Leitschaufelanordnung zur Verwendung in einer Gasturbine, und Gasturbine mit einer Anzahl derartiger Leitschaufelanordnungen

Abstract

 Eine Leitschaufelanordnung (16, 18, 20) zur Verwendung in einer Gasturbine soll angegeben werden, mit der Leckage-Verluste im Gehäusebereich besonders wirksam vermieden werden können. Dazu sind erfindungsgemäß zumindest zwei profilierte Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß (32), im Hinblick auf die Strömungsrichtung eines die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen, nacheinander derart beabstandet angeordnet, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite (w) die Ausdehnung einer zugeordneten Laufschaufel (10) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums übersteigt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelanordnung, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine. Sie betrifft weiter eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe zugeordneten Leitschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe zugeordneten Laufschaufeln.

[0002] Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.

[0003] Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. In analoger Bauweise sind im Luftverdichter zu Laufschaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet, die mit der Turbinenwelle fest verbunden sind und infolge der Rotation der Turbinenwelle eine Kompression oder Verdichtung der im Luftverdichter befindlichen Luft bewirken. Auch im Luftverdichter sind üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet, wobei die Leitschaufeln sowohl im Luftverdichter als auch in der Turbineneinheit zur geeigneten Strömungsführung des die jeweilige Komponente durchströmenden Strömungsmediums zwischen den Laufschaufelreihen vorgesehen sind.

[0004] Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Dafür ist unter anderem eine gezielte Führung des Strömungsmediums innerhalb des Luftverdichters und auch innerhalb der Turbineneinheit günstig, wobei unter anderem sichergestellt werden soll, dass das Strömungsmedium die Laufschaufelreihen jeweils im Bereich der den Impulsübertrag bewirkenden Schaufelprofile durchtritt. Eine seitliche Umströmung der Schaufelprofile, insbesondere in deren Außenbereich, soll weitgehend vermieden werden, um dadurch bedingte Verluste gering zu halten. Dazu sind die Leitschaufeln üblicherweise über so genannte Plattformen oder Schaufelfüße am Gehäuse des Luftverdichters oder der Turbineneinheit verankert, wobei die Plattformen oder Schaufelfüße derart konturiert und ausgestaltet sind, dass sie im Gesamtquerschnitt kreisförmige Segmente des Strömungskanals für das Arbeitsmedium bilden. Im Bereich der Laufschaufelreihen sind diese durch diese Plattformen oder Schaufelfüße gebildeten Kanalsegmente über so genannte Führungsringe miteinander verbunden, so dass ein annähernd durchgängiger und sich gleichmäßig erstreckender Strömungskanal für das Arbeitsmedium gebildet ist.

[0005] Zur Vermeidung von Verlusten und auch zur gezielten Strömungsführung des Arbeitsmediums sind die Plattformen für die Leitschaufeln und die diesen benachbarten Führungsringe im Bereich ihrer jeweiligen Kontaktstelle üblicherweise überlappend angeordnet, so dass ein Austritt vom Arbeitsmedium in den Außenbereich weitgehend vermieden ist. Aufgrund verbleibender Restspalte sind dennoch hierdurch bedingte Leckagen nicht gänzlich auszuschließen, so dass unerwünschte Verluste auftreten können.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelanordnung zur Verwendung in einer Gasturbine anzugeben, mit der derartige Verluste besonders gering gehalten werden können. Des Weiteren soll eine Gasturbine mit einer derartigen Leitschaufelanordnung angegeben werden.

[0007] Bezüglich der Leitschaufelanordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest zwei profilierte Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß im Hinblick auf die Strömungsrichtung eines die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen nacheinander derart beabstandet angeordnet sind, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite die Ausdehnung einer zugeordneten Laufschaufel in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums übersteigt.

