EP1512842A2 - Gasturbine mit Laufspaltkontrolle - Google Patents

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EP1512842A2
EP1512842A2 EP04018924A EP04018924A EP1512842A2 EP 1512842 A2 EP1512842 A2 EP 1512842A2 EP 04018924 A EP04018924 A EP 04018924A EP 04018924 A EP04018924 A EP 04018924A EP 1512842 A2 EP1512842 A2 EP 1512842A2
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turbine according
adjustable
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Harald Schiebold
Olaf Mistareck
Thomas Wunderlich
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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
    • 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
    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with several Shroud segments, which serve as sealing blades of a Turbine wheel enclose, with at least one front or a rear attachment of the shroud segments to the radial outer region of the vane segments, which on their inner area each stored on a control ring are.
  • control ring serves the purpose of thermal Extend the control ring to use the vane segments according to the thermal conditions in theirs Adjust outer circumference. This causes a reduction or increasing the overall diameter of the through the shroud segments formed ring. This results in an adjustment the gap between the tips of the blades and the interior of the shroud segments. Otherwise, one would thermal contraction or expansion of the blades too an enlargement of the gap or to a contact with the Lead shroud segments.
  • the prior art is therefore based on the basic idea, a to achieve optimal passive running gap control. This will, as described, achieved by the fact that the fastening means the shroud segments have a thermal performance, which with the radial movement of the blade tips of the Blades is synchronized. Instationary operating states Ideally, they can not be detrimental to the running gap in stationary operation.
  • the invention is based on the object, a gas turbine with to create an optimized passive running gap control, which with a simple structure and cost-effective production and assembly has an optimized performance.
  • the guide blade segments are mounted radially adjustable on the control ring.
  • the construction according to the invention has a number of significant Advantages.
  • Annular gap seal (running gap) compared to the basic design in Their dimensions can be optimized as an exact adaptation to the thermal performance is possible. In order to can be axisymmetric and eccentric position deviations be compensated without component change.
  • the vane segments also in the circumferential direction are adjustably mounted on the control ring. So it is possible to make appropriate settings in the circumferential direction, before a final assembly of the vane segments and the shroud segments.
  • adjustable storage By inventively provided adjustable storage the possibility is created during the assembly an exact Make setting and according to the assignment to optimize the components.
  • the guide vane segments by means of a screw under Frictional engagement are fixed to the control ring. That's the way it is, for example possible a sleeve with a setting game or to provide a segment with a Einstellspiel.
  • the setting also by an excenter device, for example a fitting sleeve with eccentric, done.
  • control ring a secondary air seal is formed and the Control ring is designed so that its thermal performance the width of the annular gap of the secondary air seal controlled.
  • the inside of the vane ring space arranged control ring is thereby designed to be thermal performance in addition to controlling the Running gap also for controlling at least one annular gap seal the rotor cooling air system (secondary air system) is used.
  • the rotor cooling air system secondary air system
  • at least one connected to the control ring secondary air seal as a brush seal or multi-level labyrinth be executed.
  • Fig. 3 shows the shroud segment 1 which the Leitschaufelsegment the HDT 7 and the vane segment of the NDT 12 assigned. On the design of the housing and the herein located cooling air channels is omitted at this point.
  • the reference numeral 11 relates to a secondary air seal, the may be formed in the form of a brush seal.
  • Reference numeral 15 represents a housing of the HDT.
  • FIG. 3 The general structure of the arrangement shown in Fig. 3 corresponds in broad terms the prior art, the invention Variants show in particular the enlarged FIG. 1 and 2.
  • Fig. 1 is in addition to those already occupied by reference numerals and described components, the attachment of the Guide vane segments 7 shown on the control ring 9.
  • the control ring 9 is provided with an insulation 16 which is the thermal behavior of the thermal behavior of the disc 5 approaches.
  • the attachment takes place by means of a sleeve 17 and a Screw 18, wherein additionally a load compensation element 19th is provided.
  • the sleeve has a setting game, the fixation via the screw by means of the screw 18th with friction.
  • the vane segment 7 both in the radial and in the circumferential direction in a certain To adjust the dimensions.
  • the Load compensation element 19 becomes the inner blade suspension 14 relieved and can thereby be dimensioned smaller become. This has a favorable effect on weight and costs of the entire construction.
  • Each blade is thus by means of a screw 18 to the Control ring 9 screwed.
  • the sleeve 17 is located in the lower Bar of the vane (vane segment 7).
  • the sleeve can, seen from the center of the sleeve, forces only in the radial direction transferred to the vane.
