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EP 1 076 160 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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19.11.2008 Patentblatt 2008/47 |
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Anmeldetag: 31.07.2000 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde
Fixing heatshields
Fixation des boucliers thermiques
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Benannte Vertragsstaaten: |
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DE GB |
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Priorität: |
09.08.1999 DE 19936761
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Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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14.02.2001 Patentblatt 2001/07 |
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Patentinhaber: Alstom Technology Ltd |
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5400 Baden (CH) |
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Erfinder: |
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- Kreis, Erhard
8112 Otelfingen (CH)
- Nagler, Christoph
8032 Zürich (CH)
- Rathmann, Ulrich
5400 Baden (CH)
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Entgegenhaltungen: :
EP-A- 1 076 184 US-A- 3 860 358 US-A- 4 472 108
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FR-A- 2 761 119 US-A- 4 247 247 US-A- 5 127 794
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für Hitzeschutzschilde gemäss
dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
[0002] Hitzeschutzschilde werden in thermischen Turbomaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen,
verwendet. Sie sind dort in axialer Richtung zwischen den Schaufelreihen angeordnet,
und bewahren den Rotor oder das Gehäuse vor direktem Kontakt mit Heissgas.
[0003] Im Betrieb müssen diese Bauelemente erhebliche thermische Differenzdehnungen mit
dem Bauteil, auf dem sie befestigt sind, aufnehmen, wodurch sie sich in radialer wie
auch in axialer Richtung verformen. Demgegenüber weisen Hitzeschutzschilde im Einbauzustand
nur sehr geringes Spiel zu ihnen gegenüberliegenden Schaufeln auf. Aufgrund der Verformung
und dem geringen Spiel aber besteht die Gefahr des Anstreifens der Schaufeln an dem
Hitzeschutzschild. Dadurch kommt es zu weiterem Wärmeeintrag, und einer positiven
Rückkopplung über eine stärkere Verformung und ein noch heftigeres Anstreifen. Unter
ungünstigen Bedingungen kann dies zu einer schwerwiegenden Havarie einer Maschine
führen. Jedoch muss dem Hitzeschutzschild ein gewisses Spiel in seinen Lagerungen
zugestanden werden, da im anderen Falle behinderte thermische Dehnungen zu hohen Bauteileigenspannungen
und schliesslich einer drastischen Lebensdauerverkürzung des Hitzeschutzschildes führen.
Dementsprechend muss nach dem Stand der Technik das wohlbekannte latente Havarierisiko
durch das Anstreifen eines relativbewegten Bauteils an einem Hitzeschutzschild hingenommen
werden.
FR 2 761119 offenbart eine Befestigungsvorrichtung über Aufnahmeelemente zur Befestigung von
Hitzeschutzschilden gegenüber den Blattspitzen im Strömungskanal einer Gasturbine.
Darstellung der Erfindung
[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hitzeschutzschild Verformungen
zum Ausgleich thermischer Dehnungen in einem gewissen Ausmasse zuzulassen, aber insbesondere
radiale Verformungen mit Sicherheit auf ein wohldefiniertes Mass zu begrenzen.
[0005] Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch die Merkmale des unabhängigen Hauptanspruchs.
[0006] Kern der Erfindung ist es also, ein Hitzschutzschild mittels axial aussen gelegener
Aufnahmeelemente im Gehäuse oder auf der Welle einer Turbomaschine zu fixieren, und
durch zwischen diesen angeordneten zusätzliche Aufnahmeelemente eine Sicherheitsvorrichtung
zum Auffangen übermässiger radialer Verformungen zu schaffen. In jedem axialen Schnitt
des Hitzeschutzschildes übernimmt nur jeweils ein Aufnahmeelement eine axiale Fixierungsfunktion,
während die anderen Aufnahmeelemente eine unbehinderte axiale Verformung des Hitzeschutzschildes
ermöglichen. Weiterhin ist der Hitzeschutzschild im axialen Schnitt durch die am weitesten
aussen gelegenen Aufnahmeelemente in radialer Richtung fixiert. Die radiale Lagerung
des Hitzeschutzschildes an zwei weit voneinander entfernten Punkten verbessert einerseits
die Kippstabilität der Lagerung. Andererseits ist der axiale Überhang des Hitzeschutzschildes
minimiert, wodurch Schwingungen des Hitzeschutzschildes am besten unterbunden werden.
