Beschreibung
SEGMENTIERTER BEFESTIGUNGSRING FÜR DIE LAUFSCHAUFELN EINER TURBINE UND VERFAHREN ZUM MONTIEREN UND DEMONTIEREN DES BEFESTIGUNGSRINGES
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit einer drehbar gelagerten Turbinenwelle, auf der ein koaxialer Tragring sitzt, an dessen Außenumfang Laufschaufeln im gleichen Winkelabstand einen Laufschaufelring bildend angeordnet sind, mit mindestens einem stirnseitig am Tragring verhakbaren vielteiligen Befestigungsring, der die Laufschaufeln gegen axiales Verschieben sichert.
Im Bereich von Gasturbinen müssen die Laufschaufeln des Turbinenbereiches gegen axiales Verschieben in den axialen Schaufelhaltenuten der Tragringe gesichert werden. Weiterhin müssen die Laufschaufeln mit Kühlluft versorgt und darüber hinaus axial nach vorne und hinten abgedichtet werden. Der
Begriff Tragring im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf alle Bauarten von Schaufelträgeranordnungen, also Scheibenkränze, Schaufelscheiben und dergleichen. Weiterhin ist die Erfindung in bezug auf Gasturbinen ausgeführt und gekennzeichnet, jedoch bezieht sie sich auch auf entsprechende energieerzeugende Strömungsmaschinen.
Aus der Patentschrift DE 1 258 662 ist bekannt, dass jede Laufschaufel gegen axiales Verschieben durch eine ihr zugeordnete Deckscheibe gesichert wird. Dabei zeigt Fig. 2 einen Tragring, in dem eine segmentierte Deckscheibe angeordnet ist. Der Fuß der Deckscheibe ragt dabei in eine an der Umfangseite der Turbinenwelle angeordnete umlaufende Nut ein, und wird von einem Bolzen gegen radiales nach Außenverschieben während des Betriebes der Turbine gesichert. Aus Fig. 1 geht hervor, dass die Deckscheibe in ihrem radial inneren Fußbereich an benachbarten Deckscheiben anliegt,
jedoch an ihrem freien auskragenden Arm derart verschmälert ist, so dass die benachbarten auskragenden Arme einen Spalt bilden, der mittels einem Dichtblech abgedichtet wird. Der darunter entstandene Hohlraum, sichtbar in Fig. 2, der andererseits durch die Schaufelscheibe begrenzt wird, ist somit ein geschlossener Raum, indem ein Kühlmedium fließen kann. Die Zuordnung von jeweils einer segmentierten Deckscheibe zu jeweils einer Laufschaufei bedingt eine große Anzahl an Deckscheiben und basierend auf der Geometrie der Deckscheiben zueinander eine Vielzahl an abzudichtenden Dichtlängen.
Auch ist bekannt, dass freitragende sogenannte Coverplates diese Funktion erfüllen, wobei es sich dabei um einen 360° Vollring handelt. Diese ist an der Schaufelscheibe die
Laufschaufeln sichernd angeordnet, wobei gleichzeitig der Zwischenraum abgedichtet wird. Der Nachteil eines Vollring- Coverplates besteht allerdings darin, dass zur Durchführung von Wartungs- und Austauscharbeiten an einzelnen Laufschaufein oder Laufschaufelgruppen der Turbinenläufer vollständig entstapelt werden muss . Dies ist jedoch für stationäre Gasturbinen wirtschaftlich untragbar.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein wirtschaftliches
Befestigungsringsystem für Laufschaufein von Gasturbinen bereitzustellen, mit welchem die erforderlichen Funktionen, nämlich das Sichern der Laufschaufein gegen axiales Verschieben, die KühlluftVersorgung und das zuverlässige und dauerhafte Abdichten benachbarter Räume, erreichbar sind und welches das effiziente Durchführen von Wartungs- und Austauscharbeiten an einzelnen Laufschaufeln oder Laufschaufelgruppen ohne Entstapelung des Turbinenläufers ermöglicht .
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Befestigungsring aus einzelnen Ringsektoren
zusammenzusetzen, deren Stirnseiten in Umfangsrichtung aneinander liegen und wobei jeder zweite Ringsektor des montierten Befestigungsrings radial nach innen verschiebbar ist .
