DE4100224C2 - Halterung eines Diffusors einer Gasturbine in einem Turbinengehäuse - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Halterung eines Diffusors ei­ ner Gasturbine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der aus der DE-PS 32 20 148 bekannten Gasturbine ist vorge­ sehen, deren Diffusor in radialer Richtung über die Stützrippen und in axialer Richtung sowohl über die Stützrippen als auch über den Leitschaufelverstellapparat an dem mit dem Turbinenge­ häuse verbundenen Lagerträger abzustützen. Diese Halterung des Diffusors hat den Nachteil, daß aufgrund dessen, daß der Diffu­ sor an zwei Stellen des Lagerträgers angelenkt ist, eine freie Wärmedehnung der Bauteile des Diffusors in axialer Richtung nicht möglich ist. Die Diffusoraußenwand kann sich in axialer Richtung immer nur in dem Maße ausdehnen, wie dies der Lagerträ­ ger tut. Es können demzufolge in den einzelnen Diffusorbauteilen unerwünschte Wärmespannungen auftreten. Darüber hinaus kann der Diffusor nicht komplett vormontiert und als Einheit ins Turbi­ nengehäuse eingesetzt werden, denn sowohl die Führungsbuchsen als auch die Stützrippen sind in im Lagerträger vorgesehenen Bohrungen axial bzw. axial und radial abgestützt, so daß die Montage des Diffusors innerhalb des Turbinengehäuses erfolgen muß, was den Montageaufwand deutlich erhöht.

Aus der AT-PS 309 913 ist eine Gasturbine bekannt, zwischen de­ ren Verdichter- und Arbeitsturbinenrad ein Diffusor vorgesehen ist, welcher ebenfalls aus einer Innen- und einer Außenwand, welche einen Ringkanal begrenzen, gebildet ist. Auf Abstand ge­ halten werden die Innen- und die Außenwand dabei durch mit die­ sen starr verbundenen Leitschaufeln (Stützrippen). Stromab die­ ser feststehenden Stützrippen sind in dem Ringkanal verschwenk­ bare Leitschaufeln angeordnet, die über in an der Außenwand des Diffusors angeformte Führungsbuchsen gelagerte Verstellwellen verschwenkt werden können. Über die Halterung der Führungsbuch­ sen und damit des gesamten Diffusors am Lagerträger bzw. am Tur­ binengehäuse ist in dieser Schrift nichts ausgesagt. Um den Dif­ fusor überhaupt montieren zu können (Einsetzen der verstellbaren Leitschaufeln), muß dessen Innenwand zweigeteilt ausgeführt sein. Der im Bereich der verstellbaren Leitschaufeln befindliche Teil der Innenwand muß damit nach dem Einsetzen der einzelnen Leitschaufeln in die einzelnen in der Außenwand vorgesehenen Führungsbuchsen in einem weiteren Montageschritt mit dem im Be­ reich der Stützrippen befindlichen Teil der Innenwand fest ver­ bunden werden (z. B. durch Verschrauben). Dadurch wird der Monta­ geaufwand deutlich erhöht. Darüber hinaus ist der Nachteil gege­ ben, daß aufgrund dessen, daß die Stützrippen sowohl mit der In­ nen- als auch mit der Außenwand des Diffusors fest verbunden sind, eine freie Wärmedehnung der Stützrippen nicht möglich ist, bzw. eine temperaturbedingte Längenänderung dieser Stützrippen zu örtlichen Änderungen des Strömungsquerschnittes des Ringka­ nals führen kann, wodurch unter Umständen die Verstellbarkeit der Leitschaufeln beeinträchtigt wird. Diese temperaturbedingten Längenänderungen der Stützrippen verursachen ebenso unerwünschte Spannungen sowohl in der Innen- und der Außenwand des Diffusors als auch in den Stützrippen selbst.

