EP2344723A1 - Gasturbine mit dichtplatten an der turbinenscheibe - Google Patents

Gasturbine mit dichtplatten an der turbinenscheibe

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Publication number
EP2344723A1
EP2344723A1 EP09782613A EP09782613A EP2344723A1 EP 2344723 A1 EP2344723 A1 EP 2344723A1 EP 09782613 A EP09782613 A EP 09782613A EP 09782613 A EP09782613 A EP 09782613A EP 2344723 A1 EP2344723 A1 EP 2344723A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
sealing plate
sealing
rotor
edge
Prior art date
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Granted
Application number
EP09782613A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2344723B1 (de
Inventor
Björn Bilstein
Peter Schröder
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09782613.5A priority Critical patent/EP2344723B1/de
Publication of EP2344723A1 publication Critical patent/EP2344723A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2344723B1 publication Critical patent/EP2344723B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05B2260/301—Retaining bolts or nuts

Definitions

  • the invention relates to a turbine rotor having a number of rotor blades combined in each case, arranged on a respective turbine disk rotor blades, wherein the respective turbine disk has at its side surfaces a number of annular ring-shaped sealing plates which extend in an azimuthally extending
  • Turbine disc groove are used, wherein the respective sealing plate on the turbine axis side facing an azimuthally extending, spaced from the inner edge of the respective sealing plate edge.
  • 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 rotor.
  • 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 which is under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit connected 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.
  • the combustion chamber of the gas turbine can be designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners arranged around the turbine rotor in the circumferential direction opens into a common combustion chamber space surrounded by a high-temperature-resistant surrounding wall.
  • the combustion chamber is designed in its entirety as an annular structure.
  • a plurality of combustion chambers In addition to a single combustion chamber can also be provided a plurality of combustion chambers.
  • first row of guide vanes of a turbine unit which forms a first turbine stage of the turbine unit together with the immediately following blade row seen in the flow direction of the working medium, which are usually followed by further turbine stages.
  • sealing plates are usually provided on the turbine disks, which are circularly mounted circumferentially on the turbine disk on the side surfaces normal to the turbine axis.
  • a sealing plate is usually provided per turbine blade on each side of the turbine disk.
  • 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 the escape of the guided inside the turbine disk cooling air, which usually forwarded to the cooling of the turbine blades in selbige becomes.
  • a gas turbine in such a configuration is known, for example, from EP 1 944 471 A1.
  • Sealing plate radially and axially blocked to the turbine disk. To secure the closure piece against displacement in the circumferential direction whose pointer between two am Sealing plate provided cams inflected. Overall, however, the simultaneous insertion of sealing plate and closure element is easy to install.
  • the invention is therefore based on the object to provide a turbine rotor, which allows a simplified design and installation while maintaining the greatest possible operational safety and the greatest possible efficiency when used in a turbine.
  • This object is achieved according to the invention with a turbine rotor mentioned above, in which between the edge of the respective sealing plate and a side wall of the turbine disk groove a closure piece is arranged, and in which the edge extends over the entire azimuthal length of the sealing plate and the closure pieces for sealing in azimuthally Direction abutting each other, wherein the respective sealing plate comprises at least one substantially azimuthally on the side facing the turbine axis extending, the respective edge interrupting recess which is geometrically designed such that through this the closure pieces are inserted into the turbine disk groove.
  • the invention is based on the consideration that a simplified construction of the gas turbine, in particular in the area of the turbine disks, would be possible if the hitherto customary design could be simplified with scale-like sealing plates.
  • the individual sealing plates are larger. Therefore, a larger and multiple attachment of the sealing plates on the turbine disk is necessary to to ensure sufficient axial and radial fixation. Furthermore, the attachment should also provide for a sealing of the remaining gap between the turbine disk and the inner edge (ie, the turbine axis facing edge) of the sealing plate.
  • the respective sealing plate on the turbine axis side facing an azimuthally extending, spaced from the inner edge of the respective sealing plate edge, wherein between the edge and a likewise azimuthally extending turbine disk groove on the turbine disk for sealing a plurality of abutting closure pieces - during the Mounting azimuthally displaceable - is arranged.
  • closure pieces for example in the form of beams, can be introduced into the remaining space between the sealing plate and the turbine disk.
  • These are fixed in the radial and axial direction by edge, sealing plate and side wall of the turbine disk groove. In the azimuthal direction, however, they remain displaceable and can thus be arranged adjacent to one another in order to achieve a complete seal by forming a ring of closure pieces.
  • the respective sealing plate comprises at least one substantially azimuthally on the side facing the turbine axis side recess which interrupts the edge.
