EP1076161A2 - Vorrichtung und Verfahren zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine Download PDF

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EP1076161A2
EP1076161A2 EP00810683A EP00810683A EP1076161A2 EP 1076161 A2 EP1076161 A2 EP 1076161A2 EP 00810683 A EP00810683 A EP 00810683A EP 00810683 A EP00810683 A EP 00810683A EP 1076161 A2 EP1076161 A2 EP 1076161A2
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EP
European Patent Office
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stator
stator segment
rotor
segment
carrier
Prior art date
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EP00810683A
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Peter Marx
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
ABB Schweiz AG
Alstom Technology AG
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Publication date
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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
    • 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
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • 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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device and to a method for targeted Gap setting between stator and rotor arrangement of a turbomachine, whose stator arrangement has a stator carrier and at least one stator segment, which can be connected to the stator carrier via at least two retaining webs, and whose rotor arrangement has at least one rotor blade row rotatable about an axis of rotation with a large number of individual blades, the blade ends of which face the stator segment and with it a radial gap lock in.
  • Turbomachines of the aforementioned type serve primarily on the one hand the targeted compression of gases, as is the case with compressor stages in turbo systems the case is, like the controlled expansion, highly compressed and fast-flowing media for driving gas turbines, which are known per se Be used for energy generation.
  • the other aspect of the fluid machine is the increase in their efficiency and associated with it highly efficient conversion of energy by means of the turbomachine working medium passing through. Loss mechanisms, both in the Compression of the working media to be compressed as well as when driving turbines occur, it must be reduced by technical means or avoided altogether.
  • thermal turbomachinery between the rotating and the stationary system components keep the radial gap as small as possible to avoid the so-called leakage currents to reduce the small but if existing mass flows of the represent working medium passing through the turbomachine without participate in the desired energy conversion. Make leakage currents thus loss mechanisms that represent the efficiency of turbomachines able to reduce considerably.
  • One way of realizing a gap control passively is the targeted one Optimization of material combinations with certain selected coefficients of thermal expansion, the one thermal expansion at all, the gap determining system components, causing the gap on the one hand, a assumes minimum size and on the other hand this minimum gap width over the entire Operating range, that is, temperature range of the turbomachines maintained.
  • Another possibility to keep the gap dimension small is to accept abrasive surface processes on stator and rotor components. Here they are opposite, almost touching surfaces with abrasive surface coatings provided that the operation of the turbomachine by an intended Grinding or grinding are removed in a targeted manner and thus to an optimized Lead gap.
  • the gap formed by an abrasive process points to one unique operating cycle of the turbomachine an optimized maximum gap width which, however, cannot be reduced again.
  • the invention has for its object a device for targeted gap adjustment to specify between the stator and rotor arrangement of a turbomachine, whose stator arrangement has a stator carrier and at least one stator segment has, which can be connected to the stator carrier via at least two retaining webs and their rotor arrangement at least one rotatable about an axis of rotation Blade row with a large number of individual blades, the blade ends face the stator segment and with them a radial Include gap, develop such that the gap regardless of the operating state the turbomachine has the smallest possible gap width, which is without active control.
  • the device has at least one stator segment, on which two retaining webs are arranged at a distance from one another, which at least partially engage in counter contours within the stator carrier.
  • At least one holding web has a holding web section which engages in the counter-contour of the stator carrier and provides a longitudinal extension, the direction of which makes an angle with a plane which contains the axis of rotation and is oriented orthogonally to the radial longitudinal extension of the rotor blade which encloses the gap with the stator segment a limited, for which the following applies: 0 ° ⁇ ⁇ 90 ° or 90 ° ⁇ ⁇ 180 °.
  • stator segment exposed to the hot combustion gases experiences this a linear expansion, but due to the two, in the opposite contours of the stator carrier engaging retaining webs do not unfold completely without resistance can. Nevertheless, the stator segment is capable of heating and the given Coefficient of thermal expansion to expand a certain amount. Since the inclined retaining web portion relative to it in the stator carrier provided counter contour is movably an elongation of the stator segment parallel to its extension. The relative movement to Stator carrier comes about by the fact that there is a different elongation of related components sets at different temperatures and expansion coefficient is due.
  • the angle limitation between 0 ° ⁇ ⁇ 90 ° specified above must be provided, if the stator carrier is able to expand more slowly than the stator segment. In the opposite case, in which the stator during the transient operating behavior expands faster than the stator segment is an angle ⁇ between 90 ° ⁇ ⁇ 180 ° to choose.
  • FIG. 1 of a rotor and stator arrangement in Schematic longitudinal section shows four blade 1, with their blade ends face a stator arrangement 2.
  • the stator arrangement 2 has one Stator carrier 3, which generally also represents the stator housing, and stator segments 4, each corresponding to the holding webs 5, 6 and 7 in corresponding Counter contours 8, 9, 10 are in operative connection with the stator carrier 3.
