DE816625C

DE816625C - Gasturbine mit Rotorlager und gekuehltem aus Segmenten zusammengesetztem Statorring

Info

Publication number: DE816625C
Application number: DER1595A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Bertram Rober Feilden
Original assignee: Ruston and Hornsby Ltd
Current assignee: Ruston and Hornsby Ltd
Priority date: 1949-04-29
Filing date: 1950-04-28
Publication date: 1951-10-11
Also published as: CH282188A; GB679916A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 11. OKTOBER 1951

R 1595111/46 f

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und betrifft insbesondere die Lagerung und Kühlung des Stators und des Einlaßkrümmers, der die angewärmte Luft und die Verbrennungsprodukte der Turbine zuführt. Die Erfindung ist mit Vorteil insbesondere bei Gasturbinen anwendbar, die bei hohen Temperaturen arbeiten, d. h. bei Temperaturen der Größenordnung von iooo bis 1200 ° K, gemessen am Eingang der ersten Stufe des Stators bzw. der Düsenschaufeln.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, diejenigen Bauelemente der Turbine, welche hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, mit sehr geringem Querschnitt herzustellen, um die Wärmebeanspruchungen auf ein Mindestmaß herabzudrücken und somit ein rasches Inbetriebsetzen der Anlage zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird der Stator unabhängig von der Innenwandung des Düsenringes getragen, an dem der innere Rand der ringförmigen Einlaßkrümmeröffnung befestigt ist; als Lagerteile finden ein inneres und ein äußeres trommelartiges Gehäuse Anwendung, die in radialer Richtung im Abstand voneinander liegen, und deren von der Turbine abgewandte Enden miteinander in Verbindung stehen. Das freie Ende des äußeren Gehäuses trägt einen Ring, auf dem die Statorschaufeln sitzen, und das freie Ende des inneren Gehäuses eine mit Öffnungen versehene Trennwand, deren innerer Rand die Innenwand des Düsenringes bildet und die einen mittleren, zylindrischen Abschnitt erheblicher Länge bei geringer Wandstärke aufweist. Der äußere Rand der Einlaßkrümmeröffnung liegt bündig mit dem Statorring, ist mit ihm jedoch nicht verbunden.

Das freie Ende des inneren Gehäuses trägt ferner eine Lagerhülse o. dgl. für die Achse des Turbinenrotors.

Beim Betriebe ist die Temperatur der mit dem Einlaßkrümmer verbundenen Innenwand des Düsenring-

raumes hoch, diejenige des inneren trommelartigen Turbinengehäuses jedoch verhältnismäßig niedrig; die eine öffnung aufweisende Trennwand ist daher einem erheblichen Temperaturgefälle ausgesetzt. Die hier durch bedingte unterschiedliche Ausdehnung wird durch den erwähnten mittleren zylindrischen Abschnitt der Trennwand ausgeglichen, der hierbei eine leicht kegelförmige Form annimmt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann

ίο die Außenseite des inneren trommelartigen Turbinengehäuses mit einem Futter, versehen sein, in dem der Einlaßkrürnmer eingebettet ist.

Der Einlaßkrümmer, dessen Wandungen nur geringen Druckunterschieden ausgesetzt sind, besteht zweckmäßig aus möglichst dünnen kalibriertem Blech, um die Temperaturspannungen beim Ingangsetzen der Anlage auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Zwischen dem vorerwähntem Futter und dem äußeren trommelartigen Gehäuse ist zweckmäßig ein

ao ringförmiger Kanal vorgesehen, durch den Druckluft hindurch tritt, um das äußere Gehäuse zu kühlen; die Luft kann danach in einen Ringraum zwischen dem Statorring und einem äußeren, als Ansatz des äußeren trommelartigen Gehäuses ausgebildeten ringförmigen

as Tragglied eintreten.

Der Statorring, in dem die Statorschaufeln befestigt sind und von dem aus sie nach innen ragen, kann in bekannter Weise segmentartig ausgebildet sein; er wird in achsrechter Lage mittels eines äußeren Tragringes gehalten, der als Ansatz des äußeren trommelartigen Gehäuses ausgebildet sein kann. Die Halterung ist derart, daß sich die einzelnen Teile in axialer Richtung und in Umfangsrichtung frei ausdehnen und zusammenziehen können, während sie in radialer Richtung ge- sichert sind.

