WO2013110792A1 - Statorbauteil mit segmentiertem innenring für eine strömungsmaschine - Google Patents

Statorbauteil mit segmentiertem innenring für eine strömungsmaschine Download PDF

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WO2013110792A1
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Herbert Brandl
Hans-Peter Bossmann
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Alstom Technology Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a stator component of a turbomachine according to the preamble of claim 1.
  • a turbine housing of an internal combustion engine which is essentially formed by a hot gas duct through which the hot working gases flow. Due to such operation, a lining made of a heat-resistant material is preferably provided on the inner wall surface of this hot gas passage to prevent the remaining metallic surface of the housing from directly contacting with the hot working gases.
  • this heat shield lining consists of a plurality of sub-segments, which are arranged on the inner surface of the turbine housing in the circumferential direction, so that they form a ring per se. To avoid problems of thermal expansion at high temperature, the respective sub-segments are circumferentially spaced from each other.
  • a turbine housing which consists of a split ring with a plurality of split sub-segments, which are arranged on the inner wall of the gas turbine housing in the circumferential direction at predetermined intervals so that the sub-segments form a ring which is in operative connection with the Blades is standing.
  • Each of the sub-segments has in the circumferential direction on two end faces, which face the ends of the adjacent sub-segments.
  • At least one of the end surfaces of the subsegment has a transitional surface, which is formed as a cylindrical or spherical surface.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention as characterized in the claims, the object underlying a Statorbauteil, in which a special spacing of the individual sub-segments to each other in the circumferential direction and with respect to the blade tips, in particular the design of the rotor-side surface of the sub-segments, are dispensed with can.
  • the object of the invention is also to propose a configuration and constellation of the sub-segments, in which the problems of thermal expansion and compressive stresses can be solved in a simple manner.
  • the stator of a turbomachine is formed so that it consists essentially of an outer ring and an inner ring, wherein the outer ring serves as a version of the inner ring formed from individual sub-segments.
  • the subsegments are arranged in such a way that, enclosed by the outer ring, they form on the rotor side a continuous circular peripheral surface.
  • These sub-segments of the inner ring have a trapezoidal or quasi-trapezoidal cross-section in the radial direction, ie in the installed state in a turbomachine in a section perpendicular to the axis of rotation of the turbomachine, wherein the parallel or quasi-parallel sides of the trapezoid the radial inner or radial outer side of the ring form.
  • a self-supporting inner ring under a during operation of the turbomachine in the design point approximately uniform circumferential and radial pressure, a self-supporting inner ring.
  • each sub-segment has a substantially planar, concave, convex or spherical surface relative to the inner peripheral surface of the outer ring, wherein the sub-segment itself may consist of a single monolithically constructed material or of several differently dimensioned or composite composite materials.
  • the material used for this purpose or the composite materials used for forming such a subsegment have a uniform and / or non-uniform microstructure.
  • the subsegment formed in this way has a predeterminable stress and / or expansion behavior as a function of the load ranges of the turbomachine.
  • This expansion behavior of the sub-segments can be different in the radial and / or axial direction based on a different structure, this in correlation to the different temperatures, which prevail in the radial and axial direction of the sub-segment.
  • the stator of a turbomachine consisting essentially of at least one axial outer ring and an inner ring, wherein the outer ring is used as a version of existing of sub-segments inner ring and wherein the sub-segments are arranged to each other so that they in the installed state rotor side against the rotational movement of Blades form a circular inner ring.
  • the sub-segments consist of a uniformly constructed material or at least in the radial direction gradually constructed material or at least in the radial direction of several constructed of different materials sub-bodies.
  • the sub-segments thus formed are heated in response to the load ranges of the turbomachine during operation of the turbomachine, so that from radially inside to radially outside a temperature gradient results, the material stratification in the sub-segments is chosen so that the internal materials have a smaller coefficient of expansion than the outer ones, so that the compressive stress resulting from the expansion of the subsegments in the circumferential direction between subsegments of the inner ring assumes a predetermine stress curve,
  • the sub-segments abut each other in the circumferential direction to form a point-shaped gap, wherein the spacing in the gap is held so that due to the temperature gradient in operation between the adjacent sub-segments a frictional connection occurs over the entire radial extent or even over radial Sections of the sub-segments now leads to a predetermined course of the compressive stress between sub-segments.
  • the sub-segments engage in the circumferential direction to form a toothing, wherein the toothing is spaced in the radial direction so that due to the temperature gradient in operation between the adjacent sub-segments, a frictional connection arises over the entire radial extent or even over radial Sections of the sub-segments leads to a predetermined course of the compressive stress between sub-segments
  • the material stratification in the sub-segments is selected so that the inner materials have a smaller coefficient of expansion than the outer, so that the expansion of the sub-segments in the circumferential direction in combination with a circumferentially acute gap between abutting sub-segments, or in Combination with a radially intermeshing with a spaced teeth intermeshing sub-segments, leading to a predetermined course of the compressive stress between sub-segments ..
  • a predeterminable course of the compressive stress can be a uniform radial pressure or a practically constant pressure curve. This is, for example, a pressure curve that deviates over at least 80% of the area at which the sub-segments abut each other by no more than 20% of the mean value of the voltage.
  • the essential advantage of the invention lies in the fact that the sub-segment formed as an element consists essentially of a ceramic material, which depending on its operational use, especially during the transient load ranges of the turbomachine to full operation, a qualitative and quantitative different behavior with regard to the stress and strain values.
  • the ceramic sub-segment will be designed to have a uniform or gradually built-up material structure that allows for a different operating strain and strain behavior.
  • the sub-segment can also consist of different nested bodies, which are each constructed of ceramic materials with different chemical and physical properties.
  • the incorporated partial bodies for forming a partial segment may also have mutually different material structures, which give a certain physical effect in certain operating conditions.
  • a particularly important behavior of such a sub-segment relates to the expansion behavior under different operating conditions of the turbomachine, which are in operative connection with the operating there blades of the turbomachine with respect to the adjusting gap size.
  • an operation-dependent expansion behavior of the ceramic element also has a positive effect on the efficiency of the turbomachine, for example, in that the blade tip leaks in the area of the stator / rotor blades can be minimized.
  • an element formed from ceramic materials is particularly suitable as a heat shield, in particular when the turbomachine is a gas turbine, since ceramic materials are generally very heat-resistant materials.
  • the ceramic element may consist only of a proportion of ceramic, while the remaining portions may consist of less heat-resistant materials.
  • strain resp. Voltage behavior must meet such a sub-segment, one behavior can be interpreted in favor of or at the expense of other behavior within acceptable limits.
  • the expansion behavior can be provided solely by those material components of the element used, which offer the best conditions on the basis of their chemical and physical properties.
  • the element provided as an element can be produced by sintering from pressed ceramic powder, which permits high variability in the choice of material.
  • the composition of the element can be varied to work towards different chemical and physical properties of the final material, including porosity, hardness, thermal conductivity or other mechanical, electrical, thermal and / or magnetic properties.
  • the ceramic element may also have a solid structure viewed macroscopically, or consist of various macroscopically structured partial bodies, the joining of which results in a firm connection.
  • the element may also include targeted structured cavities that can perform various tasks.
  • these cavities can be used for internal cooling of the ceramic or quasi-ceramic element, wherein this cooling can also be operated so that at least its expansion behavior is influenced dynamically.
  • these cavities are also designed so that they themselves provide a measure of an adaptive strain behavior. A combination of these two structures for a new final purpose is also possible.
