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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine segmentierte Gasturbinen-Leitschaufeleinheit gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, bei der zwei Leitschaufeln in einer Deckringeinheit
zusammengefügt
sind, um den Einfluß einer
auf die Schaufel oder den Deckring einwirkenden Wärmebeanspruchung zu
reduzieren und das Auftreten von Sprüngen zu vermeiden.
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Beschreibung
des Standes der Technik Bei Gasturbinen-Leitschaufeln leckt Dichtungsluft
von der Innenseite durch einen Spalt zwischen aneinandergrenzenden
inneren Deckringen, und geht beim Austragen in den Verbrennungsgasdurchgang
verloren, was eine Zunahme des Energieverbrauchs des Kompressors
ergibt. In jüngster
Zeit sind Versuche unternommen worden, die Leitschaufeln in segmentierter
Form herzustellen, um den Spalt, der das Leck verursacht, zu verringern.
In diesem Fall werden mehrere Leitschaufeln in einer Einheit durch
Deckringe befestigt, womit es zu einer starken Rückhalte- bzw. Einschränkungskraft
(restraining force) zwischen den Schaufeln kommt und dies eine lokale
Belastungskonzentration infolge von Wärmebeanspruchung verursacht
und häufig
zur Rissbildung führt.
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Die 10(a) und 10(b) sind
jeweils perspektivische Ansichten einer segmentierten Leitschaufeleinheit
nach dem Stand der Technik und zeigen einen Zustand des gleichzeitigen
Auftretens von Sprüngen.
In den Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 1a, 1b eine
Leitschaufel, die Bezugsziffer 22 bezeichnet einen äußeren Deckring
und die Bezugsziffer 23 bezeichnet einen inneren Deckring.
Zwei Leitschaufeln 1a, 1b sind in einer Deckringeinheit
aus äußerem Deckring 22 und
innerem Deckring 23 so befestigt, dass sie ein Segment
bilden.
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Wenn
die Leitschaufeln 1a, 1b so zu einer Einheit zusammengebaut
sind, werden die Leitschaufeln 1a, 1b und die äußeren und
inneren Deckringe 22, 23 gegenseitig eingeschränkt, so
dass eine übermäßige Kraft
infolge von Wärmebelastung
auftritt und es sehr leicht zur Rissbildung an einem Innenseitenabschnitt
P3 der Leitschaufel 1a und an einem Abschnitt 51 des
inneren Deckrings 23 kommt, wie 10(a) zeigt,
sowie in beiden Endabschnitten P1, P2 der Leitschaufel 1a und
in einem Abschnitt S2 des inneren Deckrings 23, wie 10(b) zeigt.
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Bei
den oben erwähnten
Gasturbinen-Leitschaufeln sind zur Verringerung des Ausleckens der Dichtungsluft
Versuche unternommen worden, die Leitschaufeln zu segmentieren,
so dass der Spalt zwischen aneinandergrenzenden inneren Deckringen
verringert wird. Wenn die Leitschaufeln segmentiert werden, wird
andererseits eine Rückhalte-
bzw. Einschränkungskraft
größer, es
kommt zu einer lokalen Belastungskonzentration infolge von Wärmebelastung,
und es treten häufig
Risse auf.
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US-A-4
492 517 offenbart eine Gasturbinen-Leitschaufeleinheit mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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US-A-4
015 910 offenbart eine Gasturbinen-Leitschaufeleinheit, bei der sowohl
die inneren als auch die äußeren Deckringe
unterteilt und durch Flansche und Bolzen miteinander verbunden sind.
