EP1861583A1 - Wärmestausegment - Google Patents

Wärmestausegment

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Publication number
EP1861583A1
EP1861583A1 EP06725188A EP06725188A EP1861583A1 EP 1861583 A1 EP1861583 A1 EP 1861583A1 EP 06725188 A EP06725188 A EP 06725188A EP 06725188 A EP06725188 A EP 06725188A EP 1861583 A1 EP1861583 A1 EP 1861583A1
Authority
EP
European Patent Office
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joining
radially
contour
axially
heat
Prior art date
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Granted
Application number
EP06725188A
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English (en)
French (fr)
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EP1861583B1 (de
Inventor
Alexander Khanin
Edouard Sloutski
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Priority to SI200630608T priority Critical patent/SI1861583T1/sl
Publication of EP1861583A1 publication Critical patent/EP1861583A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1861583B1 publication Critical patent/EP1861583B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments

Definitions

  • the invention relates to a heat recovery segment for local separation of a flow channel within a flow rotating machine, in particular gas turbine plant, opposite to a stator radially surrounding the stator housing, with two axially opposite joining contours, which are each engageable with two along the flow channel axially adjacent components.
  • Heat accumulation segments of the type described above are part of axial flow-through turbomachines through which flow for compression or targeted expansion gaseous working media and due to their high process temperatures, the thermally heavily loaded with the hot working fluids system components.
  • the guide vanes arranged axially one after the other in the rows of rotor blades and vanes are acted upon directly by the combustion gases produced in the combustion chamber.
  • so-called heat accumulation segments which are provided on the stator side between two guide vanes arranged axially adjacent to one another, ensure a gas-tight bridge-like seal between the two axially adjacent one another arranged guide blade rows.
  • Correspondingly designed heat accumulation segments can also be used along the rotor unit. These are each to be mounted on the rotor side between two axially adjacent rows of blades in order to protect rotor-internal areas from excessive heat input.
  • FIG. 2 shows a partial longitudinal section through a gas turbine stage, in which a flow channel K is bounded radially inwardly by a rotor unit 1 and radially outside by a stator unit 2. Rotationally fixed to the rotor unit 1, blades 3 protrude radially in the flow channel K, which is flowed through axially in the rest of hot gases with the direction of arrow oriented flow direction.
  • the flow channel K is bounded by stator vanes 4 attached to the stator, whose guide vanes 41 protrude radially into the flow channel K from the outside.
  • the guide vanes 4 have for the gas-tight separation of the flow channel K relative to the stator-mounted components on a platform 42 which covers both the axial region immediately around the vane blade 41 as a one-piece component in the form of a balcony-like overhang 42 ', the area between two rows of vanes spans and radially opposite the blade tips.
  • the guide vanes 4 are arranged in the circumferential direction of the gas turbine in each row of guide blades, it is true that within a row of guide vanes in the circumferential direction immediately adjacent arranged vanes 4 along their axial side edges 5 to connect gas-tight with each other. This purpose is served over the entire extent of the side edge 5 extending belt seal 6, which opens on both sides in corresponding grooves along the side edges of two adjacent vanes.
  • the band seal 6 ensures, in particular, that the platform 42 cooling air supplied to the stator can not escape into the flow channel K and is therefore available through appropriate cooling channels within the guide vane for effective cooling of all the vane areas exposed to the hot gases.
  • the object of the invention is to effectively counteract the above-described wear phenomena due to mechanical vibrations on the band seals provided between two guide vanes. It should be ensured that the maintenance intervals required to inspect these seals are considerably extended. Consequently, the assembly and disassembly effort, which is required for the inspection and, where appropriate, for the replacement of appropriate sealing materials, should be significantly reduced. In particular, it should not be necessary for the removal of individual guide vanes from the composite of a row of guide vanes to dismantle the entire number of vanes or at least segment regions of the number of vanes.
  • the idea underlying the invention is fundamentally based on a separation of the guide vane platform 42 and the balcony-like platform section 42 ', which are integrally formed according to image representation in Figure 2. It is proposed that between two rows of blades axially extending portion separated by means of a separate, bridge-like heat dam segment, ie between each two axially adjacent vanes extends a heat shield segment and adjacent on both sides as possible gas-tight on the vanes. Corresponding to the number of vanes within a row of vanes, correspondingly many heat accumulation segments are provided in the circumferential direction, which accordingly form a series of heat stacks, along the axial extent of which the blades of a blade row circulate radially inward.