  • Each Stator segment 4 of the rotor blade 1 is spaced opposite and includes with this the gap 11, which applies to the smallest possible gap dimension to limit.
  • the rotor 1 and stator arrangement 2 shown in FIG. 1 shows a longitudinal section by a rotary machine arranged symmetrically to the axis of rotation 12.
  • the stator carrier 3 thus completely encloses the rotor arrangement 1, a large number of stator segments on the inside of the stator carrier 3 2 are arranged side by side per blade row, which in the specified Are connected to the stator carrier 3.
  • Each individual one of the stator segments arranged opposite each row of blades In the exemplary embodiment according to FIG. 1, 4 has a flat section 12, whose top 13 faces the blades 1 and whose other upper side 14 faces the stator carrier 3.
  • the holding webs 5, 6 and 7 are provided, of which the Retaining webs 5 and 6 formed mirror-symmetrically related to the center of symmetry axis 15 are.
  • the retaining web 7 serves as a securing web and projects with its straight line shaped contour in a corresponding shaped counter-contour 10 in the stator carrier inside.
  • the holding web 7 serves as axial referencing of the stator segment 4 with regard to the possible expansions or movements of the other holding webs.
  • the Retaining webs 5, 6 each have one directly from the top 14 of the stator segment 4 vertically projecting section 16, which in a recess 17 opens into the stator carrier 3.
  • Inclined at an angle a which is preferred is greater than 0 ° and less than 90 °, - and from the above Reasons can also be between 90 ° and 180 ° - preferably from technical reasons between 10 ° and 45 °, and on an imaginary axial runs reference line, which in the embodiment is parallel to the inside of the stator carrier 3 and also parallel to the longitudinal extent of the flat section of the stator segment 12 runs, an inclined one closes Holding web section 18 to the holding web section 16 and ends on one side.
  • the opposite contour 8, 9 each have two inclined surfaces 19, 20, along which the retaining web 18 is positively guided with its outer contour. The two ends the holding web sections 18 of the holding webs 5, 6 are each arranged facing each other.
  • expandable sealing elements 21 are provided (see Figure 3), which consist of a are heat-resistant elastomer or made from a spring element and serve to seal the stator segment from the carrier.
  • stator segment and its arrangement inside the stator carrier it is now possible to take place those that take place when heated To use material expansion effects such that the gap dimension s of the Gap 11 at largely all temperature and operating conditions, especially but to a minimum value in the normal operating state of the turbomachine can be held.
  • stator segment 4 This expands in the course of the temperature increase within the turbomachine flat stator segment 4, in particular in flat section 12.
  • the length of the stator segment 4 is symmetrical to the centrally arranged Retaining or securing web 7, which is movable in the radial direction in the Counter contour 10 of the stator carrier 3 protrudes.
  • both holding webs 5, 6 are driven outwards. Due to the inclination of the holding web sections 18 and their positive guidance along the inclined surfaces 19, 20, the entire stator segment 4 in the radial direction towards the blade end. That way it will Gap s reduced despite heating within the turbomachine.
  • stator segment 4 When the rotor and stator arrangement is heated, the stator segment 4 experiences one higher and faster heating than the radially behind the stator segment 4 Stator carrier 3, especially since this is thermally protected by the stator segment 4 lies.
  • the resulting relative movement between the two components 3, 4 depends essentially of the temperature difference and the coefficient of thermal expansion of the selected materials.
  • the stator segment 2 expands relative to Carrier 3, determines the increase in the distance b between the holding webs 5, 6 the forced displacement in the radial direction, resulting from the angle of inclination a of the holding web section 18.
  • the inclination a of the holding web defines the radial displacement of the stator segment in the way it is from the geometric Connection emerges in Figure 2.
  • a right-angled triangle can be seen in FIG. 2, the border of which is the amount corresponds to the relative length extension ⁇ b and its counter-catheter corresponds to the radial one Forced displacement ⁇ s (gap reduction) corresponds.
  • the angle ⁇ is determined by the Hypotenuse and the neighbor included. The angle ⁇ thus defines the radial displacement of the stator segment corresponding to the expansion of the annular Stator carrier and thus directed against the enlargement of the gap to the rotor blade is.
  • FIG. 3 is another embodiment, provided with already introduced Reference numerals, shown, on their meaning with reference to the embodiment is referred to in FIG. 1.
  • the inclined retaining web sections 18 of the retaining webs 5, 6 a 90 ° larger Angle ⁇ on.
  • This angle constellation is chosen in those cases, if there is the stator carrier 3 expands faster by the action of heat than the stator segment 4, at least in the case during the transient operating behavior of the gas turbine. If the gas turbine reaches its normal operating state, the selected one Angle adjustment in the range between 90 ° and 180 ° also a reduction the gap width 11 achieved.
