EP2379846A1 - Leitschaufelsystem für eine strömungsmaschine mit segmentiertem leitschaufelträger - Google Patents

Leitschaufelsystem für eine strömungsmaschine mit segmentiertem leitschaufelträger

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EP2379846A1
EP2379846A1 EP10700394A EP10700394A EP2379846A1 EP 2379846 A1 EP2379846 A1 EP 2379846A1 EP 10700394 A EP10700394 A EP 10700394A EP 10700394 A EP10700394 A EP 10700394A EP 2379846 A1 EP2379846 A1 EP 2379846A1
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EP
European Patent Office
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turbine
vane
segments
guide
gas turbine
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EP10700394A
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English (en)
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Fathi Ahmad
Giuseppe Gaio
Holger Grote
Christian Lerner
Mirko Milazar
Mathias Stutt
Thomas-Dieter Tenrahm
Bernd Vonnemann
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Original Assignee
Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/023—Transition ducts between combustor cans and first stage of the turbine in gas-turbine engines; their cooling or sealings
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/80—Repairing, retrofitting or upgrading methods

Definitions

  • 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 flow guidance of the working medium are also usually connected between adjacent rows of blades with the turbine housing, too
  • the invention is therefore based on the object of specifying a turbine guide vane carrier, in particular for a gas turbine, which, while maintaining a particularly high efficiency, enables a particularly simple exchange of individual vanes and is therefore designed for a particularly short repair duration.
  • the vane of the first turbine stage ie the vane, which is the combustor chamber is closest to these highest temperatures and subject to the greatest wear. Accordingly, premature replacement as a result of damage caused by clogging of the cooling air bores (eg by inwardly oxidizing cooling air bores) is to be expected in particular in the case of this turbine guide vane.
  • the vane support should therefore advantageously be segmented multiple times in the section of the vane row closest to a combustion chamber of the gas turbine.
  • the upstream side portion of the turbine vane carrier should have more segments than the remaining portion of the turbine vane carrier.
  • the guide blade fixation of a gas turbine should be provided in a meaningful manner such that undisturbed disassembly of an arbitrarily circumferentially located segment is ensured, so that, depending on the Position of the blade to be replaced only the affected, radially further outwardly disposed segment must be dismantled.
  • the guide vane of the respective vane row with one of the segments of the remaining portion releasably connected. Thereby, after removal of the affected segment, the vane can be disassembled by releasing the connection with the segment of the section.
  • the segments arranged in the inflow-side section thus do not serve for fastening guide vanes, but only for producing or maintaining the integrity of the gas turbine and possibly for separating spaces for cooling air with different pressures and / or temperatures.
  • such a turbine guide vane carrier is used in a gas turbine.
  • an outer housing of the gas turbine advantageously comprises a manhole through which easy access to the segments of the vane support for the installation personnel is possible.
  • FIG. 9 shows a section through two adjacent vanes perpendicular to the turbine axis with clamping elements fixed sealing elements, and 10 shows a half section through a gas turbine.
  • the vanes 6, 8 each comprise a blade root 10, 12 and a blade head 14, 16, via which their attachment to the other components takes place.
  • the guide vanes 6, 8 of the first and second turbine stages are fastened to the guide blade carrier 1 with their blade roots 10, 12 and fixed to inner rings 18, 20 at their respective blade heads 14, 16.
  • both the inner ring 20 and the vane support 1 include a plurality of cooling systems 22, which provide a cooling air supply to the vane support 1, the vanes 6, 8 and the inner ring 22 to sufficiently cool these components due to the high hot gas temperatures.
  • the guide vane carrier 1 is segmented in many cases in the region of the first vane row.
  • the guide blade carrier 1 comprises a number (in this case 12 pieces, see FIG. 3) of segments 24 in an inflow-side portion 23 and a guide-blade carrier 1 segmented in only one half 25 in a remaining portion 25. All segments 24, 26 are detachably connected to one another.
  • the rest of the vane carrier is understood to be an upper and a lower half of a ring-shaped vane carrier which is annular in cross-section, as is already known in stationary gas turbines. In this case, two
  • FIG. 3 shows a section perpendicular to the turbine axis through the guide vane carrier 1 at the level of the segments 24.
  • a total of twelve segments 24 are provided, which are connected via flanges 52, for example with a screw connection.
  • flanges 52 for example with a screw connection.
  • the segmentation can also be done in other ways and adapted to the handling of the machine.
  • the blade root 14 comprises a spring 36 which is inserted into a groove 38 of the inner ring 18.
  • the guide vane of the first turbine stage 6 is fixed by means of a pin 60.
