TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft
ein Verfahren zum Reparieren des Rotors einer Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie einen Rotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
STAND DER TECHNIK
[0002] In der Rotorkühlluftgeometrie von GT-Rotoren der Typen 11 D/N, 13B-D der Anmelderin
wurden in Felduntersuchungen Rissanzeigen im Nutgrund der GT-Kühlluftnut gefunden,
die nachweislich durch zyklischen Betrieb der Maschinen verursacht wurden (siehe dazu
N. Lawin, G. Gnirss, Lebensdauerüberwachung für GT13B-D3A Gasturbinenrotoren - Erkenntnisse,
Diagnose und einsatzspezifische Lösung, VGB Power Tech, 11./12. Mai 2005, Dresden). Eine Darstellung des betroffenen Bereichs aus der Druckschrift ist in Fig. 1
wiedergegeben: Der um eine Achse 11 rotationssymmetrische Rotor 10 umfasst einen Verdichterteil
12 und einen Turbinenteil 13. Im Turbinenteil sind hintereinander mehrere Laufschaufelaufnahmen
18 angeordnet, neben denen Wärmestausegmentträger 14 zur Befestigung von (nicht dargestellten)
Wärmestausegmenten vorgesehen sind. Wie im vergrösserten Ausschnitt der Fig. 1 zu
erkennen ist, verläuft im Wärmestausegmentträger 14 unterhalb der Wärmestausegmentaufnahmen
15 eine ringförmige, geschlossene Kühlluftnut 16 mit einem Nutgrund 16a, die über
axiale Bohrungen 17 mit Kühlluft versorgt wird.
[0003] Die Kühlluftnut 16 wird von einer verschweissten Brückenkonstruktion überspannt.
In die so entstehende Brückenkonstruktion werden die Wärmestausegmente eingebaut,
um den Rotor 10 vor direktem Heissgas zu schützen. Eine Reparaturmassnahme ermöglicht
es, durch Entfernern des geschädigten Bereiches im Nutgrund 16a einen Weiterbetrieb
zu ermöglichen. Es wurden bisher zwei Reparaturmassnahmen entwickelt, eine temporäre
und eine langlebige Reparatur (in der eingangs genannten Druckschrift auch als "Mikro"-Reparatur
und "Makro"-Reparatur bezeichnet). Der wesentliche Unterschied der beiden Reparaturmassnahmen
besteht in einer offengelassenen Brückenkonstruktion für die temporäre Reparatur und
einer wiederverschweissten Brückenkonstruktion für die langlebige Reparatur. Um den
Zugang für das Werkzeug sicherzustellen, müssen dabei die Wärmestausegmentbrücken
für die Ausführung der Reparaturmassnahme durchtrennt werden.
[0004] Für die langlebige Reparaturmassnahme erfolgt ein aufwändiges Wiederverschweissen
der Brückenkonstruktion nach Eindrehen der optimierten Nutgeometrie. Dies ist notwendig,
da neben der Dichtungsfunktion Festigkeitsrechnungen zeigen, dass die Brücken die
Steifigkeit erhöhen und entsprechend auch eine höhere zyklische Lebensdauer in der
Kühlluftnutgeometrie (Nutgrund 16a) bewirken.
[0005] Nachteilig ist bei den bekannten Reparaturmassnahmen, dass bei der temporären Reparaturmassnahme
keine Druckkräfte oberhalb der Nut übertragen werden können, und dass das Wiederverschweissen
der Wärmestausegmentbrücken im Prozess der langlebigen Reparaturmassnahme zeitaufwendig
und teuer ist. Unter anderem ist eine Wärmebehandlung erforderlich, um beim Schweissen
entstehende Eigenspannungen zu verringern. Ferner ist eine On-Site-Durchführung bei
der langlebigen Reparaturmassnahme nicht möglich.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Reparaturverfahren für einen Rotor der beschriebenen
Art zu schaffen, welches einerseits mit reduziertem Aufwand und On-Site anwendbar
ist, und andererseits gegenüber der offengelassenen Nut deutlich verbesserte Ergebnisse
erzielt, sowie einen entsprechenden Rotor anzugeben.
[0007] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass nach dem Ausdrehen der Kühlluftnut neue Brückensegmente
eingesetzt werden, dass aber die neuen Brückensegmente im Wärmestausegmentträger lediglich
verklemmt werden. Durch den Klemmsitz ist es möglich, Druckkräfte über die Brückensegmente
zu übertragen. Darüber hinaus haben die eingeklemmten Brückensegmente eine Dichtfunktion
gegenüber der Kühlluftnut.
