EP1249577A1

EP1249577A1 - Gasturbine mit axial verschiebbaren Gehäuseteilen

Info

Publication number: EP1249577A1
Application number: EP01109198A
Authority: EP
Inventors: Christian Dr. Scholz; Peter Tiemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: CN1381670A; CN100400797C; US6676372B2; DE50112597D1; ES2286054T3; JP2002327603A; EP1249577B1; US20020164246A1; JP4283488B2

Abstract

Gasturbinen haben zum Ausgleich von unterschiedlichen Wärmedehnungen infolge thermisch instabiler Zustände häufig in Achsrichtung gegeneinander verschiebbare Leitteile (14/15), die einen trichterförmigen Gaskanal (7) von außen umfassen. Zur Optimierung eines Laufschaufelspitzenspaltes wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens eines der trichterförmigen Leitteile (14/15) durch einen Motor gesteuert axial zu verschieben. Durch die axiale Verschiebung wird infolge der trichterförmigen Gestalt der Leitteile die Weite des Laufschaufelspitzenspaltes verändert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Leit- und mit einem Laufschaufelkranz in einem Gaskanal und mit einem Gehäuse sowie darin gegen Rotation gesicherten axial gegeneinander verschiebbaren trichterförmigen Leitteilen als Träger von einen äußeren Mantel des Gaskanals bildenden Ringen.

Gasturbinen werden häufig nicht nur in ihrer Startphase, sondern auch im Dauerbetrieb mit wechselnden Lasten beaufschlagt. Das hat insbesondere auch hinsichtlich der von den einzelnen Bauteilen angenommen Temperaturen einen instationären Betrieb zur Folge. Zur Vermeidung von Schäden an der Turbine sind daher die einzelnen Bauteile üblicherweise so eingespannt, daß sie thermisch bedingte Maßänderungen ungehindert ausführen können.

Um Turbinenverluste durch Querströmungen über ihren Laufschaufelspitzen weitgehend zu minimieren, sind kleinstmögliche radiale Spalte zwischen den Laufschaufelspitzen und diesen gegenüberliegenden Leitflächen einzuhalten. Da sich sowohl die Laufschaufeln und ihr Rotor als auch Leitschaufeln und ihre Träger ebenso wie ein alles verbindendes Gehäuse zeitlich gesehen bei jeder Laständerung unterschiedlich ausdehnen und/oder schrumpfen, stellt sich ein optimaler radialer Spalt über den Laufschaufelspitzen nur für sehr wenige von beliebig vielen stationären Betriebszuständen ein. Der Betrieb dieser Gasturbinen erfolgt daher häufig mit einer nicht optimierten Spaltweite und demzufolge mit einem nicht optimierten Wirkungsgrad.

Durch die US-PS 4,177,004 ist eine Turbinengestaltung bekannt, bei der die Laufschaufelspitzen selbst Werkstoff von einer ihnen gegenüberliegenden Leitfläche abtragen, so daß für diese Anordnung bei dem Betriebszustand, bei dem die größte Annäherung der Laufschaufelspitzen an die Leitflächen erfolgt, der Laufschaufelspitzenspalt nahezu verschwindet. Bei jedem anderen Betriebszustand ist jedoch auch bei dieser bekannten Anordnung der Laufschaufelspitzenspalt wieder größer und damit weniger günstig.

Bei anderen bisher bekannten Anordnungen ist es zwar gelungen, durch die Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen die thermisch bedingten Relativbewegungen der Bauteile für viele Betriebszustände gering zu halten, aber auch dort gilt, daß nur jeweils bei einem bestimmten stationären Zustand ein optimaler Laufschaufelspitzenspalt herrscht. Bei jedem anderen Zustand treten wiederum weniger günstige Verhältnisse ein.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage so weiter zu entwickeln, daß bei ihr über eine Vielzahl von Betriebszuständen ein optimaler Laufschaufelspitzenspalt gegeben ist, so daß eine Grundvoraussetzung zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades gewährleistet ist.