  • the ceramic or quasi-ceramic element preferably carries an abrasion-compatible layer on the rotor side, which layer is generally designed as a sealing and wearing layer with respect to the rotor blades.
  • a good seal is achieved when this wear layer has those properties that match a rubbing layer. This is the case when the wear layer due to the stretching caused by the blade tip notches respectively. Hollows allows, which cause at least in the normal operation of the turbomachine, a maximized seal between the blade tip and element.
  • the invention intervenes when it comes to ensuring a maximized seal by the expansion behavior of the element depending on the elongation of the rotor, respectively.
  • the blades are supported by internal material dispositions, which additionally support the described effect of the abrasion-compatible layer.
  • the rotor-side inner ring is formed by a number of elements, which are preferably of identical shape and size, and have a thickness of 3-8 cm in the radial direction. In the circumferential direction, for example, the elements have an arc angle of 10-15 °, whereby the entire ring will then consist of 24 to 36 individual subsegments.
  • the respective ceramic or quasi-ceramic element then preferably has the shape of a trapezoid or a quasi-trapezoid in the radial direction (when installed in a section perpendicular to the axis of rotation of the turbomachine) which then has a positive effect on the prerequisite for a self-supporting structure in connection with the outer ring.
  • the rotor-side peripheral surface formed by the sub-segments will form a coherent circular surface for the rotor blades of the turbomachine passing there.
  • the rotor-side formed by the elements inner ring consist entirely of a ceramic material.
  • compositions of up to 70% or more by weight or by volume may be made of a ceramic material, and the remanence may be 100% dependent on the predefined strain and strain behavior of other materials whose compatibility is matched to the final properties of such element have to be.
  • the present description often speaks of quasi-ceramic elements.
  • the described stator component can extend as a ring in the axial direction of the turbomachine operatively over all stages of the rotor blades. It is also possible to provide the existing of the sub-segments inner ring in the axial direction only in the area of the operating blades.
  • the ceramic or quasi-ceramic elements are enclosed in the radial extent by an outer metal ring, which ensures the stability of the individual elements in the composite. This stability is extremely important, so that the individual elements in the operation mutate into a coherent solid body.
  • these elements may have a concave or convex counter-shape, which contributes to the Positioning of these elements relative to the metal ring, in particular during assembly, additionally yield a positive fit.
  • the ceramic or quasi-ceramic elements can also, as already briefly tinted above, have intermediate recesses, which can be flowed through as required with a cooling medium.
  • grooves can be provided laterally of the individual elements positioned one against the other, which on the one hand reduces the active abutment surface between two adjacent elements, but on the other hand contributes to a defined, richer, positive abutment surface between the two adjacent elements Elements among each other.
  • These radially extending grooves can also be used as cooling paths, the cooling of which acts at least in the region of the mutually adjacent elements. This option can also be used to specifically influence the expansion behavior of the elements in certain operational states of the turbomachine.
  • the individual elements are to be joined together to form a ring, in which the abutment surfaces of the adjacent elements, in particular during operation of the turbomachine, form a gastight or virtually gas-tight connection.
  • the fit in the stator component between the outer ring and the inner ring formed by the subsegments will aim for at least one positive fit during assembly, possibly with an initial minimized traction component, whereby the initial adhesion will increase during operation and must be designed in this way. that a maximum permissible compressive stress between the individual elements is not exceeded.
  • the elements in such a way that they can mutate in operation to a cohesive or quasi-cohesive fit, with the quasi-cohesive fit being used for safety reasons, if any.
  • the ceramic used for the subsegments it may consist of zirconium oxides, aluminum oxides, magnesium oxides, the subsegment or Shares thereof may also be composed of different proportions of different ceramics.
  • the rotor-side surface has a compressive stress of greater than zero MPa to 500 MPa for all operating temperatures due to the thickness ratios, the temperature dependence of the thermal expansion coefficients and the stiffness of all materials, whereby the sub-segment covers the whole operating load range the turbomachine can cover.
  • the compressive stress of the sub-segments is limited to each other during the first installation up to 50 MPa, which on the one hand leads to a rich fit, and on the other hand there is a sufficiently large voltage reserve for full operation.
  • the materials are layered so that the materials on the radial inner side of the inner ring have the smallest coefficient of thermal expansion and this increases toward the outside.
  • the ratios of the expansion coefficients are chosen from the inside to the outside so that the product of expansion coefficient and temperature increase of cold installation and warm operation remains constant or practically constant for all radial positions. For example, deviations from a constant value are to be understood as practically constant, which result in no more than 20% difference between local compressive stresses in the circumferential direction compared to an average compressive stress in the form fit. Edge areas or local defects in the form fit can naturally lead to higher deviations.
  • the ratios of the expansion coefficients from the inside to the outside are chosen so that the product of expansion coefficient, circumference and Temperature increase of cold installation and warm operation remains constant or virtually constant for all radial positions.
  • the adjacent sub-segments may also have a toothed surface to each other, which leads in the installed state in the radial course to a labyrinth-like seal.
  • a toothed surface to each other, which leads in the installed state in the radial course to a labyrinth-like seal.
  • the gap size in the radial direction of the sub-segments may be decreasing, in which connection the gap size, ie the spacing between the adjacent sub-segments, undergoes an expansion-moderate superimposition, in particular if the ceramic or quasi-ceramic element consists of different layers in the radial direction Partial bodies of different material composition is, for example, in terms of porosity, particle size, chemical composition, etc.
  • FIG. 1 shows a representation of a stator component made of a continuous outer ring and an inner ring consisting of sub-segments
  • FIG. 2 shows a representation of a section through a stator component in a radial section
  • Fig. 5a shows a further configuration concerning the cooling of the sub-segments and an exit configuration of the coolant from the sub-segment.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a metal ring 10, which forms in the region of the individual sub-elements 20, also called sub-segments, as a ring part of the stator.
  • this outer ring 10 for a better integration of the annularly mounted sub-elements 20 may be divided 1 or 1 or more times.
  • a coherent outer ring 10 is not excluded. However, this requires that the installation of the sub-segments 20 is ensured by precautions during the placement of the last sub-element.
  • the outer ring 10 is made of a metallic material, while the sub-segments 20 at least partially made of ceramic materials.
  • the outer rings 10 can be arranged so that they are only in operative connection with a blade row.
  • the compressive stress of the sub-segments is limited to each other during the first installation to a maximum of 50 MPa, which on the one hand leads to a rich fit, and on the other hand there is a sufficiently large voltage reserve up for full operation.
  • the rotor side surface has a compressive stress of greater than zero MPa up to 500 MPA for all operating temperatures due to the thickness ratios, the temperature dependence of the thermal expansion coefficients and the stiffness of all materials Can cover load range of the turbomachine.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a section of the Statortbaueils in the region of the sub-segment 20.
  • the illustrated in Figure 2 made of a ceramic or quasi-ceramic material element forms part of a continuous inner ring, which is particularly apparent in Fig. 1.
  • the sub-segment 20 is shown here in the sense of a uniformly constructed body.
  • This unitary body may consist of a uniform material or of different materials, the z. B. be joined by sintering to a monolithic body.
  • the thus sintered body may then have desired and predefined gradual chemical and physical properties.
  • the sub-segment may consist at least in the radial direction of a number of sub-body, which may also consist of different materials with different material structures, with the final purpose that the stress and strain behavior of the inner ring during operation fulfill predeterminable values. Accordingly, such variations may readily affect the sub-segment in the axial direction as well. Furthermore, it is not mandatory that the entire sub-segment 20 must be made integrally of ceramic materials: Configurations can readily be provided in which the incorporation of metallic components, in particular for the predetermination of the stress and strain behavior, can be useful.
