EP0945597A1 - Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage Download PDF

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EP0945597A1
EP0945597A1 EP98810249A EP98810249A EP0945597A1 EP 0945597 A1 EP0945597 A1 EP 0945597A1 EP 98810249 A EP98810249 A EP 98810249A EP 98810249 A EP98810249 A EP 98810249A EP 0945597 A1 EP0945597 A1 EP 0945597A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
guide vane
turbine guide
turbine
inner segment
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98810249A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gordon Anderson
Michael Hock
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to EP98810249A priority Critical patent/EP0945597A1/de
Publication of EP0945597A1 publication Critical patent/EP0945597A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins
    • F05D2230/642—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins using maintaining alignment while permitting differential dilatation

Definitions

  • the invention relates to a turbine guide vane arrangement for a gas turbine system with turbine guide vanes, each with an outer platform over which each single turbine guide vane is arranged on a turbine guide vane carrier on the outer platform adjoining airfoil and one on the airfoil subsequent inner platform.
  • Turbine guide vanes that are used to deflect and accelerate through gases flowing through the rotor arrangement are provided.
  • a known turbine vane assembly is shown in Figure 1.
  • a turbine blade 1 exists essentially from an outer platform 11, an airfoil 12 and an inner platform 13.
  • the outer platform 11 generally has a joining contour on that in a corresponding counter contour in a turbine blade carrier 2 can be inserted precisely. With the help of a spring force known per se Locking piston 3, the turbine blade 1 against the turbine blade carrier 2 fixed.
  • the side of the inner platform 13 facing away from the turbine blade carrier 2 forms with the opposite, stationary or rotating assemblies sealing systems whose primary job is to find a possible one Flow flow of the gases passing through the gas turbine plant through the small distances between the inner platform 13 and this opposite Assemblies, for example protrusions 4 attached to the rotor or sealing elements 5, which are attached to stationary components, to reduce or even completely prevent.
  • the turbine guide vane 1 shown in FIG. 1 is in numerous numbers in the circumferential direction of the turbine blade carrier 2 are arranged one behind the other in series. With their loosely ending inner platforms 13 they pose despite Sealing precautions represent undesirable leakage points Function, reliability and the efficiency of a gas turbine in addition to quality that between the inner platform 13 of a turbine guide vane 1 and the one opposite it Sealing measures provided, also by the Number of so-called circumferential joints formed by the individual inner platforms from.
  • turbine guide vanes are primarily used in turbine construction designed as single blades, i.e. each vane is separated inserted from each other into the blade carrier and remains there without any connection to the neighboring blades.
  • So-called Twin blades used i.e. Turbine guide vanes that are connected in pairs be introduced into the turbine blade carrier.
  • the invention has for its object a turbine guide vane arrangement for to develop a gas turbine according to the preamble of claim 1 such that with the same or reduced assembly and disassembly effort for turbine guide vanes the individual turbine guide vanes in the turbine blade carrier experienced increased stability within the entire arrangement, so that possible occurring Leaks can be reduced to a minimum.
  • design-related measures ensure that the torsional rigidity of everyone individual guide vane is increased so that wear-related cracking within of the blades can be largely avoided. After all, that's supposed to Damage potential caused by possible detachment of individual turbine blade areas exists to be significantly reduced.
  • a turbine guide vane arrangement for a gas turbine system with turbine guide vanes, each with an outer platform over which each individual Turbine guide vane is arranged on a turbine guide vane carrier, one on the Outer platform adjoining airfoil and one on the airfoil have adjacent inner platform, designed such that at least two directly adjacent turbine guide vanes each with their inner platform are connected to an inner segment which has a structured upper side, the provides at least one axial and at least one radial centering shape, which with The inner contours provided on the inner platform are available with a precise fit.
  • the inner segments connecting the individual turbine guide vanes are preferably formed rail-like and can over, on their end faces provided coupling elements to a complete inner segment ring with each other get connected.
  • those related to the inner segments are connected Turbine guide vanes with their outer platforms in the turbine blade carrier fixed and arranged in a turbine guide row, mutually against torsion both in the axial direction relative to the flow direction, as well in the radial direction relative to the longitudinal extent of each individual turbine guide vane and in particular in the circumferential direction of those arranged one behind the other in a guide row Turbine guide vanes, stabilized.
  • the inner segments which are connected to one another via coupling elements are used in particular also to the fact that each individual turbine guide vane in two counter bearings is fixed, on the one hand in the turbine blade carrier, on the other hand in the inner segment, this is due to the preferably bilateral connection with neighboring ones Inner segments to a complete inner ring at least an axial stabilization experiences.