  • the embodiment according to FIG. 3 also has stretchable sealing elements 21 can be removed, which is used to seal the retaining webs with respect to the stator carrier 3 serve. They are between the holding webs 5, 6 and a recess 17 within of the stator carrier 3 is provided.
  • the seals 21 are as Spring elements designed, but there are also temperature-resistant Elsatomer sealing elements applicable.
  • Figure 4 illustrates the spatial orientation of the connection between the stator segments 4 and the stator carrier 3. On the reference numerals already introduced is referred.
  • the two Provide footbridges only one of which in the same or similar manner is designed as the holding webs 5, 6 in the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the second retaining bridge could only be designed as a safety bridge and as Brackets serve for the force caused by the linear expansion of the stator segment occurs to support accordingly.
  • the retaining webs 5, 6 are arranged one behind the other in the axial direction of the turbomachine.
  • the surface contours of the stator carrier 3, the stator segment 4 as well as the blade ends can be designed and adapted to one another.
  • An essential aspect is that at least one holding web has at least one holding web section which is inclined by the angle a, the angle a of the direction of the longitudinal extent of the inclined retaining web section and one Plane is included, which contains the axis of rotation R and thereby perpendicular to radial longitudinal extent of the rotor blade that is the gap 11th includes.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine, deren Statoranordnung einen Statorträger und wenigstens ein Statorsegment aufweist, das über wenigstens zwei Haltestege mit dem Statorträger verbindbar ist, und deren Rotoranordnung wenigstens eine, um eine Rotationsachse rotierbare Laufschaufelreihe mit einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln vorsieht, deren Laufschaufelenden dem Statorsegment gegenüberstehen und mit diesem einen radialen Spalt einschließen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die zwei Haltestege beabstandet voneinander auf dem Statorsegment angeordnet sind und wenigstens teilweise in Gegenkonturen innerhalb des Statorträgers eingreifen, daß wenigstens ein Haltesteg einen, in die Gegenkontur des Statorträgers eingreifenden, geneigten Haltestegabschnitt aufweist, dessen Richtung seiner Längserstreckung mit einer, die Rotationsachse enthaltenen Ebene, die orthogonal zur radialen Längserstreckung derjenigen Laufschaufel orientiert ist, die mit dem Statorsegment den Spalt einschließt, einen Winkel a begrenzt, für den gilt: 0° < α < 90° oder 90° < α <180°. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine, deren Statoranordnung einen Statorträger und wenigstens ein Statorsegment aufweist, das über wenigstens zwei Haltestege mit dem Statorträger verbindbar ist, und deren Rotoranordnung wenigstens eine, um eine Rotationsachse rotierbare Laufschaufelreihe mit einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln vorsieht, deren Laufschaufelenden dem Statorsegment gegenüberstehen und mit diesem einen radialen Spalt einschließen.
Stand der Technik
Strömungsmaschinen der vorbezeichneten Gattung dienen vornehmlich einerseits der gezielten Kompression von Gasen, wie es bei Verdichterstufen in Turboanlagen der Fall ist, wie auch andererseits der kontrollierten Expansion, hochverdichteter und schnellströmender Medien zum Antrieb von Gasturbinen, die in an sich bekannter Weise zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Der andere Aspekt der Strömungsmaschine ist die Steigerung ihrer Wirkungsgrade und damit verbunden eine hocheffiziente Umwandlung von Energie vermittels des durch die Strömungsmaschine hindurch tretenden Arbeitsmediums. Verlustmechanismen, die sowohl bei der Verdichtung der zu komprimierenden Arbeitsmedien als auch beim Antrieb von Turbinen auftreten, gilt es mit technischen Mitteln zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
In diesem Zusammenhang gilt es insbesondere den sich bei thermischen Turbomaschinen zwischen den rotierenden und den stationären Anlagenkomponenten ausbildenden radiale Spalt so klein wie möglich zu halten, um die sogenannten Verlustströme zu reduzieren, die kleine aber wenn auch vorhandene Massenströme des durch die Strömungsmaschine hindurchtretenden Arbeitsmediums darstellen, ohne dabei an der gewünschten Energiekonversion teilzunehmen. Verlustströme stellen somit Verlustmechanismen dar, die den Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen erheblich zu reduzieren vermögen.
Die besondere Problematik bei der Reduzierung von Verlustströmen liegt zum einen in der Notwendigkeit einer diskreten Beabstandung zwischen den stationären und rotierenden Komponenten einer Strömungsmaschine, um den Freilauf der Rotoranordnung zu gewährleisten; zum anderen gilt es eben diesen Zwischenraum aus den erwähnten Gründen so gering wie nur möglich zu halten und dies unter der erschwerenden Maßgabe, daß sich die Anlagenkomponenten einer Strömungsmaschine im Wege thermischer Belastung auszudehnen vermögen, wodurch sich die Relativlagen der einzelnen Komponenten aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsverhalten während des Betriebes einer Strömungsmaschine verändern. Dies erschwert überdies eine möglichst minimale Spaltdimensionierung für den gesamten Betriebsbereich einer Strömungsmaschine, die - je nach Art der Strömungsmaschine - einem großen Temperaturspektrum ausgesetzt ist. So unterliegen die rotierenden Bauteile infolge der auf diese einwirkenden Fliehkräfte einer schnelleren Ausdehnung, was grundsätzlich zu einer Spaltreduzierung führen würde, als die komplex, thermisch isolierten Komponenten des Stators, die eine langsamere Erwärmung erfahren und in einem thermisch stationären Betriebszustand durch Ausdehnung zu einer Vergrößerung des Spaltmaßes beitragen.