  • the geometric configuration of the sub-segment 20 has a polygonal shape at least in the radial direction, which deviates from a pure rectangular shape on the corner. This is preferably provided so that the stress critical edges 22 of the sub-segment 20 undergo a significant relief in the installed state.
  • sealing elements are provided between outer diameter outer ring and inner diameter inner ring, which generally prevent a radial flow of the working medium from the main flow channel into the stator.
  • sealing elements are constituents of positioning elements 23 acting on the sub-segment 20, which ensure that the expansions between the sub-segments and the outer ring can be absorbed at least axially.
  • the sealing element is then part of this dynamic positioning element 23, the active effect of the sealing element is maximized in operation.
  • the sealing elements are arranged in the region of each sub-segment on both sides thereof and in the circumferential direction.
  • the rotor-side surface of the Partial segment has an abradable layer 21, which contributes in certain operating configurations of the turbomachine that by active removal of this layer by the passing past the tip of the blade 30, the gap between the sub-segment and blade tip is minimized and thus the blade tip leakage is minimized.
  • the outer ring 10 is further penetrated by a supply channel 24, via which a coolant is introduced to the sub-segments 20.
  • Fig. 3 and 4 show an alternative in the combination of adjacent sub-segments, in the sense that no direct form or adhesion is created here during installation, but the sub-segments in the circumferential direction to form a pointed gap 29 more or less loose together.
  • This gap 25 runs sharply in the radial direction, wherein the angle ⁇ is held between 5 ° and 30 °.
  • the basic idea behind this training is the fact that the strains in the radial direction decrease as a result of the temperature profile, so the spacing must be disposed inside larger than outside.
  • the gap formed can be formed over the entire radial extension of the sub-segment as in FIG. But it is also conceivable that the gap is present only over part of the radial extent.
  • the gap is formed in the rotor-side region of the sub-segment.
  • the gap can be made straight or curved.
  • the spacing is maintained so that in operation between the adjacent sub-segments, a frictional connection arises, which leads over the entire radial extent or only over radial portions of the sub-segments to a predetermined course of the compressive stress.
  • the compressive stress will be uniform or nearly uniform.
  • Figure 4 as a view of the circular surface of the inner ring then shows how a toothing of the two adjacent sub-segments 20 can be performed by a labyrinth curve is created, which prevents the flow of hot working gases between the sub-segments.
  • the spacing is maintained so that in operation between the adjacent sub-segments, a frictional connection arises, which now almost uniform over the entire radial extent or even only over radial portions of the sub-segments, just by a initially different gap size is provided, as the arrows at X and Y want to characterize.
  • a labyrinth design there does not have to be a force fit everywhere, since the form fit of the labyrinth itself provides the seal.
  • FIG. 5 shows FIGS. 5a and 6 a possible cooling configuration of the subsegments starting from the coolant supply channel 24.
  • the subsegment 20 then has in the circumferential direction an inner chamber, which is in operative connection with the feed channel 24 and is connected by all subsegments 20, from which angled Branch flow channels 26, which ensure an integral cooling of the sub-segment.
  • the cooling medium is then led to the outside via the continuation 27 provided with each flow channel 26.
  • FIG. 5 a shows that the chamber 25 a is disposed in each case only for a partial segment 20, so that a corresponding number of supply channels 24 must be provided.
  • 20 grooves can also be provided laterally in the region of the radially extending boundary surface of the individual partial segments 20 positioned one on the other, which on the one hand provide the active abutment surface between two reduce adjacent elements, but on the other hand contribute to the fact that it leads to a defined richer positive abutment surface between the elements with each other.
  • These radially extending grooves which are not shown in greater detail in the figures, can also be used as cooling paths, the cooling of which acts at least in the region of the sub-segments adjoining one another. This option can also be used to selectively influence the expansion behavior of the subsegments relative to one another in certain operational states of the turbomachine.
  • the individual sub-segments should be able to be joined together to form a ring, that the abutment surfaces of the adjacent elements form a gas-tight connection, in particular during operation of the turbomachine, and also leads to a compressive stress which does not exceed 500 MPa.

Landscapes

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Abstract

Ein Statorbauteil einer Strömungsmaschine besteht im Wesentlichen aus mindestens einem sich axial erstreckenden Aussenring (10), der als Fassung eines aus Teilsegmenten (20) bestehenden Innenringes dient. Die Teilsegmente sind so aneinander angeordnet, dass sie rotorseitig gegenüber der Drehbewegung von Laufschaufeln (30) eine zusammenhängende kreisförmige Umfangsoberfläche bilden. Das einzelne Teilsegment (20) besteht aus einem einheitlich aufgebauten Werkstoff oder mindestens in radialer Richtung aus mehreren aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie z.B. Keramik, aufgebauten Teilkörpern, wobei ein so gebildetes Teilsegment in Abhängigkeit der Lastbereiche der Strömungsmaschine ein prädeterminiertes Spannungsund/oder Dehnungsverhalten erfüllt.

Description

STATORBAUTEIL MIT SEGMENTIERTEM INNENRING FÜR EINE
STRÖMUNGSMASCHINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Statorbauteil einer Strömungsmaschine gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist ein Turbinengehäuse einer Verbrennungsmaschine bekannt geworden, das im Wesentlichen aus einem Heissgaskanal gebildet ist, durch welchen die heissen Arbeitsgase strömen. Auf Grund eines solchen Betriebs wird vorzugsweise eine aus einem hitzebeständigen Material hergestellte Auskleidung an der Innenwandfläche dieses Heissgaskanals vorgesehen, um zu verhindern, dass die übrige metallische Oberfläche des Gehäuses direkt mit den heissen Arbeitsgasen in Kontakt kommt. Für gewöhnlich besteht diese Wärmeschutzauskleidung aus mehreren Teilsegmenten, welche an der Innenfläche des Turbinengehäuses in Umfangsrichtung angeordnet sind, so dass sie an sich einen Ring bilden. Um Probleme der Wärmedehnung bei hoher Temperatur zu vermeiden, sind die jeweiligen Teilsegmente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Aus EP 1 225 308 B1 ist ein Turbinengehäuse bekannt geworden, das aus einem geteilten Ring mit mehrerer gespaltenen Teilsegmenten besteht, die an der Innenwand des Gasturbinengehäuses in Umfangsrichtung in vorbestimmten Intervallen so angeordnet sind, dass die Teilsegmente einen Ring bilden, der in Wirkverbindung mit den Laufschaufeln steht. Jedes der Teilsegmente weist in Umfangsrichtung zwei Endflächen auf, welche den Enden der benachbarten Teilsegmente gegenüber stehen. Dabei weist mindestens eine der Endflächen des Teilsegments eine Übergangs- fläche auf, welche als zylindrische oder als sphärische Oberfläche ausgebildet ist. Nach dieser Druckschrift geht es also nicht darum, auf die nach dem Stand der Technik bekannte Beabstandung der einzelnen Teilsegmente zueinander einzugreifen, sondern die Übergänge der einzelnen Endflächen der Teilsegmente in Umfangsrichtung verschiedenartig auszubilden, mit dem Ziel, auf die Spaltströmung gegenüber den Laufschaufeln einzuwirken.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Statorbauteil vorzuschlagen, bei welchem auf eine spezielle Beabstandung der einzelnen Teilsegmente zueinander in Umfangsrichtung und gegenüber der Laufschaufelspitzen, insbesondere auf die Ausgestaltung der rotorseitigen Oberfläche der Teilsegmente, verzichtet werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Konfiguration und Konstellation der Teilsegmente vorzuschlagen, bei welchen die Probleme der Wärmedehnungen und der Druckspannungen auf einfache Art und Weise gelöst werden können.