In axialer Richtung zwischen den radial tragenden Aufnahmeelementen werden weitere
Aufnahmeelemente angeordnet, die ein radiales Spiel in ihren Befestigungsnuten aufweisen,
und im Normalbetrieb keine Tragefunktion haben. Erst dann, wenn eine radiale Verformung
des Hitzeschutzschildes dort, wo eines dieser Aufnahmeelemente mit radialem Spiel
angeordnet ist, das Mass dieses Spiels überschreitet, erhält dieses Aufnahmeelement
eine Tragefunktion und verhindert das Auftreten einer exzessiven radialen Verformung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0007] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer
Gasturbine, und Fig. 2 die Umgebung eines in dieser Gasturbine montierten Hitzeschutzschildes.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0008] In Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch eine vierstufige Turbine eines Gasturbosatzes
dargestellt. Im Betrieb dreht sich die Welle 1 um die Maschinenachse 3. Auf der Welle
1 sind die Laufschaufeln LA1 bis LA4 angeordnet. Die zugehörigen Leitschaufeln LE1
bis LE4 sind im Gehäuse 2 befestigt. Gegenüber den Leitschaufelspitzen sind die Rotor-Hitzeschutzschilde
110, 120, 130 und 140 mittels geeigneter Befestigungsmittel auf dem Rotor befestigt.
Analog sind gegenüber den Laufschaufelspitzen die Gehäuse-Hitzeschutzschilde 210,
220, 230 und 240 auf geeignete Weise am Gehäuse befestigt. Dabei wird man in der Realität
nicht zwingend in jeder Stufe Hitzeschutzschilde finden; in der Praxis wird man gerade
in den letzten Stufen, in denen das Arbeitsmedium schon stark entspannt und abgekühlt
ist, oftmals auf diese verzichten. Andererseits ist der Einsatz von Hitzeschutzschilden
mit der erfindungsgemässen Befestigungsvorrichtung keineswegs auf die Turbine eines
Gasturbosatzes beschränkt: Die Erfindung kann auch beispielsweise in Dampfturbinen
oder in Turboverdichtern, und dort gerade in den Hochdruckstufen moderner Turboverdichter,
mit Vorteil eingesetzt werden.
[0009] In Fig. 2 ist die unmittelbare Umgebung des Gehäuse-Hitzeschutzschildes 220 der zweiten
Turbinenstufe vergrössert dargestellt. Insbesondere ist die Befestigung des Hitzeschutzschildes
220 im Gehäuse 2 mittels dreier als Haken ausgebildeter Aufnahmeelemente 221, 222,
223, die jeweils in zugehörigen Gehäusenuten liegen, gut zu erkennen. In Richtung
der Maschinenlängsachse 3 ist der Hitzeschutzschild nur durch das Aufnahmeelement
221 fixiert, während die Aufnahmeelemente 222 und 223 mit axialem Spiel in den zugehörigen
Nuten liegen. In der durch R gegebenen radialen Richtung sind die Aufnahmeelemente
221 und 223 spielfrei in ihren Gehäusenuten verankert. In radialer Richtung ist der
Hitzeschutzschild 220 also durch die beiden axial äusseren Aufnahmeelemente 221 und
223 im Gehäuse fixiert. Das Aufnahmeelement 222 hingegen weist sowohl axial als auch
radial Spiel in seiner Gehäusenut auf, und wird im normalen Betriebszustand keine
Befestigungsfunktion erfüllen.
