EP2218882A1 - Leitschaufelträgersystem - Google Patents

Leitschaufelträgersystem Download PDF

Info

Publication number
EP2218882A1
EP2218882A1 EP09002129A EP09002129A EP2218882A1 EP 2218882 A1 EP2218882 A1 EP 2218882A1 EP 09002129 A EP09002129 A EP 09002129A EP 09002129 A EP09002129 A EP 09002129A EP 2218882 A1 EP2218882 A1 EP 2218882A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
guide
vane
vane carrier
insulation
carrier system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09002129A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roderich Bryk
Sascha Dr. Dungs
Martin Hartmann
Uwe Kahlstorf
Karl Dr. Klein
Oliver Dr. Lüsebrink
Mirko Milazar
Nicolas Savilius
Oliver Dr. Schneider
Shilun Dr. Sheng
Vadim Shevchenko
Gerhard Simon
Norbert Thamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09002129A priority Critical patent/EP2218882A1/de
Publication of EP2218882A1 publication Critical patent/EP2218882A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/231—Preventing heat transfer
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/21—Oxide ceramics
    • 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
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties
    • F05D2300/5024—Heat conductivity

Definitions

  • the invention relates to a vane carrier system, in particular for a gas or steam turbine, with a vane carrier and a number of vanes and / or ring segments, wherein the respective vane and / or the respective ring segment comprises a hooking element, which is attached to the vane carrier. It further relates to a gas and / or steam turbine with such a Leitschaufelitatisystem.
  • Gas or steam turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel or superheated steam is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, wherein compressed air is supplied by an air compressor.
  • the steam turbine steam generated by a steam generator is supplied.
  • the working medium under high pressure and high temperature is then passed through a downstream turbine unit, where it relaxes to perform work.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
  • For guiding the flow of the working medium in the turbine unit also commonly associated between adjacent blade rows with the turbine housing and combined into rows of guide vanes are arranged.
  • the guide vanes are usually mounted in each case by means of a blade root, also referred to as a platform Interlocking elements fixed to a guide vane support of the turbine unit.
  • this vane support is usually conical or cylindrical in shape and consists of an upper and a lower segment, the z. B. are interconnected via flanges.
  • the guide vane carrier or its upper and lower segment is often manufactured as a one-piece casting made of heat-resistant steel.
  • the cast steel allows a relatively simple production with high durability and life of the vane support.
  • a cast steel production leads to relatively high production costs.
  • the invention is therefore based on the object to provide a guide vane support of the type mentioned above, which allows a particularly long service life and a particularly high flexibility in terms of material selection with particularly low production costs.
  • This object is achieved according to the invention by arranging an insulation element between the guide blade carrier and the hooking element.
  • the invention is based on the consideration that a particularly long service life of the guide vane carrier would be achievable if the heat input caused by the hot working medium into the vane carrier could be reduced. This would also allow a particularly great flexibility in terms of material selection, since a reduction of the heat input comparatively lower loadable materials could be used for the vane support, which would also mean a reduction of production costs.
  • the guide blade carrier has a temperature profile which has comparatively small regions with high temperatures and a larger rear region with lower temperatures.
  • High temperatures occur particularly in the region of the entanglement of the guide vanes and the ring segments arranged between the guide vanes feet, since these components cause a local heat input in the region of their attachment. Therefore, especially in this area, the heat conduction between the vane and ring segments and the vane support should be hindered to limit the temperature rise and thus provide a way to use a material with lower thermal property potential as a material for the vane support, which is associated with significant cost savings is.
  • This can be achieved by an insulating element being arranged between the guide blade carrier and the hooking element of the guide blade or of the ring segment of the preferably first and / or second turbine stage.
  • the respective insulation element should be formed to the respective Verhakungselement.
  • the insulation elements should be formed, for example, as sleeves, which can be set via the hooking elements on the blade root of the guide vanes or the ring segments.
  • the outer surfaces of the guide vane carrier and the channel walls are surrounded by cooling air extending radially through the vane carrier, and by the cooling air removed from the compressor. This results in a good cooling of the guide vane carrier, which can achieve a significant reduction in temperature in the temperature-critical areas of the vane carrier in the long term in connection with the proposed isolation measure.
  • the respective isolation element in an advantageous embodiment, an insulation plate, d. H. in its geometrical configuration disc-like flat and without any special folds.
  • Such an insulation plate can be produced particularly easily separately and requires only simple modifications to the hooking element or the fastening elements of the guide blade carrier. As a result, a particularly simple introduction of such insulation elements in the guide vane support system is possible.
  • the material for the insulation elements should be selected according to the operational requirements.
  • the respective insulation element should advantageously be made of the same material as the respective guide blade or advantageously of the same material as the respective guide blade carrier.
  • the respective insulation segment should advantageously be made of steel. This one has a special high heat resistance and is therefore particularly suitable for use in the thermally heavily loaded areas of Leitschaufelverhakung.
  • the thermal insulation of the insulating element while the heat-conducting cross-sectional area of the insulating element should be reduced.
  • a number of cavities are introduced into the respective insulation element. These should be introduced, for example in the form of holes perpendicular to the heat conduction direction and thus reduce the thermal conductivity of the insulation element.
  • the cavities are furthermore suitable for flowing through the cooling air available in the region of the guide blade carrier, as a result of which the effect of the insulation elements is further optimized.
  • the insulating element is made of ceramic.