Gemäß der Erfindung werden die Segmente des Statorringes durch starre, sich vom äußeren Tragring nach innen erstreckende Teile gehalten; zwischen Statorring und Tragring entsteht so ein Ringraum, dem unter Druck stehende Kühlluft durch Kanäle zugeführt wird; durch öffnungen der Statorringe gelangt die Luft in den Turbinenraum.

Der Ringspalt zwischen Tragring und Statorring kann teilweise durch ein Futter ausgefüllt sein, das an der Innenfläche des Tragringes angeordnet ist, wobei zwischen dem Futter und dem Statorring ein Spalt verbleibt, in dem Kühlluft zirkulieren kann; diese Luft kann in den Spalt durch einen Schlitz o. dgl. eintreten; dieser Schlitz trennt das an der Innenseite des einen Ansatz des äußeren Gehäuses bildenden Tragringes vorgesehene Futter von dem an der Außenseite des inneren Gehäuses angeordneten Futter.

Um die Abstände zwischen dem Statorring und den Enden der Rotorschaufeln richtig einstellen zu können, müssen der Statorring und sein äußeres ringförmiges Tragglied regelbar gekühlt werden können; dies wird gemäß der Erfindung dadurch bewirkt, daß die Kühlluftkanäle mit regelbaren Drosselgliedern versehen sind. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind auf der in der nachstehenden Beschreibung erläuterten Zeichnung veranschaulicht.

Fig. ι ist ein Mittellängsschnitt durch eine zweistufige Gasturbine;

Fig. 2 ist ein Mittellängsschnitt durch den aus einzelnen Segmenten bestehenden Statorring der Turbine nach Fig. 1, und zwar nach der Linie 2-2 der Fig. 3;

Fig. 3 zeigt zur einen Hälfte eine Stirnansicht des Statorringes und zur anderen Hälfte einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 zeigt schaubildlich den Einlaßkrümmer der Turbine nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt im Grundriß einen Teil einer anderen Ausführungsforrn des segmentartigen Statorringes;

Fig. 6 zeigt in einem senkrecht zur Drehachse ge führten Schnitt einen Teil einer zweiten Abänderungs- form des segmentartigen Statorringes und seiner Lagerung;

Fig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie 7-7 der Fig. 6 bei fortgelassenen Schaufeln;

Fig. 8 ist ein Schnitt ähnlich der Fig. 6 längs der Linie 8-8 der Fig. 9 und zeigt eine andere Ausführungsform;

Fig. 9 ist ein Schnitt nach der Linie 9-9 der Fig. 8, und zwar ohne Schaufeln;

Fig. 10 entspricht etwa der Fig. g, zeigt jedoch eine andere Bauart.

Die Turbine nach den Fig. 1 bis 4 besteht aus einem trommelartigen äußeren Gehäuse 10 und einem kon zentrisch dazu angeordneten zylindrischen Innengehäuse 11; der Ringraum zwischen diesen beiden Gehäusen wird von einem Futter 12 ausgefüllt, das vom inneren Gehäuse 11 getragen wird. An seinem vom Turbinenrotor abgewandten Ende ist das Gehäuse 11 mit dem äußeren Gehäuse 10 verbunden; das andere Ende, welches nicht mit dem äußeren Gehäuse in Ver- bindung steht, bildet eine mit einer öffnung versehene Trennwand ii°, an der ein Stützlager 13 für die Lagerhülse 14 befestigt ist.

Der Turbinenrotor besteht aus zwei Scheiben 15, 16, die mittels eines Bolzens 35 und einer Mutter 36 mit der Lagerhülse 14 fest verbunden und durch Keile 37 an ihm gesichert sind. Die Scheibe 15 trägt die Rotorschaufeln 17 der ersten Stufe und die Scheibe 16 die Schaufeln 18 einer zweiten Stufe.

