EP1293644B1

EP1293644B1 - Träger für Leitschaufel und Wärmestausegment

Info

Publication number: EP1293644B1
Application number: EP02405745A
Authority: EP
Inventors: Alfred Paul Matheny; Alexander Beeck
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: US6514041B1; EP1293644A1; DE50211592D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Träger für eine Leitschaufel und einen Hitzeschutzschild für eine Laufschaufel in einer thermischen Turbomaschine wie zum Beispiel in einem Turbinenteil oder Kompressor einer Gasturbine zur Erzielung eines minimalen radialen Schaufelspiels.

Stand der Technik

Bei thermischen Turbomaschinen besteht zwischen den rotierenden Schaufeln und dem stationären Gehäuse sowie zwischen Leitschaufeln und Rotor ein radiales Schaufelspiel, das während des Betriebs durch mechanische und thermische Bewegungen der verschiedenen Maschinenteile bestimmt wird. Dabei ergeben sich bei den verschiedenen Betriebszuständen, wie zum Beispiel beim An- und Abfahren, beim konstantem Leistungsbetrieb und bei Lastveränderungen unterschiedliche Schaufelspiele, da sich die Schaufeln, das Gehäuse und der Rotor verschieden schnell ausdehnen und zusammenziehen. Wird das Schaufelspiel genügend gross gemacht, um ein Anstreifen und eine Beschädigung der Maschinenteile in jedem Betriebsfall zu verhindern, ergibt sich bei bestimmten Betriebszuständen ein unerwünscht grosses Schaufelspiel, das eine Reduktion der Leistung einer Gasturbine oder der Pumpgrenze eines Kompressors herbeiführt.
In den Bestrebungen, das Schaufelspiel zu verringern und dabei die Leistung der Turbomaschine zu erhöhen wurde stets versucht, gleichzeitig die Herstellungskosten und die Lebensdauer der Maschine beizubehalten. Hierfür sind zur Begrenzung der Ausdehnung des stationären Gehäuses beispielsweise erzwungene Kühlung des stationären Gehäuses oder Materialien von niedrigem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt worden.
In der DE 1 057 827 ist ein Laufradkranz mit einer Nut beschrieben, die den Laufschaufelspitzen zugewandt ist. In der Nut sind hitzebeständige und abriebfähige Dichtelemente eingesetzt bestehend aus einem wärmetechnisch ausgebildeten Dehnungskörper, dessen Massenverteilung, Einspannung und Lagerung derart ist, dass das Schaufelspiel bei Temperaturveränderungen ungefähr gleich gehalten wird. Dies ist beispielsweise durch eine Wölbung des Dichtelements in axialer Richtung bewerkstelligt, wobei sich die Wölbung bei Abkühlung oder Erwärmung so verändert, dass ein kleiner Spalt erhalten bleibt. Anderseits wird ein kleiner Spalt erreicht, indem die Abriebflächen beim Einbau der Dichtelemente an den Laufschaufelspitzen anliegen und beim Anfahren der Maschine abreiben. Durch den Abrieb wird zudem ein kleinster Spalt realisiert und ein Bruch von Schaufelspitzen verhindert.
In der DE 43 09 199 ist eine Vorrichtung zur Befestigung von Wärmestausegmenten und Leitschaufeln in axial durchströmten Turbinen beschrieben. Dort sind die Wärmestausegmente an einem Statorvollring befestigt, der in Ausnehmungen im Turbinenaussengehäuse eingelegt ist. Die Leitschaufeln sind dabei, separat von den Wärmestausegmenten, direkt am Aussengehäuse befestigt. Die Statorvollringe besitzen relativ kleine Abmessungen, wodurch ihre Temperatur und das Schaufelspiel zwischen Statorvollring und Schaufelspitzen besser beherrschbar sind. Ferner ist der Statorvollring mittels Kühlung durch Luft oder Flüssigkeiten oder mittels elektrischer Erwärmung temperatursteuerbar, wodurch die Schaufelspiele regelbar sind.
In der US 5,927,942 und in der US 5,380,150 ist ein Wärmestausegment in einer Gasturbine beschrieben, das radial gegenüber den Laufschaufelspitzen am stationären Gehäuse befestigt ist. Ein Wärmestausegment besteht jeweils aus einem Substrat mit einer abreibbaren Schicht. Es ist mittels Schienen mit hakenförmigem Querschnitt, beidseits sowie in der Mitte des Wärmestausegments, an einer Trägereinheit am Gehäuse der Turbomaschine radial und axial befestigt, wobei die Haken in Ausnehmungen in der Trägereinheit angeordnet sind. Ein segmentiertes, federndes Band erstreckt sich ferner zwischen den Haken beidseits des Wärmestausegments. Das Band ermöglicht insbesondere eine federnde Befestigung des Wärmestausegmentes an der Trägereinheit, wodurch thermische Dehnungen und Verformungen des Wärmestausegmentes und der Trägereinheit aufgenommen werden. Durch diese Befestigung ist eine radiale sowie axiale Bewegung des Wärmestausegments ermöglicht, wobei die Schiene in der Mitte des Wärmestausegments eine radial nach innen gerichtete Bewegung verhindert. Ferner gewährleistet das segmentierte Band eine Dichtung, durch die ein Ausströmen eines Kühlmittels aus dem Raum zwischen dem Wärmestausegment und dem segmentierten Band verhindert wird. Schliesslich weist das Wärmestausegment eine abreibbare Schicht zur Minimierung des Laufschaufelspiels auf.
