreien Aus
gleich unterschiedlicher thermischer Expansion bei instationärem Betriebszustän
den, wie beispielsweise beim Hochfahren der Gasturbine, bei denen die Bauteile
unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Im Falle einer Startphase ist das Trä
gersegment 20 noch kalt (beispielsweise Umgebungstemperatur), wohingegen
das Leitsegment 30 bereits durch Kühlluft höherer Temperatur aus einer der Ver
dichterstufen stark erwärmt wird.
Die über den Luftführungskanal 26 zugeführte Kühlluft beaufschlagt das Leit
segment 30 und drückt dieses radial einwärts gerichtet gegen die Rippen 12 des
Mantelsegmentes 10. Durch permanente Kühlluftzufuhr wird eine Druckdifferenz
zwischen der Luftführungskammer 25 und der Mantelkühlkammer 15 aufrecht
erhalten, so dass das Leitsegment 30 während des Betriebes sicher fixiert ist.
Darüber hinaus ist die Aufrechterhaltung der Druckdifferenz erforderlich, um die
angestrebte Prallkühlung durch Kühlluftstrahlen zu realisieren, welche durch die
Durchgangsöffnungen 34 erzeugt werden.
Zur Vermeidung von Leckverlusten infolge Seitenumströmung der Leitsegmente
30 im Bereich der Stege 32 ist es erforderlich, das axiale Spiel der Stege 32 in
den korrespondierenden Führungsnuten 22 möglichst eng zu bemessen.
Darüber hinaus wird deutlich, dass infolge der losen Lagerung der einzelnen Leit
segmente 30 auch eine Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen den ein
zelnen Leitsegmenten 30 auftreten kann. Der Überlappungsbereich 38 muss des
halb so dimensioniert sein, dass gewisse Relativbewegungen ermöglicht werden.
Zweckmäßigerweise sind deshalb im Überlappungsbereich 38 zusätzliche Durch
gangsöffnungen vorgesehen (in Fig. 2 nicht dargestellt), um die Ausbildung von
Kühlluftstrahlen auch in diesem Bereich sicherzustellen.
10
Mantelsegment
12
Abstandshalter, Rippe
15
Mantelkühlkammer
18
Flanschabschnitt
19
Axialnut
20
Trägersegment
22
Führungsnut
24
Vertiefung
25
Luftführungskammer
26
Luftzuführungskanal
28
Flanschabschnitt
29
Axialnut
30
Leitsegment
32
Steg
34
Durchgangsöffnung
38
Überlappungsbereich
80
Halteklammer
89
Axialsteg
90
Dichtungselement
100
Gehäuse
110
Laufrad
120
Leitrad
Claims (10)
1. Kühlbarer Mantel einer Gasturbine oder dergleichen, mit
- 1. mehreren bogenförmigen Mantelsegmenten, die in Umfangsrichtung aneinander grenzend zu einem im Wesentlichen geschlossenen, ein Laufrad, insbesondere einer Hochdruckturbine, umgebenden Mantelring angeordnet sind,
- 2. wenigstens einer ringförmigen Mantelkühlkammer, die in radialer Richtung zwi schen den Mantelsegmenten und bogenförmigen, mit einer Vielzahl von Durch gangsöffnungen versehenen Leitsegmenten gebildet ist,
- 3. wenigstens einer Luftführungskammer, die in radialer Richtung zwischen den Leitsegmenten und wenigstens einem Trägersegment gebildet ist, sowie
- 4. wenigstens einem, an dem Trägersegment angebrachten Luftzuführungskanal, der in die Luftführungskammer mündet,
2. Mantel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) lose zwischen dem Träger
segment (20) und Abstandshaltern (12) geführt sind, welche in radialer Richtung
abstehend an der Rückseite der Mantelsegmente (10) angebracht sind.
3. Mantel nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch Abstandshalter (12) in Form von Stegen, Rippen, Pins oder
Auflageerhebungen.
4. Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) radiale Stege (32) aufwei
sen, die mit geringem axialem Spiel in Führungsnuten (22) des Trägersegments
(20) geführt sind.
5. Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) ein U-förmiges Quer
schnittsprofil aufweisen.
6. Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) in Umfangsrichtung über
lappend angeordnet sind.
7. Mantel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) im Überlappungsbereich
(38) eine erhöhte Anzahl von Durchgangsöffnungen (34) aufweisen.
8. Mantel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitsegmente (30) im Überlappungsbereich
(38) Durchgangsöffnungen mit vergrößerter Fläche aufweisen.
9. Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelsegmente (10) und die Trägersegmente
(20) in Axialrichtung weisende Flanschabschnitte (18; 28) aufweisen und mittels
die Flanschabschnitte (18; 28) umgreifender Halteklammern (80) miteinander lös
bar verbunden sind.
10. Mantel nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch Dichtungselemente (90) zwischen den Halteklammern (80)
einerseits und den Flanschabschnitten (18; 28) andererseits.
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