DE4033678A1 - Ummantelungshalter fuer laufschaufeln von gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf die Halterung statischer Ummantelungen, die die Laufschaufeln einer Turbine umgeben.

Zwischen der Laufschaufel der Turbine und der Ummantelung, die die Laufschaufel umgibt und die die Laufschaufeln umgehende Strömung einschränkt, existiert notwendigerweise ein Spalt. Für den Betriebswirkungsgrad der Turbine ist es wichtig, diesen Spalt möglichst klein zu halten. Eine zu große Spaltbreite hat eine Leckströmung zur Folge, die die Schaufeln umgeht. Ist aber die Spaltbreite zu klein dimensioniert, reiben die Schaufeln an der Ummantelung, wodurch diese beschädigt werden.

Die Ummantelungen müssen weiterhin nicht nur möglichst nah an den Laufschaufeln angeordnet sein, sondern auch konzentrisch zu diesen gehalten werden, damit eine sich ändernde Spaltbreite über dem Umfang vermieden wird.

Aufgrund thermischer Ausdehnungen und Biegungen der unterschiedlichen Bauteile ist es schwierig, die geeignete, vorbestimmte Spaltbreite jederzeit aufrecht zu halten. Die Verwendung von Legierungen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Halterung der Ummantelungen verbessert die Kontrolle über die Spaltbreite an den Schaufelspitzen. Diese Halterungsanordnung muß aber ihrerseits am Gehäuse, das normalerweise aus einem Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, abgestützt werden. Bisher wurde dafür die Halterungsanordnung innerhalb des Gehäuses mit Schrumpfsitz fixiert. Dieser wurde dabei aber innerhalb des Gehäuses an einem Punkt vorgesehen, wo innerer Druck bestrebt ist, das Gehäuse nach außen zu verbiegen, was im Betrieb zum Lockern des Sitzes führt und dadurch einen noch festeren Sitz erfordert. Der gewählte Sitz mußte zusätzlich zu dieser Biegeverformung ausreichen, die unterschiedliche Ausdehnung des einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Gehäuses und der einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Halterung zu tolerieren. Dies hat erhebliche Schwierigkeiten bei der Montage der Vorrichtung verursacht und gewöhnlich das Erwärmen des Gehäuses für einen Schrumpfsitz erfordert. Die Demontage ist aufgrund der Schwierigkeit beim Abziehen der zylindrischen Preßpassungselemente noch schwieriger gewesen.

Zwei aneinander anliegende zylindrische Turbinengehäuseabschnitte weisen aneinander anliegende Flansche auf, wobei sich der Flansch des stromabwärtigen Abschnitts in den Flansch des stromaufwärtigen Abschnitts hinein erstreckt. Der stromaufwärtige Abschnitt hat an seinem stromabwärtigen Ende eine kegelförmige Oberfläche. Ein Stützring, der aus einem Werkstoff mit in bezug auf den Werkstoff des Gehäuses verhältnismäßig niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, weist eine zylindrische, sich axial erstreckende Form auf und hat an dem stromabwärtigen Ende eine kegelförmige äußere Oberfläche und eine an dem stromabwärtigen Ende stromabwärts gerichtete Ringanlagefläche. Wenn die Flansche mit den Schrauben in Kontakt gebracht werden, legt sich der nach innen erstreckende Teil des Flansches an dem stromabwärtigen Abschnitt an die Ringanlagefläche an und drückt die kegelförmige Oberfläche des Stützrings gegen die kegelförmige Oberfläche des stromaufwärtigen Gehäuseabschnitts. Diese sind so bemessen, daß sich eine Preßpassung ergibt.

Der Stützring trägt an seinem stromaufwärtigen Ende eine Vielzahl von Spitzenummantelungen, die benachbart zu den Laufschaufeln angeordnet sind. Ein sich nach außen erstreckender Flansch versteift an dieser stromaufwärts gelegenen Stelle den stromaufwärtigen Teil des Stützrings. Ein kegelförmig verjüngter Schenkel des Stützrings erstreckt sich von der stromabwärtigen kegelförmigen Oberfläche aus zu dem stromaufwärtigen Teil, um die Biegung aufzunehmen, ohne die Halterung für die Ummantelungen der Laufschaufelspitzen zu beeinträchtigen. Eine sich in radialer Richtung erstreckende Stufe zwischen dem stromaufwärtigen Teil des Stützrings und dem Schenkel steift die Stützhalterung für die Ummantelung der Laufschaufelspitzen weiter aus und gestattet der stromabwärtigen kegelförmigen Oberfläche sich zu verformen.