Nachteilig an dem Wärmestausegment oder Hitzschutzschild des hier erläuterten Standes der Technik liegt einerseits in den abreibbaren Schichten. Das abgeriebene Material verbleibt in den meisten Maschinen, wie zum Beispiel bei Gasturbinen, innerhalb des Maschinengehäuses in Form von Partikeln und kann Schäden an Oberflächen und Verstopfungen von Kühlkanälen verursachen. Das auf diese Art entstandene Schaufelspiel ist nicht unbedingt optimal klein. Beim Anfahren einer Turbomaschine dehnt sich zunächst der Rotor aus während das Gehäuse der Turbomaschine sich langsamer ausdehnt. Werden die abreibbaren Schichten während des Anfahrens abgerieben, wird das Schaufelspiel durch die Ausdehnung des Gehäuses wieder vergrössert und ist während des stetigen Lastbetriebs (steady state operation) nicht unbedingt minimal. Ferner ist durch Wärmestausegmente dieser Art und durch ihre einzelne Befestigung am Gehäuse der Turbomaschine nur das Laufschaufelspiel geregelt während das Leitschaufelspiel mit einer separaten Konstruktion eingestellt werden muss.
EP 0 381 895 offenbart eine Anordnung zur Regelung des Spielraums zwischen den Schaufelspitzen und dem Stator einer Gasturbine. Die Anordnung umfasst ein erstes und zweites annulares Teil mit jeweils einem relativ tiefen bzw. hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei das zweite Teil radial auswärts vom ersten Teil im Stator angeordnet ist. Das erste Teil ist gegenüber den Schaufelspitzen am Stator angeordnet und wirkt axial beidseitig mittels Nuten mit Trägern von axial benachbarten Leitschaufeln zusammen. Es ist mittels einem radial verlaufenden Verbindungsteil mit der Mitte eines beweglichen Halterungsteils verbunden, das axial beidseitig mit dem zweiten annularen Teil zusammenwirkt.

Darstellung der Erfindung

Hieraus ist der Erfindung die Aufgabe gestellt, für eine thermische Turbomaschine einen Träger für Leitschaufeln und ein radial gegenüber der Laufschaufelspitzen angeordnetes Wärmestausegment zu schaffen, durch die ein minimales, radiales Spiel zwischen den Spitzen der Leitschaufeln und dem Rotor und zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Wärmestausegment erreicht wird, wobei dieses minimale Schaufelspiel in möglichst vielen Betriebszuständen erhalten bleiben soll. Insbesondere sollen Schäden durch Material von abreibbaren Schichten vermieden werden. Dabei sollen die Herstellungskosten und die Lebensdauer der Bauelemente zumindest gleich gehalten oder reduziert werden. Ferner soll auch die Dichtung zwischen Wärmestausegment und Gehäuse verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Eine thermische Turbomaschine mit einem Rotor, Laufschaufeln, einem stationären Gehäuse und Leitschaufeln weist einen Leitschaufelträger auf, der an dem Gehäuse der Turbomaschine befestigt ist. Der Leitschaufelträger weist eine Leitschaufelplattform auf, an der eine oder mehrere Leitschaufeln befestigt sind. Radial gegenüber den Spitzen der Laufschaufeln sind Wärmestausegmente angeordnet. Erfindungsgemäss ist ein gesamtes, axial benachbartes Wärmestausegment oder ein Teil beider axial benachbarten Wärmestausegmente Bestandteil der Leitschaufelplattform. Von der Leitschaufelplattform erstrecken sich ferner mindestens zwei Streben jeweils in einem Winkel zur Leitschaufelplattform teils radial auswärts bis zu einem Band. Dabei erstrecken sich die Streben jeweils von der Leitschaufelplattform in verschiedenen Richtungen voneinander in der Art einer offenen Schere zu dem Band. Die radial äusseren Enden der Streben sind durch das Band verbunden, wobei das Band am stationären Gehäuse befestigt ist. Weiter bestehen insbesondere Leitschaufelplattform sowie die Streben aus einem ersten Material mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Band aus einem zweiten Material besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zum ersten Material niedriger ist.
