EP0040267B1

EP0040267B1 - Gekühlter Leitschaufelträger

Info

Publication number: EP0040267B1
Application number: EP80200461A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Beckershoff
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1980-05-19
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1985-10-09
Also published as: US4386885A; ATE16035T1; EP0040267A1; JPS5710707A; JPS648173B2; DE3071161D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Bei Gasturbinen, welche mit einem Arbeitsmittel mit hohem Druck und hoher Temperatur betrieben werden, ergeben sich die am häufigsten auftretenden Probleme an jenen Bauteilen, die den heissen Prozessgasen direkt ausgesetzt sind. Derartige Probleme sind im wesentlichen in der verminderten Festigkeit der Werkstoffe bei hohen Betriebstemperaturen und in erhöhter Korrosionsanfälligkeit dieser Teile zu sehen. Des weiteren treten hohe stationäre und instationäre Wärmespannungen an diesen Bauteilen auf, wodurch die Abdichtung unvermeidlicher Dehnungsspalte, welche je nach dem Betriebszustand, d.h. zwischen Anfahren und Abstellen der Gasturbine variieren könne, schwierig und eine leckagefreie Zu- und Abfuhr von Kühlmitteln problematisch wird.
Die Leitschaufelträger in Gasturbinen übernehmen die auf die Leitschaufeln einwirkenden aerodynamischen Kräfte und leiten sie an das Gehäuse weiter, wobei die Leitschaufelträger bei relativ hoher Eigentemperatur aber nicht den typischen Kesselspannungen wie das Maschinengehäuse ausgestzt werden. Ferner wurden derartige Leitschaufelträger als separate Teile ausgebildet, wodurch ermöglicht wurde, dass sie sich aufgrund ihrer Eigentemperatur frei ausdehnen konnten. Sie werden in bekannter Weise so im Gehäuse angeordnet, dass sie vorteilhafterweise in den stromabwärts leigenden kühleren Partien fixiert und abgedichtet werden.
Die ständige Erhöhung der Leistungen und Wirkungsgrade bei Gasturbinen wurde durch Steigerung der Betriebstemperaturen und Betriebsdrücke erreicht, wodurch die Kühlung immer schwieriger wurde, weil aufgrund des hohen Verdichterenddruckes die Verdichteraustrittstemperatur zur Kühlung der gefährdeten Teile bereits zu hoch ist, um noch als Kühlmittel wirksam zu sein.
Eine Gasturbine der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US-A-2 618 120 bekannt, bei welcher das Kühlmittel in Kühlkanälen geführt wird, die in Umfangsrichtung angeordnet sind und abwechselnd als Zu- und Ableitungen dienen. Diese Kühlmittelkanäle sind an der Oberfläche angeordnet, woduch in den einzelnen Schalen des Leitschaufelträgers Wärmespannungen auftreten können.
Bei einer weiterhin bekannten Gasturbine wird die Kühlluft für den Schaufelträger in einem Kanal, der einmal durch die Innenwand des Schaufelträgers und zum anderen durch eine zusätzlich eingesetzte Kanalwand gebildet wird, geleitet. Nach dem Austritt aus dem Kanal gelangt die Kühlluft in einen, durch eine Verschalung geschlossenen Kanal, der einen Teil des Schaufelträgers überdeckt (CH-A-425 341).
Ferner ist in der GB-A-510 672 eine Verbindung für die beiden Hälften eines Leitschaufelträgers einer Gasturbine bekannt geworden, bei welcher im Bereich der Trennebene der beiden Gehäusehälften tangentiale Verschraubungselemente vorgesehen sind, die sich auf durch Rippen verstärkten Stegen abstützen. Dabei bilden diese Stege Widerlager für die über die gesamte Länge einen gleichen Durchmesser aufweisende Verbindungsbolzen, die durch Augen in den Stegen hindurchreichen. Durch diese Ausbildung der Verbindungsbolzen sind zwischen den einzelnen Verbindungsbolzen relativ grosse Abstände erforderlich, in welchen Verstärkungsrippen angeordnet werden. Bei einer derartigen Ausbildung können jedoch aus den auftretenden Wärmespannungen Biegemomente auftreten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gekühlten Leitschaufelträger zu schaffen, bei welchem in keinem Betriebszustand Deformationen auftreten und dessen Teilflächen-flansche und Verschraubungen so ausgebildet sind, dass sie allen aus den Wärmespannungen resultierenden Biegemomenten verformungsfrei standhalten könne. Weiterhin soll dabei eine vollständig druckdichte, leckagefreie Kühlmittelverbindung zu und von den zu kühlenden Einzelteilen vorgesehen werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einem Leitschaufelträger der eingangs genannten Art nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere mögliche Ausbildungsformen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den abhängigen Unteransprüchen hervor.
Die Ausbildung des Leitschaufelträgers mit den von den Kühlmittelkanälen abzweigenden Anzapfbohrungen zu den einzelnen Leitschaufeln ermöglicht eine gleichmässige und einstellbare Kühlmittelströmung, wodurch das Biegemoment am Teilflächenflansch infolge Restwärmespannungen in der Wand auf ein Minimum reduziert wird.