Die kegelförmige Oberfläche weist eine Konizität von ungefähr 30 Grad auf, was ausreicht, um die notwendige Verformung während des Verschraubens der Flansche zu erzeugen, aber eine nichtverriegelnde Konizität ist, um die Demontage der Vorrichtung zu erleichtern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Ummantelungshalteranordnung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils der Gasturbine, die den Ummantelungshalter zeigt, und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht, die den kegelförmigen Oberflächenteil sowohl in der gebogenen als auch in der ungebogenen Position detaillierter zeigt.

In Fig. 1 ist eine bekannte Anordnung dargestellt, bei der der Ummantelungsring der Laufschaufeln aus einer Vielzahl von Ummantelungssegmenten 4 gebildet ist, die innerhalb einer ersten Stufe durch einen Stützring 5 gehalten werden. Dieser Stützring 5 besteht aus einem einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff. Der Stützring 5 ist innerhalb eines Gehäuses 6 durch einen Schrumpfsitz an zylindrischen Paßflächen 7 abgestützt.

Im Betrieb ist Druck innerhalb einer Kammer 8 bestrebt das Gehäuse 6 nach außen zu verbiegen. Unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Stützring 5 und dem einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Gehäuse 6 ist ebenso wie das sich nach außen biegende Gehäuse 6 bestrebt, den Schrumpfsitz zu lockern. Es ist extrem schwierig gewesen, diesen Schrumpfsitz zu schaffen, da das Gehäuse 6 für den Zusammenbau gewöhnlich erwärmt werden muß. Noch aufwendiger ist die Demontage geworden, da dafür große und teure Ausrüstung benötigt wird.

Gemäß Fig. 2, in der die Erfindung dargestellt ist, gibt es innerhalb der Gasturbine einen von stromaufwärts nach stromabwärts strömenden Gasstrom 10. Das zylindrische Gehäuse 12 weist an seinem stromabwärtigen Ende einen sich nach außen erstreckenden Flansch 14 auf. Im Bereich des Flansches 14 weist der stromaufwärtige Abschnitt des Gehäuses 12 außerdem eine kegelförmige äußere Oberfläche 16 auf. Ein stromabwärtiges Gehäuse 18 ist mit einem sich nach außen erstreckenden Flansch 20 versehen, von dem sich ein Teil 22 einwärts des Flansches 14 erstreckt.

Ein Stützring 24 der ersten Stufe trägt eine Vielzahl von Ummantelungssegmenten 26 für die Laufschaufelspitzen. Dieser Stützring 24 besteht dabei aus einem Werkstoff mit relativ niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten sowohl in bezug auf das Gehäuse 18 als auch in bezug auf die innere Anordnung, die Scheiben 28 des umlaufenden Teils der Turbine umfaßt. Während sich die Laufschaufeln 30 der Turbine im Betriebszustand sehr stark erwärmen, bleiben die Scheiben 28 verhältnismäßig kühl. Entsprechend ist die Gesamtausdehnung an der Spitze der Laufschaufeln 30 etwas begrenzt. Wenn der Stützring 24 aus einem einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff bestünde, würde sich der Spalt 31 übermäßig vergrößern.

An dem stromabwärts gelegenen Ende des Stützrings 24 befindet sich eine kegelförmige äußere Oberfläche 32, die die gleiche Konizität wie die kegelförmige Oberfläche 16 aufweist. Der stromabwärtige Rand des Stützrings 24 weist eine Ringanlagefläche 34 auf, die bei vollständig angezogenen Schrauben 36 an der Stirnfläche 22 des Flansches 20 anliegt. Dies zwingt den kegelförmig ausgebildeten Teil des Stützrings 24 in Preßpassung mit dem Gehäuse 12. Der Flansch 14 versteift das Gehäuse 12 in diesem Bereich, so daß im wesentlichen die ganze Verformung in dem Stützring 24 aufgenommen wird.

Die Konizität dieser beiden kegelförmigen Oberflächen 34 und 32 beträgt vorzugsweise 30 Grad in bezug auf die Turbinenachse, liegt aber innerhalb eines Bereichs von 25 bis 35 Grad. Damit wird eine das Demontieren behindernde Verriegelungskonizitätsbeziehung vermieden. In diesem Winkelbereich gestattet das Entfernen der Schrauben 36, daß der Stützring 24 einfach aus dem Gehäuse 12 herausgleiten kann. Ein zu steiler Winkel würde die Kraft vergrößern, die auf die Schrauben 36 ausgeübt werden muß, um die Verbindung herzustellen.

