EP0591565B1 - Leitschaufeleinhängung für axialdurchströmte Turbomaschine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Turbomaschine ist z.B. aus GB-A- 647 384 bekannt.
Stand der Technik
• Axial durchströmte Turbomaschinen sind in der Regel mit einem in einem Gehäuse koaxial eingehängten Schaufelträger für die Leitschaufeln ausgerüstet, wobei sowohl das Gehäuse als auch der Schaufelträger mit einer horizontalen Trennnebene versehen sind, in welcher die jeweils oberen und unteren Hälften miteinander verschraubt sind.
• Im instationären Betrieb, wie er bei Kraftwerks-Gasturbinen zur Spitzenlastdeckung häufig vorkommt, treten an den Gehäusen Wärmespannungen und Differenzdehnungen auf, die zu Deformationen an den Gehäusen und Spieländerungen zwischen Gehäuse und Läufer führen. So ist beispielsweise bei derartigen thermischen Turbomaschinen das Problem des Ovalwerdens der beteiligten axial geteilten Gehäuse so alt wie diese Maschinen selbst. Die Ursachen dieser unerwünschten Verformungen sind hauptsächlich im Vorhandensein von Temperaturgradienten über der Wanddicke zu sehen, welche ein unterschiedliches Kriechen zwischen den Aussen- beziehungsweise Innenfasern erzeugen, sowie in der infolge der Trennebenen verursachten Asymmetrie.
• Bei hochbelasteten Gasturbinen, bei denen die Schaufelträger trotz Kühlung während des Betriebes Temperaturen von 400 bis 450°C annehmen, könnte möglicherweise eine Änderung der Kühlung die Ovalisation beinflussen. Allerdings könnte dadurch die radiale Dehnung des Schaufelträgers so beeinflusst werden, dass die Schaufelspiele dadurch verkleinert würden, was zu einer erhöhten Streifgefahr führen würde.
• Eine andere Massnahme besteht darin, auf den als zusammengeschraubte Halbschalen ausgebildeten Schaufelträger zu verzichten und die Leitschaufeln in Schaufelträgersegmente der oben genannten Art einzuhängen. Diese Schaufelträgersegmente sind dabei ihrerseits in radialen Rippen des Gehäuses eingehängt. Bei dieser Lösung wird davon ausgegangen, dass die thermische Verformung des Ausssengehäuses geringer ist als jene eines halbschaligen Schaufelträgers. Die Leitschaufeln sind dabei mit ihren Füssen in den Schaufelträgersegmenten gehalten, wobei der Fuss jeder Leitschaufel in je zwei in axialer Richtung benachbartete Schaufelträgersegmente eingreift. Von Nachteil ist hierbei, dass die Stirnseiten der Schaufelträgersegmente die strömungsbegrenzenden Wandungen der Turbomaschine bilden und als solche den im Strömungskanal herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Segmente müssen somit aus einem hochwertigen Werkstoff gefertigt sein.
Darstellung der Erfindung
• Die Erfindung versucht diesen Nachteil zu vermeiden.
• Bei einer axial durchströmten Turbomaschine der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Der Kragen bildet dabei die strömungsbegrenzende Wandung in der Ebene der Laufschaufel und schützt die Segmente vor unzulässiger Erwärmung.
• Zweckmässigerweise wird der von den Schaufelträgersegmenten und den Kragen der Schaufelfüsse begrenzte Ringraum über eine in den Schaufelträgersegmenten angeordnete Bohrung mit einem Kühlluftraum in Verbindung gebracht. Da auch die andern freien Flächen der Segmente in axial benachbarte Kühl lufträume, in welchen auch die Luft für die Kühlung der Leitschaufeln bereitgestellt wird, hineinragen, werden die Segmente somit rundum relativ gleichmässig gekühlt.
• Zur Abdichtung dieser benachbarten Kühllufträume in Axialrichtung sind die Schaufelträgersegmente in Umfangsrichtung mit einer ineinandergreifenden Verzahnung versehen.
• Von Vorteil ist es, wenn ein Schaufelträgersegment mindestens drei Schaufelfüsse der gleichen Leitreihe aufnimmt und im Turbinengehäuse mittels einer Schraube ortsfest positioniert ist. Sofern die Schraube in der Segmentmitte angeordnet ist, ist in Umfangsrichtung dadurch eine beidseitige Dehnung jedes Segmentes gewährleistet, wobei die Segmentenden in die Verzahnungen hineinwachsen, die hierzu mit entsprechenden Spiel ausgerüstet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer axialdurchströmten Gasturbine dargestellt. Es. zeigen:
• Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Gasturbine;
• Fig. 2 eine vergrösserte Ansicht des Details X in Fig. 1:
• Fig. 3 einen Teilquerschnitt der Gasturbine;
• Fig. 4 einen Unteransicht eines Schaufelträgersegmentes;