Zur Kontrolle bzw. Beeinflussung des Spaltmaßes sind sowohl aktive als auch passive Maßnahmen bekannt, wobei im Folgenden die passiven Vorkehrungen näher in Betracht gezogen werden, zumal aktive Steuervorkehrungen, die durch mechanische Einstellsysteme zur Spaltkontrolle realisiert sind, eine hohe Komplexität aufweisen, die für robuste, thermisch hoch beanspruchte Maschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, nur bedingt geeignet sind.
Eine Möglichkeit eine Spaltkontrolle auf passivem Wege zu realisieren, ist die gezielte Optimierung von Materialkombinationen mit bestimmt ausgewählten Wärmeausdehnungskoeffizienten, die eine thermische Ausdehnung bei allen, den Spalt bestimmenden Anlagenkomponenten bewirkt, wodurch der Spalt zum einen, eine minimale Größe annimmt und zum anderen diese minimale Spaltweite über den gesamten Betriebsbereich, das heißt Temperaturbereich der Strömungsmaschinen beibehält.
Aufgrund der sehr komplexen Gestaltung bekannter Turbomaschinen sind die Möglichkeiten der beliebigen Wahl von Materialkombinationen für Stator- und Rotorbauteile zur Verbesserung des thermischen Verhaltens sehr begrenzt. Zwar kann die Materialwahl unter Berücksichtigung des Spalt-Weiten-Problems getroffen werden, doch vermag man bislang die Reduzierung des Spaltmaßes durch die bloße Wahl der Materialkombination in Alleinstellung nicht befriedigend zu lösen.
Eine andere Möglichkeit das Spaltmaß gering zu halten, ist das Inkaufnehmen von abrasiven Oberflächenvorgängen an Stator- und Rotorbauteilen. Hierbei sind die sich gegenüberliegenden fast berührenden Oberflächen mit abrasiven Oberflächenbeschichtungen versehen, die beim Betrieb der Strömungsmaschine durch ein beabsichtigtes Ab- bzw. Einschleifen gezielt abgetragen werden und somit zu einem optimierten Spalt führen.
Der sich durch einen abrasiven Vorgang ausbildende Spalt weist jedoch nach einem einmaligen Betriebszyklus der Strömungsmaschine eine optimierte maximale Spaltweite auf, die sich jedoch nicht wieder reduzieren läßt.
Schließlich sind auch konstruktive Maßnahmen für eine gleichmäßige Ausdehnung der Rotor- und Statorkomponenten einer Strömungsmaschine möglich, die jedoch allesamt mit einem erheblichen konstruktiven Mehraufwand verbunden sind, die überdies nicht für einen langzeitstabilen robusten Einsatz in Gasturbinen geeignet sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur gezielten Spalteinstellung zwischen der Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine anzugeben, deren Statoranordnung einen Statorträger und wenigstens ein Statorsegment aufweist, das über wenigstens zwei Haltestege mit dem Statorträger verbindbar ist und deren Rotoranordnung wenigstens eine, um eine Rotationsachse rotierbare Laufschaufelreihe mit einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln vorsieht, deren Laufschaufelenden dem Statorsegment gegenüberstehen und mit diesen einen radialen Spalt einschließen, derart weiterzubilden, daß der Spalt unabhängig vom Betriebszustand der Strömungsmaschine eine möglichst kleinste Spaltweite aufweist, die sich ohne eine aktive Regelung einstellt. Die hierbei zu treffenden mechanischen, konstruktiven Maßnahmen sollen einfach und kostengünstig realisiert werden und den Anforderungen eines robusten langzeitstabilen Einsatzes, beispielsweise in einer, in einem stationären Betrieb befindliche Gasturbine, genügen. Überdies soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine optimale reduzierte Spaltweiteneinstellung innerhalb einer Strömungsmaschine zwischen Stator- und Rotoranordnung ohne die Verwendung aktiver Steuer- und Regelungsmechanismen möglich ist.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegend Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruch 12. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche, der Beschreibung sowie der Figuren zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Oberbegriffs des Anspruchs 1 weist wenigstens ein Statorsegment auf, auf dem zwei Haltestege beabstandet voneinander angeordnet sind, die wenigstens teilweise in Gegenkonturen, innerhalb des Statorträgers eingreifen. Wenigstens ein Haltesteg weist einen Haltestegabschnitt auf, der in die Gegenkontur des Statorträgers eingreift und eine Längserstreckung vorsieht, dessen Richtung mit einer, die Rotationsachse enthaltenen Ebene, die orthogonal zur radialen Längserstreckung derjenigen Laufschaufel orientiert ist, die mit dem Statorsegment den Spalt einschließt, einen Winkel a begrenzt, für den gilt: 0° < α < 90° oder 90° < α < 180°.
