EP2236758A1 - Laufschaufelsystem mit Dichtplatten, die eine Stegstruktur aufweisen - Google Patents

Laufschaufelsystem mit Dichtplatten, die eine Stegstruktur aufweisen Download PDF

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EP2236758A1
EP2236758A1 EP09004410A EP09004410A EP2236758A1 EP 2236758 A1 EP2236758 A1 EP 2236758A1 EP 09004410 A EP09004410 A EP 09004410A EP 09004410 A EP09004410 A EP 09004410A EP 2236758 A1 EP2236758 A1 EP 2236758A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing plate
turbine
blade system
casting
sealing
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Withdrawn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
EP09004410A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Buchal
Sascha Dungs
Winfried Esser
Birgit Grüger
Oliver Lüsebrink
Mirko Milazar
Nicolas Savilius
Oliver Schneider
Peter Schröder
Waldemar Socha
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 EP09004410A priority Critical patent/EP2236758A1/de
Publication of EP2236758A1 publication Critical patent/EP2236758A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/108Installation of cores
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc

Definitions

  • the invention relates to a blade system, in particular for a gas turbine, with a number of annularly arranged on a turbine rotor blades, wherein a number of sealing plates is disposed on a side surface of the turbine disk, and a gas turbine with such a blade system. It further relates to a method of casting a sealing plate for such a blade system.
  • Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or blade rows, are arranged thereon.
  • a turbine disk is usually provided for each turbine stage, to which the blades are fastened by means of their blade root.
  • 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 combustion chamber of the gas turbine may be designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of circumferentially arranged around the turbine shaft burners in a common, surrounded by a high temperature resistant surrounding wall combustion chamber space opens.
  • the combustion chamber is designed in its entirety as an annular structure.
  • a single combustion chamber can also be provided a plurality of combustion chambers.
  • first row of guide vanes of a turbine unit which, together with the blade row immediately downstream in the flow direction of the working medium, forms a first turbine stage of the turbine unit, which is usually followed by further turbine stages.
  • sealing plates are usually provided on the turbine disks, which are mounted circumferentially circularly on the turbine disk on the respective surfaces normal to the turbine axis. In this case, a number of sealing plates are usually provided on each side of the turbine disk. These overlap in a scale-like manner and usually have a sealing wing, which extends in such a way to the respective adjacent vane, that the penetration of hot working medium in the direction of the turbine shaft is avoided.
  • the sealing plates fulfill even more functions. On the one hand they form the axial fixation of the turbine blades by appropriate fasteners, on the other hand they not only seal the turbine disk against penetration of hot gas from the outside, but also avoid leakage of guided inside the turbine disk cooling air, which usually forwarded to the cooling of the turbine blades in selbige becomes.
  • Such sealing plates with integrated sealing wings are usually produced by vacuum investment casting (eg by lost-wax casting). In this case, a certain allowance must be provided in order to be able to compensate for process-related dimensional inaccuracies. Due to geometry - the sealing plates have wide, very thin areas and mass accumulations at other places - a delay and a certain porosity can not be avoided, especially in the thin areas under vacuum investment casting. Due to the requirement profile of the sealing plates, however, these are often made of alloys which can not be produced close to the final contour in a process other than the vacuum investment casting described.
  • the invention is therefore based on the object, a blade system and a method for casting a sealing plate indicate for a blade system, which allows for a maximum efficiency of a gas turbine simultaneously simplified construction.
  • the respective sealing plate has a web structure on one end face.
  • the invention is based on the consideration that a particularly simple construction of the blade system would be possible if the hitherto customary investment casting method with subsequent mechanical post-processing could be simplified.
  • the processing of the large end faces of the sealing plates is particularly complex, since a particularly flat surface for adequate sealing of the blade feet and outer areas of the turbine disk must be made here. A poor seal leads namely to loss of cooling air with a corresponding loss of efficiency.
  • the processing of the end faces of the sealing plates with good sealing should therefore be simplified by a number of raised webs is introduced to the end face, the sealing plate thus has a web structure on its front side.
  • the mechanical post-processing can namely be limited to the webs, since only these rest against the adjacent components. This allows a particularly simple construction of the blade system.
