Leitschaufelträger

Abstract

 Ein Leitschaufelträger (1) in abschnittsweise konischer oder zylindrischer Bauweise, insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine (101), mit einer an seiner Außenseite konzentrisch angeordneten, im Wesentlichen kreisringförmigen Radialrippe (8), soll unter Erhaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit einen besonders hohen Wirkungsgrad einer Gas- oder Dampfturbine ermöglichen. Dazu ist in die Radialrippe (8) eine Anzahl von Aussparungen (12) eingebracht.

Beschreibung

Leitschaufelträger

[0001] Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger in abschnittsweise konischer oder zylindrischer Bauweise, insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine, mit einer an seiner Außenseite konzentrisch angeordneten, im Wesentlichen kreisringförmigen Radialrippe. Sie betrifft weiter eine Gas- und Dampfturbine mit einem derartigen Leitschaufelträger.

[0002] Gas- oder Dampfturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs oder überhitzten Dampfes zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Dazu wird bei der Gasturbine der Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Bei der Dampfturbine wird von einem Dampferzeuger erzeugter Dampf zugeführt. Das unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dann über eine nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.

[0003] Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.

[0004] Die Leitschaufeln sind dabei jeweils über einen auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß an einem Leitschaufelträger der Turbineneinheit fixiert. Bei stationären Gas- oder Dampfturbinen ist dieser Leitschaufelträger üblicherweise konisch oder zylindrisch geformt und besteht jeweils aus einem oberen und einem unteren Umfangssegment, die z. B. über Flansche miteinander verbunden sind.

[0005] Zur Aufhängung des Leitschaufelträgers im Außengehäuse der Gas- oder Dampfturbine ist an dessen Außenseite üblicherweise eine radiale Rippe vorgesehen, die im Wesentlichen kreisringförmig ist und konzentrisch zur Turbinenachse angeordnet ist. Diese ist üblicherweise einteilig ausgeführt, um neben der Aufhängung des Leitschaufelträgers auch noch Dichtfunktionen zwischen axial beabstandeten Bereichen zwischen Leitschaufelträger und Außengehäuse zu übernehmen.

[0006] Bei der Auslegung heutiger Gas- oder Dampfturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Temperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden bei heutigen Gasturbinen Temperaturen von etwa 1.200 °C bis 1.500 °C angestrebt und auch erreicht.

[0007] Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um diesen hohen Temperaturen widerstehen zu können, wird der Leitschaufelträger bzw. dessen oberes und unteres Umfangssegment häufig als einteiliges Gussteil aus warmfestem Stahl gefertigt. Dabei führt jedoch die unterschiedliche Ausdehnung unterschiedlicher Bauteile bzw. verschiedener Bereiche eines Bauteils beispielsweise beim Hochfahren, dem Warmstart und Herunterfahren der Gas- oder Dampfturbine zu einer thermischen Verformung und somit mechanischen Belastung des Leitschaufelträgers. Diese Verformung kann bis zu einer Ovalisierung des gesamten Leitschaufelträgers führen und sich somit auf die Größe der Radialspalte im Verdichter oder der Turbine, d. h. der Spalte zwischen Laufschaufeln und Innengehäuse auswirken. Aufgrund dieser Verformung müssen die Radialspalte bei der Konstruktion der Turbine entsprechend großzügig ausgelegt werden, was einen vergleichsweise schlechteren Wirkungsgrad zur Folge haben kann.

[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelträger der oben genannten Art anzugeben, welcher unter Erhaltung der größtmöglichen betrieblichen Sicherheit einen besonders hohen Wirkungsgrad einer Gas- oder Dampfturbine ermöglicht.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in die Radialrippe eine Anzahl von Aussparungen eingebracht ist.