Das äußere Gehäuse 10 ist mit einem zylindrischen Tragring 19 versehen, der mit dem Gehäuse durch einen Flansch und Bolzen 20 verbunden ist. Von dem Tragring 19 erstrecken sich mit ihm aus einem Stück bestehende Halter o. dgl. 21, 22 nach innen, und zwar in Ebenen, die senkrecht zu der Drehachse sind; die Halteglieder 21, 22 enden in Ringflanschen o. dgl. 21", 22", die sich in Achsrichtung erstrecken und in entsprechende Ringnuten in den Stirnflächen von Flanschen 23«, 23 ^b eingreifen. Diese Flansche wiederum sitzen an einem aus Segmenten zusammengesetzten Statorring 23 und erstrecken sich von diesem aus nach außen, und zwar gleichfalls in Ebenen, die senkrecht zur Drehachse verlaufen. Diese Art der Lagerung ge stattet eine Ausdehnung des Statorringes 23 in axialer Richtung, ohne daß auf den Tragring 19 Beanspruchun- gen übertragen werden; da der Statorring im Betriebe heißer wird als die Flansche 21", 22^a, hat das in den Nuten der Flansche 23", 23* vorhandene Spiel die Tendenz, sich zu vergrößern; auf diese Weise wird jede Spannungsbeanspruchung der Flansche vermieden. Da der Statorring 23 aus mehreren durch schmale Spalte

voneinander getrennten Segmenten besteht (Fig. 2 und 3), können sich die Segmente in ihrer Umfangsrichtung ausdehnen.

Der Statorring trägt eine Reihe von ortsfesten Düsenschaufeln 24 und eine Reihe von ortsfesten Zwischenschaufeln 25.

Die Innenwand des Düsenringraumes wird von dem zylindrischen Abschnitt 26" eines Teils 26 gebildet, der einen am inneren Gehäuse 11 befestigten Ringflansch 26^rf aufweist. Der Abschnitt 26" ist mit dem Ringflansch 2b^d durch einen kurzen, nach innen ragenden Steg 26⁶ und einen verhältnismäßig langen Zylinder 26" geringer Wandstärke verbunden.

Beim Betriebe der Turbine wird der Abschnitt 26° sehr heiß im Verhältnis zu dem Ringflansch 26^a; die unterschiedliche Ausdehnung dieser Teile wird durch den verhältnismäßig langen Zylinder 26" ausgeglichen, ohne daß unzulässige Wärmespannungen entstehen; der Temperaturabfall längs des Zylinders 26^C ist derart, daß dieser sich in der gewünschten Weise verformen kann, d. h. derart, daß sein Durchmesser nahe dem Steg 2d^b größer wird als in der Nähe des Ringflansches 26^; infolge der Länge des Zylinders 26 ^c ist das Temperaturgefälle nicht zu steil.

Die Turbine hat einen Einlaßkrümmer 27, dessen Form aus Fig. 4 zu erkennen ist.

Der Einlaßkrümmer besteht zweckmäßig aus dünnem kalibriertem Blech, um die Wärmebeanspruchungen, die beim Ingangsetzen der Turbine entstehen, auf ein Mindestmaß herabzusetzen; der Druckunterschied, dem die Wandungen des Einlaßkrümmers ausgesetzt sind, ist verhältnismäßig gering. Die Innenwand der Düsenöffnung des Einlaßkrümmers ist an dem Zylinderabschnitt 26" des Teiles 26 befestigt, so daß der Einlaßkrümmer auf diese Weise getragen wird. Die Außenwandung der Düsenöffnung des Einlaßkrümmers ist hingegen nicht unterstützt und liegt in gleicher Flucht mit dem inneren Ende des segmentartigen Statorringes 23. Der Einlaßkrümmer ist in dem Futter 12 angeordnet.

Ein ringförmiges Futterstück 28, das von dem zylindrischen Abschnitt 26^c des Teiles 26 umschlossen ist, schirmt das Stützlager 13 und die Lagerhülse 14 gegenüber Wärmestrahlung und Wärmeleitung ab, die von den heißen Teilen 26* und 26^c ausgeht; eine mit einer öffnung versehene Platte 29, die an dem Steg 26* des Teiles 26 befestigt ist, umschließt die erste Stufenscheibe 15 der Turbine.

Der Statorring 23 wird durch Luft gekühlt, die in dem Raum 32 zirkuliert, der zwischen dem Statorring und dem Futter 38 liegt, das innerhalb des Tragringes 19 angeordnet ist und den Halter 21 enthält; die Luft wird durch einen Spalt 30 zwischen dem äußeren Gehäuse 10 und dem Futter 12 sowie durch einen Spalt 31 zwischen den beiden Futterstücken 12 und 38 zugeführt. Die Kühlluft dringt in den Turbinenringraum durch öffnungen 39 (Fig. 2), die in den Segmenten des Ringes 23 vorgesehen sind.

