EP1076160A2 - Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde - Google Patents

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EP1076160A2
EP1076160A2 EP00810685A EP00810685A EP1076160A2 EP 1076160 A2 EP1076160 A2 EP 1076160A2 EP 00810685 A EP00810685 A EP 00810685A EP 00810685 A EP00810685 A EP 00810685A EP 1076160 A2 EP1076160 A2 EP 1076160A2
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EP
European Patent Office
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radial
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heat
shield
fastening
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EP1076160A3 (de
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Christoph Nagler
Ulrich Rathmann
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Alstom Technology AG
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part

Definitions

  • the invention relates to a fastening device for heat shields according to the preamble of the independent claim.
  • Heat shields are used in thermal turbo machines, such as Gas turbines used. You are there in the axial direction between the Row of blades arranged, and protect the rotor or the housing direct contact with hot gas.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as in the Is characterized, the task is based on one Heat shield deformation to compensate for thermal expansions in allow a certain amount, but especially radial Limit deformations to a well-defined level with certainty.
  • the essence of the invention is therefore to provide a heat protection shield by means of an axial outside located receiving elements in the housing or on the shaft of a Fix turbo machine, and by arranged between them additional receiving elements a safety device to catch to create excessive radial deformations.
  • additional receiving elements a safety device to catch to create excessive radial deformations.
  • the heat protection shield is the farthest in axial section through the external receiving elements fixed in the radial direction.
  • the radial one Storage of the heat shield on two far apart Scoring on the one hand improves the stability of the storage. On the other hand minimizes the axial overhang of the heat shield, thereby Vibrations of the heat protection shield are best prevented.
  • FIG. 1 shows a Longitudinal section through part of a gas turbine
  • Fig. 2 shows the environment of a heat protection shield mounted in this gas turbine.
  • Fig. 1 is an axial section through a four-stage turbine Gas turbine set shown.
  • shaft 1 rotates around the Machine axis 3.
  • the rotor blades LA1 to LA4 are on shaft 1 arranged.
  • the associated guide vanes LE1 to LE4 are in the housing 2 attached.
  • the rotor heat shields are opposite the guide vane tips 110, 120, 130 and 140 using suitable fasteners on the rotor attached.
  • the housing heat shields are analogous to the blade tips 210, 220, 230 and 240 in a suitable manner on the housing attached. In reality, you do not necessarily become every level Find heat shields; in practice you will be in the final stages, in which the working medium is already very relaxed and cooled, often do without them.
  • the use of heat shields is included the fastening device according to the invention in no way on the turbine of a gas turbine set:
  • the invention can also be used, for example, in Steam turbines or in turbocompressors, and just there in the High-pressure stages of modern turbocompressors can be used with advantage.
  • FIG. 2 is the immediate vicinity of the housing heat shield 220 the second turbine stage is shown enlarged.
  • the Attachment of the heat shield 220 in the housing 2 by means of three as Hook trained receiving elements 221, 222, 223, each in associated housing grooves are easy to see.
  • Towards the Machine longitudinal axis 3 is the heat shield only by that Receiving element 221 fixed, while the receiving elements 222 and 223 with axial play in the associated grooves. In the given by R. In the radial direction, the receiving elements 221 and 223 are free of play in their Anchored housing grooves.
  • the heat shield is 220 in the radial direction So by the two axially outer receiving elements 221 and 223 in Housing fixed.
  • the receiving element 222 however, has both axially also radial play in its housing groove, and will in normal Operating status does not fulfill any fastening function.
  • the heat shield 220 is heated very much, and it will become axially as well as in the radial direction against both the blade LA2 and also set 2 differential thermal expansions against the housing. Out for this reason, the play of the receiving element 222 is in particular its fastening groove is important as a strong stretch Residual stresses in the heat shield 220 would induce what would ultimately result would lead to a sharp reduction in component life. Radial Guide deformations away from the tip of the opposite blade to increased gap losses and a lower efficiency of Machine, but do not endanger operational safety at first.
  • the middle receiving element - in principle can between the axially outer receiving elements also several recording elements with play in the associated Fastening groove be arranged - exceeds, the middle begins Carrying element in the radial direction, and prevents them Excessive radial deformation of the heat shield.