Durch die Integration von Leitschaufelplattform und Wärmestausegment werden sowohl das radiale Spiel zwischen Leitschaufelspitze und Rotor als auch jenes zwischen Laufschaufelspitze und Wärmestausegment durch eine einzige Konstruktion zugleich bestimmt. Der Leitschaufelträger mit Wärmestausegment besitzt dank der Materialwahl für das Band einerseits und für die Streben und die integrierte Leitschaufelplattform anderseits ein thermisches Verhalten, durch das sich während der verschiedenen Betriebszustände der Turbomaschine ein minimales Schaufelspiel ergibt. Da der Ausdehnungskoeffizient des Bandes niedriger ist im Vergleich zu dem des Materials der Streben und Leitschaufelplattform, dehnt sich das Band weniger schnell aus als die Streben. Bei Erwärmung der Maschine wird aufgrund der angewinkelten Anordnung der Streben eine dem Schliessen einer Schere ähnliche Bewegung bewirkt, wodurch die Leitschaufelplattform zusammen mit dem Wärmestausegment sich radial nach innen bewegt. Dadurch ergibt sich nach Vollendung des Anfahrens der Maschine und während des stetigen Lastbetriebs ein minimales Schaufelspiel und dadurch einen verbesserten Turbinen- oder Kompressorwirkungsgrad. Während des Abfahrens der Maschine verändert sich die Ausdehnung vom Band und der Streben wiederum unterschiedlich, sodass sich die Streben ähnlich dem Öffnen einer Schere bewegen und die Leitschaufel und das Wärmestausegment sich vom Rotor weg bewegen, sodass ein Anstreifen der Schaufelspitzen vermieden wird.
Im Vergleich zu Turbomaschinen des Standes der Technik wird mit dem erfindungsgemässen Leitschaufelträger mit Wärmestausegment ein reduziertes Schaufelspiel ohne die Verwendung von abreibbaren Schichten erzielt, sodass durch abgeriebenes Material hervorgerufene Schäden vermieden werden.
Weiter entfällt durch die Integration von Leitschaufelplattform und Wärmestausegment pro Leitschaufelplattform eine Dichtstelle, welche bei einer zweiteiligen Konstruktion für Wärmestausegment und Leitschaufelplattform zwischen diesen beiden Teilen bestehen würde. In der erfindungsgemässen Turbomaschine ist also die Anzahl Dichtstellen stark reduziert, was die Leistung wiederum begünstigt.
Der erfindungsgemässe Leitschaufelträger mit integriertem Wärmestausegment erbringt weiter den Vorteil einer stabileren Konstruktion. Aufgrund der dafür notwendigen kleineren Anzahl Bauteile ist auch eine vereinfachte Aufhängung am stationären Gehäuse ermöglicht, die weniger Platz aufnimmt. Hieraus ergeben sich schliesslich auch reduzierte Kosten.
Das Wärmestausegment ist erfindungsgemäss Bestandteil der Leitschaufelplattform. Dabei ist in einem ersten Fall die Leitschaufelplattform zusammen mit dem Wärmestausegment als einziges Bauteil ausgebildet, oder in einem zweiten Fall die Leitschaufelplattform zusammen mit einem Träger für das Wärmestausegment als einziges Bauteil ausgebildet. In letzterem Fall ist das Wärmestausegment an dem Träger befestigt. Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bezieht sich die mit dem Wärmestausegment integrierte Leitschaufelplattform jeweils auf beide dieser Fälle.
In einer ersten Ausführungsform erstrecken sich von der mit dem Wärmestausegment integrierten Leitschaufelplattform jeweils drei Streben zum Band hin, wobei die mittlere Strebe der drei Streben sich in einem ersten Winkel zum Band erstreckt und die zwei äusseren Streben sich parallel zueinander in einem Winkel in entgegengesetzter Richtung zur mittleren Strebe zum Band hin erstrecken, sodass die drei Streben eine V-förmige oder X-förmige Anordnung bilden.
In einer zweiten Ausführungsform erstrecken sich zwei Streben von der Leitschaufelplattform zum Band hin, wobei diese je in einem Winkel zur Plattform angeordnet sind, sodass sie eine scherenähnliche X-förmige oder V-förmige Anordnung bilden.
In einer Variante dieser beiden Ausführungsformen erstrecken sich die Streben von der Leitschaufelplattform in einer scherenähnlichen Anordnung, indem sie in einem Winkel von der Leitschaufelplattform teils axial, teils radial auswärts gerichtet zu dem Band führen. Die "offene Schere" liegt sodann in einer Ebene parallel zur Rotorachse oder in einer Ebene, welche durch die Rotorachse führt.
In einer Variante sind die Streben und das Band über die Länge der Leitschaufelplattform in Umfangsrichtung kontinuierlich ausgebildet.
Um den Leitschaufelträger thermisch zu entlasten sind in einer weiteren Variante die Streben mit bogenförmigen Ausschnitten ausgebildet. Für weitere thermische Entlastung sind in einer bevorzugten Variante die Streben mit dem darüber angeordneten Band in Umfangsrichtung auf der Leitschaufelplattform in mehreren einzelnen Teilstücken angeordnet.