  • the web structure has a raised web in an edge region of the respective sealing plate and / or a depression in a central region of the sealing plate. This ensures - with appropriate mechanical post-processing - a good seal of the sealing plate at its edge regions, ie the edges, so that the sealing effect occurs over the entire surface. In the central, surrounded by the webs recessed areas then no further mechanical post-processing is required. These areas are made thinner and thus also allow material to be saved during construction the sealing plate, without affecting the operational effect.
  • a groove and / or a spring is advantageously arranged in the region of an edge of the respective sealing plate.
  • Such a tongue and groove connection has a better sealing effect compared to the usual simple overlapping of the sealing plates.
  • the object is achieved by casting a web structure into the sealing plate on one end face. This allows in addition to the advantages already described in precision casting better supply of thin, lying between the webs areas, which there can be avoided pores and optionally can be dispensed with the hot isostatic pressing.
  • sealing plates In order to avoid distortion of the wax models used in the vacuum investment casting, advantageously two equally shaped sealing plates are cast in a common casting mold.
  • the sealing plates should be arranged parallel.
  • Such a “sandwich construction" further ensures stabilization during casting and solidification.
  • mass inhomogeneities can be reduced and, associated with this, the heat balance can be made uniform, so that the solidification / dimensional stability can be better controlled and the porosity can be further reduced. This results in a particularly high material quality with simultaneous ease of manufacture of the sealing plate.
  • a casting core is introduced between the sealing plates. This serves to distance between the cast in a mold sealing plates and should be made of a ceramic material. This can be a particularly simple and inexpensive plate-shaped core structure can be selected, which further simplifies the production of the sealing plates.
  • a gas turbine comprises such a blade system and / or a blade system made by such a method.
  • a gas and steam turbine plant advantageously comprises such a gas turbine.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a particularly simple design and construction of the sealing plate is made possible by the attachment or the casting of a web structure on a sealing plate.
  • the production and material costs are particularly low. Due to the resulting thinner areas between the webs, the use of materials and the resulting costs can be reduced. A reworking of the large plane surfaces is not required in the web structure, only the webs themselves must be reworked, yet a particularly good sealing effect of the sealing plate is achieved during operation.
  • FIG. 1 shows a blade system 1 as a section through the outer periphery of a turbine shaft mounted turbine disk 6 of a blade stage of a gas turbine engine according to the prior art.
  • a blade 12 is arranged in a blade holding groove 30 with its blade root 32.
  • the blade root 32 of the blade 12 is fir-tree-shaped in cross-section and corresponds to the Christmas tree shape of the blade holding groove 30.
  • the schematic representation of the contour of the blade root 32 and the blade holding groove 30 is compared to the rest of the representation of FIG. 2 played rotated by 90 °.
  • the illustrated blade retaining groove 30 extends between the side surfaces 34 of the turbine disk 6.
  • Respectively adjacent guide vanes 36 are not shown in detail, which - viewed in the flow direction of the working medium of the gas turbine - upstream and downstream of the blade 12 are arranged.
  • the vanes 36 are arranged radially in wreaths.
  • sealing disks 40 are used circumferentially on each of the side walls 34 in a scale-like manner.
  • the sealing plates 40 also provide for an axial fixation of the blade root 32 in the blade retaining groove 30 and thus secure it against axial displacement.
  • the radial and azimuthal securing has already been achieved by the Christmas tree shape of the blade retaining groove 30.
  • the sealing plates 40 prevent leakage of cooling air channels 48 introduced through the turbine disk 36 into the blade root 32 and the rotor blade 12.
  • the sealing plate 40 is usually cast with a certain allowance. In this case, usually a vacuum investment casting method is used and then the sealing plates 40 are compacted after casting to eliminate porosity by means of hot isostatic pressing. Subsequently, a mechanical post-processing to bring the sealing plate 40 in its finished contour. Such a manufacturing process is relatively complicated and expensive. In order to simplify the manufacturing process for the sealing plate 40, the sealing plate 40 should therefore have a web structure 50, as in FIG FIG. 2 shown.
  • the web structure 50 of the sealing plate 40 on the turbine disk 6 facing end face comprises a plurality of webs 52, which are arranged in particular in the edge regions. To stabilize the sealing plate are still further webs 52 arranged. In the central region 54 of the sealing plate 40 remain recesses 56. By introducing the web structure 50 in the sealing plate 40 is a lesser material use at the same time good sealing between the sealing plate 40 and turbine disk 6 possible.
  • the webs 52 and the recess 56 is again in section in FIG. 3 shown.