Durch die immanente Erwärmung des beim Betrieb der Strömungsmaschine unmittelbar den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzten Statorsegmentes erfährt dieses eine Längenausdehnung, die sich jedoch aufgrund der beiden, in die Gegenkonturen des Statorträgers eingreifenden Haltestege nicht vollständig widerstandsfrei entfalten kann. Dennoch vermag sich das Statorsegment durch Erwärmung und dem gegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, um einen bestimmten Betrag auszudehnen. Da der geneigt verlaufende Haltestegabschnitt relativ zu seiner in dem Statorträger vorgesehenen Gegenkontur beweglich gelagert ist wird eine Längung des Statorsegmentes parallel zu seiner Erstreckung ermöglicht. Die Relativbewegung zum Statorträger kommt dadurch zustande, daß sich eine unterschiedliche Längendehnung der in Verbindung stehenden Bauteile einstellt, die auf unterschiedliche Temperaturen und Ausdehnungskoeffizienten zurückzuführen ist.
Mit der zwangsgeführten Bewegung des geneigt zur Rotationsachse bzw. geneigt zu einer, die Rotationsachse enthaltenden Ebene, in der Gegenkontur geführten Haltestegabschnitt verursacht die thermische Materialausdehnung des Statorsegmentes eine Beabstandung der Oberfläche des Statorsegmentes von dem Statorträger, wodurch das Spaltmaß zwischen dem Statorsegment und einer, diesem gegenüberstehenden Turbinenschaufel reduziert wird. Nach entsprechender Abkühlung der Anlagenkomponenten führt eine entsprechende Längenverminderung des Statorsegmentes zu einer reversibel Relativbewegung zum Statorträger, was mit einer Spaltweitenveränderung verbunden ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es möglich mit einfachen konstruktiven Mitteln eine reversible, minimale Spaltweitenanpassung während des gesamten Betriebes einer Strömungsmaschine zu realisieren.
Die vorstehend angegebene Winkelbegrenzung zwischen 0°<α<90° ist vorzusehen, sofern sich der Statorträger langsamer auszudehnen vermag als das Statorsegment. Im umgekehrten Falle, bei dem sich der Stator während des transienten Betriebsverhalten schneller ausdehnt als das Statorsegment ist ein Winkel α zwischen 90°<α<180° zu wählen.
Auf das im Anspruch 12 formulierte erfindungsgemäße Verfahren wird an dieser Stelle hingewiesen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1
Schematisierte Längsschnittdarstellung durch den Teil einer Rotoranordnung sowie Statoranordnung mit einer selbsttätigen Spaltweiteneinstellung,
Fig. 2
Dreieckszusammenhang zur Erläuterung der Zwangsverschiebung,
Fig. 3
ein mittleres Ausführungsbeispiel und
Fig. 4
eine räumliche Ausrichtungsweise.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Rotor- und Statoranordnung im schematisierten Längsschnitt zeigt vier Laufschaufel 1, die mit ihren Laufschaufelenden einer Statoranordnung 2 gegenüberstehen. Die Statoranordnung 2 weist einen Statorträger 3 auf, der im allgemeinen auch das Statorgehäuse darstellt, sowie Statorsegmente 4, die jeweils über Haltestege 5, 6 und 7 in entsprechend korrespondierende Gegenkonturen 8, 9, 10 mit dem Statorträger 3 in Wirkverbindung stehen. Jedes Statorsegment 4 ist der Laufschaufel 1 beabstandet gegenüber angeordnet und schließt mit dieser den Spalt 11 ein, den es gilt auf ein möglichst geringes Spaltmaß zu begrenzen.
Die in Figur 1 dargestellte Rotor- 1 und Statoranordnung 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitgehend zur Rotationsachse 12 symmetrisch angeordnete Rotationsmaschinen. So umschließt der Statorträger 3 die Rotoranordnung 1 angulär vollständig, wobei auf der Innenseite des Statorträgers 3 eine Vielzahl von Statorsegmenten 2 pro Laufschaufelreihe nebeneinander angeordnet sind, die in der angegebenen Weise mit dem Statorträger 3 verbunden sind.
