DE19936761A1 - Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde - Google Patents
Befestigungsvorrichtung für HitzeschutzschildeInfo
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Abstract
Eine Befestigungsvorrichtung für einen Hitzeschutzschild (220) einer Gasturbine wird mit einem mittleren Aufnahmeelement (222) versehen, das in radialer Richtung ein definiertes Einbauspiel (s) mit einer Aufnahmenut aufweist. Im normalen Betriebszustand hat dieses Aufnahmeelement keine Funktion, derart, dass thermische Differenzdehnungen in radialer Richtung zwischen dem Hitzeschutzschild (220) und seinem Gegenstück (2) im Rahmen dieses definierten Spiels unbehindert möglich sind. Erst, wenn die radiale Differenzdehnung das Maß (s) überschreitet, beginnt das Aufnahmeelement (222) zu tragen. Damit wird die Verformung des Hitzeschutzschildes zu einem relativbewegten Bauteil (LA2) hin begrenzt und ein exzessives Anstreifen der Bauteile aneinander vermieden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde
gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Hitzeschutzschilde werden in thermischen Turbomaschinen, wie beispielsweise
Gasturbinen, verwendet. Sie sind dort in axialer Richtung zwischen den
Schaufelreihen angeordnet, und bewahren den Rotor oder das Gehäuse vor
direktem Kontakt mit Heissgas.
Im Betrieb müssen diese Bauelemente erhebliche thermische
Differenzdehnungen mit dem Bauteil, auf dem sie befestigt sind, aufnehmen,
wodurch sie sich in radialer wie auch in axialer Richtung verformen.
Demgegenüber weisen Hitzeschutzschilde im Einbauzustand nur sehr geringes
Spiel zu ihnen gegenüberliegenden Schaufeln auf. Aufgrund der Verformung
und dem geringen Spiel aber besteht die Gefahr des Anstreifens der Schaufeln
an dem Hitzeschutzschild. Dadurch kommt es zu weiterem Wärmeeintrag, und
einer positiven Rückkopplung über eine stärkere Verformung und ein noch
heftigeres Anstreifen. Unter ungünstigen Bedingungen kann dies zu einer
schwerwiegenden Havarie einer Maschine führen. Jedoch muss dem
Hitzeschutzschild ein gewisses Spiel in seinen Lagerungen zugestanden
werden, da im anderen Falle behinderte thermische Dehnungen zu hohen
Bauteileigenspannungen und schliesslich einer drastischen
Lebensdauerverkürzung des Hitzeschutzschildes führen. Dementsprechend
muss nach dem Stand der Technik das wohlbekannte latente Havarierisiko
durch das Anstreifen eines relativbewegten Bauteils an einem
Hitzeschutzschild hingenommen werden.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Hitzeschutzschild Verformungen zum Ausgleich thermischer Dehnungen in
einem gewissen Ausmasse zuzulassen, aber insbesondere radiale
Verformungen mit Sicherheit auf ein wohldefiniertes Mass zu begrenzen.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch die Merkmale des unabhängigen
Hauptanspruchs.
Kern der Erfindung ist es also, ein Hitzschutzschild mittels axial aussen
gelegener Aufnahmeelemente im Gehäuse oder auf der Welle einer
Turbomaschine zu fixieren, und durch zwischen diesen angeordneten
zusätzliche Aufnahmeelemente eine Sicherheitsvorrichtung zum Auffangen
übermässiger radialer Verformungen zu schaffen. In jedem axialen Schnitt des
Hitzeschutzschildes übernimmt nur jeweils ein Aufnahmeelement eine axiale
Fixierungsfunktion, während die anderen Aufnahmeelemente eine
unbehinderte axiale Verformung des Hitzeschutzschildes ermöglichen.
Weiterhin ist der Hitzeschutzschild im axialen Schnitt durch die am weitesten
aussen gelegenen Aufnahmeelemente in radialer Richtung fixiert. Die radiale
Lagerung des Hitzeschutzschildes an zwei weit voneinander entfernten
Punkten verbessert einerseits die Kippstabilität der Lagerung. Andererseits ist
der axiale Überhang des Hitzeschutzschildes minimiert, wodurch
Schwingungen des Hitzeschutzschildes am besten unterbunden werden. In
axialer Richtung zwischen den radial tragenden Aufnahmeelementen werden
weitere Aufnahmeelemente angeordnet, die ein radiales Spiel in ihren
Befestigungsnuten aufweisen, und im Normalbetrieb keine Tragefunktion
haben. Erst dann, wenn eine radiale Verformung des Hitzeschutzschildes dort,
wo eines dieser Aufnahmeelemente mit radialem Spiel angeordnet ist, das
Mass dieses Spiels überschreitet, erhält dieses Aufnahmeelement eine
Tragefunktion und verhindert das Auftreten einer exzessiven radialen
Verformung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen
Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine, und Fig. 2 die Umgebung eines
in dieser Gasturbine montierten Hitzeschutzschildes.
In Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch eine vierstufige Turbine eines
Gasturbosatzes dargestellt. Im Betrieb dreht sich die Welle 1 um die
Maschinenachse 3. Auf der Welle 1 sind die Laufschaufeln LA1 bis LA4
angeordnet. Die zugehörigen Leitschaufeln LE1 bis LE4 sind im Gehäuse 2
befestigt. Gegenüber den Leitschaufelspitzen sind die Rotor-Hitzeschutzschilde
110, 120, 130 und 140 mittels geeigneter Befestigungsmittel auf dem Rotor
befestigt. Analog sind gegenüber den Laufschaufelspitzen die Gehäuse-
Hitzeschutzschilde 210, 220, 230 und 240 auf geeignete Weise am Gehäuse
befestigt. Dabei wird man in der Realität nicht zwingend in jeder Stufe
Hitzeschutzschilde finden; in der Praxis wird man gerade in den letzten Stufen,
in denen das Arbeitsmedium schon stark entspannt und abgekühlt ist, oftmals
auf diese verzichten. Andererseits ist der Einsatz von Hitzeschutzschilden mit
der erfindungsgemässen Befestigungsvorrichtung keineswegs auf die Turbine
eines Gasturbosatzes beschränkt: Die Erfindung kann auch beispielsweise in
Dampfturbinen oder in Turboverdichtern, und dort gerade in den
Hochdruckstufen moderner Turboverdichter, mit Vorteil eingesetzt werden.
In Fig. 2 ist die unmittelbare Umgebung des Gehäuse-Hitzeschutzschildes 220
der zweiten Turbinenstufe vergrössert dargestellt. Insbesondere ist die
Befestigung des Hitzeschutzschildes 220 im Gehäuse 2 mittels dreier als
Haken ausgebildeter Aufnahmeelemente 221, 222, 223, die jeweils in
zugehörigen Gehäusenuten liegen, gut zu erkennen. In Richtung der
Maschinenlängsachse 3 ist der Hitzeschutzschild nur durch das
Aufnahmeelement 221 fixiert, während die Aufnahmeelemente 222 und 223 mit
axialem Spiel in den zugehörigen Nuten liegen. In der durch R gegebenen
radialen Richtung sind die Aufnahmeelemente 221 und 223 spielfrei in ihren
Gehäusenuten verankert. In radialer Richtung ist der Hitzeschutzschild 220
also durch die beiden axial äusseren Aufnahmeelemente 221 und 223 im
Gehäuse fixiert. Das Aufnahmeelement 222 hingegen weist sowohl axial als
auch radial Spiel in seiner Gehäusenut auf, und wird im normalen
Betriebszustand keine Befestigungsfunktion erfüllen.
Im Betrieb wird der Hitzeschutzschild 220 stark erwärmt, und es werden sich in
axialer wie auch in radialer Richtung sowohl gegen die Laufschaufel LA2 als
auch gegen das Gehäuse 2 thermische Differenzdehnungen einstellen. Aus
diesem Grunde ist insbesondere das Spiel des Aufnahmeelementes 222 in
seiner Befestigungsnut wichtig, da eine behinderte Dehnung starke
Eigenspannungen im Hitzeschutzschild 220 induzieren würde, was letztlich zu
einer starken Verminderung der Bauteillebensdauer führen würde. Radiale
Verformungen von der Spitze der gegenüberliegenden Schaufel weg führen
zwar zu erhöhten Spaltverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad der
Maschine, gefährden aber die Betriebssicherheit zunächst nicht. Radiale
Verformungen zu der gegenüberliegenden Schaufelspitze hin dagegen können
potentiell eine grosse Havarie einer Maschine auslösen: Sobald ein dem
Hitzeschutzschild gegenüberliegendes Teil am Hitzeschutzschild zu streifen
beginnt, wird durch die Reibung zusätzlich Wärme in den Hitzeschutzschild
eingetragen, wodurch sich die Verformung und damit wiederum die Reibung
verstärkt. Daher ist das radiale Spiel des Aufnahmeelementes 222 in seiner
Befestigungsnut zur gegenüberliegenden Schaufelspitze hin auf ein Mass s
begrenzt, das mit Vorteil kleiner als 20% des Masses h gewählt wird, und
selbstverständlich kleiner als das Spiel zwischen der Schaufel und dem
Hitzeschutzschild. Wenn in Ausnahmesituationen die radiale Verformung des
Hitzeschutzschildes also das radiale Spiel des mittleren Aufnahmeelementes -
prinzipiell können zwischen den axial aussen liegenden Aufnahmeelementen
auch mehrere Aufnahmeelemente mit Spiel in der zugehörigen
Befestigungsnut angeordnet sein - überschreitet, beginnt das mittlere
Aufnahmeelement in radialer Richtung zu tragen, und verhindert auf diese
Weise eine exzessive radiale Verformung des Hitzeschutzschildes.
