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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Deckband zum Umgeben der Spitzen
von Turbinenschaufeln oder -blättern
in einer Strömungsmaschine
und betrifft insbesondere Deckbandsegmente, die so konfiguriert
sind, dass sie die Wärmespannungen
reduzieren, die aus dem Wärmeübergang
von dem Heißgasstrompfad
durch die Turbine zu dem Deckband resultieren.
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In
einer typischen Turbine, beispielsweise in einer Gasturbine, bildet
ein ringförmiges
Deckband die in Radialrichtung äußerste Wandfläche oder
Strömungspfadoberfläche um die äußeren Spitzen
der rotierenden Blätter
oder Schaufeln in einer Turbinenstufe. Das ringförmige Deckband besteht üblicherweise
aus mehreren bogenförmigen
Segmenten, die Ende an Ende angeordnet sind, um den Heißgasstrompfad
vollständig
zu umschließen.
In der Regel weist jedes Deckbandsegment vordere und hintere Schienen
auf, die längs
ihrer in Radialrichtung innersten Enden durch einen Strömungspfadabschnitt
miteinander verbunden sind, der die Strömungspfadoberfläche trägt und die
radiale äußere Begrenzung des
Gasstrompfads bildet. Die vorderen und hinteren Schienen sind nicht
nur mit dem Strömungspfadabschnitt,
sondern üblicherweise
durch zwei Seitenwände
an den entsprechenden gegenüberliegenden Umfangsenden
des Segments miteinander verbunden, wobei sich die Seitenwände innerhalb
des Turbinendeckbands im Wesentlichen in Axialrichtung erstrecken.
Diese Seitenwände
verstärken
die vorderen und hinteren Schienen und bilden in Kombination mit
den Schienen eine Tasche in dem Deckbandsegment, die sich radial
nach außen öffnet.
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Es
ist nachvollziehbar, dass die Temperaturen in dem Heißgasstrompfad
einer Gasturbine zwischen 670 °C
und 930 °C
(1.600°F
bis 1.700°F)
erreichen können,
und dass die Strömungspfadoberfläche des
Deckbands diesen hohen Temperaturen im Heißgasstrompfad ausgesetzt ist.
Die vorderen und hinteren Schienen sowie die Seitenwände erstrecken sich
jedoch vom Heißgasstrompfad
und vom Strömungspfadabschnitt
des Deckbandsegments radial nach außen und sind deshalb niedrigeren
Temperaturen ausgesetzt. Infolgedessen treten aufgrund der Temperaturverteilung
bzw. des Temperaturgefälles an
dem Deckbandsegment durch Wärme
hervorgerufene Spannungen in den Deckbandsegmenten auf. Diese durch
Wärme hervorgerufenen
Spannungen können
Schäden
an den Deckbandsegmenten verursachen sowie die verschiedenen Verbindungen
mit dem Turbinengehäuse
belasten. Es ist nachvollziehbar, dass die vorderen und hinteren
Schienen der Deckbandsegmente axial ausgerichtete Flansche oder
Haken aufweisen, die mit den Turbinengehäusehaken zusammenwirken, um
die Deckbandsegmente an dem Turbinengehäuse zu befestigen. Wärmespannungen
an den Deckbandsegmenten können bedeutende
Kräfte
auf die Turbinenhaken ausüben, was
zu starken Belastungen und potenziell zum Bruch der Turbinengehäusehaken
führt.
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Durch
Wärme hervorgerufenen
Spannungen in Deckbändern
wurde bislang nicht in größerem Umfang
entgegengewirkt. In der Regel weisen konventionelle Deckbandsegmente
im Vergleich zu dem Strömungspfadabschnitt
des Deckbandsegments sehr dicke vordere und hintere Schienen auf.
Das Verhältnis
der kalten Masse zur heißen
Masse, d. h. der kalten Masse der vorderen und hinteren Schienen
sowie der Seitenwände
zu der heißen
Masse des Strömungspfadabschnitts
wurde als wichtige Ursache für die
durch Wärme
hervorgerufenen Spannungen erkannt, die entsprechendes Zerstörungspotenzial
besitzen.
