DE3830762A1 - DEVICE FOR HOLDING A COAT RING IN GAS TURBINES - Google Patents
DEVICE FOR HOLDING A COAT RING IN GAS TURBINESInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zentrischen Halterung eines Mantelringes, der einen Gasturbinenrotor unter Ausbildung eines radialen Dichtspalts in einem Turbinengehäuse umgibt.The invention relates to a device for centric Bracket of a jacket ring, the gas turbine rotor forming a radial sealing gap in one Surrounding the turbine housing.
Derartige Einrichtungen sind bekannt und gleichen die durch unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten von Rotor und Stator verursachten geometrischen Änderungen aus und tragen dazu bei, den radialen Dichtspalt unter allen Be triebsbedingungen gleichmäßig offen zu halten. Dazu werden zwischen Rotor und Stator Mantelringe, beispielsweise über Distanzhalter oder Bimetalldistanzhalter, die sich am Gehäuse und am Mantelring gelenkig abstützen, zentrisch aufgehängt. Bei keramischen Mantelringen sind Gelenke nicht ohne hohen Aufwand realisierbar. Andere Lösungen sehen zwischen metallischem Gehäuse und keramischem Mantelring als Zwischenlage metallische Bürstendichtungen oder Metallfilzeinlagen oder Metallgeflechte vor. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die federnde Wirkung dieser Zwischenlagen über längere Betriebszeiten nach läßt und der Mantelring in Rotation versetzt wird und in Folge die Zwischenlage und die Rotorbeschaufelung zerstört.Such devices are known and are the same due to different thermal expansion behavior of the rotor and stator caused geometric changes from and contribute to the radial sealing gap under all loading keep driving conditions evenly open. To do this between rotor and stator jacket rings, for example Spacers or bimetallic spacers, which are on the Support the housing and the casing ring in an articulated manner, centrically hung up. With ceramic jacket rings there are joints not realizable without great effort. Other solutions see between metallic housing and ceramic Sheath ring as an intermediate layer of metallic brush seals or metal felt inlays or metal braids. These Solutions have the disadvantage that the resilient effect these intermediate layers over longer operating times leaves and the casing ring is set in rotation and consequently the intermediate layer and the rotor blades destroyed.
Aufgabe der Erfindung ist es eine gattungsgemäße Halterung anzugeben, die einen Mantelring gegenüber dem metallischen Gehäuse so abstützt, daß ein radialer Dicht spalt für alle Betriebszustände und lange Betriebszeiten gewährleistet wird, ohne daß Materialermüdungen den Betrieb gefährden oder konstruktiv aufwendige Mechaniken vorzusehen sind.The object of the invention is a generic Specify bracket that a shroud against the supports metallic housing so that a radial seal gap for all operating conditions and long operating times is guaranteed without material fatigue Danger operation or mechanics that are expensive to construct are to be provided.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen Turbinen gehäuse und Mantelring in Radialrichtung spannende mit Druckluft beaufschlagte Balgen über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind.This problem is solved by the fact that between turbines housing and shroud in the radial direction exciting with Compressed air applied to bellows evenly over the circumference are distributed.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen zentrischen Halterung liegt darin, daß die spannende Wirkung derartiger Balgen nicht durch Federwirkung erreicht wird, sondern durch eine Druck luftbeaufschlagung. Dazu müssen die Balgen mit Druckluft aus einer vorgeschalteten Verdichterstufe oder einer anderen statorseitigen Druckluftquelle versorgt werden und als allseitig geschlossene Bauelemente ausgebildet sein. Vorzugsweise wird die Druckluft der Hochdruckverdichterstufe entnommen, da dieser Druck in allen Betriebszuständen größer als der statische Druck auf der Hochdruckseite der ersten Turbinenstufe und damit auch höher als der Um gebungsdruck im Bereich der Balgen ist.The advantage of the central holder according to the invention lies in that the exciting effect of such bellows is not is achieved by spring action, but by pressure air exposure. To do this, the bellows need compressed air from an upstream compressor stage or one other stator-side compressed air source are supplied and be designed as all-round closed components. The compressed air of the high-pressure compressor stage is preferably used taken as this pressure in all operating conditions greater than the static pressure on the high pressure side the first turbine stage and therefore also higher than the Um pressure in the area of the bellows.