  • the inner segment has a structured top, to which the inner platform has an at least partially corresponding receiving structure, so that the inner platform attached to the structured top of the inner segment can be.
  • the inner platform has an at least partially corresponding receiving structure, so that the inner platform attached to the structured top of the inner segment can be.
  • the turbine guide vane opposite the structured upper side of the inner segment has two im side flanks oriented essentially perpendicular to the upper side of the inner segment that delimit a groove raised above the top of the inner segment, the is preferably designed as a rectangular groove.
  • the inner segment looks at radial centering shapes that are essentially vertical rise to the axial centering groove from the surface of the inner segment.
  • the radial centering shapes preferably in the form of cones, engage in corresponding ones Recesses within the inner platform and are able to to fix both in the radial direction and in the circumferential direction.
  • the axial and radial centering shapes are designed such that they are available the inner platform of a guide vane with the corresponding inner segment by radial placement and subsequent displacement in the circumferential direction can be done.
  • the axial centering shape designed as a groove has in particular Interruptions on, with contours set back in the axial direction, see above that threading both components in the manner described above possible is.
  • the raised groove also provides a protruding area under which the corresponding recess in the inner platform moved by axial displacement is so that both components are firmly together.
  • An inner segment is preferably designed such that on an inner segment two or more guide vanes can be connected to one another. To a automatic sliding of the guide vanes in the circumferential direction on the inner segment To avoid, each inner segment provides a safety device that as a locking pin penetrates the inner segment in the radial direction and in one Recess protrudes inside the inner platform. In this way, the Number of those used in a gas turbine for mutual fixation Small parts required for turbine guide vanes can be kept low.
  • FIG. 2a is a schematic representation of a turbine guide vane arrangement according to the invention shown with an annular section of a Turbine blade carrier 2, on its inner peripheral circumference turbine guide vanes 1 in a turbine guide row with their respective outer platforms 11 detachable are firmly connected.
  • the respective inner platforms 13 of the Turbine guide vanes 1 connected to inner segments 6 - in the exemplary embodiment 2a are four turbine guide vanes 1, each with an inner segment 6 connected - but deviating from this are any other connection options conceivable, up to a completely closed ring more coherent Inner segments - through which the individual turbine guide vanes 1 both in Axial direction (perpendicular to the plane of the drawing) a, and in the circumferential direction u Turbine guide series are stabilized.
  • the inner segment 6 sees this an axial centering 7 (see Fig. 2b, c), which is designed as a groove and two side flanks raised substantially perpendicular to the upper side of the inner segment 71, 72 provides.
  • the groove 7 engages in a correspondingly designed counter contour 8 within the inner platform 13 through which the turbine guide vane 1 is fixed in the axial direction a.
  • a cone-like design is formed on the inner segment 6 radial centering mold 9 is provided, which in a correspondingly trained Recess 10 engages within the inner platform 13 of the turbine guide vane 1.
  • one or more guides in the form of hooks 101 serve as a releasably fixed Connection between an inner segment 6 and parts of the stationary inner housing 102 form the turbine. If more than two hooks are used for radial guidance, so these guides need to avoid excessive forces from the static Obtain indefiniteness with sufficient elasticity and / or radial play be executed.
  • sealing elements between the inner Platform 13 and stationary parts are provided, such as sealing elements 103 (for sealing between two stationary components) and sealing contours 104 for sealing between a rotating component 105 and the stationary inner segment 6.
  • 3a is a perspective view of several on an inner segment 6 Detachably fixed turbine guide vanes 1 are shown. Every single turbine guide vane is placed in the radial direction r on the inner segment 6 and can by axial displacement a and by moving with circumferential direction u firmly against the raised contours of the inner segment. With the help of one Safety pin 3, it is possible to all turbine guide vanes placed on an inner segment 6 to fix in the circumferential direction u. To do this, the locking pin pierces 3 the inner segment and protrudes into a corresponding recess 106 inside the inner platform 13 of a turbine guide vane 1.
  • 3 b is a perspective top view of an embodiment according to the invention Inner segment 6 shown.
  • the inner segment has axial Centering molds 7, which provide the side flanks 71 and 72 for axial guidance. See for the radial placement of the inner platform of a turbine guide vane 1 the axial centering areas recessed areas 7 'over which the corresponding Counter contour of the inner platform can be lowered.