  • Ceramic materials have a particularly low thermal conductivity and are therefore particularly suitable as insulators. Due to the low thermal conductivity can also be dispensed with cavities, which is why such ceramic materials allow a particularly simple production of insulation plates or other insulation elements.
  • such a guide vane system is part of a gas or steam turbine.
  • a gas and / or steam turbine are / is advantageously part of a gas and steam turbine plant.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that is reduced by the introduction of an insulation segment in the area between vanes or ring segments and vane support the heat transfer from the hot working medium on the Verhakungs institute in the vane support and so a heating of the vane support is reduced.
  • This makes it possible to use a simple material for the vane carrier and consequently material costs and reduce component costs.
  • the use of cost-intensive high-temperature materials can be reduced or an increase in the gas inlet temperature in the turbine is made possible. This also allows a higher efficiency of the gas and steam turbine.
  • the vane carrier system 1 comprises a guide blade carrier 2, which comprises a number of fastening elements 4, to which guide vanes 6, which are combined into rows of guide vanes, and ring segments 8, which are combined into rotor blade rows, are fastened. In each case only one vane 6 and blade 7 of each row is shown in half section.
  • the guide vanes 6 comprise on their blade root 9 and the ring segments 8 interlocking elements 10, which form a positive connection with the fastening elements 4 of the guide blade carrier 2 and thus ensure the stabilization and secure retention of the guide vanes 6 and the ring segments 8 on the guide vane carrier 2.
  • cavities 12 are arranged between the guide vanes 6 or ring segments 8 and the guide blade carrier 2, in each case between the fastening elements, into which cooling air can be introduced from outside. Between the blade roots 9 of the guide vanes 6 and the ring segments 8 sealing plates 14 are attached, so that even here a penetration of hot working medium can be avoided.
  • FIG. 2 shows an insulation segment 16, which is integrally formed on the interlocking element 10 and is inserted in the manner of a sleeve on the interlocking element 10.
  • the insulation element 16 can also be designed as a simple insulation plate. Such an arrangement is in FIG. 3 shown. Again, the insulation plate is molded to the interlocking element 10 and can be relatively easily finished by its simple geometric shape.
  • the insulation element 16 can be made of different materials.
  • a ceramic material can be used which has a particularly low thermal conductivity.
  • Such an insulation element 16 is in FIG. 4 shown.
  • the ceramic material allows easy production in a flat parallelepiped shape and reduces the heat input into the guide blade carrier 2 by its low thermal conductivity.
  • the insulating member 16 may also be made of the same material as the respective vane carrier or the respective vane.
  • the insulation element 16 may also be made of steel.
  • a number of cavities 18, for example in the form of bores, should then be introduced into the respective insulation element 16, as in FIG FIG. 5 shown.
  • the cavities reduce the heat-conducting cross-sectional area and, with further cooling demand, the cooling air present in the area of the guide blade carrier 2 can flow through it, thus ensuring even better insulation of the guide blade carrier 2 against the temperatures of the hot working medium.
  • the vane carrier 2 By reducing the heat input into the vane carrier 2, it is possible to manufacture the vane carrier 2 from a comparatively less heat-resistant and expensive material, which allows a resource-saving, less expensive production of the vane carrier 2 and the vane carrier system 1, without sacrificing operational safety and lifetime, for example to have to accept a gas or steam turbine.
  • a gas turbine 101 as in FIG. 6 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 104 and a turbine unit 106.
  • the turbine unit 106 and the compressor 102 are arranged on a common turbine shaft 108, also referred to as turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 109.
  • the combustor 104 which is in the form of an annular combustor, is equipped with a number of burners 110 for combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine unit 106 has a number of rotatable blades 7 connected to the turbine shaft 108.
  • the blades 112 are annularly disposed on the turbine shaft 108 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine unit 106 includes a vane system 1 having a number of stationary vanes 6, which are also secured in a donut-like fashion to form vane rows on the vane support 2 of the turbine unit 106.
  • the blades 7 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • the vanes 6, however, serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
  • a successive pair of a ring of vanes 6 or a row of vanes and a ring of blades 7 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • FIG. 6 shows in a larger context, the blade root 9 of the vanes 6, for fixing the respective vane 6 on the vane support 2 of the turbine unit 106 is used.
  • the blade root 9 is a thermally comparatively heavily loaded component that forms the outer boundary of a hot gas channel for the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • Each blade 7 is attached in a similar manner via a blade root 119 to the turbine shaft 108.
  • each ring segment 8 is arranged between the spaced blade roots of the vanes 6 of two adjacent rows of vanes on the guide blade carrier 2 of the turbine unit 106.
  • the outer surface of each ring segment 8 is also exposed to the hot, the turbine unit 106 flowing through the working medium M and spaced in the radial direction from the outer end of the opposed blades 7 through a gap.
  • the ring segments 8 arranged between adjacent guide blade rows serve in particular as cover elements which protect the inner housing in the guide blade carrier 2 or other housing built-in components against thermal overstress by the hot working medium M flowing through the turbine 106.
  • the combustion chamber 104 is configured in the exemplary embodiment as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 110 arranged around the turbine shaft 108 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 104 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 108 around.
  • the heat transfer from the acted upon with the hot working medium M blade roots 9 and ring segments 8 in the vane support 2 can be significantly reduced. This can be a significant cost reduction in the production of the gas turbine 101 or a steam turbine at the same time high operational safety and Lifespan can be achieved.
  • the heat input in the guide vane 2 this can namely be made of a much cheaper base material.
  • the temperature of the working medium M can be increased, which has an increase in the efficiency of the gas or steam turbine result.