  • Such a heat dissipation segment which basically serves for the local separation of a flow channel within a flow rotating machine, in particular a gas turbine plant, with respect to a stator housing radially surrounding the flow channel, with two axially opposite joining contours, each in engagement with two axially adjacent components along the flow channel, in particular two Guide vanes, can be brought, according to the solution is designed such that a first of the two joining contours has a radially oriented recess with a contour surface, to the radially a Fastening pin with an outer contour from the side of a force adjacent to the first joining contour adjacent component is available kraftbeaufschlagt. Furthermore, the first joining contour has a collar portion with a radially upper and lower collar surface, which is available in a counter contoured receiving contour within the axially adjacent component by a joining force acting between the fastening pin and the contour surface.
  • the fastening pin preferably has a cylindrical outer contour which comes into operative connection with the contour surface of the recess.
  • it is a so-called cylindrical mounting pin, which is flush pressed against a correspondingly contoured contoured cylindrical contour surface and ensures a secure fit of the heat shield segment on the adjacent component.
  • the heat recovery segment according to the invention is releasably fixedly connected to a guide vane arranged axially adjacent only over a single joining region.
  • the second joining region of the heat recovery segment which is axially opposite this joining region is loosely pressed against a radially oriented joining surface on a stator-supporting structure. If it is necessary to remove the heat release segment, it may be loose Press connection with the heat shield segment in contact standing guide vane are separated by mere axial removal.
  • the heat spreader segment can be easily separated from the other vane by loosening the joint by removing the respective vane in the circumferential direction from the stator supporting structure carrying the vane, whereby the joint connection to the heat spreader is automatically released. Since the heat recovery segment according to the invention is distinguished by design features with regard to the joint construction, the heat recovery segment according to the invention will be described below with reference to a preferred exemplary embodiment.
  • Fig. 1 b shows a detailed representation of the joint connection
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a guide vane suspension within a gas turbine stage according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through the stator-side suspension of a stator blade 4 and a heat shield segment 12 formed separately from the stator blade 4.
  • the exemplary embodiment described in connection with FIG. 2, to the description of which reference is made to the introduction to the description, can also accommodate the stator blade 4 shown in FIG and the axially adjacent heat shield segment 12 to separate the flow channel K in a gastight manner with respect to the components 2 arranged on the stator side.
  • the band seals 6 and 14 of the separately executed guide vane and heat shield segment 12 only half the length, whereby the wear due to the vibration occurring unchanged due to material abrasion occur significantly less in appearance. This makes it possible to extend the maintenance and possibly replacement intervals for the band seal significantly.
  • the heat dissipation segment 12 formed in accordance with the invention has two axially opposite joining contours 17, 18, of which the joining contour 18 is merely subjected to a force via a radially oriented joining surface 19 to a Surface region 20 of the stator-side support structure 7 is pressed.
  • a groove-shaped recess is provided within the radially oriented joining surface 19, within which a sealing means 21 is introduced.
  • the second joining region 18 adjoins an axially adjacent guide vane 4 1 via a further axial joining face 22, which can be mounted or dismounted by appropriate axial mounting or dismounting by means of exclusive axial approach or removal to the heat spreader segment 12.
  • Axially opposite the joining region 18, the first joining region 17 is provided, which is shown enlarged in accordance with the illustration in FIG. 1 b.
  • the further embodiments thus refer to both FIGS. 1a and 1b.
  • the joining region 17 of the heat spreader segment 12 has a collar section 23, which provides a radially upper and radially lower collar surface 24, 25.
  • the collar portion 23 protrudes axially into a corresponding counter-contoured receiving contour 26 within the axially adjacent guide vane 4.
  • the joining between the collar portion 23 and the receiving contour 26, which is more precisely provided in the foot region of the guide vane 4, takes place precisely, so that the joint at least in Radial direction has no clearance or tolerance. This is necessary in particular for a gas-tight and force-loaded pressing of the axially opposite joining contour 18 against the support structure 7 in the surface region 20.
  • the joining contour 17 has a radially oriented recess 27, which has a cylindrically shaped contour surface 28.
  • the radially oriented recess 27 is formed as a half-mold, wherein the cylindrically shaped contour surface 28 axially facing the collar portion 23 is attached.
  • the joining region 17 is also covered radially on the outside by an overhanging region 29 of the guide blade 4, with which the guide blade 4 is fastened in a stator-side support structure 7.
  • an opening 30 is provided, which passes through the overhanging portion 29 completely radially and in which a cylindrically shaped mounting pin 31, a spring element 32 and a helically shaped support member 33 are provided.
  • the fastening pin 31 has a cylindrical outer contour 34, which comes into engagement with the contour surface 28 of the first joining contour 17 by radially lowering the fastening pin 31.