[0008] Damit ist in der Art einer gepaarten Anordnung die Anbringung einer Mehrzahl von Leitschaufeln, die auch verschiedenen Leitschaufelreihen zuzurechnen sind, auf einem gemeinsamen Schaufelfuß vorgesehen, wobei der Abstand zwischen diesen Leitschaufeln in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen derart groß bemessen ist, dass dazwischen liegende Laufschaufeln ungehindert zwischen den jeweiligen Leitschaufeln passieren können. Durch eine derartige Leitschaufelanordnung ist somit erreichbar, dass in der Art gemeinsamer Bauteile die Leitschaufeln zweier nachgeordneter Leitschaufelreihen auf gemeinsamen Schaufelfüßen angeordnet sein können, wobei die diesen Leitschaufeln gemeinsamen Schaufelfüße ebenfalls den eigentlich zwischen den jeweiligen Leitschaufelreihen vorgesehen Führungsring umfassen. Ein derartiges, beispielsweise einstückig gegossenes Bauteil trägt somit dazu bei, dass Stoßkanten oder Überlappzonen zwischen Leitschaufelplattformen und ihnen axial benachbarten Führungsringen vermieden oder zumindest in ihrer Anzahl begrenzt werden können, so dass die dadurch bedingten Verluste und Leckagen besonders gering gehalten werden können. Der Einsatz von Sperrmedien, wie beispielsweise Luft, kann in derartigen Ausgestaltungen somit ebenfalls besonders gering gehalten werden.

[0009] Vorteilhafterweise wird eine derartige Leitschaufelanordnung in einer Gasturbine, vorzugsweise in deren Verdichtereinheit und/oder in deren Turbineneinheit, eingesetzt. Die zur Lösung der oben genannten Aufgabe vorgeschlagene Gasturbine umfasst dementsprechend eine Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe zugeordneten Leitschaufeln und eine Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe zugeordneten, an einem Rotor befestigten Laufschaufeln, wobei zumindest zwei profilierte, jeweils verschiedenen Leitschaufelreihen zugeordnete Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß angeordnet sind, und wobei zwischen diesen Leitschaufelreihen zumindest eine Laufschaufelreihe angeordnet ist.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

schematisch einen Verdichter einer Gasturbine, und

FIG 2

eine Leitschaufelanordnung zum Einsatz in einer Gasturbine.

[0011] Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0012] Der Verdichter 1 gemäß FIG 1 ist Teil einer nicht näher dargestellten Gasturbine. Der Verdichter 1 dient der Verdichtung von Frischluft FL. Hierzu weist der Verdichter 1 an seiner Ansaugseite eine Ansaugleitung 2 auf. Druckseitig wird verdichtet Luft VL über eine Leitung 4 der nicht näher dargestellten Brennkammer der Gasturbine zugeführt.

[0013] Der Verdichter 1 weist zum Verdichten der Frischluft FL eine Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen 4, 6, 8 zusammengefassten Laufschaufeln 10 auf, die über eine jeweils zugehörige Schaufelhalterungsstruktur 12 an der Turbinenwelle oder dem Rotor 14 der Gasturbine angeordnet sind. Zur Führung des Strömungsmediums zwischen den Laufschaufelreihen 4, 6, 8 umfasst der Verdichter 1 zudem eine Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen 16, 18, 20 zusammengefassten Leitschaufeln 22. Die Leitschaufeln 22 sind um den Rotor 14 umlaufend angeordnet, so dass Leitschaufelkränze oder Leitschaufelreihen entstehen. Jede Leitschaufel 22 ist über eine zugeordnete Schaufelhalterung am Gehäuse des Verdichters 1 befestig.

[0014] In analoger Bauweise ist auch die Turbineneinheit der Gasturbine aus einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln und einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten Leitschaufeln gebildet, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen die Leitschaufelreihen und die Laufschaufelreihen sequentiell nacheinander angeordnet sind.