Diese Aufgabe ist für eine Gasturbine der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst, in dem mindestens eines der trichterförmigen Leitteile durch einen Motor gesteuert axial verschiebbar ist. Zweckmäßig dienen dabei als Motor eine Vielzahl von auf den Umfang des Leitteiles verteilte hydraulische Pressen. Jedoch auch jede andere Art von Antrieben ist Inhalt dieser Erfindung. Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt in der Möglichkeit den Laufschaufelspitzenspalt durch axiale Bewegung des Leitteils aktiv einzustellen. Bei der Beschränkung der aktiven Einstellbarkeit auf axiale Bewegungen wird vorteilhaft die durch die trichterförmige Gestalt des Leitteils gegebene Konizität desselben ausgenutzt, denn infolge dieser Konizität bewirkt jede axiale Verschiebung desselben auch eine Veränderung des im wesentlichen radial zu betrachtenden Laufschaufelspitzenspalts.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 3 bis 12 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. dieser Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbine zwischen einem Treibgasein- und -austritt.

Auf einer nicht näher dargestellten Turbinenwelle 1 sind Laufschaufelkränze 2 mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 3 verkeilt. Ein durch Leitschaufelkränze 4 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 5 geführter Gasstrom 6 expandiert durch einen Gaskanal 7 und treibt dabei die Laufschaufeln 3.

Der Gaskanal 7 hat einen kreisringförmigen Querschnitt und ist an seinem druckseitigen Ende mit einer Heißgaskammer 8 verbunden, aus der komprimiertes und aufgeheiztes Gas in Pfeilrichtung zu einer Gasaustrittsöffnung 9 getrieben wird. Eine radial innenliegende Begrenzung des Gaskanals 7 wird von auf der Turbinenwelle 1 verkeilten Naben 10 der Laufschaufelkränze 2 und von den inneren Enden der Leitschaufeln 5 getragenen, nicht rotierenden Naben 11 der Leitschaufelkränze 4 gebildet. Fugen zwischen den Naben 10 und den Naben 11 sind durch Labyrinthdichtungen verschlossen.

Eine radial außenliegende Begrenzung des Gaskanals 7 hat eine trichterförmige, konische Form und wird durch Ringe 12 und 13 gebildet. Die Ringe 12 und 13 werden von trichterförmigen Leitteilen 14 und 15 getragen, wobei die Ringe 12 den freien Enden der Laufschaufeln 3 gegenüberliegen und die Ringe 13 die äußeren Enden der Leitschaufeln 5 halten und damit den von diesen gebildeten Leitschaufelkranz 4 insgesamt tragen. Spalten zwischen den Ringen 12 und 13 sind durch geeignete, nicht dargestellte Dichtringe verschlossen.

Die Leitteile 14 und 15 sind dickwandig, sehr steif und auf im Querschnitt vorzugsweise rechteckigen Klötzen 16 axial verschiebbar gelagert. Die Klötze 16 sind in einem Gehäuse 17 verankert und jedes der Leitteile 14 und 15 greift an seinen beiden Enden in je einen Kranz aus einer Vielzahl von Klötzen 16, so daß ein Verkanten für die Leitteile 14 und 15 ebenso ausgeschlossen ist, wie radiale Bewegungen.

Das Gehäuse 17 ist, bedingt durch seine Form und seine Wandstärke, ebenso steif wie die Leitteile 14 und 15 und trägt auf seiner Innenseite außer den Klötzen 16 je Leitteil 14 bzw. 15 eine starre Rippe 18. Diese starre Rippe 18 ist jeweils axial zwischen den Kränzen von Klötzen 16 vorgesehen, die demselben Leitteil 14 bzw. 15 zugeordnet sind. Die starre Rippe 18 ist insbesondere auch in axialer Richtung praktisch nicht verformbar.