Da die Leitschaufelträger vorzugsweise in der Horizontalebene eine Trennfläche aufweisen, muss eine Teilflächenverschraubung vorgesehen werden, die so ausgebildet werden muss, dass ein Auseinanderklaffen während des Betriebes als Folge der auftretenden Biegemomente, die aus Wärmespannungen resultieren, verhindert wird.
Die erfindungsgemässe kammprofilartige Ausbildung der Flanschverschraubung des Leitschaufelträgers, wobei die Kammprofile durch Anschweissen einzelner Stege gebildet sein könne, ermöglicht es, dass der Teilflächenflansch mittels Schrauben, welche in einseitig offenen Schlitzen liegen, verschraubt werden kann. Das die Schraubenschlitze begrenzende Flanschmaterial bildet rippenartige Vorsprünge, welche in Verbindung mit der Wand des Leitschaufelträgers das Kammprofil bilden. Da jeder Schlitz nur jeweils die Breite des Schraubenschaftes, beispielsweise des Dehnschaftes einer Dehnschraube, welcher einen wesentlich geringeren Durchmesser als deren Gewindeteile aufweist, aufzuweisen braucht, kann die Kammteilung wesentlich kleiner gehalten werden. Des weiteren ermöglichen die offenen Schlitze der den Leitschaufelträger umströmenden, aus dem Verdichter kommenden Luft ein freies Umströmen dieser Teile, wodurch sowohl das Flanschmaterial als auch die Befestigungsschrauben gleichmässig aufgeheizt werden, so dass die sonst üblichen Wärmespannungen in der Flanschzone und die Ueberdehnung der Schraubenschäfte über die Streckgrenze hinaus vermieden werden. Da im Bereich der Schlitze das Widerstandsmoment und der Gesamtquerschnitt durch die Kammprofile verstärkt werden, können die Schlitze so tief ausgebildet werden, dass sie die vorgesehene Dichtleiste tangieren. Damit kann erreicht werden, dass das Trägheitsmoment im Bereich des Flansches dem Trägheitsmoment über den gesamten Schalenumfang entspricht. Der Nutengrund der Schlitze ist halbkreisförmig ausgebildet, wodurch die Kerbwirkung weitgehend eliminiert wird, was insbesondere bei aus Bleichteilen zusammengeschweissten Kammprofilen sich vorteilhaft als bezüglich der Kerbwirkung weitgehend entschärfter Wandübergang auswirkt, sowie die Beseitigung des beim Schweissen entstehenden Einbrandes erleichtert wird.
Die Dehnschrauben werden in Mutternauflagen gehalten, welche jeweils einen Schlitz überbrücken, wobei diese Mutternauflagen mit deren vorzugsweise rund ausgebildeter Begrenzungsfläche in einer zur Flanschfläche parallel vorgesehenen, einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisenden Nut liegen.
Vorteilhafterweise verläuft bei einer Dimensionsierung gleicher Festigkeit die Aussenkontur der kammartig ausgebildeten Flanschbleche fast gerandlinig und die auf eine glatte Wand bezogene Kammpartie ergibt eine Dickenverteilung, bei welcher gegenüber den bekannten Flanschkonturen sich wesentlich geringere Materialanhäufungen ergeben. Dies gilt sowohl für den Querschnitt selbst, als auch für die vorhandenen Widerstandsmomente. Auch fehlen bei einer derartigen Ausbildung die schroffen Querschnittsübergänge.
Gemäss der erfindungsgemässen Ausbildung der Leitschaufelträger sind an diesen die Einlaufpartien in axialer Richtung verriegelbar, und zwar in der Weise, dass massive Vorsprünge der Einlaufpartie im am Leitschaufelträger angeordneten Nasen einrasten. Beim axialen Aufschieben der Segmente werden gleichzeitig die Verbindungselemente zu den Kühlmittelkanälen in eine formschlüssige Verbindung mit dem Leitschaufelträger gebracht. Durch diese Ausbildung ist gleichzeitig eine axiale Montage und Demontage der ersten Leitschaufelreihe der Gasturbine ohne Abdecken der Maschine möglich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. In den einzelnen Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezuguszahlen versehen.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Leitschaufelträger mit Kühlmedium-Einführung zu den Leitschaufeln und zur Einlaufpartie,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Leitschaufelträger mit Kühlmediumaustritt aus den Leitschaufeln und der Einlaufpartie,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen konisch ausgebildeten Leitschaufelträger, ohne zylindrischen Teil,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Leitschaufelträger entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Leitschaufelträger mit Ein- und Austrittsöffnungen für das Kühlmedium,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Teilflächen-Flanschverschraubung,
Fig. 7 ein Detail einer Schraubenanordnung in der Teilflächen-Flanschverschraubung gemäss Fig. 6,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Mutternauflage für die Schraubenanordnung gemäss Fig. 6,
Fig. 9 eine Seitenansicht einer kammprofilartigen Teilflächen-Flanschverschraubung,
Fig. 10 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäss Fig. 9.