Dabei wird der Statorbauteil einer Strömungsmaschine so ausgebildet, dass er im Wesentlichen aus einem Aussenring und einem Innenring besteht, wobei der Aussenring als Fassung des aus einzelnen Teilsegmenten gebildeten Innenringes dient. Die Teilsegmente sind so aneinander angeordnet, dass sie, eingefasst durch den Aussenring, rotorseitig eine zusammenhängende kreisförmige Umfangsoberflä- che bilden. Diese Teilsegmente des Innenrings haben in radialer Richtung, d.h. im eingebauten Zustand in eine Strömungsmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse der Strömungsmaschine, einen trapezförmigen oder quasitrapezförmigen Querschnitt, wobei die parallelen oder quasi-parallelen Seiten des Trapezes die radiale innen bzw. radiale Aussenseite des Ringes bilden. Im Verbund miteinander bilden die Teilsegmente, unter einem beim Betrieb der Strömungsmaschine im Auslegungspunkt annähernd gleichmässigen Umfangs- und Radialdruck, einen selbstragenden Innenring. Die Abgrenzungsoberfläche eines jeden Teilsegmentes weist gegenüber der inneren Umfangsfläche des Aussenringes eine im Wesentlichen plane, konkave, konvexe oder kugelig verlaufende Oberfläche auf, wobei das Teilsegment selbst aus einem einzigen monolithisch aufgebauten Werkstoff oder aus mehreren verschieden dimensionierten oder zusammengesetzten Verbundmaterialien bestehen kann. Der hierfür eingesetzte Werkstoff oder die dafür verwendeten Verbundmaterialien zur Bildung eines solchen Teilsegments weisen eine gleichförmige und/oder ungleichförmige Gefügestruktur auf.
Das so gebildete Teilsegment weist in Abhängigkeit der Lastbereiche der Strömungsmaschine ein predeterminiertes Spannungs- und/oder Dehnungsverhalten auf. Dieses Dehnungsverhalten der Teilsegmente lässt sich in radialer und/oder axialer Richtung anhand eines differenzierten Aufbaus unterschiedlich gestalten, dies in Korrelation zu den unterschiedlichen Temperaturen, welche in radialer und axialer Richtung des Teilsegmentes vorherrschen.
Nach einer Ausführung besteht das Statorbauteil einer Strömungsmaschine, im Wesentlichen aus mindestens einem axialen Aussenring und einem Innenring, wobei der Aussenring als Fassung des aus Teilsegmenten bestehenden Innenringes dient und wobei die Teilsegmente so aneinander angeordnet sind, dass sie im eingebauten Zustand rotorseitig gegenüber der Drehbewegung von Laufschaufeln einen kreisförmigen Innenring bilden. Dabei bestehen die Teilsegmente aus einem einheitlich aufgebauten Werkstoff oder mindestens in radialer Richtung graduell aufgebauten Werkstoff oder mindestens in radialer Richtung aus mehreren aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebauten Teilkörpern. Die so gebildeten Teilsegmente werden in Abhängigkeit der Lastbereiche der Strömungsmaschine im Betrieb der Strömungsmaschine erwärmt, so dass sich von radial innen nach radial aussen ein Temperaturgradient ergibt, wobei die Materialschichtung in den Teilsegmenten so gewählt ist, dass die innen liegenden Materialen einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als die äusseren, so dass die durch Ausdehnung der Teilsegmente in Umfangs- richtung zwischen Teilsegmenten des Innenrings resultierende Druckspannung ein prädeterminierten Spannungsverlauf annimmt, In einer weiteren Ausführung stossen die Teilsegmente in Umfangsrichtung unter Bildung eines spitzförmigen Spaltes aneinander, wobei die Beabstandung im Spalt so gehalten ist, dass aufgrund des Temperaturgradienten im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente nunmehr zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen Teilsegmenten führt. In noch einer Ausführung greifen die Teilsegmente in Umfangsrichtung unter Bildung einer Verzahnung ineinander, wobei die Verzahnung in radialer Richtung so beabstandet ist, dass aufgrund des Temperaturgradienten im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen Teilsegmenten führt
In einer weiteren Ausführung ist die Materialschichtung in den Teilsegmenten so gewählt, dass die innen liegenden Materialen einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als die äusseren, so dass die aus Ausdehnung der Teilsegmente in Umfangsrichtung in Kombination mit einem in Umfangsrichtung spitzförmigen Spalt zwischen aneinander stossenden Teilsegmenten, oder in Kombination mit einer in radialer Richtung mit einer beabstandeten Verzahnung ineinandergreifender Teilsegmenten, zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen Teilsegmenten führt ..
Ein prädeterminierte Verlauf der Druckspannung kann ein gleichmässiger Radialdruck sein oder ein praktisch konstanten Druckverlauf sein. Dies ist beispielsweise ein Druckverlauf, der über mindestens 80% der Fläche, an der die Teilsegmente aneinander stossen, um nicht mehr als 20% vom Mittelwert der Spannung abweicht.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das als Element ausgebildete Teilsegment im Wesentlichen aus einem keramischen Werkstoff besteht, welches in Abhängigkeit seines betrieblichen Einsatzes, insbesondere während der transienten Lastbereiche der Strömungsmaschine bis hin zum vollen Betrieb, ein qualitatives und quantitatives differentes Verhalten hinsichtlich der Spannungs- und Dehnungswerte erfüllt. Zum Erreichen dieses Zieles wird das keramische Teilsegment so beschaffen, dass es eine uniforme oder graduell aufgebaute Materialstruktur aufweist, welche ein betriebsabhängiges differentes Dehnungs- und Spannungsverhalten ermöglicht.
Darüber hinaus weisen die Werkstoffe der jeweiligen Materialstruktur resp. Teilstruktur des Teilsegmentes chemische und physikalische Eigenschaften auf, welche betriebsnotwendig sind, um beispielsweise die erforderliche Festigkeit und Belastbarkeit der Elemente im Betrieb sicher zu stellen.
Das Teilsegment kann auch aus verschiedenen ineinander inkorporierten Teilkörpern bestehen, welche jeweils aus keramischen Materialien mit verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften aufgebaut sind.
Die inkorporierten Teilkörper zur Bildung eines Teilsegmentes können auch untereinander verschiedene Materialstrukturen aufweisen, welche bei bestimmten betrieblichen Zuständen eine bestimmte physikalische Wirkung ergeben.
Ein besonders wichtiges Verhalten eines solchen Teilsegmentes betrifft das Dehnungsverhalten bei unterschiedlichen betrieblichen Zuständen der Strömungsmaschine, welche mit den dort operierenden Laufschaufeln der Strömungsmaschine hinsichtlich der sich einstellende Spaltgrösse in Wirkverbindung stehen.
Wenn also das keramische Teilsegment ein betriebsabhängiges Dehnungsverhalten und eine Festigkeitsvariabilität resp. ein Sicherheitsverhalten gegen die thermischen Belastungen aufweist, so wird damit die Betriebssicherheit der ganzen Strömungsmaschine maximiert.
