DE2158578A1

DE2158578A1 - Stator-Schaufelkonstruktion

Info

Publication number: DE2158578A1
Application number: DE19712158578
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Claymont Del.; Mierley sen. George M. Lake Worth Fla.; Raheim (V.St A.). FOIl 1-22
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-01-11
Filing date: 1971-11-26
Publication date: 1972-07-27
Also published as: US3689174A; IT946371B; JPS5026683B1; NL7118033A; CH545909A; FR2122162A5; CA930671A; GB1317529A

Description

PATH KTASWAIT	HOLZEiE
DIPL. ING. El.	SBUUG
89 AUG
PHILIPPINE - WE	Ki «1373
^rau*°

W. 556

Augsburg, den 24. November 1971

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15 222, V.St.A.

Stator-Schaufelkonstruktion

Die Erfindung betrifft eine Stator-Schaufelkonstruktion für Axialturbinen, deren Schaufeln von einem Statorring getragen werden.

Die erfindungsgemäße Stator-Schaufelkonstruktion kann insbesondere jeweils in der ersten Stufe einer vielstufigen Axialgasturbine Anwendung finden.

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Nach dem bekannten Stand der Technik werden die Statorschaufeln von Axialgasturbinen in Segmentgruppen gegossen, von welchen beispielsweise jede Gruppe vier Schaufeln aufweist. Diese bekannte Konstruktion ist schwierig herzustellen und infolge einer hohen Gußausschußquote kostspielig. Außerdem werden diese Segmente dadurch montiert, daß man sie in Nuten eines Statorringes einfügt, die sich quer zur Turbinenachse erstrecken. Dies macht aber das Entfernen und Austauschen einzelner Segmentgruppen schwierig und zeitraubend.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer Stator-Schaufelkonstruktion der genannten Art die Schaufeln leicht wegnehmbar bzw. austauschbar zu machen und stets alle fehlerfreien Schaufeln verifenden zu können, so daß jeweils nur diejenigen Schaufeln entfernt zu werden brauchen, welche Mangel aufweisen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an dem Statorring eine Vielzahl von Halteelementen befestigt ist, die zusammen einen Ring bilden und in welchen axial verlaufende Nuten gebildet sind, und daß in diese Axialnuten einzelne, in ihrer Gesamtheit wiederum

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einen Ring bildende Schaufeln eingesetzt sind, welche innerhalb der Axialnuten jeweils unabhängig voneinander axial verschiebbar sind.

Dadurch ist jede einzelne Schaufel getrennt von den anderen Schaufeln wegnehmbar und austauschbar.

Vorzugsweise sind die Schaufeln hohl ausgebildet und ist in den genannten Halteelementen jeweils mindestens eine öffnung vorgesehen, über welche ein Kühlmedium in voneinander getrennte Kammern der Schaufeln eingelassen werden kann, so daß ein Fehler einer Schaufel nicht auch die Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr zu ihren benachbarten Schaufeln zur Folge hat.

Ein Ausführungsbeispxel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 einen schematischen Axialschnitt

eines den Erfindungsgegenstand aufweisenden Teiles einer Gasturbine,

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Pig. 2 eine schematische Draufsicht

auf ein Halteelement der in Fig. 1 dargestellten Stator-Schaufelkonstruktion nach der Erfindung,

Pig. 3 eine Teilseitenansicht des

in Fig. 2 dargestellten Halteelementes,

Pig. 4 eine vollständige Seitenansicht

des in Fig. 2 dargestellten Halteelementes,

Fig. 5 eine Vorderansicht des in

Fig. 2 dargestellten Halteelementes,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung

der Befestigung einer Statorschaufel an zwei aneinander angrenzenden Halteelementen nach der Erfindung, und

-H-

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Pig. 7 eine perspektivische Darstellung

einer Statorschaufel nach der Erfindung.

Die Zeichnungen, insbesondere Pig. I zeigen einen Teil der ersten Stufe einer Axialgasturbine 1O₃ !^reiche einen Statorschaufelkranz mit Schaufeln 12, von welchen nur eine dargestellt ist, und einen unmittelbar stromab dieses Statorschaufelkranzes angeordneten Rotorschaufelkranz mit Schaufeln 14 aufweist, von welch letzteren ebenfalls nur eine dargestellt ist. Die Rotorschaufeln sind in geeigneter Weise am Umfange einer Rotarscheibe befestigt, von welcher nur ein Teil dargestellt ist und welche an der ebenfalls nicht dargestellten Rotorwelle befestigt ist, die in an sich bekannter Weise in dem Turbinengehäuse drehbar gelagert iat. Pie Axialturbine 10 weist, da sie bei diesem Beispiel als mehrstufige Turbine ausgebildet ist, stromab der Rotorschaufeln 14 angeordnete zusätzliche Expanaionsstufen auf.