Ein Teil der in dem Spalt 31 zirkulierenden Luft kann in Kanäle 33 des Tragringes 19 eintreten. Die äußeren Enden dieser Kanäle sind durch sich verjüngende Gewindestopfen 34 verschlossen, die nichtdichte Gewindegänge aufweisen; die Luftmenge, welche durch diese Gewindestopfen entweichen kann, ist regelbar durch Verwendung austauschbarer Stopfen, deren Gewindespitzen unterschiedlich gekürzt oder die verschieden lang sind.

Die Trennfugen zwischen den Segmenten des Statorringes 23 können in bezug auf die Drehachse schräg verlaufen, wie dies bei 40 in Fig. 5 veranschaulicht ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Grundplatten 41 der Schaufeln, wie dargestellt, schräg verlaufende Kanten haben und die Trennebenen in dem gleichen Winkel geneigt sind wie die Kanten der Grundplatten.

Bei der Abänderungsform nach den Fig. 6 und 7 hat jedes Segment des Statorringes 23 außen eine Längsrippe 42, die mit einem seitlich unterschnittenen Längsschlitz 43 versehen ist; dieser Schlitz nimmt die Köpfe von T-Bolzen 44 auf, die in dem Tragring 19 sitzen.

Bei der in Fig. 8 und 9 veranschaulichten Ausführungsform weisen die Segmente 23 Keil- und Nutverbindungen 45 auf und sind außen mit Ansätzen 46 versehen, die auf Zapfen 47 schwenkbar sind; diese Zapfen sitzen in Ansätzen 48, die sich vom äußeren Gehäuseansatz 19 aus nach innen erstrecken. Die Zapfen 47 liegen parallel zur Drehachse.

Fig. 10 zeigt eine Abänderungsform dieser Anordnung, bei der die paarweise angeordneten Ansätze 48 der Fig. 9 durch einen einzigen Ansatz 49 ersetzt sind, der sich unter Belassung des notwendigen Spiels über die ganze Breite des Abstandes zwischen den beiden Ansätzen 46 des Statorringes 23 erstreckt; an Stelle der beiden Zapfen 47 nach Fig. 9 findet hier ein einziger Bolzen 50 Anwendung. Die Zapfen 47 (nach Figur 8 und 9) und der Bolzen 50 (nach Fig. 10) sind durch Splinte 51 gesichert.

Die in den Fig. 6 bis 10 veranschaulichten Ausführungsformen gestatten eine ungehinderte axiale Ausdehnung der Statorringsegmente 23 in der gleichen Weise wie die in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Lagerung dieser Segmente. Bei allen dargestellten Ausführungsformen sind die Segmente über ihren ringförmigen Bereich radial derart angeordnet, daß sich das Spitzenspiel der Statorschaufeln innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen hält.

Claims

Patentansprüche:

i. Axialgasturbine mit einem im Turbinengehäuse vorgesehenen Stützlager für den Rotor, einem aus Segmenten zusammengesetzten und vom äußeren Turbinengehäuse getragenen, die Statorschaufeln aufweisenden Statorring und mit einem Einlaßkrümmer, dadurch gekennzeichnet, daß nur der innere Öffnungsrand dieses Einlaßkrümmers (27) mit den äußeren, die Innenwand des Düsenringraumes bildenden Randabschnitten (26⁰, 26 ^b) einer eine mittlere öffnung aufweisenden Trennwand (26) verbunden ist, deren innerer Flansch o. dgl. (26^) an dem Gehäuse (ii°, 13) für das Rotorlager befestigt ist und deren zwischen dem inneren Flansch (2Ö^d) und den äußeren Randabschnitten (26⁰, 2d^b) befindlicher zylinderförmiger Abschnitt (26°) im Verhältnis zu seiner Wandstärke eine große Länge aufweist, so daß der äußere, mit dem düsenbildenden Rand des Sta-