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Description

Wärmestausegment
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmestausegment zum lokalen Abtrennen eines Strömungskanals innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, insbesondere Gasturbinenanlage, gegenüber eines den Strömungskanal radial umgebenden Statorgehäuses, mit zwei axial gegenüberliegenden Fügekonturen, die jeweils in Eingriff mit zwei längs des Strömungskanals axial benachbarten Komponenten bringbar sind.
Stand der Technik
Wärmestausegmente der vorstehend bezeichneten Gattung sind Teil axial durchströmter Strömungsmaschinen, durch die zur Kompression oder gezielten Expansion gasförmige Arbeitsmedien hindurchströmen und aufgrund ihrer hohen Prozesstemperaturen die mit dem heissen Arbeitsmedien unmittelbar beaufschlagten Anlagenkomponenten thermisch stark belasten. Insbesondere in den Turbinenstufen von Gasturbinenanlagen werden die in Lauf- und Leitschaufelreihen axial hintereinander angeordnete Lauf- und Leitschaufeln mit den in der Brennkammer entstehenden Verbrennungsgasen unmittelbar beaufschlagt. Um zu verhindern, dass die den Strömungskanal durchströmenden Heissgase auch zum Strömungskanal abgewandt gelegene Bereiche innerhalb der Strömungsrotationsmaschine erfassen, sorgen so genannte Wärmestausegmente, die statorseitig zwischen jeweils zwei axial benachbart zueinander angeordneten Leitschaufelreihen vorgesehen sind, für eine möglichst Gas dichte brückenartige Abdichtung zwischen beiden axial benachbart angeordnete Leitschaufelreihen. Entsprechend konzipierte Wärmestausegmente können auch längs der Rotoreinheit eingesetzt werden. Diese sind jeweils zwischen zwei axial benachbarten Laufschaufelreihen rotorseitig anzubringen, um Rotorinterner Bereiche vor einem zu hohen Wärmeeintrag zu bewahren.
Gleichwohl sich die nachstehenden Ausführungen ausschliesslich auf Wärmestausegmente beziehen, die zwischen zwei Leitschaufelreihen angeordnet werden und insofern das statorseitige Gehäuse und die damit verbundenen Komponenten gegenüber dem hitzebelasteten Strömungskanal abzutrennen und entsprechend zu schützen vermögen, ist es ebenso denkbar, die nachfolgenden Massnahmen auch an einem Wärmestausegment vorzusehen, das dem Schutz von mitrotierenden Rotorkomponenten dient und zwischen zwei axial benachbart zueinander angeordneten Laufschaufelreihen einzubringen ist.
Eine an sich bekannte Leitschaufelanordnung mit integriertem Wärmestausegment ist der Teillängsschnittdarstellung gemäss Figur 2 zu entnehmen. Figur 2 stellt einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbinenstufe dar, bei der ein Strömungskanal K radial innenliegend von einer Rotoreinheit 1 und radial aussen von einer Statoreinheit 2 begrenzt wird. Drehfest mit der Rotoreinheit 1 ragen Laufschaufeln 3 radialwärts in den Strömungskanal K, der im übrigen axialwärts von Heissgasen mit der gemäss Pfeildarstellung orientierten Strömungsrichtung durchströmt wird.
Radial von aussen wird der Strömungskanal K von statorseitig angebrachten Leitschaufeln 4 begrenzt, deren Leitschaufelblätter 41 radial von aussen in den Strömungskanal K ragen. Die Leitschaufeln 4 weisen zur gasdichten Abtrennung des Strömungskanals K gegenüber den statorseitig angebrachten Komponenten eine Plattform 42 auf, die als einstückiges Bauteil sowohl den axialen Bereich unmittelbar um das Leitschaufelblatt 41 als in Form eines balkonartigen Überhanges 42' den Bereich überdeckt, der sich zwischen zwei Leitschaufelreihen aufspannt und jeweils den Laufschaufelspitzen radial gegenüberliegt. Da die Leitschaufeln 4 in Umfangsrichtung der Gasturbine jeweils in Leitschaufelreihen angeordnet sind, gilt es die innerhalb einer Leitschaufelreihe in Umfangsrichtung jeweils unmittelbar benachbart angeordneten Leitschaufeln 4 längs ihrer axialen Seitenkanten 5 gasdicht miteinander zu verbinden. Hierzu dient eine sich über die gesamte Erstreckung der Seitenkante 5 verlaufende Banddichtung 6, die beidseitig in entsprechende Nuten längs der Seitenkanten zweier benachbarter Leitschaufeln einmündet. Die Banddichtung 6 sorgt insbesondere dafür, dass der Plattform 42 statorseitig zugeführte Kühlluft nicht in den Strömungskanal K entweichen kann und somit durch entsprechende Kühlkanäle innerhalb der Leitschaufel zur effektiven Kühlung aller den Heissgasen exponierten Leitschaufelbereichen zur Verfügung steht.
