WO2014207058A1

WO2014207058A1 - Dichtringsegment für einen stator einer turbine

Info

Publication number: WO2014207058A1
Application number: PCT/EP2014/063432
Authority: WO
Inventors: Thorsten Barz; Roland Häbel; Sebastian Stupariu-Cohan
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2014-12-31
Also published as: US20160208630A1; RU2657390C2; JP2016523342A; EP2818642A1; RU2016102766A; SA515370314B1; RU2016102766A3; CN105392966A; US10215041B2; EP2984295A1; CN105392966B; EP2984295B1; JP6067942B2

Abstract

Ein Dichtringsegment (144) für einen Stator (143) einer Turbine (100), welches im Wesentlichen die Form eines Zylindermantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut (160) zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln (130) aufweist, soll eine höhere Lebensdauer und einen geringeren Reparaturaufwand für eine Turbine bei einfacher Montage und hoher Optimierbarkeit ermöglichen. Dazu weist das Dichtringsegment (144) für jede an dem Dichtringsegment (144) fixierbare Leitschaufel (130) jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen (146) auf, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.

Description

Beschreibung

Dichtringsegment für einen Stator einer Turbine Die Erfindung betrifft ein Dichtringsegment für einen Stator einer Turbine, welches im Wesentlichen die Form eines Zylindermantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist. Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere

Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische An^¬ triebsenergie umwandelt. Dem Fluidstrom wird durch die mög^¬ lichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Tur^¬ binenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an ei^¬ nen Generator, abgegeben. Laufschaufeln und Welle sind Teile des beweglichen Rotors oder Läufers der Turbine, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.

In der Regel sind mehrere Schaufeln auf der Achse montiert. In einer Ebene montierte Laufschaufeln bilden jeweils ein Schaufelrad oder Laufrad. Die Schaufeln sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche. Vor jedem Lauf^¬ rad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschau^¬ feln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und versetzen es in einen Drall. Der im Leitrad erzeugte Drall (kinetische Energie) wird im darauffolgenden Laufrad genutzt, um die Welle, auf der die Laufradschaufeln montiert sind, in Rotation zu versetzen.

Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als Stufe. Oft sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet. Da das Leitrad stillsteht, und die Leitschaufeln am Gehäuseäußeren befestigt sind, muss zur Welle des Laufrads eine Abdichtung hergestellt werden, um Verluste so gering wie möglich zu hal- ten. Hierzu sind die Leitschaufeln rotorseitig durch zylin- dermantelförmige Dichtringe gehalten. Diese bestehen übli^¬ cherweise aus einer Mehrzahl, üblicherweise zehn Segmenten. Diese werden auf eine Verhakung am Kopf der Leitschaufeln ge- schoben (Nut-Feder-Verbindung) und dichten so den Heißgaskanal gegenüber den Rotor ab. Um ein Verschieben in Umfangs- richtung zu verhindern, werden die Dichtringsegmente einzeln durch Bolzen, die jeweils radial in eine der Leitschaufeln ragen, fixiert.

Aufgrund gegebener, für die im Betrieb übliche Wärmeausdehnung notwendiger Toleranzen zwischen Schaufeln und Dichtringen ist eine Relativbewegung möglich. Hierbei hat sich gezeigt, dass durch dynamische Anregungen erheblicher Ver- schleiß an den Dichtringsegmenten entstehen kann. Die Befunde reichen dabei von einfachem Verschleiß, welcher ein Austauschen während einer Revisionsmaßnahme notwendig macht, bis hin zu massivem Verschleiß, der zu einer Zwangsrevision mit Austausch des Dichtrings führen bzw. auch zu einem Turbinen- schaden mit Schaufelschäden führen kann.

Hierbei ist es bekannt das Dichtringsegment mit auf die Leit^¬ schaufeln mittels einer Rückstellkraft wirkenden elastischen Elementen zu versehen. In der US 7,645,117 werden hierfür großflächig Tellerfedern angeordnet, in der US 2008/0019836, der US 2011/0135479 und der EP 1 441 108 werden Blattfedern verwendet, die eine Krümmung oder Wellenform in azimutaler oder axialer Richtung aufweisen, so dass die entsprechende Vorspannung entsteht.