  • This recess is geometrically designed such that a closure piece can be inserted into the turbine disk groove, ie it is just so large that a closure piece can be lowered into the turbine disk groove when the sealing disk is already mounted.
  • this closure piece can then be moved azimuthally into its end position, where it is fixed axially by the side wall of the turbine disk groove and the sealing plate and radially by the edge. Further Closures can then be inserted over the same recess and also moved until all the closure pieces are mounted.
  • the sealing plates are substantially circular section. As a result, the sealing plates are adapted to the shape of the turbine disk and it is thus ensured a reliable seal.
  • the larger, circular segment-shaped sealing plates then cover namely the same area as the previously scaly superimposed individual sealing plates.
  • sealing plates are provided per side surface.
  • the simplest embodiment of the sealing plates is namely possible with a maximum reduction of the number of sealing plates, wherein a single sealing plate, for example in the form of a circular ring due to the tilting required during assembly is not possible. Therefore, the simplest possible construction is a design with two identically designed sealing plates. This embodiment is also particularly advantageous for stationary gas turbines, since their assembly of housing and rotor takes place radially and not axially as in aircraft gas turbines.
  • a slot is made in each of the facing surfaces of two sealing plates, wherein a plate connecting the respectively opposite slots is used to seal the intermediate space between the surfaces.
  • the respective sealing plate has a substantially azimuthally and axially extending sealing wing on.
  • a sealing wing which should be configured consistently in a correspondingly by the smaller number larger sealing plate in the azimuthal direction, a seal of the turbine rotor facing part of the turbine disk against penetrating hot gas from the
  • the sealing wing should extend in the axial direction to the respective adjacent vanes, in order to achieve a particularly good seal.
  • the respective closure piece has a bore
  • the respective sealing plate has a number of notches
  • the wall delimiting the turbine disk has a bore for receiving a securing bolt.
  • the respective sealing plate is made by turning.
  • the smaller number of sealing plates makes it possible to manufacture the sealing plates as a circular ring in the turning process and then to divide. As a result, a simplified and more cost-effective production of the sealing plates is possible.
  • such a gas turbine is used in a gas and steam turbine plant.
  • the advantages associated with the invention are, in particular, that a substantially simplified and cheaper construction of the gas turbine is possible by reducing the number of sealing plates per side surface of the turbine disk of a gas turbine.
  • the design of the entire blade row is thus considerably simplified and is less expensive to produce because the sealing plates can be manufactured in the turning process.
  • the sealing plates have comparatively few leakage surfaces. This can be sealed much denser to reduce the loss of cooling air.
  • FIG. 2 shows a half section through the outer circumference of a turbine disk for the gas turbine, a sealing plate and its fixing device
  • FIGS 6-8 a closure piece in different views
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine unit 6 for driving the compressor 2 and a generator or a working machine (not shown).
  • the turbine unit 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine rotor 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the running in the manner of an annular combustion chamber 4 is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine unit 6 has a number of with the
  • Turbine rotor 8 connected rotatable blades 12.
  • the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine rotor 8 and thus form a number of Blades of blades.
  • the turbine unit 6 comprises a number of stationary vanes 14, which are also attached in a donut-like manner to a vane support 16 of the turbine unit 6 to form rows of vanes.
  • the blades 12 serve to drive the
  • Turbine rotor 8 by momentum transfer from the turbine unit 6 flowing through the working medium M.
  • the vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between each two seen in the flow direction of the working medium M consecutive
  • Blades of blades or blades rims A successive pair of a ring of vanes 14 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 14 has a platform 18 which is arranged to fix the respective vane 14 to a vane support 16 of the turbine unit 6 as a wall element.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component which forms the outer boundary of a hot gas channel for the working medium M flowing through the turbine unit 6.
  • Each rotor blade 12 is fastened in an analogous manner to the turbine rotor 8 via a platform 19.
  • a guide ring 21 is arranged on a guide blade carrier 16 of the turbine unit 6.
  • the outer surface of each guide ring 21 is likewise exposed to the hot working medium M flowing through the turbine unit 6 and spaced radially from the outer end of the rotor blades 12 lying opposite it by a gap.
  • the guide rings 21 arranged between adjacent rows of guide blades serve in particular as cover elements which prevent the inner housing 16 in the guide blade carrier or other housing-mounted components from thermal overload. stress by the turbine 6 flowing through hot working medium M protect.
  • the combustion chamber 4 is configured in the exemplary embodiment as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 10 arranged around the turbine rotor 8 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 4 in its entirety is designed as an annular structure which is positioned around the turbine rotor 8.
  • FIG. 2 shows in each case a section through a sealing plate 30, a securing bolt 32, a closure piece 34, a securing plate 36 and through the outer circumference of a turbine disk 38 attached to the turbine rotor 8 of a rotor blade stage of the turbine unit 6.