Vorzugsweise werden diese Balgen für die Halterung von sinter keramischen geschlossenen Mantelringen eingesetzt, da diese Mantelringe hohe Druckbelastungen aufnehmen können. Für die Balgen haben sich metallische Werkstoffe bewährt. Vorzugs weise wird ein Chrom-Nickel-Stahl eingesetzt, da aus diesem Material dünnwandige und gewichtssparende Balgen herstell bar sind. Zur Wärmedämmung zwischen Balgen und Mantelring wird der radial äußere Umfang des Mantelringes oder der Balgenboden oder beide mit einer Wärmeisolationsschicht versehen. These bellows are preferably used to hold sinter ceramic closed jacket rings used because this Jacket rings can absorb high pressure loads. For the Bellows have proven their worth in metallic materials. Preferential a chrome-nickel steel is used, because of this Manufacture material of thin-walled and weight-saving bellows are cash. For thermal insulation between bellows and jacket ring is the radially outer circumference of the casing ring or Bellows floor or both with a thermal insulation layer Mistake.
Um den Mantelring zentrisch zu positionieren sind mindestens drei Balgen auf dem Umfang zu verteilen. Vorzugsweise sind diese ringsegmentförmig ausgebildet, damit sie einen minimalen Raum zwischen Gehäuse und Mantelring beanspruchen.To position the jacket ring centrally distribute at least three bellows over the circumference. These are preferably ring segment-shaped, so that they have a minimal space between housing and Claim the jacket ring.
Flachzylindrische Balgen können in hoher Stückzahl kosten günstig gefertigt und der Turbinengehäusekrümmung angepaßt werden, so daß diese Ausführungsform bei hohen Stückzahlen zu bevorzugen ist.Flat cylindrical bellows can cost a large number manufactured inexpensively and adapted to the turbine housing curvature be, so that this embodiment in large quantities is to be preferred.
Der Mantelring wird durch die Druckbeaufschlagung der Balgen kraftschlüssig in Umfangsrichtung gehalten und ist damit gegen Verdrehung oder Rotationsbewegungen gesichert.The jacket ring is pressurized by the Bellows frictionally held in the circumferential direction and is thus secured against rotation or rotational movements.
In axialer Richtung sind vorzugsweise Einrichtungen vorzu sehen, die den Mantelring formschlüssig über die Balgen im Turbinengehäuse fixieren. Dazu ist beispielsweise der metallische Boden der Balgen in radialer Richtung aus- oder eingewölbt und bildet mit dem Mantelring einen Paß sitz im Bereich der Aus- bzw. Einwölbung.In the axial direction, devices are preferred see the form ring over the bellows fix in the turbine housing. For example, the metallic bottom of the bellows in the radial direction or domed and forms a pass with the jacket ring seat in the area of the bulge.
Die Druckluftzuführung für alle Balgen eines Mantelringes erfolgt vorzugsweise über Druckluftöffnungen in den Balgen und einem ringförmigen Druckluftkanal, der die Balgen um mantelt und mit den Druckluftöffnungen verbunden ist. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß sie als integrales Bauteil gefertigt werden kann und unter leichtem Feder druck der Balgen auf den Mantelring positionierbar wird.The compressed air supply for all bellows in a jacket ring preferably takes place via compressed air openings in the bellows and an annular compressed air duct that surrounds the bellows jackets and is connected to the compressed air openings. A Such arrangement has the advantage that it is an integral Component can be manufactured and under light spring pressure of the bellows can be positioned on the jacket ring.
Keramische Mantelringe werden besonders in Turbinen mit hoher Turbineneintrittstemperatur (1000 bis 1300°C) ein gesetzt, deshalb ist es vorteilhaft, die metallische Halterung in Form von Balgen zu kühlen. Ein ständiger Kühlgasstrom kann vorzugsweise über die Druckluftöffnungen des ringförmigen Druckluftkanals zugeführt und über separate Auslaßöffnungen in den Balgen abgeführt werden, wobei vorteilhaft die Auslaßöffnungen zur Hochdruckseite des Turbinenrotors gerichtet sind um in diesem Hochtempe raturbereich eine intensive Kühlung der Balgen zu erzielen.Ceramic cladding rings are used especially in turbines high turbine inlet temperature (1000 to 1300 ° C) set, therefore it is advantageous to use the metallic Cool bracket in the form of bellows. A constant Cooling gas flow can preferably via the compressed air openings of the annular compressed air duct supplied and over separate outlet openings are discharged into the bellows, advantageously the outlet openings to the high pressure side of the turbine rotor are directed around in this high temperature intensive cooling of the bellows.
Die unter Druck ausströmende Kühlluft kann zur thermischen Anpassung der Rotorscheibe oder zur Spaltabdichtung genutzt werden, dazu ist vorzugsweise der geschlossene mit den Balgen ein integrales Bauteil bildende Druckluftkanal auf der Niederdruckseite einer Turbinenstufe anzuordnen und ein Auslaßkanal hochdruckseitig anzubringen.The cooling air flowing out under pressure can be used for thermal Adaptation of the rotor disc or used for sealing the gap are preferably closed with the Bellows form an integral component compressed air duct to arrange the low pressure side of a turbine stage and a Attach the outlet duct on the high pressure side.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß Druckluftkanal, Balgen und Auslaßkanal ein inte grales montagefreundliches Bauteil bilden.Another preferred embodiment of the invention in that compressed air duct, bellows and outlet duct an inte form a bright assembly-friendly component.