Die einzelnen Ringsektoren decken vorteilhaft mehrere Laufschaufeln gleichzeitig ab und reduzieren gegenüber dem Stand der Technik die Anzahl der Dichtelemente. Weiterhin liegen in Umfangsrichtung die Stirnseiten benachbarter Ringsektoren aneinander und weisen folglich geringe
Dichtflächen auf. Dies reduziert vorteilhaft Leckageverluste. In der montierten Lage sind die Ringsektoren nicht weiter in radialer Richtung nach außen hin verschiebbar, so dass während des Betriebes der Gasturbine die Ringsektoren an ihrer im Voraus berechnet Lage verbleiben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand der Stirnseiten der jeweils zweiten Ringsektoren von außen nach innen betrachtet gleich. Der Bogen des inneren Umfangs und der Bogen des äußeren Umfangs eines zweiten
Ringsektors ist somit gleich lang. Dies gewährleistet, dass die zweiten Ringsektoren im vollständig befestigten Befestigungsring radial nach innen verschiebbar sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Stirnseiten der jeweils zweiten Ringsektoren parallel sind. Dies gewährleistet ebenfalls die radiale Verschiebbarkeit der jeweils zweiten Ringsektoren nach innen.
Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung weist mindestens eine der Stirnseiten der jeweils zweiten Ringsektoren zur Aufnahme eines Dichtdrahts mindestens eine Nut auf, deren radial außenliegende Seite derart angewinkelt ist, dass der Dichtdraht unter Fliegkraft an der Stirnseite des benachbarten Ringsektors anliegt. Die Aufnahme eines Dichtdrahtes an der Stirnseite der jeweils zweiten Ringsektoren bewirkt eine Verminderung der Leckageverluste an
Kühlmittel . Um während des Betriebes den Dichtdraht richtig in der Nut zu positionieren, ist diese an ihrer radial außenliegenden Seite angewinkelt. Während des Hochlaufens der Turbine verschiebt sich der Dichtdraht durch die auftretenden Zentrifugalkräfte derart, dass er an beiden Stirnseiten der benachbarten Ringsektoren anliegt, und den durch Befestigungsring und dem Tragring gebildeten Kühlmittelkanal nach außen hin zuverlässig abdichtet.
Die erfindungsgemäße Verschiebbarkeit der zweiten
Ringsektoren im vollständig befestigten Befestigungsring ist auch dann gegeben, wenn der Abstand der Stirnseiten der jeweils zweiten Ringsektoren von außen nach innen betrachtet sich vergrößert. Der Bogen des inneren Umfangs eines zweiten Ringsektors ist folglich kürzer als der Bogen des äußeren
Umfangs. Diese Variation der Erfindung ermöglicht ebenso die radiale Verschiebbarkeit der zweiten Ringsektoren nach innen. Besonders Vorteilhaft ist hierbei, dass die Stirnseiten ohne Nuten für Dichtdrähte ausgeführt werden können. Die während des Betriebes der Turbine auftretende Zentrifugalkräfte beeinflusst die Ringsektoren, dass die Spalte zwischen benachbarten Ringsektoren geschlossen werden.
Eine vorteilhafte Weitergestaltung der Erfindung ist, dass zur Sicherung eines Ringsektors dieser im Bereich des inneren
Umfangs eine Durchgangsbohrung aufweist, in der ein Sicherungsbolzen derart einsetzbar ist, so dass dieser am Tragring befestigt ist. Dieser Sicherungsbolzen gewährleistet im Ruhezustand der Turbine die sichere Befestigung der verschiebbaren Ringsektoren an dem Tragring. Ebenfalls ist dies besonders wichtig während des Bestücken des Tragringes mit einzelnen Ringsektoren. Die Befestigung des Sicherungsbolzens kann als Verschraubung, Bajonett-Verschluss oder ähnlichem realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass jeder Ringsektor mit dem Tragring mittels radial
voneinander beabstandeter Verhakungselemente mehrfach verhakbar ist. Die axial auftretenden Kräfte, die durch die axiale Verschiebung der Laufschaufein während des Betriebes einer Gasturbine auf die Ringsektoren einwirken, würden ein Drehmoment bewirken, wenn nur ein Befestigungspunkt vorhanden wäre. Die Anordnung von mehrfachen Verhakungselementen, die radial zueinander beabstandet sind, verringern den Hebelarm der auftretenden Kräfte und somit das Drehmoment vorteilhaft, und gewährleisten dadurch eine dauerhafte und sichere Befestigung der Ringsektoren am Tragring. Die am Tragring radial äußeren angeordneten Verhakungselemente sind im gleichen Abstand zur Drehachse der Turbinenwelle angeordnet wie die tannenbaumförmigen Schaufelhaltenuten im Tragring, in denen die Laufschaufeln ihren entsprechend geformten Fuß einbringen. Somit werden die radial äußeren
Verhakungselemente von den Schaufelhaltenuten unterbrochen. Jedoch aufgrund ihrer radialen Anordnung reduzieren sie vorteilhaft das gebildete Drehmoment auf ein Minimum.