In einer weiteren Variante erstrecken sich die Streben von der Leitschaufelplattform je in einem Winkel teils in Umfangsrichtung, teils radial auswärts in einer scherenähnlichen Anordnung zum Band hin. Die "offene Schere" liegt sodann in einer Ebene senkrecht zur Rotorachse.
In einer weiteren Variante ist die Fügestelle zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen mit integrierten Wärmestausegmenten gemäss der Druckverteilung im Bereich der Laufschaufelspitze so angeordnet, sodass eine Leckageströmung durch die Fügestelle am geringsten ist.
Der Leitschaufelträger mit seinem integrierten Wärmestausegment ist jeweils in einer oder mehreren Ausnehmungen in dem stationären Gehäuse der Turbomaschine eingehängt.
Zur weiteren Reduzierung von Leckagen an den Fügestellen zwischen den integrierten Leitschaufelplattformen sind die Leitschaufelplattformen mit den integrierten Wärmestausegmenten einer Leitschaufelreihe bezüglich den integrierten Leitschaufelplattformen einer benachbarten Leitschaufelreihe versetzt angeordnet. Dadurch fallen die Fügestellen zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelplattformen mit den Fügestellen zwischen zwei aufeinanderfolgenden integrierten Leitschaufelplattformen der nächsten Leitschaufelreihe nicht zusammen. Hierdurch wird für die Leckageströmung eine Art Labyrinth gebildet, und die Leckageströmung wird dadurch reduziert.
Die Fügestellen in Umfangs- sowie in Axialrichtung sind dabei mittels Dichtelementen verschiedener Art weiter abgedichtet.
Schliesslich ist der Raum, der durch die Leitschaufelplattform mit Wärmestausegment, die Streben und das Band begrenzt wird, jeweils mit Luft oder mit einem Füllmaterial gefüllt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1a einen Schnitt durch eine thermische Turbomaschine in einer Meridianebene mit einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit integriertem Wärmestausegment, bei dem die Streben sich in teils axialer, teils radialer Richtung von der Leitschaufelplattform erstrecken Figur 1b eine Ansicht des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit drei Streben, die sich zum Band hin erstrecken
Figur 1c in einer Sicht von oben eine Darstellung der Anordnung von Streben auf der Leitschaufelplattform, wobei drei Streben jeweils in einer Gruppe angeordnet sind,
Figur 2a eine Ansicht eines erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit zwei Streben, die in Umfangsrichtung kontinuierlich ausgebildet sind,
Figur 2b eine Ansicht eines erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit zwei Streben, die in Umfangsrichtung bogenförmige Ausschnitte aufweisen,
Figur 2c eine Ansicht eines erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit zwei Streben, wobei in Umfangsrichtung die Streben mit Bändern in einzelnen Teilstücken angeordnet sind,
Figur 3a einen Schnitt durch die thermische Turbomaschine in einer Ebene senkrecht zur Meridianebene mit einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit integriertem Wärmestausegment, bei dem die Streben sich von der Leitschaufelplattform teils radial, teils in Umfangsrichtung erstrecken, Figur 3b in einer Sicht von oben eine Darstellung der Anordnung von Gruppen von zwei Streben von Figur 3a,
Figur 3c in einer Sicht von oben eine weitere Darstellung der Anordnung von Gruppen von jeweils drei Streben, die sich teils radial, teils in Umfangsrichtung erstrecken,
Figur 4 eine Darstellung der Anordnung der Leitschaufelplattformen von benachbarten erfindungsgemässen Leitschaufelträgern,
Figur 5 einen erfindungsgemässen Leitschaufelträger und seine Befestigung am stationären Gehäuse der Turbomaschine,
Figur 6a und b weitere Varianten des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers mit verschiedenen Befestigungen am stationären Gehäuse der Turbomaschine.

Weg der Ausführung der Erfindung

Figur 1a zeigt eine Turbine in einem Schnitt entlang der Achse 1 ihres Rotors 2. Am Rotor 2 sind Laufschaufeln 3 mittels Trägern 4 befestigt. Leitschaufeln 5 sind jeweils mittels einem erfindungsgemässen Leitschaufelträger 6 am stationären Gehäuse befestigt. Ein Leitschaufelträger 6 weist eine Leitschaufelplattform 7 auf, die sich in axialer Richtung über die Breite der Leitschaufel 5 und darüber hinaus erstreckt. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sie sich über einen Teil der Breite der benachbarten Laufschaufelspitze 3', wobei sie im Bereich der Laufschaufelspitze 3' als Wärmestausegment 8 dient. Die Wärmestausegmente 8 sind dabei Bestandteil der Leitschaufelplattform 7. In der gezeigten Ausführung ist die Leitschaufelplattform mit dem Wärmestausegment selbst zu einem einzigen Bauteil integriert.