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Abstract

Eine Befestigungsvorrichtung für einen Hitzeschutzschild (220) einer Gasturbine wird mit einem mittleren Aufnahmeelement (222) versehen, das in radialer Richtung ein definiertes Einbauspiel (s) mit einer Aufnahmenut aufweist. Im normalen Betreibszustand hat dieses Aufnahmeelement keine Funktion, derart, dass thermische Differenzdehnungen in radialer Richtung zwischen dem Hitzeschutzschild (220) und seinem Gegenstück (2) im Rahmen dieses definierten Spiels unbehindert möglich sind. Erst, wenn die radiale Differenzdehnung das Mass s überschreitet, beginnt das Aufnahmeelement 222 zu tragen. Damit wird die Verformung des Hitzeschutzschildes zu einem relativbewegten Bauteil (LA2) hin begrenzt, und ein exzessives Anstreifen der Bauteile aneinander vermieden. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Hitzeschutzschilde werden in thermischen Turbomaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen, verwendet. Sie sind dort in axialer Richtung zwischen den Schaufelreihen angeordnet, und bewahren den Rotor oder das Gehäuse vor direktem Kontakt mit Heissgas.
Im Betrieb müssen diese Bauelemente erhebliche thermische Differenzdehnungen mit dem Bauteil, auf dem sie befestigt sind, aufnehmen, wodurch sie sich in radialer wie auch in axialer Richtung verformen. Demgegenüber weisen Hitzeschutzschilde im Einbauzustand nur sehr geringes Spiel zu ihnen gegenüberliegenden Schaufeln auf. Aufgrund der Verformung und dem geringen Spiel aber besteht die Gefahr des Anstreifens der Schaufeln an dem Hitzeschutzschild. Dadurch kommt es zu weiterem Wärmeeintrag, und einer positiven Rückkopplung über eine stärkere Verformung und ein noch heftigeres Anstreifen. Unter ungünstigen Bedingungen kann dies zu einer schwerwiegenden Havarie einer Maschine führen. Jedoch muss dem Hitzeschutzschild ein gewisses Spiel in seinen Lagerungen zugestanden werden, da im anderen Falle behinderte thermische Dehnungen zu hohen Bauteileigenspannungen und schliesslich einer drastischen Lebensdauerverkürzung des Hitzeschutzschildes führen. Dementsprechend muss nach dem Stand der Technik das wohlbekannte latente Havarierisiko durch das Anstreifen eines relativbewegten Bauteils an einem Hitzeschutzschild hingenommen werden.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hitzeschutzschild Verformungen zum Ausgleich thermischer Dehnungen in einem gewissen Ausmasse zuzulassen, aber insbesondere radiale Verformungen mit Sicherheit auf ein wohldefiniertes Mass zu begrenzen.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch die Merkmale des unabhängigen Hauptanspruchs.
Kern der Erfindung ist es also, ein Hitzschutzschild mittels axial aussen gelegener Aufnahmeelemente im Gehäuse oder auf der Welle einer Turbomaschine zu fixieren, und durch zwischen diesen angeordneten zusätzliche Aufnahmeelemente eine Sicherheitsvorrichtung zum Auffangen übermässiger radialer Verformungen zu schaffen. In jedem axialen Schnitt des Hitzeschutzschildes übernimmt nur jeweils ein Aufnahmeelement eine axiale Fixierungsfunktion, während die anderen Aufnahmeelemente eine unbehinderte axiale Verformung des Hitzeschutzschildes ermöglichen. Weiterhin ist der Hitzeschutzschild im axialen Schnitt durch die am weitesten aussen gelegenen Aufnahmeelemente in radialer Richtung fixiert. Die radiale Lagerung des Hitzeschutzschildes an zwei weit voneinander entfernten Punkten verbessert einerseits die Kippstabilität der Lagerung. Andererseits ist der axiale Überhang des Hitzeschutzschildes minimiert, wodurch Schwingungen des Hitzeschutzschildes am besten unterbunden werden. In axialer Richtung zwischen den radial tragenden Aufnahmeelementen werden weitere Aufnahmeelemente angeordnet, die ein radiales Spiel in ihren Befestigungsnuten aufweisen, und im Normalbetrieb keine Tragefunktion haben. Erst dann, wenn eine radiale Verformung des Hitzeschutzschildes dort, wo eines dieser Aufnahmeelemente mit radialem Spiel angeordnet ist, das Mass dieses Spiels überschreitet, erhält dieses Aufnahmeelement eine Tragefunktion und verhindert das Auftreten einer exzessiven radialen Verformung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Gasturbine, und Fig. 2 die Umgebung eines in dieser Gasturbine montierten Hitzeschutzschildes.