[0010] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad einer Gas- oder Dampfturbine erreicht werden könnte, wenn die Radialspalte zwischen Laufschaufeln und Innengehäuse der Turbine und gegebenenfalls des Verdichters möglichst klein ausgelegt werden könnten. Um dies zu ermöglichen, sollte die Verformung des Innengehäuses und des Leitschaufelträgers, an dem das Innengehäuse befestigt ist, beispielsweise in Betriebszuständen wie dem Hochfahren, dem Warmstart und dem Herunterfahren möglichst gering gehalten werden. Dabei ist die Radialrippe, die zur Aufnahme des Leitschaufelträgers im Außengehäuse dient, aufgrund ihrer massiven Ausbildung wesentlich an der Verformung des Leitschaufelträgers beteiligt. Um die aus der Form der Radialrippe resultierenden Spannungen zu minimieren, sollte diese daher eine spezielle Formgebung erhalten. Dabei sollte die Formgebung derart gestaltet sein, dass sowohl die radiale Temperaturdifferenz als auch die Steifigkeit der Radialrippe reduziert wird. Dazu sollte der äußere Rand der Radialrippe nicht durchgehend kreisförmig sondern segmentförmig unterbrochen ausgeführt werden. Dies ist erreichbar, indem in die Radialrippe eine Anzahl von Aussparungen eingebracht ist.

[0011] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Leitschaufelträger dabei eine Mehrzahl von Umfangssegmenten. Leitschaufelträger, die in eine Mehrzahl von Umfangssegmenten geteilt sind und beispielsweise über Flansche miteinander verbunden sind, erleiden nämlich durch die thermische Verformung nicht nur eine Ovalisierung sondern diese führt auch zu einem Klaffen der Teilfugen zwischen den Umfangssegmenten und einer hohen mechanischen Belastung der Schrauben, die die Flansche der einzelnen Umfangssegmente verbinden, was bis hin zum Plastifizieren des Schraubenschaftes dieser Schrauben führen kann. Daher bietet das Einbringen einer Anzahl von Aussparungen in die Radialrippe bei derartigen umfangssegmentierten Leitschaufelträgern besondere Vorteile hinsichtlich der Reduzierung der Verformung und der Verbesserung des Wirkungsgrades der Gas- oder Dampfturbine.

[0012] Grundsätzlich sind verschiedenste Formen von Aussparungen denkbar, beispielsweise das Einbringen von kleinen Mulden in den Rand der Radialrippe oder eine vollständige Segmentierung der Radialrippe. Dabei sollten vorteilhafterweise pro Umfangssegment mindestens zwei Aussparungen in die Radialrippe eingebracht sein, um die für die Teilfugenbelastung ursächliche Rippensteifigkeit besonders gut zu reduzieren.

[0013] Weiterhin sollte sich die jeweilige Aussparung vorteilhafterweise in radialer Richtung über mehr als ein Drittel der radialen Ausdehnung der Radialrippe erstrecken, um eine besonders gute Reduzierung der Rippensteifigkeit und der radialen Temperaturdifferenz zu erreichen.

[0014] Beim Einbringen von Aussparungen in die Radialrippe ist keine Abdichtung zwischen den unterschiedlichen axialen Bereichen zwischen Turbinengehäuse und Leitschaufelträger mehr gewährleistet. Um diese Dichtfunktion der Radialrippe auch beim Einbringen von Aussparungen zu realisieren, sollte daher in die jeweilige Aussparung vorteilhafterweise ein Dichtblech eingesetzt sein. Dadurch wird die jeweilige Aussparung in axialer Richtung verschlossen. Damit ist einerseits eine gute Dichtwirkung gewährleistet, andererseits eine besonders geringe durch thermische Ausdehnung verursachte Belastung des Leitschaufelträgers.

[0015] Um eine sichere und gute Befestigung der Dichtbleche in den Aussparungen zu erzielen und gleichzeitig eine besonders einfache Konstruktion des Leitschaufelträgers zu ermöglichen, weist die jeweilige Aussparung vorteilhafterweise eine Aufnahmenut auf. Das Dichtblech wird dann in diese Aufnahmenut eingesetzt, was einerseits einen sicheren, aber dennoch lockeren, die Steifigkeit der Radialrippe nicht erhöhenden Sitz des Dichtbleches ermöglicht.

