WO2010023150A1 - Leitschaufelträger für eine gasturbine - Google Patents

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WO2010023150A1
WO2010023150A1 PCT/EP2009/060755 EP2009060755W WO2010023150A1 WO 2010023150 A1 WO2010023150 A1 WO 2010023150A1 EP 2009060755 W EP2009060755 W EP 2009060755W WO 2010023150 A1 WO2010023150 A1 WO 2010023150A1
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WO
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vane carrier
guide vane
rings
carrier
turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/060755
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English (en)
French (fr)
Inventor
Francois Benkler
Andreas Böttcher
Tino Etzold
Daniel Grundei
Uwe Lohse
Ekkehard Maldfeld
Oliver Schneider
Shilun Sheng
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • 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
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • 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
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/14—Casings or housings protecting or supporting assemblies within

Definitions

  • the invention relates to a guide vane carrier for a gas turbine, comprising a tubular wall having an inflow-side end and an inflow-side end opposite inflow end for an interior of the vane carrier in a flow path of the gas turbine fluid flowing, wherein in the wall at least one cooling channel for a coolant is provided, which extends in each case from a coolant inlet to a coolant outlet.
  • the turbine unit of the gas turbine also has a flow path which increases in cross-section along the axial extent, with its outside diameter also increasing steadily.
  • the airfoils of the turbine nozzle which are internally attached to the turbine nozzle carrier.
  • the turbine guide vane carrier of such a gas turbine is also designed to correspond: with a diameter which increases continuously in the flow direction on average. He is thus conical.
  • a guide blade carrier of the type mentioned at the beginning always has an inflow-side end and an outflow-side end for the hot gas.
  • the inflow-side end of the turbine guide vane carrier which is annular in cross-section has a smaller radius than the radius of the outflow end.
  • the hot gas generated in the combustion chamber is guided into the annular flow path of the gas turbine, which extends along the axial direction through the interior of the turbine guide blade carrier.
  • the flow path guides the injected hot gas to the outflow end of the turbine vane carrier. Meanwhile, the hot gas in the flow path relaxes working on the turbine blades and gives off heat to its environment. In addition, the temperature of the hot gas is further reduced by the supply of cooling air. As is known, this results in higher inlet temperatures than exit temperatures for the hot gas.
  • the object of the invention is therefore to provide a guide vane carrier for a gas turbine, which may continue to be made of a comparatively inexpensive material at further elevated temperature conditions.
  • the invention provides that the guide blade carrier - in
  • each layer can be manufactured from a material adapted to its partial area, which is matched in each case to the mechanical and / or thermal stresses that actually occur.
  • the layers are formed from at least two concentrically arranged rings.
  • the rings lie against one another in a contact plane, wherein at least one of the rings has at least one groove arranged in its contact surface for forming the cooling channel.
  • each of the rings is manufactured separately.
  • the coolant can thus be guided in a simple manner along the axial extent of the guide blade carrier to the regions subjected to particularly high stress, without the production of the cooling channels requiring particular effort.
  • costly and expensive core geometries for any cooling channels are avoided.
  • At least one of the rings is formed by two half-rings.
  • the division of the rings into two halves is particularly advantageous for stationary gas turbines, the structural design of which - apart from the rotor - is divided by a dividing plane into a lower half and into an upper half.
  • the rings according to the aforementioned embodiment are adapted to the structural design of the stationary gas turbine.
  • the guide blade carrier is formed from two half-tube-like Leitschaufelamielemen- th, which are screwed together in a flange.
  • the ring is not only divided into two half rings. Rather, it can also be subdivided into more than two segments, which simplifies the production of the half-rings considerably. To produce the half rings, the segments can then be welded together.
  • the outermost layer of the vane carrier is unsegmented, apart from the division into two half rings.
  • the half-ring consisting of the segmented plates can be encompassed by an outer ring produced in one piece by casting, which consists of a low-alloy cast steel.
  • More internally located layers of the vane carrier can then consist of heat-resistant materials.
  • the suitable choice of the different steel alloys can also have a positive effect on the thermal expansion of the turbine guide vane carrier.
  • the outermost layer thus serves as a shell for the radially inner layers of the turbine guide vane carrier.
  • two adjacent in the semi-circular contact plane half-rings are connected to each other by hot isostatic pressing.
  • hot isostatic pressing segments of different steel alloys can be connected to each other in a particularly simple manner.
  • Alternative joining methods are also applicable.
  • a guide blade carrier composed of several layers can have a multiplicity of cooling channels distributed along its circumference, in order to keep the temperatures occurring in its material below a maximum permissible operating temperature. Due to the distribution of the cooling channels along the circumference of the guide blade carrier can be cooled during operation particularly evenly with cooling air, which avoids different thermal loads and different thermal expansions. Thus, particularly in flange-related areas, a particularly efficient cooling of the guide blade carrier can take place so that the ovalization effects otherwise occurring there can at least be reduced, if not even avoided.
