DE2437486A1

DE2437486A1 - Gasturbine mit einlassduesenanordnung

Info

Publication number: DE2437486A1
Application number: DE2437486A
Authority: DE
Inventors: Stephen D Leshnoff; Richard J Schaller
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-08-09
Filing date: 1974-08-03
Publication date: 1975-02-20
Also published as: CA995141A; SE392147B; IT1017716B; DE2437486C2; FR2240355A1; US3857649A; JPS5044309A; FR2240355B1; JPS5228168B2; SE7410246L; GB1470989A; CH585845A5; NL7409924A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Dusseldorf 1 ■ Schadowplatz 9 2437486

Düsseldorf, 2. August 19

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Gasturbine mit Einlaßdüsenanordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen, insbesondere eine Stützanordnung für keramische Einlaßleitschaufeln von Gasturbinen.

Die Betriebstemperaturen von Turbinen werden ständig erhöht, um den Wirkungsgrad der Turbine zu vergrößern. Ein Anheben der Betriebstemperatur und damit des Wirkungsgrads einer Turbine bedeutet gleichzeitig auch eine Erhöhung der Temperatur des Fluds an der Einlaßdüse der Turbine. Derzeitige Einlaßdüsen arbeiten nur bis zum Erreichen einer bestimmten Maximaltemperatur, während dann, wenn der Wirkungsgrad weiter verbessert werden soll, die Einlaßanordnung gekühlt oder Materialien für die Düse verwendet werden müssen, die höheren Temperaturen widerstehen können. Kühlung der Einlaßdüsen erfordert eine spezielle Ausrüstung zur Schaffung der Kühlwirkung. Der Leistungsbedarf dieser speziellen Kühlausrüstung führt jedoch zu einer Verringerung des durch die

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höheren Einlaßfludtemperaturen gewonnenen Wirkungsgrades.

Eine weitere Möglichkeit, die Temperatur am Düseneinlaß zu erhöhen, besteht in der Ausbildung der Düsen aus Materialien, die den hohen Temperaturen widerstehen. Keramische Werkstoffe sind seit langem als gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähig bekannt und sind mechanisch fest, wenn sie in einem unter Druck stehenden Zustand eingesetzt werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Einlaßdüsenanordnung mit keramischen Werkstoffen, die so in einem unter Druck stehenden Zustand gehalten wird, daß nur Druckkräfte gleichförmig darauf ausgeübt werden.

.Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gasturbine mit einer Einlaßdüsenanordnung, die einen radial inneren Abschlußring, einen damit koaxialen radial äußeren Abschlußring sowie eine Mehrzahl radial zwischen den beiden Abschlußringen verlaufender und im Verhältnis dazu mittels eines inneren bzw. äußeren Stützaufbaus festgelegter Luftleitschaufeln aufweist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der innere und äußere Stützaufbau keramische Endblöcke, die zwischen sich die Luftleitschaufeln halten, an die Endblöcke angrenzende Isolierstücke sowie schwenkbar mittels des inneren bzw. äußeren Abschlußrings abgestützte innere und äußere Schuhe aufweisen, ferner der äußere Stützaufbau mit einer vorspannungserzeugenden Einrichtung versehen ist, die die Schuhe unter Ausübung einer radialen Druckkraft auf die einzelnen keramischen

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Schaufelanordnungen und unter Belassung einer geringen wechsel- seitigen Umfangsbeweglichkeit des inneren und äußeren Stützaufbaus aufeinander zu drängt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen radialen Teilschnitt durch die Einlaßdüsenanordnung einer Gasturbine, der den erfindungsgemäß ausgestalteten Schaufelaufbau erkennen läßt;

Fig. 2 einen Teil-Axialschnitt im Bereich der stromaufwärts liegenden Seite der Einlaßdüsenanordnung längs der Linie II - II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch Fig. 2 längs der Linie III - III; und

Fig. 4 perspektivisch in auseinandergezogener Darstellung eine Ansicht einer etwas abgewandelten Ausführung einer Schaufel und zugehöriger Endblöcke entsprechend einer Einlaßdüsenanordnung nach der Erfindung.

