DE2437486C2

DE2437486C2 - Düsenanordnung für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE2437486C2
Application number: DE2437486A
Authority: DE
Inventors: Stephen D. Highland Park N.J. Leshnoff; Richard J. Ambler Pa. Schaller
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-08-09
Filing date: 1974-08-03
Publication date: 1983-08-18
Also published as: IT1017716B; JPS5228168B2; FR2240355A1; CH585845A5; CA995141A; NL7409924A; SE7410246L; US3857649A; SE392147B; JPS5044309A; FR2240355B1; GB1470989A; DE2437486A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für eine Gasturbine, die einen radial inneren Abschlußring, einen ^fto 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 keramischer Leitschaufelblätter aufweist, wobei der innere und der äußere Stützaufbau keramische Endblöcke aufweist, die zwischen sich Leitschaufelblätter halten, wobei der äußere Stützaufbau mit einer vorspannungserzeugenden Einrichtung versehen ist, so daß eine geringe Umfangsbeweglichkeit des inneren und äußeren Stützaufbaus erzielt ist.

Die Betriebstemperaturen von Gasturbinen werden ständig erhöht, um den Wirkungsgrad der Turbine zu vergrößern. Ein Anheben der Betriebstemperatur und damit des Wirkungsgrades einer Gasturbine bedeutet gleichzeitig auch eine Erhöhung der Fluidtemperatur an der Einhßdüse der Gasturbine. Derartige Einlaßdüsen arbeiten nur bis zum Erreichen einer bi stimmten Maximaltemperatur, während bei weiterer Erhöhung der Temperatur zur Verbesserung des Wirkungsgrades entweder die Düsenanordnung gekühlt oder für die Düsenanordnung Materialien mit höherer Temperaturfestigkeit verwendet werden müssen. Da die Kühlung der Düsenanordnung jedoch wiederum zu zusätzlichen Leistungsbedarf führt, wird zumindest ein Teil der durch die Erhöhung der Fluidtemperatur gewor.r enen Wirkungsgradverbesserung wieder beseitigt.

Die andere Möglichkeit der Verwendung eines temperaturfesteren Materials für die Düsenanordnung ist daher erfolgsversprechender. Besonders geeignet sind keramische Werkstoffe, da sie neben hoher Temperaturfestigkeit auch hohe mechanische Festigkeit besitzen, falls die Belastung im wesentlichen eine Druckbelastung darstellt.

So wird auch in der CH-PS 3 20 493, die eine Düsenanordnung der eingangs genannten Art beschreibt, eine Befestigung für die keramischen Bauteile vorgesehen, die zu einer bestimmten Druckvorspannung führt. Diese Druckvorspannung wird durch einen Spanndraht erzeugt, der allerdings in nachteiliger Weise auf die keramischen Leitschaufelbehälter nicht nur reine Druckkräfte ausübt, sondern in bestimmten Fällen auch in den keramischen Leitschaufelblättern Scherungskräfte entstehen läßt. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Spanndraht nur in sehr begrenztem Umfang eine individuelle Bewegung der einzelnen keramischen Leitschaufelblätter in radialer Richtung zuläßt, weil der Einfluß eines Leitschaufelb!atte.^c auf den in seinem Bereich befindlichen Spanndraht sofort auch Einfluß nimmt auf den Spanndraht von benachbarten Leitschaufelblättern. Dadurch ergibt sich eine mechanische Wechselwirkung zwischen den einzelnen keramischen Leitschaufelblättern über den Spanndraht, die bei bestimmten Betriebsverhältnissen ungünstigt ist. Auch sind keine besonderen Maßnahmen vorgesehen, um in den einzelnen Leitschaufelblättern so ausreichende Bewegungsmöglichkeiten zu schaffen, daß die bei den sehr hohen Temperaturen auftretenden Ausdehnungen ihrerseits keine schädlichen Verspannungen innerhalb der Leitschaufelblätter erzeugen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Düsenanordnung der eingangs genannten Art dahingehend, daß die Halterung der keramischen Bauteile der Düsenanordnung dahingehend verbessert wird, daß praktisch nur noch reine Druckkräfte auf diese Bauteile ausgeübt werden und daß außerdem die Halterung der keramischen Leitschaufelblätter insbesondere derart ist. daß sie sich unabhängig voneinander in so ausreichendem Maße bewegen können, daß die bei den hohen Fluidtemperaturen auftretenden Aüsdehnunftgen zu keinen inneren oder gegenseitigen Verspannungen der keramischen Leitschaufelblätter führen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch an die Endblöcke angrenzende Isolierstücke für die schwenkbar von dem inneren bzw. äußeren Abschlußring abgestützten inneren bzw. äußeren Schuhen, durch