  • circumferential grooves for fastening guide vanes of a turbine unit or a compressor unit arranged in a ring are arranged on the inner surface of the guide blade carrier.
  • a guide vane carrier constructed as a turbine vane carrier is preferably located in an outer housing
  • the vane carrier is a compressor vane carrier is formed, this is flowed through instead of the hot gas of compressed air.
  • the guide vane carrier is also cylindrical rather than conical.
  • a vane support according to the invention represents a composite construction in a multi-layer component construction, each of which is composed of welded and / or cast plate-shaped subcomponents. Depending on the local position and the operating temperatures occurring in this local position, different materials for the individual layers can be selected. As a result, in the region of high operating temperatures, the plate segments connected by hot isostatic pressing can be made of heat-resistant, weldable steel. The plate segments are joined together by welding to Hal documentation, the
  • a guide vane carrier according to the invention can thus withstand increased limit application temperatures permanently and reliably.
  • FIG. 1 shows the cross section through an upper half of a guide blade carrier
  • FIG 3 shows the plan view of a layer of the multilayer composite of FIG. 2 and
  • FIG 4 shows the top view of a layer with an alternative cooling channel structure.
  • the vane carrier 10 can be arranged both in a turbine of the gas turbine and / or in the compressor of the gas turbine and accordingly be designed as a turbine guide vane carrier and / or as a compressor vane carrier.
  • the turbine vane carrier 10 is formed entirely of two half-pipe-like vane support members 12, of which only the upper one is shown in FIG.
  • the lower, not shown Leitschaufelaelement is identical to the upper Leitschaufelaelement 12, wherein both Leitschaufelanyiata 12 in a parting plane 15 abut against each other and by means of the flanges 17 extending screws are firmly connected.
  • the turbine vane carrier 10 has an axial extent which is formed perpendicular to the plane of the drawing.
  • the turbine guide vane carrier 10 may be conical, for example, a compressor vane carrier is rather cylindrical.
  • the tubular turbine vane carrier 10 has a first end and a second end opposite the first end. The inner diameter of the first end is substantially smaller than the inner diameter of the second
  • the turbine guide carrier 10 Used in a stationary gas turbine, the turbine guide carrier 10 is arranged in such a way in a pressure jacket of the gas turbine, that the first end of the Let a combustion chamber not shown opposite.
  • the second end of the turbine vane carrier 10 is located opposite an output diffuser, not shown, of the gas turbine.
  • an annular flow path In an inner space 14 enclosed by the turbine vane support 10, there extends in the axial direction an annular flow path, which is bounded radially outward and radially inward by suitable elements, ie platforms of turbine blades and guide rings.
  • suitable elements ie platforms of turbine blades and guide rings.
  • these elements are not shown in FIG. 1, just as the flow path formed annularly in cross-section within the turbine guide vane carrier 10 for the hot gas generated in the combustion chamber.
  • the first end of the turbine vane support is the inflow-side end and the second end is the outflow-side end.
  • the turbine vane carrier 10 is principally formed by the semicircular walls 16 of the vane carrier elements 12. According to the invention, the wall 16 - viewed in the radial direction - formed multi-layered. In the assembled turbine vane carrier 10, the layers are formed of at least two concentrically arranged rings 18a, 18b, 18c, which are shown only in half according to the illustration in FIG.
  • the wall 16 includes the outer first ring 18a, radially inwardly adjacent the second ring 18b, and radially inwardly disposed the third ring 18c.
  • the rings 18a, 18b, 18c are formed as half-rings, which have been connected by a hot isostatic pressing to the Leitschaufel- carrier element 12.
  • the lateral surfaces of the rings 18 or half rings are in each case in a circular arc-shaped contact plane 20 to each other, wherein at least one of the rings 18 or half rings has at least one arranged in its contact surface groove 22 for forming one or more cooling channels.
  • the two inner rings 18b, 18c are - viewed in the circumferential direction - formed of a plurality of segments 24, which are welded together at their joints.
  • each ring 18b, 18c or half ring 18 provides a curved plate which is composed of several segments 24.
  • the outer unsegmented half ring 18a engages around the two curved half rings 18b, 18c, the former being integrally formed from a low alloy steel casting.
  • the outer ring 18a is thus unsegmented and thus serves as a pressure-resistant sheath around the Turbinenleit- blade carrier 10.