Darüber hinaus wirkt sich ein betriebsabhängiges Dehnungsverhalten des keramischen Elements auch positiv auf den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine aus, indem beispielsweise die Schaufelspitzen-Leckagen im Bereich Stator/Laufschaufeln minimiert werden können. Grundsätzlich eignet sich ein aus keramischen Werkstoffen gebildetes Element (Teilsegment) vorzüglich als Hitzeschild zu fungieren, insbesondere dann, wenn die Strömungsmaschine eine Gasturbine ist, da es sich bei keramischen Werkstoffen in der Regel um sehr hitzebeständige Materialen handelt.
Bei einer solchen Stossrichtung kann das keramische Element auch bloss aus einem Anteil Keramik bestehen, während die restlichen Anteile aus weniger hitzebeständigen Materialien bestehen können. Je nachdem, welches Dehnungs- resp. Spannungsverhalten ein solches Teilsegment erfüllen muss, lässt sich das eine Verhalten zu Gunsten oder zu Lasten des anderen Verhaltens in zulässigen Grenzen auslegen.
Soweit es die operativen Verhältnisse zulassen, kann das Dehnungsverhalten allein durch jene Materialanteile des eingesetzten Elements erbracht werden, welche auf Grund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften die besten Voraussetzungen bieten.
Der als Element, also als Teilsegment, bereitgestellte Körper kann durch Sintern aus gepressten Keramikpulver hergestellt werden, was eine hohe Variabilität bei der Werkstoffwahl ermöglicht. So kann die Zusammensetzung des Elements so variiert werden, dass auf verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften des Endmaterials hingewirkt wird, so unter anderen bezogen auf die Porosität, Härte, Wärmeleitfähigkeit oder auf andere mechanische, elektrische, thermische und/oder magnetische Eigenschaften.
Danebst kann das keramische Element auch makroskopisch betrachtet einen soliden Aufbau aufweisen, oder aus verschiedenen ebenfalls makroskopisch aufgebauten Teilkörpern bestehen, deren Zusammenfügung eine feste Verbindung ergeben.
Des Weiteren kann das Element auch gezielte strukturierte Hohlräume beinhalten, welche verschiedene Aufgaben erfüllen können. Zum einen können diese Hohlräume für eine interne Kühlung des keramischen oder quasi-keramischen Elements herangezogen werden, wobei diese Kühlung auch so betrieben werden kann, dass mindestens dessen Dehnungsverhalten dynamisch beeinflusst wird. Zum anderen können diese Hohlräume auch so angelegt werden, dass sie selbst ein Mass für ein sich anpassendes Dehnungsverhalten ergeben. Eine Kombination dieser beiden Strukturen zu einem neuen finalen Zweck ist auch möglich.
Das keramische oder quasi-keramische Element trägt rotorseitig vorzugsweise eine abriebkompatible Schicht, welche in der Regel gegenüber den Laufschaufeln als Dichtungs- und Verschleissschicht ausgebildet ist. Vorzugsweise wird eine gute Dichtung dann erreicht, wenn diese Verschleissschicht jene Eigenschaften aufweist, welche mit einer Anstreifschicht übereinstimmen. Dies ist dann der Fall, wenn die Verschleissschicht auf Grund des dehnungsbedingten Anstreifens der Laufschaufelspitze Einkerbungen resp. Aushöhlungen zulässt, welche mindestens im Normalbetreib der Strömungsmaschine eine maximierte Dichtung zwischen Schaufelspitze und Element bewirken.
Unabhängig der Möglichkeit, solche abriebkompatibie Schichten stirnseitig des Elements vorgesehen werden, greift hier die Erfindung ein, wenn es darum geht, eine maximierte Dichtung zu gewährleisten, indem das Dehnungsverhalten des Elements in Abhängigkeit zur Dehnung des Rotors resp. der Laufschaufeln durch interne Materialdispositionen unterstützt wird, welche zusätzlich die beschriebene Wirkung der abriebkompatiblen Schicht unterstützen.
Was die formmässige Gestaltung des keramischen oder quasi-keramischen Elementes betrifft, ist seine körperliche Ausdehnung vorzugsweise so ausgebildet, dass sie einen engbegrenzten Sektor des ganzen Ringes bildet. Vorzugsweise wird der rotor- seitige Innenring durch eine Anzahl von Elementen gebildet, welche vorzugsweise von identischer Form und Grösse sind, und in radialer Richtung eine Stärke von 3-8 cm aufweisen. In Umfangsrichtung weisen die Elemente beispielsweise einen Bo- genwinkel von 10-15° auf, wodurch der gesamte Ring dann aus 24 bis 36 einzelnen Teilsegmenten bestehen wird.
Das jeweilige keramische oder quasi-keramischen Element weist dann vorzugsweise in radialer Richtung (im eingebauten Zustand in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse der Strömungsmaschine) die Form eines Trapezes oder eines quasi-Trapezes auf, was sich dann positiv auf die Voraussetzung für eine selbsttragende Struktur in Verbindung mit dem Aussenring auswirken. Unabhängig davon, wie die geometrische Form des Teilsegmentes zugrunde gelegt wird, wird die von den Teilsegmenten gebildete rotorseitige Umfangsoberfläche eine zusammenhängende kreiskonforme Fläche für die dort vorbeidrehenden Laufschaufeln der Strömungsmaschine bilden.
Grundsätzlich kann der rotorseitige durch die Elemente gebildete Innenring, wie oben bereits dargelegt, vollumfänglich aus einem keramischen Material bestehen. Bisweilen können auch Zusammensetzungen von bis 70% oder mehr Gewichtsprozente oder Volumenanteile aus einem keramischen Werkstoff bestehen, und die Remanenz zu 100% in Abhängigkeit zum predeterminierten Dehnungs- und Spannungsverhalten aus anderen Materialien bestehen, deren Kompatibilität in Bezug auf die finalen Eigenschaften eines solchen Elements abgestimmt sein muss. Wenn also das Element nicht vollständig aus einem keramischen Werkstoff besteht, spricht die vorliegende Beschreibung oft von quasi-keramischen Elementen.
Grundsätzlich kann sich der beschriebene Statorbauteil als Ring in axialer Richtung der Strömungsmaschine operativ über alle Stufen der Laufschaufeln erstrecken. Möglich ist es auch, der aus den Teilsegmenten bestehende Innenring in axialer Richtung nur im Bereich der operierenden Laufschaufeln vorzusehen.
Des Weiteren kann disponiert werden, dass bei verschiedenen Stufen die werkstoff- mässige Zusammensetzung der Teilsegmente, in Abhängigkeit zu einem bestimmten Dehnungs- und Festigkeitsverhalten, entsprechend abgestimmt wird.
In der Regel werden die keramischen oder quasi-keramischen Elemente in der radialen Erstreckung durch einen äusseren Metallring eingefasst, der für die Stabilität der einzelnen Elemente im Verbund sorgt. Diese Stabilität ist äusserst wichtig, damit die einzelnen Elemente im Betrieb zu einem zusammenhängenden festen Körper mutieren.
Gegenüber der inneren Umfangsoberfläche des Metallrings können diese Elemente eine konkave oder konvexe Gegenform aufweisen, welche dazu beitragt, dass die Positionierung dieser Elemente gegenüber dem Metallring, insbesondere während der Montage, zusätzlich eine formschlüssige Passung ergeben.