Ein heißes Treibgas wird der Turbine von geeigneten, nicht dargestellten Brennkammern her zugeführt. Dieses

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Gas strömt von den Brennkammern durch die Statorschaufeln und die Rotorschaufeln, wobei es in an sich bekannter Weise seine Energie abgibt und dadurch die Turbinenwelle antreibt.

Wie Pig. 1 zeigt, sind die Statorschaufeln 12 an einem Statorring 16 befestigt, welcher eine Konstruktion aus mehreren Ringteilen verschiedener Durchmesser sein kann, die zusammengeschweißt sind. Der Statorring 16 ist in einem nicht dargestellten Turbinengehäuse untergebracht, welches einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt hat. Ferner kann an dem Statorring 16 in geeigneter Weise eine Abdeckung 20 befestigt sein. Entsprechend der üblichen Praxis sind bogenförmige Ringsegmente 22 in eine T-förmige Nut 24 eingefügt, die am Innenumfang eines Ringteiles 18 des Statorringes 16 rund um die Rotorschaufeln 14 verlaufend gebildet ist, um hierdurch ein Vorbeilecken des Treibgases an den Rotorschaufeln während des Turbinenbetriebes zu vermeiden. -

Bisher wurden die Statorschaufeln jeweils in Form von Schaufelsegmentgruppen gegossen, von welchen jede Gruppe eine bestimmte Anzahl von Schaufeln aufweist, beispielsweise vier, welche jeweils zwischen einem bogen-

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förmigen äußeren Deckbandteil und einem bogenförmigen inneren Deckbandteil befestigt werden. Die äußeren Deckbandteile werden in eine im Statorring gebildete Nut eingefügt, ähnlich wie die Ringsegmente 22. Wie bereits erwähnt, ist das Gießen von Schaufeln in Form von Schaufelgruppen schwierig und infolge der hohen Gußausschußquote kostspielig.

Gemäß der Erfindung wird jede Schaufel 12 der ersten Turbinenstufe jeweils getrennt gegossen, wobei die einzelnen Schaufeln jeweils einen Schaufelteil 26 aufweisen, der sich zwischen einem äußeren Deckbandteil 28 und einem inneren Deckbandteil 30 befin det, wodurch der Gießvorgang vereinfacht wird. Die äußeren Deckbandteile werden von Halteelementen 32 gehalten, die an dem Statorring 16 mit Schrauben befestigt sind, welche sich durch den Statorring 16 hindurcherstrecken und in Gewindebohrungen 36 der Halteelemente 32 eingeschraubt sind. Für die einzelnen Halteelemente 32 können zusätzlich Positioniermittel in Form von Stiften 38 vorgesehen sein, welche jeweils durch einen am Statorring 16 vorgesehenen Flansch 40 hindurch in das eine Ende der einzelnen Halteelemente 32 eingefügt sind.

Wie die Fig. 2 bis 6 deutlicher zeigen, hat jedes

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der Halteelemente 32 im wesentlichen eine parallelogrammförmige Gestalt und ist jedes dieser Halteelemente 32 mit von ihrer einen Seite nach innen ragenden Vorsprüngen versehen. In den Vorsprüngen 42 sind axial verlaufende Nuten 44 und 46 zur Aufnahme von Halteansätzen 48 gebildet, die an den äußeren Deckbandteilen 28 der Statorschaufeln vorgesehen sind, wie dies Figur 7 zeigt. Jedes Halteelement 32 weist eine leichte Krümmung entsprechend der Krümmung des Statorringes 16 auf. Die Halteelemente 32 können dadurch hergestellt werden, daß ein im Querschnitt im wesentlichen rechtwinkeliger Ring, dessen Außendurchmesser im wesentlichen gleich groß wie der Innendurchmesser des genannten einen Teiles 18 des Statorringes 16 ist, in eine bestimmte Anzahl von Teilen auseinandergeschnitten wird, beispielsweise in vierzig Teile. Bei diesem Beispiel erstreckt sich also jedes der Halteelemente 32 jeweils über einen Winkel von 9°. Die Nuten 44 und 46 können in den Halteelementen 32 jeweils maschinell hergestellt werden. Ebenso können die Gewindebohrungen 36 der Halteelemente 32 jeweils zunächst gebohrt und dann mit einem Gewinde versehen werden. In jedes Halteelement 32 ist außerdem eine öffnung 50 gebohrt, über welche jeweils Kühlluft in die hohl ausgebildeten Schaufelteile 26 gelangen kann. Jeweils in das eine Ende der einzelnen Halteelemente 32 gebohrte

