DE4033678C2 - Gehäuse für eine Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse nach Anspruch 1.

In Gasturbinen sind die Laufschaufeln einer Turbinenstufe von feststehenden Ummante­ lungssegmenten umgeben. Zwischen den Laufschaufeln der Turbinenstufe und den Um­ mantelungssegmenten, die die Laufschaufeln umgeben und die die Laufschaufeln umge­ hende Strömung einschränken, existiert notwendigerweise ein Spalt. Für den Betriebswir­ kungsgrad der Turbine ist es wichtig, diesen Spalt möglichst klein zu halten. Eine zu große Spaltbreite hat eine Leckströmung zur Folge, die die Laufschaufeln umgeht. Ist aber die Spaltbreite zu klein dimensioniert, reiben die Laufschaufeln an den Ummantelungssege­ menten und werden dadurch beschädigt.

Die Ummantelungssegmente müssen weiter 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 aufrechtzuhalten. Die Verwen­ dung von Legierungen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Haltevorrich­ tung zur Halterung der Ummantelungssegmente verbessert die Kontrolle über die Spaltbreite an den Laufschaufelspitzen. Diese Haltevorrichtung muß aber ihrerseits am Gehäuse, das normalerweise aus einem Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, abgestützt werden. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird im Stand der Technik die Haltevor­ richtung innerhalb des Gehäuses mit Schrumpfsitz fixiert. Dieser ist dabei innerhalb des Ge­ häuses aber 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 anfangs ei­ nen noch festeren Sitz erfordert. Der gewählte Sitz muß zusätzlich zu dieser Biegeverfor­ mung ausreichen, die unterschiedliche Ausdehnung des einen hohen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten aufweisenden Gehäuses und der einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizi­ enten aufweisenden Haltevorrichtung 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.

Aus der CH 611 977 A5 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem Gehäuse bekannt, in wel­ chem eine Zugangsöffnung freilegbar ist. Sämtliche Laufschaufeln und Leitschaufeln sind durch die Zugangsöffnung ausbaubar. Zu diesem Zweck sind die Leitschaufeln und die Um­ mantelungssegmente durch eine Ringkonstruktion gehalten, die einen an dem Turbinenge­ häuse festgeschraubten Tragring aufweist, welcher durch einen zusätzlichen Zwischenring mit dem Turbinengehäuse verschraubt ist. Dieser aufwendige Aufbau ermöglicht, die Um­ mantelungssegmente mit den Leitschaufeln auszubauen, ist aber nicht spezielle dafür aus­ gelegt, eine vorbestimmte Spaltbreite zwischen Laufschaufelspitzen und Ummantelungs­ segmenten aufrechtzuerhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gehäuse für eine Gasturbine zu schaffen, bei dem sich die Haltevorrichtung für die Ummantelungssegmente leicht montieren und demontieren und trotzdem eine vorbestimmte Spaltbreite aufrechterhalten läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Gehäuse gelöst, das die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Bei dem Gehäuse nach der Erfindung weist der Stützring, der aus einem Werkstoff mit in bezug auf den Werkstoff des Gehäuses verhältnismäßig niedrigem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten besteht, an seinem stromabwärtigen Ende eine kegelförmige nach außen ge­ richtete Oberfläche und eine radial gerichtete Ringanlagefläche auf. Der Stützring trägt an seinem stromaufwärtigen Ende eine Vielzahl von Ummantelungssegmenten, die benachbart zu den Laufschaufeln angeordnet sind. Wenn die Flansche verschraubt werden, legt sich der nach innen erstreckende Teil des Flansches an dem stromabwärtigen Gehäuseabschnitt an die Ringanlagefläche an und drückt die kegelförmige nach außen gerichtete Oberfläche des Stützrings gegen die kegelförmige innen liegende Oberfläche an dem stromaufwärts liegen­ den Gehäuseabschnitt. Diese sind so bemessen, daß sich dabei ein Druckkontakt ergibt.