  • the turbine disk 38 includes a blade retention groove 40 in which the blade 12 (not shown) is disposed. Through the cooling air hole 42 1 cooling air is supplied during operation of the gas turbine, which cools the turbine disk 36 and is also forwarded to the blade 12, not shown.
  • the sealing plate 30 is set on the side surface of the turbine disk 38.
  • circulating cams 44, 46 circulating in the turbine disk 38 serve as spacers.
  • the sealing plate 30 is tilted by an applied thereto, extending in the azimuthal direction edge 47 by means of the closure piece 34 on the turbine disk 38 and radially and azimuthally fixed with the locking pin 32 in a bore 48 of the turbine disk 38
  • the locking plate 36 prevents axial pushing out of the securing bolt 32.
  • the edge 47 is set back relative to an inner edge of the sealing plate 30.
  • the seal plate 30 includes an attached, substantially in the axial and azimuthal direction extending sealing vanes 50 which seals the gap between the turbine disk 38 and adjacent vanes 14 against ingress of hot working fluid M from the turbine. Furthermore, the sealing plate 30 also provides for axial fixation of the blade 12 in the Schaufelfußnut 40 and secures them against displacement.
  • FIG 3 shows the sealing plate 30 in the plan view. Notches 52 are introduced into the sealing plate 30 at a uniform spacing on the side facing the turbine rotor 8, which serve to receive the securing bolts 32. As a result, the sealing plate 30, which is larger due to the overall smaller number of sealing plates, is fixed along the entire circumference. Furthermore, the edge 47 can be seen for fixing the closure pieces 34.
  • the sealing plate 30 is shown in FIG 4 in the inclined profile.
  • a slot 54 is introduced, in which a not shown corrugated sheet is introduced, so that the lying between the sealing plates 30 parting joint is closed and thus sealed.
  • FIG 5 again shows the sealing plate 30 in the plan.
  • the notch 52 respectively introduced recess 56 is shown here, which interrupts the edge 47. It is adapted in its geometry to the size of the closure pieces 34, so that it is suitable for insertion of the closure piece 34 shown in more detail in the following figures.
  • closure pieces 34 can be lowered through the recess 56 and subsequently pushed along the edge 47 into its end position. Thus, a fixation of the already mounted sealing plate 30 is achieved on the turbine disk 38 and a good seal of the remaining gap.
  • FIG 6 shows the closure piece 34 in section. In the closure piece 34, a bore 58 is introduced, in which the securing bolt 32 is introduced. In FIG.
  • FIG 7 which shows the closure piece 34 in profile
  • a recess 60 is also shown, which serves to receive the securing plate 36, which prevents axial displacement of the securing bolt 32.
  • FIG 8 shows the closure piece again in the plan. Clearly, the adaptation to the shape of the recess 56 shown in FIG 5 can be seen.
  • FIGS. 9 to 14 show the assembly process of the sealing plate 30 on the turbine disk 36.
  • the sealing plate 30 is initially lowered radially into the turbine disk groove 62
  • the other closure pieces 34 are used in the same way.
  • the sealing plate 30 is secured radially and axially.
  • the closure members 47 abut one another in the assembled state, so that a complete sealing of the intermediate space between the sealing plate 30 and the side wall of the turbine disk groove 62 is ensured.
  • the locking plate 36 is inserted radially, which also has a bore in the center. In this and the holes 48, 58 of the safety pin 32 is inserted. This secures the radial Locking plate 36 and in the circumferential direction, the closure piece 34 and the sealing plate 30. against axial pushing out of the securing bolt 32, the end of the locking plate 36 is bent radially downwards. The final assembly is shown in FIG.
  • the illustrated sealing plate 30 is substantially semicircular.
  • the sealing plate 30 can be made in the turning process as a circular ring and then shared.
  • a particularly simple construction of the gas turbine 1 is possible.
  • a much better seal against cooling air loss is possible due to the smaller number of leakage surfaces compared to the previous scale-like arrangement.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

Ein Turbinenrotor (8) mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an jeweils einer Turbinenscheibe (38) angeordneten Laufschaufeln (12), wobei die jeweilige Turbinenscheibe (38) an ihren Seitenflächen eine Anzahl von Dichtplatten (30) mit einer radial innen angeordneten zurückversetzten Kante (47) aufweist, soll unter Erhaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit und eines größtmöglichen Wirkungsgrades einer damit ausgestatteten Turbine eine vereinfachte Konstruktion und Montage erlauben. Dazu ist zwischen der Kante (47) der jeweiligen Dichtplatte (30) und einer Seitenwand der Turbinenscheibennut (62) ein Verschlussstück (34) vorgesehen, wobei sich die Kante (47) über die gesamte azimutale Länge der Dichtplatte erstreckt und die Verschlussstücke (34) zur Abdichtung in azimutaler Richtung aneinander anliegenden. Über eine sich im Wesentlichen azimutal an der der Turbinenachse zugewandten Seite erstreckende, die jeweilige Kante (47) unterbrechende Ausnehmung (56) sind die Verschlussstücke (34) in die Turbinenscheibennut (62) einsetzbar.