  • the vane can thus, as described, in the axial direction and the circumference tip over the middle of the tube.
  • the bore diameter of the sleeve has a game on screw diameter, then that Adjustability of the vanes to the control ring allows.
  • At least one brush seal formed as an integral part of the control ring is.
  • the selection of the respective materials (alloys) is made in such a way that an adaptation to the thermal Behavior and the joining technical concerns of the control ring takes place and the connection of the brush seal to the control ring is possible without releasable fasteners.
  • control ring and its positive axial connection to the vane segments are designed in accordance with the invention an outer seal is formed on the control ring.
  • an outer seal is formed on the control ring. In connection with the inner seal on the control ring is ensured a pressure gradient across the control ring for load compensation at the location of the inner blade hanger leads.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit mehreren Deckbandsegmenten 1, welche als Dichtung Laufschaufeln 3 eines Turbinenrades 5 umschließen, wobei zumindest eine vordere und eine hintere Befestigung der Deckbandsegmente 1 an dem radial äußeren Bereich von Leitschaufelsegmenten 7, 12 erfolgt, welche an ihrem radial inneren Bereich jeweils an einem Steuerring 9, 10 gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente 7, 12 radial einstellbar an dem Steuerring 9, 10 gelagert sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit mehreren Deckbandsegmenten, welche als Dichtung Laufschaufeln eines Turbinenrades umschließen, wobei zumindest eine vordere oder eine hintere Befestigung der Deckbandsegmente an dem radial äußeren Bereich von Leitschaufelsegmenten erfolgt, welche an ihrem Inneren Bereich jeweils an einem Steuerring gelagert sind.
Eine Konstruktion dieser Art zeigt GB 2 061 396 A
Die Verwendung eines Steuerrings dient dem Zweck, die thermische Ausdehnung des Steuerrings zu nutzen, um die Leitschaufelsegmente entsprechend den thermischen Bedingungen in ihrem Außenumfang anzupassen. Hierdurch erfolgt eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des durch die Deckbandsegmente gebildeten Rings. Hierdurch ergibt sich eine Anpassung des Spaltes zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Innenbereich der Deckbandsegmente. Andernfalls würde eine thermische Kontraktion oder Ausdehnung der Laufschaufeln zu einer Vergrößerung des Spaltes oder zu einem Kontakt mit den Deckbandsegmenten führen.
Dem Stand der Technik liegt also die Grundidee zugrunde, eine optimale passive Laufspaltkontrolle zu erzielen. Dies wird, wie beschrieben, dadurch erzielt, dass die Befestigungsmittel der Deckbandsegmente ein thermisches Betriebsverhalten aufweisen, welches mit der radialen Bewegung der Schaufelspitzen der Laufschaufeln synchronisiert ist. Instationäre Betriebszustände können sich im Idealfall nicht nachteilig auf den Laufspalt im stationären Betrieb auswirken.
Bei den bekannten Konstruktionen hat es sich als nachteilig erwiesen, dass eine optimale Laufspaltkontrolle nicht unter allen Einbaubedingungen möglich ist, da die Einbaumaße des Steuerrings, der Leitschaufelsegmente sowie der Deckbandsegmente jeweils vorgegeben sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit einer optimierten passiven Laufspaltkontrolle zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellung und Montage ein optimiertes Betriebsverhalten aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruches gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente radial einstellbar an dem Steuerring gelagert sind.
Die erfindungsgemäße Konstruktion weist eine Reihe erheblicher Vorteile auf.