Aus der US-PS 2 801 076 ist ferner bekannt, Turbinenleitschau­ feln einer Gasturbine sowie den diese haltenden Leitschaufelring aus einem keramischen Werkstoff herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halterung der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art zu schaffen, mit welcher eine Verbesserung der freien Wärmedehnung der Bau­ teile des Diffusors erzielbar ist und mit welcher der Montage­ aufwand beim Einbau des Diffusors in das Turbinengehäuse redu­ ziert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Halterung erfolgt die Abstützung des Diffusors am Turbinengehäuse nur noch an einer Stelle bzw. in einer Ebene und zwar in einer Ebene im Bereich der Leitschau­ feln. Infolge dessen kann eine Behinderung der Wärmedehnung der Diffusoraußenwand, insbesondere in axialer Richtung, nicht mehr auftreten. Ferner können sich mit der erfindungsgemäßen Halte­ rung die Abmessungen der Innen- und der Außenwand in Abhängig­ keit der Temperatur immer in gleichem Maße verändern, denn die Änderung der Abmessungen der Innenwand hängt nicht mehr von der Wärmedehnung eines mit dieser über die Stützrippen verbundenen Lagerträgers ab. Ebenso ist dadurch, daß die Stützrippen entwe­ der nur an der Innen- oder nur an der Außenwand des Diffusors angelenkt sind, ausgeschlossen, daß sich durch eine Änderung der Länge der Stützrippen infolge schwankender Temperaturen die re­ lative Lage in radialer Richtung von Außenwand zu Innenwand des Diffusors bereichsweise ändern kann. Die Abmessungen des Ringka­ nales selbst (z. B. Strömungsquerschnitt) sind damit, unabhängig von der gerade vorliegenden Temperatur, im wesentlichen immer gleich. Mit einer Beeinträchtigung der Bewegbarkeit der ver­ stellbaren Leitschaufeln infolge eines sich örtlich ändernden Strömungsquerschnittes ist damit nicht zu rechnen. Die erfin­ dungsgemäße einseitige Befestigung der Stützrippen ermöglicht ferner eine problemlose Montage des Diffusors auch bei einteili­ ger Ausbildung sowohl der Innenwand als auch der Außenwand. Die Wärmedehnung der Heißgas führenden Bauteile kann darüber hinaus noch reduziert werden, wenn diese Bauteile, wie in An­ spruch 2 vorgeschlagen, aus einem keramischen Werkstoff beste­ hen.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Halterung die Stützrippen nicht mehr am Lagerträger angelenkt sind, wird Bauraum gewonnen und gleichzeitig die Montage des Diffusors vereinfacht, da die Stützrippen - eben weil sie nicht mehr am Lagerträger abgestützt sind - schon vor Einbau des Diffusors in das Turbinengehäuse vor­ montiert werden können.