An die kegelförmige äußere Oberfläche 32 des Stützrings 24 schließt sich ein eine Neigung zwischen 5 und 25 Grad gegen die Turbinenachse aufweisender kegelförmiger Schenkel 38 an. Dieser gewährleistet eine ausreichende radiale Kraft, um ein Verziehen des unteren Teils des Stützrings 24 zu verhindern, und eine ausreichende horizontale Länge, damit die Verformung vor der Stelle aufgenommen wird, an der sich der Ummantelungshalteteil des Ringes befindet.

Desweiteren verstärkt eine Stufe 40 in dem Stützring 24 den kritischen Teil, wo die Ummantelungssegmente 26 der Laufschaufelspitzen abgestützt sind, um dessen durch die Spannung der Preßpassung verursachte Biegung möglichst klein zu halten. Weiterhin erstreckt sich ein sich nach außen erstreckender Flansch 42 an dem Stützring 24 gemeinsam mit einem Teil eines Ummantelungssegments 26, wodurch der Ring im Abstützbereich zusätzlich versteift wird. Es können Stifte 44 vorgesehen werden, um ein Drehen der Ummantelungssegmente 26 der Laufschaufelspitzen in bezug auf den Stützring 24 zu verhindern. Außerdem wirken eine Vielzahl von sich nach innen erstreckenden Absätzen 46 des Gehäuses 12 mit einer Reihe von sich nach außen erstreckenden Absätzen 48 des Stützrings 24 zusammen, um ein Rotieren des Stützrings 24 in bezug auf das Gehäuse 12 zu verhindern.

Eine Leitschaufelplattform 461 trägt eine Reihe von Leitschaufeln 481, wobei die Leitschaufelplattform 461 mittels eines sich in eine Aussparung 52 des Stützrings 24 erstreckenden Vorsprungs 50 konzentrisch angeordnet ist. Ein Widerlagerring 54, der an dem stromabwärtigen Gehäuseabschnitt angeordnet ist, liegt an der stromabwärts gerichteten Oberfläche 56 der Leitschaufelplattform 461 an, um deren axiale Position aufrecht zu erhalten. Im Bereich 58 zwischen dem Stützring 24 und der Leitschaufelplattform 461 wird ein Spalt aufrechterhalten, selbst wenn der untere Teil des Stützrings 24 in seine Preßpassungsposition zusammengedrückt wird.

In Fig. 3 ist ein stromabwärtiger Teil 60 des Stützrings 24 sowohl in seiner nicht zusammengedrückten als auch in seiner Preßpassungsposition dargestellt. Die gestrichelten Linien 62 zeigen die Position des Teils 60, wenn der erste Kontakt hergestellt wird und bevor die Schrauben 36 angezogen sind. Die kegelförmige äußere Oberfläche 32 des Stützrings 24 liegt an der kegelförmigen inneren Oberfläche 16 des Gehäuses 12 an.

Mit dem Anziehen der Schrauben 36 durch Muttern 64 drückt die Anlagefläche 22 des Flansches 20, die auf die stromabwärts weisende Ringanlagefläche 34 einwirkt, den Stützring 24 in Preßpassungskontakt. Die wünschenswerte gegenseitige Verformung ist zwischen 0,2 und 0,4 Prozent und beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 0,3 Prozent. Dies sind 2,26 mm (0,89 Zoll) bei einem Durchmesser von 664 mm (26,15 Zoll). Die gegenseitige Anlage der Oberflächen 22 und 34 zusammen mit der beträchtlichen Kraft, die auf sie ausgeübt wird, hält den Stützring 24 klar rechtwinklig zu diesen Oberflächen und deshalb genau koaxial sowie konzentrisch zur Gasturbinenachse.

Das an dem Flansch im Bereich der Preßpassung ausgesteifte Gehäuse hat entweder aufgrund des inneren Drucks oder aufgrund der Preßpassung in diesem Sereich unbedeutende Verbiegungen. Demnach braucht die Preßpassung aufgrund derartiger Verbiegungen nicht verstärkt werden.