Die Luftkühlung der Balgen soll eine hochtemperaturfeste Halterung des heißen Mantelringes gewährleisten. Eine weitere bevorzugte Maßnahme besteht darin, zwischen Mantelring und Balgen einen segmentierten Isolierring mit geringer Wärmeleitfähigkeit als der Mantelring anzuordnen.The air cooling of the bellows is said to be high temperature resistant Ensure that the hot jacket ring is held in place. A another preferred measure is between Jacket ring and bellows with a segmented insulating ring to arrange lower thermal conductivity than the jacket ring.
Die axiale Positionierung kann vorzugsweise einerseits durch Ineinandergreifen von radialen Führungsnuten zwischen Mantelring und Isolierung gesichert werden und andererseits können am radial äußeren Umfang des Isolierrings Einrichtungen zur formschlüssigen Verbindung mit den radial äußeren Balgen vorgesehen werden. Diese Verbindung kann beispielsweise über Aus- oder Einwölbungen der Balgenböden bei gleich zeitiger Ausbildung von entsprechenden Paßflächen auf dem äußeren Umfang des Isolierrings geschaffen werden.The axial positioning can preferably on the one hand by interlocking radial guide grooves between Jacket ring and insulation are secured and on the other hand can facilities on the radially outer circumference of the insulating ring for positive connection with the radially outer bellows be provided. This connection can, for example over bulges or bulges of the bellows bottoms at the same time early training of appropriate fitting areas on the outer circumference of the insulating ring are created.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbei spiele erläutert.In the following the invention is carried out by means of embodiments games explained.
Fig. 1 zeigt die Einbaulage eines Mantel ringes mit erfindungsgemäßer Halterung in einer Heißgasturbine, Fig. 1 shows the installation position of a shell ring with an inventive holder in a hot gas turbine,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Balg mit angeschweißtem Druckluft kanal und angepaßtem Isolier- und Mantelring, Fig. 2 shows a cross section through a bellows with welded compressed air channel and matched insulation and sheath ring,
Fig. 3 zeigt das Endstück eines Balgenring segmentes im Längsschnitt und in Aufsicht. Fig. 3 shows the end piece of a bellows ring segment in longitudinal section and in supervision.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines inte gralen Bauteils aus Balg, Druckluft kanal und Auslaßkanal, Fig. 4 shows a cross section of an inte Gralen component made of bellows, compressed air channel and outlet channel,
Fig. 5 zeigt ein Kreissegment mit mehreren flachzylindrischen an die Gehäuse krümmung angepaßten Balgen. Fig. 5 shows a segment of a circle with several flat-cylindrical bellows adapted to the housing curvature.
Fig. 1 zeigt die Einbaulage eines Mantelringes 1 mit er findungsgemäßer Halterung 2 in einer Heißgasturbine im axialen Querschnitt. Der Mantelring 1 ummantelt einen Rotor 3 und wird von Druckluft beaufschlagten Balgen 4 zentrisch zur Rotor achse 5 in einem Turbinengehäuse 6 gehalten. Vor Überhitzung durch einen Heißgasstrom 7 (siehe Pfeile) in einem Strömungs kanal 9 werden die metallischen Balgen 4 durch einen Isolier ring 8 geschützt. Fig. 1 shows the installation position of a casing ring 1 with he inventive holder 2 in a hot gas turbine in axial cross section. The casing ring 1 surrounds a rotor 3 and is held by compressed air bellows 4 centrally to the rotor axis 5 in a turbine housing 6 . Before overheating by a hot gas flow 7 (see arrows) in a flow channel 9 , the metallic bellows 4 are protected by an insulating ring 8 .