  • the rings 18b and 18c and the outer ring 18a can be made of different steel alloys, which are adapted to the respective requirements with respect to the thermal load. Since higher temperatures occur inside the turbine vane carrier 10 than in the outer region of the turbine vane carrier 10, it is advantageous to manufacture the inner rings 18c, 18d from a more heat-resistant material than the outer ring 18a. Thus, in the less hot regions of the turbine vane carrier 10, cheaper and less high alloyed steel castings may be used than in the hotter regions.
  • the cooling channels 22 arranged in the contact planes 20 can be introduced in a particularly simple manner by simply milling into the lateral surface of the segments 24 or the half rings 18b, 18c. After the introduction of the cooling channels, the mutually adjacent half rings are joined together by hot isostatic pressing to form a two-layer half ring, which then form an inner part of the turbine guide vane carrier 10.
  • the arrangement of the cooling channels and the supply of coolant through inlets not shown, the inner rings 18b, 18c can be cooled very easily and efficiently, so that they can permanently withstand the temperatures occurring there during operation of the gas turbine.
  • the segmented in Figure 1 in the circumferential direction half rings 18b, 18c is also conceivable that they are also unsegmented, ie formed in one piece.
  • FIG. 3 This embodiment of the ungrounded half rings 18b, 18c is shown in FIG.
  • the two half rings 18b, 18c are also in the contact plane 20 to each other and are permanently connected by the hot isostatic pressing.
  • FIG. 3 it is possible to form the cooling channels 22 arranged in the half rings or segments in a straight line along the axial direction A of the turbine guide vane carrier 10. Since the cooling passages 22 can be introduced into the lateral surface, ie contact surface, by simple mechanical stressing methods, any complex structures or meandering shapes of cooling passages 22 are conceivable, as shown by way of example in FIG.
  • the invention relates to a guide vane carrier 10 for an axial flow stationary gas turbine, comprising a tubular wall 16 with an inflow-side end and an outflow-side end opposite the inflow-side end for fluid flowing in a flow path of the gas turbine in the interior of the vane carrier, wherein in the wall 16 is provided at least one cooling channel 22 for a coolant.
  • a guide blade carrier 10 which is suitable for particularly high operating temperatures and still relatively inexpensive to produce, it is proposed that the guide blade carrier 10 - viewed in the radial direction - is formed multi-layered.
  • the different layers of the vane carrier 10 may be interconnected by hot isostatic pressing, wherein the inner layers of the vane carrier 10 may be made of a high temperature resistant material, whereas outer layers of the vane carrier 10 may be made of a less temperature resistant material. Due to the multi-layer design of the guide vane carrier 10 also particularly simple cooling channels 22 inside the wall 16 of the vane carrier 10 can be produced.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger (10) für eine axial durchströmte stationäre Gasturbine, umfassend eine rohrförmige Wand (16) mit einem einströmseitigen Ende und einem dem einströmseitigen Ende gegenüberliegenden ausströmseitigen Ende für im Innenraum des Leitschaufelträgers in einem Strömungspfad der Gasturbine strömendes Fluid, wobei in der Wand (16) zumindest ein Kühlkanal (22) für ein Kühlmittel vorgesehen ist. Um einen Leitschaufelträger (10) anzugeben, der für besonders hohe Betriebstemperaturen geeignet ist und dabei trotzdem vergleichsweise preiswert herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Turbinenschaufelträger (10) - in Radialrichtung betrachtet - mehrlagig ausgebildet ist. Die unterschiedlichen Lagen des Leitschaufelträgers (10) können durch heißisostatisches Pressen miteinander verbunden sein, wobei die inneren Lagen des Leitschaufelträgers (10) aus einem hochtemperaturfesten Material gefertigt sein können, wohingegen äußere Lagen des Leitschaufelträgers (10) aus einem weniger temperaturfesten Material hergestellt sein können. Durch die mehrlagige Ausführung des Leitschaufelträgers (10) sind zudem besonders einfach Kühlkanäle (22) im Innern der Wand (16) des Leitschaufelträgers (10) herstellbar.

Description

Beschreibung
Leitschaufelträger für eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger für eine Gasturbine, umfassend eine rohrförmige Wand mit einem einström- seitigen Ende und einem dem einströmseitigen Ende gegenüberliegenden ausströmseitigen Ende für einen Innenraum des Leit- schaufelträgers in einem Strömungspfad der Gasturbinen strömendes Fluid, wobei in der Wand zumindest ein Kühlkanal für ein Kühlmittel vorgesehen ist, welcher sich jeweils von einem Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass erstreckt.
Bekannte Turbinenleitschaufelträger der eingangs genannten
Art für eine stationäre Gasturbine weisen heutzutage prinzipiell zwei identische halbrohrartige Trägerelemente auf, welche flanschartig miteinander verschraubt eine Rohrform bilden. An deren inneren Oberflächen sind entlang des Umfangs verlaufende Nuten zur Aufnahme und Befestigung von Leitschaufeln der Turbineneinheit der Gasturbine vorgesehen.