  • the webs 52 in the upper and lower edge region of the sealing plate 40 allow the webs 52 a good seal.
  • the mechanical post-processing can be limited to the webs 52, since only these rest against the turbine disk 6.
  • the sealing plate 40 may also have not shown in detail grooves and / or springs on its edge, which allow a tongue and groove connection of adjacent sealing plates 40 in the circumferential direction of the turbine disk 6.
  • FIG. 4 and the FIG. 5 each show two sealing plates 40 which are arranged parallel to each other with an interposed casting core 58 made of a ceramic material.
  • two sealing plates 40 are simultaneously cast in a common casting mold.
  • FIG. 4 are facing in later operation of the turbine disk 6 end faces to the outside, ie turned to the mold, in the FIG. 5 in contrast, to the inside, ie to the casting core 58.
  • the image of the webs 52 takes place by introduced into the casting core 58 grooves 60th
  • the recesses 56 are fed particularly well in the casting process, whereby there pores can be avoided and can be dispensed with a downstream hot isostatic pressing.
  • the in 4 and 5 represented "sandwich" casting also contributes to the mechanical stability.
  • a gas turbine 101 as in FIG. 6 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 104 and a turbine unit 106 for driving the compressor 102 and a generator, not shown, or a working machine.
  • 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 includes a blade system 1 having a number of rotatable blades 12 connected to the turbine shaft 108.
  • the blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 108 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine unit 106 includes a number of stationary vanes 36 which are also annularly attached to a vane support 110 of the turbine unit 106 to form rows of vanes.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • the vanes 36 serve to flow 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 36 or a row of vanes and a ring of blades 12 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • each vane 36 has a blade root 118 which is arranged to fix the respective vane 36 to the vane support 110 of the turbine unit 106 as a wall member.
  • the blade root 118 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.
  • a ring segment 121 is disposed on a vane support 110 of the turbine unit 106.
  • the outer surface of each ring segment 121 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 12 by a gap.
  • the arranged between adjacent rows of stator ring segments 121 serve in particular as cover that protect the inner housing in the guide pad carrier 110 or other housing-mounting components from thermal overload by the turbine 106 flowing through the hot working medium M.
  • 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.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Laufschaufelsystem (1), insbesondere für eine Gasturbine (101), mit einer Anzahl von ringförmig an einer Turbinenscheibe (6) angeordneten Laufschaufeln (12), wobei an einer Seitenfläche (34) der Turbinenscheibe (6) eine Anzahl von Dichtplatten (40) angeordnet ist, soll bei einem größtmöglichen Wirkungsgrad einer Gasturbine eine gleichzeitig vereinfachte Konstruktion erlauben. Dazu weist die jeweilige Dichtplatte (40) an einer Stirnseite eine Stegstruktur (50) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Laufschaufelsystem, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Anzahl von ringförmig an einer Turbinenscheibe angeordneten Laufschaufeln, wobei an einer Seitenfläche der Turbinenscheibe eine Anzahl von Dichtplatten angeordnet ist, sowie eine Gasturbine mit einem derartigen Laufschaufelsystem. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Gießen eines Dichtbleches für ein derartiges Laufschaufelsystem.
  • Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer 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 zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet. Dabei ist üblicherweise für jede Turbinenstufe eine Turbinenscheibe vorgesehen, an der die Laufschaufeln mittels ihres Schaufelfußes befestigt sind. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.
  • Die Brennkammer der Gasturbine kann als so genannte Ringbrennkammer ausgeführt sein, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle herum angeordneten Brennern in einen gemeinsamen, von einer hochtemperaturbeständigen Umfassungswand umgebenen Brennkammerraum mündet. Dazu ist die Brennkammer in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet. Neben einer einzigen Brennkammer kann auch eine Mehrzahl von Brennkammern vorgesehen sein.
  • Unmittelbar an die Brennkammer schließt sich in der Regel eine erste Leitschaufelreihe einer Turbineneinheit an, die zusammen mit der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen unmittelbar nachfolgenden Laufschaufelreihe eine erste Turbinenstufe der Turbineneinheit bildet, welcher üblicherweise weitere Turbinenstufen nachgeschaltet sind.
  • Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen 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 Austrittstemperatur erreichen, mit der Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden Temperaturen von etwa 1200°C bis 1500°C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
  • Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um die Turbinenscheibe und die Turbinenwelle vor dem Eindringen von heißem Arbeitsmedium zu schützen, sind üblicherweise an den Turbinenscheiben Dichtplatten vorgesehen, die kreisförmig umlaufend an der Turbinenscheibe an den jeweils zur Turbinenachse normalen Flächen angebracht sind. Dabei ist üblicherweise auf jeder Seite der Turbinenscheibe jeweils eine Anzahl von Dichtplatten vorgesehen. Diese überlappen schuppenartig und weisen üblicherweise einen Dichtflügel auf, welcher sich derart bis zur jeweils benachbarten Leitschaufel erstreckt, dass ein Eindringen von heißem Arbeitsmedium in Richtung der Turbinenwelle vermieden wird.
  • Die Dichtplatten erfüllen jedoch noch weitere Funktionen. Sie bilden einerseits die axiale Fixierung der Turbinenschaufeln durch entsprechende Befestigungselemente, andererseits dichten sie nicht nur die Turbinenscheibe gegen Eindringen von heißem Gas von außen ab, sondern vermeiden auch ein Austreten von im Inneren der Turbinenscheibe geführter Kühlluft, die üblicherweise zur Kühlung der Turbinenschaufeln in selbige weitergeleitet wird.
  • Derartige Dichtplatten mit integriertem Dichtflügel werden üblicherweise im Vakuumfeinguss (z. B. im Wachsausschmelzverfahren) hergestellt. Dabei ist ein gewisses Aufmaß vorzusehen, um prozessbedingte maßliche Ungenauigkeiten kompensieren zu können. Geometriebedingt - die Dichtplatten weisen weite, sehr dünne Bereiche und an anderen Stellen Masseanhäufungen auf - kann ein Verzug und eine gewisse Porosität vor allem in den dünnen Bereichen im Vakuumfeinguss nicht vermieden werden. Aufgrund des Anforderungsprofils der Dichtplatten sind diese aber häufig aus Legierungen, die endkonturnah nicht in einem anderen Verfahren als im beschriebenen Vakuumfeinguss hergestellt werden können.
  • Aus diesem Grund müssen solche Dichtplatten nach dem Abguss zur Beseitigung von Porosität häufig mittels heißisostatischem Pressen bei hohen Temperaturen und hohem Druck verdichtet werden und abschließend durch aufwändige mechanische Bearbeitungsverfahren auf Fertigkontur gebracht werden. Zum einen ist dabei der beschriebene Prozess mit heißisostatischem Pressen, mechanischer Nachbearbeitung und damit verbundenem Materialverlust sehr aufwändig und kostspielig, zum anderen können auch nach der Nachbearbeitung weiterhin inhomogene Masseverteilung vorliegen, die später die Funktion der Dichtplatte im Betrieb stark einschränken und Einbußen hinsichtlich des Wirkungsgrades der Gasturbine bedeuten können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laufschaufelsystem und ein Verfahren zum Gießen einer Dichtplatte für ein Laufschaufelsystem anzugeben, welches bei einem größtmöglichen Wirkungsgrad einer Gasturbine eine gleichzeitig vereinfachte Konstruktion erlaubt.
  • Bezüglich des Laufschaufelsystems wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die jeweilige Dichtplatte an einer Stirnseite eine Stegstruktur aufweist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders einfache Konstruktion des Laufschaufelsystems möglich wäre, wenn das bisher übliche Feingussverfahren mit anschließender mechanischer Nachbearbeitung vereinfacht werden könnte. Dabei ist insbesondere die Bearbeitung der großen Stirnflächen der Dichtplatten besonders aufwändig, da hier eine besonders ebene Fläche zur ausreichenden Abdichtung der Laufschaufelfüße und Außenbereiche der Turbinenscheibe gefertigt werden muss. Eine schlechte Abdichtung führt nämlich zu Kühlluftverlust mit einer entsprechenden Wirkungsgradeinbuße. Die Bearbeitung der Stirnflächen der Dichtplatten bei gleichzeitig guter Abdichtung sollte daher vereinfacht werden, indem eine Anzahl erhabener Stege auf die Stirnfläche eingebracht ist, die Dichtplatte auf ihrer Stirnseite also eine Stegstruktur aufweist. Dadurch kann die mechanische Nachbearbeitung nämlich auf die Stege beschränkt werden, da nur diese an den benachbarten Bauteilen anliegen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Konstruktion des Laufschaufelsystems.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Stegstruktur dabei in einem Randbereich der jeweiligen Dichtplatte einen erhabenen Steg und/oder in einem zentralen Bereich der Dichtplatte eine Vertiefung auf. Dadurch ist - bei entsprechender mechanischer Nachbearbeitung - eine gute Abdichtung der Dichtplatte an ihren Randbereichen, d. h. den Kanten gewährleistet, so dass die Dichtwirkung über die gesamte Fläche eintritt. In den zentralen, von den Stegen eingefassten vertieften Bereichen ist dann keine weitere mechanische Nachbearbeitung erforderlich. Diese Bereiche sind dünner ausgeführt und erlauben somit auch eine Materialeinsparung bei der Konstruktion der Dichtplatte, ohne die betriebliche Wirkung zu beeinträchtigen.