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Öffnungen 52 dienen zur Aufnahme des jeweils zugehörigen Stiftes 38, Wie vorstehend erwähnt, ist jedes Halteelement 32 mit in die Gewindebohrungen 36 eingeschraubten Schrauben 34 an dem Statorring l6 befestigt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die erfindungsgemäße Bildung von Schaufelhaltenuten 44, 46 in getrennten, hoch belastbaren Halteelementen 32 der Statorring 16 aus einem weniger kostspieligen Material hergestellt werden kann. Außerdem können die Halteelemente 32, da sie mit dem Statorring 16 kein gemeinsames Teil bilden, auf verhältnismäßig kleinen Werkzeugmaschinen hergestellt werden, was niedrigere Kosten als bei großen Werkzeugmaschinen zur Folge hat, die für das Herstellen der bekannten, verhältnismäßig großen Schaufelringe erforderlich sind.

Wie Fig. 7 zeigt, ist^xbei jeder Schaufel 12 der sich jeweils zwischen einem äußeren Deckbandteil 28 und einem inneren Deckbandteil 30 erstreckende Schaufelteil 26 hohl ausgebildet. Zwei quer mit Abstand voneinander angeordnete Reihen von Halteansätzen 28 sind jeweils mit dem äußeren Deckbandteil 28 einstückig hergestellt. Zur Verkleinerung der Berührungsflächen zwischen den nasen- bzw. hakenartigen Halteansätzen 48 der jeweiligen Statorschaufel 12

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und den jeweils zugehörenden Halteelementen 32 sind diese Halteansätze 48 in den einzelnen Ansatzreihen unter Bildung von zwischen ihnen vorhandenen Zwischenräumen 49 jeweils mit axialem Abstand voneinander angeordnet, wodurch die Leitungs-Wärmeübertragung von den Schaufeln 12 zu den Halteelementen 32 und dadurch auch zu dem Statorring verringert wird.

Um jeder Schaufel 12 eine gleiche Menge an Kühlluft zuzuführen, ist an jedem äußeren Deckbandteil 28 zwischen den dort vorhandenen beiden Reihen von Halteansätzen 48 beispielsweise durch Hartlöten je ein Abdeckelement 54 befestigt, so daß sich für jede Schaufel eine getrennte Luftkammer ergibt. Kühlluft gelangt jeweils von dem zwischen dem Statorring 16 und der äußeren Abdeckung 20 gebildeten Zwischenraum durch eine nicht dargestellte, in dem Statorring 16 gebildete öffnung zu der in dem betreffenden Halteelement 32 gebildeten öffnung 50, von dieser zu einer in der Abdeckung 54 gebildeten öffnung und dann durch eine im äußeren Deckbandteil 28 gebildete öffnung 58 in den betreffenden Schaufelteil 26. Diese Luft wird jeweils über öffnungen 60 wieder ausgestoßen, die jeweils am stromabwärtigen Ende der Schaufeln gebildet sind. Die Kühlluft kann durch einen nicht dargestellten

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Verdichter oder durch eine geeignete andere Kühlluftquelle bereitgestellt werden, welche die Kühlluft über eine in der Statorringabdeckung 20 gebildete öffnung 62 in den innerhalb dieser Abdeckung gelegenen Raum drängt (siehe Fig. 1). Getrennte Kühlluftkammern ermöglichen eine getrennte Bemessung der jeder Kühlluftkammer zugeführten Luft, so daß Mängel an irgendeiner Statorschaufel nicht auch die Unterbrechung der Kühlluftzufuhr zu den jeweils benachbarten Schaufeln zur Folge haben. Wie deutlicher aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind die jeweils in zwei Reihen angeordneten Halteansätze 48 der einzelnen Statorschaufeln 12 jeweils in Turbinenlängsrichtung in die Nuten 44 und 46 von zwei einander benachbarten Halteelementen 32 eingeschoben, um dadurch die Stator-Schaufelkonstruktion zusammenzubauen. Wie Fig. 1 zeigt, ist die stromabwärtige Bewegung der Schaufeln 12 durch ein Abstandselement 66 begrenzt, das an dem Statorring 16 befestigt ist. Die äußeren Deckbandteile 28 weisen Abschnitte 68 auf, welche im zusammengebauten Zustand der Schaufeln mit Abschnitten 70 des jeweils angrenzenden äußeren Deckbandteiles 28 überlappt sind, wie Fig. 7 zeigt. Eine stromaufwärtige Bewegung der Statorschaufeln 12 wird durch den auf sie einwirkenden Druck des treibenden Strömungsmittels verhindert. Diese Art der Anbringung