Die Turbineneinheit der Gasturbine weist zudem einen entlang der Axialerstreckung sich im Querschnitt vergrößernden Strö- mungspfad auf, wobei auch dessen Außendurchmesser sich dabei stetig vergrößert. In den Strömungspfad ragen die Schaufelblätter der Turbinenleitschaufein hinein, welche am Turbinenleitschaufelträger innen befestigt sind. Aufgrund des sich in Axialrichtung vergrößernden Durchmessers des Strömungspfades ist auch der Turbinenleitschaufelträger einer solchen Gasturbine korrespondierend ausgebildet: mit einem in Strömungsrichtung sich im Mittel stetig vergrößernden Durchmesser. Er ist somit konisch ausgebildet. Bezogen auf das den Strömungspfad des Turbinenabschnitts durchströmende Heißgas weist ein Leitschaufelträger der eingangs genannten Art stets ein ein- strömseitiges Ende und ein ausströmseitiges Ende für das Heißgas auf. Das einströmseitige Ende des im Querschnitt ringförmigen Turbinenleitschaufelträgers weist dabei einen kleineren Radius auf als der Radius des ausströmseitigen Endes .
Am einströmseitigen Ende des Turbinenleitschaufelträgers wird das in der Brennkammer erzeugte Heißgas in den ringförmigen Strömungspfad der Gasturbine geführt, welcher sich entlang der Axialrichtung durch den Innenraum des Turbinenleitschau- felträgers erstreckt. Der Strömungspfad führt das eingespeiste Heißgas zum ausströmseitigen Ende des Turbinenleit- schaufelträgers. Währenddessen entspannt sich das Heißgas im Strömungspfad arbeitsleistend an den Turbinenlaufschaufeln und gibt Wärme an seine Umgebung ab. Zudem wird die Temperatur des Heißgases durch die Zuführung von Kühlluft weiter verringert. Bekanntermaßen ergeben sich so höhere Eintritts- temperaturen als Austrittstemperaturen für das Heißgas.
Dies führt zu Materialtemperaturen im Turbinenleitschaufel- träger, die am einströmseitigen Ende wesentlich höher sind als an dessen ausströmseitigen Ende, so dass sich in Axial- richtung des Turbinenleitschaufelträgers ein Temperaturgefälle einstellt, was zu unterschiedlichen thermischen Belastungen und unterschiedlichen Wärmedehnungen führt.
Durch allgemeine Bestrebungen zu weiter gesteigerten Turbi- neneintrittstemperaturen und auch zu höheren Druckverhältnissen im Gasturbinenverdichter werden jedoch deren Gehäusebauteile und speziell deren Leitschaufelträger thermisch und mechanisch weiter belastet. Auch das Temperaturgefälle wird dadurch vergrößert. Um eine ausreichende Lebensdauer der Leitschaufelträger mit weiter erhöhten Betriebstemperaturen zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, den Werkstoff, aus dem der Leitschaufelträger gefertigt ist, zu wechseln, da das Material den höheren Temperaturen dauerhaft standhalten muss. Üblicherweise sind temperaturfestere Werkstoffe jedoch wesentlich teurer als weniger wärmebeständigere konventionelle Werkstoffe. Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Leitschaufelträgers für eine Gasturbine, welcher bei weiter erhöhten Temperaturbedingungen weiterhin aus einem vergleichweise preiswerten Material gefertigt sein kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Leitschaufelträger gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Die Erfindung sieht vor, dass der Leitschaufelträger - in
Radialrichtung betrachtet - mehrlagig ausgebildet ist. Durch die Mehrlagigkeit des Leitschaufelträgers kann jede Lage aus einem für seinen Teilbereich angepassten Werkstoff gefertigt werden, der jeweils auf die tatsächlich auftretenden mechani- sehen und/oder thermischen Beanspruchungen abgestimmt ist.
Durch diese modulare Bauweise des Leitschaufelträgers können in den weniger heißen Bereichen des Leitschaufelträgers weniger hoch legierte und somit kostengünstigere Stahlgusssorten verwendet werden. Dies führt zu einer Reduktion der Material- kosten aufgrund der Verwendung eines vergleichsweise preiswerten Materials für einen bestimmten Bereich des Leitschaufelträgers .
