DE60123907T2

DE60123907T2 - Auswechselbare, verstellbare Leitschaufel für Gasturbinen

Info

Publication number: DE60123907T2
Application number: DE60123907T
Authority: DE
Inventors: Gregory Allan Crum; Lynn Charles Simpsonville Gagne; William Earl Greer Dixon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-11-17
Also published as: JP4260391B2; KR20020038530A; JP2002195195A; CZ20013740A3; EP1207272B1; DE60123907D1; US6450763B1; EP1207272A3; EP1207272A2; KR100672107B1; ATE343047T1

Description

Diese Erfindung betrifft Strömungsmaschinen und insbesondere eine neue Statorleitschaufelkonstruktion für einen Turbinenverdichter sowie das zugehörige Verfahren zum Ausbau vorhandener verstellbarer Statorleitschaufeln und deren Austausch gegen neue Schaufeln, ohne den Turbinenrotor ausbauen zu müssen.
Axialverdichter, die in Gasturbinen der Produktlinie des Abtretungsempfängers zum Einsatz kommen, können bis zu achtzehn (18) Stufen enthalten, die jeweils ein beschaufeltes Laufrad umfassen. Zusätzlich werden am Verdichtereinlass in Umfangsrichtung angeordnete verstellbare Leitschaufeln geschaffen. Letztere dienen zur Anpassung des Luftstroms beim Start und ermöglichen in regenerierenden und kombinierten Systemen eine höhere Brenntemperatur bei reduzierter Last. Diese Eintrittsleitschaufeln werden von außerhalb des Eintrittsgehäuses von einem Zahnrad mittels eines kreisrunden Antriebsrings, einer Zahnstange und eines Antriebszahnrads betätigt, um die Schaufeln während des Betriebs im Einklang miteinander zu drehen.
Genauer gesagt sind die Eintrittsleitschaufeln in zwei halbringförmigen Hälften gelagert, die im vorliegenden Dokument als oberes und unteres Eintrittsgehäuse bezeichnet werden. In dem veranschaulichenden Beispiel sind vier Eintrittsleitschaufeln in jedem von acht Stützsegmenten gelagert, die an das untere Eintrittsgehäuse geschraubt sind. Während der Ausbau und Austausch der Eintrittsleitschaufeln in dem oberen Eintrittsgehäuse relativ leicht durchgeführt werden kann, wenn das obere Eintrittsgehäuse entfernt wird, ist der Ausbau und Austausch der Eintrittsleitschaufeln in dem unteren Ein trittsgehäuse vor allem wegen der erweiterten axialen Länge der Schaufeln ohne Ausbau des Rotors problematisch. Letzteres ist wegen der Anforderung nötig, dass der Schaufelstellantrieb außerhalb des Gehäuses angeordnet sein muss. Folglich weist jede der Schaufeln eine verlängerte Antriebsspindel auf, die sich durch das Gehäuse erstreckt, in dem auf ihr das Antriebszahnrad für den Eingriff in die ringförmige Zahnstange montiert ist, die an dem kreisrunden Antriebsring befestigt ist. Der Ausbau des Rotors war erforderlich, um den notwendigen Raum zum Ausbauen der verlängerten Schaufeln zu schaffen. Der Prozess ist jedoch komplex, zeitaufwändig und teuer.
Das Dokument US 4 139 329 beschreibt eine Vorrichtung zum Übertragen der Schaufelspitzenbewegung, die in der Lage ist, eine Rotationsbewegung von einer Hauptsteuerung präzise an eine zentrale Schaufelspitze in einem Gasturbinentriebwerk zu übertragen.
Das Dokument US 3 990 810 legt eine Schaufelbaugruppe für die enge Ankopplung einer Verdichterturbine und einer einstufigen Arbeitsturbine in einer Zweiwellen-Gasturbine dar.
Das Dokument US 2 857 092 legt verstellbare Verdichterleitschaufeln dar, die schwenkbare Eintrittsleitschaufeln aufweisen.
Diese Erfindung betrifft eine Technik zum Ausbauen konventioneller Eintrittsleitschaufeln und eine neue Baugruppe einer Austauscheintrittsleitschaufel, die den Wiedereinbau der Eintrittsleitschaufeln in die untere Hälfte des Eintrittsgehäuses ermöglicht, wobei sowohl der Ausbau als auch der Wiedereinbau ohne Ausbau des Rotors praktikabel ist.