Description

Beschreibung
GASTURBINE MIT DICHTPLATTEN AN DER TURBINENSCHEIBE
Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an jeweils einer Turbinenscheibe angeordneten Laufschaufeln, wobei die jeweilige Turbinenscheibe an ihren Seitenflächen eine Anzahl von kreisringabschnittförmigen Dichtplatten aufweist, die in einer sich azimutal erstreckenden
Turbinenscheibennut eingesetzt sind, wobei die jeweilige Dichtplatte an der der Turbinenachse zugewandten Seite eine sich azimutal erstreckende, vom Innenrand der jeweiligen Dichtplatte beabstandete Kante aufweist.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung eines Turbinenrotors 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 Turbi- neneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung des Turbinenrotors ist dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten 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 Um- fangsrichtung um den Turbinenrotor herum angeordneten Brennern in einen gemeinsamen, von einer hochtemperaturbeständi- gen 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 üblicher- weise weitere Turbinenstufen nachgeschaltet sind.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgra- des 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 0C bis 1500 0C 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 vor dem Kontakt von heißem Arbeitsmedium zu schützen und um Kühlluft entlang der Seitenflächen der Rotorscheibe zu den Laufschaufeln zu führen, sind üblicherweise an den Turbinenscheiben Dichtplatten vorgesehen, die kreisförmig umlaufend an der Turbinenscheibe an den jeweils zur Turbinenachse normalen Seitenflächen angebracht sind. Dabei ist üblicherweise pro Turbinenschaufel auf jeder Seite der Turbinenscheibe jeweils eine Dichtplatte 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 des Turbinenrotors 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 das Austreten der im Inneren der Turbinenscheibe geführten Kühlluft, die üblicherweise zur Kühlung der Turbinenschaufeln in selbige weitergeleitet wird. Eine Gasturbine in derartiger Ausgestaltung ist beispielsweise aus der EP 1 944 471 Al bekannt.
Die oben genannte Ausgestaltung der Turbinenscheiben mit segmentiert schuppenartig überlappenden Dichtplatten ist jedoch relativ kompliziert. Es ist eine relativ große Anzahl von Dichtplatten erforderlich, was zu einem vergleichsweise hohen Konstruktionsaufwand der Turbinenscheiben und damit der gesamten Gasturbine führt. Weiterhin kann eine eventuell erforderliche Reparatur im Bereich der Turbinenscheiben durch diese Konstruktion vergleichsweise aufwändig sein.
Zudem ist aus der US 2008/0181767 Al eine Sicherung für Dichtbleche von Turbinenscheiben bekannt, bei der die Dichtbleche an ihrem inneren Rand eine Schulter aufweisen, mit der sie an einen seitlich umlaufenden Vorsprung der Turbinenscheibe dichtend anliegen. Zur Sicherung der Dichtbleche in ihrer endgültigen Einbauposition ist jeweils ein Verschlusselement erforderlich, welches in einer Ausnehmung des Dichtblechs angeordnet gleichzeitig mit diesem in die Turbinenscheibennut eingesetzt wird. Anschließend wird das Verschlusselement der Ausnehmung entnommen und entlang der Turbinenscheibennut verschoben, wobei dieses dann das
Dichtblech an die Turbinenscheibe radial und axial blockiert. Zur Sicherung des Verschlussstücks gegen eine Verschiebung in Umfangsrichtung wird dessen Zeiger zwischen zwei am Dichtblech vorgesehene Nocken eingebogen. Insgesamt ist jedoch das gleichzeitige Einsetzen von Dichtblech und Verschlusselement montageunfreundlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenrotor anzugeben, welcher unter Erhaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit und eines größtmöglichen Wirkungsgrades bei Verwendung in einer Turbine eine vereinfachte Konstruktion und Montage erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem eingangs genannten Turbinenrotor gelöst, bei dem zwischen der Kante der jeweiligen Dichtplatte und einer Seitenwand der Turbinenscheibennut ein Verschlussstück angeordnet ist, und bei dem sich die Kante über die gesamte azimutale Länge der Dichtplatte erstreckt und die Verschlussstücke zur Abdichtung in azimutaler Richtung aneinander anliegenden, wobei die jeweilige Dichtplatte zumindest eine sich im Wesentlichen azimutal an der der Turbinenachse zugewandten Seite erstreckende, die jeweilige Kante unterbrechende Ausnehmung umfasst, die geometrisch derart ausgelegt ist, dass durch diese die Verschlussstücke in die Turbinenscheibennut einsetzbar sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine vereinfachte Konstruktion der Gasturbine insbesondere im Bereich der Turbinenscheiben möglich wäre, wenn die bisher übliche Konstruktion mit schuppenartig angeordneten Dicht- platten vereinfacht werden könnte.