Aus der DE-OS 14 26 338 ist zwar eine sich selbsttätig ausrichtende Halterung zur Verwen­ dung bei einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk bekannt, die kegelförmige Oberflächen auf­ weist, zwischen denen durch Anziehen einer Schraubverbindung Druckkontakt hergestellt wird, das erfolgt jedoch zur Halterung eines inneren Gehäuseverlängerungsrohres, das als Verlängerung des Austrittsrohrstückes eines Gasgenerators und in Verbindung mit einem zusätzlichen Ringteil als Wärmeabschirmung dient.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung versteift ein sich nach außen erstreckender Um­ fangsflansch den stromaufwärtigen Teil des Stützrings. Ein kegelförmiger Schenkel des Stützrings erstreckt sich von der stromabwärtigen kegelförmigen Oberfläche aus zu dem stromaufwärtigen Teil, um die Biegung aufzunehmen, ohne die Halterung für die Ummante­ lungssegmente der Laufschaufel zu beeinträchtigen. Eine sich in radialer Richtung erstrec­ kende Stufe zwischen dem stromaufwärtigen Teil des Stützrings und dem Schenkel steift die Halterung für die Ummantelungssegmente der Laufschaufeln weiter aus und gestattet der kegelförmigen nach außen gerichteten Oberfläche am stromabwärtigen Ende sich zu ver­ formen.

Die kegelförmigen Oberflächen weisen eine Konizität von ungefähr 30 Grad auf, was aus­ reicht, um die notwendige Verformung während des Verschraubens der Flansche zu erzeu­ gen, aber eine nichtverriegelnde Konizität ist, um die Demontage der Vorrichtung zu erleich­ tern.

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

Fig. 1 einen Teil eines bekannten Gehäuses für eine Gasturbine,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Ga­ sturbine, und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht, die einen Stützring des Gehäuses nach Fig. 2 sowohl in gebogener als auch in ungebogener Position detaillierter zeigt.

In Fig. 1 ist ein Teil eines bekannten Gehäuses für eine Gasturbine dargestellt, bei dem ein Ummantelungsring der Laufschaufeln aus einer Vielzahl von Ummantelungssegmenten 4 gebildet ist, die innerhalb einer ersten Turbinenstufe durch einen Stützring 5 gehalten werden. Dieser Stützring 5 besteht aus einem einen niedrigen Wärmeausdehnungs­ koeffzienten 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, diesen Schrumpfsitz zu schaffen, da das Gehäuse 6 für den Zusammenbau gewöhnlich erwärmt werden muß. Noch aufwendiger ist die Demontage, da dafür große und teure Ausrüstung benötigt wird.

Gemäß Fig. 2, in der das Gehäuse nach der Erfindung dargestellt ist, gibt es innerhalb der Gasturbine einen sich von stromaufwärts nach stromabwärts bewegenden Gasstrom 10. Ein zylindrischer stromaufwärts liegender Gehäuseabschnitt 12 weist an seinem stromabwärtigen Ende einen ersten sich nach außen erstreckenden Flansch 14 auf. Im Bereich des Flansches 14 weist der stromaufwärts liegende Gehäuseabschnitt 12 außerdem eine kegelförmige innen liegende Oberfläche 16 auf. Ein stromabwärtiger Gehäuseabschnitt 18 ist mit einem zweiten sich nach außen erstreckenden Flansch 20 versehen, von dem eine Stirnfläche 22 dem Flansch 14 zugewandt ist.

Ein Stützring 24 einer in Fig. 2 dargestellten ersten Turbinenstufe trägt eine Vielzahl von Ummantelungssegmenten 26 gegenüber Laufschaufeln 30. Dieser Stützring 24 besteht dabei aus einem Werkstoff mit relativ niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten sowohl in bezug auf den Gehäuseabschnitt 18 als auch in bezug auf innen gelegene Scheiben 28 des umlaufenden Teils der Turbine. 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 ein Spalt 31 übermäßig vergrößern.