  • Um auch in Umfangsrichtung der Turbinenscheibe zwischen den einzelnen Dichtplatten eine gute Dichtwirkung zu erzielen, ist vorteilhafterweise im Bereich einer Kante der jeweiligen Dichtplatte eine Nut und/oder eine Feder angeordnet. Eine derartige Nut-Feder-Verbindung hat gegenüber dem bisher üblichen einfachen Überlappen der Dichtplatten eine bessere Dichtwirkung.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst, indem in die Dichtplatte an einer Stirnseite eine Stegstruktur eingegossen wird. Dies erlaubt neben den bereits beschriebenen Vorteilen im Feinguss eine bessere Speisung der dünnen, zwischen den Stegen liegenden Bereiche, wodurch dort Poren vermieden werden können und gegebenenfalls auf das heißisostatische Pressen verzichtet werden kann.
  • Um einen Verzug der beim Vakuumfeinguss verwendeten Wachsmodelle zu vermeiden, werden dabei vorteilhafterweise zwei gleich geformte Dichtplatten in einer gemeinsamen Gussform gegossen. Dabei sollten die Dichtbleche parallel angeordnet werden. Ein derartiger "Sandwich-Aufbau" sorgt weiterhin für eine Stabilisierung während Abguss und Erstarrung. Zudem können Masseninhomogenitäten reduziert werden und damit verbunden der Wärmehaushalt vergleichmäßigt werden, so dass die Erstarrung/Maßstabilität besser kontrolliert und die Porosität weiter verringert werden kann. Damit ergibt sich eine besonders hohe Materialqualität bei gleichzeitig einfacher Herstellung der Dichtplatte.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei zwischen die Dichtplatten ein Gusskern eingebracht. Dieser dient zur Abstandswahrung zwischen den in einer Form gegossenen Dichtplatten und sollte aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein. Dabei kann eine besonders einfache und kostengünstige plattenförmige Kernstruktur gewählt werden, was die Herstellung der Dichtplatten weiter vereinfacht.
  • Um die Stegstruktur im Gussprozess besonders einfach einzubringen, wird in den Gusskern vorteilhafterweise eine Anzahl von Nuten eingebracht. Diese bilden die Stege als Negativform und erlauben so einen besonders einfachen Guss der Dichtplatten.
  • Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine ein derartiges Laufschaufelsystem und/oder ein Laufschaufelsystem, welches nach einem derartigen Verfahren hergestellt ist. Weiterhin umfasst eine Gas- und Dampfturbinenanlage vorteilhafterweise eine derartige Gasturbine.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anbringung bzw. den Guss einer Stegstruktur auf einer Dichtplatte eine besonders einfache Ausführung und Konstruktion der Dichtplatte möglich wird. Die Fertigungs- und Materialkosten sind besonders gering. Durch die entstehenden dünneren Bereiche zwischen den Stegen können der Materialeinsatz und dadurch entstehende Kosten reduziert werden. Eine Nachbearbeitung der großen Planflächen ist bei der Stegstruktur nicht erforderlich, lediglich die Stege selbst müssen nachbearbeitet werden, wobei dennoch eine besonders gute Dichtwirkung der Dichtplatte im Betrieb erreicht wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • FIG 1
    einen Halbschnitt durch ein Laufschaufelsystem,
    FIG 2
    eine Aufsicht einer Dichtplatte mit einer Steg- struktur,
    FIG 3
    einen Schnitt durch eine Dichtplatte mit einer Stegstruktur, FIG 4 einen Schnitt durch zwei Dichtplatten mit einem eingebrachten Keramikkern während des Gussprozes- ses.