Nachteilig an den bekannten Dichtringsegmenten ist jedoch, dass bei der Verwendung von Blatt- oder großen Tellerfedern stets eine großflächige Vorspannung auf mehrere Leitschaufeln aufgebracht wird. Dies erschwert die Montage der Leitschau- fein. Zudem ist die Stärke der Rückstellkraft nicht individu^¬ ell einstell- oder nachjustierbar. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Dichtringsegment der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine höhere Lebens^¬ dauer und einen geringeren Reparaturaufwand für eine Turbine bei einfacher Montage und hoher Optimierbarkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Dicht^¬ ringsegment für jede an dem Dichtringsegment fixierbare Leit^¬ schaufel jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschau^¬ fel mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen auf- weist, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, wel^¬ ches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Le^¬ bensdauer der Turbine erhöht und der Reparaturaufwand für die Turbine verringert werden könnte, wenn der Verschleiß durch die Relativbewegung einzelner Leitschaufeln und Dichtringsegment verringert werden könnte. Hierfür müsste die Relativ^¬ bewegung beschränkt werden. Allerdings muss dabei auf die Wärmeausdehnung im Betrieb Rücksicht genommen werden, so dass eine feste formschlüssige Fixierung ausscheidet. Abhilfe schafft eine kraftschlüssige Fixierung mittels eines Druck^¬ bolzens, welcher durch seine Rückstellkraft eine kraftschlüs^¬ sige Fixierung der Leitschaufel gewährleistet, während durch die Elastizität eine Wärmeausdehnung möglich bleibt. Ein Druckbolzen ist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Element, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt, beispielsweise durch eine Innenstruktur in der Art eines Kol^¬ bens. Dabei ist der Druckbolzen z. B. durch entsprechende Fe^¬ deranordnung selbstrückstellend ausgestaltet. Der Druckbolzen lässt sich durch eine entsprechende Öffnung im Dichtringseg^¬ ment fixieren und entsprechend ausrichten. Dabei ist für jede an dem Dichtringsegment fixierbare Leitschaufel jeweils zu^¬ mindest ein auf die jeweilige Leitschaufel mittels einer Rückstellkraft wirkender Druckbolzen vorgesehen. Dadurch wird das Dichtringsegment besonders sicher fixiert, da eine kraft^¬ schlüssige Verbindung durch einen Druckbolzen mit jeder einzelnen Leitschaufel entsteht. Keine der Leitschaufeln kann daher eine Verschleiß erzeugende Relativbewegung ausführen. In vorteilhafter Ausgestaltung des Dichtringsegments verläuft die Nut zur Fixierung der Leitschaufeln vorteilhafterweise in Umfangsrichtung und/oder die Rückstellkraft des jeweiligen elastischen Elements wirkt vorteilhafterweise in radialer Richtung. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Dicht^¬ ringsegments, das einfach auf die Verhakung der Leitschaufeln geschoben werden kann. Durch die radiale Ausrichtung des elastischen Elements kann dieses nach dem Einsetzen des Diehtrings von innen vorgespannt werden.

Vorteilhafterweise umfasst das jeweilige elastische Element, insbesondere der Druckbolzen eine Tellerfeder. Unter einer Tellerfeder versteht man eine kegelige Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und so sowohl ruhend als auch schwingend (dynamische) beansprucht werden kann. Die Kraft^¬ einleitung erfolgt normalerweise über den oberen Innenrand und den unteren Außenrand. Die Tellerfeder kann dabei als Einzelfeder oder als Federsäule verwendet werden. In einer Säule können entweder einzelne Tellerfedern oder aus mehreren Federn bestehende Federpakete wechselsinnig geschichtet wer^¬ den. Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, so kann sie z. B. bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen. Ihre Fe- derkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv (steigend) gestaltet werden. Durch die fast beliebige Kombi^¬ nationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie durch die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert wer- den. Bei richtiger Dimensionierung hat die Tellerfeder eine hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wie sie z. B. in einer Turbine auftritt. Als Werkstoff kommen Federstähle, auch nichtrostende und warmfeste sowie Kupfer- (CuSn 8, CuBe 2) und Nickel-Legierungen (Nimonic, Inconel, Duratherm) in Frage.

Weiterhin ist das jeweilige elastische Element, insbesondere der Druckbolzen mittels einer Verschraubung am Dichtringseg- ment fixiert. Hierdurch ergibt sich einerseits eine lösbare Verbindung, die somit einen späteren Austausch im Zuge einer Revision ermöglicht, andererseits eine einfache Montage er^¬ laubt. Weiterhin wird durch die Tiefe des Einschraubens die Rückstellkraft auf die Verhakung der Leitschaufel präzise eingestellt. Um ein Lösen des Bolzens im Betrieb der Turbine zu verhindern, ist hierbei eine Verdrehsicherung vorgesehen, beispielsweise durch einen seitlich einhakenden Verdrehsiche- rungsbolzen .

In zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung ist das jeweilige elastische Element für die Umfangsfixierung des Dichtringseg^¬ mentes derart angeordnet, dass es die jeweilige Leitschaufel in Umfangsrichtung formschlüssig fixiert. Hierfür weißt die Leitschaufel eine entsprechende Vertiefung auf, in die das entsprechend ausgeführte elastische Element eingeschoben wird. Dadurch übernimmt das elastische Element, insbesondere der Druckbolzen in der Art einer Doppelnutzung auch die Aufgabe des bislang verwendeten Umfangsfixierungsbolzens .

In einem Stator für eine Turbine mit einer Anzahl von Leitschaufeln ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl der Leitschau^¬ feln an ihrem radial nach innen gerichteten Kopf mittels einer Feder in einer Nut eines beschriebenen Dichtringsegments angeordnet.

Eine Turbine umfasst vorteilhafterweise einen derartigen Sta^¬ tor . Vorteilhafterweise ist die Turbine dabei als Gasturbine aus^¬ gelegt. Gerade in Gasturbinen sind die thermischen, mechanischen und dynamischen Belastungen besonders hoch, so dass die beschriebene Ausgestaltung des Dichtringsegments besondere Vorteile hinsichtlich der Minimierung des Verschleißes bie- tet.

Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derar^¬ tige Turbine. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einführung einer Tellerfederkonstruktion zur definierten festen Vorspannung von Dichtring und Leitschaufel eine Vermeidung von Relativbewegungen zwischen beiden Teilen erreicht wird. Gleichzeitig wird hiermit trotz fester Vorspannung eine Wärmebeweglichkeit sichergestellt. Mit den beschriebenen Tellerfederkonstruktionen kann eine definierte Verspannung zwischen Schaufeln und Dichtringsegmen- ten aufgebracht werden, die die Relativbewegung insbesondere bei dynamischen Belastungen zwischen den Bauteilen minimiert bzw. verhindert. Der Materialverschleiß kann somit reduziert bzw. vermieden werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine mit Ringbrennkammer,

FIG 2 einen Querschnitt durch einen Druckbolzen,

FIG 3 einen Querschnitt durch ein Dichtringsegment, und

FIG 4 einen Schnitt durch das Dichtringsegment.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei chen versehen. Die FIG 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansaug- gehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Brennkammer 110, hier dargestellt als Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial an^¬ geordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäu^¬ se 109. Die Brennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbi- nenstufe 112 wird aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strö^¬ mungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heiß^¬ gaskanal 111 einem Leitschaufelring 115 eine aus Laufschau^¬ feln 120 gebildete Ring 125. Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wo^¬ hingegen die Laufschaufeln 120 einer Ring 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Lauf^¬ schaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läu^¬ fers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver^¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge^¬ führt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des heißen und unter Druck stehenden Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln

120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedi^¬ um 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Brennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise Zr02, Y204-Zr02) aufweisen. Jede Leitschaufel 130 weist einen dem Gehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und in einem Dichtring 140 fixiert. Jeder Dichtring 140 einer Turbi- nenstufe umschließt dabei die Welle des Rotors 103. Er wird vorteilhafterweise aus zehn gleichartigen Dichtringsegmenten 144 gebildet.

Aufgrund der gegebenen Toleranzen bei der Lagerung der Leit- schaufeln 130 am Dichtring 140 kommt es zu Relativbewegungen der beiden Bauteile, die zu frühem Verschleiß und sogar Schä^¬ den an der Gasturbine 100 führen können.

Daher sind in den Dichtringsegmenten 144 Druckbolzen 146 vor- gesehen, die in FIG 2 im Querschnitt gezeigt sind. Der Druck^¬ bolzen 146 ist in einer in radialer Richtung ausgerichteten, durchgehenden Bohrung 148 mit einem Gewinde 150 durch Ver- schrauben fixiert. Der Druckbolzen besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 152 mit einem entsprechenden Gewinde zur Verschraubung mit dem Dichtringsegment, einen sich daran anschließenden Kolben 154 mit geringerem Durchmesser, auf dem eine in axialer Richtung des Druckbolzens 146 bewegliche Kap^¬ sel 156 sitzt, die den Kolben 154 an dessen Spitze umschließt. Dadurch ist sie in radialer Richtung des Druckbol- zens 146 formschlüssig fixiert.