Zwecks besonders einfacherer Anbringbarkeit der Ringsektoren sind die Verhakungselemente des Tragrings koaxial zur Turbinenwelle angeordnet. Dies ermöglicht, unter Berücksichtigung der Öffnungen zur Aufnahme der Sicherungselemente eine beliebige Zuordnung von Ringsektoren an dem Tragring.
Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung bildet das radial äußere Verhakungselement des Ringsektors den axialen Anschlag des Laufschaufelfußes . Somit liegt im montierten Zustand der Laufschaufeifuß bündig am durchgängigen
Verhakungselement des Ringsektors an und ist so gegen axiales verschieben gesichert. Üblicherweise wird die Laufschaufei beidseitig am Tragring gegen axiales verschieben gesichert. Diese Ausgestaltung der Erfindung erlaubt nun nach Entnahme eines Ringsektors an einer Seite des Tragrings die
Laufschaufei aus ihrem Laufschaufelfuß axial zur Entnahme zu verschieben, da an der dem entnommenen Ringsektor
gegenüberliegenden Seite des Tragrings die Laufschaufel selber mit einem weiteren Ringsektor nicht verhakt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Ringsektoren an der dem Tragring abgewandten Seite zumindest einen axial auskragenden Balkon aufweisen. Das Vorhandensein eines Balkons ermöglicht an dessen äußeren Umfangsseite die Aufnahme von Labyrinthdichtungen. Die Labyrinthdichtungen tragen zur Sperrung des Heißgasbereiches gegenüber dem Strömungsbereich des Kühlmittels bei.
Vorzugsweise ist die dem Tragring zugewandte Seite der Ringsektoren mindestens teilweise von Tragring beabstandet. Somit bilden die Ringsektoren mit dem Tragring einen Hohlraum, in dem ein Kühlmittel den Tragring kühlend strömen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Ringsektoren an der dem Tragring zugewandten Seite radiale Führungsrippen aufweisen. Diese Führungsrippen dienen zur Führung des Kühlmittels zwischen den Scheiben und den Ringsektoren, wobei die Führungsrippen derart ausgeprägt sind, dass sie das Kühlmittel zu den thermisch am meisten beanspruchten Bereichen hinführt .
Die vorteilhafte Zuführung des Kühlmittels ist gegeben, wenn die Ringsektoren einen durchgehenden Kühlmittelkanal aufweisen, der sich von dem radial inneren Umfang zuerst nach außen hin erstreckt und im weiteren Verlauf in Richtung des Tragrings abknickt. Die KühlmittelZuführung kann somit axial entlang der Turbinenwelle erfolgen. Unterhalb der Ringsektoren wird die Kühlluftführung radial nach außen hin umgelenkt, um weiter durch die Ringsektoren hindurch die Kühlluft zu den thermisch beanspruchten Bereichen zu führen.
In vorteilhafter Weise ist die Turbine eine Gasturbine,
Ebenfalls wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Austauschen einer Laufschaufel einer Turbine gemäß den Ansprüchen 17 oder 18. Vorteilhaft ist hierbei, dass zum Austauschen einer Laufschaufel eines Laufschaufelrings nicht der ganze Turbinenläufer entstapelt wird, sondern durch das Anwenden des Verfahrens gemäß Anspruch 17 nur ein Ringsektor, oder durch das Anwenden des Verfahrens gemäß Anspruchs 18 drei Ringsektoren von der Turbinenwelle entfernt werden müssen, um die zu tauschende Laufschaufei zu entsichern. Somit entfällt das zeitintensive Entstapeln eines Turbinenläufers. Dies trägt zur Verkürzung von Standzeiten einer Turbine bei .