Gemäss den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein Leitschaufelträger bezeichnet, welcher eine konisch ausgebildete Partie 2 und eine zylindrische Partie 3 aufweist, wobei die konische Partie 2 im wesentlichen über ihre gesamte Länge denselben Neigungswinkel aufweist. An beiden Partien 2, 3 des Leitschaufelträgers 1 sind Fürhungsnasen 4 angeordnet, welche den Leitschaufelträger 1 im (nicht dargestellten) Maschinengehäuse führen. Die Führungsnasen 4' dienen noch zusätzlich zur Begrenzung von Verschiebungen eines Heissgasgehäuses 5 mit einem Zwischenmantel 6 und als Abstandshalterung zwischen diesen beiden Komponenten dient eine Rippe 7. Am Leitschaufelträger 1 sind in Verhängungen 8 der konischen Partie 2 Leitschaufeln 9 eingehängt, während eine erste hochdruckseitige Leitschaufelreihe 10 in der zylindrischen Partie 3 und in einer Nase 11 eines Verriegelungselementes 12 angeordnet ist. Am Verriegelungselement 12 sind weiterhin hohl ausgebildete Einlaufsegmente 13 befestigt. Das Verriegelungselement 12 dient ferner zur Führung und Abdichtung des Anschlusses des Heissgasgehäuses 5, sowie zur Führung des Zwischenmantels 6 und einen Kühlmediumdurchtritt 14 zur Einleitung des Einlaufsegment-Kühlmediums, der Halterung der Einlaufsegmente 13, der Halterung der ersten Leitschaufelreihe 10, sowie der Führung von Kühlmediumverbindungselementen 15, welche zwischen dem Kühlmedium-durchtritt 14 und dem Kuhlkanalsystem der Einlaufsegmente 13 angeordnet sind.
Im Leitschaufelträger 1 sind Kühlkanäle 16 angeordnet, welche über Eintrittsöffnungen 17 mit Kühlmittel beschickt werden, bzw. aus welchem über Austribbsöffnungen 18 das aufgeheizte Kühlmittel abfliesst. Dabei sind die Eintritts- 17 und Austrittsöffnungen 18 alternierend über den Umfang nebeneinander liegend angeordnet (siehe ebenfalls Fig. 4 und 5). Die Kühlkanäle 16 sind über Verbindungskanäle 19 mit dem Kühlkanalsystem der Leitschaufeln 9, 10 verbunden.
Zwischen den Verbindungskanälen 19 und den Eintrittsöffnungen in den Leitschaufeln 9, 10 sind mit Durchtritten versehene Dichtelemente 20 angeordnet, welche ein Austreten von Kühlmedium in die Räume zwischen den Leitschaufilfüssen 21 verhindern. Die Kühlkanäle 16 können am Hochdruckende des Leitschaufelträgers 1 dann verschlossen werden, wenn keine Einlaufsegmente 13 gekühlt werden müssen. Da die Kühlkanäle 16 über den Umfang des Leitschaufelträgers 1 alternierend einmal die Leitschaufeln 9, 10 allein und zum anderen daneben noch die Einlaufsegmente 13 mit Kühlmedium versorgen, ist daher ebenfalls paarweise alternierend einmal der Kühlkanal 16 verschlossen, bzw. ist dieser zum Kühlmitteldruchtritt 14 frei. Die in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Pfeile geben die Strömungsrichtung des Kühlmediums wieder.
In der Fig. 3 ist ein Leitschaufelträger 1 ohne die zylindrische Partie 3 (aus Fig. 1 und 2) gezeigt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezungszahlen versehen sind. Bei dieser Ausbildung kann das Einlaufsegment 13 beispielsweise ein Abschluss-Stück einer Ringbrennkammer sein.
