Gekühlter Mantelring für eine Turbine und Verfahren zur Herstellung eines Mantelrings

Abstract

 Es wird ein Mantelring für eine Gasturbine beschrieben. Am Gehäuse (11) der Turbine ist in Axialrichtung zwischen je zwei Reihen von Leitschaufeln (13) ein Mantelring (18) vorgesehen. Erfindungsgemäß weist der Mantelring (18) eine dem Gehäuse (11) zugewandte Außenwand (19) und eine dem Rotor (12) zugewandte Innenwand (20) auf, die über einen Hohlraum (21) zueinander beabstandet und mit einer Anzahl von Stiften (22) miteinander verbunden sind. Durch diese Konstruktion kann die Dicke (d₂) der Innenwand (20) wesentlich verringert und hierdurch die Kühlwirkung verbessert werden, ohne daß die Stabilität des Mantelrings (18) verringert wird. Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mantelrings (18) mit Wänden (19,20) und einem dazwischenliegenden Hohlraum (21) beschrieben.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Führungsring für eine Turbine, insbesondere für eine Gasturbine, die ein Gehäuse mit mehreren Reihen von Leitschaufeln und einen Rotor mit mehreren Reihen von Laufschaufeln aufweist, wobei am Gehäuse in Axialrichtung zwischen je zwei Reihen von Leitschaufeln ein Führungsring vorgesehen ist. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Führungsrings.

[0002] Ein derartiger Führungsring ist aus der EP 0 709 550 A1 bekannt. Zum Gehäuse hin ist dieser Führungsring mit einer Prallplatte überdeckt, so daß ein Hohlraum entsteht. Das Kühlfluid wird gehäuseseitig der Prallplatte eingeleitet, tritt durch Löcher in der Prallplatte hindurch und trifft dann im wesentlich senkrecht auf den Führungsring. An der Vorderkante des Führungsrings ist ein Kanal vorgesehen, aus dem das Kühlmedium austreten kann. In diesem Kanal liegt keine Verbindung zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Führungsrings vor.

[0003] Nachteilig bei diesem bekannten Führungsring ist, daß die Innenwand und der weitere Bereich des Führungsrings vergleichsweise dick ausgeführt werden müssen. Nur durch diese dicke Ausbildung wird die erforderliche mechanische Stabilität erreicht. Der Führungsring darf beispielsweise bei einem gelegentlich auftretenden Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln nicht versagen. Auch eine Rißbildung ohne ein derartiges Anstreifen muß vermieden werden. Der bekannte Führungsring und auch dessen nur partiell vorgesehene Innenwand sind daher dick ausgebildet, was zu einer schlechten Kühleffizienz führt.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Führungsring mit verbesserter Kühlung ohne Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Führungsring der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Führungsring eine dem Gehäuse zugewandte Außenwand und eine dem Rotor zugewandte Innenwand aufweist, die über einen Hohlraum zueinander beabstandet und mit einer Anzahl von Abstützelementen miteinander verbunden sind.

[0006] Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion mit einer Innenwand, die über einen Hohlraum zu einer Außenwand beabstandet ist und sich mittels Abstützelementen an dieser Außenwand abstützt ermöglicht die Verwendung einer dünnen Innenwand. Es wird daher eine hohe Kühleffizienz erreicht. Die erforderliche mechanische Stabilität der dünnen Innenwand wird durch die Abstützung mittels der Abstützelemente an der Außenwand gewährleistet.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0008] Vorteilhaft sind die Außenwand, die Innenwand und die Abstützelemente materialeinstückig miteinander verbunden. Der Führungsring kann dann einstückig unter Verwendung eines geeigneten Kerns gegossen werden. Herstellung und Montage werden vereinfacht, und Montagetoleranzen werden vollständig ausgeschlossen.

[0009] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Dicke der Außenwand ein Vielfaches der Dicke der Innenwand und ist insbesondere zwei- bis siebenmal so groß. Das genaue Dickenverhältnis hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab. Die Dicke der Innenwand kann erfindungsgemäß wesentlich verringert werden. Anzahl, Form und Anordnung der Abstützelemente werden derart gewählt, daß die Innenwand an der deutlich dickeren Außenwand abgestützt wird und somit die mechanische Stabilität gewährleistet ist.