In die bisher üblichen schuppenartig angeordneten Dichtplatten wurden Löcher eingebracht, so dass diese mit Sicherungsbolzen und Sicherungsblechen an der Turbinenscheibe fixiert werden konnten. Bei einer geringeren Anzahl verwendeter
Dichtplatten sind die einzelnen Dichtplatten jedoch größer. Daher ist eine großflächigere und mehrfache Befestigung der Dichtplatten an der Turbinenscheibe notwendig, um eine aus- reichende axiale und radiale Fixierung zu gewährleisten. Weiterhin soll die Befestigung auch für eine Abdichtung des verbleibenden Spalts zwischen Turbinenscheibe und Innenrand (d. h. der Turbinenachse zugewandtem Rand) der Dichtplatte sorgen. Dazu weist die jeweilige Dichtplatte an der der Turbinenachse zugewandten Seite eine sich azimutal erstreckende, vom Innenrand der jeweiligen Dichtplatte beabstandete Kante auf, wobei zwischen der Kante und einer sich ebenfalls azimutal erstreckenden Turbinenscheibennut auf der Turbinenscheibe zur Abdichtung eine Mehrzahl von aneinander anliegenden Verschlussstücken - während der Montage azimutal verschiebbar - angeordnet ist.
Auf diese Weise können mehrere Verschlussstücke, beispiels- weise in Balkenform, in den verbleibenden Zwischenraum zwischen Dichtplatte und Turbinenscheibe eingebracht werden. Diese werden in radialer und axialer Richtung durch Kante, Dichtplatte und Seitenwand der Turbinenscheibennut fixiert. In azimutaler Richtung bleiben sie jedoch verschiebbar und können so aneinander anliegend angeordnet werden, um unter Bildung eines Rings aus Verschlussstücken eine vollständige Abdichtung zu erreichen.
Im fertig montierten Zustand sind - wie bereits beschrieben - die Verschlussstücke axial und radial fixiert. Damit eine Montage der Verschlussstücke bei bereits an die Turbinenscheibe angesetzter Dichtplatte dennoch möglich ist, umfasst die jeweilige Dichtplatte zumindest eine sich im Wesentlichen azimutal an der der Turbinenachse zugewandten Seite erstreckende Ausnehmung, welche die Kante unterbricht. Diese Ausnehmung ist geometrisch derart ausgelegt, dass ein Verschlussstück in die Turbinenscheibennut einsetzbar ist, d.h. sie ist gerade so groß, das ein Verschlussstück bei bereits montierter Dichtplatte in die Turbinenscheibennut abgesenkt werden kann. Dort kann dieses Verschlussstück dann azimutal in seine Endposition verschoben werden, wo es axial von der Seitenwand der Turbinenscheibennut und der Dichtplatte und radial von der Kante fixiert ist. Weitere Verschlussstücke können dann über die gleiche Ausnehmung eingesetzt und ebenso verschoben werden, bis alle Verschlussstücke montiert sind.
Die Dichtplatten sind im Wesentlichen kreisabschnittförmig. Dadurch sind die Dichtplatten an die Form der Turbinenscheibe angepasst und es wird somit eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet. Die größeren, kreisabschnittförmigen Dichtplatten bedecken dann nämlich die gleiche Fläche wie die zuvor schuppenartig übereinanderliegenden einzelnen Dichtplatten .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind pro Seitenfläche zwei Dichtplatten vorgesehen. Die einfachste Ausgestaltung der Dichtplatten ist nämlich bei einer maximalen Reduzierung der Anzahl der Dichtplatten möglich, wobei eine einzelne Dichtplatte beispielsweise in der Form eines Kreisrings aufgrund der bei der Montage erforderlichen Verkantung nicht möglich ist. Daher ist die einfachste mögliche Konstruktion eine Ausgestaltung mit zwei gleichartig gestalteten Dichtplatten. Diese Ausgestaltung ist zudem insbesondere für stationäre Gasturbinen von Vorteil, da deren Zusammenbau von Gehäuse und Rotor radial erfolgt und nicht wie bei Flugzeug- Gasturbinen axial.