  • a projecting area 7' ' Immediately next to the recessed area 7 'is provided with a projecting area 7' ', under which the counter contour of the inner platform is pushed.
  • the reset Area 7 ' is provided on the inner segment opposite a recess 9' along which the counter contour provided for radial centering inner platform can be introduced.
  • the radial centering molds 9 are provided. Furthermore goes from the representation according to Fig. 3 b of the locking pin provided for securing in the circumferential direction 3 out.
  • FIGS. 4a and b each show one placed on an inner segment 6 and available Turbine guide vane 1, which with the help of the locking pin 4 and centering mold 7 '' is secured against the inner segments 6 in the circumferential direction u.
  • Each also points Inner segment 6 for mutual coupling on a coupling element, which in the exemplary embodiment is shown as a tongue and groove connection.
  • a coupling element On one side of the inner segment 6 is a corresponding spring 107 and on the opposite one A correspondingly formed groove 108 is provided on the side.

Abstract

Beschrieben wird eine Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage mit Turbinenleitschaufeln, die jeweils eine äußere Plattform, über die jede einzelne Turbinenleitschaufel an einem Turbinenleitschaufelträger angeordnet ist, ein an der äußeren Plattform anschließendes Schaufelblatt sowie eine an dem Schaufelblatt anschließende innere Plattform aufweisen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens zwei unmittelbar benachbarte Turbinenleitschaufeln über jeweils ihre innere Plattform mit einem Innensegment verbunden sind, das eine strukturierte Oberseite aufweist, die wenigstens eine axiale und wenigstens eine radiale Zentrierform vorsieht, die mit, an der inneren Plattform vorgesehenen Gegenkonturen paßgenau verfügbar sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage mit Turbinenleitschaufeln, die jeweils eine äußere Plattform, über die jede einzelne Turbinenleitschaufel an einem Turbinenleitschaufelträger angeordnet ist, ein an der äußeren Plattform anschließendes Schaufelblatt sowie eine an dem Schaufelblatt anschließende innere Plattform aufweisen.
Stand der Technik
Verdichterstufen und Turbinenbereiche in an sich bekannten Gasturbinenanlagen weisen mit Turbinenlaufschaufeln bestückte Rotorelemente auf, die jeweils in stationären Gehäusen gelagert sind. In den Zwischenräumen der axial voneinander beabstandeten Turbinenlaufschaufelreihen ragen zumeist fest mit dem Gehäuse verbundene Turbinenleitschaufeln hinein, die zur Umlenkung und Beschleunigung der durch die Rotoranordnung durchströmenden Gase vorgesehen sind. Eine bekannte Turbinenleitschaufelanordnung ist in Figur 1 dargestellt. Eine Turbinenlaufschaufel 1 besteht im wesentlichen aus einer äußeren Plattform 11, einem Schaufelblatt 12 sowie einer inneren Plattform 13. Die äußere Plattform 11 weist in aller Regel eine Fügekontur auf, die in eine entsprechende Gegenkontur in einem Turbinenschaufelträger 2 paßgenau eingefügt werden kann. Mit Hilfe eines an sich bekannten federkraftbeaufschlagten Arretierkolbens 3 wird die Turbinenlaufschaufel 1 gegenüber dem Turbinenschaufelträger 2 fixiert.
Die dem Turbinenschaufelträger 2 abgewandte Seite der inneren Plattform 13 bildet mit den ihr gegenüberliegenden, stationären oder rotierenden Baugruppen Dichtungssysteme aus, deren vornehmliche Aufgabe darin besteht, einen möglichen Strömungsfluß der durch die Gasturbinenanlage hindurchtretenden Gase durch die geringen Beabstandungen zwischen der inneren Plattform 13 und dieser gegenüberliegenden Baugruppen, beispielsweise am Rotor befestigte Vorsprünge 4 oder Dichtungselemente 5, die an stationären Bauteilen befestigt sind, zu reduzieren oder gar ganz zu unterbinden.
Die in Fig. 1 dargestellte Turbinenleitschaufel 1 ist in vielfacher Anzahl in Umfangsrichtung des Turbinenschaufelträgers 2 jeweils eine hinter der anderen in Reihe angeordnet. Mit ihren jeweils lose endenden inneren Plattformen 13 stellen sie trotz Dichtungsvorkehrungen unerwünschte Leckagestellen dar. So hängt nicht zuletzt die Funktion, Zuverlässigkeit sowie der Wirkungsgrad einer Gasturbine neben der Güte der zwischen der inneren Plattform 13 einer Turbinenleitschaufel 1 und den ihr gegenüberliegenden Baugruppen vorgesehenen Dichtungsmaßnahmen, auch von der Anzahl der durch die einzelnen inneren Plattformen gebildeten, sogenannten Umfangsstoßstellen ab.