Abstract

Ein Leitschaufelträgersystem (1), insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine, mit einem Leitschaufelträger (2) und einer Anzahl von Leitschaufeln (6) und/oder Ringsegmenten, wobei die jeweilige Leitschaufel (6) und/oder das jeweilige Ringsegment ein Verhakungselement (10) umfasst, welches am Leitschaufelträger (2) befestigt ist, soll bei besonders niedrigen Produktionskosten eine besonders hohe Lebensdauer erreichen und eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlauben. Dazu ist zwischen dem Leitschaufelträger (2) und dem Verhakungselement (10) ein Isolationselement (16) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelträgersystem, insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine, mit einem Leitschaufelträger und einer Anzahl von Leitschaufeln und/oder Ringsegmenten, wobei die jeweilige Leitschaufel und/oder das jeweilige Ringsegment ein Verhakungselement umfasst, welches am Leitschaufelträger befestigt ist. Sie betrifft weiter eine Gas- und/oder Dampfturbine mit einem derartigen Leitschaufelträgersystem.
  • Gas- oder Dampfturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs oder überhitzten Dampfes zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Dazu wird bei der Gasturbine der Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Bei der Dampfturbine wird von einem Dampferzeuger erzeugter Dampf zugeführt. Das unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dann über eine nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
  • Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.
  • Die Leitschaufeln sind dabei üblicherweise jeweils mittels an einem auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß angebrachten Verhakungselementen an einem Leitschaufelträger der Turbineneinheit fixiert. Bei stationären Gas- oder Dampfturbinen ist dieser Leitschaufelträger üblicherweise konisch oder zylindrisch geformt und besteht jeweils aus einem oberen und einem unteren Segment, die z. B. über Flansche miteinander verbunden sind.
  • Bei der Auslegung heutiger Gas- oder Dampfturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Temperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden bei heutigen Gasturbinen Temperaturen von etwa 1.200 °C bis 1.500 °C angestrebt und auch erreicht.
  • Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um diesen hohen Temperaturen widerstehen zu können, wird der Leitschaufelträger bzw. dessen oberes und unteres Segment häufig als einteiliges Gussteil aus warmfestem Stahl gefertigt. Der Stahlguss ermöglicht eine relativ einfache Fertigung bei gleichzeitig hoher Haltbarkeit und Lebensdauer des Leitschaufelträgers. Allerdings führt eine Fertigung aus Stahlguss zu verhältnismäßig hohen Produktionskosten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelträger der oben genannten Art anzugeben, der bei besonders niedrigen Produktionskosten eine besonders hohe Lebensdauer und eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zwischen dem Leitschaufelträger und dem Verhakungselement ein Isolationselement angeordnet ist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe Lebensdauer des Leitschaufelträgers erreichbar wäre, wenn der durch das heiße Arbeitsmedium verursachte Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger reduziert werden könnte. Dies würde auch eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlauben, da bei einer Reduzierung des Wärmeeintrags vergleichsweise geringer belastbare Werkstoffe für den Leitschaufelträger verwendet werden könnten, was zudem eine Reduzierung der Produktionskosten bedeuten würde.
  • Entscheidend ist hierbei die Erkenntnis, dass im Leitschaufelträger ein Temperaturprofil vorliegt, das vergleichsweise kleine Bereiche mit hohen Temperaturen sowie einen größeren hinteren Bereich mit niedrigeren Temperaturen aufweist. Hohe Temperaturen treten besonders im Bereich der Verhakung der Leitschaufeln und der zwischen den Leitschaufelfüßen angeordneten Ringsegmente auf, da diese Bauteile einen lokalen Wärmeeintrag im Bereich ihrer Befestigung verursachen. Daher sollte insbesondere in diesem Bereich die Wärmeleitung zwischen Leitschaufel und Ringsegmenten und dem Leitschaufelträger behindert werden, um den Temperaturanstieg zu begrenzen und damit eine Möglichkeit zu schaffen, ein Material mit geringerem thermischen Eigenschaftspotential als Werkstoff für den Leitschaufelträger verwenden zu können, was mit deutlichen Kosteneinsparungen verbunden ist. Dies ist erreichbar, indem zwischen dem Leitschaufelträger und dem Verhakungselement der Leitschaufel bzw. des Ringsegments der vorzugsweise ersten und/oder zweiten Turbinestufe ein Isolationselement angeordnet ist.