Vorteilhafterweise ist in die sich jeweils zugewandten Flächen zweier Dichtplatten ein Schlitz eingebracht, wobei zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen den Flächen ein die jeweils gegenüberliegende Schlitze verbindendes Blech einge- setzt ist. Damit ist für eine zuverlässige Abdichtung zwischen den Dichtplatten keine schuppenartige Überlappung mehr notwendig, sondern es sind entsprechende Schlitze oder Nuten mit einem eingebrachten Riffelblech vorgesehen. Dieses verschließt dann bei geeigneter Ausgestaltung den verbleibenden kleinen Zwischenraum zwischen den Dichtplatten.
Vorteilhafterweise weist die jeweilige Dichtplatte einen sich im Wesentlichen azimutal und axial erstreckenden Dichtflügel auf. Durch einen derartigen Dichtflügel, der bei einer entsprechend durch die geringere Anzahl größeren Dichtplatte in azimutaler Richtung durchgängig ausgestaltet sein sollte, wird eine Abdichtung des dem Turbinenrotor zugewandten Teils der Turbinenscheibe gegen eindringendes Heißgas aus dem
Innenraum der Turbine erreicht. Dabei sollte sich der Dichtflügel in axialer Richtung bis zu den jeweils benachbarten Leitschaufeln erstrecken, um eine besonders gute Abdichtung zu erreichen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist das jeweilige Verschlussstück eine Bohrung, die jeweilige Dichtplatte eine Anzahl von Kerben und die die Turbinenscheibe begrenzende Wand eine Bohrung zur Aufnahme eines Sicherungsbolzens auf. Damit können sowohl die Verschlussstücke als auch Dichtungsplatte selbst durch einen Sicherungsbolzen fixiert werden und es ist ein zuverlässiger Zusammenhalt bei gleichzeitig einfacher Montage möglich.
Vorteilhafterweise ist die jeweilige Dichtplatte durch Drehen gefertigt. Die geringere Anzahl von Dichtplatten ermöglicht es nämlich, die Dichtplatten als Kreisring im Drehprozess zu fertigen und dann zu teilen. Dadurch ist eine vereinfachte und kostengünstigere Herstellung der Dichtplatten möglich.
Vorteilhafterweise kommt eine derartige Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage zum Einsatz.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbeson- dere darin, dass durch die Verringerung der Anzahl der Dichtplatten pro Seitenfläche der Turbinenscheibe einer Gasturbine eine wesentlich vereinfachte und günstigere Konstruktion der Gasturbine möglich ist. Das Design der gesamten Laufschaufelreihe wird dadurch wesentlich vereinfacht und ist in der Fer- tigung weniger aufwändig, da die Dichtplatten im Drehprozess gefertigt werden können. Zudem weisen die Dichtplatten vergleichsweise wenige Leckageflächen auf. Hierdurch kann wesentlich dichter zur Verringerung des Verlusts von Kühlluft abgedichtet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2 einen Halbschnitt durch den äußeren Umfang einer Turbinenscheibe für die Gasturbine eine Dichtplatte und deren Fixierungsvorrichtung,
FIG 3-5 eine Dichtplatte in verschiedenen Ansichten,
FIG 6-8 ein Verschlussstück in verschiedenen Ansichten, und
FIG 9-14 die Arbeitsschritte des Montageprozesses.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbineneinheit 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht darge- stellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 6 und der Verdichter 2 auf einem gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenrotor 8 angeordnet, mit dem auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt .
Die Turbineneinheit 6 weist eine Anzahl von mit dem
Turbinenrotor 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an dem Turbinenrotor 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen . Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb des
Turbinenrotors 8 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 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 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine Plattform 18 auf, der zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 an einem Leitschaufelträger 16 der Turbineneinheit 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufei 12 ist in analoger Weise über eine Plattform 19 an dem Turbinenrotor 8 befes- tigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 an einem Leitschaufelträ- ger 16 der Turbineneinheit 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 12 durch einen Spalt beab- standet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse 16 im Leitschaufelträger oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbe- anspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um den Turbinenrotor 8 herum angeordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um den Turbinenrotor 8 herum posi- tioniert ist.
FIG 2 zeigt jeweils einen Schnitt durch eine Dichtplatte 30, einen Sicherungsbolzen 32, ein Verschlussstück 34, ein Sicherungsblech 36 und durch den äußeren Umfang einer an dem Turbinenrotor 8 angebrachten Turbinenscheibe 38 einer Laufschaufelstufe der Turbineneinheit 6.
Die Turbinenscheibe 38 umfasst eine Laufschaufelhaltenut 40, in der die nicht dargestellte Laufschaufel 12 angeordnet wird. Durch die Kühlluftbohrung 42 wird während des Betriebs der Gasturbine 1 Kühlluft zugeführt, die die Turbinenscheibe 36 kühlt und auch in die nicht dargestellte Laufschaufel 12 weitergeleitet wird.