Unerwünschte Leckagen treten um so häufiger auf, je mehr Stoßstellen zwischen den zirkular im Turbinenschaufelträger angeordneten Turbinenleitschaufeln und den ihnen im Inneren des Gehäuses gegenüberliegenden Bauteilen vorgesehen sind. Ferner sind die Leckagen um so größer, je schlechter die einzelnen inneren Plattformen und/oder die ihnen gegenüberliegenden Bauelemente ausgerichtet sind. Vornehmlich treten größere Leckagen zwischen Dichtungsvorkehrungen an inneren Plattformen und ihnen gegenüberliegenden, unbeweglichen Baugruppen auf, zumal Dichtungsvorkehrungen zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen durch gezielt einbringbare Abriebschichten oder Honigwabenstrukturen während des Betriebes durch toleranz- und ausrichtbedingtem Abrieb zu Dichtungsverbesserungen führen.
Aus fertigungstechnischen Gründen werden im Turbinenbau vornehmlich die Turbinenleitschaufeln als Einlingsschaufeln ausgebildet, d.h. jede Leitschaufel wird getrennt voneinander in den Schaufelträger eingeführt und verbleibt dort auch ohne jegliche Verbindung zu den Nachbarschaufeln. Dies jedoch führt zu einer sehr hohen Stoßstellenanzahl, wie vorstehend bereits festgestellt. Nur selten werden sogenannte Zwillingsschaufeln verwendet, d.h. Turbinenleitschaufeln, die paarweise zusammenhängend in den Turbinenschaufelträger eingeführt werden. Auch sind nachträgliche, mechanische Verbindungskonstruktionen der inneren Plattformen benachbarter Turbinenleitschaufeln bekannt, die beispielsweise mittels Nietverbindungen verwirklicht werden, doch beschränken sich derartige Vorkehrungen aufjeweils zwei benachbarte Schaufeln.
Beim Betrieb von Gasturbinenanlagen werden jegliche in der Gasturbine vorgesehene Turbinenschaufeln durch den im Inneren der Turbine auftretenden Strömungsdruck in axialer Richtung zur Turbine erheblich beansprucht. Bei in längerem Betrieb befindliche Turbinenleitschaufeln tragen durch in Strömungsrichtung auf die Schaufeln einwirkende Strömungskräfte verursachte Verformungen dazu bei, daß Leckagen nahe der inneren Plattformen jeder einzelnen Turbinenleitschaufel vergrößert werden. Durch die dauernde hohe mechanische Belastung der einzelnen Schaufelblätter werden diese durch den Strömungsdruck verwunden oder gar verbogen. Derartige Verschleißerscheinungen sind um so verständlicher, zumal Einlingsturbinenleitschaufeln an ihren inneren Plattformen kein festes Gegenlager zur Stabilisierung aufweisen.
Treten im Betrieb derartiger Turbinenbauteile Risse im Schaufelbereich auf, die bis hin zum Totalverlust einer Turbinenleitschaufel führen, so können die losen, abgetrennten Leitschaufelteile die in Strömungsrichtung nachfolgende Turbinenbeschaufelung stark beschädigen. Ein Stillstand der gesamten Gasturbinenanlage wäre die Folge, was mit erheblichen wirtschaftlichen Einbußen verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei gleichem bzw. reduziertem Montage- und Demontageaufwand von Turbinenleitschaufeln in den Turbinenschaufelträger die einzelnen Turbinenleitschaufeln eine erhöhte Stabilität innerhalb der gesamten Anordnung erfahren, so daß möglich auftretende Leckagen auf ein Minimum reduziert werden können. Insbesondere sollen konstruktionsbedingte Maßnahmen dafür sorgen, daß die Verwindungssteifigkeit jeder einzelnen Leitschaufel erhöht wird, so daß verschleißbedingte Rißbildungen innerhalb der Schaufeln weitgehend vermieden werden können. Schließlich soll das Beschädigungspotential, das durch mögliches Ablösen einzelner Turbinenschaufelbereiche besteht, erheblich reduziert werden.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage mit Turbinenleitschaufeln, die jeweils eine äußere Plattform, über die jede einzelne Turbinenleitschaufel an einem Turbinenleitschaufelträger angeordnet ist, ein an der äußeren Plattform anschließendes Schaufelblatt sowie eine an dem Schaufelblatt anschließende innere Plattform aufweisen, derart ausgebildet, daß wenigstens zwei unmittelbar benachbarte Turbinenleitschaufeln über jeweils ihre innere Plattform mit einem Innensegment verbunden sind, das eine strukturierte Oberseite aufweist, die wenigstens eine axiale und wenigstens eine radiale Zentrierform vorsieht, die mit, an der inneren Plattform vorgesehenen Innenkonturen paßgenau verfügbar sind.