Den Kolben 154 zwischen Abschnitt 152 und Kapsel 156 umschließend sind insgesamt acht wechselseitig angeordnete Tel^¬ lerfedern 158 positioniert, die bei einer axialen Stauchung des Druckbolzens 146 eine Rückstellkraft ausüben. Da der

Druckbolzen 146 in radialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse der Gasturbine 102 in das Dichtringsegment 144 ein^¬ geschraubt ist, übt es so eine definierte Kraft auf die Ver- hakung der Leitschaufel 130 aus, so dass Relativbewegungen unterbunden werden, eine Wärmeausdehnung aber möglich bleibt. Über die Einschraubtiefe lässt sich die Rückstellkraft ein^¬ stellen .

FIG 3 zeigt einen Längsschnitt durch das Dichtringsegment 144. Der Dichtring 144 weist zwei sowohl axial als auch radial beabstandete Nuten 160 auf, die sich in Umfangsrichtung erstrecken und in radialer, jeweils gleicher Richtung geöff- net sind. Die jeweilige Nut 160 ist dabei von einem im Längs^¬ schnitt L-förmigen Abschnitt des Dichtringsegments 144 um- fasst, dessen erster Schenkel sich in radialer Richtung, und dessen zweiter Schenkel sich in axialer Richtung der Turbine 100 erstreckt. Mit entsprechenden, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Federn 162 des Kopfes der Leitschaufeln 130, die passgenau am Dichtringsegment 144 angeordnet sind, kann das Dichtringsegment 144 bei der Montage so auf den Leit^¬ schaufelkranz aufgeschoben werden. Der Druckbolzen 146 ist dabei im Bereich der radial äußeren Nut 160 derart angeord- net, dass die Kapsel 156 in einer Öffnung der radial inneren Wandung der Nut 160 mündet. Da der Druckbolzen 146 eine radi^¬ ale Rückstellkraft ausübt, die auf die Feder 162 in der Nut 160 wirkt, wird die Feder 162 somit in der Nut 160 gegen den radial ausgerichteten Schenkel des L-förmigen Teils des Dich- tringsegments 144 gepresst. Die Leitschaufel 130 wird somit elastisch in den Nuten 160 fixiert.

Der Druckbolzen 146 ist gegen Verdrehen mittels eines Bolzens 164 gesichert. Der Bolzen 164 ist durch eine sich in axialer Richtung erstreckende Bohrung, die auf die Bohrung 148 des Druckbolzens 146 trifft eingeführt und verschraubt. Dadurch übt er eine seitliche Kraft auf das Gewinde des Druckbolzens 146 aus und fixiert diesen kraftschlüssig. FIG 4 zeigt schließlich einen teilweisen Schnitt durch den

Dichtring 140 und die Dichtringsegmente 144. Die Druckbolzen 146 üben wie beschrieben eine Rückstellkraft auf die Leit^¬ schaufeln 130 aus. Einer der Druckbolzen 146 ist zusätzlich als Umfangsfixierungsbolzen 166 ausgelegt. Er ist länger als die übrigen Druckbolzen 146 und ragt in eine ihm angeformte Vertiefung 168 eines Fußes einer Leitschaufel 130 hinein. Da^¬ durch wird das Dichtringsegment 144 an der Leitschaufel 130 in Umfangsrichtung fixiert.

Claims

Patentansprüche

1. Dichtringsegment (144) für einen Stator (143) einer Turbine (100), welches im Wesentlichen die Form eines Zylinder- mantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut (160) zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln (130) aufweist, wobei das Dichtringsegment (144) für jede an dem Dichtringsegment (144) fixierbare Leitschaufel (130) jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen (146) aufweist, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.

2. Dichtringsegment (144) nach Anspruch 1,

bei dem die Nut (160) in Umfangsrichtung verläuft und/oder die Rückstellkraft des jeweiligen elastischen Elements in ra^¬ dialer Richtung wirkt.

3. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,

bei dem das jeweilige elastische Element eine Tellerfeder (158) umfasst.

4. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,

bei dem das jeweilige elastische Element mittels einer Ver- schraubung am Dichtringsegment (144) fixiert ist.

5. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,

bei dem das jeweilige elastische Element derart angeordnet ist, dass es die jeweilige Leitschaufel (130) in Umfangsrich- tung formschlüssig fixiert.

6. Stator (153) für eine Turbine (100) mit einer Anzahl von Leitschaufeln (130), wobei eine Mehrzahl der Leitschaufeln

(130) an ihrem radial nach innen gerichteten Fuß mittels einer Feder (162) in einer Nut (160) eines Dichtringsegments (144) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet sind.

7. Turbine (100) mit einem Stator (153) nach Anspruch 6.

8. Turbine (100) nach Anspruch 7, die als Gasturbine ausge- legt ist.

9. Kraftwerksanlage mit einer Turbine (10) nach Anspruch 7 oder 8.