Jedes einzelne, der jeweils gegenüber einer Laufschaufelreihe angeordnete Statorsegmente 4 weist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 einen flächigen Abschnitt 12 auf, dessen eine Oberseite 13 den Laufschaufeln 1 gegenübersteht und dessen andere Oberseite 14 dem Statorträger 3 zugewandt ist. Auf der Oberseite 14 des Statorsegmentes 4 sind die Haltestege 5, 6 und 7 vorgesehen, von denen die Haltestege 5 und 6 spiegelsymmetrisch bezogen zu Mittensymmetrieachse 15 ausgebildet sind. Der Haltesteg 7 dient als Sicherungssteg und ragt mit seiner geradlinig geformten Kontur in eine entsprechende geformte Gegenkontur 10 in den Statorträger hinein. Der Haltesteg 7 dient als axiale Referenzierung des Statorsegmentes 4 bzgl. der möglichen Ausdehnungen bzw. Bewegungen der übrigen Haltestege. Die Haltestege 5, 6 weisen jeweils einen unmittelbar von der Oberseite 14 des Statorsegmentes 4 senkrecht emporragenden Abschnitt 16 auf, der in eine Ausnehmung 17 innerhalb des Statorträgers 3 einmündet. Geneigt um einen Winkel a, der vorzugsweise größer 0° und kleiner 90° bemessen ist, - und aus den vorstehend genannten Gründen auch zwischen 90° und 180 ° betragen kann - vorzugsweise aus technischen Gründen zwischen 10° und 45° mißt, und sich auf eine gedachte axial verlaufende Bezugslinie bezieht, die im Ausführungsbeispiel parallel zur Innenseite des Statorträgers 3 sowie auch parallel zur Längserstreckung des flächigen Abschnittes des Statorsegmentes 12 verläuft, schließt sich ein geneigt verlaufender Haltestegabschnitt 18 an den Haltestegabschnitt 16 an und endet einseitig. Die Gegenkontur 8, 9 weist jeweils zwei schrägverlaufende Flächen 19, 20 auf, entlang denen der Haltesteg 18 mit seiner Außenkontur zwangsgeführt ist. Die beiden Enden der Haltestegabschnitte 18 der Haltestege 5, 6 sind jeweils zueinander gerichtet angeordnet.
Aus Gründen einer symmetrischen Zentrierung des Statorsegmentes 4 relativ zu einer Mittensymmetrieachse 15 durch den Haltesteg 7 sind beidseitig in den Ausnehmungen 17 dehnbare Dichtungselemente 21 vorgesehen (siehe Figur 3), die aus einem hitzebeständigen Elastomer oder aus einem Federelement gefertigt sind und zur Abdichtung des Statorsegmentes gegenüber dem Träger dienen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Statorsegmentes sowie dessen Anordnung innerhalb des Statorträgers ist es nun möglich, die bei Erwärmung stattfindenden Materialausdehnungseffekte derart zu nutzen, daß das Spaltmaß s des Spaltes 11 bei weitgehend allen Temperatur- und Betriebsbedingungen, vor allem aber im Normalbetriebszustand der Strömungsmaschine auf einen kleinsten Wert gehalten werden kann.
Im Zuge der Temperaturerhöhung innerhalb der Strömungsmaschine dehnt sich das flächig ausgebildete Statorsegment 4 insbesondere im flächigen Abschnitt 12 aus. Die Längenausdehnung des Statorsegmentes 4 erfolgt symmetrisch zum mittig angeordneten Halte- bzw. Sicherungssteg 7, der in radialer Richtung beweglich in die Gegenkontur 10 des Statorträgers 3 hineinragt. Durch die Längung des Statorsegmentes 4 relativ zum Statorträger 3 werden beide Haltestege 5, 6 nach außen getrieben. Aufgrund der Neigung der Haltestegabschnitte 18 und deren Zwangsführung entlang der schräg verlaufenden Flächen 19, 20 wird das gesamte Statorsegment 4 in Radialrichtung in Richtung Laufschaufelende zu bewegt. Auf diese Weise wird das Spaltmaß s trotz Erwärmung innerhalb der Strömungsmaschine reduziert.
Bei Erwärmung der Rotor- und Statoranordnung erfährt das Statorsegment 4 eine höhere und schnellere Erwärmung als der radial hinter dem Statorsegment 4 befindliche Statorträger 3, zumal dieser durch das Statorsegment 4 thermisch geschützt liegt. Die resultierende Relativbewegung zwischen beiden Komponenten 3, 4 hängt im wesentlichen von der Temperaturdifferenz sowie den Wärmeausdehnungskoeffizienten der gewählten Materialien ab. Ein für das Ausmaß der radialen Zwangsverschiebung des Statorsegmentes 4 verantwortlicher Parameter, der zur Spaltverringerung führt, ist die axiale Ausdehnung b des Flächenbereiches 12 des Statorsegmentes 2 zwischen beiden Haltestegen 5, 6. Dehnt sich das Statorsegment 2 relativ zum Träger 3 aus, bestimmt die Vergrößerung des Abstandes b zwischen den Haltestegen 5, 6 die Zwangsverschiebung in radialer Richtung, resultierend aus dem Neigungswinkel a des Haltestegabschnittes 18. Die Neigung a des Haltesteges definiert die radiale Verschiebung des Statorsegmentes in der Weise, wie es aus dem geometrische Zusammenhang in Figur 2 hervorgeht.
