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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen den
Turbinenabschnitt einer Gasturbine und im besonderen ein Gerät
und ein Verfahren zur Abstützung der Drehmomentbelastung auf
die Turbinenleitschaufeln.
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Gasturbinen weisen eine Reihe stationärer Leitschaufeln
jeweils in Stömungsrichtung unmittelbar vor einer Reihe
rotierender Laufschaufeln auf, um den heißen Gasstrom richtig auf
die rotierenden Laufschaufeln zu lenken. Eine
Leitschaufelreihe besteht aus einer Vielzahl von Leitschaufeln, die in
Umfangsrichtung um den Ringraum im Strömungspfad angeordnet
sind. Die Leitschaufeln werden in einem Turbinenzylinder
gehaltert. Um Zugang zu den Turbinenteilen zu gewährleisten,
ist der Turbinenzylinder der Länge nach in eine halbrunde
obere und eine halbrunde untere Hälfte geteilt. Die beiden
Hälften sind an horizontalen Verbindungsstellen durch eine
Vielzahl von Schrauben entlang der geflanschten
Zylinderhälften verbunden, die sich über die Länge jedes Zylinders
erstrecken.
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Jede Leitschaufel hat ein Schaufelprofil, ein äußeres
Deckband an ihrem radial äußeren Ende und ein inneres Deckband an
ihrem radial inneren Ende. Der auf das Schaufelprofil
treffende heiße Gasstrom erzeugt eine Kraft in Axialrichtung, der
in Stömungsrichtung auf die Leitschaufel drückt. Eine
Halterungsschiene, die radial aus jedem äußeren Deckband ragt,
stützt die Bewegung der Leitschaufel in axialer Richtung ab,
indem sie sich an die Innenkante einer Platte anlegt, die mit
ihrer Außenkante am Turbinenzylinder befestigt ist. Eine
zusätzliche axiale Einspannung läßt sich durch eine zweite
Halterungsschiene im inneren oder äußeren Deckband
verwirklichen.
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Der heiße Gasstrom über das Schaufelprofil erzeugt auch eine
Drehmomentbelastung auf die Leitschaufel, die diese in
Umfangsrichtung um den Turbinenringraum herum drückt. Diese
Belastung wird von den Drehmomentbolzen aufgenommen, die in die
Halterungsschiene am äußeren Deckband eingreifen und die
Belastung auf den Turbinenzylinder übertragen. Jedoch haben es
Konstruktionsänderungen der Turbinenzylinder, bedingt durch
die hohen Temperaturen moderner Gasturbinen, unzweckmäßig
gemacht, herkömmliche Drehmomentbolzen im Flanschbereich der
horizontalen Verbindungen zu verwenden. Die Erfindung bezieht
sich auf eine neue Art und Methode der Verwendung von
Drehmomentbolzen, die für die Verwendung im Flanschbereich
geeignet sind.
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In der Vergangenheit (s. z.B. DE-A-2 165 529 und DE-A-1178253)
wurden Drehmomentbolzen von außerhalb des Zylinders durch
Bohrungen im Zylinder eingesetzt bzw. wieder herausgenommen.
Das ermöglichte den Ausbau der Leitschaufeln ohne Öffnen der
Turbine zum Lösen der Bolzen. Der Bolzen war zylinderförmig
ausgebildet mit einem Keil am Ende, der in eine Keilnut in
der Halterungsschiene am äußeren Deckband eingriff. Beim
Einbau wurde der Bolzen mit radialem Druck in die Bohrung im
Zylinder gesetzt, bis er in die Leitschaufel einrastete. Da der
Durchmesser des Bolzens nur geringfügig kleiner war als der
der Bohrung, wurde die Drehmomentbelastung der Leitschaufel
durch das äußere Deckband und den Bolzen auf den Zylinder
übertragen. Ein am Ende des Bolzens gebildeter Kopf ragte
durch die Bohrung in den Zylinder und wurde in einer
zylindrischen Senkung in der Außenfläche des Zylinders versenkt.
Eine radial nach außen gerichtete Bewegung wurde durch eine
Halteklammer verhindert, die mit Schrauben am Zylinder
befestigt war und den aus dem Zylinder vorstehenden Bolzenkopf
umspannte, und verhinderte somit, daß sich der Bolzen
zufällig löste.