  • Um bei einer besonders guten Wärmeisolation den Halt der Leitschaufel und der Ringsegmente im Leitschaufelträger weiterhin zu gewährleisten, sollte das jeweilige Isolationselement dem jeweiligen Verhakungselement angeformt sein. Dabei sollten die Isolationselemente beispielsweise als Hülsen ausgebildet sein, die über die Verhakungselemente am Schaufelfuß der Leitschaufeln oder der Ringsegmente gesetzt werden können. Durch die Anformung an die Verhakungselemente wird damit trotz der isolierenden Wirkung eine besonders hohe Stabilität des Leitschaufelträgersystems gewährleistet.
  • Zudem werden die Außenflächen des Leitschaufelträgers und die Kanalwände von sich radial durch den Leitschaufelträger erstreckende Kühlkanäle intensiv von dem Verdichter entnommener Kühlluft umströmt. Hierdurch erfolgt eine gute Kühlung des Leitschaufelträgers, die in Verbindung mit der vorgeschlagenen Isolationsmaßnahme eine deutliche Temperaturreduzierung in den temperaturkritischen Bereichen des Leitschaufelträgers auf Dauer erreichen kann.
  • Der Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger erfolgt in radialer Richtung der Turbine, weswegen die Behinderung der Wärmeleitung auch weit gehend nur in dieser Richtung erfolgen muss. Daher ist das jeweilige Isolationselement in vorteilhafter Ausgestaltung ein Isolationsplättchen, d. h. in seiner geometrischen Ausgestaltung scheibenartig flach und ohne besondere Abkantung. Ein derartiges Isolationsplättchen lässt sich besonders einfach separat herstellen und erfordert nur einfache Modifikationen am Verhakungselement oder den Befestigungselementen des Leitschaufelträgers. Dadurch ist eine besonders einfache Einbringung derartiger Isolationselemente in das Leitschaufelträgersystem möglich.
  • Das Material für die Isolationselemente sollte je nach den betrieblichen Anforderungen gezielt ausgewählt werden. In besonders einfacher Ausgestaltung sollte das jeweilige Isolationselement dabei vorteilhafterweise aus demselben Material wie die jeweilige Leitschaufel oder vorteilhafterweise aus demselben Material wie der jeweilige Leitschaufelträger gefertigt sein.
  • Sollte aufgrund der mechanischen Belastung ein Werkstoff mit höherer Festigkeit und Verschleißbeständigkeit erforderlich sein, sollte das jeweilige Isolationssegment vorteilhafterweise aus Stahl gefertigt sein. Dieser weist eine besonders hohe Wärmebeständigkeit auf und ist daher für den Einsatz in den thermisch stark belasteten Bereichen der Leitschaufelverhakung besonders geeignet.
  • Um die Wärmeisolierung des Isolationselements weiter zu verbessern, sollte dabei die wärmeleitende Querschnittsfläche des Isolationselements reduziert werden. Dazu sind in das jeweilige Isolationselement eine Anzahl von Hohlräumen eingebracht. Diese sollten beispielsweise in Gestalt von Bohrungen senkrecht zur Wärmeleitungsrichtung eingebracht werden und verringern so die Wärmeleitfähigkeit des Isolationselements. Die Hohlräume sind weiterhin geeignet, von der im Bereich des Leitschaufelträgers zur Verfügung stehenden Kühlluft durchflossen zu werden, wodurch die Wirkung der Isolationselemente weiter optimiert wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Isolationselement aus Keramik gefertigt. Keramische Werkstoffe haben eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit und sind daher als Isolatoren besonders geeignet. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit kann zudem auf Hohlräume verzichtet werden, weswegen derartige keramische Werkstoffe eine besonders einfache Fertigung von Isolationsplättchen oder anderen Isolationselementen erlauben.