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen an- gegeben.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die Lagen aus mindestens zwei konzentrisch angeordneten Ringen gebildet. Dies ist insbesondere für eine im Querschnitt kreisför- mige Wand des Leitschaufelträgers von Vorteil, da dadurch eine symmetrische Ausgestaltung angegeben werden kann. Vorzugsweise liegen dabei die Ringe in einer Kontaktebene aneinander, wobei zumindest einer der Ringe zumindest eine in seiner Kontaktfläche angeordnete Nut zur Bildung des Kühlkanals aufweist. Folglich wird jeder der Ringe separat hergestellt. Vor dem Verbinden der Ringe können an deren Außenumfang oder Innenumfang beliebige Verläufe von Kühlkanälen und Kühlkanalgeometrien in Form von Nuten eingebracht werden, die dann nach dem Zusammenfügen der konzentrischen Ringe in der Kontaktebene lediglich jeweils einen Kühlmittel-Einlass und einen Kühlmittel-Auslass aufweisen. Das Kühlmittel ist somit in einfacher Art und Weise entlang der Axialerstreckung des Leitschaufelträgers zu den besonders hochbelasteten Bereichen führbar, ohne dass die Herstellung der Kühlkanäle eines besonderen Aufwands bedarf. Gegenüber einer ausschließlich gegossenen Ausführung eines Leitschaufelträgers werden aufwändige und teure Kerngeometrien für etwaige Kühlkanäle vermie- den.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest einer der Ringe, vorzugsweise alle Ringe durch zwei Halbringe gebildet. Die Aufteilung der Ringe in zwei HaIb- ringe ist insbesondere für stationäre Gasturbinen von Vorteil, deren konstruktiver Aufbau - abgesehen vom Rotor - durch eine Teilungsebene in eine untere Hälfte und in eine obere Hälfte aufgeteilt ist. Insofern sind die Ringe gemäß vorgenannter Ausgestaltung dem strukturellen Aufbau der sta- tionären Gasturbine angepasst. Prinzipiell ist der Leitschaufelträger aus zwei halbrohrartigen Leitschaufelträgerelemen- ten gebildet, welche flanschartig miteinander verschraubt sind.
Weiter bevorzugt ist zumindest einer der Halbringe - in Um- fangsrichtung betrachtet - aus mehreren Segmenten gebildet. Somit ist der Ring nicht nur in zwei Halbringe unterteilt. Vielmehr kann er auch in mehr als zwei Segmente unterteilt sein, was die Herstellung der Halbringe wesentlich verein- facht. Zur Herstellung der Halbringe können die Segmente dann miteinander verschweißt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die äußerste Lage des Leitschaufelträgers unsegmentiert, abgese- hen von der Aufteilung in zwei Halbringe. Somit kann der aus den segmentierten Platten bestehende Halbring von einem einstückig im Gussverfahren hergestellten Außenring umgriffen werden, der aus einem niedrig legierten Stahlguss besteht. Weiter innen angeordnete Lagen des Leitschaufelträgers können dann aus wärmebeständigeren Werkstoffen bestehen. Durch die geeignete Wahl der unterschiedlichen Stahllegierungen kann zudem die Wärmedehnung des Turbinenleitschaufelträgers posi- tiv beeinflusst werden. Insofern dient die äußerste Lage somit als Hülle für die radial weiter innen angeordneten Lagen des Turbinenleitschaufelträgers .
Vorzugsweise sind zwei in der halbkreisförmigen Kontaktebene aneinanderliegende Halbringe durch heißisostatisches Pressen miteinander verbunden. Durch die Verwendung des heißisostati- schen Pressens können Segmente aus unterschiedlichen Stahllegierungen auf besonders einfache Weise miteinander verbunden werden. Alternative Fügeverfahren sind auch anwendbar.
Ein aus mehreren Lagen zusammengesetzter Leitschaufelträger kann dabei entlang seines Umfangs verteilt eine Vielzahl von Kühlkanälen aufweisen, um die in seinem Material auftretenden Temperaturen unterhalb einer maximal zulässigen Einsatztempe- ratur zu halten. Durch die Verteilung der Kühlkanäle entlang des Umfangs kann der Leitschaufelträger im Betrieb besonders gleichmäßig mit Kühlluft gekühlt werden, was unterschiedliche thermische Belastungen und unterschiedliche thermische Dehnungen vermeidet. Somit kann auch insbesondere in flansch- nahen Bereichen eine besonders effiziente Kühlung des Leitschaufelträgers erfolgen, so dass die ansonsten dort auftretenden Ovalisierungseffekte zumindest reduziert, wenn nicht sogar vermieden werden können.