In einer weiteren (hier nicht gezeigten) Ausführungsform ist das Wärmestausegment an einem Träger befestigt. Die Leitschaufelplattform ist mit dem Träger für das Wärmestausegment zu einem einzigen Bauteil integriert. Das Wärmestausegment ist also zusammen mit seinem Träger Bestandteil der Leitschaufelplattform. Dabei kann die Leitschaufelplattform wiederum mit dem gesamten, axial benachbarten Träger für Wärmestausegment oder mit einem Teil beider axial benachbarten Träger integriert sein. Bei einer thermischen Ausdehnung des Leitschaufelträgers und einer Bewegung der Leitschaufelplattform bewegt sich zugleich der Träger mit dem an ihm befestigtem Wärmestausegment.
Zwischen dem Wärmestausegment 8 und der Laufschaufelspitze 3' besteht ein Schaufelspiel s1. In ähnlicher Weise besteht zwischen der Leitschaufelspitze 5' und einem radial gegenüber der Leitschaufelspitze 5' am Rotor 2 befestigten Wärmestausegment 9 ein Schaufelspiel s2. Wie in den Figuren 1a und 1b ersichtlich führen von der Leitschaufelplattform 8 drei Streben 10a, 10b und 10c teils radial teils axial zu einem Band 14. Sie sind mit dem Band 14 verbunden, das sich über annähernd die gesamte Breite der Leitschaufelplattform 7 erstreckt. Die Strebe 10a führt vom Bereich der einen Seite der Plattform 7 in einem Winkel α zum Band 14 hin. Die Strebe 10c führt parallel und in einem Abstand zur Strebe 10a ebenfalls zum Band 14 hin. Die dritte Strebe 10b führt von der entgegengesetzten Seite der Plattform 7 in einem Winkel β zwischen den Streben 10a und 10c zum Band 14. In der gezeigten Ansicht kreuzen sich die Streben 10a und 10c mit der Strebe 10b zwischen Plattform 7 und dem Band 14, berühren einander jedoch nicht, da sie, wie in Figur 1c in einer Sicht von oben (ohne Band) angeordnet sind. Dort sind zwei Gruppen von jeweils drei Streben 10a, b,c gezeigt. Auf einer Plattform 7 können auch mehrere Einheiten von Streben mit Band angeordnet sein.
Das Band 14 besteht aus einem Material mit tiefem Ausdehnungskoeffizienten, während die Streben 10a-c und die Leitschaufelplattform 7 mit Wärmestausegment 8 aus einem Material von höherem Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Die Konstruktion des Leitschaufelträgers 6 mit seiner Scheren-ähnlichen Anordnung der Streben 10a-c einerseits, und der Einsatz von Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnung für das Band 14 und die Streben10a-c mit der Leitschaufelplattform 7 anderseits, bewirken ein ausgeprägtes thermisches Verhalten, bei dem bei einer Erwärmung der Turbine oder des Kompressors, beispielsweise beim Anfahren der Maschine, sich eine grössere Ausdehnung der Streben 10a-c im Vergleich zum Band 14 ergibt. Da die Streben 10a-c sich im Vergleich zum Band 14 mehr ausdehnen, werden bei Erwärmung die Winkel α und β zwischen der Leitschaufelplattform 7 und den Streben 10a-c leicht vergrössert. Die Leitschaufel 5 bewegt sich mitsamt dem Wärmestausegment 8 radial nach innen zum Rotor 2 hin. Dadurch verkleinern sich sowohl das Schaufelspiel s2 als auch das Schaufelspiel s1.
Die axiale Erstreckung der erfindungsgemässen Leitschaufelplattform 7 mit integriertem Wärmestausegment 8 und die Positionierung der axialen Fügestellen zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen wird vorzugsweise gemäss der Druckverteilung über der Laufschaufelspitze 3' bestimmt. Genauer, es wird die Erstreckung der Plattform 7 derart bestimmt und die Fügestelle 16 zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen entsprechend so positioniert, dass Leckageströmungen an den Fügestellen 16 minimal sind.
Figur 2a zeigt eine Ansicht einer Variante des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers 6. Es können mehrere Leitschaufeln 5 an einer Leitschaufelplattform 7 befestigt sein, wovon hier zwei Leitschaufeln 5 gezeigt sind. Beidseits der Leitschaufeln 5 sind mit der Leitschaufelplattform 7 die Wärmestausegmente 8 integriert. Von der Leitschaufelplattform 7 führen wiederum Streben 11a und 11b zu einem Band 14 hin. Hier sind anstelle von drei gekreuzten Streben zwei Streben in einer V-form angeordnet, wobei das V sich in axialer Richtung erstreckt. Das Band 14 besteht wiederum aus einem Material mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der Ausdehnungskoeffizient des Materials für die Streben und die Leitschaufelplattform. In der in Figur 2a gezeigten Variante sind die Streben 11a und 11b und das Band 14 in Umfangsrichtung über die Länge der Leitschaufelplattform kontinuierlich ausgebildet.