  • the inner ring 18 is then inserted into the groove 56 of the combustion chamber hub 54.
  • the blade root 14 a groove 62 for receiving a sealing plate 64, which is also located in the groove 58 of the combustion chamber hub 54.
  • a plurality of guide vanes 6 are first to be unlocked and displaced in the circumferential direction, so that a guide Schaufei 6 comes out of engagement of the sealing plates 70 and can be expanded radially.
  • a gas turbine 101 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 2 and a turbine unit 106 for driving the compressor 102 and a generator or a working machine (not shown).
  • the turbine unit 106 and the compressor 102 are arranged on a common turbine shaft 108, 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 turbine axis 109.
  • the running in the manner of an annular combustion chamber 2 is equipped with a number of burners 110 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine unit 106 has a number of rotatable blades 112 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 number of stationary vanes 6, 8, 114, which are also attached in a donut-like manner to a vane support 1 of the turbine unit 106 to form rows of vanes.
  • the blades 112 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • the vanes 6, 8, 114 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 114 or a row of guide vanes and of a ring of rotor blades 112 or a row of revolutions is also referred to as a turbine stage.
  • Each vane 114 has a blade root 118, which is arranged to fix the respective vane 114 on a vane support 1 of the turbine unit 106 as a wall element.
  • Each rotor blade 112 is fastened to the turbine shaft 108 in a similar manner via a blade root 119.
  • each ring segment 121 is arranged on the guide blade carrier 1 of the turbine unit 106.
  • the outer surface of each ring segment 121 is spaced apart in the radial direction from the outer end of the blades 112 lying opposite it by a gap. The between adjacent
  • the combustion chamber 2 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 2 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 108 around.

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Abstract

Ein Turbinenleitschaufelträger (1), insbesondere für eine Gasturbine (101), mit einer Anzahl von Leitschaufelreihen und einem Leitschaufelträger (1), soll unter Beibehaltung eines besonders hohen Wirkungsgrades einen besonders einfachen Austausch von Leitschaufeln ermöglichen und somit für eine besonders kurze Reparaturdauer ausgelegt sein. Dazu weist der Leitschaufelträger (1) eine Anzahl von Segmenten (24, 26) auf, wobei sich ein Segment (24, 26) über die gesamte Radialausdehnung des Leitschaufelträgers (1) erstreckt und die Verbindung der übrigen Segment (26) lösbar ist, und bei dem der Turbinenleitschauf elträger (1) entlang seiner Axialerstreckung zumindest zwei miteinander verbundene Abschnitte (23, 25) mit einer unterschiedliche Anzahl von Segmenten (24, 26) aufweist.

Description

Beschreibung
LEITSCHAUFELSYSTEM FÜR EINE STRÖMUNGSMASCHINE MIT SEGMENTIERTEM LEITSCHAUFELTRÄGER Die Erfindung betrifft einen Turbinenleitschaufelträger, insbesondere für eine stationäre Gasturbine.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffes 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 ho- hem 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 zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene, zu
Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet. Diese sind über einen Schaufelfuß an einem üblicherweise hohlzylinder- oder hohlkegelförmigen Leitschaufelträger befestigt und an ihrer der Turbinenachse zugewandten Seite über einen Schaufelkopf an einem der jeweiligen Leitschaufelreihe gemeinsamen Innenring befestigt. Bei stationären Gasturbinen besteht dieser häufig aus einer oberen und einer unteren Hälfte, die über Flansche miteinander verbunden 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 grundsätz- lieh durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab und in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden Temperaturen von etwa 1.200 0C bis 1.500 0C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