Mit der Erfindung wird ein einfaches, wirtschaftliches und aufbaubares Abdeckringsystem für Tragringe von Gasturbinen bereitgestellt, welches einerseits mit sehr wenigen Teilen auskommt, andererseits die Möglichkeiten der
Schaufelsicherung, der Schaufelkühlung und der zuverlässigen Abdichtung in sich vereint, und dennoch Wartungs- und Austauscharbeiten an einzelnen Laufschaufein oder
LaufSchaufelgruppen ohne Turbinenläuferentstapelung zuzulassen. Wegen der Verwendung von nur sehr wenigen Teilen ergeben sich erhebliche wirtschaftliche Vorteile, gegenüber den bekannten Lösungen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. In den unterschiedlichen Figuren sind identische Merkmale gleich bezeichnet. Dabei zeigen:
Fig. 1 axialer Schnitt durch eine Turbinenwelle mit einem Tragring und einem Ringsektor,
Fig. 2 die Seitenansicht von Fig. 1 gemäß A-A,
Fig. 3 eine perspektivische schematisierte Ansicht eines Ringsektors,
Fig. 4 Rücksicht von Fig. 3,
Fig. 5 Ausschnitt eines Tragrings, mit Laufschaufein,
Fig. 6 Ausschnitt eines Tragrings, mit
Laufschaufeln, und zwei an den Tragring angebrachten Ringsektoren.
Eine Gasturbine weist eine Turbinenwelle 3 auf, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Tragring 1 ist an der Turbinenwelle 3 angeordnet und weist zur Aufnahme der Laufschaufein 8 an seinem äußeren Umfang gleichmäßig verteilte tannenbaumförmige Schaufelhaltenuten 10 auf. Die Laufschaufein 8 weisen an ihrem Fußende den tannenbaumförmigen Schaufelhaltenuten 10 entsprechende Halterungen auf, die in die tannenbaumförmigen Schaufelhaltenuten 10 durch axiales Verschieben einbringbar sind. Die Laufschaufeln 8 weisen zwischen ihrem Fuß und dem Laufschaufelblatt eine Plattform 9 auf. An dem Tragring 1 sind beidseitig seitlich angebrachte Verhakungselemente 11 und 12 angeordnet, die die Turbinenwelle 3 koaxial umgreifen. Die Verhakungselemente 11 und 12 sind derart ausgeprägt, dass sie von Tragring 1 seitlich in axialer Richtung auskragen und im weiteren Verlauf nach innen abknicken, so dass die Verhakungselemente von radial innen gesehen offen sind. In den radial beabstandeten Verhakungselementen 11 und 12 sind die Verhakungselemente 13 und 14 des Ringsektors 2 ineinander verhakt. Der Ringsektor 2 weist eine Bohrung 18 auf, in der ein Sicherungselement 6 angeordnet ist. Gleichzeitig greift das Sicherungselement 6 in eine Öffnung 20 ein, die an dem Tragring 1 angeordnet ist. Diese Anordnung verhindert ein unbeabsichtigtes radiales nach Innenschieben des Ringsektors 2. Das radial äußere Ende 17 des Ringsektors 2 weist eine Nut auf, die zur Aufnahme eines Dichtdrahtes dient. Dabei ist das äußere Ende 17 des Ringsektors 2 derart der radial inneren
Seite der Plattform 9 gegenüber angeordnet, dass während des Betriebes der Turbine der Dichtdraht 21 benachbarte Bereiche gegeneinander absperrt .