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch eine vierstufige Turbine eines Gasturbosatzes dargestellt. Im Betrieb dreht sich die Welle 1 um die Maschinenachse 3. Auf der Welle 1 sind die Laufschaufeln LA1 bis LA4 angeordnet. Die zugehörigen Leitschaufeln LE1 bis LE4 sind im Gehäuse 2 befestigt. Gegenüber den Leitschaufelspitzen sind die Rotor-Hitzeschutzschilde 110, 120, 130 und 140 mittels geeigneter Befestigungsmittel auf dem Rotor befestigt. Analog sind gegenüber den Laufschaufelspitzen die Gehäuse-Hitzeschutzschilde 210, 220, 230 und 240 auf geeignete Weise am Gehäuse befestigt. Dabei wird man in der Realität nicht zwingend in jeder Stufe Hitzeschutzschilde finden; in der Praxis wird man gerade in den letzten Stufen, in denen das Arbeitsmedium schon stark entspannt und abgekühlt ist, oftmals auf diese verzichten. Andererseits ist der Einsatz von Hitzeschutzschilden mit der erfindungsgemässen Befestigungsvorrichtung keineswegs auf die Turbine eines Gasturbosatzes beschränkt: Die Erfindung kann auch beispielsweise in Dampfturbinen oder in Turboverdichtern, und dort gerade in den Hochdruckstufen moderner Turboverdichter, mit Vorteil eingesetzt werden.
In Fig. 2 ist die unmittelbare Umgebung des Gehäuse-Hitzeschutzschildes 220 der zweiten Turbinenstufe vergrössert dargestellt. Insbesondere ist die Befestigung des Hitzeschutzschildes 220 im Gehäuse 2 mittels dreier als Haken ausgebildeter Aufnahmeelemente 221, 222, 223, die jeweils in zugehörigen Gehäusenuten liegen, gut zu erkennen. In Richtung der Maschinenlängsachse 3 ist der Hitzeschutzschild nur durch das Aufnahmeelement 221 fixiert, während die Aufnahmeelemente 222 und 223 mit axialem Spiel in den zugehörigen Nuten liegen. In der durch R gegebenen radialen Richtung sind die Aufnahmeelemente 221 und 223 spielfrei in ihren Gehäusenuten verankert. In radialer Richtung ist der Hitzeschutzschild 220 also durch die beiden axial äusseren Aufnahmeelemente 221 und 223 im Gehäuse fixiert. Das Aufnahmeelement 222 hingegen weist sowohl axial als auch radial Spiel in seiner Gehäusenut auf, und wird im normalen Betriebszustand keine Befestigungsfunktion erfüllen.
Im Betrieb wird der Hitzeschutzschild 220 stark erwärmt, und es werden sich in axialer wie auch in radialer Richtung sowohl gegen die Laufschaufel LA2 als auch gegen das Gehäuse 2 thermische Differenzdehnungen einstellen. Aus diesem Grunde ist insbesondere das Spiel des Aufnahmeelementes 222 in seiner Befestigungsnut wichtig, da eine behinderte Dehnung starke Eigenspannungen im Hitzeschutzschild 220 induzieren würde, was letztlich zu einer starken Verminderung der Bauteillebensdauer führen würde. Radiale Verformungen von der Spitze der gegenüberliegenden Schaufel weg führen zwar zu erhöhten Spaltverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad der Maschine, gefährden aber die Betriebssicherheit zunächst nicht. Radiale Verformungen zu der gegenüberliegenden Schaufelspitze hin dagegen können potentiell eine grosse Havarie einer Maschine auslösen: Sobald ein dem Hitzeschutzschild gegenüberliegendes Teil am Hitzeschutzschild zu streifen beginnt, wird durch die Reibung zusätzlich Wärme in den Hitzeschutzschild eingetragen, wodurch sich die Verformung und damit wiederum die Reibung verstärkt. Daher ist das radiale Spiel des Aufnahmeelementes 222 in seiner Befestigungsnut zur gegenüberliegenden Schaufelspitze hin auf ein Mass s begrenzt, das mit Vorteil kleiner als 20% des Masses h gewählt wird, und selbstverständlich kleiner als das Spiel zwischen der Schaufel und dem Hitzeschutzschild. Wenn in Ausnahmesituationen die radiale Verformung des Hitzeschutzschildes also das radiale Spiel des mittleren Aufnahmeelementes - prinzipiell können zwischen den axial aussen liegenden Aufnahmeelementen auch mehrere Aufnahmeelemente mit Spiel in der zugehörigen Befestigungsnut angeordnet sein - überschreitet, beginnt das mittlere Aufnahmeelement in radialer Richtung zu tragen, und verhindert auf diese Weise eine exzessive radiale Verformung des Hitzeschutzschildes.
Bezugszeichenliste
1
Rotor
2
Gehäuse
3
Maschinenachse
110
Rotor-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
120
Rotor-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
130
Rotor-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
140
Rotor-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
210
Gehäuse-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
220
Gehäuse-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
221
Aufnahmeelement
222
Aufnahmeelement
223
Aufnahmeelement
230
Gehäuse-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
240
Gehäuse-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
h
maximales radiales Mass des Hitzeschutzschildes
s
radiales Spiel des mitteleren Aufnahmeelementes in Richtung zum dem Hitzeschutzschild gegenüberliegenden Bauteil
LA1
Laufschaufel der ersten Turbinenstufe
LA2
Laufschaufel der zweiten Turbinenstufe
LA3
Laufschaufel der dritten Turbinenstufe
LA4
Laufschaufel der vierten Turbinenstufe
LE1
Leitschaufel der ersten Turbinenstufe
LE2
Leitschaufel der zweiten Turbinenstufe
LE3
Leitschaufel der dritten Turbinenstufe
LE4
Leitschaufel der vierten Turbinenstufe
R
radiale Richtung