  • Vorteilhafterweise ist ein derartiges Leitschaufelsystem Bestandteil einer Gas- oder Dampfturbine. Eine derartige Gas- und/oder Dampfturbine sind/ist vorteilhafterweise Bestandteil einer Gas- und Dampfturbinenanlage.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Einbringen eines Isolationssegments in den Bereich zwischen Leitschaufeln bzw. Ringsegmenten und Leitschaufelträger der Wärmeübertrag vom heißen Arbeitsmedium über die Verhakungselemente in den Leitschaufelträger vermindert wird und so ein Aufheizen des Leitschaufelträgers reduziert wird. Dadurch ist es möglich, einen einfachen Werkstoff für den Leitschaufelträger zu verwenden und folglich Materialkosten sowie Bauteilkosten zu reduzieren. Der Einsatz kostenintensiver Hochtemperaturwerkstoffe kann verringert werden bzw. eine Erhöhung der Gaseinlasstemperatur in die Turbine wird ermöglicht. Dies erlaubt auch einen höheren Wirkungsgrad der Gas- und oder Dampfturbine.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    schematisch ein Leitschaufelträgersystem im Halbschnitt,
    FIG 2
    ein Verhakungselement mit einem hülsenförmigen Isolationselement,
    FIG 3
    ein Verhakungselement mit einem Isolationsplättchen,
    FIG 4
    ein Isolationsplättchen,
    FIG 5
    ein Isolationsplättchen mit eingebrachten Bohrungen, und
    FIG 6
    einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Das Leitschaufelträgersystem 1 nach der FIG 1 umfasst einen Leitschaufelträger 2, welcher eine Anzahl von Befestigungselementen 4 umfasst, an denen zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln 6 sowie den zu Laufschaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln 7 gegenüberliegende Ringsegmente 8 befestigt sind. Dabei ist im Halbschnitt jeweils nur jeweils eine Leitschaufel 6 und Laufschaufel 7 der jeweiligen Reihe abgebildet.
  • Zur Befestigung umfassen die Leitschaufeln 6 an ihrem Schaufelfuß 9 sowie die Ringsegmente 8 Verhakungselemente 10, die mit den Befestigungselementen 4 des Leitschaufelträgers 2 eine formschlüssige Verbindung eingehen und so für die Stabilisierung und den sicheren Halt der Leitschaufeln 6 und der Ringsegmente 8 am Leitschaufelträger 2 sorgen.
  • Um den Leitschaufelträger 2 vor einer Beaufschlagung mit dem heißen Arbeitsmedium zu schützen, sind zwischen den Leitschaufeln 6 bzw. Ringsegmenten 8 und dem Leitschaufelträger 2 jeweils zwischen den Befestigungselementen 4 Hohlräume 12 angeordnet, in die Kühlluft von außerhalb eingebracht werden kann. Zwischen den Schaufelfüßen 9 der Leitschaufeln 6 und den Ringsegmenten 8 sind Dichtbleche 14 angebracht, so dass auch hier ein Eindringen von heißem Arbeitsmedium vermieden werden kann.
  • Über die Befestigungselemente 4 und Verhakungselemente 10, die in Kontakt stehen, kann jedoch ein Wärmeübertrag in den Leitschaufelträger 2 durch Wärmekonvektion erfolgen. Um diesen Wärmeeintrag zu reduzieren, sind zwischen den Verhakungselementen 10 und dem Leitschaufelträger 2 Isolationssegmente 16 angeordnet. Diese reduzieren den Wärmeeintrag von der Leitschaufel 6 und dem Ringsegment 8 in den Leitschaufelträger 2 und vermindern so die Aufheizung des Leitschaufelträgers 2.
  • Die Isolationssegmente 16 können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. FIG 2 zeigt ein Isolationssegment 16, welches dem Verhakungselement 10 angeformt ist und in der Art einer Hülse auf das Verhakungselement 10 gesteckt ist. Dadurch wird einerseits eine Isolierung in alle Bereiche des Leitschaufelträgers 2 erreicht, andererseits ist ein sicherer Halt des Isolationssegments 16 und der Leitschaufel 6 oder des Ringsegments 8 am Leitschaufelträger 2 gewährleistet.
  • Da die Wärmeleitung im Wesentlichen nur in radialer Richtung, d. h. über das Verhakungselement 10 in den Leitschaufelträger 2 erfolgt, kann das Isolationselement 16 auch als einfaches Isolationsplättchen ausgestaltet sein. Eine derartige Anordnung ist in FIG 3 dargestellt. Auch hier ist das Isolationsplättchen dem Verhakungselement 10 angeformt und lässt sich durch seine einfache geometrische Form vergleichsweise einfach fertigen.
  • Das Isolationselement 16 lässt sich dabei aus verschiedenen Werkstoffen fertigen. Beispielsweise kann ein keramischer Werkstoff verwendet werden, welcher eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein derartiges Isolationselement 16 ist in FIG 4 dargestellt. Der keramische Werkstoff erlaubt eine einfache Fertigung in einer flachen Quaderform und reduziert den Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger 2 durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit.