Im einzelnen läßt Fig. 1 einen Teil einer allgemein mit 10 bezeichneten Gasturbine in Form einer Seitenansicht einer allgemein mit 12 bezeichneten Einlaßdüsenanordnung erkennen. Die Einlaß-

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düsenanordnung 12 weist einen inneren Abschlußring 14 mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilter Kühlfluddurchlässe 16 auf, über die ein Kühlflud auf einen inneren Stützaufbau 17 auftreffen kann.

Der innere Stützaufbau 17 weist eine Mehrzahl halbkugelförmig ausgesparter Schwenkstutzen 18 auf, die in Umfangsrichtung über die radial äußere Seite des inneren Abschlußrings 14 verteilt sind. Die Schwenkstutzen 18 stehen schwenkbar in Eingriff mit einer konvexen halbkugelförmigen Erhebung 20, die der Einlaßdüsenanordnung 12 eine gewisse Bewegungsfreiheit verleiht. An die radial innere Seite einer Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilter innerer Metallschuhe 22 sind jeweils zwei Erhebungen 20 angeschlossen. Der innere Metallschuh 22 ist seinerseits auf der radial inneren Seite eines Isolierstücks 24 angeordnet, das durch ihn abgestützt wird. Jeder Metallschuh 22 hat, wie mit Fig. 2 gezeigt, an seinem einen Ende einen nach radial außen gerichteten lippenartigen Vorsprung 26, um eine Verschiebung des Isolierstücks 24 in Umfangsrichtung zu verhindern. Durch den Abschlußring 14 erstreckt sich eine Sicherungsschraube 28, die an dem Isolierstück 24 angreift und dieses zusätzlich festhält.

An der radial äußeren Seite des Isolierstücks 24 ist ein innerer keramischer Endblock 34 angeordnet. Der innere keramische Endblock 34 kann infolge einer zwischen ihm und dem Isolierstück 24 vorgesehenen Anordnung aus einer Zunge 30 und einer damit zusammenwirkenden nutartigen Aussparung 32 in Umfangsrichtung eine ge-

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wisse Verschiebung im Verhältnis zu dem Isolierstück 24 erfahren. Die Führungselemente, nämlich die Zunge 30 des Endblocks 34 und die nutartige Aussparung 32 des Isolierstücks 24, verleihen somit auch der gesamten Einlaßdüsenanordnung 12 eine geringe Verschieblichkeit in Umfangsrichtung. .

Jeder innere keramische Endblock 34 hat eine im wesentlichen axial ausgerichtete Nut 35. Jede Nut 35 sichert das innere Ende einer radial verlaufenden Luftleitschaufel 36. Jede Luftleitschaufel 36 ist in gleicher Weise an ihrem radial äußeren Ende mittels einer Nut 37 in einem äußeren Abschlußblock 38 festgelegt.

Der Stützaufbau am radial äußeren Ende der Luftleitschaufeln 36 ist in der gleichen Weise wie der am radial inneren Ende der Luftleitschaufeln 36 angeordnete Stützaufbau ausgebildet, mit der Ausnahme, daß auf der Außenseite der Luftleitschaufel 36 eine druckerzeugende Einrichtung angeordnet ist.

Jeder äußere Abschlußblock 38 ist somit wiederum mit einer Zunge 40 ähnlich den Zungen 30 der inneren keramischen Endblöcke 34 versehen. Die Zunge 40 greift gleitend in eine in Umfangsrichtung verlaufende nutartige Aussparung 42 an der radial inneren Seite einzelner äußerer Isolierstücke 44 ein. Die äußere Zunge 40 und die Aussparung 42 tragen zu der Verschieblichkeit der Einlaßdusenanordnung 12 in Umfangsrichtung bei. Jedes einzelne äußere Isolierstück 44 sitzt in einem äußeren Metallschuh 50. Das Isolierstück 44 wird an einer Verschiebung in Umfangsrichtung durch eine an

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ihr angreifende Sicherungsschraube 46, die sich durch einen äußeren Abschlußring 48 erstreckt, und durch eine nach radial innen gerichtete Lippe 51 (vgl. Fig. 2) am einen Ende des Metallschuhs 50 gehindert. Der äußere Abschlußring 48 ist koaxial mit dem inneren Abschlußring 14, und die beiden Abschlußringe 14 und 48 bilden die Einfassung für die Düse.