Die Seitenansicht von Fig. 1 gemäß des Blickwinkels A zeigt Fig. 2. Der Befestigungsring 7 wird dabei aus einzelnen Ringsektoren 2 gebildet, deren Stirnseiten 24 und 26 in Umfangsrichtung aneinander liegen. Jeder zweite Ringsektor 23 ist derart ausgeprägt, dass er im montierten Befestigungsring 7 radial nach innen verschiebbar ist. Dazu weisen die jeweils zweiten Ringsektoren 23 parallele Stirnseiten 24 auf. Im vollständigen montierten Befestigungsring 7 ist jeder zweite Ringsektor 23 nach Entfernen des Sicherungselementes 6 radial nach innen verschiebbar, wobei jeder erste Ringsektor 25 im vollständig befestigten Befestigungsring 7 nicht radial nach innen verschiebbar ist. Ein erster Ringsektor 25 ist radial nach innen verschiebbar, wenn die ihm beiderseits unmittelbar benachbarten zweiten Ringsektoren 23 des Befestigungsrings 7 entnommen sind. Ein so dann freiliegender entsicherter erster Ringsektor 25 ist radial nach innen verschiebbar und kann dem Befestigungsring 7 entnommen werden.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen einen einzelnen zweiten Ringsektor 23 in perspektivischer Darstellung in Vorder- und Rückansicht. Eine der beiden parallelen Stirnseiten 24 des zweiten Ringsektors 23 weist dabei nutenförmige Vertiefungen 15 auf, die zur Aufnahme von Dichtdraht 16 dienen. Zur sicheren Lage des Dichtdrahtes 16 während des Betriebes der Turbine ist die nutenförmige Vertiefung 15 an ihrer radial äußeren Seite angefast . Der frei auskragende Balkon 5 des
Ringsektors 2 weist dabei an seiner radial äußeren Seite in Umfangsrichtung der Turbinenwelle verlaufende Rippen auf, die als eine Labyrinthdichtung fungieren. In Fig. 4 schematisch dargestellt ist ein Kühlmittelkanal 27, der sich von der radial inneren Seite des Ringsektors 2 nach außen hin erstreckt und im weiteren Verlauf in Richtung des Tragrings 1
abknickt .
In Figur 5 wird ein sektorförmiger Ausschnitt des Tragrings 1 dargestellt. Die Turbinenwelle 3, die um die Turbinenachse 4 drehbar gelagert ist, weist den Tragring 1 auf. An dem Tragring 1 sind in gleichen Winkelabständen die tannenbaumförmigen Schaufelhaltenuten 10 angeordnet, in denen die Laufschaufein 8 mit ihren entsprechend ausgeprägten Füssen eingebracht sind. Die Laufschaufein 8 weisen jeweils eine Plattform 9 auf. Des weiteren ist die in Umfangsrichtung der Turbinenwelle 3 verlaufende, radial innere Verhakung 12 dargestellt, die zusätzlich die das Sicherungselement 6 aufnehmende Öffnung 20 aufweist. Radial weiter außenliegend ist die weitere Verhakung 11 angeordnet, die von den tannenbaumförmigen Schaufelhaltenuten 10 mehrfach unterbrochen ist.
Fig. 6 zeigt den identischen Sektor des Tragrings 1 aus Fig. 5 mit zwei angebrachten ersten Ringsektoren 25. Die Laufschaufeln 8, die von den ersten Ringsektoren 25 abgedeckt sind, sind dadurch gegen axiales Verschieben gesichert. Jeweils ein Sicherungselement 6 sichert einen Ringsektor 2 gegen unbeabsichtigtes radiales nach innen schieben. Die beiden ersten Ringsektoren 25 bilden einen Spalt zwischen sich, der nach Einbringen eines zweiten Ringsektors 23 vollständig geschlossen ist. Dazu wird einer zweiter Ringsektor 23 radial nach innen zur Turbinenwelle hin eingebracht und anschließend in Richtung des Tragrings 1 soweit wie möglich verschoben. Das radiale Verschieben des zweiten Ringsektors 23 nach außen lässt die Verhakungsmittel
13 und 14 in entsprechend vorgeformte Verhakungsmittel 11 und 12 des Tragrings 1 ineinander verhaken. Das Anbringen eines Sicherungselementes 6 an den zweiten Ringsektor 23 sichert diesen gegen unbeabsichtigtes radiales Verschieben. Die Stirnseiten 26 der beiden ersten Ringsektoren 25, die den Spalt bilden, sind parallel ausgeführt, ebenso die beiden
Stirnseiten des zweiten Ringsektors 23, der in den Spalt eingebracht wird.
Eine weitere, nicht dargestellte Möglichkeit, einen zweiten Ringsektor 23 in den Spalt einzubringen ist gegeben, wenn die beiden Stirnseiten der den Spalt bildenden ersten Ringsektoren 25 derart zueinander ausgeprägt sind, dass deren Abstand radial von innen nach außen gesehen hin abnimmt . Ein entsprechend dem Spalt geformter zweiter Ringsektor ist dann radial von innen her einsetzbar.