Der Querschnitt durch den Leitschaufelträger 1 gemäss Fig. 4 verdeutlicht die alternierende Anordnung der Zu- und Ableitungen der Kühlkanäle 16, 16'. Jeweils vorzugsweise zwei Leitschaufeln 9 sind an einer gemeinsamen Fussplatte 22 befestigt, wobei in jeder Fussplatte 22 Verteilkanäle 29 so angeordnet sind, dass diese mit den Verbindungskanälen 19 kommunizieren.
In Fig. 5 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in den Fig. 1 bis 4. Aus der Draufsicht auf den Leitschaufelträger 1 ist die Anordnung der in den und aus dem Leitschaufelträger 1 führenden Eintrittsöffnungen 17 und Austrittsöffnungen 18, die in die Kühlkanäl 16 (nicht sichtbar) fürhen, deutlich erkennbar. Zwischen den Eintritts-17 und Austrittsöffnungen 18 sind die Führungsnasen 4 angeordnet. Am in der Figur unteren Teil sind die zylindrische Partie 3 mit den Nasen 4' und durch Pfeile 23 angedeutete Kühlmediumsübertritte zum, bzw. vom (nicht dargestellten) Einlaufsegment 13 gezeigt.
Im Teilflächenbereich des Leitschaufelträgers 1 sind kammprofilartige Verschraubungen 24 vorgesehen. Die zylindrische Partie 3 des Leitschaufelträgers 1 weist Schlitze 25 auf, welche die versteifende Wirkung des Knicks zwischen der konischen Partie 2 und der zylindrischen Partie 3 aufhebt, sowie die dazugehörigen Biegemomente an der Flanschverschraubung bei Temperaturdifferenzen.
Die Details der Fig. 6, 7 und 8 zeigen Einzelheiten der Teilflächenverschraubung, wobei wiederum mit 1 die Wand des Leitschaufelträgers bezeichnet ist, an welcher ein Flansch 26 angeordnet ist, der mit Befestigungsschrauben 27, vorzugsweise mit Dehnschrauben, zusammengezogen ist. Die Flansche 26 sind so ausgebildet, dass die Wand des Leitschaufelträgers 1 im Bereich zwischen den Auflageflächen der Befestigungsschrauben 27 kammprofilartig ausgebildet ist, wobei die nach aussen offenen Schlitze (gemäss Fig. 9 und 10) so ausgebildet sind, dass die Dehnschäfte der Dehnschrauben diese ausfüllen wodurch die Gewindeköpfe der Befestigungsschrauben 27 mit Mutternauflagen 28 auf den Kammprofilen 24 aufliegen. Die Aussenkontur der Kammprofile 24 verläuft annähernd geradlinig. Zur Vermeidung angesenkter ebener Mutternauflageflächen, bei welchen am Uebergang zur Wand relativ grosse Materialanhäufungen und scharfkantige Querschnittsübergänge in Kauf genommen werden müssten, werden unter den Muttern der Dehnschrauben 27 die Mutternauflagen 28 (Fig. 8) vorgesehen, welche eine zylindrische Unterseite aufweisen, die ihrerseits in einer korrespondierenden Nute gleichzeitig den kerbfreien Uebergang von den Flanschkämmen zur allgemeinen Wand bilden und die Schrauben 27 samt Muttern und Mutternauflagen 28 im verschraubten Zustand gegen seitliches Herausrutschen aus dem Schlitz 27 sichern. Da die zylindrischen Lagerflächen Drehbewegungen um ihre Zylinderachsen erlauben, wird diese Ausbildung mindestens in einer Eben unempfindlich gegen eine Schräglage der Schrauben 27 und erlaubt somit der Zulassung gröberer Herstellungstoleranzen.