[0016] Vorteilhafterweise kommt ein derartiger Leitschaufelträger in einer Gas- oder Dampfturbine sowie eine derartige Gas- oder Dampfturbine in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk zum Einsatz.

[0017] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Einbringen einer Anzahl von Aussparungen in die radiale Rippe des Leitschaufelträgers ein besonders hoher Wirkungsgrad der Gas- oder Dampfturbine erreicht werden kann, da die durch die Steifigkeit der Radialrippe verursachte Ovalisierung des Gehäuses erheblich reduziert wird. Dadurch können die Radialspalte in Turbine und gegebenenfalls Verdichter entsprechend klein ausgelegt werden. Insbesondere bei aus mehreren Umfangssegmenten bestehenden Leitschaufelträgern wird zudem ein Klaffen der Fugen zwischen den einzelnen Umfangssegmenten beispielsweise beim Hochfahren, Warmstart oder Herunterfahren der Gas- oder Dampfturbine verhindert und die mechanische Belastung der die Umfangssegmente verbindenden Schrauben erheblich reduziert.

[0018] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

einen Leitschaufelträger aus radialer Richtung mit einer Radialrippe in bisheriger Bauart,

FIG 2

den Leitschaufelträger aus FIG 1 aus axialer Richtung,

FIG 3

einen Leitschaufelträger mit einer segmentierten Radialrippe aus radialer Richtung,

FIG 4

den Leitschaufelträger aus FIG 3 aus axialer Richtung,

FIG 5 und 6

jeweils den Leitschaufelträger aus den FIG 3 und 4 mit einem in die Aussparungen eingebrachten Dichtblech, und

FIG 7 bis 10

jeweils die Darstellungen aus den FIG 3 bis 6 für einen Leitschaufelträger mit in die Radialrippe eingebrachten Mulden.

[0019] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0020] FIG 1 zeigt einen Leitschaufelträger 1 in zylindrischer Bauweise. Dieser ist zusammengesetzt aus einem oberen Umfangssegment 2 sowie einem unteren Umfangssegment 4, die über Flansche 6 miteinander verbunden sind. Der Leitschaufelträger 1 umfasst weiterhin eine Radialrippe 8, welche im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist und sich über den gesamten Umfang des Leitschaufelträgers 1 erstreckt. Die Radialrippe dient hierbei insbesondere zur Abdichtung axial beabstandeter Bereiche des Leitschaufelträgers 1 und zur Befestigung des Leitschaufelträgers 1 im Turbinengehäuse einer Gas- oder Dampfturbine.

[0021] Durch die hohen Temperaturen in der Gasturbine und die unterschiedliche Temperaturverteilung insbesondere in Betriebszuständen wie dem Hochfahren, dem Warmstart oder dem Herunterfahren kommt es zu thermischen Verformungen der Bauteile des Leitschaufelträgers 1. Dabei kann es insbesondere aufgrund der in FIG 2 gut erkennbaren durchgängigen Kreisringform der Radialrippe 8 zu einer starken Ovalisierung des Leitschaufelträgers sowie einem Klaffen der Fuge 10 zwischen den Flanschen 6 und einer Materialermüdung der diese verbindenden Schrauben kommen.

[0022] Um diese Verformungen abzumildern, sind in die Radialrippe Aussparungen 12 eingebracht, wie in den FIG 3 und 4 zu erkennen. Die in der FIG 4 gezeigten Aussparungen 12 erstrecken sich praktisch über die gesamte radiale Ausdehnung der Radialrippe 8 und reduzieren so deutlich deren Steifigkeit, was zu einer geringeren Verwindung durch thermische Verformung führt.

[0023] In der gezeigten Form des Leitschaufelträgers 1 sind dabei in das obere bzw. untere Umfangssegment 2, 4 jeweils drei Aussparungen 12 eingebracht, die die Radialrippe 8 segmentieren.