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Darüber hinaus
sind Deckbandsegmente üblicherweise
teuer und aufwendig herzustellen. Obwohl es beispielsweise üblich ist,
Deckbandsegmente durch kontinuierliches Drehen zu bearbeiten, ist
es im Hinblick auf die Seitenwände
des Deckbandsegments notwendig, die Tasche in dem Segment zwischen
den sich gegenüberliegenden
Seitenwänden sowie
den vorderen und hinteren Schienen auszufräsen. Durch die Fräsoperationen
werden zwangsläufig
dicke vordere und hintere Schienen geschaffen, die das Verhältnis von
kalter zu heißer
Masse vergrößern. Einige
Deckbandsegmentkonstruktionen verwenden eine eingegossene Tasche,
wodurch einerseits die Dicke der vorderen und hinteren Schienen zwar
bis zu einem gewissen Grad reduziert, andererseits aber eine sehr
teure Konstruktion geschaffen und Gussmasse mit schlechteren Eigenschaften
verwendet wird. Die Dokumente
US
5288206 und
US 5423659 beschreiben
Deckbandsegmente nach dem Stand der Technik.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Deckbandsegment bereitgestellt, bei dem das Verhältnis von
kalter Masse zu heißer
Masse optimiert ist, um ungefähr
ein Verhältnis
von 1:1 zwischen der Dicke des Strömungspfadabschnitts und der
Dicke der vorderen und hinteren Schienen zu erzielen. Um das Verhältnis weiter
zu verkleinern, werden die Seitenwände vollständig beseitigt, sodass der
von den vorderen und hinteren Schienen begrenzte Raum sich durch
sich gegenüberliegende
Enden der kanalförmigen
Segmente öffnet.
Zum weiteren Spannungsabbau an den Turbinengehäusehaken werden die Haken der
vorderen und hinteren Schienen längs ihrer
Endflächen
mit einem Entlastungsschnitt versehen. Die freien Enden der vorderen
und hinteren Schienen definieren Endflächen, die von den Deckbandsegmenthaken
nach außen
abstehen, sodass an den Deckbandsegmenten auftretenden Wärmespannungen,
welche die vorderen und hinteren Schienen tendenziell in entgegengesetzte
axiale Richtungen biegen, entgegengewirkt wird, ohne dass die Turbinengehäusehaken
einer wesentlichen mechanischen Beanspruchung unterliegen. Durch
das Formen der Deckbandsegmente ohne Seitenwände können die Deckbandsegmente außerdem im
Wesentlichen vollständig
auf einer Drehmaschine geformt werden, was den Arbeitsaufwand und
somit die Kosten minimiert.
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Des
Weiteren wird ein Deckbandsegment für eine Turbine bereitgestellt,
das einen im Wesentlichen kanalförmigen
Deckbandkörper
mit vorderen und hinteren Schienen zur Verbindung mit einem Turbinengehäuse sowie
einen Strömungspfadabschnitt aufweist,
der die vorderen mit den hinteren Schienen verbindet und eine einem
Heißgasstrompfad
durch die Turbine ausgesetzte Strömungspfadoberfläche aufweist,
wobei jede der vorderen und hinteren Schienen und der Strömungspfadabschnitt
ein im Wesentlichen identisches Dickenverhältnis aufweisen.
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Es
ist daher ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Deckband zum Umgeben des Heißgaspfads
einer Turbine bereitzustellen, das von mehreren Deckbandsegmenten
gebildet wird, die speziell konfiguriert sind, um durch Wärme hervorgerufene
Spannungen folgendermaßen
zu reduzieren: durch das Minimieren der Dicke der vorderen und der hinteren
Schiene, durch das Herstellen eines Dickenverhältnisses von ungefähr 1:1 zwischen
der Dicke der vorderen und hinteren Schienen und der Dicke des Strömungspfadabschnitts,
durch das Entspannen der Verbindungsstellen zwischen den Deckbandsegmenten
und den Turbinengehäusehaken
sowie durch das Ermöglichen
der Bildung der Deckbandsegmente mit Hilfe von relativ günstigen
Drehoperationen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden ex emplarisch beschrieben, wobei
auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird:
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1 ist
eine Teilquerschnittansicht in Axialrichtung, zur Darstellung von
Bereichen der ersten zwei Stufen einer Turbine, in denen ein Deckbandsegment
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
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2 ist
eine Querschnittansicht eines in diesem Dokument beschriebenen Deckbandsegments.
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Die 3 und 4 sind
perspektivische Ansichten einer anderen Form des in diesem Dokument
beschriebenen Deckbandsegments.