An dem stromabwärts gelegenen Ende des Stützrings 24 befindet sich eine kegelförmige nach außen gerichtete Oberfläche 32, die die gleiche Konizität wie die kegelförmige innen liegende 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 Druckkontakt mit dem Gehäuseabschnitt 12. Der Flansch 14 versteift den Gehäuse­ abschnitt 12 in diesem Bereich, so daß im wesentlichen die ganze Verformung in dem Stützring 24 aufgenommen wird.

Die Konizität dieser beiden kegelförmigen Oberflächen 16 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 Gehäuseabschnitt 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 nach außen gerichtete 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 die Ummantelungs­ segmente haltende Teil des Stützringes befindet.

Weiter verstärkt eine radikale Abstufung 40 in dem Stützring 24 den kritischen Teil, wo die Ummantelungssegmente 26 der Laufschaufeln abgestützt sind, um dessen durch die Spannung aufgrund des Druckkontakts verursachte Biegung möglichst klein zu halten. Weiterhin erstreckt sich ein sich nach außen erstreckender Umfangsflansch 42 an dem Stützring 24 gemeinsam mit einem Teil der Ummantelungssegmente 26, wodurch der Stützring im Abstützbereich zusätzlich versteift wird. Es können Stifte 44 vorgesehen werden, um ein Drehen der Ummantelungssegmente 26 der Laufschaufeln in bezug auf den Stützring 24 zu verhindern. Außerdem wirken eine Vielzahl von sich nach innen erstreckenden Absätzen 46 des Gehäuseabschnittes 12 mit einer Reihe von sich nach außen erstreckenden Absätzen 48 des Stützrings 24 zusammen, um ein Rotieren des Stützrings 24 in bezug auf den Gehäuseabschnitt 12 zu verhindern.

Eine Leitschaufelplattform 461 trägt eine Reihe von Leitschaufeln 481 und ist mittels eines sich in eine Aussparung 52 des Stützrings 24 erstreckenden Vorsprungs 50 konzentrisch angeordnet. Ein Widerlagerring 54, der an dem stromabwärtigen Gehäuseabschnitt 18 angeordnet ist, liegt an einer stromabwärts gerichteten Oberfläche 56 der Leitschaufel­ plattform 461 an, um deren axiale Position aufrechtzuerhalten. In einem Bereich 58 zwischen dem Stützring 24 und der Leitschaufelplattform 461 wird ein Spalt aufrecht­ erhalten, selbst wenn der untere Teil des Stützrings 24 in seine Druckkontaktposition zusammengedrückt wird.

In Fig. 3 ist ein stromabwärtiger Teil 60 des Stützrings 24 sowohl in seiner nicht zusammengedrückten als auch in seiner Druckkontaktposition dargestellt. Gestrichelte Linien 62 zeigen die Position des Teils 60, wenn der erste Kontakt hergestellt ist und bevor die Schrauben 36 angezogen sind. Die kegelförmige nach außen gerichtete Oberfläche 32 des Stützrings 24 liegt an der kegelförmigen innen liegenden Oberfläche 16 des Gehäuse­ abschnittes 12 an.

Mit dem Anziehen der Schrauben 36 durch Muttern 64 drückt die Stirnfläche 22 des Flansches 20, die auf die stromabwärts weisende Ringanlagefläche 34 einwirkt, den Stützring 24 in Druckkontakt. 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 bei einem Durchmesser von 664 mm. Die gegenseitige Anlage der Flächen 22 und 34 zusammen mit der beträchtlichen Kraft, die auf sie ausgeübt wird, hält den Stützring 24 klar rechtwinkelig zu diesen Oberflächen und deshalb genau koaxial sowie konzentrisch zur Gasturbinenachse.

Der an dem Flansch 14 im Bereich des Druckkontakts ausgesteifte Gehäuseabschnitt 12 hat entweder aufgrund des inneren Drucks oder aufgrund des Druckkontakts in diesem Bereich unbedeutende Verbiegungen. Demnach braucht der Druckkontakt wegen derartiger Verbiegungen nicht verstärkt zu werden.