Der alltägliche Betrieb von Gasturbinenanlagen zeigt jedoch, dass sämtliche Komponenten der Gasturbinenstufe neben thermischen Belastungen auch mechanischen Vibrationen ausgesetzt sind, wodurch beispielsweise auch die Leitschaufeln 4 radial und axial gerichtete kleinste Bewegungen und Erschütterungen erfahren, durch die nicht zuletzt auch die zwischen den Leitschaufeln eingebrachten Banddichtungen geschwächt werden. So entstehen im Wege mechanischer Schwingungsbelastungen innerhalb der Banddichtungen Risse und Brüche, wodurch die Dichtungen regelrecht zu zerbröckeln beginnen. Im Falle einer derartigen Dichtungsschädigung können erhebliche Leckageverluste zwischen den einzelnen Leitschaufelsegmenten auftreten, so dass die zum sicheren Betrieb erforderliche Kühlung der einzelnen Leitschaufeln nicht in einem ausreichenden Masse garantiert werden kann.
Um hierfür Sorge zu tragen gilt es regelmässig Wartungs- und Inspektionsarbeiten an den Leitschaufeln und an den in diesem Bereich vorgesehenen Dichtungsmitteln durchzuführen. Diese Arbeiten setzten jedoch eine vollständige Demontage kompletter Leitschaufelreihen voraus, um letztlich zwischen zwei benachbart innerhalb einer Leitschaufelreihe angeordnete Leitschaufeln vorgesehene Banddichtungen zu ersetzen. Aus der in der Längsschnittdarstellung gemäss Figur 2 entnehmbaren Fügeverbindung zwischen einer Leitschaufel 4 und einer diese tragenden statorseitigen Tragstruktur 7 ist zu ersehen, dass die Leitschaufel 4 über jeweils zwei kragenartig ausgebildete Fügekonturen 8, 9 in Eingriff mit entsprechenden Ausnehmungen 10, 11 innerhalb der Tragstruktur 7 gefügt ist. Zu Montage- bzw. Demontage sind die einzelnen Leitschaufeln 4 in Umfangsrichtung aus bzw. in die nutförmigen Ausnehmungen 10, 11 zu entnehmen bzw. einzuführen. Gilt es jedoch lediglich eine einzige Leitschaufel aus dem Leitschaufelarrangement innerhalb einer Leitschaufelreihe zu entnehmen oder in dieses einzufügen, so ist es erforderlich, zumeist die komplette Laufschaufelreihe oder wenigstens Laufschaufelreihensegmente zu demontieren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene im Wege mechanischer Vibrationen sich einstellenden Abnutzungserscheinungen an den zwischen zwei Leitschaufeln vorgesehenen Banddichtungen wirkungsvoll entgegen zu treten. Es soll erreicht werden, dass die Wartungsintervalle, die zur Inspektion dieser Dichtungen erforderlich sind, erheblich verlängert werden. Mithin soll der Montage- sowie Demontageaufwand, der für die Inspektion und gegebenenfalls für den Austausch entsprechender Dichtungsmaterialien erforderlich ist, deutlich reduziert werden. Insbesondere soll es für die Entnahme einzelner Leitschaufeln aus dem Verbund einer Leitschaufelreihe nicht erforderlich sein, die gesamte Leitschaufelreihe oder wenigstens Segmentbereiche der Leitschaufelreihe zu demontieren.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee geht grundsätzlich von einer Separierung der Leitschaufelplattform 42 und dem balkonartig ausgebildeten Plattformabschnitt 42' aus, die gemäß Bilddarstellung in Figur 2 einstückig ausgebildet sind. Es wird vorgeschlagen den sich zwischen zwei Leitschaufelreihen axialwärts erstreckenden Bereich mittels eines separaten, brückenartig ausgebildeten Wärmestausegmentes abzutrennen, d.h. zwischen jeweils zwei axial benachbarten Leitschaufeln erstreckt sich ein Wärmestausegment und grenzt beidseitig möglichst gasdicht an den Leitschaufeln an. In Umfangsrichtung sind korrespondierend zur Anzahl von Leitschaufeln innerhalb einer Leitschaufelreihe entsprechend viele Wärmestausegmente vorgesehen, die dementsprechend eine Wärmestausegmentreihe bilden, längs deren axialen Erstreckung die Laufschaufeln einer Laufschaufelreihe radial innenliegend umlaufen.