Zweckmäßigerweise sind an der inneren Oberfläche des Leitschaufelträgers umlaufende Nuten zur Befestigung von in einem Kranz angeordneten Leitschaufeln einer Turbineneinheit oder einer Verdichtereinheit angeordnet. Ein als Turbinenleitschaufelträger ausgebildeter Leitschaufelträger befindet sich vorzugsweise in einem als äußeres Gehäuse ausgebildeten
Druckmantel der Gasturbine, in der ein Brennstoff zu einem Heißgas zum Antreiben der Turbine verbrannt wird. Wenn dagegen der Leitschaufelträger als Verdichterleitschaufelträger ausgebildet ist, wird dieser anstelle vom Heißgas von verdichteter Luft durchströmt. In diesem Fall ist der Leitschaufelträger auch eher zylindrisch als konisch ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßer Leitschaufelträger stellt eine Verbundkonstruktion in einer Mehrlagenkomponentenbauweise dar, die jeweils aus geschweißten und/oder gegossenen plattenförmigen Subkomponenten zusammengesetzt ist. Je nach der örtlichen Position und der in dieser örtlichen Position auftretenden Einsatztemperaturen können unterschiedliche Werkstoffe für die einzelnen Lagen ausgesucht werden. Dadurch können im Bereich hoher Betriebstemperaturen die durch heißisostatisches Pressen verbundenen Plattensegmente aus hochwarmfestem, schweißbarem Stahl gefertigt sein. Die Plattensegmente werden dabei durch Schweißen zu Halbringen zusammengefügt, die den
Innenteil des Leitschaufelträgers bilden. Anschließend werden die aus den Mehrlagenplatten bestehenden Halbringe jeweils in einem Halbaußenring eingefügt, welcher aus einem niedrig legierten Stahlguss unsegmentiert einstückig ausgeformt ist. Ein erfindungsgemäßer Leitschaufelträger kann somit erhöhten Grenzeinsatztemperaturen dauerhaft und zuverlässig standhalten .
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigt:
FIG 1 den Querschnitt durch eine obere Hälfte eines Leit- schaufelträgers,
FIG 2 den Querschnitt durch einen Mehrlagenverbund, geformt aus zwei Platten,
FIG 3 die Draufsicht auf eine Lage des Mehrlagenverbundes aus FIG 2 und FIG 4 die Draufsicht auf eine Lage mit einer alternativen Kühlkanalstruktur .
FIG 1 zeigt den Querschnitt durch einen Leitschaufelträger 10 einer stationären, axial durchströmbaren Gasturbine. Der Leitschaufelträger 10 kann sowohl in einer Turbine der Gasturbine und/oder in dem Verdichter der Gasturbine angeordnet und dementsprechend als Turbinenleitschaufelträger und/oder als Verdichterleitschaufelträger ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend jedoch nur anhand eines Turbinenleitschaufelträgers 10 näher erläutert, wobei die für ihn genannten Vorteile selbstverständlich auch für den Verdich- terleitschaufelträger in analoger Weise gelten.
Der Turbinenleitschaufelträger 10 ist insgesamt aus zwei halbrohrartigen Leitschaufelträgerelementen 12 gebildet, von denen nur das obere in FIG 1 dargestellt ist. Das untere, nicht dargestellte Leitschaufelträgerelement ist identisch zum oberen Leitschaufelträgerelement 12 ausgebildet, wobei beide Leitschaufelträgerelemente 12 in einer Teilungsebene 15 flanschartig aneinanderliegen und mittels sich durch die Flansche 17 erstreckende Schrauben miteinander fest verbunden sind.
Der Turbinenleitschaufelträger 10 weist eine axiale Erstreckung auf, die senkrecht zur Zeichnungsebene ausgebildet ist. Entlang der Erstreckung kann der Turbinenleitschaufelträger 10 beispielsweise konisch ausgebildet sein, ein Verdichterleitschaufelträger ist eher zylindrisch ausgebildet. Demgemäß weist der rohrartige Turbinenleitschaufelträger 10 ein erstes Ende sowie ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf. Der innere Durchmesser des ersten Endes ist dabei wesentlich kleiner als der innere Durchmesser des zweiten
Endes. Verwendet in einer stationären Gasturbine ist der Turbinenleitschaufelträger 10 dabei derartig in einem Druckmantel der Gasturbine angeordnet, dass das erste Ende dem Aus- lass einer nicht weiter dargestellten Brennkammer gegenüberliegt. Das zweite Ende des Turbinenleitschaufelträgers 10 liegt einem nicht dargestellten Ausgangsdiffusor der Gasturbine gegenüber. In einem vom Turbinenleitschaufelträger 10 umfassten Innenraum 14 erstreckt sich in Axialrichtung ein ringförmiger Strömungspfad, welcher radial außen sowie radial innen von geeigneten Elementen, d.h. Plattformen von Turbinenschaufeln und Führungsringen begrenzt wird. Der Klarheit halber sind diese Elemente in FIG 1 nicht dargestellt, ebenso wenig wie der innerhalb des Turbinenleitschaufelträgers 10 im Querschnitt ringförmig ausgestaltete Strömungspfad für das in der Brennkammer erzeugte Heißgas. Bezogen auf das Heißgas und dessen Strömungsrichtung ist das erste Ende des Turbinenleitschaufelträgers das einströmseitige Ende und das zweite Ende das ausströmseitige Ende.