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

Claims (7)

1. Gehäuse für eine Gasturbine mit einem in axialer Richtung strömenden Gasstrom (10), mit einem im wesentlichen zylindrischen stromaufwärts liegenden Gehäuseabschnitt (12), der aus einem einen verhältnismäßig hohen Wäremausdehungskoeffizienten auf­ weisenden Werkstoff besteht;
mit einem im wesentlichen zylindrischen stromabwärtigen Gehäuseabschnitt (18) des Turbinenteils;
mit einem ersten sich nach außen erstreckenden Flansch (14) an dem stromaufwärts lie­ genden Gehäuseabschnitt (12);
mit einem zweiten sich nach außen erstreckenden Flansch (20) an dem stromabwärtigen Gehäuseabschnitt (18), wobei dieser den ersten Flansch (14) berührt und eine Stirnflä­ che (22) aufweist, die sich nach innen erstreckt;
mit einer kegelförmigen innen liegenden Oberfläche (16) an dem stromaufwärts liegen­ den Gehäuseabschnitt (12) im Bereich des ersten Flansches (14);
mit einer Vielzahl von Schrauben (36) zum festen Verbinden des ersten und zweiten Flansches (14, 20);
mit einem in einer ersten Turbinenstufe vorgesehenen Stützring (24) aus einem Werk­ stoff mit verhältnismäßig niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der eine im we­ sentlichen zylindrische, sich in axialer Richtung erstreckende Form hat, eine kegelförmi­ ge nach außen gerichtete Oberfläche (32) am stromabwärtigen Ende und eine radial ge­ richtete Ringanlagefläche (34) am stromabwärtigen Ende und eine Vielzahl von Um­ mantelungssegmenten (26) gegenüber Laufschaufeln (30), die an einer stromaufwärtigen Abstützstelle an dem Stützring (24) gehaltert sind;
wobei die kegelförmige innen liegende Oberfläche (16) und die kegelförmige nach außen gerichtete Oberfläche (32) aneinander passende Oberflächen sind, die in Kontakt sind, wenn der Stützring (24) geringfügig, in bezug auf den stromaufwärts liegenden Gehäu­ seabschnitt (12), stromabwärts verschoben ist, und dann unter Druckkontakt stehen, wenn der erste und zweite Flansch (14, 20) verschraubt sind und die Stirnfläche (22) mit der Ringanlagefläche (34) in Kontakt ist.

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

3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegenseitige Ver­ formung des Stützringes (24) und des Gehäuseabschnittes durch einen Preßsitzkontakt zwischen der innen liegenden Fläche (16) und der außen gerichteten Fläche (32) zwi­ schen 0,2 und 0,4 Prozent bezogen auf den Durchmesser beträgt.

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (24) einen sich nach außen erstreckenden Umfangsflansch (42) an einer stromaufwärti­ gen Stelle aufweist, der sich um eines der Ummantelungssegmente (26) erstreckt.

5. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (24) zwischen dem Umfangsflansch (42) und der kegelförmigen nach außen gerichteten Oberfläche (32) einen kegelförmigen Schenkel (38) mit einem Winkel zwischen 5 und 25 Grad in be­ zug auf die Turbinenachse aufweist.

6. Gehäuse nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen radiale Abstufung (40) in dem Stützring (24) zwischen der stromaufwärtigen Stelle und der ke­ gelförmigen nach außen gerichteten Oberfläche (32), und durch einen kegelförmigen Schenkel (38) zwischen der radialen Abstufung (40) und der kegelförmigen nach außen gerichteten Oberfläche (32).

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden, eine Drehung in Umfangsrichtung verhindernden Absät­ zen (48) an dem Stützring (24), und durch eine Vielzahl von sich nach innen erstrecken­ den, eine Drehung in Umfangsrichtung verhindernden Absätzen (46) an dem Gehäuse (12), die in Anlage sind.