In Figur 2b ist eine weitere Variante gezeigt, bei der die Streben in Umfangsrichtung mehrere bogenförmige Ausnehmungen 21 aufweisen. Durch die Reduktion von Material ist der Leitschaufelträger thermisch weniger belastet. Um die thermische Belastung weiter zu reduzieren sind gemäss Figur 2c in Umfangsrichtung die Streben und das darüberliegende Band in mehreren einzelnen Teilstücken 22 angeordnet.
Im Vergleich zur Variante der Figuren 2a-c sind in den Figuren 3a und 3b die V-förmigen Konstruktionen der Streben und Bänder um 90° gedreht, sodass sich das V jeweils in Umfangsrichtung erstreckt. Auch in dieser Orientierung ergibt sich aufgrund des unterschiedlichen thermischen Verhaltens der Streben 12a und 12b einerseits und der Bänder 15 anderseits bei steigenden Temperaturen eine radial nach innen gerichtete Bewegung der Leitschaufelplattform 7 mit den Leitschaufeln 5 und den Wärmestausegmenten 8. Die Fügestellen 16 zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelplattformen 7 sind jeweils mit einem Dichtelement 17 gedichtet, das in einer Nut in der Leitschaufelplattform 7 eingelegt ist. Figur 3b stellt die Anordnung der V-förmigen Streben auf der Leitschaufelplattform 7 dar. Figur 3c stellt eine weitere Anordnung von Streben 13a, b und c, wobei ähnlich wie in Figur 1a und 1b die drei Streben 13a, b und c zu einem Band führen und die Streben 13a-c X-förmig oder gekreuzt angeordnet sind. Das X erstreckt sich hier im Gegensatz zu jenen in Figur 1a und 1b in der Umfangsrichtung.
In den beschriebenen Ausführungen können die Streben 10a,b,c, 11a,b, 12a,b, 13,a,b,c auf verschiedene Weisen mit dem Band verbunden sein, wie zum Beispiel durch Schweissen, Löten, Einhängen oder Einklemmen. Die Streben können dabei an ihren äusseren Enden auch gerundet ausgebildet sein, wobei das Band eine der Strebe entsprechenden Form besitzt.
Figur 4 stellt eine Anordnung von benachbarten Leitschaufelträgern in axialer Richtung sowie in Umfangsrichtung dar. Es sind hier nur die Leitschaufelplattformen 7 mit integrierten Wärmestausegmenten und die darunter liegenden Reihen von Lauf- und Leitschaufeln 3 und 5 gezeigt. Zwischen den Leitschaufelplattformen 7 für eine erste Leitschaufelreihe 5 und den Leitschaufelplattformen 7 einer in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelreihe 5 bestehen jeweils Fügestellen 18. Entsprechend bestehen zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelplattformen 7 für eine zweite Leitschaufelreihe 5 jeweils eine Fügestelle 18'. Zwischen den axial benachbarten Leitschaufelplattformen 7 besteht eine Fügestelle 16. In der gezeigten Variante der erfindungsgemässen Leitschaufelträger sind die Leitschaufelplattformen 7 so angeordnet, dass die Fügestellen 18 bezüglich den Fügestellen 18' versetzt angeordnet sind. Dies dient der Reduktion von Leckageströmungen an den Fügestellen 18 und 18', indem eine Art Labyrinth herbeigeführt ist.
Figur 5 zeigt einen erfindungsgemässen Leitschaufelträger 6 und dessen Befestigung an einem stationären Turbomaschinengehäuse 20. Das Gehäuse 20 weist Ausnehmungen 25 auf mit T-förmigen Schienen 26, in die jeweils das Band 14 eines Leitschaufelträgers 6 eingeschoben wird, wobei ein Absatz 27 am Band 14 dem T-förmigen Halter 26 angepasst ist.
Die Streben 11a und 11b sind hier V-förmig und relativ weit auseinander angeordnet, und das Band 14 ist entsprechend breit, indem es sich über fast die gesamte Breite der Leitschaufelplattform 7 erstreckt. Die Positionierung der Streben auf der Leitschaufelplattform, wie zum Beispiel etwas auseinander wie in der Figur 5 oder nahe zusammen wie in den Figuren 6a und b, ermöglicht eine Einstellung der radialen Bewegung des Leitschaufelträgers.
Der Raum 30 zwischen den hier V-förmig angeordneten Streben 11a und 11b und dem darüberliegenden Band 14 ist entweder mit Luft oder zwecks Isolierung mit einem Füllmaterial gefüllt.
Die Fügestellen 16 zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen 7 sind auch hier mittels Dichtelementen 17 abgedichtet, die in einer Nut 19 in der Plattform 7 eingelegt sind.