Die erfindungsgemäße Anlenkung des Diffusors an dem Lagerträger und damit am Turbinengehäuse über die in den geschlitzten Auf­ nahmebohrungen im Lagerträger eingesetzte und über die Halte­ buchsen zentrierte Führungsbuchsen ermöglicht es, daß der gesam­ te Diffusor einschließlich Leitschaufeln, Verstellapparat und Lagerträger vormontiert und dann erst als Einheit in das Turbi­ nengehäuse eingesetzt bzw. an diesem befestigt werden kann, wo­ durch die Montage der Gasturbine vereinfacht wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles dargestellt.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine Gasturbine im Bereich des Diffusors und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Fig. 1 längs der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt mit 1 einen zwischen einem den Verdichter an­ treibenden Turbinenrad 2 und einem Arbeitsturbinenrad 3 einer Gasturbine angeordneten Diffusor. Da der Diffusor 1 bezüglich der Mittellängsachse 4 rotationssymmetrisch ausgebildet ist, ist der Einfachheit halber nur der oberhalb der Mittellängs­ achse 4 liegende Teil des Diffusors 1 dargestellt. Der Diffusor 1 besteht aus einer Innenwand 5 (Innendiffusor), welche mit einer Außenwand 6 (Außendiffusor) einen Ringkanal 7 begrenzt. Auf Abstand gehalten werden die Innen- 5 und die Außenwand 6 dabei über drei über den Umfang verteilte Stützrippen 8, welche in Führungsbohrungen 9 in der Außenwand 6 sowie in in der In­ nenwand 5 eingeformte Vertiefungen 10 eingesetzt sind. Zwischen dem Boden der Vertiefungen 10 und den Unterseiten der Stütz­ rippen 8 ist ein geringer Abstand 11 zum Ausgleich von Wärme­ dehnungen der Stützrippen 8 vorgesehen. Die Stützrippen 8 sind über je einen Stift 12 mit der Außenwand 6 fest verbunden. Zur Vermeidung von Strömungsverlusten an den Stützrippen 8, besit­ zen diese im Bereich des Ringkanals 7 eine strömungsgünstiges Querschnittsprofil 13. Stromab dieser Stützrippen 8 ist in dem Ringkanal 7 ferner ein verstellbares Strömungsleitgitter ein­ gesetzt, welches aus 17 über den Umfang verteilten Leitschau­ feln 14 besteht. Diese Leitschaufeln 14 sind verbunden mit Verstellwellen 15, von denen jede in je einer von an der Au­ ßenwand 6 des Diffusors 1 angeformten Führungsbuchsen 16 ein­ gesetzt ist. An ihrem der Leitschaufel 14 abgewandten Ende ist an jeder der Verstellwellen 15 ein Zahnsegment 17 mittels eines Sicherungsstiftes 18 befestigt, welches in einem ringförmigen Zahnkranz 19 kämmt, der den Außenring eines Drahtlagers 20 bildet. Eine Verdrehung dieses um die Mittellängsachse 4 ver­ drehbaren Zahnkranzes 19 bewirkt damit über die Zahnsegmente 17 und die Verstellwellen 15 eine Verstellung der Leitschaufeln 14 im Ringkanal 7. Der Innenring 21 dieses Drahtlagers 20 ist mit einem Lagerträger 22 verschraubt, welcher wiederum an der Stelle 23 an dem Turbinengehäuse 24 befestigt ist. Der Lager­ träger 22 ist ringförmig ausgebildet und besitzt über den Um­ fang verteilt mehrere Bohrungen 25, welche zur Aufnahme der Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 dienen. Diese Aufnahmeboh­ rungen 25 gehen auf der Seite 26 in Aufnahmeschlitze 31 über (s. auch Fig. 2), deren Breite b minimal größer ist als der Durchmesser d der Führungsbuchsen 16. Über diese Aufnahme­ schlitze 31 werden bei der an späterer Stelle noch näher be­ schriebenen Montage des Diffusors 1 die Führungsbuchsen 16 in die Aufnahmebohrungen 25 geschoben. Zur Zentrierung der Füh­ rungsbuchsen 16 in den Aufnahmebohrungen 25 sind Haltebuchsen 27 vorgesehen, deren Innendurchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser d der Führungsbuchsen 16 und deren Außen­ durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Aufnah­ mebohrungen 25 ist (s. auch Fig. 2). Die axiale Lagesicherung der Haltebuchsen 27 erfolgt über einen an deren Außenumfang vorgesehenen Haltebund 28, welcher auf dem Lagerträger 22 auf­ liegt. Um eine Verschiebung der Haltebuchsen 27 nach außen (Pfeil 29) zu verhindern, sind zwischen den Zahnsegmenten 17 und den Haltebuchsen 27 mit geringem Spiel s (zum Ausgleich auftretender Wärmedehnungen) zu den Haltebuchsen 27 Zwischen­ scheiben 30 angeordnet. Anstelle dieser Zwischenscheiben 30 können auch die Maltebuchsen 27 so hoch ausgeführt sein, daß sie gegen die Unterseite der Zahnsegmente 17 mit Spiel anlaufen. Der Diffusor 1 ist somit axial in dem Lagerträger 22 und radial durch die Anzahl der Führungs- bzw. Haltebuchsen 16 bzw. 27 gesichert. Sämtliche Heißgas führenden Bauteile (Innenwand 5, Außenwand 6), auch die Leitschaufeln 14 und die Stützrippen 8 bestehen aus einem keramischen Werkstoff.