Derartig hohe Temperaturen des Arbeitsmediums liegen jedoch weit über der Schmelztemperatur der beispielsweise im Abströmbereich der Brennkammer eingesetzten Komponentenmateria- lien, so dass die kritischen Komponenten zur Sicherstellung der erforderlichen Funktion der Gasturbine stark gekühlt und mit komplexen Beschichtungssystemen geschützt werden müssen. Dabei kann es vereinzelt nicht ausgeschlossen werden, dass trotz Einsatz dieser hoch entwickelten und vielfach erprobten Technologien für die Kühlung und Beschichtung der Schaufeln ein vorzeitiger Austausch von Leitschaufeln erforderlich wird, da die Schaufelfunktion beispielsweise durch partiellen Verlust der Beschichtung oder Verschluss von Kühlluftbohrungen unzulässig beeinträchtigt wird. Bei großen stationären Gasturbinen kann eine solche Austauschmaßnahme bestenfalls mehrere Tage, im Schnitt jedoch ca. zwei Wochen dauern, so dass dadurch eine ungewollte und teure Unterbrechung des Betriebs der Gasturbine oder eines Gas- und Dampfturbinenkraft- werks, in dem die Gasturbine eingesetzt wird, verursacht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenleitschaufelträger, insbesondere für eine Gasturbine, anzugeben, welches unter Beibehaltung eines besonders hohen Wirkungsgrades einen besonders einfachen Austausch auch von einzelnen Leitschaufeln ermöglicht und somit für eine besonders kurze Reparaturdauer ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Turbinenleitschaufelträger nach den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestaltet ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine verkürzte Reparaturdauer durch eine besonders einfache Austauschbarkeit der Leitschaufeln möglich wäre, wenn deren Montage und Demontage vereinfacht werden könnte. Derzeit muss nämlich aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten in modernen stationären Ringbrennkammermaschinen die Turbine aufgedeckt werden, um den Zugang deren Leitschaufeln zu ermöglichen. Dabei liegen die Leitschaufeln innerhalb des Leitschaufelträgers, der bei stationären Gasturbinen aus einem oberen und einem unteren massiven Gussteil besteht, und somit zum Austausch der Leitschaufeln auch demontiert werden muss. Um dieses Aufdecken und Abheben des oberen Gussteils des Leitschaufelträgers zu vermeiden, sollte der Leitschaufelträger daher in zumindest einem Abschnitt vielfach segmen- tiert sein. Durch die Verwendung von mehr als zwei Segmenten in diesem Abschnitt sind diese kleiner als die übrigen Segmente. Dadurch ist es möglich, nur durch Abheben einzelner Segmente den davon umgebenen Bereich zu erreichen. Um dabei auch eine Erreichbarkeit der Leitschaufeln sicherzustellen, sollte sich ein Segment dabei über die gesamte
Radialausdehnung des Leitschaufelträgers erstrecken und die Verbindung des jeweiligen Segments mit dem übrigen Leitschaufelträger lösbar sein. Somit muss für eine Reparatur oder einen Austausch einer einzelnen Leitschaufel der ersten Turbinenstufe nicht mehr das obere Gussteil des
Leitschaufelträgers abgehoben werden, sondern es wird lediglich die Verbindung des jeweiligen Segments mit dem übrigen Abschnitt des Leitschaufelträgers und mit in Umfangsrichtung benachbarten Segmenten gelöst, wodurch - da sich das betreffende Segment über die gesamte
Radialausdehnung des Leitschaufelträgers erstreckt - nach Entnahme des jeweiligen Segments ein direktes Erreichen der radial weiter innen angeordneten Leitschaufeln und deren Austausch möglich ist.
Die höchsten Temperaturen in der Gasturbine liegen am Austritt der Brennkammer vor. Somit ist die Leitschaufel der ersten Turbinenstufe, d. h. die Leitschaufel, die der Brenn- kammer am nächsten liegt, diesen höchsten Temperaturen ausgesetzt und unterliegt dem größten Verschleiß. Dementsprechend ist insbesondere bei dieser Turbinenleitschaufel ein vorzeitiger Austausch in Folge einer Beschädigung durch Zusetzen der Kühlluftbohren (z. B. durch nach innen aufoxidierende Kühlluftbohrungen) zu erwarten. Um den Austausch auch von einzelnen dieser Leitschaufeln besonders zu vereinfachen, sollte der Leitschaufelträger daher vorteilhafterweise im Abschnitt der einer Brennkammer der Gasturbine am nächsten liegenden Leitschaufelreihe vielfach segmentiert werden. Mit anderen Worten: der einströmseitige Abschnitt des Turbinenleitschaufelträgers sollte mehr Segmente aufweisen als der übrige Abschnitt des Turbinenleitschaufelträgers .