Durch die Verstellbarkeit der Laufschaufeln relativ zu dem Steuerring ist es möglich, Bauteiltoleranzen, beispielsweise der Leitschaufelsegmente und auch der Deckbandsegmente, auszugleichen. Gleiches gilt für Toleranzabweichungen des Steuerrings oder Exzentrizitäten desselben.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Ringspaltdichtung (Laufspalt) gegenüber der Basisauslegung in ihren Dimensionen optimiert werden kann, da eine exakte Anpassung an das thermische Betriebsverhalten möglich ist. Damit können achsensymmetrische und exzentrische Positionsabweichungen ohne Bauteiländerung kompensiert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente auch in Umfangsrichtung verstellbar an dem Steuerring gelagert sind. Somit ist es auch möglich, in Umfangsrichtung entsprechende Einstellungen vorzunehmen, bevor eine endgültige Montage der Leitschaufelsegmente und der Deckbandsegmente erfolgt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene verstellbare Lagerung wird die Möglichkeit geschaffen, während der Montage eine exakte Einstellung vorzunehmen und entsprechend die Zuordnung der Bauelemente zu optimieren.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente mittels einer Verschraubung unter Reibschluss an dem Steuerring fixiert sind. So ist es beispielsweise möglich eine Hülse mit einem Einstellspiel oder ein Segment mit einem Einstellspiel vorzusehen. In einer alternativen Ausbildung der Erfindung kann die Einstellung auch durch eine Excentervorrichtung, beispielsweise eine Passhülse mit Excenter, erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn an dem Steuerring zumindest eine Sekundärluftdichtung ausgebildet ist und der Steuerring so ausgestaltet ist, dass sein thermisches Betriebsverhalten die Breite des Ringspalts der Sekundärluftdichtung kontrolliert. Der innerhalb des Schaufelringraumes angeordnete Steuerring wird dabei so ausgebildet, dass sein thermisches Betriebsverhalten zusätzlich zur Steuerung des Laufspaltes auch zur Kontrolle von mindestens einer Ringspaltdichtung des Rotorkühlluftsystems (Sekundärluftsystem) dient. Dabei kann mindestens eine an den Steuerring angebundene Sekundärluftdichtung als Bürstendichtung oder mehrstufiges Labyrinth ausgeführt sein. Somit wird auch der Ringspalt dieser Dichtung durch das thermische Betriebsverhalten entsprechend optimiert.
Weiterhin ist es besonders günstig, wenn die für die thermische Ausdehnung der Steuerringanordnung maßgeblichen Elemente hinsichtlich ihrer Werkstoffauswahl so ausgewählt sind, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens 15% kleiner ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient der jeweils benachbarten Rotorscheibe.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1
eine vergrößerte Teilansicht des vorderen Steuerrings unter Verwendung der Erfindung,
Fig. 2
eine vergrößerte Teilansicht des hinteren Steuerrings unter Verwendung der Erfindung, und
Fig. 3
eine Teil-Gesamtansicht der erfindungsgemäßen passiven Laufspaltkontrolle.
Die Fig. 3 zeigt das Deckbandsegment 1 welches dem Leitschaufelsegment der HDT 7 und dem Leitschaufelsegment der NDT 12 zugeordnet ist. Auf die Ausgestaltung des Gehäuses sowie der hierin befindlichen Kühlluftkanäle wird an dieser Stelle verzichtet.
Vor, bzw. hinter den Laufschaufeln 3, die in bekannter Weise ein Turbinenrad 5 bilden, sind die Leitschaufelsegmente 7 bzw. 12 montiert. Die Befestigung der Leitschaufelsegmente erfolgt jeweils an einem Steuerring, nämlich einem vorderen Steuerring 9 und einem hinteren Steuerring 10.
Das Bezugszeichen 11 betrifft eine Sekundärluftdichtung, die in Form einer Bürstendichtung ausgebildet sein kann.
Bezugszeichen 15 stellt ein Gehäuse der HDT dar.
Der generelle Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Anordnung entspricht in weiten Zügen dem Stand der Technik, die erfindungsgemäßen Varianten zeigen insbesondere die vergrößerte Fig. 1 und 2.
Aus Fig. 1 ist zusätzlich zu den bereits mit Bezugszeichen belegten und beschriebenen Bauelementen, die Befestigung der Leitschaufelsegmente 7 an den Steuerring 9 gezeigt.
Der Steuerring 9 ist mit einer Isolation 16 versehen, die dessen thermisches Verhalten dem thermischen Verhalten der Scheibe 5 annähert.
Die Befestigung erfolgt mittels einer Hülse 17 und einer Schraube 18, wobei zusätzlich ein Lastkompensationselement 19 vorgesehen ist. Die Hülse weist ein Einstellspiel auf, die Fixierung erfolgt über die Verschraubung mittels der Schraube 18 mit Reibschluss. Somit ist es möglich, das Leitschaufelsegment 7 sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung in gewissem Maße einzustellen. Durch die innere Dichtung vorderer Steuerring 13 und die äußere Dichtung vorderer Steuerring 8 lässt sich der Druck über den Steuerring einstellen. Mittels des Lastkompensationselements 19 wird die innere Laufschaufelaufhängung 14 entlastet und kann dadurch kleiner dimensioniert werden. Dies wirkt sich günstig auf Gewicht und Kosten des gesamten Aufbaus aus.