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Zusätzlich zu den Leitschaufeln umfaßt der Turbinenzylinder
auch ein Vielzahl von um den Turbinenringraum angeordneten
Segmenten, die einen Ring bilden, der die Spitzen der
rotierenden Laufschaufeln einschließt. Zur Erreichung der
optimalen thermodynamischen Leistung wird der radiale Abstand
zwischen diesen Segmenten und den Spitzen der rotierenden
Laufschaufeln möglichst klein gehalten. Deshalb ist es
wichtig, daß der Turbinenzylinder eine möglichst perfekte
zylindrische Form erhält. Durch die Erhöhung der Temperaturen
des heißen Gasstroms im Turbinenzylinder moderner Gasturbinen
können Hitzespannungen im Zylinder zu einer ovalen Verformung
und so zu einer ungünstigen Beeinflussung des radialen
Abstands zwischen den Segmenten und den rotierenden
Laufschaufeln führen. Um das zu verhindern, wurde die Dicke der
Zylinderflansche und der Durchmesser der Verbindungsbolzen
vergrößert und der Abstand der Verbindungsbolzen verringert.
Infolge dieser Veränderungen gibt es jedoch zwischen den
Verbindungsbolzen keinen hinreichenden Abstand mehr, um die
Drehmomentbolzen zum Eingriff in die Leitschaufeln in der
Nähe der Zylinderverbindung von außerhalb des Zylinders
einschieben zu können.
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Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die
Bereitstellung einer Vorrichtung zur Übertragung der
Drehmomentbelastung auf die Leitschaufeln in der Nähe der
Zylinderverbindung durch Bolzen, die zwar in den Turbinenzylinder
eingeschoben werden, jedoch die Verbindungsbolzen nicht
stören und von außerhalb des Zylinders wieder ausgebaut
werden können.
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Unter Berücksichtigung dieser Aufgabe betrifft die
vorliegende Erfindung eine Gasturbine mit einer Vielzahl von
Leitschaufeln mit radial äußeren Enden mit äußeren, an diesen
radial äußeren Enden ausgebildeten Deckbändern, die in einem
Zylinder gehaltert sind, in einer kreisförmigen, mit diesem
Zylinder konzentrischen Anordnung, wobei dieser Zylinder mit
einer ersten Bohrung versehen ist, die sich radial von der
Innenfläche dieses Zylinders aus erstreckt, und ein Bolzen in
dieser ersten Bohrung angeordnet ist und mit diesen äußeren
Deckbändern in Eingriff steht, und zwar so, daß jede auf
diese äußeren Deckbänder einwirkende Drehmomentbelastung auf
den Zylinder übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
sich diese erste Bohrung nur durch einen Teil der
Zylinderwand erstreckt, so daß diese erste Bohrung in diesem Zylinder
einen Boden bildet, und daß Mittel vorgesehen sind, das
Einschieben und Herausziehen dieses Bolzens aus dem Eingriff mit
diesem äußeren Deckband von außerhalb dieses Zylinders zu
bewirken.
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Eine zweite, kleinere Bohrung erstreckt sich von der ersten
Bohrung durch den Flanschbereich zwischen den horizontalen
Verbindungsbolzen, wo der Raum für die erste, relativ große
Bohrung zu klein ist, zur äußeren Zylinderfläche. Der
Drehmomentbolzen, an dessen Ende eine Stange befestigt ist, wird
von innerhalb des Zylinders in die erste Bohrung eingeführt,
wobei die Stange durch die zweite Bohrung dringt und sich
über die Außenfläche des Flansches hinaus erstreckt. Eine
Mutter mit größerem Durchmesser als die zweite Bohrung wird
auf das vorstehende Ende der Stange aufgeschraubt und
verhindert das Zurückrutschen in den Zylinder. Nach Einbau der
Leitschaufel wird der Drehmomentbolzen durch Lockern der
Mutter eingerastet, so daß Stange und Bolzen radial nach
innen bewegt werden können. Nach Einrasten des Bolzens wird
am Zylinder eine Klammer angebracht, damit die Stange und
somit der Drehmomentbolzen, aus dem sie vorsteht, sich nicht
radial nach außen verschieben können.
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Nach Abnehmen der Halteklammer und Herausziehen des Bolzens
können die Drehmomentbolzen jedoch ausgeklinkt und die
Leitschaufeln von außerhalb des Zylinders ausgebaut werden, so
daß das Öffnen des Zylinders zum Ausbau der Leitschaufeln
entfällt.
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Die Erfindung wird leichter verständlich durch die
nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand
eines Beispiels und der beiliegenden Zeichnungen:
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Fig. 1 ist der Aufriß einer Gasturbine.
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Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Turbine entlang der
Linie II-II in Fig. 1, der das äußere Gehäuse, den
Turbinenzylinder und eine Reihe stationärer
Leitschaufeln zeigt.