Um eine Erreichbarkeit sämtlicher Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe zu erreichen, sollten so viele Segmente vorgesehen sein, dass jedes Segment von einem, schlechtes- tenfalls von zwei Monteuren handhabbar ist. Somit kann in jedem Umfangsabschnitt ein Austausch von Leitschaufeln erfol- gen, indem lediglich das jeweilige Segment radial außerhalb der betroffenen Leitschaufel entnommen wird. Dabei sollte die genaue geometrische Ausgestaltung der Segmentierung in sinnvoller Weise an die Handhabung der Maschine angepasst werden .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die jeweilige Verbindung zwischen axial benachbarten Segmenten eine Schraubverbindung und/oder eine Nut-Feder-Verbindung. Durch Schrauben ist eine besonders einfache lösbare Verbindung von Segmenten untereinander und/oder mit dem übrigen Leitschaufelträger möglich. Durch die kreisförmige Anordnung der Segmente um den gesamten Umfang ist jedoch auch eine Verhakung in der Art einer Nut-Feder-Verbindung möglich, bei der die einzelnen Segmente nur untereinander verschraubt werden und mit dem übrigen Leitschaufelträger lediglich verhakt sind. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Demontage und Montage der einzelnen Segmente möglich. Um die Demontage der durch die Segmentierung des Leitschaufelträgers nunmehr erreichbaren Leitschaufeln weiter zu vereinfachen, sollte die Leitschaufelfixierung einer Gasturbine in sinnvoller Weise derart vorgesehen sein, dass eine unge- störte Demontage eines beliebig auf dem Umfang liegenden Segmentes gewährleistet ist, so dass in Abhängigkeit von der Position der zu ersetzenden Schaufel nur das betroffene, radial weiter außen angeordnete Segment demontiert werden muss. Dazu ist in vorteilhafter Ausgestaltung die Leitschaufel der jeweiligen Leitschaufelreihe mit einem der Segmente des übrigen Abschnitts lösbar verbunden. Dadurch kann nach der Entnahme des betroffenen Segments die Leitschaufel durch Lösen der Verbindung mit dem Segment des Abschnitts demontiert werden. Die im einströmseitigen Abschnitt angeordneten Segmente dienen somit nicht zur Befestigung von Leitschaufeln, sondern nur zur Herstellung bzw. Aufrechterhaltung der Integrität der Gasturbine und ggf. zur Trennung von Räumen für Kühlluft mit unterschiedlichen Drücken und/oder Temperaturen.
Um bei einer Gasturbine nicht nur auf der Schaufelfußseite, sondern auch auf der Schaufelkopfseite der jeweiligen Leitschaufel eine einfache Demontage der Leitschaufel zu ermöglichen, ist die Leitschaufel der jeweiligen Leitschaufelreihe vorteilhafterweise an ihrer der Turbinenachse zugewandten
Seite mit einem Innenring in radialer Richtung lösbar verbunden. Somit ist eine radiale Entfernung der Leitschaufel möglich. Dies erlaubt damit einen besonders einfachen Austausch.
Ein besonders einfacher Austausch der Leitschaufel ist möglich, indem die Fixierung der Leitschaufel am Innenring als einfache Steckverbindung ausgelegt ist. Dazu umfasst die jeweilige Leitschaufel vorteilhafterweise eine Feder, welche in radialer Richtung in eine Nut des Innenrings einsteckbar ist. Dadurch kann zum Austausch der jeweiligen Leitschaufel einfach die schaufelfußseitige Verbindung der Leitschaufel mit dem übrigen Leitschaufelträger gelöst werden und die jeweilige Leitschaufel einfach durch Lösen der Steckverbindung in radialer Richtung aus der Turbine gezogen werden. Dabei ist durch die schaufelfußseitige Fixierung der Leitschaufel am Leitschaufelträger auch während des Betriebs eine ausreichende Sicherung gewährleistet.
In der bisherigen Konstruktionsweise waren die Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe über eine mit Stiften gesicherte Verbindung am Innenring fixiert, so dass zum Ausbau der gesamte Innenring entnommen werden musste und anschließend die Leit- schaufeln entfernt werden konnten. Bei einer lösbaren Verbindung beispielsweise in der Art einer einfachen Steckverbindung der Leitschaufeln mit dem Innenring sollte daher der Innenring mit der Brennkammernabe, d. h. einem mit der Brennkammer und damit dem statischen Teil der Gasturbine verbunde- nen Bauteil fixiert werden. Dazu ist der Innenring mit einer Brennkammernabe vorteilhafterweise verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine Fixierung durch Schweißen, Klemmen o. ä. geschehen; bei der Neukonstruktion einer Gasturbine kann der Innenring auch direkt als Bestandteil der Brennkam- mernabe gefertigt werden.