Jedes der Leitteile 14 und 15 trägt eine radial nach außen vorstehende, vergleichsweise dünnwandige Anschlagrippe 19, die sich auf der der Heißgaskammer 8 zugekehrten Seite der zugehörigen starren Rippe 18 mit einem von ihrem freien Ende getragenen Wulst 20 abstützt. Am Fuß der Anschlagrippe 19 ist eine Verstärkung 21 angeordnet, die zwar ebenfalls der starren Rippe 18 zugekehrt ist, aber in axialer Richtung kürzer als der Wulst 20 ist.

Die Leitteile 14 und 15 sind in ihrem der Gasaustrittsöffnung 9 zugekehrten Bereich radial nach außen durch eine im Querschnitt vorzugsweise trapezförmige Versteifungsrippe 22 umfasst, die eine radial ausgerichtete, der zugeordneten starren Rippe 18 gegenüberliegende Anschlagfläche 23 aufweist. Zwischen den starren Rippen 18 und der ihr jeweils gegenüberliegenden Anschlagsfläche 23 sind gleichmäßig auf den Umfang des zugehörigen Leitteils 14 oder 15 verteilt eine Vielzahl von hydraulischen Pressen angeordnet. Kolben 24 dieser Pressen stützen sich unmittelbar an der starren Rippe 18 ab und zugehörige Zylinder 25 der Pressen liegen auf der Anschlagsfläche 23 der Versteifungsrippe 22. Ein Ringraum zwischen dem Gehäuse 17 und den Leitteilen 14 und 15 ist durch membranartige Zwischenwände 26 in Kammern unterteilt.

Alle demselben Leitteil 14 bzw. 15 zugeordneten Pressen bilden zusammen jeweils einen Linearmotor, der das von ihm beaufschlagte Leitteil 14 oder 15 gegenüber dem Gehäuse 17 axial in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 verschiebt. Bei dieser Verschiebung liegt die Anschlagrippe 19 mit ihrem Wulst 20 an der starren Rippe 18 und wird elastisch verformt. Die von den trichterförmigen Leitteilen 14 und 15 getragenen Ringe 12 liegen angenähert auf einem Kegelmantel und verändern bei axialer Verschiebung die Weite des Laufschaufelspitzenspaltes. Um ein Anstreifen eines Ringes 12 an den Spitzen der Laufschaufeln 3 auszuschließen, ist der axial mögliche Weg der Leitteile 14 bzw. 15 begrenzt. Als Endanschlag dient zu diesem Zweck die Verstärkung 21 als Anschlag an der starren Rippe 18.

Beim Anfahren der Gasturbine herrscht, ebenso wie bei jeder Laständerung an praktisch allen mit Bezugszeichen versehenen Teilen ein thermisch instabiler Zustand. Dabei sind die Änderungsgeschwindigkeiten an den einzelnen Teilen sehr unterschiedlich, so daß dementsprechend unterschiedliche Wärmedehnungen und -schrumpfungen an diesen Teilen auftreten. Diese unterschiedlichen Temperaturänderungen führen demzufolge zu Relativbewegungen der Teile gegeneinander, wobei insbesondere Veränderungen der Weite des Spaltes zwischen den Ringen 12 und den diesen gegenüberliegenden Spitzen der Laufschaufeln 3 einen nicht unwesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Turbine haben.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nun eine gezielte, aktive Einstellung gerade der Weite dieses Spaltes. Zu diesem Zweck wird diese Weite durch nicht dargestellte Sensoren gemessen. Bei erwünschter Verkleinerung der Spaltweite wird dann durch den von den Pressen dargestellten Motor das betreffende Leitteil 14 und/oder 15 in Richtung der Gasaustrittsöffnung 9 verschoben. Dabei wird die Anschlagrippe 19 federnd verspannt, so daß sie bei einer in der Gegenrichtung erforderlichen Bewegung das sie tragende Leitteil 14 oder 15 in Richtung auf die Heißgaskammer 8 zurückschiebt. Zur Erfüllung dieser Aufgabe erreichen die jeweils demselben Leitteil 14 oder 15 zugeordneten Pressen zusammen eine Axialkraft, die etwas dem 10-fachen einer betriebsbedingt von dem Gasstrom 6 auf das betreffende Leitteil 14 oder 15 ausgeübten Axialkraft entspricht. Dabei wirken beide Axialkräfte in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 und addieren sich.