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US-A-5
591 003 offenbart eine Turbinendüsen-Halterungsstruktur,
bei der nur der äußere Deckring
in mehrere Deckringsegmente unterteilt ist. Bei diesem Stand der
Technik ist eine große
Zahl von Leitschaufeln an einem integrierten inneren Deckring angebracht
und an dem äußeren Deckring
dadurch gehaltert, dass dieser in eine entsprechende Anzahl von
Deckringsegmenten unterteilt ist, die durch Stifte verbunden sind.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine segmentierte Gasturbinen-Leitschaufeleinheit mit
zwei Leitschaufeln darin bereitzustellen, bei der ein äußerer Deckring
und ein innerer Deckring so gestaltet sind, dass sie eine Einschränkungskraft
zwischen den Leitschaufeln dämpfen,
um das Auftreten einer Belastungskonzentration infolge von Wärmebelastung
zu verhindern.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung eine Gasturbinen-Leitschaufeleinheit
bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Eine bevorzugte Ausführungsform
ist im abhängigen
Anspruch 2 definiert.
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In
der Erfindung sind die inneren und äußeren Deckringe jeweils unterteilt,
und die unterteilten und aneinandergrenzenden Deckringe sind durch
die Stifte verbunden, die einen stärkeren Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen
als die Deckringe und in Stiftlöcher
eingesetzt sind, welche in den Seiten bzw. Flächen des Unterteilungsabschnitts
vorgesehen sind, und sind durch Bolzen als Befestigungselemente über die
durch die Einsetzplatten gebildeten Flansche zusammengefügt, die
entlang der Seiten bzw. Flächen
des Unterteilungsabschnitts vorgesehen sind, womit die zusammengefügte Gasturbinen-Leitschaufeleinheit
aufgebaut ist; folglich ist aufgrund der unterteilten Deckringe
der zusammengefügten
Schaufeleinheit die Starrheit der Deckringe geringer, die Temperaturverteilung
besser und die Wärmebelastung
an den Schaufelendabschnitten schwächer. Ferner wird aufgrund
der zusammengefügten
Struktur eine Relativbewegung zwischen den aneinandergrenzenden
Deckringen verhindert, so dass ein integriertes Verhalten zwischen
ihnen entsteht und eine starke zusammengefügte Schaufeleinheit erhalten
wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Leitschaufeleinheit eines ersten Beispiels
zur Erläuterung
bestimmter Merkmale der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Leitschaufeleinheit eines zweiten Beispiels
zur Erläuterung
bestimmter Merkmale der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
perspektivische Ansicht der Gasturbinen-Leitschaufeleinheit des ersten Beispiels
von 1, die einen Zustand einer Zusammenfügung mit Bolzen
an einem Unterteilungsabschnitt eines äußeren Deckrings zeigt,
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4 eine
Schnittansicht längs
einer Linie A-A von 3,
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5 eine
Schnittansicht längs
einer Linie B-B von 3,
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6 eine Ansicht der Einschätzung der
Lebensdauer bei Rissbildungsabschnitten in Gasturbinen-Leitschaufeleinheiten
der zweiten Stufe nach dem Stand der Technik sowie der ersten und
zweiten Beispiele, wobei 6(a) einen
Fall des Standes der Technik zeigt, 6(b) einen
Fall des zweiten Beispiels zeigt und 6(c) einen
Fall des ersten Beispiels zeigt,
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Montageeinheit von Gasturbinen-Leitschaufeln
einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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8 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines Unterteilungsabschnitts der Montageeinheit
von 7,
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9 eine
erläuternde
Ansicht zur Darstellung von Details von Halterungsstiften, Einsetzplatten,
etc. in einem Flanschabschnitt der Montageeinheit von
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7,
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10(a) und 10(b) jeweils
perspektivische Ansichten einer Gasturbinen-Leitschaufeleinheit
nach dem Stand der Technik zur Darstellung eines Zustands des gleichzeitigen
Auftretens von Rissen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend
wird eine konkrete Beschreibung zu Beispielen gemäß dem Stand
der Technik und Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die Figuren gegeben. 1 ist eine
perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Leitschaufeleinheit eines
ersten Beispiels, und wie dort gezeigt ist, sind ein äußerer Deckring
und ein innerer Deckring jeweils so aufgebaut, dass sie an ihrem
Mittelabschnitt unterteilt und durch Bolzen zusammengefügt sind.