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Im
Folgenden wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 Bezug
genommen, in der eine Turbine, vorzugsweise eine Gasturbine dargestellt
ist, die allgemein mit der Ziffer 10 gekennzeichnet ist
und ein die verschiedenen Stufen der Turbine umgebendes Turbinengehäuse 12 umfasst.
Beispielsweise weist die Turbine 10 wie dargestellt eine erste
Stufe auf, die aus mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten
Statorleitschaufeln oder Schaufeleinheiten 14 besteht,
auf welche die Schaufeln oder Blätter 16 der
ersten Stufe folgen. Es ist nachvollziehbar, dass das aus den Statorleitschaufeln 14 und
den Schaufeln 16 bestehende Leitrad, der ersten Stufe,
wie durch den Pfeil 18 angezeigt, in dem Heißgaspfad
der Turbine liegt. Ebenfalls dargestellt ist das Leitrad 20 der
zweiten Stufe, und es ist nachvollziehbar, dass das Leitrad der
zweiten Stufe stromabwärts
von dem Leitrad 20 ebenfalls mehrere Schaufeln (nicht dargestellt)
aufweist. In der Regel werden zusätzliche Stufen bereitgestellt.
In der Regel treiben die Schaufeln natürlich eine Welle um eine Achse
an.
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Ein
allgemein mit der Ziffer 22 gekennzeichnetes Deckband erstreckt
sich in Umfangsrichtung um den Heißgaspfad 22 und insbesondere
um die Spitzen der Turbinenschaufeln 16. Wie in 2 dargestellt,
weist das Deckband 22 eine vordere Schiene 24 und
eine hintere Schiene 26 auf, wobei die Begriffe „vordere" und „hintere" im Zusammenhang
mit der Stromaufwärts-
bzw. der Stromabwärtsrichtung des
Heißgasstroms
durch die Turbine verwendet werden. Ein Strömungspfadabschnitt 28 verbindet die
in Radialrichtung innersten Bereiche der vorderen und hinteren Schienen 24 bzw. 26.
Die freien Enden der vorderen und hinteren Schienen 24 und 26 enden vorzugsweise
an entsprechenden nach hinten bzw. nach vorn hervorstehenden Haken
oder Flanschen 29 bzw. 30. Es ist jedoch nachvollziehbar,
dass sich die Haken in Axialrichtung voneinander weg oder in die
gleiche Stromaufwärts-
oder Stromabwärtsrichtung
erstrecken können.
Wie in 1 dargestellt, wirken die Haken 29 und 30 mit
axial ausgerichteten Gehäusehaken 32 bzw. 34 zusammen,
um die Befestigung der Deckbandsegmente an dem Turbinengehäuse 12 aufrechtzuerhalten.
Es ist nachvollziehbar, dass das Deckband 22 aus mehreren
Deckbandsegmenten besteht, die Ende an Ende angeordnet sind und
einen geschlossenen Ringraum um den Heißgasstrompfad bilden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
werden beispielsweise achtundvierzig Deckbandsegmente bereitgestellt.
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Nach
einer näheren
Betrachtung von 2 ist nachvollziehbar, dass
die im Wesentlichen kanalförmigen
Deckbandsegmente an gegenüberliegenden
Enden offen sind. Dies bedeutet, dass der Raum oder das Volumen
von den vorderen und hinteren Schienen 24 bzw. 26 begrenzt
wird, und dass sich der Strömungspfadabschnitt 28 über die
gesamte Umfangsausdehnung der Deckbandsegmente erstreckt und sich
durch die sich gegenüberliegenden Enden
des Deckbandsegments öffnet.
Daher sind die vorderen und hinteren Schienen 24 und 26 in
den Segmenten außer
durch die von dem Strömungspfadabschnitt 28 ermöglichte
Verbindung nicht gelagert. Die hintere Schiene 26 weist
auch einen Schlitz 36 auf, der zur Aufnahme einer Zunge
oder eines Flansches am Außenring
der nächsten
Leitradstufe, d. h. des in 1 dargestellten
Flansches 38, dient. Die Deckbandsegmente sind aus einer
Metalllegierung geformt.
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Es
ist nachvollziehbar, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung die Dicke der vorderen und hinteren Schienen 24 und 26 im
Wesentlichen in einem 1:1-Verhältnis
zu der Dicke des Strömungspfadabschnitts 28 steht.