[0010] Im Betrieb wird der Hitzeschutzschild 220 stark erwärmt, und es werden sich in axialer
wie auch in radialer Richtung sowohl gegen die Laufschaufel LA2 als auch gegen das
Gehäuse 2 thermische Differenzdehnungen einstellen. Aus diesem Grunde ist insbesondere
das Spiel des Aufnahmeelementes 222 in seiner Befestigungsnut wichtig, da eine behinderte
Dehnung starke Eigenspannungen im Hitzeschutzschild 220 induzieren würde, was letztlich
zu einer starken Verminderung der Bauteillebensdauer führen würde. Radiale Verformungen
von der Spitze der gegenüberliegenden Schaufel weg führen zwar zu erhöhten Spaltverlusten
und einem geringeren Wirkungsgrad der Maschine, gefährden aber die Betriebssicherheit
zunächst nicht. Radiale Verformungen zu der gegenüberliegenden Schaufelspitze hin
dagegen können potentiell eine grosse Havarie einer Maschine auslösen: Sobald ein
dem Hitzeschutzschild gegenüberliegendes Teil am Hitzeschutzschild zu streifen beginnt,
wird durch die Reibung zusätzlich Wärme in den Hitzeschutzschild eingetragen, wodurch
sich die Verformung und damit wiederum die Reibung verstärkt. Daher ist das radiale
Spiel des Aufnahmeelementes 222 in seiner Befestigungsnut zur gegenüberliegenden Schaufelspitze
hin auf ein Mass s begrenzt, das mit Vorteil kleiner als 20% des Masses h gewählt
wird, und selbstverständlich kleiner als das Spiel zwischen der Schaufel und dem Hitzeschutzschild.
Wenn in Ausnahmesituationen die radiale Verformung des Hitzeschutzschildes also das
radiale Spiel des mittleren Aufnahmeelementes - prinzipiell können zwischen den axial
aussen liegenden Aufnahmeelementen auch mehrere Aufnahmeelemente mit Spiel in der
zugehörigen Befestigungsnut angeordnet sein - überschreitet, beginnt das mittlere
Aufnahmeelement in radialer Richtung zu tragen, und verhindert auf diese Weise eine
exzessive radiale Verformung des Hitzeschutzschildes.
Bezugszeichenliste
[0011]
- 1
- Rotor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Maschinenachse
- 110
- Rotor-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
- 120
- Rotor-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
- 130
- Rotor-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
- 140
- Rotor-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
- 210
- Gehäuse-Hitzeschutzschild der ersten Turbinenstufe
- 220
- Gehäuse-Hitzeschutzschild der zweiten Turbinenstufe
- 221
- Aufnahmeelement
- 222
- Aufnahmeelement
- 223
- Aufnahmeelement
- 230
- Gehäuse-Hitzeschutzschild der dritten Turbinenstufe
- 240
- Gehäuse-Hitzeschutzschild der vierten Turbinenstufe
- h
- maximales radiales Mass des Hitzeschutzschildes
- s
- radiales Spiel des mitteleren Aufnahmeelementes in Richtung zum dem Hitzeschutzschild
gegenüberliegenden Bauteil
- LA1
- Laufschaufel der ersten Turbinenstufe
- LA2
- Laufschaufel der zweiten Turbinenstufe
- LA3
- Laufschaufel der dritten Turbinenstufe
- LA4
- Laufschaufel der vierten Turbinenstufe
- LE1
- Leitschaufel der ersten Turbinenstufe
- LE2
- Leitschaufel der zweiten Turbinenstufe
- LE3
- Leitschaufel der dritten Turbinenstufe
- LE4
- Leitschaufel der vierten Turbinenstufe
- R
- radiale Richtung
1. Befestigungsvorrichtung zur Befestigung von Hitzeschutzschilden (110, 120, 130, 140,
210, 220, 230, 240) in einer Turbomaschine, durch welche Befestigungsvorrichtung die
Hitzeschutzschilde in einer radialen und einer axialen Einbauposition fixiert werden,
welche Befestigungsvorrichtung aus einer Mehrzahl von Aufnahmeelementen (221, 222,
223) besteht, welche Aufnahmeelemente in wenigstens drei unterschiedlichen axialen
Einbaupositionen an dem Hitzeschutzschild angeordnet sind, und welche Aufnahmeelemente
im Einbauzustand in Befestigungsnuten einer Welle (1) oder eines Gehäuses (2) der
Turbomaschine eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die axial am weitesten aussen liegenden Aufnahmeelemente (221, 223) im Einbauzustand
in radialer Richtung (R) spielfrei in den Befestigungsnuten angeordnet sind, und die
axial zwischen diesen angeordneten Aufnahmeelemente (222) ein radiales Spiel (s) in
der Befestigungsnut aufweisen.