[0010] Die Höhe des Hohlraums kann kleiner als die Dicke der Außenwand, aber größer als die Dicke der Innenwand sein. Da der Hohlraum im wesentlichen nur zur Verteilung des Kühlmediums über die gesamte Fläche der Innenwand dient, kann dessen Höhe reduziert werden, so daß sich insgesamt ein kompakter Aufbau bei geringem Materialbedarf ergibt.

[0011] Vorteilhaft sind die Abstützelemente als Stifte ausgebildet, wobei der Abstand zwischen Mittelachsen der Stifte eineinhalb- bis zweieinhalbmal so groß wie der Durchmesser der Stifte ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine ausreichende Abstützung und Stabilität der Innenwand, wobei gleichzeitig eine große Fläche der Innenwand vom Kühlmedium beaufschlagt werden kann.

[0012] In vorteilhafter Weiterbildung erstreckt sich der Hohlraum über mindestens die Hälfte der axialen Länge des Führungsrings, insbesondere über mindestens 80 Prozent der axialen Länge. Somit kann fast die gesamte Fläche des Führungsrings gekühlt werden. Lediglich in den Randbereichen, in denen der Führungsring in Axialrichtung mit den Reihen von Leitschaufeln verbunden ist, ergibt sich ein kleiner Bereich verringerter Kühlung. Falls der Führungsring aus mehreren Segmenten besteht, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, ist im Randbereich in Umfangsrichtung eine ähnliche Konstruktion wie in Axialrichtung vorgesehen.

[0013] Die Innenwand kann mindestens eine vom Hohlraum in Richtung zum Rotor verlaufende Ausnehmung aufweisen. Diese Ausnehmung entsteht bei der Herstellung im Busverfahren durch die Verwendung eines Kerns, der mit Vorsprüngen zur Abstützung an der Innenseite der Form versehen ist. Durch diese Vorsprünge kann eine definierte Dicke der Innenwand sowie gegebenenfalls der Außenwand sichergestellt werden. Eine eventuelle Verschiebung des Kerns während des Gießens, die Einfluß auf die Dicken von Innenwand und Außenwand haben könnte, wird somit zuverlässig vermieden.

[0014] Vorteilhaft ist der Hohlraum über mindestens eine Zuführung mit einem Kühlmedium beaufschlagbar. Es kann ebenfalls mindestens eine Abführung vorgesehen werden. Das Kühlmedium kann dann direkt in den Hohlraum eingeführt werden. Ein Einbringend es Kühlmittels in einen Raum radial außerhalb der Außenwand und ein Durchtreten durch entsprechend vorgesehene Ausnehmungen in der Außenwand zur Beaufschlagung der Innenfläche ist dann nicht mehr erforderlich. Die Abführung selbst kann in Richtung zum Gehäuse oder in Axialrichtung zur Vorderkante und/oder Hinterkante des Führungsrings zur Spaltabdichtung erfolgen.

[0015] Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Führungsrings für eine Turbine, insbesondere zur Herstellung eines oben beschriebenen Führungsrings. Es wird zunächst ein Kern zur Ausbildung des Hohlraums des Führungsrings in eine Form eingebracht, die Form verschlossen und mit dem Material des Führungsrings gefüllt. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und der Führungsring zusammen mit dem Kern entnommen. Anschließend wird der Kern entfernt, beispielsweise ausgelaugt, so daß der Hohlraum freigegebene wird. Es wird eine einstückige Herstellung des Führungsrings ermöglicht, so daß die Montage wesentlich vereinfacht wird.

[0016] Der Kern ist hierbei mit einem oder mehreren Vorsprüngen zur Abstützung an der Form versehen, um eine definierte Dicke der den Hohlraum begrenzenden Wände des Führungsrings sicherzustellen. Die Abstützung kann einseitig oder beidseitig erfolgen. Durch die Vorsprünge, die zur Innenwand, zur Außenwand oder zu beiden Wänden gerichtet sind, werden Verschiebungen des Kerns während des Gießens vermieden. Unerwünschte Variationen in der Wanddicke werden zuverlässig unterbunden.