1
Rotor
2
Gehäuse
3
Maschinenachse
110
Rotor-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
120
Rotor-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
130
Rotor-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
140
Rotor-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
210
Gehäuse-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
220
Gehäuse-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
221
Aufnahmeelement
222
Aufnahmeelement
223
Aufnahmeelement
230
Gehäuse-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
240
Gehäuse-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
h maximales radiales Mass des Hitzeschutzschildes
s radiales Spiel des mitteleren Aufnahmeelementes in Richtung zum dem Hitzeschutzschild gegenüberliegenden Bauteil
LA1 Laufschaufel der ersten Turbinenstufe
LA2 Laufschaufel der zweiten Turbinenstufe
LA3 Laufschaufel der dritten Turbinenstufe
LA4 Laufschaufel der vierten Turbinenstufe
LE1 Leitschaufel der ersten Turbinenstufe
LE2 Leitschaufel der zweiten Turbinenstufe
LE3 Leitschaufel der dritten Turbinenstufe
LE4 Leitschaufel der vierten Turbinenstufe
R radiale Richtung
h maximales radiales Mass des Hitzeschutzschildes
s radiales Spiel des mitteleren Aufnahmeelementes in Richtung zum dem Hitzeschutzschild gegenüberliegenden Bauteil
LA1 Laufschaufel der ersten Turbinenstufe
LA2 Laufschaufel der zweiten Turbinenstufe
LA3 Laufschaufel der dritten Turbinenstufe
LA4 Laufschaufel der vierten Turbinenstufe
LE1 Leitschaufel der ersten Turbinenstufe
LE2 Leitschaufel der zweiten Turbinenstufe
LE3 Leitschaufel der dritten Turbinenstufe
LE4 Leitschaufel der vierten Turbinenstufe
R radiale Richtung
Claims (4)
1. Befestigungsvorrichtung zur Befestigung von Hitzeschutzschilden (110,
120, 130, 140, 210, 220, 230, 240) in einer Turbomaschine, durch welche
Befestigungsvorrichtung die Hitzeschutzschilde in einer radialen und einer
axialen Einbauposition fixiert werden, welche Befestigungsvorrichtung aus
einer Mehrzahl von Aufnahmeelementen (221, 222, 223) besteht, welche
Aufnahmeelemente in wenigstens drei unterschiedlichen axialen
Einbaupositionen an dem Hitzeschutzschild angeordnet sind, und welche
Aufnahmeelemente im Einbauzustand in Befestigungsnuten einer Welle (1)
oder eines Gehäuses (2) der Turbomaschine eingreifen, dadurch
gekennzeichnet, dass die axial am weitesten aussen liegenden
Aufnahmeelemente (221, 223) im Einbauzustand in radialer Richtung (R)
spielfrei in den Befestigungsnuten angeordnet sind, und die axial zwischen
diesen angeordneten Aufnahmeelemente (222) ein radiales Spiel (s) in der
Befestigungsnut aufweisen.
2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmeelemente als Haken ausgebildet sind.
3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das radiale Spiel (s) kleiner als 20% eines Masses h ist, wobei das Mass h
als das Mass von der im Betrieb von Heissgas überströmten Seite des
Hitzeschutzschildes bis zu der am weitesten von dieser entfernten Stelle
eines Aufnahmeelementes ist.
4. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das radiale Spiel (s) zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt.
Priority Applications (4)
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