Die, die einzelnen Turbinenleitschaufeln miteinander verbindenden Innensegmente sind vorzugsweise schienenartig ausgebildet und können über, an ihren Stirnseiten vorgesehene Koppelemente zu einem vollständigen Innensegmentring miteinander verbunden werden. Auf diese Weise werden die über die Innensegmente zusammenhängenden Turbinenleitschaufeln, die mit ihren äußeren Plattformen im Turbinenschaufelträger fixiert und in einer Turbinenleitreihe angeordnet sind, gegenseitig gegen Verwindungen sowohl in Axialrichtung relativ zur Strömungsrichtung, als auch in Radialrichtung relativ zur Längserstreckung jeder einzelnen Turbinenleitschaufel und insbesondere in Umfangsrichtung der in einer Leitreihe hintereinander angeordneten Turbinenleitschaufeln, stabilisiert.
Die über Koppelelemente miteinander in Verbindung stehenden Innensegmente dienen insbesondere auch dazu, daß jede einzelne Turbinenleitschaufel in zwei Gegenlagern fixiert ist, zum einen im Turbinenschaufelträger, zum anderen in dem Innensegment, das durch die vorzugsweise beidseitige Verbindung mit benachbarten Innensegmenten zu einem vollständigen inneren Ring zumindest eine axiale Stabilisierung erfährt.
Das Innensegment weist eine strukturierte Oberseite auf, an die die innere Plattform eine wenigstens teilweise korrespondierende Aufnahmestruktur aufweist, so daß die innere Plattform an die strukturierte Oberseite des Innensegments paßgenau angefügt werden kann. Für eine axiale Arretierung der Turbinenleitschaufel gegenüber dem Innensegment weist die strukturierte Oberseite des Innensegmentes zwei im wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Innensegmentes orientierte Seitenflanken auf, die eine über die Oberseite des Innensegments erhabene Nut begrenzen, die vorzugsweise als Rechtecksnut ausgebildet ist.
Sowohl für eine radiale Positionierung der Leitschaufeln relativ zum Innensegment, als auch für eine Positionierung der einzelnen Leitschaufeln in Umfangsrichtung, sieht das Innensegment radiale Zentrierformen auf, die sich im wesentlichen senkrecht zur axialen Zentriernut von der Oberfläche des Innensegmentes erheben. Die vorzugsweise zapfenförmig ausgebildeten radialen Zentrierformen greifen in entsprechende Ausnehmungen innerhalb der inneren Plattform ein und vermögen diese sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung zu fixieren.
Die axialen und radialen Zentrierformen sind dabei derart ausgebildet, daß ein Verfügen der inneren Plattform einer Leitschaufel mit dem entsprechenden Innensegment durch radiales Aufsetzen und anschließendem Verschieben in Umfangsrichtung erfolgen kann. Hierzu weist insbesondere die als Nut ausgebildete axiale Zentrierform Unterbrechungen auf, mit in Axialrichtung zurückgesetzten Konturen, so daß ein Einfädeln beider Bauteile in der vorstehend beschriebenen Weise möglich ist. Die erhabene Nut sieht überdies einen vorspringenden Bereich vor, unter den die entsprechende Ausnehmung in der inneren Plattform durch axiales Verschieben bewegt wird, so daß beide Bauteile miteinander fest verfügt sind.