Dies optimiert das Verhältnis der
kalten Masse zu der heißen
Masse, wodurch folglich durch Wärme
hervorgerufene Spannung reduziert und minimiert wird. Obwohl, wie
in 2 dargestellt, die hintere Schiene 26 in
ihrem mittleren Bereich nach hinten abgestuft ist, was über ihre
radiale Ausdehnung die Aufrechterhaltung einer genau konstanten
Wanddicke verhindert, weisen die Hauptbereiche der radialen Ausdehnung
der hinteren Schiene im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die vordere Schiene
und der Strömungspfadabschnitt 28 auf.
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In 2 weisen
die freien Enden der vorderen und hinteren Schienen 24 bzw. 26 Endflächen 40 und 42 mit
den Haken 29 bzw. 30 auf. Jede der Endflächen 40 und 42 weist
einen Entspannungsschnitt auf, um die mechanischen Spannungen zu
minimieren, die auf Grund der im Deckbandsegment hervorgerufenen
mechanischen und thermischen Verformung auf die Turbinengehäusehaken 32 und 34 wirken.
Folglich weist die Endfläche 40 der
vorderen Schiene 24 einen vordersten zurückstehenden
Bereich 44 auf, während
die Endfläche 42 einen
hintersten zurückstehenden
Bereich 46 aufweist. Die Bereiche 48 und 50 der
Endflächen 40 bzw. 42 stehen
von den Flächen 44 und 46 leicht
radial nach außen
ab, um den Eingriff in die von den Gehäusehaken 32 und 34 ausgebildeten
Schlitze sicherzustellen. Auf diese Weise minimiert jede durch Wärme hervorgerufene Spannung
in den vorderen und hinteren Schienen, die in der Tendenz dieser
Schienen resultiert, sich in Axialrichtung voneinander wegzubiegen,
die mechanischen Spannungen, die den Turbinengehäusehaken 32 und 34 auferlegt
sind.
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In
den 3 und 4, in denen wie in der vorherigen
Ausführungsform
gleiche Teile durch gleiche Ziffern bezeichnet werden, auf die das
Suffix a folgt, ist ein gleichartiges Deckbandsegment 22a dargestellt,
das vordere und hintere Schienen 24a und 26a aufweist,
die längs
ihrer Innenkanten durch den Strömungspfadabschnitt 28a miteinander
verbunden sind. In dieser Ausführungsform
ist die hintere Schiene 26a jedoch nicht abgestuft, sondern
weist – abgesehen
von dem Bereich der Nut 60 für die Aufnahme des Positionierungshakens 34 und
dem Bereich der Nut 36a für die Aufnahme der Zunge oder
des Flansches, d. h. des Flansches 38, des Außenrings
der nächsten
Leitradstufe – eine
im Wesentlichen konstante Dicke auf.
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Angesichts
der im Vorangegangenen beschriebenen Konfiguration des Deckbands
und insbesondere angesichts der Beseitigung der konventionellen
Seitenwände
in dem Deckband durch die Schaffung eines Durchgangs in den von
den vorderen und hinteren Schienen sowie dem Strömungspfadabschnitt gebildeten
Raum ist es nachvollziehbar, dass das Deckband im Wesentlichen allein
durch eine Drehoperation hergestellt werden kann. Dies bedeutet,
dass auf das Ausfräsen
oder Eingießen von
Taschen in jedes Deckbandsegment verzichtet wurde. Die im We sentlichen
durch einen Drehvorgang erfolgende Formung der Deckbandsegmente senkt
auch die Kosten. Außerdem
ist es nachvollziehbar, dass die Deckbandkonfiguration der vorliegenden
Erfindung für
das Deckband der ersten Turbinenstufe besonders geeignet ist. Das
Deckband der ersten Stufe ist natürlich höheren Strömungspfadtemperaturen ausgesetzt
als die Deckbänder
der stromabwärts
folgenden Stufen, die kleinere radiale Querschnitte aufweisen. Dies
bedeutet, dass die stromabwärts
angeordneten Deckbänder
kein so großes
Kaltmasse-Heißmasse-Verhältnis aufweisen wie
das Deckband der ersten Stufe, und diese besondere Deckbandkonfiguration
ist daher in höchstem Maße als Deckband
der ersten Stufe geeignet.