Die Ausbildung eines derartigen Wärmestausegmentes als separates Bauteil gegenüber der Leitschaufel verhilft die schädigenden Auswirkungen der betriebsbedingten radialen und axialen Erschütterungen auf die bandförmigen Dichtmittel, die zwischen jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln eingebracht sind, merklich zu reduzieren, zumal die axiale Erstreckung der jeweiligen Banddichtung halbiert ist und separat längs der Seitenkante der Leitschaufelplattform sowie der des Wärmestausegmentes verläuft .
Zudem gilt es, das als separates Bauteil ausgeführte Wärmestausegment derart zwischen zwei axial benachbarte Leitschaufeln derart einzufügen, so dass eine Entnahme einzelner Leitschaufeln aus dem Verbund einer Leitschaufelreihe einzeln, d.h. ohne die Notwendigkeit der Demontage einer vollständigen Leitschaufelreihe möglich wird.
Ein derartiges Wärmestausegment, das grundsätzlich zum lokalen Abtrennen eines Strömungskanals innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, gegenüber eines den Strömungskanal radial umgebenden Statorgehäuses dient, mit zwei axial gegenüberliegenden Fügekonturen, die jeweils in Eingriff mit zwei längs des Strömungskanals axial benachbarten Komponenten, wie insbesondere zweier Leitschaufeln, bringbar sind, ist lösungsgemäss derart ausgebildet, dass eine erste der zwei Fügekonturen eine radial orientierte Ausnehmung mit einer Konturfläche aufweist, an die radialwärts ein Befestigungszapfen mit einer Aussenkontur von Seiten einer an die erste Fügekontur benachbart angrenzenden Komponente kraftbeaufschlagt fügbar ist. Ferner weist die erste Fügekontur einen Kragenabschnitt mit einer radial oberen und unteren Kragenoberfläche auf, der in eine gegenkonturierte Aufnahmekontur innerhalb der axial benachbarten Komponente durch eine zwischen dem Befestigungszapfen und der Konturfläche wirkenden Fügekraft fügbar ist.
Der Befestigungszapfen weist vorzugsweise eine mit der Konturfläche der Ausnehmung in Wirkverbindung tretende zylinderförmige Aussenkontur auf. Somit handelt es sich um einen so genannten zylinderförmigen Befestigungszapfen, der an einer entsprechend gegenkonturiert ausgebildeten zylinderförmigen Konturfläche bündig anpressbar ist und für einen sicheren Sitz des Wärmestausegmentes an der angrenzenden Komponente sorgt.
Die vorstehend beschriebene lösungsgemässe Fügeverbindung zwischen einem Wärmestausegment und einer sich axial daran anschliessenden Komponente einer Strömungsrotationsmaschine eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für den Einsatz zwischen zwei Leitschaufeln längs einer Gasturbinenstufe. Obgleich sich die weiteren Ausführungen unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel auf einen derartigen Einsatzzweck beschränken, kann die lösungsgemässe Fügeverbindung für das Wärmestausegment gleichwohl auch zwischen zwei axial benachbarte Laufschaufeln einer Rotoreinheit angewandt werden. Hierfür sind lediglich konstruktionsbedingte, fachgerechte Anpassungen, die von einem Fachmann ausführbar sind, erforderlich.
Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf das dargestellte Ausführungsbeispiel hervorgeht, wird das lösungsgemässe Wärmestausegment lediglich über einen einzigen Fügebereich lösbar fest mit einer axial benachbart angeordneten Leitschaufel verbunden. Der diesem Fügebereich axial gegenüber liegende zweite Fügebereich des Wärmestausegmentes wird hingegen lediglich kraftbeaufschlagt gegen eine radial orientierte Fügefläche an einer statorseitigen Tragstruktur lose angepresst. Gilt es das Wärmestausegment zu entnehmen, so kann die über die lose Pressverbindung mit dem Wärmestausegment in Kontakt stehende Leitschaufel durch blosses axiales Entnehmen separiert werden. Das Wärmestausegment lässt sich hingegen leicht von der anderen Leitschaufel durch Lösen der Fügeverbindung separieren, indem die betreffende Leitschaufel in Umfangsrichtung aus der die Leitschaufel tragenden statorseitigen Tragstruktur entnommen wird, wodurch die Fügeverbindung zum Wärmestausegment selbsttätig gelöst wird. Da sich das lösungsgemässe Wärmestausegment durch konstruktive Besonderheiten hinsichtlich der Fügekonstruktion auszeichnet, wird das lösungsgemässe Wärmestausegment im Weiteren unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a Längsschnittteildarstellung durch eine Leitschaufel-Wärmesegmentanordnung,
Fig. 1 b Detailldarstellung der Fügeverbindung und