In Figur 2 ist ein rechtwinkliges Dreieck zu entnehmen dessen Ankathete dem Betrag der Relativlängenausdehnung Δb entspricht und dessen Gegenkathete der radialen Zwangsverschiebung Δs (Spaltverringerung) entspricht. Der Winkel α wird durch die Hypothenuse und der Ankathete eingeschlossen. Somit definiert der Winkel α die radiale Verschiebung des Statorsegmentes, die der Ausdehnung des ringförmigen Statorträgers und damit der Vergrößerung des Spaltes zur Laufschaufel entgegengerichtet ist.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, versehen mit bereits eingeführten Bezugszeichen, dargestellt, auf deren Bedeutung unter Verweis auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 verwiesen wird. Im Unterschied zu Figur 1 weisen die geneigt verlaufenden Haltestegabschnitte 18 der Haltestege 5, 6 einen um 90° größeren Winkel α auf. Diese Winkelkonstellation wird in jenen Fällen gewählt, falls sich der Statorträger 3 schneller durch Wärmeeinwirkung ausdehnt, als das Statorsegment 4, zumindest im Falle während des transienten Betriebsverhalten der Gasturbine. Erreicht die Gasturbine ihren normalen Betriebszustand, so wird mit der gewählten Winkeleinstellung im Bereich zwischen 90° und 180° ebenfalls eine Verringerung der Spaltweite 11 erzielt.
Femer sind dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 dehnbare Dichtungselemente 21 entnehmbar, die zur Abdichtung der Haltestege gegenüber dem Statorträger 3 dienen. Sie sind zwischen den Haltestegen 5, 6 und einer Ausnehmung 17 innerhalb des Statorträgers 3 vorgesehen. Im gezeigten Beispiel sind die Dichtungen 21 als Federelemente ausgebildet, es sind aber auch temperaturbeständige Elsatomerdichtelemente einsetzbar.
Figur 4 veranschaulicht die räumliche Ausrichtung der Verbindungsweise zwischen den Statorsegmenten 4 und dem Statorträger 3. Auf die bereits eingeführten Bezugszeichen wird verwiesen.
Grundsätzlich lassen sich auch andere Ausführungsbeispiele vorstellen, die zwei Haltestege vorsehen, von denen nur ein einziger in der gleichen oder ähnlichen Weise ausgebildet ist, wie die Haltestege 5, 6 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Der zweite Haltesteg könnte lediglich als Sicherungssteg ausgeführt sein und als Gegenhalter dienen um die Kraft, die durch die Längenausdehnung des Statorsegmentes auftritt, entsprechend abzustützen. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die Haltestege 5, 6 in Axialrichtung der Strömungsmaschine hintereinander angeordnet. Grundsätzlich es ist auch denkbar, die Haltestege achsparallel in den Statorträger anzuordnen, d.h. ein Einfügen der Haltestege der Statorsegmente in den Statorträger wäre in diesem Falle nicht in Umfangsrichtung zum Statorträger möglich, sondern in achsparalleler Richtung.
Auch können die Oberflächenkonturen des Statorträgers 3, des Statorsegmentes 4 sowie der Laufschaufelenden beliebig ausgebildet und miteinander angepaßt sein. Wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß wenigstens ein Haltesteg wenigsten einen Haltestegabschnitt aufweist, der um den Winkel a geneigt ist, wobei der Winkel a von der Richtung der Längserstreckung des geneigten Haltestegabschnittes und einer Ebene eingeschlossen ist, die die Rotationsachse R enthält und dabei senkrecht zur radialen Längserstreckung derjenigen Laufschaufel orientiert ist, die den Spalt 11 einschließt.