Der Turbinenleitschaufelträger 10 wird prinzipiell von den halbkreisförmigen Wänden 16 der Leitschaufelträgerelemente 12 gebildet. Gemäß der Erfindung ist die Wand 16 - in Radial- richtung betrachtet - mehrlagig ausgebildet. Bei dem zusammengesetzten Turbinenleitschaufelträger 10 sind die Lagen aus mindestens zwei konzentrisch angeordneten Ringen 18a, 18b, 18c gebildet, die gemäß der Darstellung in FIG 1 nur hälftig gezeigt sind. Die Wand 16 umfasst den äußeren ersten Ring 18a, radial innen benachbart den zweiten Ring 18b und radial zuinnerst angeordnet den dritten Ring 18c. Aufgrund der hälftigen Bauweise einer axial durchströmten stationären Gasturbine sind die Ringe 18a, 18b, 18c als Halbringe ausgebildet, die durch ein heißisostatisches Pressen zu dem Leitschaufel- trägerelement 12 verbunden worden sind. Die Mantelflächen der Ringe 18 oder Halbringe liegen jeweils in einer kreisbogenförmigen Kontaktebene 20 aneinander, wobei zumindest einer der Ringe 18 oder Halbringe zumindest eine in seiner Kontaktfläche angeordnete Nut 22 zur Bildung eines oder mehrerer Kühlkanäle aufweist. Die beiden inneren Ringe 18b, 18c sind - in Umfangsrichtung betrachtet - aus mehreren Segmenten 24 gebildet, die an ihren Stoßnähten miteinander verschweißt sind. Somit stellt jeder Ring 18b, 18c bzw. Halbring 18 eine ge- krümmte Platte dar, welche aus mehreren Segmenten 24 zusammengesetzt ist. Der äußere unsegmentierte Halbring 18a umgreift die beiden gekrümmten Halbringe 18b, 18c, wobei erstgenannter aus einem niedrig legierten Stahlguss einstückig geformt ist. Der äußere Ring 18a ist somit unsegmentiert und dient somit als druckbeständige Hülle um den Turbinenleit- schaufelträger 10. Die Ringe 18b und 18c als auch der äußere Ring 18a können aus unterschiedlichen Stahllegierungen hergestellt werden, die den jeweiligen Anforderungen bezüglich der thermischen Belastung angepasst sind. Da im Inneren des Tur- binenleitschaufelträgers 10 höhere Temperaturen auftreten als im äußeren Bereich des Turbinenleitschaufelträger 10 ist es von Vorteil, die inneren Ringe 18c, 18d aus einem wärmefesteren Material zu fertigen als den äußeren Ring 18a. Somit kön- nen in den weniger heißen Bereichen des Turbinenleitschaufelträgers 10 kostengünstigere und weniger hochlegierte Stahlgusssorten verwendet werden als in den heißeren Bereichen.
Die in den Kontaktebenen 20 angeordneten Kühlkanäle 22 können durch einfaches Fräsen in die Mantelfläche der Segmente 24 bzw. der Halbringe 18b, 18c besonders einfach eingebracht werden. Nach dem Einbringen der Kühlkanäle werden die einander benachbarten Halbringe durch heißisostatisches Pressen zu einem zweilagigen Halbring zusammengefügt, die dann einen In- nenteil des Turbinenleitschaufelträgers 10 bilden. Durch die Anordnung der Kühlkanäle und durch das Zuführen von Kühlmittel durch nicht weiter gezeigte Einlasse können die inneren Ringe 18b, 18c besonders einfach und effizient gekühlt werden, damit diese dauerhaft den dort auftretenden Temperaturen beim Betrieb der Gasturbine widerstehen können. Anstelle der in FIG 1 in Umfangsrichtung segmentierten Halbringe 18b, 18c ist auch denkbar, dass diese ebenfalls unsegmentiert, d.h. einstückig ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung der unseg- mentierten Halbringe 18b, 18c ist in FIG 2 gezeigt. Die bei- den Halbringe 18b, 18c liegen auch in der Kontaktebene 20 aneinander und sind durch das heißisostatische Pressen dauerhaft fest miteinander verbunden. Gemäß FIG 3 ist es möglich, die in den Halbringen oder Segmenten angeordneten Kühlkanäle 22 geradlinig entlang der Axialrichtung A des Turbinenleitschaufelträgers 10 auszubilden. Da die Kühlkanäle 22 durch einfache mechanische Spanverfahren in die Mantelfläche, d.h. Kontaktfläche eingebracht werden können, sind auch beliebige komplexe Strukturen oder Mäanderformen von Kühlkanälen 22 denkbar, so wie sie in FIG 4 exemplarisch dargestellt sind.