Der Einbau des Diffusors 1 in das Turbinengehäuse 24 läuft in folgenden Schritten ab. Zuerst werden die einzelnen Leitschau­ feln 14 mit ihren Verstellwellen 15 in die Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 eingesetzt. Hieran im Anschluß wird der zu diesem Zeitpunkt noch vom Turbinengehäuse 24 getrennte Lager­ träger 22 über die Aufnahmeschlitze 31 auf die Führungsbuchsen 16 der Außenwand 6 aufgeschoben, so daß sich nun sämtliche Führungsbuchsen 6 in den Aufnahmebohrungen 25 des Lagerträgers 22 befinden. Die anschließende Zentrierung der Führungsbuchsen 16 in den Aufnahmebohrungen 25 erfolgt durch die Haltebuchsen 27, welche in Richtung des Pfeiles 32 über die Führungsbuchsen 16 in den Ringraum zwischen Führungsbuchsen 16 und Lagerträger 22 geschoben werden. Nach Aufsetzen der Zwischenscheiben 30 werden mittels der Sicherungsstifte 18 die Zahnsegmente 17 auf den Verstellwellen 15 befestigt. Nun kann das Drahtlager 20, welches schon vor dem Einsetzen der Führungsbuchsen 16 in die Bohrungen 25 auf den Lagerträger 22 geschoben wurde, an dem Lagerträger 22 befestigt werden. Hierzu wird dessen Innenring 21 mit dem Lagerträger 22 verschraubt und zwar so, daß der den Außenring des Drahtlagers 20 bildende Zahnkranz 19 in die Ver­ zahnung der einzelnen Zahnsegmente 17 eingreift. Erst jetzt wird die Innenwand 5 (Innendiffusor) des Diffusors 1 eingesetzt und über die Führungsbohrungen 9 die drei über den Umfang ver­ teilten Stützrippen 8 in die Vertiefungen 10 der Innenwand 5 eingeschoben und mit den Sicherungsstiften 12 an der Außenwand 6 befestigt. Der so vormontierte Diffusor 1 samt Lagerträger 22 wird nun als ganze Einheit in das Turbinengehäuse 24 einge­ setzt, d. h. an den Stellen 23 an das Turbinengehäuse 24 ange­ schraubt.

Claims (3)

1. Halterung eines Diffusors einer Gasturbine in einem Turbi­ nengehäuse, wobei der Diffusor aus einer Innenwand und einer unter Einschluß eines Ringkanals diese umgebenden Außenwand und beide Wände auf Abstand haltenden, an einem Gehäuseteil befestigten Stützrippen gebildet ist, wobei ferner im Ringkanal Leitschaufeln angeordnet sind, die über in der Außenwand vorgesehene Führungsbuchsen geführte Verstellwellen von einem an einem ringförmig ausgebildeten und Aufnahmebohrungen für die Führungsbuchsen aufweisenden Lager­ träger des Turbinengehäuses abgestützten Verstellapparat aus verstellbar sind und wobei der Diffusor am Lagerträger in ra­ dialer Richtung und über Haltebuchsen der Verstellwellen in axialer Richtung abgestützt ist und wobei an den Verstellwellen Zahnsegmente zur Verstellung der Leitschaufeln befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (8) entweder an der Innen- oder der Außen­ wand (5 oder 6) des Diffusors 1 befestigt sind, daß die Auf­ nahmebohrungen (25) im Lagerträger (22) in Aufnahmeschlitze (31) übergehen, deren Breite (b) wenigstens gleich dem Durch­ messer (d) der Führungsbuchsen (16) ist, daß die Führungs­ buchsen (16) in den Aufnahmebohrungen (25) durch die Halte­ buchsen (27) zentriert sind und daß die Lagefixierung der Haltebuchsen (27) über an den Haltebuchsen (27) vorgesehene und auf dem Lagerträger (22) aufliegende Abstützbunde (28) und über die Zahnsegmente (17) erfolgt, welche an den Haltebuchsen (27) gegebenenfalls unter Einschluß eines Spiels (s) indirekt oder direkt anliegen.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgas führenden Bauteile aus einem keramischen Werk­ stoff bestehen.

3. Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbuchsen (16) an der Außenwand (6) des Diffusors (1) angeformt sind.