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des horizontalen
Verbindungsbereichs des Turbinenzylinders, gesehen
von außerhalb des Zylinders, und zeigt den
horizontalen Verbindungsflansch mit den Verbindungsbolzen
in der oberen Hälfte des Zylinders.
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Fig. 4 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine
horizontale Verbindung in der Nähe eines Drehmomentbolzens.
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Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4.
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Die Pfeile in Fig. 1 zeigen die Strömungsrichtung durch eine
Turbine an. Fig. 1 zeigt das äußere Gehäuse der Gasturbine
mit dem äußeren Turbinengehäuse 9. Fig. 2 zeigt das äußere
Turbinengehäuse 9, einen Turbinenzylinder und eine Reihe
stationärer Leitschaufeln 20. Der Turbinenzylinder ist der Länge
nach in eine obere und untere halbrunde Hälfte 10 und 12
geteilt, die entlang einer horizontalen Verbindung 13
miteinander verbunden sind. Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, stehen
schwere Flansche 14 und 17 aus den Längskanten der
Zylinderhälften vor. Große Bolzen 16 erstrecken sich durch Bohrungen
18 in den Flansch und dienen dazu, die geflanschten Teile der
oberen und der unteren Zylinderhälfte zusammenzupressen, wie
in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist.
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Im Zylinder befinden sich abwechselnd Reihen stationärer
Leitschaufeln und rotierender Laufschaufeln. Die erste
Leitschaufelreihe, wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist
beispielhaft und besteht aus einer Vielzahl von Leitschaufeln 20, die
in Umfangsrichtung um den Ringraum des Turbinenströmungspfads
angeordnet sind. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß sich am
radial äußeren Ende jeder Leitschaufel ein äußeres Deckband
22 befindet. Eine Halterungsschiene 24 steht aus diesem
äußeren Deckband vor. Die Halterungsschiene dient zur Befestigung
der Leitschaufel am Zylinder und hemmt die Bewegung der
Leitschaufel in axialer Richtung. Das wird erreicht durch Anlegen
der Halterungsschiene an die innere Kante einer Platte 58,
wobei die Platte mit ihrem äußeren Rand am Zylinder befestigt
ist. Ebenfalls im Zylinder festgehalten ist eine Vielzahl von
Segmenten 52, die einen Ring um die Spitzen der rotierenden
Laufschaufeln 54 bilden. Um eine optimale thermodynamische
Leistung zu erhalten, wird der radiale Abstand 56 zwischen
diesen Segmenten und den Spitzen der rotierenden
Laufschaufeln möglichst klein gehalten. Ein wesentlicher Verlust
der Zylindrizität des Zylinders verzerrt den aus den
Segmenten 52 gebildeten Ring und führt zu einem ungenügenden
Abstand in den Bereichen, in denen sich der Zylinder radial
nach innen verformt (was zum Anstreifen der
Laufschaufelspitzen an die Segmente führt) und zu einem übergroßen
Abstand in den Bereichen, die radial nach außen verformt
werden (was zum Verlust der thermodynamischen Leistung
führt). Infolge der hohen Heißgastemperaturen in modernen
Gasturbinen neigen die Zylinder aufgrund der Hitzespannungen
leider zu Verformung. Um das zu verhindern, wurde die Dicke
der Flansche an den horizontalen Verbindungsfugen und der
Durchmesser der Verbindungsbolzen signifikant erhöht, während
der Abstand zwischen den Verbindungsbolzen verringert wurde.
Das hat zur Folge, daß zwischen den Verbindungsbolzen zu
wenig Platz ist, um einen Drehmomentbolzen durch den Flansch
stecken zu können, ohne daß er sich mit den Verbindungsbolzen
überschneidet. Daher ist das Verfahren auf den Stand der
Technik, nämlich das Benutzen von Drehmomentbolzen, die von
außerhalb des Zylinders durch Bohrungen in den Zylinder
eingesetzt werden, für Leitschaufeln in der Nähe der
horizontalen Verbindungen nicht mehr sinnvoll.