Ein Innensegment ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß auf einem Innensegment zwei oder mehr Leitschaufeln miteinander verbunden werden können. Um ein selbsttätiges Verrutschen der Leitschaufeln in Umfangsrichtung auf dem Innensegment zu vermeiden, sieht jedes Innensegment eine Sicherungsvorrichtung vor, die als Sicherungsstift das Innensegment in radialer Richtung durchsetzt und in eine Aussparung innerhalb der inneren Plattform hineinragt. Auf diese Weise kann die Anzahl der für eine gegenseitige Fixierung aller, in einer Gasturbine eingebrachten Turbinenleitschaufeln erforderlichen Kleinteile gering gehalten werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch. Es zeigen:
Fig. 1
Querschnittsdarstellung durch eine bekannte Turbinenleitschaufelanordnung
Fig. 2a, b, c
Teilansichten einer erfindungsgemäßen Turbinenleitschaufelanordnung,
Fig. 3a, b
perspektivische Darstellung mehrerer Leitschaufeln auf einem Innensegment sowie perspektivische Darstellung des Innensegments,
Fig. 4a, b
perspektivische Darstellung einer Leitschaufel auf einem Innensegment mit Nutfederverbindung, sowie
Fig. 5a-c
Sequenzdarstellung zum Verfügen einer Turbinenleitschaufel mit einem Innensegment.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Zu den Ausführungen bezüglich der bekannten Turbinenleitschaufelanordnung gemäß Fig. 1 wird auf die vorstehenden Ausführungen in der Beschreibungseinleitung verwiesen.
In Fig. 2a ist eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenleitschaufelanordnung dargestellt, mit einem ringförmig verlaufenden Abschnitt eines Turbinenschaufelträgers 2, an dessen inneren peripheren Umfangs Turbinenleitschaufeln 1 in einer Turbinenleitreihe mit ihren jeweils äußeren Plattformen 11 lösbar fest verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die jeweils inneren Plattformen 13 der Turbinenleitschaufeln 1 mit Innensegmenten 6 verbunden - im Ausführungsbeispiel der Fig. 2a sind jeweils vier Turbinenleitschaufeln 1 mit jeweils einem Innensegment 6 verbunden -, abweichend davon sind jedoch beliebig weitere Verbindungsmöglichkeiten denkbar, bis hin zu einem vollständig geschlossenen Ring zusammenhängender Innensegmente -, durch die die einzelnen Turbinenleitschaufeln 1 sowohl in Axialrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) a, als auch in Umfangsrichtung u der Turbinenleitreihe stabilisiert werden. Hierzu sieht das Innensegment 6 zum einen eine axiale Zentrierform 7 auf (siehe hierzu Fig. 2b, c), die als Nut ausgebildet ist und zwei im wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Innensegmentes erhabene Seitenflanken 71, 72 vorsieht. Die Nut 7 greift in eine entsprechend ausgebildete Gegenkontur 8 innerhalb der inneren Plattform 13, durch die die Turbinenleitschaufel 1 in Axialrichtung a fixiert wird. Zugleich ist am Innensegment 6 eine zapfenartig ausgebildete radiale Zentrierform 9 vorgesehen, die in eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung 10 innerhalb der inneren Plattform 13 der Turbinenleitschaufel 1 eingreift. Durch die Ausbildung des Innensegmentes und das paßgenaue Ineinandergreifen der Fügekonturen werden mögliche Verdrehungen der Turbinenleitschaufel 1, die durch die auf das Schaufelblatt 12 wirkende Strömung S hervorgerufen werden kann, begrenzt.
Zur radialen Stabilisierung bzw. Fixierung der einzelnen Innensegmente 6 können ein oder mehrere Führungen in Form von Haken 101 dienen, die eine lösbar feste Verbindung zwischen einem Innensegment 6 und Teilen des stationären Innengehäuses 102 der Turbine bilden. Werden mehr als zwei Haken zur Radialführung verwendet, so müssen diese Führungen, um nicht allzu große Kräfte aus der statischen Überbestimmtheit zu erhalten, mit ausreichender Elastizität und/oder Radialspiel ausgeführt sein.
Zudem können die an sich bekannten Dichtungselemente zwischen der inneren Plattform 13 und stationären Teilen vorgesehen werden, wie beispielsweise Dichtungselemente 103 (zum Abdichten zwischen zwei stationären Bauteilen) und Dichtungskonturen 104 zum Abdichten zwischen einem rotierenden Bauteil 105 und dem stationären Innensegment 6.
In Fig. 3a ist eine perspektivische Darstellung mehrerer auf einem Innensegment 6 lösbar fest verfügter Turbinenleitschaufeln 1 dargestellt. Jede einzelne Turbinenleitschaufel wird in Radialrichtung r auf das Innensegment 6 aufgesetzt und kann durch axiales Verschieben a und durch Verschieben mit Umfangsrichtung u fest gegen die erhabenen Konturen des Innensegmentes verfügt werden. Mit Hilfe eines einzigen Sicherungsstiftes 3 ist es möglich, alle auf einem Innensegment 6 plazierten Turbinenleitschaufeln in Umfangsrichtung u zu fixieren. Hierzu durchstößt der Sicherungsstift 3 das Innensegment und ragt in eine entsprechende Ausnehmung 106 innerhalb der inneren Plattform 13 einer Turbinenleitschaufel 1 hinein.