Fig. 2 Längsschnittteildarstellung einer Leitschaufelaufhängung innerhalb einer Gasturbinenstufe gemäss Stand der Technik.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt eine Teillängsschnittdarstellung durch die statorseitige Aufhängung einer Leitschaufel 4 und einem separat zur Leitschaufel 4 ausgebildeten Wärmestausegment 12. Gleichsam dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2, auf deren Beschreibung auf die Beschreibungseinleitung verwiesen wird, vermögen auch die in der Figur 1a dargestellte Leitschaufel 4 und das sich daran axial anschliessende Wärmestausegment 12 den Strömungskanal K gegenüber den statorseitig angeordneten Komponenten 2 gasdicht abzutrennen. Auch verläuft längs der Seitenkante 5 der Leitschaufel 4 sowie längs der Seitenkante 13 des Wärmestausegmentes 12 jeweils ein bandförmiges Dichtmittel 6, 14, das jeweils in Eingriff mit einem in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Wärmestausegment bzw. einer Leitschaufel steht und auf diese Weise für einen gasdichten Abschluss zwischen dem Strömungskanal K und den statorseitig angeordneten Komponenten 2 sorgt. Insbesondere gilt es, das von dem Wärmestausegment 12 statorseitig eingeschlossene Volumen E, das über einen Kühlluftkanal 15 mit Kühlluft versorgt wird, weitgehend gasdicht gegenüber dem Strömungskanal K abzuschliessen, in dem axial zwischen benachbarten Leitschaufeln jeweils Laufschaufeln La umlaufen. Nur der guten Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass die Leitschaufel 4 gleichfalls mit Kühlluft versorgt wird. Auch die in diesem Bereich zugeführte Kühlluft gilt es gegenüber dem Strömungskanal K abzudichten, was durch die Banddichtung 6 gewährleistet wird.
Im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen bekannten Ausbildungsform der einstückig durchgehenden Bandddichtung weisen die Banddichtungen 6 und 14 der jeweils separat ausgeführten Leitschaufel sowie Wärmestausegment 12 lediglich eine hälftige Länge auf, wodurch die Abnutzung aufgrund der unverändert auftretenden Vibrationen bedingt durch Materialabrieb deutlich geringer in Erscheinung treten. Hierdurch ist es möglich, die Wartungs- und gegebenenfalls Auswechselintervalle für die Banddichtung deutlich zu verlängern.
Um den Montage- bzw. Demontageaufwand für derartige Wartungsarbeiten hingegen zu reduzieren, weist das separat ausgebildete Wärmestausegment 12 eine lösungsgemäss ausgebildete Fügeverbindung zu den axial angrenzenden Leitschaufeln auf, wodurch eine leichte, schnelle und insbesondere vereinzelte Entnahme aus dem Gesamtverbund der Gasturbinenanordnung ermöglicht wird.
Grundsätzlich weist das lösungsgemäss ausgebildete Wärmestausegment 12 zwei axial gegenüberliegende Fügekonturen 17, 18 auf, von denen die Fügekontur 18 lediglich kraftbeaufschlagt über eine radial orientierte Fügefläche 19 an einen Oberflächenbereich 20 der statorseitigen Tragstruktur 7 gepresst wird. Um das innen liegende Kühlvolumen E gasdicht gegenüber dem Strömungskanal K abzutrennen, ist innerhalb der radial orientierten Fügefläche 19 eine nutförmige Ausnehmung vorgesehen, innerhalb der ein Dichtmittel 21 eingebracht ist. Ferner grenzt der zweite Fügebereich 18 über eine weitere axiale Fügefläche 22 an eine axial benachbarte Leitschaufel 41 an, die bei entsprechender Montage bzw. Demontage durch ausschliessliches axiales Annähern bzw. Entfernen an das Wärmestausegment 12 montiert bzw. demontiert werden kann. Dem Fügebereich 18 axial gegenüberliegend ist der erste Fügebereich 17 vorgesehen, der gemäss Bilddarstellung in Figur 1 b vergrössert dargestellt ist. Die weiteren Ausführungen nehmen somit Bezug auf beide Figuren 1a und 1 b.
Der Fügebereich 17 des Wärmestausegmentes 12 weist einen Kragenabschnitt 23 auf, der eine radial obere und radial untere Kragenoberfläche 24, 25 vorsieht. Der Kragenabschnitt 23 ragt dabei axialwärts in eine entsprechend gegenkonturierte Aufnahmekontur 26 innerhalb der axial angrenzenden Leitschaufel 4. Die Fügung zwischen dem Kragenabschnitt 23 und der Aufnahmekontur 26, die genauer gesagt im Fussbereich der Leitschaufel 4 vorgesehen ist, erfolgt passgenau, so dass die Fügung zumindest in Radialrichtung kein Spiel bzw. keine Toleranz aufweist. Dies ist insbesondere für eine gasdichte und kraftbeaufschlagte Pressung der axial gegenüberliegenden Fügekontur 18 gegen die Tragstruktur 7 im Oberflächenbereich 20 erforderlich.