Claims (4)

  1. Befestigungsvorrichtung zur Befestigung von Hitzeschutzschilden (110, 120, 130, 140, 210, 220, 230, 240) in einer Turbomaschine, durch welche Befestigungsvorrichtung die Hitzeschutzschilde in einer radialen und einer axialen Einbauposition fixiert werden, welche Befestigungsvorrichtung aus einer Mehrzahl von Aufnahmeelementen (221, 222, 223) besteht, welche Aufnahmeelemente in wenigstens drei unterschiedlichen axialen Einbaupositionen an dem Hitzeschutzschild angeordnet sind, und welche Aufnahmeelemente im Einbauzustand in Befestigungsnuten einer Welle (1) oder eines Gehäuses (2) der Turbomaschine eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die axial am weitesten aussen liegenden Aufnahmeelemente (221, 223) im Einbauzustand in radialer Richtung (R) spielfrei in den Befestigungsnuten angeordnet sind, und die axial zwischen diesen angeordneten Aufnahmeelemente (222) ein radiales Spiel (s) in der Befestigungsnut aufweisen.
  2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente als Haken ausgebildet sind.
  3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Spiel (s) kleiner als 20% eines Masses h ist, wobei das Mass h als das Mass von der im Betrieb von Heissgas überströmten Seite des Hitzeschutzschildes bis zu der am weitesten von dieser entfernten Stelle eines Aufnahmeelementes ist.
  4. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Spiel (s) zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt
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