Den äußeren Abschlußring 48 durchsetzt ein Kühlfluddurchlaß 49, über den Kühlflud auf die einzelnen Metallschuhe 50 auftreffen kann.

Jeder äußere 'Metallschuh 50 geht an seinem radial äußeren Ende in eine konvexe halbkugelförmige äußere Erhebung 52 über. Ein radial ausgerichteter Kolben 54 hat ein konkaves halbkugelförmiges inneres Ende 56, das die äußere Erhebung 52 abstützt und mit dieser zusammenwirkt, so daß der Schuh 50 eine gewisse Schwenkbewegungsfreiheit hat. Der Kolben 54 ist in radialer Richtung gleitend in einem Hülsenstück 58 geführt, das mit dem äußeren Abschlußring 48 integral ist und von diesem getragen wird.

Eine eine Vorspannung erzeugende, als Feder 60 ausgebildete Einrichtung wirkt mit dem Kolben 54 zusammen, so daß eine nach radial innen gerichtete Druckkraft auf die aus keramischem Werkstoff hergestellten Düsenteile 34, 36 und 38 ausgeübt wird. Die Druckkraft auf diese keramischen Teile 34, 36 und 38 verhindert,daß die Einlaßanordnung bei extrem hohen Temperaturen ausfällt.

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Wie mit Fig. 2 gezeigt, hält jedes äußere Isolierstück 44 zwei

äußere Abschlußblöcke 38 und 38' für die Luftleitschaufeln 36. Jedes innere Isolierstück 24 hält ebenfalls zwei innere Endblöcke 34 und 34'. Jeweils zwei einander zugeordnete Endblöcke 34 und 38 stützen die Enden von nur einer Luftleitschäufel 36.

Die radial gerichteten Lippen 26 und 51, die sich von den inneren Metallschuhen 22 bzw. den äußeren Metallschuhen 50 aus erstrecken, wie das mit Fig. 2 gezeigt ist, ändern ihre jeweiligen Isolierstücke 24 bzw. 44 an einer UmfangsverSchiebung.

Ein Teil des äußeren Abschlußrings 48 ist mit der nach radial innen gerichteten Ansicht der Fig. 3 wiedergegeben.

Die keramischen Elemente nach der Erfindung sind mit Fig. 4 in einer abgewandelten Ausführung gezeigt. Ein dort mit 62 bezeichneter innerer Endblock nimmt in Stromabwärtsrichtung in seiner Dicke zu. Der Endblock 6 2 ist an seiner radial inneren Seite mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Zunge 64 versehen, die ähnlich der Zunge 30 an dem inneren keramischen Endblock 34 der Fig. 1 ist. Der Endblock 62 hat eine geneigte Ebene 68, in der eine nach Art eines Spiralabschnitts geschwungene Nut 66 mit abgerundetem Boden angeordnet ist. Eine keramische Luftleitschaufel hat ein entsprechend abgerundetes radial inneres Ende 70, das mit der Nut 66 in Eingriff steht und mit deren Konturierung übereinstimmt. Die keramische Luftleitschaufel 72 hat in ihrer Längsrichtung eine zur Stromunterseite hin abnehmende Dicke und ein

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radial äußeres Ende 74, das in ähnlicher Weise wie ihr inneres Ende 70 abgerundet ist.

Ein äußerer keramischer Endblock 80 ist an dem radial äußeren Ende 74 der Luftleitschaufel 72 angeordnet und steht mit dieser über eine nach Art eines Spiralabschnitts geschwungene Nut 76 im Eingriff, die einen abgerundeten Boden hat und in einer geneigten Ebene 78 des Endblocks 80 ähnlich wie die Nut 66 im inneren Endblock 62 angeordnet ist. Der in stromabwärtiger Richtung eine zunehmende Dicke aufweisende Endblock 80 hat eine Zunge 82 ähnlich der Zunge 40 des äußeren Abschlußblocks 38 der Fig. 1.