In Fig. 3 b ist eine perspektivische Draufsicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Innensegments 6 dargestellt. An seiner Oberseite weist das Innensegment axiale Zentrierformen 7 auf, die für die axiale Führung die Seitenflanken 71 und 72 vorsehen. Zum radialen Aufsetzen der inneren Plattform einer Turbinenleitschaufel 1 sehen die axialen Zentrierformen zurückgesetzte Bereiche 7' vor, über die die entsprechende Gegenkontur der inneren Plattform abgesenkt werden kann. Unmittelbar neben dem zurückgesetzten Bereich 7' ist ein vorspringender Bereich 7'' vorgesehen, unter den die Gegenkontur der inneren Plattform geschoben wird. Dem zurückgesetzten Bereich 7' ist am Innensegment gegenüberliegend eine Ausnehmung 9' vorgesehen, entlang der die für die radiale Zentrierung vorgesehene Gegenkontur der inneren Plattform eingeführt werden kann. Unmittelbar neben der Ausnehmung 9' sind die radialen Zentrierformen 9 vorgesehen. Ferner geht aus der Darstellung gemäß Fig. 3 b der für die Sicherung in Umfangsrichtung vorgesehene Sicherungsstift 3 hervor.
Fig. 4a und b zeigen jeweils eine auf einem Innensegment 6 aufgesetzte und verfügte Turbinenleitschaufel 1, die mit Hilfe des Sicherungsstiftes 4 und Zentrierform 7'' in Umfangsrichtung u gegen das Innensegmente 6 gesichert ist. Zudem weist jedes Innensegment 6 zum gegenseitigen Koppeln ein Koppelelement auf, das im Ausführungsbeispiel als Feder-Nutverbindung dargestellt ist. Auf der einen Seite des Innensegmentes 6 ist eine entsprechende Feder 107 und auf der gegenüberliegenden Seite eine entsprechend ausgebildete Nut 108 vorgesehen. Mit Hilfe derartiger Koppelelemente ist es möglich, alle Innensegmente zu einem geschlossenen Ring miteinander zu verbinden, so daß ein möglicher axialer Relativversatz einzelner Turbinenleitschaufelgruppen minimiert oder gar ausgeschlossen werden kann. Dies ist insbesondere für axial wirkende Dichtungen wichtig, die an den Innensegmenten vorgesehen sind. Etwaige auftretende Leckagen können erheblich reduziert oder gar vollständig vermieden werden.
Aus den Teilbildsequenzen 5a bis c geht ein Montagevorgang zwischen der inneren Plattform 13 einer Turbinenleitschaufel 1 und dem entsprechend ausgebildeten Innensegment 6 hervor. Zunächst wird gemäß Fig. 5a die innere Plattform 13 radial r von oben auf die Oberseite des Innensegmentes 6 derart aufgesetzt, daß die Gegenkonturen der inneren Plattform 13 mit dem zurückgesetzten Bereich 7' sowie der Ausnehmung 9' (siehe Fig. 3b) fluchten. Anschließend erfolgt ein axiales a Verschieben beider Bauteile gemäß Fig. 5b, die in einem letzten Fügeschritt in Umfangsrichtung u verfügt werden, bis die Gegenkonturen 8 sowie die radiale Ausnehmung 10 mit den axialen und radialen Zentrierformen 7, 9 paßgenau miteinander verfügt sind. Ein Sicherungsstift 3 sorgt zur Sicherung entlang der Umfangsrichtung u auf dem Innensegment.