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Balg 4 mit einem angeschweißten Druckluftkanal 10 und angepaßtem Isolier- 8 und Mantelring 1. Die Druckluft, die aus einem Hochdruck verdichter über den Verbindungsflansch 11 dem ring förmigen segmentierten Druckluftluftkanal 10, der die Balgen 4 ummantelt, zugeführt wird, gelangt über die Druck luftöffnung 12 in den Balg 4. Dadurch wird der Isolierung 8 gegenüber dem Turbinengehäuse 6 verspannt. Der Isolierring 8 ist vorzugsweise segmentiert und positioniert den Mantelring 1 uber eine radiale Führungsnut 13 am Mantelring 1 in axialer Richtung. Durch die hohe Wärmedämmung des Isolierrings 8 wird verhindert, daß der dünnwandige Balg 4 durch das Heißgas im Strömungskanal überhitzt wird. Der Druckluftkanal 10 bildet mit dem Balg 4 ein integrales Bauteil. Der Balg 4 positioniert über eine Auswölbung im Balgboden 15 den Isolierring 8 in axialer Richtung. Im Isolierring 8 ist dazu eine ent sprechende Paßfläche ausgearbeitet. Ein Verdrehen des Mantel ringes 1 gegenüber dem Isolierring 8 und dem Balg 4 sowie dem Turbinengehäuse 6 wird durch ein kraftschlüssiges Ver spannen der Balgen 4 mittels der Druckluftbeaufschlagung verhindert. Fig. 2 shows a cross section through a bellows 4 with a welded compressed air duct 10 and adapted insulating 8 and jacket ring 1st The compressed air, which is supplied from a high-pressure compressor via the connecting flange 11 to the ring-shaped segmented compressed air duct 10 , which encases the bellows 4 , passes through the compressed air opening 12 into the bellows 4 . As a result, the insulation 8 is braced with respect to the turbine housing 6 . The insulator 8 is preferably segmented and positions the outer ring 1 via a radial guide groove 13 on the outer ring 1 in the axial direction. The high thermal insulation of the insulating ring 8 prevents the thin-walled bellows 4 from being overheated by the hot gas in the flow channel. The compressed air duct 10 forms an integral component with the bellows 4 . The bellows 4 positions the insulating ring 8 in the axial direction via a bulge in the bellows base 15 . In the insulating ring 8 , a corresponding fitting surface is worked out. A rotation of the jacket ring 1 relative to the insulating ring 8 and the bellows 4 and the turbine housing 6 is prevented by a non-positive Ver the bellows 4 by means of compressed air.
Fig. 3 zeigt das Endstück 17 eines Balgenringsegmentes 16 in Längsschnitt und Aufsicht. Für eine einwandfreie spannende Funktion der Balgen 4 ist es erforderlich, daß sie sich der Turbinengehäusekrümmung 18 anpassen und in ihrem Endbereich ein Endstück 17 bilden, das die gleiche Elastizität besitzt, wie das übrige Balgenringsegment 16. Fig. 3 shows the end piece 17 of a bellows ring segment 16 in longitudinal section and top view. In order for the bellows 4 to function properly, it is necessary that they adapt to the turbine housing curvature 18 and form an end piece 17 in their end region which has the same elasticity as the rest of the bellows ring segment 16 .
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines integralen Bauteils aus einem Balgenringsegment 16, einem Druckluftkanal 10 und einem Auslaßkanal 19. Die Druckluft strömt über den Verbindungs flansch 11 in den ringförmigen Druckluftkanal 10 und ge langt über die Druckluftöffnungen 12 des Balgringsegmentes 16 auf der Niederdruckseite der Turbine in den Balg 4. Sie kühlt den Balg 4 und strömt über die Auslaßöffnungen 20 auf der Hochdruckseite der Turbinenstufe aus. Im Auslaßkanal 19 wird sie gesammelt und über den Flansch 21 einem weiteren Verbraucher zugeführt. FIG. 4 shows a cross section of an integral component consisting of a bellows ring segment 16 , a compressed air duct 10 and an outlet duct 19 . The compressed air flows through the connecting flange 11 into the annular compressed air channel 10 and reaches ge over the compressed air openings 12 of the bellows ring segment 16 on the low pressure side of the turbine in the bellows 4th It cools the bellows 4 and flows out through the outlet openings 20 on the high-pressure side of the turbine stage. It is collected in the outlet channel 19 and fed to a further consumer via the flange 21 .
Fig. 5 zeigt ein Kreissegment mit mehreren flachzylindrischen an die Turbinengehäusekrümmung 18 angepaßten Balgen 4. Die Balgen 4 bilden mit einem segmentierten Druckluftkanal 10 ein integrales Bauteil und verspannen das Turbinengehäuse 6 mit dem Mantelring 1 aus Keramik. Zwischen Mantelring 1 und Balgen 4 sind drei Isolierringsegmente 22 positioniert, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen als der keramische Mantelring 1. Diese Anordnung ist ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel der Erfindung, da sich eine derartige Halterung 2 für eine Massenfertigung besonders eignet. Fig. 5 shows a circular segment with a plurality of flat cylindrical curvature to the turbine housing 18 adapted bellows. 4 The bellows 4 form an integral component with a segmented compressed air duct 10 and brace the turbine housing 6 with the casing ring 1 made of ceramic. Three insulating ring segments 22 are positioned between the jacket ring 1 and the bellows 4 and have a lower thermal conductivity than the ceramic jacket ring 1 . This arrangement is a preferred exemplary embodiment of the invention, since such a holder 2 is particularly suitable for mass production.
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