Jede Laufschaufel wird somit mittels einer Schraube 18 an den Steuerring 9 geschraubt. Die Hülse 17 befindet sich im unteren Steg der Leitschaufel (Leitschaufelsegment 7). Die Hülse kann, von der Hülsenmitte aus gesehen, Kräfte nur in radialer Richtung auf die Leitschaufel übertragen. Die Leitschaufel kann damit, wie beschrieben, in axialer Richtung und zum Umfang über die Hülsenmitte kippen. Der Bohrungsdurchmesser der Hülse weist ein Spiel zum Schraubendurchmesser auf, dass dann die Einstellbarkeit der Leitschaufeln zum Steuerring ermöglicht.
Erfindungsgemäß erfolgt somit eine Verbesserung des Schaufellaufspalts durch Kompensation von Toleranz und Asymmetrieeffekten.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Absenkung von verbrauchsschädlichen Sekundärluftleckagen bei minimalem Zusatzaufwand gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn mindestens eine Bürstendichtung als integraler Bestandteil des Steuerrings ausgebildet ist. Die Auswahl der jeweiligen Materialien (Legierungen) ist dabei so getroffen, dass eine Anpassung an das thermische Verhalten und die fügetechnischen Belange des Steuerrings erfolgt und die Anbindung der Bürstendichtung an den Steuerring ohne lösbare Verbindungselemente möglich ist.
Durch die thermisch und fügetechnisch kompatible Legierung der Bürstendichtung und die befestigungsbedingte gute Wärmeübertragung zwischen dem Steuerring und der Bürstendichtung ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass beide Teile immer annähernd die gleiche Temperaturen haben. Die thermisch bedingten Spannungen zwischen Steuerring und Bürstendichtung sind stets nahezu gleich, wodurch eine kostengünstige und platzsparende axiale Sicherung mittels Stoffschluss möglich ist.
Der Steuerring und seine formschlüssige axiale Anbindung an die Leitschaufelsegmente sind erfindungsgemäß so ausgebildet, dass eine äußere Dichtung am Steuerring gebildet wird. In Verbindung mit der inneren Dichtung am Steuerring ist gewährleistet, dass ein Druckgradient über den Steuerring zur Lastkompensation an der Stelle der inneren Laufschaufelaufhängung führt.
Bezugszeichenliste
1
Deckbandsegment
2
Mutter
3
Laufschaufel
4
Mutter
5
Turbinenrad
6
Innere Lastaufnahme für 7
7
Leitschaufelsegment der HDT
8
Äußere Dichtung vorderer Steuerring
9
Vorderer Steuerring
10
Hinterer Steuerring
11
Sekundärluftdichtung
12
Leitschaufelsegment der NDT
13
Innere Dichtung vorderer Steuerring
14
Innere Laufschaufelaufhängung
15
Gehäuse
16
Isolation
17
Hülse
18
Schraube
19
Lastkompensationselement
20
Dichtung
21
Schraube
22
Segment

Claims (10)

  1. Gasturbine mit mehreren Deckbandsegmenten (1), welche als Dichtung Laufschaufeln (3) eines Turbinenrades (5) umschließen, wobei zumindest eine vordere und eine hintere Befestigung der Deckbandsegmente (1) an dem radial äußeren Bereich von Leitschaufelsegmenten (7,12) erfolgt, welche an ihrem radial inneren Bereich jeweils an einem Steuerring (9,10) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) radial einstellbar an dem Steuerring (9,10) gelagert sind.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) in Umfangsrichtung einstellbar an dem Steuerring gelagert sind.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einer Verschraubung unter Kraftschluss an dem Steuerring (9,10) fixiert sind.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels eines Einstellspiels relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einer Excentervorrichtung relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einstellbarer Segmente relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Steuerring (9,10) zumindest eine Sekundärluftdichtung (11) ausgebildet ist, und dass der Steuerring (9,10) so ausgestaltet ist, dass sein thermisches Betriebsverhalten die Breite des Ringspalts der Sekundärluftdichtung (11) steuert.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Elemente zumindest eines Steuerringes so ausgewählt sind, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens 15% kleiner ist als der der benachbarten Rotorscheibe (5).
  9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Leitschaufelsegmenten (7) eine Lastkompensationseinrichtung befindet.
  10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine mehrstufige Turbine handelt, wobei der vordere Bereich der ersten Deckbandsegmente in den Leitschaufelsegmenten gelagert ist, die sich vor dem ersten Turbinenrad befinden und der hintere Bereich der letzten Deckbandsegmente in den Leitschaufelsegmenten gelagert ist, die sich hinter dem letzten Turbinenrad befinden.
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