Der Teil des Stützrings 24, der tatsächlich die Ummantelungssegmente 26 hält, ist ausgesteift ausgebildet und dabei von dem Bereich der Preßpassung, wo der Stützring 24 entsprechend gespannt sein muß, entfernt angeordnet. Die Preßpassung ist ohne große und teure Werkzeuge, wie sie bei anderen Passungen benötigt werden, herstellbar und lösbar. Bei der Anordnung wird nicht nur die radiale Preßpassung ausgenutzt, um eine feste Konstruktion aufrechtzuerhalten, sondern es werden auch die in axiale Richtung weisenden Anlageflächen benutzt um die Konzentrizität des Stützrings 24 und demgemäß die Konzentrizität der Ummantelungssegmente 26 der Laufschaufelspitzen in bezug auf den Turbinenrotor aufrechtzuerhalten.

Claims (8)

1. Statische Anordnung für eine Gasturbine mit einem von stromaufwärts nach stromabwärts in axialer Richtung strömenden Gasstrom, gekennzeichnet durch,
einen im wesentlichen zylindrischen stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt (12), der aus einem einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoff besteht; durch
einen im wesentlichen zylindrischen stromabwärtigen Gehäuseabschnitt (18) der Turbine; durch
einen ersten sich nach außen erstreckenden Flansch (14) an dem stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt (12); durch
einen zweiten sich nach außen erstreckenden Flansch (20) an dem stromabwärtigen Gehäuseabschnitt (18), wobei dieser an den ersten Flansch (14) anlegbar ist und eine Flanschanlagefläche (22) aufweist, die sich in bezug auf den ersten Flansch (14) nach innen erstreckt; durch
eine kegelförmige innere Oberfläche (16) an dem stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt (12) im Bereich des ersten Flansches (14); durch
eine Vielzahl von Schrauben (36) zum festen Verbinden des ersten und zweiten Flansches (14, 20); durch
einen in der ersten Stufe vorgesehenen Stützring (24), aus einem Werkstoff mit verhältnismäßig, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der eine im wesentlichen zylindrische, sich in axialer Richtung erstreckende Form hat, eine kegelförmige äußere Oberfläche (32) am stromabwärtigen Ende, eine Ringanlagefläche (34) am stromabwärtigen Ende und eine Vielzahl von Schaufelspitzenummantelungen (26), die an einer stromaufwärtigen Abstützstelle an dem Stützring (24) gehaltert sind; und
wobei die kegelförmige innere Oberfläche (16) und die kegelförmige äußere Oberfläche (32) aneinander angepaßte Konizitäten aufweisen und in Berührkontakt sind, wenn der Stützring (24) geringfügig in bezug auf den stromaufwärtigen Gehäuseabschnitt (12) stromabwärts verschoben ist, aber eine Preßpassung mit Druckkontakt haben, wenn der erste und zweite Flansch (14, 20) in Kontakt sind und die Flanschanlagefläche (22) mit der Ringanlagefläche (34) in Kontakt ist.

2. Statische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmigen Oberflächen (16, 32) einen Winkel zwischen 25 und 35 Grad in bezug auf die Turbinenachse aufweisen.

3. Statische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wert der Preßpassung zwischen 0,2 und 0,4 Prozent.

4. Statische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (24) einen sich nach außen erstreckenden Umfangsflansch (42) an einer stromaufwärtigen Stelle aufweist, der sich gemeinsam mit dem Teil der Schaufelspitzenummantelungen (26) erstreckt.

5. Statische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (24) zwischen dem Flansch (42) und der kegelförmigen äußeren Oberfläche (32) einen kegelförmigen Schenkel (38) mit einem Winkel zwischen 5 und 25 Grad in bezug auf die Turbinenachse aufweist.

6. Statische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen radiale Stufe (40) in dem Stützring (24) zwischen der stromaufwärtigen Stelle und der kegelförmigen äußeren Oberfläche (32); und durch einen kegelförmigen Schenkel (38) zwischen der radialen Stufe (40) und der kegelförmigen Oberfläche (32).

7. Statische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die kegelförmige Oberfläche (32, 16) einen Winkel zwischen 25 und 35 Grad in bezug auf die Turbinenachse aufweist; und
daß der kegelförmige Schenkel (38) einen Winkel zwischen 5 und 25 Grad in bezug auf die Turbinenachse aufweist.

8. Statische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch,
eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden, eine Drehung verhindernden Absätzen (48) an dem Stützring (24); und durch
eine Vielzahl von sich nach innen erstreckenden, eine Drehung verhindernden Absätzen (46) an dem Gehäuse (12), die in Umfangsrichtung an den sich nach außen erstreckenden, eine Drehung verhindernden Absätzen (46) des Stützrings (24) in Anlage bringbar sind.