[0017] Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche und funktionsidentische Bauteile werden durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Turbine;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X in Figur 1;

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Y in Figur 2;

Figur 4 eine schematische Darstellung der Herstellung des erfindungsgemäßen Führungsrings;

Figur 5 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kerns zur Herstellung des erfindungsgemäßen Führungsrings; und

Figur 6 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kerns zur Herstellung des erfindungsgemäßen Führungs-rings.

[0018] Figur 1 zeigt ein schematischen Längsschnitt durch eine Gasturbine 10 mit einem Gehäuse 11 und einem Rotor 12. Am Gehäuse 11 sind mehrere Reihen von Leitschaufeln 13 und am Rotor 12 mehrere Reihen von Laufschaufeln 14 vorgesehen. Die Turbine 10 wird gemäß Pfeilrichtung 15 von Heißgas durchströmt, das den Rotor 12 in Drehung gemäß Pfeilrichtung 17 um eine Drehachse 16 versetzt. Zwischen je zwei Reihen von Leitschaufeln 13 sind am Gehäuse Führungsringe 18 angeordnet. Diese Führungsringe 18 werden insbesondere im Figur 1 links angeordneten Eintrittsbereich der Gasturbine 10 gekühlt.

[0019] Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Führungsrings 18 ist in den Figuren 2 und 3 näher dargestellt. Er weist eine vergleichsweise dicke Außenwand 19 auf, die dem Gehäuse 11 zugewandt ist. An der dem Heißgasstrom zugewandten Seite ist eine relativ dünne Innenwand 20 vorgesehen. Die beiden Wände 19, 20 sind über einen Hohlraum 21 zueinander beabstandet. Zur Abstützung der Innenwand 20 sind Abstützelemente in Form von Stiften 22 vorgesehen. Die Befestigung am Gehäuse 11 erfolgt mittels schematisch dargestellter Haken 23. Die Außenwand 19, die Innenwand 20 und die Stifte 22 sind materialeinstückig miteinander verbunden.

[0020] Zur Abdichtung in Axialrichtung ist der Führungsring 18 mit Nuten 24 versehen, in die geeignete, nicht näher dargestellte Rissebleche eingesetzt werden können. Es sind weiter Ansätze 25 zur Ausbildung von Quetschdichtungen vorgesehen.

[0021] Der Hohlraum 21 weist eine Zuführung 37 und eine Abführung 38 für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft auf. Das Kühlmedium tritt wie schematisch dargestellt durch die Zuführung 37 in den Hohlraum 21 ein, umströmt die Stifte 22 und kühlt die Innenwand- 20 und tritt anschließend durch die Abführung 38 wie-der aus. Da die Dicke der Innenwand 20 sehr gering ist, läßt sich eine hohe Kühleffizienz erreichen.

[0022] Der Hohlraum 21 erstreckt sich im wesentlichen über den gesamten zur Verfügung stehenden Bereich des Führungsrings 18. Er ist nur in Randbereichen des Führungsrings 18 nicht vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Hohlraum 21 über etwa 75 Prozent der axialen Läge des Führungsrings 18. Es kann somit der maximal mögliche Bereich des Führungsrings 18 gekühlt werden.

[0023] Die Dicke d₁ der Außenwand 19 beträgt etwa 3 bis 5 mm, die Höhe des h des Hohlraums 21 liegt zwischen 1 und 2 mm. Die Dicke d₂ der Innenwand beträgt etwa 0,7 bis 1,2 mm. Der Durchmesser E der Stifte liegt zwischen 1 und 3 mm, wobei der Abstand A zwischen Mittelachsen der Stifte etwa eineinhalbbis zweieinhalbmal so groß ist wie der Durchmesser D. Da die Innenwand 20 über die Stifte 22 mit der Außenwand 19 verbunden ist, kann ihre Dicke d₂ wesentlich verringert werden. Die erforderliche mechanische Stabilität wird durch die Dicke d₁ der Außenwand 19 und die Stifte 22 gewährleistet. Die Dicke d₁ der Außenwand 19 beträgt ein Vielfaches der Dicke d₂ der Innenwand 20 und ist insbesondere zwei- bis siebenmal so groß. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke d₁ der Außenwand 19 etwa dreimal so groß wie die Dicke d₂ der Innenwand 20.