• Fig. 5 eine axiale Dichtung zwischen zwei benachbarten Schaufelfüssen.
• Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichterteil, die Brennkammer sowie das vollständige Abgasrohr und der Kamin. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
• Die Gasturbine, von der in Fig. 1 nur oberhalb der Maschinenachse 13 die Abgasseite und die vier letzten, axialdurchströmten Stufen dargestellt sind, besteht im wesentlichen aus dem mit Laufschaufeln beschaufelten Rotor 1 und den mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträgersegmenten 2. Diese Segmente 2 sind über Hammerkopfnuten (Fig.2) in entsprechenden Aufnahmen im Maschinengehäuse 3, hier ein Turbinengehäuse 3 eingehängt. Die Einhängung erfolgt in radialen Rippen 22, die integral mit dem Gehäuse vergossen sind.
• An das Turbinengehäuse ist das Abgasgehäuse 5 angeflanscht, welches im wesentlichen aus einem nabenseitigen, ringförmigen Innenteil 6 und einem ringförmigen Aussenteil 7 besteht, welche den Diffusor 9 begrenzen. Beide Elemente 6 und 7 können Halbschalen mit axialer Trennebene oder einteilige Topfgehäuse sein. Sie sind miteinander verbunden durch mehrere angeschweisste radiale Strömungsrippen 8, die gleichmässig verteilt über den Umfang angeordnet sind. Der ringförmige Aussenteil 7 ist turbinenseitig mit einer ringförmigen Dichtleiste 10 versehen, welche bündig ist mit der zylinderseitigen Kontur des durchströmten Turbinenkanals. Im Hohlraum innerhalb des Innenteils 6 ist die austrittsseitige Lagerung der Turbomaschine angeordnet, wobei der Rotor 1 in einem Traglager 4 einliegt.
• Das Turbinengehäuse 3 mit dem radialen Rippen 22 ist mit einer in der Maschinenachse 13 liegenden, nicht dargestellten, horizontalen Trennebene versehen. Darin sind die in der Regel mit Flanschen versehenen oberen und unteren Hälften des Turbinengehäuses miteinander verschraubt.
• Wie in der Detailansicht in Fig. 2 erkennbar, sind die Leitschaufeln 11 mit ihren Füssen 14 in den Segmenten 2 geführt. Der Fuss 14 jeder Leitschaufel ist hierzu an seiner dem Strömungskanal abgekehrten Seite mit Bügeln versehen, welche in entsprechende Nuten der Segmente 2 eingreifen. Jeder Fuss ist über einen solchen Bügel in zwei in axialer Richtung benachbarteten Schaufelträgersegmenten 2, 2' geführt.
• Die Füsse 14 der Leitschaufeln 11 sind mit einem Kragen 15 versehen, der bündig ist mit der strömungsbegrenzenden Fläche des Schaufelfusses. Der Kragen erstreckt sich in Axialrichtung bis zur Eintrittsebene 16 der stromaufwärts angeordneten Laufschaufel 12. In dieser Ebene dichtet der Kragen gegen den Fuss 14' der vorangehenden Leitschaufel 11'.
• Der von einem Segment 2, dem gegenüberliegenden Kragen 15, sowie den seitlichen Bügeln zweier benachbarter Füsse 14, 14' begrenzte Ringraum 19 steht über eine im Schaufelträgersegment angeordnete Bohrung 20 mit einem Kühlluftraum 21 in Verbindung. Die durch diese Bohrung 20 eindringende Luft entweicht aus dem Ringraum 19 über die Dichtung zwischen Kragen 15 und Fuss 14'.
• Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer solchen Dichtung. Es handelt sich dabei um zwei in iher Mitte zusammengeheftete Federbleche 23, die in Nuten des Fusses 14' und des Kragens 15 anliegen und somit bei guter Abdichtung die freie Warmebeweglichkeit der beteiligten Elemente gewährleisten. In Umfangsrichtung wird man zweckmässigerweise pro Schaufelfuss ein solches Dichtelement anbringen. An ihren Stosstellen in Umfangsrichtung kann die obengenannte Kühlluft in den Strömungskanal entweichen
• Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst ein Schaufelträgersegment 2 nach dem Beschaufeln drei Schaufelfüsse 11 der gleichen Leitreihe. Jedes Segment ist im Turbinengehäuse, d.h. an dessen entsprechender radialer Rippe 22 mit einer Stiftschraube 18 ortsfest verschraubt. Diese Schrauben sind mit Vorteil jeweils in der Segmentmitte - in Umfangsrichtung gesehen - angeordnet.
• Zur gegenseitigen Abdichtung von benachbarten Kühllufträumen 21, in denen möglicherweise die Kühlluft unterschiedliche Zustände aufweist, sind die Schaufelträgersegmente 2 an ihren beidseitigen Enden mit einer ineinandergreifenden Verzahnung 17 versehen, wie dies in Fig. 4 erkennbar ist. Diese Verzahnung 17 weist in Umfangsrichtung das Spiel S auf, um eine freie Ausdehnung der Segmente zu erlauben.
Bezugszeichenliste