Um ein Austreten von Kühlluft aus dem Inneren der Turbinenscheibe 38 und ein Eindringen von heißem Arbeitsmedium M andererseits zu verhindern, ist die Dichtplatte 30 auf die Seitenfläche der Turbinenscheibe 38 gesetzt. Dabei dienen in die Turbinenscheibe 38 kreisförmig umlaufen eingebrachte Nocken 44, 46 als Abstandhalter. Die Dichtplatte 30 wird durch eine auf ihr aufgebrachte, sich in azimutaler Richtung erstreckenden Kante 47 mittels des Verschlussstücks 34 an der Turbinenscheibe 38 verkantet und mit dem Sicherungsbolzen 32 in einer Bohrung 48 der Turbinenscheibe 38 radial und azimutal fixiert Das Sicherungsblech 36 verhindert dabei ein axiales Herausschieben des Sicherungsbolzens 32. Die Kante 47 ist dabei gegenüber einem inneren Rand der Dichtplatte 30 zurückversetzt . Die Dichtplatte 30 umfasst einen angesetzten, sich im Wesentlichen in axialer und azimutaler Richtung erstreckenden Dichtflügel 50, der den Zwischenraum zwischen Turbinenscheibe 38 und benachbarten Leitschaufeln 14 gegen Eindringen von heißem Arbeitsmedium M aus der Turbine abdichtet. Weiterhin sorgt die Dichtplatte 30 auch für eine axiale Fixierung der Laufschaufel 12 in der Schaufelfußnut 40 und sichert diese so gegen Verschiebung.
Die FIG 3 zeigt die Dichtplatte 30 in der Aufsicht. In die Dichtplatte 30 sind Kerben 52 in gleichmäßigem Abstand an der dem Turbinenrotor 8 zugewandten Seite eingebracht, die zur Aufnahme der Sicherungsbolzen 32 dienen. Dadurch ist die Dichtplatte 30, die aufgrund der insgesamt geringeren Anzahl der Dichtplatten entsprechen größer ist, entlang des gesamten Umfanges fixiert. Weiterhin ist die Kante 47 zur Fixierung der Verschlussstücke 34 zu sehen.
Die Dichtplatte 30 ist in FIG 4 im Schrägprofil gezeigt. In die Seitenfläche der Dichtplatte 30, die in montiertem Zustand an eine weitere Dichtplatte 30 anliegt, ist ein Schlitz 54 eingebracht, in den ein nicht gezeigtes Riffelblech eingebracht wird, so dass die zwischen den Dichtplatten 30 lie- gende Teilfuge verschlossen und somit abgedichtet wird.
Die FIG 5 zeigt nochmals die Dichtplatte 30 in der Aufsicht. Dabei ist hier die um die Kerbe 52 jeweils eingebrachte Ausnehmung 56 dargestellt, die die Kante 47 unterbricht. Sie ist in ihrer Geometrie an die Größe der Verschlussstücke 34 ange- passt, so dass sie zum Einsetzen des in den folgenden Figuren detaillierter gezeigten Verschlussstücks 34 geeignet ist. Bei der Montage können durch die Ausnehmung 56 Verschlussstücke 34 abgesenkt werden und anschließend entlang der Kante 47 in ihre Endposition verschoben werden. Damit wird eine Fixierung der bereits montierten Dichtplatte 30 an der Turbinenscheibe 38 und eine gute Abdichtung des verbleibenden Zwischenraums erreicht . Die FIG 6 zeigt das Verschlussstück 34 im Schnitt. In das Verschlussstück 34 eine Bohrung 58 eingebracht, in die der Sicherungsbolzen 32 eingebracht wird. In der FIG 7, die das Verschlussstück 34 im Profil zeigt, ist daneben auch eine Ausnehmung 60 dargestellt, die zur Aufnahme des Sicherungsbleches 36 dient, das ein axiales Herausschieben des Sicherungsbolzens 32 verhindert. Die FIG 8 zeigt das Verschlussstück noch einmal in der Aufsicht. Deutlich ist die Anpassung an die Form der in der FIG 5 dargestellten Ausnehmung 56 zu erkennen .