[0024] Die Innenwand 20 ist mit mehreren Ausnehmungen 27 versehen, die sich vom Hohlraum 21 in Richtung zum Rotor 12 hin erstrecken. Diese Ausnehmungen 27 sind konisch ausgebildet und hinterlassen in einer vom Heißgasstrom beaufschlagten Innenfläche 26 der Innenwand 20 kleine Löcher. Da die Innenfläche 26 in vielen Fällen mit einer Beschichtung 28 versehen wird, werden diese Löcher verschlossen und sind unkritisch. Die Beschichtung 28 erhöht die Wärmebeständigkeit.

[0025] Die Ausnehmungen 27 entstehen bei der Herstellung des Führungsrings 18, die schematisch in Figur 4 dargestellt ist. Es ist eine Form 29 mit einem Oberteil 30 und einem Unterteil 31 vorgesehen. Die beiden Teile 30, 31 sind gemäß Pfeilrichtung 32 zueinander beweglich. Die Formteilung ist schematisch durch die Linie 39 angegeben.

[0026] Zur Ausbildung des Hohlraums 21 dient ein Kern 33, der in die Form 29 eingebracht wird. Der Kern 33 weist Ausnehmungen 35 zur Herstellung der stifte 22 auf. Er ist weiter mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 36 zur Abstützung an der Form 29 versehen. Auch an der gegenüberliegenden Seite des Kerns 33 können derartige Vorsprünge vorgesehen werden, die schematisch durch die Strichlinie 40 angedeutet sind. Die Vorsprünge 36, 40 halten den Kern zusammen mit schematisch dargestellten Haken 34 in einer definierten Position in der Form 29. Eine Verschiebung des Kerns 33 in Pfeilrichtung 32, die zu einer Änderung der Dicken d₁, d₂ der Wände 19, 20 führen würde, wird zuverlässig vermieden. Es können somit definierte Dicken d₁, d₂ für die Außenwand 19 und die Innenwand 20 vorgegeben werden. Fertigungstoleranzen werden auf ein Minimum reduziert.

[0027] Nach dem Einbringen des Kerns 33 wird die Form 29 verschlossen und mit dem Material zur Ausbildung des Führungsrings 18 gefüllt. Nach dem Abkühlen wird die Form 29 wieder geöffnet, der gegossene Führungsring 18 zusammen mit dem Kern 33 entnommen und anschließend der Kern 33 entfernt. Dies kann beispielsweise durch Ablaugen erfolgen. Die von den Haken 34 hinterlassenen Öffnungen bilden dann die Zuführung 37 und Abführung 38 für das Kühlmedium.

[0028] Die Figuren 5 und 6 zeigen schematische Draufsichten auf zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines Kern 33. In Figur 5 sind die Ausnehmungen 35 in vertikal und horizontal verlaufenden Reihen angeordnet. Der Abstand A zwischen den einzelnen Ausnehmungen 35 ist etwa doppelt so groß wie deren Durchmesser D. In Figur 6 sind die Ausnehmungen 35 demgegenüber seitlich und vertikal zueinander versetzt. Der Abstand A ist etwa eineinhalbmal so groß wie der Durchmesser D.

[0029] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 werden Ausnehmungen 35 mit einem geringeren Durchmesser D als in Figur 5 verwendet. Es verringert sich daher auch der Durchmesser der Stifte 22. Um die erforderliche Abstützung der Innenwand 20 zu gewährleisten, wird daher der Abstand A verringert, so daß die Stifte 22 insgesamt dichter gepackt sind. Der Durchmesser D, der Abstand A und die Anordnung der Stifte 22 beziehungsweise Ausnehmungen 35 wird in Abhängigkeit vom Einzelfall festgelegt.