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1a, 1b eine Leitschaufel, die
Bezugsziffer 2a, 2b bezeichnet einen unterteilten äußeren Deckring,
der jeweils die Leitschaufeln 1a, 1b feststellt.
Die Bezugsziffer 3a, 3b bezeichnet einen ebenfalls
unterteilten inneren Deckring, der jeweils die Leitschaufel 1a, 1b feststellt.
Der Unterteilungsabschnitt ist ein Mittelabschnitt zwischen den
beiden Leitschaufeln 1a, 1b, wie in der Figur
gezeigt ist, und es sind Flansche 4a, 4b (nicht
dargestellt) an den Unterteilungsabschnitten der unterteilten äußeren Deckringe 2a, 2b vorgesehen,
wobei die Flansche mit Bolzen zusammengefügt sind. Desgleichen sind an
den Unterteilungsabschnitten der unterteilten inneren Deckringe 3a, 3b, Flansche 5a, 5b (nicht
dargestellt) vorgesehen, die durch Bolzen zusammengefügt sind.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinen-Leitschaufeleinheit
eines zweiten Beispiels. Während
im ersten Beispiel sowohl der äußere Deckring
als auch der innere Deckring unterteilt sind, ist im zweiten Beispiel
nur der innere Deckring unterteilt.
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In 2 bezeichnet
die Bezugsziffer 1a, 1b eine Leitschaufel, und
die Bezugsziffer 12 bezeichnet einen äußeren Deckring, der nicht unterteilt
jeweils die Leitschaufel 1a, 1b feststellt. Bezugsziffer 13a, 13b bezeichnet
einen unterteilten inneren Deckring, und es sind wie in 1 Flansche 15a, 15b vorgesehen,
die durch Bolzen zusammengefügt
sind.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der Gasturbinen-Leitschaufeleinheit des ersten Beispiels von 1 und
zeigt einen Zustand einer Bolzenverbindung an dem Unterteilungsabschnitt
des äußeren Deckrings.
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In 3 sind
Flansche 4a, 4b an den unterteilten Endabschnitten
der unterteilten äußeren Deckringe 2a, 2b vorgesehen,
und Bolzenlöcher 7 sind
darin so gebohrt, dass beide Flansche 4a, 4b durch
die Bolzen zusammengefügt
werden, d.h. die Unterteilungsabschnitte werden wiederum durch Bolzen
zusammengefügt.
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Obwohl
dies nicht dargestellt ist, sind auch hinsichtlich der unterteilten
inneren Deckringe 3a, 3b Flansche 5a, 5b an
den Unterteilungsabschnitten wie bei den unterteilten äußeren Deckringen 2a, 2b vorgesehen
und durch Bolzen zusammengefügt.
Durch Anwenden eines solchen Aufbaus wird, während die gleiche Funktion
einer segmentierten Schaufel wie beim Stand der Technik gewährleistet
wird, eine Rückhalte-
bzw. Einschränkungskraft
infolge der Wärmebelastung
abgemildert, und das Auftreten einer lokalen Belastungskonzentration
wird verhindert.
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4 ist
eine Schnittansicht längs
einer Linie A-A von 3. In 4 sind Flansche 4a, 4b an den
unterteilten äußeren Deckringen 2a, 2b vorgesehen,
und Bolzenlöcher 7 sind
in beide Flansche 4a, 4b gebohrt, so dass die
Flansche 4a, 4b durch Bolzen und Muttern 6 zusammengefügt sind.
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5 ist
eine Schnittansicht längs
einer Linie B-B von 3. In 5 sind Flansche 5a, 5b an den
unterteilten inneren Deckringen 3a, 3b so vorgesehen,
dass sie von diesen zu einer Innenseite derselben (zu einer Rotorseite)
vorstehen, und wie bei den unterteilten äußeren Deckringen 2a, 2b sind
Bolzenlöcher 7 gebohrt
und die Flansche 5a, 5b durch Bolzen und Muttern 6 zusammengefügt. Hinsichtlich der
unterteilten inneren Deckringe 13a, 13b des zweiten
Beispiels gemäß 2 wird
selbstverständlich
auch der gleiche Flanschaufbau angewandt.