Unmittelbar axialwärts an den Kragenabschnitt 23 angrenzend weist die Fügekontur 17 eine radial orientierte Ausnehmung 27 auf, die über eine zylindrisch geformte Konturfläche 28 verfügt. Die radial orientierte Ausnehmung 27 ist als Halbform ausgebildet, wobei die zylindrisch geformte Konturfläche 28 axialwärts den Kragenabschnitt 23 zugewandt angebracht ist.
Der Fügebereich 17 wird zudem radial aussenliegend von einem überkragenden Bereich 29 der Leitschaufel 4 überdeckt, mit dem die Leitschaufel 4 in einer statorseitigen Tragstruktur 7 befestigt ist. Innerhalb des überkragenden Bereiches 29 der Leitschaufel 4 ist eine Öffnung 30 vorgesehen, die den überkragenden Bereich 29 vollständig radial durchsetzt und in der ein zylinderförmig ausgebildeter Befestigungszapfen 31 , ein Federelement 32 sowie ein schraubenförmig ausgebildetes Abstützelement 33 vorgesehen sind. Der Befestigungszapfen 31 weist eine zylinderförmige Aussenkontur 34 auf, die durch radiales Absenken des Befestigungszapfens 31 in Eingriff mit der Konturfläche 28 der ersten Fügekontur 17 tritt. Im gefügten Zustand der Leitschaufel 4, d.h. sobald der überkragende Bereich 29 in Kontakt mit der Tragstruktur 7 tritt, wird das Abstützelement 33 entgegen der Federkraft des Federelementes 32 radial nach innen gedrückt, wodurch der Befestigungszapfen 31 radial nach innen gerichtet gegen die zylinderförimge Konturfläche 28 der radial orientierten Ausnehmung 37 geschoben wird. Hierdurch wird der Kragenabschnitt 23 des Fügebereichs 17 axial in die Ausnehmung 26 des Fussbereiches der Leitschaufel 4 verpresst. Durch diese Fügeverbindung, die ausschliesslich durch den federkraftbeaufschlagten Befestigungsbolzen 31 gehalten wird, der seinerseits durch die Fügeverbindung zwischen dem überkragenden Bereich 29 mit der statorseitigen Tragstruktur 7 gesichert wird, ist eine stabile aber dennoch einfach lösbare Verbindung zwischen Wärmestausegment 13 und der axial benachbarten Leitschaufel 4 realisiert.
So ist es möglich, die Leitschaufel 4' aus einer geschlossenen Gasturbinenanordnung in der folgenden Weise auszutauschen: Wie bereits eingangs kurz erwähnt, ist die Demontage der Leitschaufel 4' durch axiale Entnahme möglich. Selbst bei entnommener Leitschaufel 4' verbleibt das Wärmestausegment 12 an seinem vorgegebenen Platz, zumal das Wärmestausegment 12 durch die lösungsgemäss vorbeschriebene Fügeverbindung selbsttragend am Fusse der Leitschaufel 4 verharrt. So wird ein axiales Verrutschen des Wärmestausegmentes 12 durch den Kontakt zwischen dem Befestigungszapfen 31 und der Konturfläche 28 des Fügebereiches 11 verhindert. Ebenso sorgt die toleranzfreien Fügungen der oberen und unteren Kragenoberflächen 24, 25 innerhalb der gegenkonturierten Aufnahmekontur 26 für eine kraftbeaufschlagte Abdichtung im Bereich des zweiten Fügebereiches 18, wie bereits eingangs beschrieben. Selbst eine Wiedermontage der Leitschaufel 4' ist durch die Präsenz des Wärmestausegmentes 12 nicht behindert. Vielmehr ist es möglich, die Leitschaufel 4' durch axiale Annäherung gemäss dem Bewegungsvektor G mit dem zweiten Fügebereich 18 in Kontakt zu bringen.