Zwischen den einzelnen Leitschaufeln sind sowohl am Schaufelfuß als auch am Schaufelkopf in der bisherigen Bauweise Nuten vorgesehen, in denen zwischen den Leitschaufeln in Umfangs- richtung Dichtbleche angeordnet sind. Sollen die Leitschaufeln jedoch einzeln entnommen werden, blockieren die in den Nuten von Leitschaufelfuß und Leitschaufelkopf liegenden Dichtbleche jedoch die Leitschaufeln und können unter Umständen somit die Demontage verhindern. Daher sollte die Fixie- rung der Dichtbleche dergestalt geändert werden, dass deren Entnahme möglich ist und somit eine Entfernung von einzelnen Leitschaufeln vereinfacht wird. Dazu sind an den der jeweils benachbarten Leitschaufel zugewandten Seiten vom Schaufelfuß und/oder Schaufelkopf vorteilhafterweise Abkantungen eingeb- rächt, in denen das Dichtblech mittels eines Spannelementes fixiert ist. Vor der Entnahme der Leitschaufeln kann somit das Spannelement gelöst und das Dichtblech entfernt werden, so dass eine besonders einfache Demontage der Leitschaufel möglich ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung kommt ein derartiger Turbinen- leitschaufelträger in einer Gasturbine zur Anwendung. Um eine besonders einfache Erreichbarkeit der Leitschaufel zum Austausch einzelner Leitschaufeln zu ermöglichen, umfasst ein Außengehäuse der Gasturbine dabei vorteilhafterweise ein Mannloch, durch das ein einfacher Zugang zu den Segmenten des Leitschaufelträgers für das Montagepersonal möglich ist.
Vorteilhafterweise umfasst ein Gas- und Dampfturbinenkraft- werk eine derartige Gasturbine.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die unterschiedliche Segmentierung des Leitschaufelträgers im einströmseitigen Abschnitt und im zumindest einen übrigen Abschnitt diejenigen Leitschaufeln, die von einströmseitigen Segmenten umgriffen sind und dabei vom übrigen Abschnitt getragen werden, nach dem Entfernen eines betreffenden einströmseitigen Segments vom restlichen Leitschaufelträger lösbar sind. Damit wird ein besonders einfacher Austausch von Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe möglich, da nicht das äußere Gehäuse der Turbine und die obere Gusshälfte des Turbinenleitschaufelträgers bei einem derartigen Austausch von der restlichen Gasturbine abgehoben werden muss. Die den Austausch der Leitschaufeln durchführenden Monteure können also in der Gasturbine bei geschlossenem äußerem Gehäuse die Leitschaufeln austauschen, was den Aufwand für den Austausch der Leitschaufeln erheblich vermindern und die erforderliche Stillzeit der Gasturbine deutlich reduzieren kann. Ein derartiger vereinfachter Austausch insbesondere der ersten Leitschaufelstufe direkt im Anschluss an die Brennkammer ermöglicht außerdem eine Erhöhung der Austrittstemperatur in Verbindung mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine, da durch die vereinfachte Austauschmöglichkeit der Leitschaufeln auf deren Haltbarkeit weniger Rücksicht genommen werden muss. Dabei sind im Betrieb variable Tauschkonzepte denkbar. Weiterhin ermöglicht eine derartige Konstruktion durch den vereinfachten Austausch in Forschung und Entwicklung einen vergleichsweise schnelleren Test neuer Prototypen von Leitschau- fein beispielsweise mit neuartigen Beschichtungen oder neuen Kühlkonzepten .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 ein Leitschaufelsystem mit verhakten Segmenten im Längsschnitt,
FIG 2 ein Leitschaufelsystem mit verschraubten Segmenten im Längsschnitt,
FIG 3 einen Querschnitt durch die Segmente senkrecht zur Turbinenachse,
FIG 4 eine Brennkammernabe einer Ringbrennkammer,
FIG 5 die schaufelkopfseitige Fixierung der Leitschaufel nach dem Stand der Technik
FIG 6 die schaufelkopfseitige Fixierung der Leitschaufel mit einer Steckverbindung,
FIG 7 eine Brennkammernabe mit dem Innenring als Bestandteil,
FIG 8 einen Querschnitt durch zwei benachbarte Leitschaufeln senkrecht zur Turbinenachse mit in Nuten fixierten Dichtelementen nach dem Stand der Technik,
FIG 9 einen Schnitt durch zwei benachbarte Leitschaufeln senkrecht zur Turbinenachse mit Spannelementen fixierten Dichtelementen, und FIG 10 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
Gleiche Bauteile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt einen Turbinenleitschaufelträger 1, auch nur Leitschaufelträger genannt, ausschnittsweise im Bereich der ersten zwei in Heißgasrichtung auf eine Brennkammer 2 folgenden Leitschaufelreihen. Die Darstellung zeigt dabei ei- nen Halbschnitt durch die obere Hälfte 4 eines konisch geformten Leitschaufelträgers sowie die jeweils im Scheitel des Leitschaufelkranzes angeordneten Leitschaufeln 6 der ersten Turbinenstufe und Leitschaufeln 8 der zweiten Turbinenstufe .