    FIG 5
    einen weiteren Schnitt durch zwei Dichtplatten mit einem eingebrachten Keramikkern während des Guss- prozesses, und
    FIG 6
    einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • FIG 1 zeigt ein Laufschaufelsystem 1 als Schnitt durch den äußeren Umfang einer an einer Turbinenwelle angebrachten Turbinenscheibe 6 einer Laufschaufelstufe einer Gasturbine nach dem Stand der Technik.
  • Eine Laufschaufel 12 ist dabei in einer Laufschaufelhaltenut 30 mit ihrem Schaufelfuß 32 angeordnet. Der Schaufelfuß 32 der Laufschaufel 12 ist im Querschnitt tannenbaumförmig und korrespondiert zu der Tannenbaumform der Laufschaufelhaltenut 30. Die Schemadarstellung der Kontur des Laufschaufelfußes 32 und die der Laufschaufelhaltenut 30 ist gegenüber der restlichen Darstellung der FIG 2 um 90° gedreht wiedergegeben. Somit erstreckt sich die dargestellte Laufschaufelhaltenut 30 zwischen den Seitenflächen 34 der Turbinenscheibe 6.
  • Jeweils angrenzend sind nicht näher gezeigte Leitschaufeln 36 vorgesehen, die - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Gasturbine betrachtet - stromauf und stromab der Laufschaufel 12 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 36 sind dabei strahlenförmig in Kränzen angeordnet.
  • Beiderseits der Turbinenscheibe 6 sind jeweils an den Seitenwänden 34 umlaufend schuppenartig Dichtplatten 40 eingesetzt.
  • Diese werden an ihrer Oberseite in einer in die Laufschaufel 12 eingebrachten Nut 42 gehalten und an ihrer Unterseite durch einen nicht näher gezeigten Sicherungsbolzen fixiert. Die im Betrieb entstehenden Fliehkräfte werden dabei in der Nut 42 der Laufschaufel 42 oder von der Turbinenscheibe 6 aufgenommen.
  • Die Dichtplatten 40 erfüllen dabei mehrere Aufgaben: Einerseits dichten sie durch angesetzte, sich im Wesentlichen in axialer und azimutaler Richtung erstreckende Dichtflügel 46 den Zwischenraum zwischen Turbinenscheibe 6 und benachbarten Leitschaufeln 36 gegen Eindringen von heißem Arbeitsmedium M aus der Turbine ab. Andererseits sorgen die Dichtplatten 40 auch für eine axiale Fixierung des Schaufelfußes 32 in der Laufschaufelhaltenut 30 und sichern diese so gegen axiale Verschiebung. Die radiale und azimutale Sicherung ist bereits durch die Tannenbaumform der Laufschaufelhaltenut 30 erreicht. Weiterhin verhindern die Dichtplatten 40 ein Austreten von durch Kühlluftkanäle 48 durch die Turbinenscheibe 36 in den Schaufelfuß 32 und die Laufschaufel 12 eingebrachter Kühlluft.
  • Die Dichtplatte 40 wird üblicherweise mit einem gewissen Aufmaß gegossen. Dabei wird üblicherweise ein Vakuumfeingussverfahren angewandt und anschließend werden die Dichtplatten 40 nach dem Abguss zur Beseitigung von Porosität mittels heißisostatischem Pressen verdichtet. Anschließend erfolgt eine mechanische Nachbearbeitung, um die Dichtplatte 40 in ihre Fertigkontur zu bringen. Ein derartiges Fertigungsverfahren ist relativ aufwändig und kostenintensiv. Um das Herstellverfahren für die Dichtplatte 40 zu vereinfachen, sollte die Dichtplatte 40 daher eine Stegstruktur 50 aufweisen, wie in FIG 2 dargestellt.
  • Die Stegstruktur 50 der Dichtplatte 40 auf der der Turbinenscheibe 6 zugewandten Stirnseite umfasst eine Mehrzahl von Stegen 52, die insbesondere in den Randbereichen angeordnet sind. Zur Stabilisierung der Dichtplatte sind jedoch noch weitere Stege 52 angeordnet. Im zentralen Bereich 54 der Dichtplatte 40 bleiben dabei Vertiefungen 56. Durch die Einbringung der Stegstruktur 50 in die Dichtplatte 40 ist ein geringerer Materialeinsatz bei gleichzeitig guter Abdichtung zwischen Dichtplatte 40 und Turbinenscheibe 6 möglich.