einen radial außerhalb der Leitschaufelblätter angeordneten stübartigen Kolben für jeden äußeren Schuh, der mit einer zugehörigen Feder zusammenwirkt und auf den äußeren Schuh drückt, wobei der Kolben und der Schuh miteinander in Eingriff stehende kugelkalottenförmige Flächen aufweisen, die eine schwenkbare Lagerung des äußeren Schuhs ermöglichen und so die einzelnen Leitschaufelblätter unter Ausübung einer radialen Druckkraft gegen die inneren Schuhe drückt.

Durch diese Anordnung wird einerseits das Auftreten i< > von z. B. Scherungskräften innerhalb der keramischen Bauteile vermieden, zum anderen ermöglicht die Konstruktion keramischen Leitschaufelblättern aber auch eine von anderen Leitschaufelblättern unabhängige und auch ausreichend große Bewegungsmöglichkeii, ' ί um die durch hohe Erhitzung auftretenden Ausdehnungen ohne das Auftreten von inneren und gegenseitigen Verspannungen aufnehmen zu können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Isolierstücke mit Aussparungen und die Endstücke mit ?< > Zungen versehen, die in Umfangsrichtung verschieblich in die Aussparungen eingreifen.

Haben die Endblöcke Nuten und sind die Leitschaufelblätter an ihren Enden in die Nuten aufgenommen, wie es bei der schweizer Patentschrift der Fall ist, ist es günstig, wenn die Nuten und die inneren und äußeren Enden der Leitschaufelblätter zueinander passend abgerundet sind, und wenn die Endblöcke eine in Stromabwärtsrichtung zunehmende Dicke haben, um auf den keramischen Aufbau infolge der auf die i" Leitschaufelblätter in Stromabwärtsrichtung ausgeübte Fluidbelastung eine zusätzliche Druckbelastung auszuüben. Auch diese Maßnahmen dienen zur Erreichung der oben angegebenen Aufgabe.

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der J> Erfindung sind zwischen jedem Paar innerer und äußerer Schuhe sowie Isolierstücke zwei Leitschaufelbläuer angeordnet, was zu einer gewissen Vereinfachung der Konstruktion führt, ohne daß die erfindungsgemäßen Vorteile verloren gehen. ·'"

Die Erfrdung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 einen radialen Teilschnitt durch die erfindungsgemäße Düsenanordnung für eine Gasturbine, der den ■>'· erfindungsgemäß ausgestalteten Schaufelaufbau erkennen läßt:

F i g. 2 einen axialen Teilschnitt im Bereich der stromaufwärts liegenden Seiten der Düsenanordnung längs der Linie 11-11 der Fi g. 1: >"

F i g. 3 einen Teilschritt durch F i g. 2 längs der Linie Ill-Ilhund

Fig.4 perspektivisch in auseinandergezogener Darstellung eine Ansicht einer etwas abgewandelten Ausführung einer Schaufel mit zugehörigen Endblöcken '· entsprechend einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düsenanordnung.

Im einzelnen läßt F i g. 1 einen Teil einer allgemein mit 10 bezeichneten Gasturbine in Form einer Seitenansicht einer allgemein mit 12 bezeichneten m> Düsenanordnung erkennen. Die Düsenanordnung 12 weist einen inneren Abschlußfing 14 mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilter Kühlfluiddiirchlässe ,16 auf, über die ein Kühlfluid auf einen inneren Stützaufbau 17auftreffen kann.