Die Leitschaufeln 6, 8 umfassen dabei jeweils einen Schaufelfuß 10, 12 sowie einen Schaufelkopf 14, 16, über die ihre Befestigung an den übrigen Bauteilen erfolgt. Die Leitschaufeln 6, 8 der ersten und zweiten Turbinenstufe sind dabei mit ih- ren Schaufelfüßen 10, 12 am Leitschaufelträger 1 befestigt sowie an ihren jeweiligen Schaufelköpfen 14, 16 an Innenringen 18, 20 fixiert. Dabei umfassen sowohl der Innenring 20 als auch der Leitschaufelträger 1 eine Vielzahl von Kühlsystemen 22, die für eine Kühlluftzufuhr zum Leitschaufelträger 1, den Leitschaufeln 6, 8 und dem Innenring 22 sorgen, um diese Bauteile aufgrund der hohen Heißgastemperaturen ausreichend zu kühlen.
Die höchsten Temperaturen treten dabei am Austritt der Brenn- kammer 2 auf, weswegen die Leitschaufeln 6 der ersten Leitschaufelreihe den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind. Dadurch kann trotz aller Kühlmaßnahmen eine Beschädigung der Leitschaufeln 6 und ein somit erforderlicher frühzeitiger Austausch dieser Leitschaufeln 6 nicht ausgeschlossen werden. Um nun einen besonders einfachen Austausch der Leitschaufeln 6 zu ermöglichen, ist der Leitschaufelträger 1 im Bereich der ersten Leitschaufelreihe vielfach segmentiert. Der Leitschaufelträger 1 umfasst in einem einströmseitigen Abschnitt 23 eine Anzahl (hier 12 Stück, vgl. FIG 3) von Segmenten 24 und in einem übrigen Abschnitt 25 einen nur in zwei Hälften 26 segmentierten Leitschaufelträger 1. Alle Segmente 24, 26 sind lösbar miteinander verbunden. In der FIG 1 erfolgt die Verbindung zwischen den Segmenten 24 des einströmseitigen Abschnitts 23 und den Segmenten 26 des übrigen Abschnitts 25 dabei über eine Verhakung mittels in die Segmente 24 und den Segmenten 26 eingebrachten Nuten 28 und Federn 30. Eine ebensolche Verbindung der Segmente 24 ist mit der Brennkammerwand 32 vorgesehen, um einen radial weiter außen liegenden Raum von den Leitschaufeln 6 zu trennen und die für die Stabilität und Festigkeit der Gasturbine erforderliche Verbindung zwischen Brennkammer 2 und übrigen Segmenten 26 zu ermöglichen.
Unter dem übrigen Leitschaufelträger ist eine obere und eine untere Hälfte eines im Querschnitt ringförmigen Leitschaufelträgers verstanden, wie er bei stationär eingesetzten Gasturbinen bereits bekannt ist. In diesem Fall sind zwei
Segmente 26 im übrigen Abschnitt 25 des Leitschaufelträgers 1 vorgesehen. Insofern sind abschnittsweise stets mehr Segmente 24 für den Umfang vorgesehen als übrige Segmente 26.
Durch die Verhakung lässt sich die Verbindung der jeweiligen Segmente 24 mit dem übrigen Segment 26 lösen und das Segment 24 kann radial entnommen werden. Somit sind die Leitschaufeln 6 der ersten Turbinenstufe ohne vollständiges Aufdecken der gesamten Turbine von außen erreichbar. Die Leitschaufel 6 der ersten Turbinenstufe ist über den Schaufelfuß 10 mittels einer Befestigungsvorrichtung 34 am übrigen Segment 26 lösbar befestigt. Nach Entnahme des Segments 24 lässt sich diese Verbindung lösen und die Leitschaufel 6 ist radial entnehmbar. Der Schaufelkopf 14 der Leitschaufel 6 der ersten Turbinenstufe umfasst dabei eine Feder 36, die in einer Nut 38 des Innenrings 18 eingesteckt ist. Die Befestigung am Innenring 18 ist somit lediglich als Steckverbindung ausgelegt, so dass die Leitschaufel 6 nach Lösen der Befestigungsvorrichtung 34 einfach nach außen entnehmbar ist.
FIG 2 zeigt ebenfalls das Leitschaufelsystem 1 wie in der FIG 1, jedoch ist hier die lösbare Verbindung des Segments 24 am übrigen Segment 26 über eine Schraube 40 realisiert. Die Verhakung des Segments 24 mit der Brennkammerwand 32 über Nuten 28 und Federn 30 ist dabei unverändert. Eine derartige Verbindung mit einer Schraube 40 kann je nach Festigkeits- oder geometrischen Erfordernissen im Leitschaufelträger 1 erwünscht sein.