Die keramischen oder quasi-keramischen Elemente können auch, wie oben bereits kurz angetönt, intermediäre Ausnehmungen aufweisen, welche nach Bedarf mit einem Kühlmedium durchströmt werden können. Hierzu lässt sich beispielsweise im Bereich der radial verlaufenden Grenzfläche seitlich der einzelnen aneinander positionierten Elemente Nuten vorsehen, welche zum einen zwar die aktive Anstossflä- che zwischen zwei benachbarten Elementen verringert, zum anderen aber dazu beitragen, dass es zu einer definierten satteren formschlüssigen Anstossfläche zwischen den Elementen untereinander führt. Diese radial verlaufenden Nuten können auch als Kühlbahnen verwendet werden, deren Kühlung mindestens im Bereich der zueinander angrenzenden Elemente wirkt. Auch diese Option kann dazu dienen, das Dehnungsverhalten der Elemente bei gewissen betrieblichen Zuständen der Strömungsmaschine gezielt zu beeinflussen. Auf alle Fälle sollen die einzelnen Elemente so zu einem Ring zusammen gefügt werden, bei welchem die Anstossflächen der benachbarten Elemente insbesondere im Betrieb der Strömungsmaschine eine gasdichte oder nahezu gasdichte Verbindung bilden.
In der Regel wird die Passung im Statorbauteil zwischen Aussenring und von den Teilsegmenten gebildeten Innenring bei der Montage auf mindestens einen Form- schluss hinzielen, allenfalls mit einer anfänglichen minimierten Kraftschlusskomponente ausgelegt, wobei der anfängliche Kraftschluss im Betrieb zunehmen wird, und so ausgelegt werden muss, dass eine höchstzulässige Druckspannung zwischen den einzelnen Elementen nicht überschritten wird.
Es ist indessen ohne Weiteres möglich, bei bestimmten Auslegungsarten die Elemente so vorzusehen, dass sie sich im Betrieb bis zu einer stoffschlüssigen oder quasi-stoffschlüssigen Passung mutieren können, wobei aus Sicherheitsgründen, wenn schon, die quasi-stoffschlüssigen Passung zur Anwendung gelangen wird. Was die eingesetzte Keramik für die Teilsegmente betrifft, so kann sie aus Zirkonoxi- den, Aluminiumoxiden, Magnesiumoxiden bestehen, wobei das Teilsegment oder Anteile davon auch aus verschiedenen Anteilen verschiedener Keramiken zusammengesetzt sein kann.
Betreffend die Spannungs- und Dehnungsverhalten des Teilsegments weist die ro- torseitige Oberfläche auf Grund der Dickenverhältnisse, der Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Steifigkeit aller Materialien eine Druckspannung von grösser Null MPa bis 500 MPA für alle Betriebstemperaturen auf, womit das Teilsegment den ganzen operativen Lastbereich der Strömungsmaschine abdecken kann. Vorzugsweise wird die Druckspannung der Teilsegmente untereinander beim Ersteinbau auf bis zu 50 MPa beschränkt, was einerseits zu einer satten Formpassung führt, und andererseits eine genügend grosse Spannungsreserve für den vollen Betrieb besteht.
Die Materialen sind so geschichtet, dass die Materialen auf der radialen Innenseite des Innenrings den kleinsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und dieser zur Aussenseite hin zunimmt. Die Verhältnisse der Ausdehnungskoeffizienten sind von innen nach Aussen so gewählt, dass das Produkt von Ausdehnungskoeffizient und Temperaturerhöhung von kaltem Einbau und warmen Betrieb für alle Radialpositionen konstant bzw. praktisch konstant bleibt. Als praktisch konstant sind beispielsweise Abweichungen von einem konstanten Wert zu verstehen, die zu nicht mehr als 20% Differenz zwischen lokalen Druckspannungen in Umfangsrichtung gegenüber einer mittleren Druckspannung in der Formpassung führen. Randbereiche oder lokale Fehlstellen in der Formpassung können dabei naturgemäss zu höhere Abweichungen führen. In einer weiteren Ausgestaltung, insbesondere für Ringe deren Verhältnis von Ringhöhe zu Ringdurchmesser gross ist (z.B. Ringhöhe zu Ringdurchmesser grösser als 0.1 insbesondere grösser als 0.2), werden die Verhältnisse der Ausdehnungskoeffizienten von innen nach aussen so gewählt, dass das Produkt von Ausdehnungskoeffizient, Umfang und Temperaturerhöhung von kaltem Einbau und Warmen Betrieb für alle Radialpositionen konstant bzw. praktisch konstant bleibt.
Die benachbarten Teilsegmente können auch zueinander eine verzahnte Oberfläche aufweisen, welche im eingebauten Zustand im radialen Verlauf zu einer labyrinthähnlichen Dichtung führt. Bei einer solchen Konfiguration, muss noch vorgesehen werden, dass das unterschiedliche Dehnungsverhalten der benachbarten Teilsegmente zueinander sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung während des Anfahrens und im Betrieb durch eine entsprechende anfängliche Disposition der Spaltgrösse entlang des so gebildeten Labyrinths berücksichtigt wird. Also kann die Spaltgrösse in radialer Richtung der Teilsegmente abnehmend sein, wobei in diesem Zusammenhang die Spaltgrösse, also die Beabstandung zwischen den benachbarten Teilsegmenten, eine dehnungsmässige Überlagerung erfährt, insbesondere dann, wenn das keramische oder quasi-keramische Element in radialer Richtung aus verschiedenen Schichten oder Teilkörpern unterschiedlicher Materialzusammensetzung besteht, beispielsweise hinsichtlich der Porosität, der Partikelgrösse, der chemischen Zusammensetzung, etc.
Kurze Beschreibung der Figuren
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Statorbauteils aus einem zusammenhängenden mit Aussenring und einem aus Teilsegmenten bestehenden Innenring,
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausschnitts durch einen Statorbauteil in einem radialen Schnitt,
Fig. 3 Teilsegmente, welche zueinander eine Beabstandung aufweisen,
Fig. 4 eine labyrinthartige Beabstandung zwischen benachbarten Teilsegmenten,
Fig. 5 eine Konfiguration betreffend die Kühlung der Teilsegmente,
Fig. 5a eine weitere Konfiguration betreffend die Kühlung der Teilsegmente und eine Austrittskonfiguration des Kühlmittels aus dem Teilsegment.
Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Metallringes 10, welcher im Bereich der einzelnen Teilelemente 20, auch Teilsegmente genannt, als Ring einen Teil des Stators bildet. Dabei kann dieser Aussenring 10 für eine bessere Einbindung der ringförmig montierten Teilelemente 20 einfach oder mehrfach aufgeteilt 1 1 sein. An sich ist ein zusammenhängender Aussenring 10 auch nicht ausgeschlossen. Dies bedingt aber, dass der Einbau der Teilsegmente 20 durch Vorkehrungen bei der Einlegung des letzten Teilelementes sicher gestellt ist. Grundsätzlich besteht der Aussenring 10 aus einem metallischen Werkstoff, während die Teilsegmente 20 mindestens teilweise aus keramischen Werkstoffen bestehen. In axialer Richtung des Stators können die Aussenringe 10 so disponiert werden, dass sie lediglich in Wirkverbindung mit einer Laufschaufelreihe stehen.
Vorzugsweise wird die Druckspannung der Teilsegmente untereinander beim Ersteinbau auf bis maximal 50 MPa beschränkt, was einerseits zu einer satten Formpassung führt, und andererseits eine genügend grosse Spannungsreserve nach oben für den vollen Betrieb besteht.