Figur 6a zeigt eine Variante einer Befestigung des Leitschaufelträgers 6 am stationären Gehäuse 20. Das Gehäuse 20 weist hier eine ähnliche Ausnehmung 31 auf wie in Figur 5, in die das Band 14 des Leitschaufelträgers 6 eingeschoben wird, wobei ein Absatz 27 am Band 14 der Ausnehmung 31 angepasst ist. Die Fügestelle 16 zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen 7 mit integriertem Wärmestausegment 8 wird durch einen Teil des Gehäuses 20 und einer Dichtung 32 abgedichtet, beispielsweise einen O-Ring 32, der in einer Nut 33 im Gehäuse 20 eingelegt ist. Die Streben 11a und 11b sind hier wiederum V-förmig, aber näher zueinander angeordnet, wobei das darüber liegende Band 14 sich über einen kleineren Bereich der Breite des Leitschaufelträgers 6 erstreckt.
In Figur 6b ist eine weitere Variante eines erfindungsgemässen Leitschaufelträgers 6 gezeigt, dessen Wärmestausegment 8 nur auf einer Seite der Leitschaufelplattform 7 integriert ist, sich jedoch über die gesamte Breite der benachbarten Laufschaufel erstreckt. Die Fügestelle 16 befindet sich hier also zwischen den Leit- und Laufschaufelreihen 5 und 3.
Zur Befestigung des bezüglich der Leitschaufel 5 asymmetrisch ausgebildeten Leitschaufelträgers 6 besitzt das Gehäuse 20 eine zusätzliche Ausnehmung 34, in die eine Halterung 35 an der Leitschaufelplattform 7 eingeschoben wird. Zwischen den Endflächen 36 der Halterung 35 und den Seitenwänden 37 der zusätzlichen Ausnehmung 34 besteht ein Freiraum, der axiale und radiale Verschiebungen des Leitschaufelträgers 6 gewährt. Die Fügestellen 16 zwischen axial benachbarten Leitschaufelplattformen 7 sind wiederum durch in Nuten 33 eingelegte O-Ringe 32 abgedichtet, wobei auch andere Dichtelemente realisierbar sind.
In sämtlichen Varianten des erfindungsgemässen Leitschaufelträgers sind die Streben auf verschiedene Weisen mit der Leitschaufelplattform verbunden. Als erste Möglichkeit werden die Streben zusammen mit der Leitschaufelplattform in einem Giessverfahren relativ einfach hergestellt. Als zweite Möglichkeit werden die Streben mittels einem Gelenk mit der Leitschaufelplattform verbunden.

Bezugszeichenliste

1: Achse des Rotors
2: Rotor
3: Laufschaufeln
3': Laufschaufelspitze
4: Träger für Laufschaufel
5: Leitschaufel
5': Leitschaufelspitze
6: Leitschaufelträger
7: Leitschaufelplattform
8: Wärmestausegment als Teil der Leitschaufelplattform 7
9: Wärmestausegment am Rotor
10a,b,c: Streben (in gekreuzter Anordnung in Axialrichtung)
11a,b: Streben (in V-förmiger Anordnung in Axialrichtung)
12a,b: Streben (in V-förmiger Anordnung in Umfangsrichtung)
13a,b,c: Streben (in gekreuzter Anordnung in Umfangsrichtung)
14: Band (Streben in Axialrichtung verbindend)
15: Band (Streben in Umfangsrichtung verbindend)
16: Fügestelle zwischen axial benachbarten integrierten Leitschaufelplattformen
17: Dichtstreifen
18,18': Fügestelle zwischen integrierten Leitschaufelplattformen in Umfangsrichtung
18: Nut
20: Stationäres Gehäuse der Turbomaschine
21: bogenförmige Ausnehmung
22: Teilstücke von Streben mit Band
25: Ausnehmung
26: T-förmige Schiene
27: Absatz
30: Füllmaterial
31: Ausnehmung
32: Dichtung
33: Nut
34: zusätzliche Ausnehmung
35: Halterung
36: Endseite der schienenförmigen Halterung
37: Seitenwand der zusätzlichen Ausnehmung
S1: Schaufelspiel zwischen Laufschaufelspitze und stationärem Gehäuse
S2: Schaufelspiel zwischen Leitschaufelspitze und Rotor
α: Winkel zwischen Leitschaufelplattform und Strebe
β: Winkel zwischen Leitschaufelplattform und Strebe

Claims

Thermische Turbomaschine mit einem Rotor (2), einem stationären Gehäuse (20), am Rotor (2) befestigten Laufschaufeln (3), Wärmestausegmenten (8), die radial gegenüber den Spitzen (3') der Laufschaufeln (3) angeordnet sind und Leitschaufeln (5), die mittels Leitschaufelträgern (6) am stationären Gehäuse (20) befestigt sind, wobei die Leitschaufelträger (6) jeweils eine Leitschaufelplattform (7) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmestausegment (8), das einer Leitschaufel (5) axial benachbart ist, oder ein Teil von Wärmestausegmenten (8), die beidseits der Leitschaufel (5) axial benachbart sind, Bestandteil der Leitschaufelplattform (7) ist,
und von der Leitschaufelplattform (7) sich mindestens zwei Streben (10a,b,c, 11a,b, 12a,b, 13a,b,c) jeweils teils radial auswärts erstrecken, wobei die Streben (10a,b,c, 11a,b, 12a,b, 13a,b,c) sich von der Leitschaufelplattform (7) in der Art einer offenen Schere zu einem Band (14,15) hin erstrecken und ihre radial äusseren Enden durch das Band (14,15) verbunden sind, und das Band (14, 15) am Gehäuse der Turbomaschine befestigt ist,