  • Das Isolationselement 16 kann auch aus demselben Material wie der jeweilige Leitschaufelträger oder die jeweilige Leitschaufel gefertigt sein. Bei höheren Anforderungen an die mechanische Belastung oder thermische Belastung kann das Isolationselement 16 auch aus Stahl gefertigt sein. Zum Ausgleich der Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe sollte dann in das jeweilige Isolationselement 16 eine Anzahl von Hohlräumen 18, beispielsweise in Form von Bohrungen, eingebracht sein, wie in FIG 5 gezeigt. Die Hohlräume 18 reduzieren die wärmeleitende Querschnittsfläche und können bei weiterem Kühlbedarf auch von der im Bereich des Leitschaufelträgers 2 vorhandenen Kühlluft durchströmt werden und sorgen so für eine noch bessere Isolierung des Leitschaufelträgers 2 gegen die Temperaturen des heißen Arbeitsmediums.
  • Durch die Reduzierung des Wärmeeintrags in den Leitschaufelträger 2 ist es möglich, den Leitschaufelträger 2 aus einem vergleichsweise weniger hitzebeständigen und teuren Material zu fertigen, was eine ressourcenschonendere, weniger kostenintensive Produktion des Leitschaufelträgers 2 und des Leitschaufelträgersystems 1 ermöglicht, ohne dabei Abstriche hinsichtlich der betrieblichen Sicherheit und Lebensdauer beispielsweise einer Gas- oder Dampfturbine in Kauf nehmen zu müssen.
  • Eine Gasturbine 101, wie in FIG 6 dargestellt, weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 104 sowie eine Turbineneinheit 106. zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 106 und der Verdichter 102 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 108 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 109 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 104 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
  • Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 7 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 ein Leitschaufelsystem 1 mit einer Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 6, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 7 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 6 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 6 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 7 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
  • FIG 6 zeigt in größerem Zusammenhang auch den Schaufelfuß 9 der Leitschaufeln 6, der zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 6 am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit 106 dient. Der Schaufelfuß 9 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 7 ist in analoger Weise über einen Schaufelfuß 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.
  • Weiterhin gezeigt sind auch die Ringsegmente 8, die zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Schaufelfüßen der Leitschaufeln 6 zweier benachbarter Leitschaufelreihen am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit 106 angeordnet sind. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 8 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 7 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 8 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 2 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
  • Die Brennkammer 104 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 108 herum angeordneten Brennern 110 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 104 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 108 herum positioniert ist.
  • Durch die Verwendung eines Leitschaufelträgersystems 1 der oben angegebenen Ausgestaltung kann der Wärmeübertrag aus den mit dem heißen Arbeitsmedium M beaufschlagten Schaufelfüßen 9 und Ringsegmenten 8 in den Leitschaufelträger 2 deutlich reduziert werden. Dadurch kann eine deutliche Kostenreduzierung bei der Herstellung der Gasturbine 101 oder einer Dampfturbine bei gleichzeitig hoher betrieblicher Sicherheit und Lebensdauer erreicht werden. Durch die Reduzierung des Wärmeeintrags in den Leitschaufelträger 2 kann dieser nämlich aus einem wesentlich kostengünstigeren Basiswerkstoff hergestellt werden. Weiterhin kann die Temperatur des Arbeitsmediums M erhöht werden, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Gas- oder Dampfturbine zur Folge hat.