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6 ist eine Ansicht zur Einschätzung der Lebensdauer
von Rissbildungsabschnitten in Gasturbinen-Leitschaufeleinheiten
der zweiten Stufe nach dem Stand der Technik und den ersten und
zweiten oben beschriebenen Beispielen, wobei 6(a) den Fall
des in 10 dargestellten Standes der
Technik zeigt, bei dem kein Deckring unterteilt ist, 6(b) den Fall des zweiten, in 2 gezeigten
Beispiels zeigt, bei dem nur der innere Deckring unterteilt ist, und 6(c) den Fall des in 1 gezeigten
ersten Beispiels zeigt, bei dem sowohl der äußere als auch der innere Deckring
unterteilt ist. In den Figuren sind Säulendiagramme dargestellt,
wobei die Rissbildungsabschnitte S1, S2, P1, P2 und P3 gemäß 10(a) und 10(b) auf
der Horizontalachse aufgetragen sind, und die Anzahl von Belastungswiederholungen
auf der Vertikalachse aufgetragen ist. In den 6(b) und 6(c) ist
die Anzahl von Belastungswiederholungen bei der zweiten Ausführungsform
bzw. der ersten Ausführungsform
in, schwarzen Säulen
bzw. Balken dargestellt, und im Vergleich hierzu ist die Anzahl
von Belastungswiederholungen nach dem Stand der Technik in weißen Säulen in
bezug auf jeden der Rissbildungsabschnitte dargestellt, und Vergrößerungen
der schwarzen Säulen
und der jeweiligen weißen
Säulen
sind in Klammern dargestellt.
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Gemäß der Einschätzung der
Lebensdauer von 6 beträgt im Fall
von 6(b), bei der nur der innere
Deckring unterteilt ist, die Lebensdauer bei S2 und P2 jeweils das
3,9-fache bzw. 5,7-fache des Standes der Technik, und auch bei P3
beträgt
es das 8,1-fache, womit sich herausstellt, dass sich die Lebensdauer
bis zur Rissbildung bemerkenswert verlängert hat. Auch im Fall der 6(c), bei der sowohl die äußeren als auch die inneren
Deckringe unterteilt sind, beläuft
sich die Lebensdauer ebenfalls auf das 3,9-fache bei S2, das 6,7-fache
bei P2 und das 11,1-fache bei P3, wobei die Lebensdauer bis zur Rissbildung
noch stärker
verlängert
worden ist als in dem Fall, bei dem nur ein Deckring unterteilt
ist.
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Gemäß den oben
beschriebenen ersten und zweiten Beispielen ist die Leitschaufeleinheit
so aufgebaut, dass sowohl der äußere Deckring
als auch der innere Deckring unterteilt sind, oder dass nur der innere
Deckring unterteilt ist, und Flansche 4a, 4b sowie 5a, 5b oder 15a, 15b sind
an den Unterteilungsabschnitten vorgesehen und durch die Bolzen
und Muttern 6 zusammengefügt, wodurch die gleiche Funktion
wie die des segmentierten Aufbaus, der aus zwei Leitschaufeln besteht,
als solcher beibehalten wird, und außerdem die Häufigkeit
einer Rissbildung infolge der lokalen Belastungskonzentration stark vermindert
werden kann.