Die inneren und äußeren, mit abgrundetem Boden versehenen Nuten 66 und 76 wirken mit den inneren bzw. äußeren abgerundeten Enden 70 und 74 der radial ausgerichteten, sich verjüngenden keramischen Luftleitschaufel 72 zusammen. Die Ausgestaltung ermöglicht der Luftleitschaufel 72 eine Verschiebung im Verhältnis zu den End-:, blocken 62 und 80. Die keramischen Teile, d. h. die Luftleitschaufel 72 sowie die Endblöcke 62 und 80 sind einem Minimum an Spannungskonzentrationen ausgesetzt, wie sie durch Wärmeausdehnung, Fehlanpassung, ungenau verbundene Teile oder Kerbwirkungen hervorgerufen werden können.

Jedoch werden bei diesem Aufbau erzeugte Druckkräfte kompensiert, weil das in stromabwärtiger Richtung strömende Arbeitsflud eine Belastung auf die Luftleitschaufeln 72 ausübt, durch die diese in die zugehörigen Endblöcke 62 bzw. 80 eingekeilt werden, zu-

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sätzlich zu den durch die Feder 60 hervorgerufenen Druckkräften.

Keramische Werkstoffe, wie sie in Verbindung mit der Erfindung
verwendet werden, sind allgemein Siliziumnitrid Si-.N. oder Siliziumkarbid SiC. Ihre besondere Eignung ist darauf zurückzuführen, daß die Rohmaterialien sehr billig sind, daß sie sehr hohen Temperaturen widerstehen können und daß sie den meisten Abnutzungserscheinungen gegenüber widerstandsfähig sind.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche ;

(i.) Gasturbine mit einer Einlaßdüsenanordnung, die einen radial inneren Abschlußring, einen damit koaxialen radial äußeren Abschlußring sowie eine Mehrzahl radial zwischen den beiden Abschlußringen verlaufender und im Verhältnis dazu mittels eines inneren bzw. äußeren Stützaufbaus festgelegter Luftleitschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und äußere Stützaufbau (17) keramische Endblöcke (34, 38), die zwischen sich die Luftleitschaufeln (36) halten; an die Endblöcke angrenzende Isolierstücke (24, 44); sowie schwenkbar von dem inneren bzw. äußeren Abschlußring (14, 48) abgestützte innere und äußere Schuhe (22, 50) aufweisen, ferner der äußere Stützaufbau mit einer vorspannungserzeugenden Einrichtung versehen ist, die die Schuhe unter Ausübung einer radialen Druckkraft auf die einzelnen keramischen Luftleitschaufeln und unter Belassung einer geringen wechselseitigen Umfangsbeweglichkeit des inneren und äußeren Stützaufbaus aufeinander zu drängt.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft durch einen radial außerhalb der Luftleitschaufeln angeordneten stabartigen Kolben (54) ausgeübt wird, der mit einer zugehörigen Feder (60) zusammenwirkt und auf den äußeren Schuh (50) drückt, und daß der Kolben (54) und der Schuh (5O) miteinander im Eingriff stehende halbkugelförmige Flächen haben, die eine schwenkbare Lagerung des äußeren Schuhs
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstücke (24, 44) mit Aussparungen (32, 42) und die Endstücke mit Zungen (30, 40) versehen sind, die in Umfangsrichtung verschieblich in die Aussparungen (32, 42) eingreifen. -
4. Gasturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endblöcke (62, 80) abgerundete Nuten (66, 76) haben und die Luftleitschaufeln (72) an ihren inneren bzw. äußeren Enden abgerundet sind, so daß sie in die abgerundeten Nuten passen und von diesen aufgenommen werden, und daß die Endblöcke eine in Stromabwärtsrichtung zunehmende Dicke haben, um auf den keramischen Aufbau infolge der auf die Luftleitschaufeln in Stromabwärtsrichtung ausgeübten Fludbelastung eine zusätzliche Druckkraft auszuüben.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Paar innerer und äußerer Schuhe sowie Isolierstücke zwei Luftleitschaufeln (36) angeordnet sind.

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