Claims (11)

  1. Leitschaufelträgersystem (1),
    insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine,
    mit einem Leitschaufelträger (2) und einer Anzahl von Leitschaufeln (6) und/oder Ringsegmenten (8),
    wobei die jeweilige Leitschaufel (6) und/oder das jeweilige Ringsegment (8) ein Verhakungselement (10) umfasst, welches am Leitschaufelträger (2) befestigt ist, und
    wobei zwischen dem Leitschaufelträger (2) und dem Verhakungselement (10) ein Isolationselement (16) angeordnet ist.
  2. Leitschaufelträgersystem (1) nach Anspruch 1,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) dem jeweiligen Verhakungselement (10) angeformt ist.
  3. Leitschaufelträgersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) ein Isolationsplättchen ist.
  4. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus demselben Material wie die jeweilige Leitschaufel (6) gefertigt ist.
  5. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus demselben Material wie der jeweilige Leitschaufelträger (2) gefertigt ist.
  6. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus Stahl gefertigt ist.
  7. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem in das jeweilige Isolationselement (16) eine Anzahl von Hohlräumen (18) eingebracht ist.
  8. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus Keramik gefertigt ist.
  9. Gasturbine mit einem Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Dampfturbine mit einem Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  11. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine (101) nach Anspruch 9 und/oder einer Dampfturbine nach Anspruch 10.
EP09002129A 2009-02-16 2009-02-16 Leitschaufelträgersystem Withdrawn EP2218882A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09002129A EP2218882A1 (de) 2009-02-16 2009-02-16 Leitschaufelträgersystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09002129A EP2218882A1 (de) 2009-02-16 2009-02-16 Leitschaufelträgersystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2218882A1 true EP2218882A1 (de) 2010-08-18

Family

ID=41016773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09002129A Withdrawn EP2218882A1 (de) 2009-02-16 2009-02-16 Leitschaufelträgersystem

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP2218882A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2961850A1 (fr) * 2010-06-28 2011-12-30 Snecma Turbine pour une turbomachine, telle qu'un turboreacteur ou un turbopropulseur d'avion
DE102013205883A1 (de) * 2013-04-03 2014-10-09 MTU Aero Engines AG Leitschaufelsegment mit integrierter Hitzeisolierung
US20170159494A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-08 General Electric Company Steam turbine nozzle segment with complete sidewall and integrated hook design
CN111512021A (zh) * 2017-12-05 2020-08-07 赛峰飞机发动机公司 涡轮机涡轮的陶瓷基复合材料定子扇区与金属支撑件之间的连接

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3841787A (en) * 1973-09-05 1974-10-15 Westinghouse Electric Corp Axial flow turbine structure
GB2119452A (en) * 1982-04-27 1983-11-16 Rolls Royce Shroud assemblies for axial flow turbomachine rotors
US5197853A (en) * 1991-08-28 1993-03-30 General Electric Company Airtight shroud support rail and method for assembling in turbine engine
WO1998049427A1 (de) * 1997-04-28 1998-11-05 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zur wärmeisolierung für eine dampfturbine
US5988975A (en) * 1996-05-20 1999-11-23 Pratt & Whitney Canada Inc. Gas turbine engine shroud seals
GB2344140A (en) * 1998-09-28 2000-05-31 Gen Electric Inner shroud assembly for turbines/compressors
WO2008081485A1 (en) * 2007-01-04 2008-07-10 Ansaldo Energia S.P.A. 'highly corrosion-resistant fixed blade assembly for a steam turbine, in particular a geothermal impulse turbine'