[0008] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
die neuen Brückensegmente zusätzlich gegen radial nach aussen wirkende Kräfte gesichert
werden. Insbesondere wird zum Absichern der neuen Brückensegmente gegen radial nach
aussen wirkende Kräfte ein Formschluss zwischen dem Wärmestausegmentträger und den
neuen Brückensegmenten hergestellt.
[0009] Zur Herstellung des Formschlusses werden vorzugsweise in die ausgedrehte Kühlluftnut
seitlich in axialer Richtung nutartige Vertiefungen eingebracht, in welche die neuen
Brückensegmente mit in axialer Richtung ausgestellten Befestigungsfüssen eingreifen.
[0010] Insbesondere können zur Erleichterung der Montage die nutartigen Vertiefungen jeweils
als Ringnuten ausgebildet werden, die konzentrisch zu einer axialen Drehachse verlaufen,
wobei die Befestigungsfüsse der neuen Brückensegmente eine entsprechende Ringform
aufweisen, und bei der Montage der neuen Brückensegmente die neuen Brückensegmente
mit den Befestigungsfüssen um die Drehachse in die Ringnuten eingedreht werden.
[0011] Alternativ dazu können die nutartigen Vertiefungen jeweils als Ringnuten ausgebildet
werden, die konzentrisch zu einer radialen Drehachse verlaufen, wobei die Befestigungsfüsse
der Brückensegmente eine entsprechende Ringform aufweisen, und bei der Montage der
neuen Brückensegmente die neuen Brückensegmente mit den Befestigungsfüssen um die
Drehachse in die Ringnuten eingedreht werden.
[0012] Darüber hinaus können die aneinanderstossenden Anschlusswände der neuen Brückensegmente
und des Wärmestausegmentträgers als konzentrisch zur Drehachse orientierte Zylinderflächen
ausgebildet sein.
[0013] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Brückensegmente zusätzlich gegen radial nach aussen wirkende Kräfte gesichert
sind, dass zum Absichern der neuen Brückensegmente gegen radial nach aussen wirkende
Kräfte ein Formschluss zwischen dem Wärmestausegmentträger und den neuen Brückensegmenten
vorgesehen ist, und dass zur Herstellung des Formschlusses in der Kühlluftnut seitlich
in axialer Richtung nutartige Vertiefungen vorgesehen sind, in welche die Brückensegmente
mit in axialer Richtung ausgestellten Befestigungsfüssen eingreifen.
[0014] Die nutartigen Vertiefungen können jeweils als Ringnuten ausgebildet sein, die konzentrisch
zu einer axialen Drehachse verlaufen, wobei die Befestigungsfüsse der Brückensegmente
eine entsprechende Ringform aufweisen.
[0015] Sie können aber auch als Ringnuten ausgebildet sein, die konzentrisch zu einer radialen
Drehachse verlaufen, wobei die Befestigungsfüsse der Brückensegmente eine entsprechende
Ringform aufweisen. In diesem Fall sind die aneinanderstossenden Anschlusswände der
Brückensegmente und des Wärmestausegmentträgers vorzugsweise als konzentrisch zur
Drehachse orientierte Zylinderflächen ausgebildet.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0016] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- eine Figur aus der eingangs genannten Druckschrift, in welcher die Lage und beispielhafte
Form einer noch nicht ausgedrehten Kühlluftnut an einem Gasturbinen-Rotor wiedergegeben
ist;
- Fig. 2
- den Längsschnitt durch einen Wärmestausegmentträger gemäss Fig. 1 mit ausgedrehter
und wieder zugeschweisster Kühlluftnut;
- Fig. 3
- in einer perspektivischen Darstellung den Ausschnitt aus einem Rotor mit nachgearbeiteter
Kühlluftnut und eindreh- und einklemmbarem Brückensegment gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
- Fig. 4
- in einer zu Fig. 3 vergleichbaren Darstellung das Eindrehen eines der Brückensegmente
um eine axiale Drehachse beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3;
- Fig. 5
- in einer zu Fig. 3 und 4 vergleichbaren Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig.