Betreffend die Spannungs- und Dehnungsverhalten des Teilsegments weist die ro- torseitige Oberfläche auf Grund der Dickenverhältnisse, der Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Steifigkeit aller Materialien eine Druckspannung von grösser Null MPa bis zu 500 MPA für alle Betriebstemperaturen auf, womit das Teilsegment den ganzen operativen Lastbereich der Strömungsmaschine abdecken kann.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Statortbaueils im Bereich des Teilsegmentes 20. Das in Figur 2 dargestellte aus einem keramischen oder quasi-keramischen Werkstoff gebildete Element bildet einen Teil eines zusammenhängenden Innenringes, welcher in Fig. 1 besonders ausgeprägt hervorgeht. Das Teilsegment 20 ist hier im Sinne eines einheitlich aufgebauten Körpers dargestellt. Dieser einheitliche Körper kann aus einem uniformen Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen, die z. B. durch Sintern zu einem monolithischen Körper gefügt werden. Der so gesinterte Körper kann dann gewünschte und vordefinierte sich graduell änderte chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Dies ist an sich aber nicht zwingend, denn das Teilsegment kann mindestens in radialer Richtung auch aus einer Anzahl Teilkörper bestehen, welche untereinander auch aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Materialgefügen bestehen können, mit dem finalen Zweck, dass das Spannungs- und Dehnungsverhalten des Innenringes im Betrieb predeterminierte Werte erfüllen. Demnach können solche Variationen ohne Weiteres auch das Teilsegment in axialer Richtung betreffen. Des Weiteren ist es nicht zwingend, dass das ganze Teilsegment 20 integral aus keramischen Werkstoffen bestehen muss: Es lassen sich ohne Weiteres Konfigurationen vorsehen, bei welchen der Einbau von metallischen Anteilen gerade der Pre- determinierung der Spannungs- und Dehnungsverhalten nützlich sein können. Die geometrische Ausgestaltung des Teilsegmentes 20 weist mindestens in radialer Richtung eine Vieleckform auf, welche eckseitig von einer reinen rechteckigen Form abweicht. Dies ist insofern vorzugsweise vorzusehen, als damit die spannungskritischen Kanten 22 des Teilsegmentes 20 im eingebauten Zustand eine wesentliche Entlastung erfahren. Im Bereich der radialen Ausdehnung der Teilsegmente sind Dichtungselemente zwischen Aussendurchmesser Aussenring und Innendurchmesser Innenring vorgesehen, welche eine radiale Strömung des Arbeitsmediums von dem Hauptströmungskanal in den Stator allgemein verhindern.
Diese Dichtungselemente sind Bestandteile von auf das Teilsegment 20 wirkenden Positionierungselementen 23, welche dafür sorgen, dass die Dehnungen zwischen Teilsegmenten und Aussenring mindestens axial aufgefangen werden können. Indem das Dichtungselement dann Bestandteil dieses dynamischen Positionierungselementes 23 ist, wird die aktive Wirkung des Dichtungselementes im Betrieb maxi- miert.
Diese Dichtungselemente werden im Bereich jedes Teilsegmentes auf beiden Seiten desselben und in Umfangsrichtung angeordnet. Die rotorseitige Oberfläche des Teilsegmentes weist eine abreibbare Schicht 21 auf, welche bei bestimmten Betriebskonfigurationen der Strömungsmaschine dazu beiträgt, dass durch aktiven Abtrag dieser Schicht durch die dort vorbeidrehenden Spitze der Laufschaufel 30 der Spalt zwischen Teilsegment und Schaufelspitze minimiert wird und damit die Schaufelspitzen-Leckage minimiert wird. Der Aussenring 10 ist des Weiteren durch einen Zufuhrkanal 24 durchsetzt, über welchen ein Kühlmittel zu den Teilsegmenten 20 herangeführt wird.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Alternative bei der Zusammenführung benachbarter Teilsegmente, in dem Sinne, als hier beim Einbau keinen unmittelbaren Form- oder Kraftschluss erstellt wird, sondern die Teilsegmente in Umfangsrichtung unter Bildung eines spitzförmigen Spaltes 29 mehr oder weniger lose aneinander stossen. Dieser Spalt 25 läuft in radialer Richtung spitzig zu, wobei der Winkel α zwischen 5° und 30° gehalten ist. Der Grundgedanke hinter dieser Ausbildung ist die Tatsache, dass die Dehnungen in Folge des Temperaturverlaufs in radialer Richtung abnehmen, also muss die Beabstandung innenseitig grösser als aussen disponiert werden. Der gebildete Spalt kann wie in Figur 3 über die ganze radiale Erstreckung des Teilsegmentes ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar das der Spalt nur über einen Teil der radialen Erstreckung vorhanden ist. Vorzugsweise ist der Spalt auf im rotorseitigen Bereich des Teilsegmentes ausgebildet. Der Spalt kann geradlinig oder gekrümmt ausgeführt werden. Die Beabstandung ist so gehalten, dass im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente zu einem vorgegeben Verlauf der Druckspannung führt. In einer Ausführung wird die Druckspannung uniform bzw. annähernd uniform ausfallen.
Figur 4 als Ansicht auf die kreisförmige Oberfläche des Innenringes zeigt dann, wie eine Verzahnung der beiden benachbarten Teilsegmente 20 ausgeführt werden kann, indem ein Labyrinthverlauf geschaffen wird, der den Durchfluss der heissen Arbeitsgase zwischen den Teilsegmenten unterbindet. Die Beabstandung ist so gehalten, dass im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente nunmehr annähernd uniform ausfällt, indem eben eine anfängliche unterschiedliche Spaltgrösse vorgesehen wird, wie dies die Pfeile bei X und Y charakterisieren wollen. Bei einer Labyrinth-Ausführung muss nicht überall ein Kraftschluss vorliegen, da der Formschluss des Labyrinths an sich für die Dichtung sorgt. Im kalten Zustand der Teile, also zum Beispiel beim Einbau in eine Gasturbine ergibt sich typischerweise nur lokal ein Formschluss. Wenn die Teile im Betrieb erwärmt werden und sich dadurch ausdehnen, werden sie in Umfangsrichtung ineinander gepresst. Dadurch verbessert sich der Formschluss und es kommt zu einem Kraftschluss.
Wenn nun das Teilsegment 20 in radialer Richtung aus verschiedenartigen Werkstoffen mit unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten zusammengesetzt ist, so muss dies bei der Auslegung der Spaltgrösse 28 entsprechend berücksichtig werden, damit der angestrebte Kraftschluss im Betrieb entlang der benachbarten Teilsegmente erzielt wird. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass sich dieses Dehnungsverhalten der Teilsegmente in radialer Richtung auch anhand eines differenzierten Aufbaus gewichtig beeinflussen lässt, dies in Korrelation zu den unterschiedlichen Temperaturen, welche in radialer Richtung des Teilsegmentes naturgemäss vorherrschen. Auch bei einem solchen Einbau gilt, dass die Druckspannung im Betrieb nicht grösser 500 MPa betragen sollte.