[0024] Um die Dichtwirkung der Radialrippe 8 in axialer Richtung zu erhalten, sind in die Aussparungen 12 Aufnahmenuten 14 eingebracht. In diese Aufnahmenuten 14 sind jeweils Dichtbleche 16 eingesetzt, welche eine axiale Abdichtung der verschiedenen Bereiche am Leitschaufelträger 1 gewährleisten. Dabei erhöhen die Dichtbleche 16 nicht die Steifigkeit der Radialrippe 8, da sie lediglich in die Aufnahmenuten 14 eingesetzt sind. Der Leitschaufelträger 1 mit eingesetzten Dichtblechen 16 ist jeweils in den FIG 5 und 6 dargestellt.

[0025] Eine weitere Ausführungsform des Leitschaufelträgers 1 ist in den FIG 7 bis 10 dargestellt. Dabei zeigen die FIG 7 und 9 jeweils wieder die radiale Ansicht, die FIG 8 und 10 die axiale Ansicht des Leitschaufelträgers 1. In den FIG 9 und 10 ist dabei jeweils ein durchgehendes Dichtblech 16 eingesetzt.

[0026] In den Leitschaufelträger 1 nach den FIG 7 bis 10 ist in die Radialrippe 8 eine Anzahl von muldenförmigen Aussparungen 12 eingebracht. Diese erstrecken sich lediglich über etwa 30% der radialen Ausdehnung der Radialrippe 8, dafür sind pro oberem bzw. unterem Umfangssegment 2 jeweils acht Aussparungen 12 vorgesehen. Auch in dieser Ausführungsform ist die Steifigkeit der Radialrippe 8 stark reduziert, was zu einer geringeren Verformung des Leitschaufelträgers 1 beim Einsatz in einer Gas- oder Dampfturbine führt.

[0027] Eine Gasturbine 101, wie in FIG 11 dargestellt, weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 104 sowie eine Turbineneinheit 106 zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 106 und der Verdichter 102 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 108 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 109 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 104 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.

[0028] Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 112 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 112 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 114 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 112 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.

[0029] Jede Leitschaufel 114 weist eine Plattform 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 112 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 119,an der Turbinenwelle 108 befestigt.

[0030] Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 121 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 1 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.

[0031] Die Brennkammer 104 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 108 herum angeordneten Brennern 110 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 104 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 108 herum positioniert ist.

[0032] Durch die Verwendung eines Leitschaufelträgers 1 der oben angegebenen Ausgestaltung kann eine deutliche Wirkungsgraderhöhung im Betrieb der Gasturbine 101 oder eine Dampfturbine bei gleichzeitig hoher betrieblicher Sicherheit und Lebensdauer erreicht werden. Durch die Reduzierung der Steifigkeit der Radialrippe 8 wird nämlich die Verformung des Leitschaufelträgers 1 im Betrieb vermindert und die Radialspalte zwischen Laufschaufeln 112 und Ringsegmenten 121 können vergleichsweise klein und somit wirkungsgradoptimiert ausgelegt werden.

Ansprüche

1. Leitschaufelträger (1) in abschnittsweise konischer oder zylindrischer Bauweise,
insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine (101), mit einer an seiner Außenseite konzentrisch angeordneten, im Wesentlichen kreisringförmigen Radialrippe (8),
wobei in die Radialrippe (8) eine Anzahl von Aussparungen (12) eingebracht ist.

2. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 1,
bei dem der Leitschaufelträger (1) eine Mehrzahl von Umfangssegmenten (2, 4) umfasst.

3. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem pro Umfangssegment (2, 4) mindestens zwei Aussparungen (12) eingebracht sind.

4. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem sich die jeweilige Aussparung (12) in radialer Richtung über mehr als ein Viertel der radialen Ausdehnung der Radialrippe (8) erstreckt.

5. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in die jeweilige Aussparung (12) ein Dichtblech (16) eingesetzt ist.

6. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jeweilige Aussparung (12) eine Aufnahmenut (14) aufweist.

7. Gasturbine (101) mit einem Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Dampfturbine mit einem Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

9. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine (101) nach Anspruch 7 und/oder einer Dampfturbine nach Anspruch 8.

Zeichnung