Insgesamt betrifft die Erfindung einen Leitschaufelträger 10 für eine axial durchströmte stationäre Gasturbine, umfassend eine rohrförmige Wand 16 mit einem einströmseitigen Ende und einem dem einströmseitigen Ende gegenüberliegenden ausström- seitigen Ende für im Innenraum des Leitschaufelträgers in einem Strömungspfad der Gasturbine strömendes Fluid, wobei in der Wand 16 zumindest ein Kühlkanal 22 für ein Kühlmittel vorgesehen ist. Um einen Leitschaufelträger 10 anzugeben, der für besonders hohe Betriebstemperaturen geeignet ist und dabei trotzdem vergleichsweise preiswert herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Leitschaufelträger 10 - in Radialrichtung betrachtet - mehrlagig ausgebildet ist. Die unterschiedlichen Lagen des Leitschaufelträgers 10 können durch heißisostatisches Pressen miteinander verbunden sein, wobei die inneren Lagen des Leitschaufelträgers 10 aus einem hoch- temperaturfesten Material gefertigt sein können, wohingegen äußere Lagen des Leitschaufelträgers 10 aus einem weniger temperaturfesten Material hergestellt sein können. Durch die mehrlagige Ausführung des Leitschaufelträgers 10 sind zudem besonders einfach Kühlkanäle 22 im Innern der Wand 16 des Leitschaufelträgers 10 herstellbar.

Claims

Patentansprüche
1. Leitschaufelträger (10) für eine Gasturbine, umfassend eine rohrförmige Wand (16) mit einem einströmsei- tigen Ende und einem dem einströmseitigen Ende gegenüberliegenden ausströmseitigen Ende für ein im Innenraum des Leitschaufelträgers (10) in einem Strömungspfad der Gasturbine strömendes Fluid, wobei in der Wand (16) zumindest ein Kühlkanal (22) für ein Kühlmittel vorgesehen ist, dadurch kennzeichnet, dass der Leitschaufelträger (10) - in Radialrichtung betrachtet - mehrlagig ausgebildet ist.
2. Leitschaufelträger (10) nach Anspruch 1, bei dem die Lagen aus mindestens zwei konzentrisch angeordneten Ringen (18a, 18b, 18c) gebildet sind.
3. Leitschaufelträger (10) nach Anspruch 2, bei dem die Ringe (18a, 18b, 18c) in einer Kontaktebene (20) aneinanderliegen, wobei zumindest einer der Ringe (18a, 18b, 18c) zumindest eine in seiner Kontaktfläche angeordnete Nut zur Bildung des Kühlkanals (22) aufweist.
4. Leitschaufelträger (10) nach Anspruch 2 oder 3 bei dem zumindest einer der Ringe (18a, 18b, 18c) durch zwei Halbringe gebildet ist.
5. Leitschaufelträger (10) nach Anspruch 4, bei dem zumindest einer der Halbringe - in Umfangsrichtung betrachtet - aus mehreren Segmenten (24) gebildet ist.
6. Leitschaufelträger (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Segmente (24) miteinander verschweißt sind.
7. Leitschaufelträger (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher abschnittsweise konisch und/oder zylindrisch ausgebildet ist.
8. Leitschaufelträger (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der aus zwei halbrohrartigen Leitschaufelträgerelementen (12) gebildet ist, welche flanschartig miteinander verbun- den sind.
9. Leitschaufelträger (10) nach einem der Ansprüche 2 - 8, bei dem die äußerste Lage unsegmentiert ist.
10. Leitschaufelträger (10) nach einem der Ansprüche 4 - 9, bei dem zwei an der halbringförmigen Kontaktebene (20) aneinanderliegende Halbringe durch heißisostatisches Pressen miteinander verbunden sind.
11. Leitschaufelträger (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem entlang des Umfangs des Leitschaufelträgers (10) verteilt eine Vielzahl von Kühlkanälen (22) vorgesehen ist.
12. Leitschaufelträger (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kühlkanäle (22) mäanderförmig ausgebildet sind.
13. Leitschaufelträger (10) mit in seiner inneren Oberfläche angeordneten endlosen Nuten zur Befestigung von in einem
Kranz angeordneten Leitschaufeln einer Turbine oder eines Verdichters .
14. Gasturbine mit einem Druckmantel, innerhalb dessen ein Leitschaufelträger (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angeordnet ist.
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