Der innere Stützaufbau 17 weist eine Mehrzahl kugelkalottenförmig ausgesparter Schwenkstützen 18 auf, die in Umfangsricht"jig über die radial äußere Seite des inneren Abschlußringes 14 verteilt sind. Die Schwenkstützen 18 stehen schwenkbar im Eingriff mit einer konvexen kugelkalottenförmigen Erhebung 20, die der Düsenanordnung 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 Schuh 22 aus Metall ist seinerseits auf der radial inneren Seite eines Isolierstücks 24 angeordnet, das durch ihn abgestützt wird. Jeder Schuh 22 hat, wie mit der F i g. 2 gezeigt, an seinen einen Ende eine 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 .-.ussparung 32 in Umfangsrichtung eine gewisse Versch.ebung 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 Düsenanordnung 12 eine geringe in Umfangsrichtung.

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

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

Jeder äußere Endblock 38 ist somit wiederum mit einT Zunge 40 ähnlich den Zungen 30 der inneren keramischen Endblöcke 34 versehen. Die Zunge 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 Düsenanordnung 12 in Umfangsrichtung bei. Jedes einzelne äußere Isolierstück 44 sitzt in einem äußeren, aus Metall bestehenden Schuh 50. Das Isolierstück 44 wird an einer Verschiebung in Umfangsrichtung durch ei:ie an ihr angreifende Sicherungsschraube 46. die sich durch einen äußeren Abschlußring 48 erstreckt, und durch eine nach radial innen gerichtete Lippe 'j\ (vgl. F i g. 2) am einen Ende des Metallschuhs 50 gehindert. Der äußere Abschlußring 48 ist koaxiil mit dem inneren Abschlußring 14. und die beiden Abschlußringe 14 und 48 bilden die Einfassung für die Düsenanordnung.

Den äußeren Abschlußnng 48 durchsetzt ein Kühlfluiddurchlaß 49. über den Kühlfluid auf die einzelnen Schuhe50 auftreffen kann.

Jeder äußere Schuh.5O geht an seinem radial äußeren Ende in eine konvexe, kugelkalottenförmige äußere Erhebung 52 über. Ein radial ausgerichteter Kolben 54 hat ein konkaves, kugelkalottenförmiges 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 radial nach innen gerichtete Druckkraft auf die aus keramischen Werkstoff hergestellten Teile 34, 36 und 38 der Düsenanordnung ausgeübt wird. Die Druckkraft auf diese keramischen Teile 34,36 und 38 verhindert, daß die Düsenanordnung bei extrem hohen Temperaturen ausfällt.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, hält jedes äußere Isolierstück 44 zwei äußere Endblöcke 38 und 38' für die Leitschaufelblätter 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 einem Leitschaufelblatt 36.

Die radial gerichteten Lippen 26 und 51, die sich von den inneren Schuhen 22 bzw. den äußeren Schuhen 30 aus erstrecken, wie das in F i g. 2 dargestellt ist, hindern ihre jeweiligen Isolierstücke 24 bzw. 44 an einer U mfangsverschiebung.

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

Die keramischen Elemente gemäß der Erfindung sind in Fig.4 in einer abgewandelten Ausführung gezeigt. Ein dort mit 62 bezeichneter innerer Endblock nimmt in Stromabwärtsrichtung in seiner Dicke zu. Der Endblock 62 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 Spiralabschnittes geschwungene Nut 66 mit abgerundetem Boden angeordnet ist. Ein keramisches Leitschaufelhlatt 72 bat ein entsprechend abgerundetes radial inneres Ende 70. das mit der Nut 66 in Eingriff steht und mit deren Konturierung übereinstimmt. Das keramische Leitschaufelblatt 72 hat in seiner Längsrichtung eine zur Stromunterseite hin abnehmende Dicke und ein radial äußeres Ende 74, das in ähnlicher Weise wie ihr inneres Ende 70 abgerundet ist.

Ein äußerer keramischer Endblock 80 ist an dem ί radial äußeren Ende 74 des Leitschaufelblattes 72 artgeordnet und steht mit diesem 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

in 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 Endblocks 38 der Fig. 1.