Claims

1. Leitschaufelträger für eine Gasturbine, welcher zweiteilig ausgebildet ist und mittels kühlmittelkanälen (16, 16') gekühlt wird und gekühlte Leitschaufeln trägt und konzentrisch zur Turbinenlängsachse wenigstens teilweise konisch ausgebildet ist, und zur Verbindung der beiden Leitschaufelträgerhälten im Bereich der Trennebene tangential angeordnete Verschraubungselemente vorgesehen sind, die sich auf von tangential zur Gehäuse-Aussenoberfläche angeordneten Stegen gebildete Widerlager abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittelkanäle (16) in der Trägerwand über deren Umfang abwechselnd als Zu-und/oder Ableitungen (17, 18) für das Kühlmittel ausgebildet und mit Verbindungskanälen (19) zu den einzelnen Fußplatten (22) der Leitschaufeln (9, 10) versehen sind, aus welchen Fußplatten das Kühlmittel zu den hohlen Leitschaufeln selber zugeführt wird und dass die Teilflächen-Flansche des Leitschaufelträgers (1) kammprofilartig ausgebildet, die Kammprofile (24) derTeilflächen-Flanschverbindung aus einzelnen Stegen gebildet sind und die Verschraubungselemente (27) in den einseitig offenen Schlitzen (25) zwischen den Stegen liegen.

2. Leitschaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite der einzelnen Kammprofile (24) dem Schaftdurchmesser der Verschraubungselemente (27) entspricht.

3. Gekühlter Leitschaufelträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubungselemente (27) Dehnschrauben sind.

4. Leitschaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufpartie (13) in axialer Richtung mittels am Leitschaufelträger (1) angeordneter Nasen (4') in Vorsprüngen an der Einlaufpartie verriegelbar ist.