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3841787A (en) * 1973-09-05 1974-10-15 Westinghouse Electric Corp Axial flow turbine structure
GB2119452A (en) * 1982-04-27 1983-11-16 Rolls Royce Shroud assemblies for axial flow turbomachine rotors
US5197853A (en) * 1991-08-28 1993-03-30 General Electric Company Airtight shroud support rail and method for assembling in turbine engine
US5988975A (en) * 1996-05-20 1999-11-23 Pratt & Whitney Canada Inc. Gas turbine engine shroud seals
WO1998049427A1 (de) * 1997-04-28 1998-11-05 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zur wärmeisolierung für eine dampfturbine
GB2344140A (en) * 1998-09-28 2000-05-31 Gen Electric Inner shroud assembly for turbines/compressors
WO2008081485A1 (en) * 2007-01-04 2008-07-10 Ansaldo Energia S.P.A. 'highly corrosion-resistant fixed blade assembly for a steam turbine, in particular a geothermal impulse turbine'

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2961850A1 (fr) * 2010-06-28 2011-12-30 Snecma Turbine pour une turbomachine, telle qu'un turboreacteur ou un turbopropulseur d'avion
DE102013205883A1 (de) * 2013-04-03 2014-10-09 MTU Aero Engines AG Leitschaufelsegment mit integrierter Hitzeisolierung
DE102013205883B4 (de) * 2013-04-03 2020-04-23 MTU Aero Engines AG Anordnung aus Leitschaufelsegmenten und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung
US20170159494A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-08 General Electric Company Steam turbine nozzle segment with complete sidewall and integrated hook design
CN111512021A (zh) * 2017-12-05 2020-08-07 赛峰飞机发动机公司 涡轮机涡轮的陶瓷基复合材料定子扇区与金属支撑件之间的连接

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1443275B1 (de) Brennkammer
EP2342427B1 (de) Axial segmentierter leitschaufelträger für eine gasturbine
EP2344723B1 (de) Gasturbine mit dichtplatten an der turbinenscheibe
WO2010112422A1 (de) Axialturbomaschinenrotor mit dichtscheibe
EP2342425B1 (de) Gasturbine mit sicherungsplatte zwischen schaufelfuss und scheibe
WO2010084028A1 (de) Leitschaufelsystem für eine strömungsmaschine mit segmentiertem leitschaufelträger
EP2852735A2 (de) Gasturbine
EP2173972B1 (de) Rotor für eine axial durchströmbare strömungsmaschine
EP2411631B1 (de) Dichtplatte und Laufschaufelsystem
EP2218882A1 (de) Leitschaufelträgersystem
EP2347101B1 (de) Gasturbine und zugehörige Gas- bzw. Dampfturbinenanlage
WO2009109430A1 (de) Dichtungsanordnung und gasturbine
EP2206885A1 (de) Gasturbine
EP1249578A1 (de) Kühlung einer Gasturbine
EP2196628A1 (de) Leitschaufelträger
EP2347100B1 (de) Gasturbine mit kühleinsatz
WO2004031656A1 (de) Gasturbine
EP1429077B1 (de) Gasturbine
EP2194236A1 (de) Turbinengehäuse
EP3536913A1 (de) Innenring für eine turbomaschine und entsprechendes herstellungsverfahren
EP2352909B1 (de) Leitschaufelträger
EP1256695A1 (de) Formstück zur Bildung eines Führungsrings für eine Gasturbine, sowie Gasturbine mit derartigem Führungsring
EP2184449A1 (de) Leitschaufelträger, und Gasturbine und Gas- bzw. Dampfturbinenanlage mit solchem Leitschaufelträger
WO2015055422A1 (de) Turbinenschaufel, ringsegment, zugehörige turbinenschaufelanordnung, stator, rotor, turbine und kraftwerksanlage
EP2218880A1 (de) Aktives Spaltkontrollsystem für Gasturbinen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

AKY No designation fees paid
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20110219