FIG 3 zeigt nun einen senkrecht zur Turbinenachse liegenden Schnitt durch den Leitschaufelträger 1 auf der Höhe der Seg- mente 24. Im gezeigten Beispiel sind insgesamt zwölf Segmente 24 vorgesehen, die über Flansche 52 beispielsweise mit einer Schraubverbindung verbunden sind. Dadurch ist ein sicherer Halt des vielfach segmentierten Abschnitts 23 des Leitschaufelträgers 1 gewährleistet, auch wenn die einzelnen Segmente 24 nur über eine Verhakung mit dem übrigen Segment 26 wie in FIG 1 gezeigt verbunden sind. Die Segmentierung kann aber auch in anderer Weise geschehen und entsprechend an die Handhabung der Maschine angepasst werden.
FIG 4 zeigt die Brennkammernabe 54 einer Gasturbine. Diese umfasst eine Nut 56, in die der in FIG 1 und 2 gezeigte Innenring 18 eingesetzt wird. Weiterhin ist eine Nut 58 vorgesehen, in die ein Dichtblech zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen Schaufelfuß 14 der Leitschaufel 6 der ersten Turbi- nenstufe und der Brennkammernabe 54 vorgesehen ist.
FIG 5 zeigt eine bekannte Befestigung des Leitschaufelfußes 14 an der Brennkammernabe 54 der Gasturbine im Detail. Dabei umfasst der Schaufelfuß 14 eine Feder 36, die in eine Nut 38 des Innenrings 18 eingesetzt wird. Dort wird die Leitschaufel der ersten Turbinenstufe 6 mittels eines Stiftes 60 fixiert. Der Innenring 18 wird sodann in die Nut 56 der Brennkammernabe 54 eingesetzt. Gleichzeitig umfasst der Schaufelfuß 14 eine Nut 62 zur Aufnahme eines Dichtblechs 64, welches ebenfalls in der Nut 58 der Brennkammernabe 54 liegt.
Da der Stift 60 parallel zur Turbinenachse verläuft, ist für eine Demontage der Leitschaufel 6 der ersten Turbinenstufe bisher eine vollständige Entfernung des Innenrings 18 notwendig. Erst nach dessen Entnahme kann der Stift 60 entnommen und die Leitschaufel 6 ausgebaut werden. Daher erfolgt die Verbindung der Leitschaufel 6 mit der Brennkammernabe 54 nun mehr wie in FIG 6 gezeigt:
Die Feder 36 des Schaufelfußes 14 ist nun nicht mehr über einen Stift mit dem Innenring 18 in dessen Nut 38 verbunden, sondern wird lediglich auf den Innenring 18 gesteckt. Statt- dessen wird der Innenring 18 mittels eines Stifts 66 oder einer Schraube an der Brennkammernarbe 54 befestigt. Dadurch können die Leitschaufeln 6 auch einzeln entnommen werden, ohne den Innenring 18 zu demontieren. Ein sicherer Halt der Leitschaufeln 6 ist dabei immer noch über die Befestigungs- Vorrichtung 34, wie in FIG 1 und 2 gezeigt, sichergestellt.
In einer derartigen Ausführungsform ist es auch möglich, den Innenring 18 direkt als Bestandteil der Brennkammernabe 54 zu fertigen. Dadurch sind keine separaten Teile mehr erforder- lieh. Eine derartige Ausgestaltung ist in FIG 7 gezeigt.
FIG 8 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Turbinenachse durch zwei benachbarte Leitschaufeln 6 der ersten Turbinenstufe, wie nach dem Stand der Technik üblich. Dabei sind in die Schaufelfüße 10 und Schaufelköpfe 14 Nuten 68 an den zur jeweils benachbarten Leitschaufel 6 weisenden Fläche eingebracht, in die Dichtbleche 70 eingesetzt sind, die die Spalte zwischen den Schaufelfüßen 10 bzw. Schaufelköpfen 14 verschließen. Diese Dichtbleche 70 können jedoch bei einer radi- alen Entnahme einzelner Leitschaufeln 6 hinderlich sein.
Demnach sind zunächst mehrere Leitschaufeln 6 zu entsichern und in Umfangsrichtung zu verschieben, so dass eine Leit- schaufei 6 aus dem Eingriff der Dichtbleche 70 kommt und radial ausgebaut werden kann.
Um dies zu umgehen, sind, wie in FIG 9 gezeigt, die Nuten 68 durch Abkantungen 72 ersetzt. Die Dichtbleche 70 sind nun in die Abkantungen 72 eingesetzt und durch Spannelemente 74 dort gesichert. Zur Entnahme einer einzelnen Leitschaufel 6 kann nun zunächst das Spannelement 74 gelöst und das Dichtelement 70 entnommen werden. Sodann kann die Leitschaufel 6 radial entnommen werden. Somit wird ein Austausch einzelner Leitschaufeln erheblich erleichtert.