Die bei ihrer Verformung von der Anschlagrippe 19 aufgenommene Verformungsenergie wird bei der Verstellung eines Leitteils 14 oder 15 in Richtung auf die Gasaustrittsöffnung 9 gespeichert und dient bei einer entgegengesetzten Bewegung zur Erzeugung einer Rückstellkraft. Diese Rückstellkraft ist in jeder Stellung des zugehörigen Leitteils 14 oder 15 größer, als die betriebsbedingt vom Gasstrom 6 auf dieses ausgeübte Axialkraft. Vorzugsweise ist die Rückstellkraft etwa 2 bis 3 mal so groß, wie die betriebsbedingte Axialkraft. Dadurch ist jedes der Leitteile 14 und 15 in jeder Stellung spielfrei an der starren Rippe 18 festgespannt.

Claims

Gasturbine mit einem Leit- (4) und mit einem Laufschaufelkranz (2) in einem Gaskanal (7) und mit einem Gehäuse (17) sowie darin gegen Rotation gesicherten axial gegeneinander verschiebbaren, trichterförmigen Leitteilen (14/15) als Träger von einen äußeren Mantel des Gaskanals (7) bildenden Ringen (12/13)
dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der trichterförmigen Leitteile (14/15) durch einen Motor gesteuert axial verschiebbar ist.
Gasturbine nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß als Motor mehrere auf den Umfang des Leitteiles (14/15) verteilte hydraulische oder pneumatische Pressen dienen.
Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, daß sich Kolben (24) der Pressen mit ihrem freien Ende an einer gehäusefesten, starren Rippe (18) abstützen.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kolben (24) der Pressen gleitende Zylinder (25) von dem Leitteil (14/15) getragen sind.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, daß das Leitteil (14/15) außer den Gaskanal (7) begrenzenden Ringen (12/13) mindestens einen Leitschaufelkranz (4) trägt.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß sich eine flanschartig vom Leitteil (14/15) radial nach außen vorstehende Anschlagrippe (19) mit ihrem freien Ende an der steifen gehäusefesten Rippe (18) abstützt und durch die Pressen elastisch verformbar ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, daß eine von den denselben Leitteil (14/15) beaufschlagenden Pressen gemeinsam erzeugbare Kraft mindestens um den Faktor 10 größer ist, als eine betriebsbedingt auf die Anschlagrippe (19) wirkende Axialkraft.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7
dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückstellkraft der elastisch verformten Anschlagrippe (19) größer ist, als die betriebsbedingt auf die Anschlagrippe (19) wirkende Axialkraft.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft durch Verschieben des trichterförmigen Leitteils (14/15) einen Laufschaufelspitzenspalt vergrößert.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9
dadurch gekennzeichnet, daß die flanschartige, elastisch verformbare Anschlagrippe (19) an ihrer Wurzel einen Endanschlag (Verstärkung 21) aufweist, der die elastische Verformung begrenzt.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10
dadurch gekennzeichnet, daß das Leitteil (14/15) sowohl axial vor, als auch axial hinter der Anschlagrippe (19) und der gehäusefesten Rippe (18) durch mehrere, über den Umfang des Leitteils (14) verteilte Axialführungen (Klotz 16) gegen Verkanten gesichert ist.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet, daß die Axialführungen (Klotz 16) vom Gehäuse (17) getragen sind.