[0015] Der Verdichter 1 und auch die Turbineneinheit der Gasturbine sind gezielt dafür ausgelegt, Leckageverluste und dergleichen an Stoßstellen oder dergleichen in den Gehäusebereichen des Verdichters 1 und/oder der Turbineneinheit besonders gering zu halten. Dazu umfasst der Verdichter 1 und gegebenenfalls auch die Turbineneinheit jeweils eine Anzahl von Leitschaufelanordnungen 30, die gezielt für eine Minimierung derartiger Verluste ausgelegt sind. Die Leitschaufelanordnungen 30 sind zu diesem Zweck derart ausgeführt, dass auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 eine Mehrzahl von Leitschaufelblättern einzelner Leitschaufeln 22 angeordnet ist, wie dies insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in FIG 2 ersichtlich ist. Die Anordnung der Leitschaufelblätter auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 ist derart vorgesehen, dass die Schaufelblätter von Leitschaufeln 22 von zumindest zwei verschiedenen, in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, nacheinander angeordneten Leitschaufelreihen 16, 18, 20 auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordnet sind. Dementsprechend ist in Strömungsrichtung des die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen der Abstand der auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordneten profilierten Schaufelblätter der jeweiligen Leitschaufeln 22 derart gewählt, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite w, die infolge der Konturierung der einzelnen Schaufelblätter in deren Längsrichtung gesehen variieren kann, in jedem Fall die Ausdehnung einer zugeordneten, d. h. dazwischen vorgesehenen Laufschaufel 10 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - übersteigt. Dies ist in FIG 2 durch die gestrichelt dargestellte Laufschaufel 10 zwischen den Leitschaufeln 22 angedeutet.

[0016] Mit anderen Worten: Die Dimensionierung und Konfigurierung der Leitschaufelanordnung 30 ist derart ausgeführt, dass zwischen den mit einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 versehenen Leitschaufeln 22 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - ausreichend Raum für die zwischen den jeweiligen Leitschaufelreihen rotierenden Laufschaufeln 10 gegeben ist, so dass eine ungehinderte Rotationsbewegung der jeweiligen Laufschaufeln 10 zwischen den jeweiligen Leitschaufeln 22 hindurch ermöglicht ist.

[0017] An seiner von den jeweiligen Schaufelblättern abgewandten Seite ist der Schaufelfuß 32 mit einer Anzahl von Verhakungselementen 34 versehen, die ein Einhängen in zugeordnete Gehäusebestandteile der Gasturbine ermöglichen.

[0018] Die jeweilige Leitschaufelanordnung 30 kann in der Art einer einstückig gegossenen Ausführung hergestellt sein. Durch diese Anordnung ist eine vereinfachte Montage der Leitschaufeln 22 ermöglicht, insbesondere da eine Feinjustierung und eine Abstimmung auf zwischen einzelnen Leitschaufelreihen angeordnete Führungsringe im Bereich der jeweiligen Leitschaufelanordnungen 30 nicht erforderlich ist. Die auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordneten Leitschaufeln 22 können zwei Leitschaufelreihen oder auch mehreren, in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, nacheinander angeordneten Leitschaufelreihen zugeordnet sein. Insbesondere kommt in der Art einer gepaarten Anordnung eine derartig gemeinsam ausgeführte Anordnung der Leitschaufeln 22 auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 für Kombinationen aus Leitschaufeln 22 der jeweils zweiten und dritten oder auch der jeweils dritten und vierten Leitschaufelreihe der Turbineneinheit einer Gasturbine in Frage. Selbstverständlich können aber auch beliebige andere Kombinationen von Leitschaufelreihen mit derartig gemeinsam ausgeführten Schaufelfüßen 32 versehen sein.

Ansprüche

1. Leitschaufelanordnung (16, 18, 20) zur Verwendung in einer Gasturbine,
wobei zumindest zwei profilierte Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß (32), im Hinblick auf die Strömungsrichtung eines die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen, nacheinander derart beabstandet angeordnet sind, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite (w) die Ausdehnung einer zugeordneten Laufschaufel (10) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums übersteigt.

2. Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe (16, 18, 20) zugeordneten Leitschaufeln (22) und mit einer Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe (4, 6, 8) zugeordneten, an einem Rotor (14) befestigten Laufschaufeln (10),
bei der zumindest zwei profilierte, jeweils verschiedenen Leitschaufelreihen (16, 18, 20) zugeordnete Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß (32) angeordnet sind,
wobei zwischen den Leitschaufelreihen (16, 18, 20) zumindest eine Laufschaufelreihe (4, 6, 8) angeordnet ist.

Zeichnung