  • Die Stege 52 und die Vertiefung 56 ist noch einmal im Schnitt in FIG 3 dargestellt. Insbesondere im oberen und unteren Randbereich der Dichtplatte 40 ermöglichen die Stege 52 eine gute Abdichtung. Durch die Stege 52 wird einerseits eine Verstärkung des Bauteils erreicht, andererseits kann die mechanische Nachbearbeitung auf die Stege 52 beschränkt werden, da nur diese an die Turbinenscheibe 6 anliegen.
  • Die Dichtplatte 40 kann an ihrer Kante auch nicht näher gezeigte Nuten und/oder Federn aufweisen, die eine Nut-Feder-Verbindung benachbarter Dichtplatten 40 in Umfangsrichtung der Turbinenscheibe 6 ermöglichen.
  • Die FIG 4 und die FIG 5 zeigen jeweils zwei Dichtplatten 40, die parallel zueinander mit einem zwischengelegten Gusskern 58 aus einem keramischen Werkstoff angeordnet sind. Es werden also im Gussprozess zwei Dichtplatten 40 gleichzeitig in einer gemeinsamen Gussform gegossen. In der FIG 4 sind die im späteren Betrieb der Turbinenscheibe 6 zugewandten Stirnseiten nach außen, d. h. zur Gussform gewandt, in der FIG 5 dagegen nach innen, d. h. zum Gusskern 58. Die Abbildung der Stege 52 erfolgt dabei durch in den Gusskern 58 eingebrachte Nuten 60.
  • Die Vertiefungen 56 werden im Gussprozess besonders gut bespeist, wodurch dort Poren vermieden werden können und auf ein nachgelagertes heißisostatisches Pressen verzichtet werden kann. Der in FIG 4 und 5 dargestellte "Sandwich"-Guss trägt ebenfalls zur mechanischen Stabilität bei.
  • 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 ein Laufschaufelsystem 1 mit Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 36, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 110 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 36 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 36 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
  • Wie die Laufschaufeln 12 weist jede Leitschaufel 36 einen Schaufelfuß 118 auf, der zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 36 am Leitschaufelträger 110 der Turbineneinheit 106 als Wandelement angeordnet ist. Der Schaufelfuß 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet.
  • Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 36 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 121 an einem Leitschaufelträger 110 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 110 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.
  • Eine Dichtplatte 40 für ein Laufschaufelsystem 1, die eine Stegstruktur 50 aufweist, bietet einerseits eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung, andererseits lässt sich durch die gute Dichtwirkung ein besonders hoher Wirkungsgrad einer Gasturbine 101 erreichen.

Claims (9)

  1. Laufschaufelsystem (1),
    insbesondere für eine Gasturbine (101),
    mit einer Anzahl von ringförmig an einer Turbinenscheibe (6) angeordneten Laufschaufeln (12),
    wobei an einer Seitenfläche (34) der Turbinenscheibe (6) eine Anzahl von Dichtplatten (40) angeordnet ist, und wobei die jeweilige Dichtplatte (40) an einer Stirnseite eine Stegstruktur (50) aufweist.
  2. Laufschaufelsystem (1) nach Anspruch 1,
    bei dem die Stegstruktur (50) in einem Randbereich der jeweiligen Dichtplatte (40) einen erhabenen Steg (52) und/oder in einem zentralen Bereich (54) der Dichtplatte (40) eine Vertiefung (56) aufweist.
  3. Laufschaufelsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem im Bereich einer Kante der jeweiligen Dichtplatte (40) eine Nut und/oder eine Feder angeordnet ist.
  4. Verfahren zum Gießen einer Dichtplatte (40) für ein Laufschaufelsystem (1),
    bei dem in die Dichtplatte (40) an einer Stirnseite eine Stegstruktur (50) eingegossen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    bei dem zwei gleich geformte Dichtplatten (40) in einer gemeinsamen Gussform gegossen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    bei dem zwischen die Dichtplatten (40) ein Gusskern (58) eingebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    bei dem in den Gusskern (58) eine Anzahl von Nuten (60) eingebracht wird.
  8. Gasturbine (101) mit einem Laufschaufelsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder mit einer Dichtplatte (40),
    welche nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 hergestellt ist.
  9. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine (101) nach Anspruch 8.
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