und die Leitschaufelplattform (7) und die Streben (10a,b,c, 11a,b, 12a,b, 13a,b,c) aus einem ersten Material und das Band (14,15) aus einem zweiten, vom ersten Material unterschiedlichen Material, besteht und der Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials grösser ist als der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Materials, wobei bei Erwärmung der Turbomaschine aufgrund der angewinkelten Anordnung der Streben (10a,b,c, 11a,b, 12a,b, 13a,b,c) eine dem Schliessen einer Schere ähnliche Bewegung bewirkt wird, wodurch die Leitschaufelplattform (7) mit dem Wärmestausegment (8) sich radial nach innen bewegt.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschaufelplattform (7) zusammen mit dem axial benachbarten Wärmestausegment (8) oder dem Teil beider axial benachbarten Wärmestausegmente (8) als einziges Bauteil ausgebildet ist.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschaufelplattform (7) zusammen mit einem Träger für das der Leitschaufel (5) axial benachbarte Wärmestausegment (8) als einziges Bauteil ausgebildet ist und das axial benachbarte Wärmestausegment (8) an dem Träger befestigt ist, oder die Leitschaufelplattform (7) zusammen mit Trägern für jeweils einen Teil beider der Leitschaufel (5) axial benachbarten Wärmestausegmente (8) als einziges Bauteil ausgebildet ist und die Teile der axial benachbarten Wärmestausegmente (8) an diesen Trägern befestigt sind.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet, dass
von der Leitschaufelplattform (7) mit integriertem Wärmestausegment (8) drei Streben (10a,b,c) zum Band hin führen, die sich teils axial, teils radial auswärts von der Leitschaufelplattform (7) zum Band (14) hin erstrecken, wobei die mittlere der drei Streben (10b, 13b) in einem ersten Winkel (α) zur Leitschaufelplattform (7) angeordnet ist und die zwei äusseren Streben (10a,c) parallel zueinander in einem Winkel (β) im Vergleich zur mittleren Strebe (10b) in axial entgegengesetzter Richtung zum Band (14) hin führen, und die drei Streben (10a,b,c) zusammen eine scherenähnliche V- oder X-Form bilden.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet, dass
von der Leitschaufelplattform (7) mit integriertem Wärmestausegment (8) zwei Streben (11a,b) sich jeweils teils axial, teils radial auswärts hin erstrecken und jeweils in einem Winkel (α, β) von der Leitschaufelplattform (7) zum Band (14,15) hin führen, wobei die zwei Streben (11a,b) sich in axial entgegengesetzter Richtung voneinander zum Band (14, 15) hin erstrecken und eine scherenähnliche V- oder X-Form bilden.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (11a,b) und das Band (14,15) in Umfangsrichtung über die Länge der Leitschaufelplattform (7) kontinuierlich ausgebildet sind.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (11a,b) in Umfangsrichtung über die Länge der Leitschaufelplattform (7) bogenförmige Ausnehmungen (21) aufweisen.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (11a,b) und das Band (14,15) in Umfangsrichtung über die Länge der Leitschaufelplattform in mehreren einzelnen Teilstücken (2) angeordnet sind.
Thermische Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (12a,b,13a,b,c) von der Leitschaufelplattform (7) sich teils in Umfangsrichtung teils radial auswärts zum Band (15) hin erstrecken.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leitschaufelträger (6) mit Leitschaufelplattform (7) mit integriertem Wärmestausegment (8) am stationären Gehäuse (20) der Turbomaschine befestigt ist, indem das Band (14) in Ausnehmungen (25, 31) im stationären Gehäuse (20) angeordnet ist.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fügestellen (18) zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelplattformen (7) für ein erste Leitschaufelreihe (5) bezüglich den Fügestellen (18') zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufelplattformen (7) für eine zweite, axial benachbarte Leitschaufelreihe versetzt angeordnet sind.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fügestellen (16, 18, 18') zwischen Leitschaufelplattformen (7) mit Dichtelementen (19,32) wie O-Ringen oder Dichtstreifen abgedichtet sind.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der Raum (30) zwischen den V-förmig angeordneten Streben (11,a,b) und dem verbindenden Band (14) mit Luft oder einem Füllmaterial gefüllt ist.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (10a,b,c,11a,b,12a,b,13a,b,c) und die Leitschaufelplattform (7) dadurch miteinander verbunden sind, indem sie als einziges Teil gegossen sind.
Thermische Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streben (10a,b,c,11a,b,12a,b,13a,b,c) und die Leitschaufelplattform (7) durch Gelenke miteinander verbunden sind.