1

Rotor

2, 2'

Schaufelträgersegment

3

Turbinengehäuse

4

Traglager

5

Abgasgehäuse

6

Innenteil

7

Aussenteil

8

Strömungsrippen

9

Diffusor

10

Strömungsleiste

11, 11'

Leitschaufel

12

Laufschaufel

13

Maschinenachse

14, 14'

Leitschaufelfuss

15

Kragen

16

Eintrittsebene der Laufachaufeln

17

Verzahnung

18

Schraube

19

Raum

20

Bohrung

21

kühlluftraum

22

Rippe

23

Federblech

S

Spiel zwischen 17

Claims (5)

1. Axialdurchströmte Turbomaschine, insbesondere Gasturbine, mit mehreren in einem Maschinengehäuse (3) koaxial eingehängten Schaufelträgern (2, 2'), in welchen die Leitschaufeln (11, 11') mit ihren Füssen (14, 14') gehalten sind, wobei die Füsse (14) der Leitschaufeln (11) mit einem Kragen (15) versehen sind, welcher sich in Axialrichtung bis mindestens zur Eintrittsebene (16) der stromaufwärts oder zur Austrittsebene der stromabwärts angeordneten Laufschaufel (12) erstreckt,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelträger als Segmente ausgebildet sind, dass der Fuss (14) jeder Leitschaufel in je zwei in axialer Richtung benachbartete Schaufelträgersegmente (2, 2') eingreift, und daß der Kragen (15) an seinem axialen freien Ende gegen den Fuss (14') einer weiteren Leitschaufel (11') dichtet.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Schaufelträgersegmenten (2) und den Kragen (15) begrenzte Ringraum (19) über eine in jedem Schaufelträgersegment angeordnete Bohrung (20) mit einem Kühlluftraum (21) in Verbindung steht.
3. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelträgersegmente (2) in Umfangsrichtung mit einer ineinandergreifenden Verzahnung (17) versehen sind.
4. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaufelträgersegment (2) mindestens drei Schaufelfüsse (14) der gleichen Leitreihe aufnimmt.
5. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelträgersegmente (2) im Maschinengehäuse mittels Schrauben (18) ortsfest positioniert sind.

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