Ein derartiges hier beschriebenes Leitschaufelsystem 1 kommt vorteilhafterweise in einer Gasturbine 101 zur Anwendung.
Eine Gasturbine 101, wie in FIG 10 dargestellt, weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 2 sowie eine Turbineneinheit 106 zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeits- maschine 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 Turbinenachse 109 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 2 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbi- nenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 112 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 6, 8, 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 112 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 6, 8, 114 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 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 112 oder einer Laufschau- feireihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 114 weist einen Schaufelfuß 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 als Wandelement an- geordnet ist. Jede Laufschaufei 112 ist in analoger Weise über einen Schaufelfuß 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 121 am Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 121 ist dabei in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 1 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
Die Brennkammer 2 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 2 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 108 herum positioniert ist. Durch die Verwendung eines Turbinenleitschaufelträgers 1 der oben angegebenen Ausgestaltung in einer derartigen Gasturbine 101 kann eine deutlich vereinfachte Reparatur durch eine wesentlich einfachere Austauschbarkeit einzelner Leitschaufeln 6 insbesondere der ersten Turbinenstufe bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad der Gasturbine 101 erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenleitschaufelträger (1), insbesondere für eine stationäre Gasturbine (101), umfassend eine Anzahl von Segmenten (24, 26), wobei sich ein Segment (24) über die gesamte Radialausdehnung des Turbinenleitschaufelträgers (1) erstreckt und die Verbindung des jeweiligen Segments (24) mit benachbarten Segmenten (24, 26) lösbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenleitschaufelträger (1) entlang seiner Axialerstreckung zumindest zwei miteinander verbundene Abschnitte (23, 25) umfasst, die eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten (24, 26) aufweisen.
2. Turbinenleitschaufelträger (1) nach Anspruch 1, welcher einen einströmseitigen Abschnitt (23) und zumindest einen übrigen Abschnitt (25) aufweist, wobei der einströmseitige Abschnitt (23) eine größere Anzahl von Segmenten (24) aufweist als der zumindest eine übrige Abschnitt (25) .
3. Turbinenleitschaufelträger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verbindung zwischen axial benachbarten Segmenten
(24, 26) eine Schraubverbindung und/oder eine Nut-Feder- Verbindung ist.
4. Turbinenleitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, bei dem der zumindest eine übrige Abschnitt (25) an seiner dem einströmseitigen Abschnitt (23) zugewandten Seite einen nach radial innen hervorstehenden Vorsprung aufweist, derart, dass dieser in Radialrichtung von den Segmenten (24) des einströmseitigen Abschnitts (23) umgriffen ist.
5. Gasturbine mit einem Turbinenleitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Reihe von Leitschaufeln (6), die an den Segmenten (26) des zumindest einen übrigen Abschnitts (25) lösbar befestigt sind.
6. Gasturbine nach Anspruch 5 mit einem Turbinenleitschaufelträger nach Anspruch 4, bei der die Leitschaufeln (6) am Vorsprung befestigt sind.
7. Gasturbine nach Anspruch 5 oder 6, bei der eine Leitschaufel (6) der jeweiligen Leitschaufelreihe an ihrer der Turbinenachse (109) zugewandten Seite mit einem Innenring (20) lösbar verbunden ist.
8. Gasturbine nach Anspruch 7, bei dem die jeweilige Leitschaufel (6) eine Feder (36) um- fasst, welche in radialer Richtung in eine Nut (38) des Innenrings (20) einsteckbar ist.
9. Gasturbine nach einem der Anspruch 7 oder 8, bei dem der Innenring (18) mit einer Brennkammernabe (54) verbunden ist.
10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die im einströmseitigen Abschnitt (23) vorgesehenen Segmente (24) mit einer Brennkammerwand (32) verbunden sind.
11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem zwischen benachbarten Leitschaufeln (6) der jeweiligen Leitschaufelreihe ein Dichtblech (70) vorgesehen ist, wobei an den der jeweils benachbarten Leitschaufel (6) zugewandten Seiten von Schaufelfuß (10) und/oder Schaufelkopf (14) Abkantungen (72) eingebracht sind, in denen das Dicht- blech (70) mittels eines Spannelements (74) fixiert ist.
12. Gasturbine (101) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der in ein Außengehäuse der Gasturbine (101) ein Mannloch eingebracht ist.
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