torringes (23) bündig liegende, nicht befestigte Öffnungsrand des Einlaßkrümmers gegenüber dem Statorring frei beweglich ist.
2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (n^a, 13) für das Rotorlager mit dem einen Ende eines trommelartigen Gehäuseteiles (11) fest verbunden ist oder mit ihm aus einem Stück besteht, dessen anderes Ende mit einem gleichachsigen äußeren trommelartigen Gehäuse (10) in starrer Verbindung steht, das an seinem freien Ende den Tragring (19) für den Statorring (23) trägt, welches sich daher gegenüber dem Rotorlagergehäuse (ii^a, 13), an dem die den Einlaßkrümmer (27) tragende Trennwand (26) angreift, frei ausdehnen kann.
3. Turbine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere trommelartige Gehäuse (11) außen ein Futter (12) aufweist, in dem der Einlaßkrümmer (27) eingebettet ist.
4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daao durch gekennzeichnet, daß im Inneren des zylinder-

förmigen Abschnittes (26") der eine mittlere Öffnung aufweisenden Trennwand (26) ein Futter (28) angeordnet ist.
5. Axialgasturbine mit einem aus Segmenten zus5 sammengesetzten, die Statorschaufeln tragenden Statorring, gekennzeichnet durch einen mit dem Statorring gleichachsigen äußeren starren Tragring (19), von dem die Segmente des Statorringes (23) so getragen werden, daß sie sich in axialer und in Um-

fangsrichtung frei ausdehnen können, während sie in radialer Richtung festgehalten werden, wobei von dem Tragring (19) aus starre Halter (21, 22) nach innen ragen, die die Statorsegmente derart tragen, daß zwischen ihnen und dem Tragring ein Ringraum verbleibt, dem durch einen oder mehrere Luftkanäle (30, 31) unter Druck stehende Kühlluft zugeführt wird, die durch in dem Statorring vorgesehene Öffnungen (39, Fig. 2) in den Turbinenringraum gelangt.
6. Turbine nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (19) für den Statorring

(23) als ein am äußeren trommelartigen Gehäuse (10) vorgesehener Ansatz ausgebildet ist und die Luftkanäle als ein ringförmiger Spalt (30) zwischen dem äußeren Gehäuse und einem Futter (12) ausgebildet sind, das an der Außenseite eines gleichachsigen inneren Gehäuses (11) vorgesehen ist, wobei ein sich in radialer Richtung erstreckender Spalt (31) zwischen diesem Futter und einer weiteren an der Innenseite des Tragringes (19) angeordneten Futterschicht (38) verbleibt und zwischen dieser Futterschicht und dem Statorring (23) ein ringförmiger Luftraum vorgesehen ist.
7. Turbine nach den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet durch in dem Tragring (19) vorgesehene Bohrungen o. dgl. (33), die mit den Luftkanälen (30, 31) in Verbindung stehen und Öffnungen aufweisen, die mit einstellbaren oder auswechselbaren Drosselgliedern (34) versehen sind, mit deren Hilfe der Durchlaß durch diese Bohrungen o. dgl. regelbar ist.
8. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselorgane (34) als Gewindebolzen mit nichtdichtem Gewinde ausgebildet sind, wobei die Regelung des Luftaustritts durch Regelung austauschbarer Stopfen bewirkt wird, deren Gewindespitzen in verschiedenem Maße gekürzt sind bzw. deren Gewinde verschiedene Länge haben.
9. Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch mit T-förmigen Köpfen versehene Bolzen (44), die an dem Tragring (19) sitzen, sich nach innen erstrecken und mit ihren Köpfen in einen Längsschlitz (43) mit seitlichen Unterschneidungen eingreifen, der in einer äußeren Längsrippe (42) eines jeden Segmentes des Statorringes (23) vorgesehen ist.
10. Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Statorringsegment (23) in dem Tragring (19) gelenkig aufgehängt, und zwar um eine Achse (47 oder 50) schwenkbar ist, die parallel zur Rotorachse verläuft, wobei benachbarte Segmente in radialer Richtung mittels Zapfen und Nut (45) derart miteinander im Eingriff stehen, daß sie sich in der Umfangsrichtung frei ausdehnen können.
11. Turbine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch an dem Tragring (19) vorgesehene, nach innen ragende und mit ihm aus einem Stück bestehende Ansätze (48), die mit paarweise angeordneten Ansätzen (46) des Statorringes (23) zusammenwirken und mit ihnen durch Zapfen (47) gelenkig verbunden sind (Fig. 8, 9).
12. Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (40) zwischen den benachbarten Statorsegmenten (23) gegenüber der Rotorachse schräg verlaufen (Fig. 5).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

1718 10.51