Der Ausbau einer konventionellen Eintrittsleitschaufel gemäß dieser Erfindung umfasst das Entfernen der externen Antriebszahnräder aus den Leitschaufeln im unteren Eintrittsgehäuse und das Zerschneiden der Leitschaufeln, sodass beide Schnittteile jeder Leitschaufel aus dem Innern des unteren Eintrittsgehäuses entfernt werden können. Dieses Ausbauvorgehensweise wird für die in jedem der Stützsegmente in dem unteren Eintrittsgehäuse befestigten Eintrittsleitschaufeln Segment für Segment befolgt. Die Installation von Austauscheintrittsleitschaufeln ohne Ausbau des Rotors erfordert, wie weiter unten beschrieben, eine Modifizierung der bisherigen Eintrittsleitschaufelkonstruktion.
Das radiale äußere Ende oder Antriebsende jeder Leitschaufel weist nun eine mehrteilige Antriebsspindelbaugruppe auf. Die verkürzte radiale Länge der Leitschaufelspindel ermöglicht das manuelle Positionieren jeder Leitschaufel innerhalb des Gehäuses, während die zusätzliche Hardware, einschließlich einer Zwischenwelle, eines Antriebszahnrads und eines äußeren Spindelteils, von der Außenseite des Eintrittsgehäuses montiert werden kann. Dieser Bereich der in die Schaufel integrierten Antriebsspindel wurde radial verkürzt und mit Keilnuten und Flachstücken ausgeführt, die zu einer komplementären Aussparung in der Zwischenwelle passen. Das andere Ende der Zwischenwelle nimmt reibungslos das Antriebszahnrad auf. Ein äußeres Spindelstück ist wiederum mittels Drehmoment übertragender Flachstücke (oder hexagonal geformter Köpfe oder dergleichen) für die Installation am freien Ende der Zwischenwelle ausgelegt, das über das Antriebszahnrad hinausragt. Eine radiale Schraube erstreckt sich von dem äußeren Spindelstück durch die Zwischenwelle und wird in einer Gewindeverbindung in der Schaufelspindel aufgenommen, um die Komponenten lose zusammenzuhalten. Nach dem Einstellen des geeigneten Schaufelwinkels an allen Schaufeln werden die radialen Schrauben angezogen, und die äußeren Spindelstücke werden an das Antriebszahnrad geschweißt, sodass ein Drehmomentübertragungspfad zwischen dem Antriebsring, der Zahnstange, den Antriebszahnrädern und den Leitschaufeln geschaffen wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Ersetzen einer Eintrittsleitschaufel aus einem unteren Eintrittsgehäuse eines Verdichters, wobei das untere Eintrittsgehäuse so angepasst ist, dass es an einer horizontalen Verbindungsstelle an einem oberen Eintrittsgehäuse befestigt ist, und dass nach dem Abnehmen der oberen Hälfte des Eintrittsgehäuses jedoch ein Rotor des Verdichters an Ort und Stelle bleibt, wobei die Eintrittsleitschaufel zwischen einer radialen Innen- und einer radialen Außenwand des unteren Eintrittsgehäuses gelagert ist, ferner die Eintrittsleitschaufel mit einer integrierten Spindel ausgebildet ist, die radial durch die Außenwand verläuft und an ihrem äußeren Ende ein in eine ringförmige Zahnstange eingreifendes Antriebszahnrad trägt, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Entfernen des Zahnrads am radialen äußeren Ende der integrierten Spindel der Eintrittsleitschaufel;
b) Schneiden der Eintrittsleitschaufel in zwei Schnittteile;
c) Entfernen der Schnittteile aus dem Inneren des unteren Eintrittsgehäuses; und
d) Ersetzen der Eintrittsleitschaufel durch modifizierte Eintrittsleitschaufeln, die jeweils eine zweiteilige Spindelbaugruppe aufweisen, die eine Installation ohne Ausbau des Rotors ermöglicht.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe, die Folgendes umfasst:
eine Eintrittsleitschaufel mit einem zylindrischen Stumpf an ihrem radialen inneren Ende und mit einer relativ kurzen integrierten Spindel an ihrem radialen äußeren Ende, wobei die Eintrittsleitschaufel eine zweiteilige Spindelbaugruppe umfasst, die eine Installation ohne Ausbau eines Rotors ermöglicht, und
eine Zwischenwelle, die zur Verbindung ihres radialen inneren Endes mit einem radialen äußeren Ende der integrierten Spindel so angepasst ist, dass ein auf die Zwischenwelle wirkendes Drehmoment auf die Schaufel übertragen wird, wobei ein radiales äußeres Ende der Zwischenwelle zur Aufnahme eines Antriebszahnrads angepasst ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist eine teilweise als Schnitt dargestellte Teildraufsicht der unteren Hälfte eines Eintrittsgehäuses eines Axialverdichters, die ungefähr an der horizontalen Verbindungsstelle erstellt wurde und die Art und Weise veranschaulicht, in der die Eintrittsleitschaufeln im Innern eines Eintrittsgehäuses montiert werden.