Fig. 5 Fig. 5a und 6 zeigen eine mögliche Kühlungskonfiguration der Teilsegmente ausgehend von dem Kühlmittel-Zufuhrkanal 24. Das Teilsegment 20 weist dann in Umfangsrichtung eine mit dem Zufuhrkanal 24 in Wirkverbindung stehende innere über alle Teilsegmente 20 zusammenhängende Kammer 25 auf, aus welcher abgewinkelte Strömungskanäle 26 abzweigen, welche eine integrale Kühlung des Teilsegmentes sicher stellen. Das Kühlmedium wird dann über die bei jedem Strömungskanal 26 vorgesehene Fortsetzung 27 nach aussen geführt. Fig. 5a zeigt, dass die Kammer 25a jeweils nur für ein Teilsegment 20 disponiert ist, so dass eine entsprechende Anzahl Zufuhrkanäle 24 vorgesehen werden müssen.
In den Fig. 5 und 6 nicht näher gezeigt, lassen sich auch im Bereich der radial verlaufenden Grenzfläche seitlich der einzelnen aneinander positionierten Teilsegmente 20 Nuten vorsehen, welche zum einen zwar die aktive Anstossfläche zwischen zwei be- nachbarten Elementen verringern, zum anderen aber dazu beitragen, dass es zu einer definierten satteren formschlüssigen Anstossfläche zwischen den Elementen untereinander führt. Diese radial verlaufenden und in den Figuren nicht näher gezeigten Nuten können auch als Kühlbahnen verwendet werden, deren Kühlung mindestens im Bereich der zueinander angrenzenden Teilsegmente wirkt. Auch diese Option kann dazu dienen, das Dehnungsverhalten der Teilsegmente zueinander bei gewissen betrieblichen Zuständen der Strömungsmaschine gezielt zu beeinflussen.
Auf alle Fälle sollen die einzelnen Teilsegmente so zu einem Ring zusammen gefügt werden können, dass die Anstossflächen der benachbarten Elemente insbesondere im Betrieb der Strömungsmaschine eine gasdichte Verbindung bilden, und darüber hinaus zu einer Druckspannung führt, welche nicht grösser als 500 MPa ausfällt.

Claims

Patentansprüche Statorbauteil einer Strömungsmaschine, im Wesentlichen bestehend aus mindestens einem axialen Aussenring und einem Innenring, wobei der Aussenring als Fassung des aus Teilsegmenten bestehenden Innenringes dient, wobei die Teilsegmente so aneinander angeordnet sind, dass sie im eingebauten Zustand rotorseitig gegenüber der Drehbewegung von Laufschaufeln einen kreisförmigen Innenring bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente aus einem einheitlich aufgebauten Werkstoff oder mindestens in radialer Richtung graduell aufgebauten Werkstoff oder mindestens in radialer Richtung aus mehreren aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebauten Teilkörpern besteht, und dass so gebildete Teilsegmente in Abhängigkeit der Lastbereiche der Strömungsmaschine im Betrieb der Strömungsmaschine erwärmt werden, so dass sich von radial innen nach aussen ein Temperaturgradient ergibt, wobei die Materialschichtung in den Teilsegmenten so gewählt ist, dass die innen liegenden Materialen einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als die äusseren, so dass die durch Ausdehnung der Teilsegmente in Um- fangsrichtung zwischen Teilsegmenten des Innenrings resultierende Druckspannung ein prädeterminierten Spannungsverlauf annimmt,
oder die Teilsegmente in Umfangsrichtung unter Bildung eines spitzförmigen Spaltes aneinander stossen, wobei die Beabstandung im Spalt so gehalten ist, dass aufgrund des Temperaturgradienten im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen den Teilsegmenten führt,
oder die Teilsegmente in Umfangsrichtung unter Bildung einer Verzahnung ineinandergreifen, wobei die Verzahnung in radialer Richtung so beabstandet ist, dass aufgrund des Temperaturgradienten im Betrieb zwischen den benachbarten Teilsegmenten einen Kraftschluss entsteht, der über die ganze radiale Ausdehnung oder auch nur über radiale Abschnitte der Teilsegmente zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen den Teilsegmenten führt,
oder wobei die Materialschichtung in den Teilsegmenten so gewählt ist, dass die innen liegenden Materialen einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als die äusseren, so dass die aus Ausdehnung der Teilsegmente in Um- fangsrichtung
in Kombination mit einem in Umfangsrichtung spitzförmigen Spalt zwischen aneinander stossenden Teilsegmenten,
oder in Kombination mit einer in radialer Richtung mit einer beabstandeten Verzahnung ineinandergreifender Teilsegmenten,
zu einem prädeterminierten Verlauf der Druckspannung zwischen den Teilsegmenten führt.
Statorbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der prädeterminierte Verlauf der Druckspannung gleichförmig ist oder praktisch konstant ist oder über mindestens 80% der Fläche an der die Teilsegmente aneinander stossen um nicht mehr als 20% vom Mittelwert der Spannung abweicht.
Statorbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Statorbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment aus mindestens 70 Gewichts- oder Volumen% Keramik besteht.
Statorbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff im Wesentlichen aus Zirkonoxiden und/oder Aluminiumoxiden und/oder Magnesiumoxiden, aufgebaut ist.
Statorbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxide aus 50 -100 Gewichts- oder Volumen% bestehen.
7. Statorbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung des Innenringes aus mehreren aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebauten Teilkörpern besteht.
8. Statorbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring ganz oder teilweise aus einem metallischen Werkstoff besteht.
9. Statorbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring des Statorbauteils einteilig oder mehrteilig aufgebaut ist.
10. Statorbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment mindestens in radialer Richtung von prismatischer oder quasiprismatischer Form ist, und gegenüber der inneren Umfangsoberfläche des Aussenringes eine im Wesentlichen plane, konkave, konvexe oder kugelige verlaufende Oberfläche aufweist.
1 1 . Statorbauteil nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Verbund zusammengeschlossenen Teilsegmente in Umfangsrichtung und/oder radialer Richtung eine formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige Passung bilden.
12. Statorbauteil nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau der Teilsegmente zur Bildung des Innenringes durch einen Kraftschluss zustande kommt, dass der Kraftschluss zwischen den benachbarten Teilsegmenten mit einer Druckspannung grösser Null und kleiner 50 MPa versehen ist.
13. Statorbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftschluss zwischen den einzelnen Teilsegmenten im Betrieb eine Druckspannung von bis 500 MPa aufweist.
14. Statorbauteil nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau der Teilsegmente zur Bildung des Innenringes durch einen Formschluss zu- stände kommt, dass der Formschluss im Betrieb zu einem Kraftschluss mutiert.
15. Statorbauteil nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau der Teilsegmente zur Bildung des Innenringes durch einen Formschluss zustande kommt, dass der Formschluss eine axiale oder quasi-axiale angelegte Labyrinthpassung aufweist.
16. Statorbauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthpassung zwischen den benachbarten Teilsegmenten mindestens in radialer Richtung eine abnehmende Beabstandung aufweist.
17. Statorbauteil nach einem der Ansprüche 1 -16, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung zwischen Aussendurchmesser Aussenring und Innendurchmesser Innenring mindestens ein Dichtungselement eingebaut ist.
18. Statorbauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dichtungselement flankenseitig und in Umfangsrichtung des Statorbauteils erstreckt.
19. Statorbauteil nach einem der Ansprüche 1 -18, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment rotorseitig eine abrasivbare Schicht aufweist.
20. Statorbauteil nach einem der Ansprüche 1 -19, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilsegment über interne Durchflusskanäle verfügt, welche mit einem Kühlmittel durchströmt sind.
21 . Statorbauteil nach einem der Ansprüche 1 -20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring in axialer Richtung so bemessen ist, dass er in Wirkverbindung mit einer Laufschaufelreihe steht.
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