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Erfindungsgemäß wurde das Problem auf die nachfolgende Weise
gelöst: Wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, wird eine
erste Bohrung 32 angebracht, die sich von der Innenfläche des
Zylinders 11 aus an den einzelnen geflanschten Abschnitten
des Zylinders in radialer Richtung erstreckt. Die Bohrung
erstreckt sich nur durch einen Teil der Dicke des geflanschten
Bereichs des Zylinders und endet kurz vor Erreichen der
Bolzenbohrungen 18. Eine zweite Bohrung 34 erstreckt sich vom
Boden der ersten Bohrung im Zylinder aus bis zur Außenfläche
15 des Zylinders. Zwar liegt zwischen den Bolzenbohrungen
nicht genügend Abstand, um die gesamte Dicke des geflanschten
Bereichs des Zylinders zu durchdringen, jedoch ist der
Durchmesser der zweiten Bohrung klein genug, daß sie den
geflanschten Bereich des Zylinders ganz durchdringen kann, ohne
daß sich die Bolzen überschneiden.
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Der Drehmomentbolzen 28, der an allen geflanschten Bereichen
des Zylinders verwendet wird, ist zylindrisch geformt und hat
einen etwas kleineren Durchmesser als die erste Bohrung. Ein
Keil 30 an einem Ende des Bolzens ist so ausgelegt, daß er in
eine Keilnut 26 in einer Halterungsschiene 24, die aus dem
äußeren Deckband der Leitschaufel 22 vorsteht, eingeschoben
werden kann. Im Betrieb greift der Keil in die Keilnut ein
und das gegenüberliegende Ende des Bolzens ist in der ersten
Bohrung angeordnet, wodurch die Drehmomentbelastung von der
Leitschaufel über das äußere Deckband und den Bolzen auf den
Zylinder übertragen wird.
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Aus dem dem Keil gegenüberliegenden Bolzenende steht eine
Stange 36 vor. Beim Einbau wird der Bolzen von innerhalb des
Zylinders in die erste Bohrung eingesetzt. Der Bolzen ist so
ausgerichtet, daß der Keil radial in den Zylinder hinein
zeigt und die Stange durch die zweite Bohrung nach außen
dringt. Die Stange ist so lang, daß sie über die Außenfläche
des Zylinders vorsteht, wenn der Drehmomentbolzen eingeklinkt
ist. Die erste Bohrung 32 ist tief genug, daß der Bolzen
durch Ziehen an der Stange die Leitschaufel vollkommen frei
gibt. So kann durch Fassen des über die Außenfläche des
Zylinders vorstehenden Stangenendes der Bolzen von außerhalb
des Zylinders ausgeklinkt werden.
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Das aus dem Zylinder herausragende Stangenende ist als
Schraubengewinde 38 ausgebildet, das es ermöglicht, eine
Mutter 40 auf das Stangenende aufzuschrauben. Da die
Auflagefläche der Mutter größer ist als der Durchmesser der
zweiten Bohrung 34, verhindert die Mutter, daß der Bolzen
radial nach innen und in den Zylinder rutscht, wenn die
Leitschaufel, in die er eingeklinkt ist, ausgebaut wird. Beim
Einbau wird die Mutter auf die Stange geschraubt, so daß sie
den Bolzen radial nach außen in die ausgeklinkte Position
zieht und ihn in dieser Position hält, bis die Leitschaufel
eingebaut ist. Die Mutter gestattet auch die Anwendung
mechanischer Kraft zur Lösung eines festgefressenen Bolzens durch
Drehen der Mutter nach Aufsitzen auf der Außenfläche des
Zylinders, um so die Stange radial nach außen zu ziehen.
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Eine dritte Bohrung 44 wird in der Nähe jeder zweiten Bohrung
in die Außenfläche des Zylinders gebohrt und mit einem
Gewinde versehen. Das zufällige Lösen des Bolzens wird
verhindert durch Einbau einer Halteklammer 42 unter Benutzung
einer Schraube 48, die durch eine Bohrung 46 in die Klammer
geführt und in die dritte Bohrung 44 geschraubt wird. Die
Halteklammer hat an einem Ende eine Aussparung 50, die etwas
tiefer ist als die Höhe der Mutter 40. Eine Bohrung in dem
ausgesparten Bereich, größer als der Durchmesser der Stange,
aber kleiner als die Mutter, ermöglicht ihr, über die Stange
36 zu gleiten, aber hindert die Mutter und mit ihr die
Stange, sich radial nach außen zu bewegen.
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Obwohl zur Erläuterung eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung zum Einsatz in geflanschten Bereichen eines
Turbinenzylinders beschrieben wurde, läßt sich diese Erfindung
in jedem Bereich eines Zylinders einsetzen, in dem Bohrungen
ausreichender Größe durch die gesamte Dicke des Zylinders
nicht möglich sind, um einen Bolzen einzusetzen, der die
Leitschaufel-Drehmomentbelastung tragen kann.