2 ist eine vergrößerte Detailansicht des radialen äußeren Endes der Schaufel aus 1.
3 ist eine vergrößerte Detailansicht des radialen inneren Endes der Schaufel aus 1.
4 ist eine Teilquerschnittansicht des radialen äußeren Endes einer neuen Eintrittsleitschaufel gemäß dieser Erfindung.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Zwischenwelle und eines äußeren Spindelstücks, die in die Eintrittsleitschaufel aus 4 integriert sind.
In 1 ist eine Eintrittsleitschaufel 10 bekannter Bauart in einem unteren Eintrittsgehäuse 12 zwischen einer radialen Innen- und einer radialen Außenwand 14 bzw. 16 gelagert. Eine ringförmige Anordnung der Eintrittsleitschaufeln ist vor der nullten oder ersten Verdichterstufe 18 positioniert und umgibt den Rotor 20 (teilweise dargestellt). Es ist nachvollziehbar, dass das Eintrittsgehäuse in ein oberes und ein unteres Gehäuse aufgeteilt ist, die sich jeweils im Wesentlichen über 180° erstrecken und jeweils eine Hälfte der Eintrittsleitschaufeln tragen. Das obere und das untere Gehäuse sind an einer horizontalen Verbindungsstelle miteinander verbunden. Alle der in den Figuren enthaltenen Schnitte verstehen sich als Schnitte neben der horizontalen Verbindungsstelle durch das untere Eintrittsgehäuse 12.
Das radiale innere Ende der Eintrittsleitschaufeln 10 ist mit einer zylindrischen Spindel oder Flanschwelle 22 ausgebildet, die in einer Lagerbuchse 24 gelagert ist, die in einer in ein Lagersegment 30 eingebrachten Bohrung 26 sitzt. Es versteht sich, dass die Schaufeln durch ihre derartige Lagerung in den Lagerbuchsen 24 der Bohrungen 26 um die Flanschwellen 22 verstellbar drehbar sind. In dem unteren Eintrittsgehäuse befinden sich acht Lagersegmente 30, die sich kollektiv in einem Winkel von im Wesentlichen 180° erstrecken. Diese Segmente liegen in Axialrichtung einem halbringförmigen Reibring 28 gegenüber. In der exemplarischen Ausführungsform nimmt jedes Lagersegment 30 vier Schaufeln 10 auf. Die Lagersegmente 30 sind mit Bolzen 15 einzeln an die Gehäuseinnenwand 14 geschraubt. Der Reibring 28 ist nicht im unteren Eintrittsgehäuse gelagert und lässt sich daher in stallieren oder ausbauen, indem der Ring einfach in das untere Gehäuse hinein oder aus diesem heraus „gerollt" wird.
Das radiale äußere Ende jeder Leitschaufel ist mit einer integrierten Erweiterungsspindel 34 ausgebildet, die sich durch eine Bohrung in der Gehäuseaußenwand 16 erstreckt und einen Bereich 36 mit einem verringerten Durchmesser aufweist, an den ein Antriebszahnrad 38 montiert ist. Das Antriebszahnrad 38 greift in eine ringförmige Zahnstange 40 ein, die (z. B. mit Bolzen 44) an einem Antriebsring 42 befestigt ist, der von einem Hydrozylinder (nicht dargestellt) angetrieben wird. Das Antriebszahnrad 38 ist auf dem Wellenbereich 36 über eine Feder (oder einen Scherstift) und einen Gewindestift (oder andere geeignete Mittel) gesichert.
Wenn die Leitschaufeln ausgetauscht werden sollen, können sie auf folgende Weise aus dem unteren Eintrittsgehäuse ausgebaut werden. Nach dem Abnehmen der oberen Hälfte des Eintrittsgehäuses werden die einzelnen Antriebszahnräder 38 entfernt, und die Eintrittsleitschaufeln werden dann zweigeteilt, sodass die Teile aus dem Innern der unteren Gehäusehälfte entfernt werden können. Es gilt zu beachten, dass nach dem Entfernen des Zahnrads 38 das obere oder radiale äußere Stück, einschließlich der Spindel 34 in das Gehäuse geschoben und dann herausgenommen werden kann, während das untere oder radiale innere Stück aus einer entsprechenden Lagerbuchse 24 herausgezogen werden kann.