Bezugszeichenliste
1
Laufschaufel
2
Statoranordnung
3
Statorträger
4
Statorsegment
5
Haltesteg
6
Haltesteg
7
Haltesteg, Sicherungssteg
8,9,10
Gegenkontur
11
Spalt
12
Flächiger Abschnitt des Statorsegmentes
13
Oberfläche des Statorsegmentes
14
Oberfläche des Statorsegmentes
15
Mittensymmetrieachse
16
Haltestegabschnitt
17
Ausnehmung
18
geneigt verlaufender Haltestegabschnitt
19,20
Schräg verlaufender Flächenabschnitt
21
Dehnbares Dichtungselement

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- (2) und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine, deren Statoranordnung (2) einen Statorträger (3) und wenigstens ein Statorsegment (4) aufweist, das über wenigstens zwei Haltestege (5, 6) mit dem Statorträger (3) verbindbar ist, und deren Rotoranordnung wenigstens eine, um eine Rotationsachse rotierbare Laufschaufelreihe mit einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln (1) vorsieht, deren Laufschaufelenden dem Statorsegment (4) gegenüberstehen und mit diesem einen radialen Spalt (11) einschließen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Haltestege (5, 6) beabstandet voneinander auf dem Statorsegment (4) angeordnet sind und wenigstens teilweise in Gegenkonturen (8, 9) innerhalb des Statorträgers (3) eingreifen,
    daß wenigstens ein Haltesteg (5) einen, in die Gegenkontur (8) des Statorträgers (3) eingreifenden, geneigten Haltestegabschnitt (18) aufweist, dessen Richtung seiner Längserstreckung mit einer, die Rotationsachse enthaltenen Ebene, die orthogonal zur radialen Längserstreckung derjenigen Laufschaufel (1) orientiert ist, die mit dem Statorsegment (4) den Spalt (11) einschließt, einen Winkel α begrenzt, für den gilt: 0° < α < 90° oder 90° < α < 180°.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß beide Haltestege (5, 6) spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Mittensymmetrieachse (15), die durch das Statorsegment (4) verläuft, ausgebildet und angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestege (5, 6, 7) innerhalb der Gegenkonturen (8, 9, 10) durch thermische Ausdehnung des gesamten Statorsegmentes (4), insbesondere durch die thermische Ausdehnung des zwischen beiden Haltestegen (5, 6,) liegenden Bereiches des Statorsegmentes (4), zum Statorträger (3) relativbeweglich gelagert sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der geneigte Haltestegabschnitt (18) ein frei, endender Endabschnitt des Haltesteges (5, 6) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der geneigte Haltestegabschnitt (18) relativ zum Statorsegment (4) derart orientiert ist, daß das lose Ende des Haltesteges (5) dem anderen Haltesteg (6) zugewandt ist oder daß die Enden beider Haltestege voneinander abgewandt sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Statorsegment (4) flächig ausgebildet ist, eine der Rotoranordnung zugewandte (13) sowie abgewandte Oberfläche (14) aufweist, durch die der Statorträger (3) gegenüber der Rotoranordnung thermisch abgeschirmt wird, und daß an der der Rotoranordnung abgewandten Oberfläche (14) die Haltestege (5, 6, 7) angebracht sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Haltesteg (5, 6) einen senkrechten, von der Oberfläche ausgehenden Abschnitt (16) aufweist, der über einen Knickbereich, in den geneigten Haltestegabschnitt (18) übergeht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längserstreckungen der senkrechten (16) und geneigten (18) Haltestegabschnitte den Winkel α + 90° einschließen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß in die Ausnehmung (17) des Statorträgers (3), in die der senkrechte Abschnitt (16) hineinragt, ein elastisches Dichtungselement (21) eingebracht ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß mittig zwischen zwei spiegelsymmetrisch ausgebildeten Haltestegen (5, 6) ein Sicherungssteg (7) vorgesehen ist, der senkrecht in den Statorträger (3) hineinragt und relativ zu diesem, in radialer Richtung zur Rotoranordnung, beweglich ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Statorträgers (3) und des Statorsegmentes (4) über unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten, wie unterschiedliche Temperatur- und/oder Wärmeausdehungskoeffizient verfügen.
  12. Verfahren zur gezielten Spalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnung einer Strömungsmaschine, deren Statoranordnung (2) einen Statorträger (3) und wenigstens ein Statorsegment (4) aufweist, das über wenigstens zwei Haltestege (5, 6) mit dem Statorträger (3) verbindbar ist, und deren Rotoranordnung wenigstens eine, um eine Rotationsachse rotierbare Laufschaufelreihe mit einer Vielzahl einzelner Laufschaufeln (1) vorsieht, deren Laufschaufelenden dem Statorsegment (4) gegenüberstehen und mit diesem einen radialen Spalt (11) einschließen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die durch Erwärmung verursachte Längung des Statorsegmentes (4) mittels Zwangsführung der Haltestege (5, 6) innerhalb des Statorträgers (3) eine radiale Lageverschiebung des gesamten Statorsegmentes (4) in Richtung der Rotoranordnung bewirkt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch verursachte Längung des Statorsegmentes (4) durch die Zwangsführung der Haltestege (5, 6) innerhalb des Statorträgers (3) jeweils entlang einer relativ zur Längungsrichtung um einen Winkel 0° < α < 90° oder 90° < α < 180° geneigten Fläche (19, 20) in eine Translationsbewegung des gesamten Statorsegmentes (4) relativ zum Statorträger (3) überführt wird, die im wesentlichen orthogonal zur Längungsrichtung verläuft.
  14. Verwendung des Verfahrens zur Reduzierung von Verlustströmen innerhalb von Rotationsmaschinen, vorzugsweise Verdichterstufen und Turbostufen einer Gasturbinenanlage.
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