Die inneren und äußeren, mit abgerundetem Boden versehenen Nuten 66 und 76 wirken mit dem inneren bzw. äußeren abgerundeten Enden 70 und 74 der radial ausgerichteten, sich verjüngenden keramischen Leitschaufelblätter 72 zusammen. Die Ausgestaltung ermöglicht dem Leitschaufelblatt 72 eine Verschiebung im

■o Verhältnis zu den Endblöcker. 52 und 80. Die keramischen Teile, d. h. die Leitschaufelblätter 72 sowie die Endblöcke 62 und 80 sind einem Minimum an Spannungskonzentration ausgesetzt, wie sie durch Wärmeausdehnung, Fehlanpassung, ungenau verbundenen Teilen oder Kerbwirkungen hervorgerufen werden können.

Jedoch werden bei diesem Aufbau erzeugte Druckkräfte kompensiert, weil das in stromabwärtiger Richtucj strömende Arbeitsfluid eine Belastung auf die Leitschaufelblätter 72 ausübt, durch die diese in die zugehörigen Endblöcke 62 bzw. 80 eingekeilt werden, zusätzlich zu den durch die Feder 60 hervorgerufenen Druckkräften.

Keramische Werkstoffe, wie sie in Verbindung mit der beschriebenen Düsenanordnung verwendet werden, sind allgemein Siliziumnitrid S13N4 oder Siliziumkarbid SiC. Ihre besondere Eignung ist darauf zurückzuführen, daß die Rohmaterialien sehr billig sind, daß sie sehr hohe Temperaturen aushalten und daß sie den meisten Abnutzungserscheinungen gegenüber widerstandsfähig sind. »

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Düsenanordnung fur eine Gasturbine, 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 keramischer Leitschaufelblätter aufweist, wobei der innere und der äußere Stützaufbau keramische Endblöcke aufweist, die zwischen sich Leitschaufelblätter halten, wobei der äußere Stützaufbau mit einer Vorspannungserzeugenden Einrichtung versehen ist, so daß eine geringe wechselseitige Umfangsbeweglichkeit des inneren und äußeren Stützaufbaus erzielt ι ί ist, gekennzeichnet durch an die Endblöcke (62, 80) angrenzende Isolierstücke (24, 44) sowie schwenkbar von dem inneren bzw. äußeren Abschlußring (14, 48) abgestützten inneren bzw. äußeren Schuhen (22, 50), durch einen radial außerhall, der Leitschaufelblätter (36) angeordneten stabartigen Kolben (54) für jeden äußeren Schuh (50), der mit einer zugehörigen Feder (60) zusammenwirkt und auf den äußeren Schuh drückt, wobei der Kolben (54) und der Schuh (50) miteinander im Eingriff stehende kugelkalottenförmige Flächen aufweisen, die eine schwenkbare Lagerung des äußeren Schuhs (50) ermöglichen und so die einzelnen Leitschaufelblätter (36) unter Ausübung einer radialen Druckkraft gegen die inneren Schuhe (22) drückt.

2. Düser-tnordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstücke (24, 44) mit Aussparungen (32,4i) und d.e Endblöcke (34,38) mit Zungen (30, 40) versei.er. sind, die in Umfangsrichtung verschieblich in die Aussparungen (32, 42) eingreifen.

3. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2. wobei die Endblöcke Nuten haben und die Leitschaufelblätter an ihren Enden in die Nuten -to aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (66, 76) und die inneren (70) und äußeren (74) Enden der Leitschaufelblätier (72) zueinande passen und abgerundet sind, daß die Endblöcke (62, 80) eine in Stromabwärtsrichtung zunehmende *5 Dicke haben, um auf den keramischen Aufbau infolge der auf die Leitschaufelblätter (72) in Stromabwärtsrichtung ausgeübte Fluidbelastung eine zusätzliche Druckbelastung auszuüben.

4. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 ^ bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Paar innerer und äußerer Schuhe (22, 50) sowie Isolierstücke (24, 44) zwei Leitschaufelblätter (36) angeordnet sind.