Es ist nachvollziehbar, dass zum Installieren neuer Leitschaufelbaugruppen ohne Ausbau des Rotors die Eintrittsleitschaufelbaugruppen wie oben beschrieben abgeändert werden müssen.
Das radiale äußere Ende der neuen Austauscheintrittsleitschaufel 40 gemäß dieser Erfindung ist in 4 darge stellt. Das radiale innere Ende der Leitschaufel und die Art und Weise, in der dieses in der Gehäuseinnenwand 14 gelagert ist, entsprechen der oben beschriebenen konventionellen Konstruktion, d. h. eine Flanschwelle 22 wird in einer Lagerbuchse 24 aufgenommen, die in einer Bohrung 26 des entsprechenden Lagersegments 30 sitzt. Das radiale äußere Ende 42 der Schaufel 40 enthält eine integrierte radiale Spindel 44, die einen mit Keilnuten ausgeführten konischen Bereich 46 mit Flachstücken 48 aufweist. Eine Zwischenwelle 50 weist ein radiales inneres Ende mit dazu passenden Keilnuten und Flachstücken auf, sodass eine Möglichkeit zur Drehmomentübertragung zwischen der Zwischenwelle 50 und der Schaufel 40 geschaffen wird. Ein äußeres Ende der Zwischenwelle 50 ist mit einem glatten Wellenbereich 52 ausgebildet, der das Antriebszahnrad 56 aufnimmt. Ein äußerstes Ende 54 der Zwischenwelle 50, das über das Antriebszahnrad hinausragt, ist hexagonal geformt, damit es eine ähnlich hexagonal geformte Aussparung 57 eines äußeren Spindelstücks 58 aufnehmen kann, sodass eine Möglichkeit zur Drehmomentübertragung zwischen allen drei Komponenten 44, 50 und 58 geschaffen wird. Das äußere Spindelstück 58, das Antriebszahnrad 56 und die Zwischenwelle 50 sind an der Schaufelspindel 44 über einen Bolzen oder eine Schraube 60 befestigt, die in einer Gewindeverbindung in der Schaufelspindel 44 aufgenommen wird.
Zum Installieren der neuen Schaufeln 40 wird der Reibring 28 entfernt, sodass die Lagersegmente 30 zugänglich sind. Die Segmente 30 werden nacheinander, von jeder Seite der horizontalen Verbindungsstelle, von der horizontalen Verbindungsstelle bis zu einer unteren Totlage ausgebaut. Die modifizierten Eintrittsleitschaufeln 40 werden, beginnend bei der unteren Totlage, einzeln nacheinander in die Bohrung der Gehäuseaußenwand 16 eingesetzt. Sobald vier Eintrittsleitschaufeln 40 in die Gehäuseaußenwand eingesetzt sind, wird ein Lagersegment mit der Flanschwelle 22 installiert, die in die Lagerbuchse 24 in den Löchern 26 eingesetzt ist. Die Montage schreitet auf diese Weise von der unteren Totlage zur horizontalen Verbindungsstelle voran, bis alle Lagersegmente 30 installiert sind. Wenn alle Segmente 30 wieder an die Gehäuseinnenwand 14 angeschraubt sind, wird der Reibring 28 wieder eingebaut. Die Zwischenwelle 50, das Antriebszahnrad 56 und das äußere Spindelstück 58 werden anschließend von der Außenseite des Gehäuses an jede Leitschaufel montiert. Schrauben oder Bolzen 60 werden anschließend in die verschiedenen Schaufelspindeln 44 geschraubt, um die Baugruppen lose zusammenzuhalten. Das obere Eintrittsgehäuse (nicht dargestellt) wird wieder aufgesetzt, und alle Eintrittsleitschaufeln werden im gewünschten Schaufelwinkel umlaufend ausgerichtet. Die Schrauben 60 werden anschließend angezogen, und die äußeren Spindelstücke 58 werden an die entsprechenden Antriebszahnräder 56 geschweißt, um so den Drehmomentübertragungspfad zwischen dem Antriebsring 62, der Zahnstange 64, den Antriebszahnrädern 56 und den Schaufeln 40 zu vervollständigen.
Es ist nachvollziehbar, dass durch das Vorhandensein einer mehrteiligen Schaufelbaugruppe die Installation in dem begrenzten Raum zwischen dem unteren Eintrittsgehäuse und dem Rotor möglich ist. Gleichzeitig wird der erforderliche Drehmomentübertragungspfad geschaffen, um alle Schaufelwinkel simultan einheitlich einzustellen.