Bezugszeichenliste
Rotoreinheit Statoreinheit Laufschaufel Leitschaufel 1 Leitschaufelblatt 2 Leitschaufelplattform Seitenkante Banddichtung, Dichtmittel statorseitige Tragstruktur , 9 Befestigungskragen 0,11 statorseitige Aufnahmekonturen 2 Wärmestausegment 3 Seitenkante 4 Banddichtung, Dichtmittel 5 Kühlkanal 6 Kühlkanal 7 erste Fügekontur 8 zweite Fügekontur 9 axial orientierte Fügefläche 0 Oberflächenbereich 1 Dichtmittel 2 weitere axiale orientierte Fügefläche Kragenabschnitt radial obere und untere Kragenoberfläche gegenkonturierte Aufnahmestruktur radial orientierte Ausnehmung Konturfläche überkragender Bereich der Leitschaufel Öffnung Befestigungszapfen Federelement Abstützelement Zylinderförmige Aussenkontur

Claims

Patentansprüche
1. Wärmestausegment zum lokalen Abtrennen eines Strömungskanals (K) innerhalb einer Strömungsrotationsmaschine, insbesondere Gasturbinenanlage, gegenüber eines den Strömungskanal (K) radial umgebenden Statorgehäuses (2), mit zwei axial gegenüberliegenden Fügekonturen (17, 18), die jeweils in Eingriff mit zwei längs des Strömungskanals (K) axial benachbarten Komponenten (4, 4') bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der zwei Fügekonturen (17) eine radial orientierte Ausnehmung (27) mit einer Konturfläche (28) aufweist, an die radialwärts ein Befestigungszapfen (31 ) mit einer an die Konturfläche (28) angepasste Aussenkontur (34) von Seiten einer an die erste Fügekontur (17) benachbart angrenzenden Komponente (4) kraftbeaufschlagt fügbar ist, und dass die erste Fügekontur (17) einen Kragenabschnitt (23) mit einer radial oberen und unteren Kragenoberflächefläche (24, 25) aufweist, der in eine gegenkonturrierte Aufnahmekontur (26) innerhalb der axial benachbarten Komponente (4) durch eine zwischen dem Befestigungszapfen (31 ) und der Konturfläche (28) wirkenden Fügekraft fügbar ist.
2. Wärmestausegment nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die axial benachbarten Komponenten (4, 4') jeweils Leitschaufeln darstellen, und dass die erste Fügekontur (17) ausschliesslich im Bereich des Leitschaufelfusses mit der axial benachbart angeordneten Leitschaufel (4, 4') in Fügeverbindung tritt.
3. Wärmestausegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial orientierte Ausnehmung (27) als eine Halbform mit einer hälftigen zylinderförmigen Konturfläche (28) ausgebildet ist, und dass die zylinderförmige hälftige Konturfläche (28) radial dem Kragenabschnitt (23) zugewandt ist.
4. Wärmestausegment nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenkontur (34) des Befestigungszapfens (31), die in Eingriff mit der Konturfläche (28) der Ausnehmung (27) bringbar ist, zylinderförmig ausgebildet ist.
5. Wärmestausegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungszapfen (31 ) eine radiale Ausnehmung in Art eines Sackloches aufweist, in die eine Federelement (32) einbringbar ist, das den Befestigungszapfen (31 ) federkraftbeaufschlagt radialwärts gegen die zylindrisch geformte Konturfläche (28) der radial orientierten Ausnehmung (27) innerhalb des ersten Fügebereiches (17) fügt.
6. Wärmestausegment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (32) ausschliesslich im Wege einer Fügung der axial benachbarten Komponente (4) in einer die Komponente (4) zumindest lokal fixierenden Fügestruktur komprimierbar ist, wodurch eine Federkraft generiert wird, durch die der Befestigungszapfen (31) radialwärts gegen die zylindrisch geformte Konturfläche (28) der radial orientierten Ausnehmung (27) innerhalb des ersten Fügebereiches (17) gefügt wird.
7. Wärmestausegment nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügebereich (18) eine axial orientierte Fügefläche (19) mit einem Dichtmittel (21 ) aufweist, die an einem Oberflächenbereich (20) einer statorseitigen Tragstruktur (7) anliegt, und dass der zweite Fügebereich (18) über eine weitere axial orientierte Fügefläche (22) verfügt, die an einem Oberflächenbereich einer axial benachbarten Komponente (4') derart anliegt, dass die benachbarte Komponente (4') ausschliesslich durch axiale Beabstandung vom zweiten Fügebereich (18) trennbar oder durch axiale Annäherung an diesen fügbar ist.
8. Wärmestausegment nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei axial orientierte Seitenkanten (13) vorgesehen sind, die die zwei axial gegenüberliegenden Fügekonturen (17, 18) verbinden und längs derer jeweils über ihre gesamte axiale Erstreckung ein Dichtband (14) verläuft, das in Eingriff mit einem in Umfangsrichtung der Strömungsrotationsmaschine benachbart angeordneten Wärmestausegment bringbar ist.
9. Wärmestausegment nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbart angrenzende Komponente (4) eine, einen Fügebereich der Komponente (4) durchsetzende Öffnung (30) vorsieht, durch die der Befestigungszapfen (31) hindurch führbar ist, der innerhalb der Öffnung (30) ausschliesslich radial beweglich geführt ist.
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