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Als
nächstes
wird eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die 7 bis 9 beschrieben. 7 ist
eine perspektivische Ansicht einer Montageeinheit von Gasturbinen-Leitschaufeln
der Ausführungsform, 8 eine erläuternde
Ansicht zur Darstellung eines Unterteilungsabschnitts der Montageeinheit
von 7, die in zwei Teile unterteilt ist, und 9 eine
erläuternde Ansicht
zur Darstellung von Details von Halterungsstiften, Einsetzplatten,
etc. in einem Flanschabschnitt der Montageeinheit von 7.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
sind wie beim ersten Beispiel ein innerer Deckring 101 und
ein äußerer Deckring 102 an
einer Fläche
bzw. Seite des Unterteilungsabschnitts 109, die sich im wesentlichen
in einer Axialrichtung der Turbine erstreckt, jeweils in zwei Teilen
aufgeteilt, so dass die Montageeinheit in zwei Deckringabschnitte
unterteilt ist, d.h. einen eine Leitschaufel verbindenden Abschnitt
und einen eine Leitschaufel 104 angrenzend an die Leitschaufel 103 verbindenden
Abschnitt.
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An
den jeweiligen Flächen
bzw. Seiten des Unterteilungsabschnitts 109 und an Stellen
nahe beiden Längsrichtungsenden
desselben sind Stiftlöcher 111 gebohrt,
die sich in einer Tangentialrichtung der Turbinendrehung erstrecken,
so dass beide in die jeweiligen Flächen des Unterteilungsabschnitts 109 der
beiden Deckringabschnitte gebohrten Stiftlöcher 111 miteinander
verbunden sind. Halterungsstifte 106 werden in die Stiftlöcher 111 eingesetzt,
um dadurch die beiden unterteilten Deckringabschnitte zu verbinden.
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Es
ist anzumerken, dass die Halterungsstifte 106 aus einem
sogenannten Hastelloy-Material gefertigt sind, dessen Wärmedehnungskoeffizient 16 bis
20 × 10-6/°C
entspricht, und der innere Deckring 101 und der äußere Deckring 102 sind
aus einer wärmebeständigen Nickellegierung
gefertigt, deren Wärmedehnungskoeffizient 12 bis
16 × 10-6/°C
entspricht.
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In
bzw. an den jeweiligen Flächen
bzw. Seiten des Unterteilungsabschnitts 109 des inneren Deckrings 101 und
des äußeren Deckrings 102,
und auf einer Seite der Betriebsgasströmung der Stiftlöcher 111,
d.h. an einer Außenseite
in einer Turbinenradialrichtung der Stiftlöcher 111 in bezug
auf den inneren Deckring 101 und an einer Innenseite in
der Turbinenradialrichtung der Stiftlöcher 111 in bezug auf
den äußeren Deckring 102,
sind Dichtungsrillen bzw. -nuten 112 vorgesehen, welche
miteinander in den jeweiligen Flächen
des Unterteilungsabschnitts 109 der aneinandergrenzenden
Eckringabschnitte verbunden sind, wobei Dichtungsplatten 108 in
die Dichtungsnuten 112 eingesetzt sind, womit die Dichtfähigkeit
an den Flächen
des Unterteilungsabschnitts 109 sichergestellt ist.
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Ferner
sind an Positionen nahe dem Mittelabschnitt in Längsrichtung der jeweiligen
Flächen des
Unterteilungsabschnitts 109 des inneren Deckrings 101 und
des äußeren Deckrings 102 sowie
an einer Innenseite in der Turbinenradialrichtung der Stiftlöcher 111 in
bezug auf den inneren Deckring 101 sowie an einer Außenseite
in der Turbinenradialrichtung der Stiftlöcher 111 in bezug
auf den äußeren Deckring 102 im
Gegensatz zum Fall der Dichtungsnuten 112 Einsetzplatten
durch eine Schweißnaht 110 befestigt,
um die Flansche 105 zu bilden, wobei die jeweiligen Flansche 105 der aneinandergrenzenden
Deckringabschnitte durch Bolzen 107 als Befestigungsmittel
zusammengefügt
sind.