Es ist außerdem nachvollziehbar, dass obwohl normalerweise alle Eintrittsleitschaufeln ausgetauscht würden, die Ausbau- und Installationstechnik in der in diesem Dokument beschriebenen Form auch angewendet werden kann, um eine einzelne abgenutzte oder beschädigte Schaufel auszutauschen.

Claims

Verfahren zum Ersetzen einer Eintrittsleitschaufel (10) aus einem unteren Eintrittsgehäuse (12) eines Verdichters, wobei das untere Eintrittsgehäuse so angepasst ist, dass es an einer horizontalen Verbindungsstelle an einem oberen Eintrittsgehäuse befestigt ist, und dass nach dem Abnehmen der oberen Hälfte des Eintrittsgehäuses jedoch ein Rotor (20) des Verdichters an Ort und Stelle bleibt, wobei die Eintrittsleitschaufel (10) zwischen einer radialen Innen- und einer radialen Außenwand (14, 16) des unteren Eintrittsgehäuses gelagert ist, ferner die Eintrittsleitschaufel (10) mit einer integrierten Spindel (22) ausgebildet ist, die radial durch die Außenwand (16) verläuft und an ihrem äußeren Ende ein in eine ringförmige Zahnstange (40) eingreifendes Antriebszahnrad (56) trägt, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Entfernen des Zahnrads (56) am radialen äußeren Ende der integrierten Spindel (22) der Eintrittsleitschaufel; b) Schneiden der Eintrittsleitschaufel (10) in zwei Schnittteile; c) Entfernen der Schnittteile aus dem Inneren des unteren Eintrittsgehäuses (12); und d) Ersetzen der Eintrittsleitschaufel (10) durch modifizierte Eintrittsleitschaufeln (40), die jeweils eine zweiteilige Spindelbaugruppe (44,50) aufweisen, die eine Installation ohne Ausbau des Rotors (20) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a), b) und c), beginnend auf einer oder beiden Seiten der horizontalen Verbindungsstelle, für jede Eintrittsleitschaufel (10) im unteren Eintrittsgehäuse (12) wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein radiales inneres Ende (22) der Eintrittsleitschaufel (10) in einer Lagerbuchse (24) gelagert ist, die in einem von mehreren demontierbaren Segmenten (30) bereitgestellt ist, die an der radialen Innenwand des unteren Eintrittsgehäuses befestigt sind.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe, die Folgendes umfasst: eine Eintrittsleitschaufel (40) mit einem zylindrischen Stumpf (22) an ihrem radialen inneren Ende und mit einer relativ kurzen integrierten Spindel (44) an ihrem radialen äußeren Ende, wobei die Eintrittsleitschaufel (40) eine zweiteilige Spindelbaugruppe (44,50) umfasst, die eine Installation ohne Ausbau eines Rotors (20) ermöglicht; und eine Zwischenwelle (50), die zur Verbindung ihres radialen inneren Endes mit einem radialen äußeren Ende der integrierten Spindel so angepasst ist, dass ein auf die Zwischenwelle (50) wirkendes Drehmoment auf die Schaufel (40) übertragen wird, wobei ein radiales äußeres Ende der Zwischenwelle (50) zur Aufnahme eines Antriebszahnrads (56) angepasst ist.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe nach Anspruch 4, die ein äußeres Spindelstück (62) aufweist, das mit dem Antriebszahnrad (56) und mit der Zwischen welle (50) so in Eingriff gebracht werden kann, dass ein auf die Zwischenwelle (50) wirkendes Drehmoment auf die Schaufel (40) übertragen wird.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (52) der Zwischenwelle glatt ist, um das Antriebszahnrad (56) reibungslos aufzunehmen.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe nach Anspruch 4 in Kombination mit einem unteren Eintrittsgehäuse (12) eines Verdichters, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen inneren Enden (22) von mehreren der Schaufeln in einem oder mehreren Segmenten (30) sitzen, die an einer Innenwand (14) des unteren Eintrittsgehäuses befestigt sind.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwelle (50) durch eine Gehäuseaußenwand (16) verläuft, ein Antriebszahnrad (56) auf der Zwischenwelle sitzt und ein äußeres Spindelstück (58) auf der Zwischenwelle sitzt und an das Antriebszahnrad geschweißt ist.
Verstellbare Eintrittsleitschaufelbaugruppe nach Anspruch 8, die einen radial zwischen dem äußeren Spindelstück (58) und der integrierten Spindel (44) verlaufenden Bolzen enthält.