Die vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Turbinenleitschaufelanordnung ist mit einer Vielzahl von Vorteilen verbunden. So werden jegliche Dichtungsfunktionen im Bereich der inneren Plattform und der Innensegmente durch die Ausrichtung der Turbinenleitschaufel am Innendurchmesser, der durch die Verbindung aller Innensegmente vorgegeben wird, verbessert. Durch die mechanische Verbindung aller einzelner Turbinenleitschaufeln wird der durch Leckagestellen auftretende Strömungs- und damit Druckverlust erheblich vermindert. Dies konnte bislang nur mit sehr aufwendigen und teuren, sogenannten Mehrlingsschaufeln bewerkstelligt werden, doch bietet die erfindungsgemäße Leitschaufelanordnung eine weitaus günstigere und montage- und demontagefreundlichere Lösung an. Überdies können jeglichen, auf die Schaufelblätter einwirkenden Strömungskräften, die zu Verwindungen der Turbinenleitschaufeln in ihren Trägerfassungen führen, effektiv entgegengewirkt werden. Bei betriebsbedingtem Durchriß, beispielsweise an Löt- oder Schweißnahten, kann der durchtrennte Schaufelblatteil weiterhin vom Innensegment getragen werden, wodurch erhebliche Folgeschäden in nachfolgenden Turbinenbeschaufelungen vermieden werden können.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Turbinenleitschaufel
11
äußere Plattform
12
Schaufelblatt, Slcherungsstift
13
innere Blattform
2
Turbinenschaufelträger
3
Arretierkolben
4
Rotor
5
Stator
6
Innensegment
7
axiale Zentrierform
7'
zurückgesetzter Bereich
7''
vorspringender Bereich
71, 72
Seitenflanken (Axialführung)
8
Gegenkontur
9
radiale Zentrierform
9'
Ausnehmung
10
radiale Ausnehmung
101
Haken
102
stationäres Innengehäuse
103
Dichtungselement
104
stationäres Bauteil
105
rotierendes Bauteil
106
Ausnehmung
107
Feder
108
Nut
a
axialrichtung
r
Radiallrichtung
u
Umfangsrichtung
S
Strömungsrichtung

Claims (12)

  1. Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenanlage mit Turbinenleitschaufeln, die jeweils eine
    äußere Plattform (11), über die jede einzelne Turbinenleitschaufel (1) an einem Turbinenleitschaufelträger (2) angeordnet ist,
    ein an der äußeren Plattform anschließendes Schaufelblatt (12)
    sowie eine an dem Schaufelblatt anschließende innere Plattform (13) aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei unmittelbar benachbarte Turbinenleitschaufeln (1) über jeweils ihre innere Plattform (13) mit einem Innensegment (6) verbunden sind, das eine strukturierte Oberseite aufweist, die wenigstens eine axiale (7) und wenigstens eine radiale (9) Zentrierform vorsieht, die mit, an der inneren Plattform (13) vorgesehenen Gegenkonturen (8, 10) paßgenau verfügbar sind.
  2. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Zentrierform (7) als eine über die Oberseite des Innensegments erhabene Nut ausgebildet ist, die zwei im wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Innensegments orientierte Seitenflanken (71, 72) aufweist.
  3. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich die erhabene Nut (7) mit Unterbrechungen über die gesamte Verbindungslänge des Innensegmentes (6) derart erstreckt, daß die Nut einen zurückgesetzten Bereich (7') für das Einführen der Turbinenleitschaufel und einen vorspringenden Bereich (7'') zur radialen Fixierung der Turbinenleitschaufel vorsieht.
  4. Turbinenleitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Zentrierform (9) im wesentlichen senkrecht zur axialen Zentrierform (7) an der Oberseite des Innensegments (6) als erhabener Zentrierzapfen vorgesehen ist.
  5. Turbinenleitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkonturen (8, 10) der inneren Plattform derart ausgebildet sind, daß die axiale (7) und radiale (9) Zentrierform des Innensegments von den Gegenkonturen vollständig umschlossen sind.
  6. Turbinenleitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Innensegment (6) eine Sicherungsvorrichtung vorsieht, die die mit dem Innensegment (6) verbundenen Turbinenleitschaufeln (1) in Umfangsrichtung (u) zum Turbinenleitschaufelträger (2) positioniert.
  7. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung ein Sicherungsstift (3) ist, der das Innensegment durchsetzt und in eine Aussparung (106) innerhalb der inneren Plattform (13) einer Turbinenleitschaufel (1) hineinragt.
  8. Turbinenleitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Innensegment (6) an seinen Stirnseiten jeweils ein Koppelelement vorsieht, so daß in einer Reihe angeordnete Innensegmente miteinander lösbar fest verbindbar sind.
  9. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement in Form einer Nut-/Federverbindung (107, 108) ausgebildet ist.
  10. Turbinenleitschaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Innensegment an der der Leitschaufel abgewandten Seite mechanisch an ein festes Bauteil (102) der Gasturbinenanlage gekoppelt ist.
  11. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung (101) elastisch oder mit einem Radialspiel ausgebildet ist.
  12. Turbinenleitschaufelanordnung nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung als Haken ausgebildet ist.
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