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Das
heißt,
dass bei der vorliegenden Ausführungsform
der innere Deckring 101 in den inneren Deckringabschnitt 101 der
Schaufel 103 und den inneren Deckringabschnitt 101 der
Schaufel 104 unterteilt ist, und der äußere Deckring 102 in
den inneren Deckringabschnitt 102 der Schaufel 103 sowie
den äußeren Deckringabschnitt 102 der
Schaufel 104 unterteilt ist, wobei jeweils die inneren
Deckringabschnitte 101 der Schaufel 13 und der
Schaufel 104 sowie die äußeren Deckringabschnitte 102 der Schaufel 103 und
der Schaufel 104 durch Einsetzen der Halterungsstifte 106 in
die Stiftlöcher 111 in
den Flächen
des Unterteilungsabschnitts 109 zusammengefügt sind.
Ferner sind die durch eine Verschweißung an den Innen- und Außenseiten
der jeweiligen Flächen
des Unterteilungsabschnitts 109 befestigten Flansche durch
die Bolzen 107 zusammengefügt. Auf diese Weise ist eine
zusamrnengefügte
Schaufeleinheit, die aus der Schaufel 103 und der Schaufel 104 besteht,
aufgebaut.
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An
Schaufelendabschnitten, an denen die Schaufeln 103, 104 an
die inneren und äußeren Deckringe 101, 102 angesetzt
sind, wirkt eine Wärmebeanspruchung
der Schaufel 103, 104, selbst ein, und außerdem besteht
ein starker Einfluß,
der durch die thermische Verformung der inneren und äußeren Deckringe 101, 102 gegeben
ist, und dieser Einfluß der
inneren und äußeren Deckringe 101, 102 wird von
der Starrheit bzw. Steifigkeit von und der Temperaturverteilung
in den inneren und äußeren Deckringen 101, 102 bestimmt.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
jedoch sind der innere Deckring 101 und der äußere Deckring 102 jeweils
unterteilt, wie oben erwähnt wurde,
und folglich nimmt die Starrheit der Deckringe ab, die Temperaturverteilung
wird gleichmäßiger, eine
Verformung der Deckringe infolge von Verwerfung o.dgl. wird geringer
und Kräfte,
die auf die Schaufeln einwirken, werden kleiner, wodurch eine Minderung
der Wärmebeanspruchung
erzielt werden kann.
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Ferner
sind zwischen den jeweiligen Flächen bzw.
Seiten des Unterteilungsabschnitts 109 des inneren Deckrings 101 und
des äußeren Deckrings 102 die
Dichtungsplatten 108 vorgesehen, welche die Abdichtung
zwischen diesen Flächen
bzw. Seiten sicherstellen. Ferner sind in die jeweiligen Flächen bzw.
Seiten des Unterteilungsabschnitts 109 des inneren Deckrings 101 und
des äußeren Deckrings 102 die
Stiftlöcher 111 gebohrt,
und die Halterungsstifte 106, die einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten
als die Deckringe aufweisen, sind darin eingesetzt, womit infolge
des Unterschieds in der Wärmedehnung
zwischen dem Material der Halterungsstifte 106 und dem
Material der Deckringe, in das die Stiftlöcher 111 gebohrt sind,
ein Oberflächendruck
zwischen den Halterungsstiften 106 und den Stiftlöchern 111 wirkt,
welcher eine Relativverschiebung zwischen den Halterungsstiften 106 und
den Deckringen verhindert, so dass ein integriertes bzw. einheitliches Verhalten
dazwischen entsteht, womit die Belastung der Bolzen 107,
welche die Flansche 105 zusammenhalten, bemerkenswert gemindert
wird und der einwandfreie Zustand bzw. die Zuverlässigkeit
dieser zusammengefügten
Schaufeleinheit stark verbessert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist in bezug auf die hier dargestellten Ausführungsformen
beschrieben worden, die vorliegende Erfindung ist aber nicht hierauf
beschränkt,
sondern es können
hier verschiedene Modifikationen im konkreten Aufbau innerhalb des Schutzumfangs
der nachstehend dargelegten Ansprüche hinzugefügt werden.
Beispielsweise. kann, obwohl in der dritten Ausführungsform sowohl der innere
Deckring als auch der äußere Deckring
unterteilt ist, nur der innere Deckring in zwei Teile unterteilt sein,
wie in der zweiten Ausführungsform.