Die FIG 9 bis FIG 14 zeigen den Montageprozess der Dichtplatte 30 auf der Turbinenscheibe 36. Die Dichtplatte 30 wird zu- nächst radial in die Turbinenscheibennut 62 abgesenkt
(FIG 10, FIG 11), dann axial zur Laufschaufel 12 hin bewegt (FIG 12) und abschließend radial angehoben (FIG 13) . Der Absatz 64 am Innenradius der Dichtplatte 30 liegt somit am Nocken 46 der Turbinenscheibe 38 an. Das Verschlussstück 34 wird radial über die Ausnehmung 56 an der Dichtplatte 30 in die Nut 62 eingeführt und in Umfangsrichtung entlang der Kante 47 soweit verschoben, dass dessen Bohrung 58 mit einer Bohrung 48 in der Turbinenscheibe 38 sowie einer Kerbe 52 in der Dichtplatte 52 fluchtet. Dort wird das Verschlussstück 34 mit einem Sicherungsbolzen 32 fixiert.
Anschließend werden auf gleichem Wege die weiteren Verschlussstücke 34 eingesetzt. Damit wird die Dichtplatte 30 radial und axial gesichert. Weiterhin liegen die Verschluss- stücke 47 in montiertem Zustand aneinander an, so dass eine vollständige Abdichtung des Zwischenraums zwischen Dichtplatte 30 und Seitenwand der Turbinenscheibennut 62 gewährleistet ist.
In die Ausnehmung 60 des Verschlussstücks 34 wird das Sicherungsblech 36 radial eingeführt, das mittig ebenfalls eine Bohrung aufweist. In diese und die Bohrungen 48, 58 wird der Sicherungsbolzen 32 eingeführt. Dieser sichert radial das Sicherungsblech 36 und in Umfangsrichtung das Verschlussstück 34 und die Dichtplatte 30. Gegen ein axiales Herausschieben des Sicherungsbolzens 32 ist das Ende des Sicherungsblechs 36 radial nach unten gebogen. Der endgültige Zusammenbau ist in FIG 14 dargestellt.
Die dargestellte Dichtplatte 30 ist im Wesentlichen halbkreisringförmig. Somit kann die Dichtplatte 30 im Drehprozess als Kreisring hergestellt und anschließend geteilt werden. Dadurch ist eine besonders einfache Konstruktion der Gasturbine 1 möglich. Weiterhin ist durch die geringere Anzahl an Leckageflächen gegenüber der bisherigen schuppenartigen Anordnung eine wesentlich bessere Abdichtung gegen Kühlluftverlust möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenrotor (8), mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an jeweils einer Turbinenscheibe (38) angeordneten Laufschaufeln (12), wobei die jeweilige Turbinenscheibe (38) an ihren Seitenflächen eine Anzahl von kreisringabschnittförmigen Dichtplatten (30) aufweist, die in einer sich azimutal erstreckenden Turbinenscheibennut (62) eingesetzt sind, wobei die jeweilige Dichtplatte (30) an der der Turbinenachse zugewandten Seite eine sich azimutal erstreckende, vom Innenrand der jeweiligen Dichtplatte (30) beabstandete Kante (47) aufweist, wobei zwischen der Kante (47) der jeweiligen Dichtplatte (30) und einer Seitenwand der Turbinenscheibennut (62) ein Verschlussstück (34) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich die Kante (47) über die gesamte azimutale Länge der Dichtplatte erstreckt und die Verschlussstücke (34) zur Abdichtung in azimutaler Richtung aneinander anliegenden, wobei die jeweilige Dichtplatte (30) zumindest eine sich im Wesentlichen azimutal an der der Turbinenachse zugewandten Seite erstreckende, die jeweilige Kante (47) unterbrechende Ausnehmung (56) umfasst, die geometrisch derart ausgelegt ist, dass durch diese die Verschlussstücke (34) in die Turbinenscheibennut (62) einsetzbar sind.
2. Turbinenrotor (8) nach Anspruch 1, bei dem pro Seitenfläche zwei Dichtplatten (30) vorgesehen sind.
3. Turbinenrotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem in die sich jeweils zugewandten Flächen zweier Dichtplatten (30) ein Schlitz (54) eingebracht ist, wobei zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen den Flächen ein die jeweils gegenüberliegenden Schlitze (54) verbindendes Blech eingesetzt ist.
4. Turbinenrotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die jeweilige Dichtplatte (30) einen sich im
Wesentlichen azimutal und axial erstreckenden Dichtflügel (50) aufweist.
5. Turbinenrotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das jeweilige Verschlussstück (34) eine Bohrung
(58), die jeweilige Dichtplatte (30) eine Anzahl von Kerben (52) und die die Turbinenscheibennut (62) begrenzende
Seitenwand eine Bohrung (48) zur Aufnahme eines
Sicherungsbolzens (32) aufweist.
6. Turbinenrotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jeweilige Dichtplatte (30) durch Drehen gefertigt ist.
7. Gas- oder Dampfturbinenanlage mit einem Turbinenrotor (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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