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von getrennten Statorschaufeln in der Turbine ermöglicht für Inspektionen und/oder Teileerneuerungen ein leichtes Entfernen jeder beliebigen Statorschaufel, ohne daß zu diesem Zwecke die Statorringabdeckung 20 entfernt zu werden braucht.

Ein weiterer Vorteil der Einzelschaufelkonstruktion gegenüber der Mehrschaufelkonstruktion liegt in der Wirtschaftlichkeit beim Schaufelaustausch. Es ist bekannt, daß bei der Verwendung von Hochtemperaturmaterialien, bei welchen die Dauerstandsfestigkeit bzw. die sich nur langsam einstellende Materialermüdung ein bestimmender Faktor sein kann, zwischen der maximalen Lebensdauer und der Durchschnittslebensdauer dieser Materialien ein großer Unterschied ist, was zur Folge hat, daß das Material der einen Schaufel beispielsweise viel früher ermüdet als das Material der jeweils benachbarten Schaufeln. Wenn nunmehr entsprechend dem bekannten Stand der Technik eine Vielzahl von Schaufeln aufweisende Segmente verwendet werden, so muß bei einer Materialermüdung bzw. bei einer fehlerhaften Schaufel jeweils das gesamte diese Schaufel aufweisende Element bzw. Schaufelgruppe ausgewechselt werden. Durch diese Faktoren ist die durchschnittliche Lebensdauer eines Schaufelkranzes mit einzelnen Schaufeln

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nach der Erfindung viel größer als die Lebensdauer eines bekannten Schaufelkranzes mit Mehrschaufelsegmenten.

Es ist also ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Stator-Schaufelkonstruktion und die Haltemittel für die einzelnen Statorschaufeln gegenüber den bekannten Anordnungen mehrere Vorteile aufweisen. Die hier beschriebene Schaufelkonstruktion eignet sich insbesondere, ohne hierauf beschränkt zu sein, für die erste Stufe von mehrstufigen Axialgasturbinen.

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Claims

Patentansprüche

(IJ Stator-Schaufelkonstruktion für Axialturbinen, deren Schaufeln von einem Statorring getragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Statorring (16) ei:za Vielzahl von Halteelementen (32) befestigt ist, die zusammen einen Ring bilden und in welchen axial verlaufende Nuten (44, 46) gebildet sind, und daß in diese Axialnuten einzelne, in ihrer Gesamtheit wiederum einen Ring bildende Schaufeln (12) eingesetzt sind, welche innerhalb der Axialnuten jeweils unabhängig voneinander axial verschiebbar sind.
2. Stator-Schaufelkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schaufeln (12) zwei in Umfangsriehtung mit Abstand voneinander angeordnete Reihen von beispielsweise hakenartigen Ansätzen (48) aufweist, welche verschieblich in den Axialnuten (44, 46) der genannten Halteelemente (32) untergebracht sind.
3. Stator-Schaufelkonstruktion nach Anspruch 2,

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dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ansätze (48) der einzelnen Schaufeln (12) jeweils in die Axialnuten (44, 46) von zwei einander benachbarten Halteelementen (32) eingesetzt sind.
4. Stator-Schaufelkonstruktion nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Reihe der einzelnen Schaufeln vorhandenen Ansätze (48) voneinander in Axialrichtung der Turbine jeweils in Abständen angeordnet sind.
5. Stator-Schaufelkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (12) hohl ausgebildet sind und in jedem der genannten Halteelemente (32) mindestens eine, ein Kühlmedium in die Schaufeln einlassende öffnung (50) vorgesehen ist.
6. Stator-Schaufelkonstruktion nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Schaufel (12) eine Abdeckung (54) befestigt ist, durch welche für jede Schaufel eine getrennte Kühlkammer gebildet ist.

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