[0030] Es können selbstverständlich auch andere Querschnittsformen zum Einsatz kommen, beispielsweise ovale oder polygonale Stifte 22 oder Ausnehmungen 35. Falls ein gezieltes Strömen des Kühlmittels durch den Hohlraum 21 vorgesehen ist, können die Ausnehmungen 35 auch in Form von Langlöchern ausgebildet werden, die entsprechend dann zur Ausbildung von Wänden zwischen der Innenwand 19 und der Außenwand 20 führen.

[0031] Der erfindungsgemäße Führungsring ermöglicht eine Abstützung der Innenwand 20 an der Außenwand 19. Die Dicke d₂ der Innenwand 20 kann daher wesentlich verringert werden, so daß die Kühleffizienz steigt. Auf Grund dieser Abstützung werden trotz der Verringerung der Dicke d₂ der Innenwand 20 die gewünschten mechanischen Eigenschaften zuverlässig gewährleistet.

Ansprüche

1. Führungsring (18) für eine Turbine, insbesondere für eine Gas-turbine (10), die ein Gehäuse (11) mit mehreren Reihen von Leitschaufeln (13) und einen Rotor (12) mit mehreren Reihen von Laufschaufeln (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine dem Gehäuse (11) zugewandte Außenwand (19) und eine dem Rotor (12) zugewandte Innenwand (20) aufweist, die über einen Hohlraum (21) zueinander beabstandet und mit einer Anzahl von Abstützelementen (22) miteinander verbunden sind.

2. Führungsring (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (19), die Innenwand (20) und die Abstützelemente (22) materialeinstückig miteinander verbunden sind.

3. Führungsring (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d₁) der Außenwand (19) ein Vielfaches der Dicke (d₂) der Innenwand (20) beträgt, insbesondere zwei- bis siebenmal so groß ist.

4. Führungsring (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Hohlraums (21) kleiner ist als die Dicke (d₁) der Außenwand (19), aber größer als die Dicke (d₂) der Innenwand (20).

5. Führungsring (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d adurch gekennzeichnet, daß die Abstützelemente als Stifte (22) ausgebildet sind und der Abstand (A) zwischen Mittelachsen der Stifte (22) eineinhalb bis zweieinhalbmal so groß ist wie der Durchmesser (D) der Stifte (22).

6. Führungsring (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d adurch gekennzeichnet, daß sich der Hohlraum (21) über mindestens die Hälfte der axialen Länge des Führungsrings (18) erstreckt, insbesondere über mindestens 75% der axialen Länge.

7. Führungsring (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (20) mindestens eine vom Hohlraum (21) in Richtung zum Rotor (12) verlaufende Ausnehmung (27) aufweist.

8. Führungsring (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (21) über mindestens eine Zuführung (37) mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist.

9. Führungsring (18) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (21) mit mindestens einer Abführung (38) für das Kühlmedium versehen ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Führungsrings (18) für eine Turbine (10), insbesondere zur Herstellung eines Führungsrings gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kern (33) zur Ausbildung eines Hohlraums (21) des Führungsrings (18) in eine Form (29) eingebracht, die Form (29) verschlossen und mit dem Material zur Ausbildung des Führungsrings (18) gefüllt wird, daß nach dem Abkühlen die Form (29) geöffnet, der Führungsring (18) zusammen mit dem Kern (33) entnommen wird und daß anschließend der Kern (33) entfernt wird, so daß der Hohlraum (21) freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (33) mit einem oder mehreren Vorsprüngen (36; 40) zur Abstützung an der Form (29) versehen ist, um eine definierte Dicke (d₁, d₂) der den Hohlraum (21) begrenzenden Wände (19, 20) des Führungsrings (18) sicherzustellen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (33) einseitig oder beidseitig in der Form (29) abgestützt wird.

12. Gasturbine (10) mit einem Führungsring (18) nachdem der Ansprüche 1 bis 9.

Zeichnung