2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente als Haken ausgebildet sind.
3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Spiel (s) kleiner als 20% eines Masses h ist, wobei das Mass h als das
Mass von der im Betrieb von Heissgas überströmten Seite des Hitzeschutzschildes bis
zu der am weitesten von dieser entfernten Stelle eines Aufnahmeelementes ist.
4. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Spiel (s) zwischen 0,1 mm und 5 mm beträgt
1. Fastening device for fastening heat-protection shields (110, 120, 130, 140, 210, 220,
230, 240) in a turbomachine, by means of which fastening device the heat-protection
shields are fixed in a radial and an axial installed position, which fastening device
consists of a plurality of mounting elements (221, 222, 223), which are arranged in
at least three different axial installed positions on the heat-protection shield and
engage in the installed state in fastening slots of a shaft (1) or a casing (2) of
the turbomachine, characterized in that the mounting elements (221, 223) lying axially furthest on the outside, in the installed
state, are arranged free of clearance in the fastening slots in the radial direction
(R), and the mounting elements (222) arranged axially between these mounting elements
(221, 223) have a radial clearance (s) in the fastening slot.
2. Fastening device according to Claim 1, characterized in that the mounting elements are designed as hooks.
3. Fastening device according to Claim 1, characterized in that the radial clearance (s) is less than 20% of a size h, the size h being the size
from that side of the heat-protection shield over which hot gas flows during operation
up to that point of a mounting element which is furthest away from this side.
4. Fastening device according to Claim 1, characterized in that the radial clearance (s) is between 0.1 mm and 5 mm.
1. Dispositif de fixation pour la fixation de boucliers thermiques (110, 120, 130, 140,
210, 220, 230, 240) dans une turbomachine, les boucliers thermiques étant fixés par
ledit dispositif de fixation dans une position de montage radiale et une position
de montage axiale, ledit dispositif de fixation se composant d'une pluralité d'éléments
de réception (221, 222, 223) qui sont disposés dans au moins trois positions de montage
axiales différentes sur le bouclier thermique, lesdits éléments de réception venant
en prise dans l'état monté dans des rainures de fixation d'un arbre (1) ou d'un carter
(2) de la turbomachine, caractérisé en ce que les éléments de réception (221, 223) situés les plus à l'extérieur axialement sont
disposés dans l'état monté dans la direction radiale (R) sans jeu dans les rainures
de fixation, et les éléments de réception (222) disposés axialement entre ceux-ci
présentent un jeu radial (s) dans la rainure de fixation.
2. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de réception sont réalisés sous forme de crochets.
3. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu radial (s) est inférieur à 20 % d'une mesure h, la mesure h étant la distance
du côté du bouclier thermique parcouru par le gaz chaud pendant le fonctionnement
jusqu'à l'endroit d'un élément de réception le plus éloigné de celui-ci.
4. Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu radial (s) est compris entre 0,1 mm et 5 mm.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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