3 mit drei bereits eingedrehten und eingeklemmten Brückensegmenten; und
- Fig. 6
- in einer perspektivischen Darstellung den Ausschnitt aus einem Rotor mit nachgearbeiteter
Kühlluftnut und eindreh- und einklemmbarem Brückensegment gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit um eine radiale Drehachse eindreh- und einklemmbaren Brückensegmenten.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0017] Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, den reparaturbedingten
Einbau von Wärmestausegmentbrücken dadurch zu vereinfachen, das die Brückensegmente
im GT-Rotor verklemmt werden.
[0018] Generell gibt es die folgenden prinzipiellen Möglichkeiten A, B und C zur Nacharbeit
der betreffenden Sektion, wobei die Variante A das Verfahren gemäss der Erfindung
beschreibt, und die Varianten B und C bereits bekannte, standardisierte Nacharbeiten
beschreiben:
- (A) Halboffen: Die Brückensegmente werden eingeklemmt. Sie können Kompressionskräfte (Druck) übertragen,
Zugkräfte jedoch nicht; eine Abdichtung des Kühlluftstroms ist gewährleistet.
- (B) Geschlossen: Die Brückensegmente werden eingeschweisst. Sie können Kompressionskräfte und Zugkräfte
übertragen; eine Abdichtung des Kühlluftstroms ist gewährleistet (Standard-Schweissreparatur
für langlebige Nacharbeit).
- (C) Offen: Die Kühlluftnut bleibt oben offen. Es können weder Kompressionskräfte noch Zugkräfte
übertragen werden (Standard-On-Site-Reparatur für kleine Nacharbeit).
[0019] Gemäss der Variante A werden Brückensegmente dort klemmend eingesetzt, wo vor dem
Ausdrehen der Kühlluftnut eine geschweisste Brückenverbindung vorhanden war. Dies
kann auf unterschiedliche Arten und Weisen durchgeführt werden.
[0020] In Fig. 3-5 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt.
Die Figuren zeigen in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt eines Rotors 10
einer Gasturbine, der eine umlaufende Laufschaufelaufnahme 18 aufweist. Entgegen der
Strömungsrichtung ist neben der Laufschaufelaufnahme 18 ein Wärmestausegmentträger
14 angeordnet, der von der umlaufenden, ausgedrehten Kühlluftnut 16' durchschnitten
wird. In axialer Richtung verlaufend sind am Umfang des Rotors 10 verteilt im Wärmestausegmentträger
14 Wärmestausegmentaufnahmen 15 angeordnet, in die nicht dargestellte Wärmestausegmente
eingeschoben werden können. Die zwischen den Wärmestausegmentaufnahmen 15 befindlichen,
radial nach aussen vorstehenden Abschnitte 28 des Wärmestausegmentträgers 14 sind
von der Kühlluftnut 16' durchschnitten. Die durchschnittenen Bereiche werden durch
klemmend eingesetzte neue Brückensegmente 20 überbrückt, die im Querschnittsprofil
den stehengebliebenen Abschnitten 28 angepasst sind. Die Stirnflächen der Brückensegmente
20 sind eben und senkrecht zur Achse 11 des Rotors 10 orientiert. Dasselbe gilt für
die Anschlussebenen der stehengebliebenen Abschnitte 28 des Wärmestausegmentträgers
14.
[0021] Neben der klemmenden Halterung der neuen Brückensegmente 20 in den Lücken der Abschnitte
28 werden die neuen Brückensegmente 20 zusätzlich gegen radial nach aussen wirkende
Kräfte gesichert. Zum Absichern der neuen Brückensegmente 20 gegen radial nach aussen
wirkende Kräfte wird konstruktiv ein Formschluss zwischen dem Wärmestausegmentträger
14 und den neuen Brückensegmenten 20 hergestellt. Im Ausführungsbeispiel der Fig.
3-5 sind zur Herstellung des Formschlusses in die ausgedrehte Kühlluftnut 16' seitlich
gegenüberliegend in axialer Richtung nutartige Vertiefungen eingebracht, die jeweils
als Ringnuten 23, 24 ausgebildet sind und konzentrisch zu einer (in den Fig. 2-5 nicht
eingezeichneten) axialen Drehachse verlaufen. In die Ringnuten 23, 24 greifen die
neuen Brückensegmente 20 mit in axialer Richtung ausgestellten, an den Stirnseiten
ausgebildeten Befestigungsfüssen 21, 22 ein. Die Befestigungsfüsse 21, 22 der neuen
Brückensegmente 20 weisen eine entsprechende Ringform auf, so dass bei der Montage
der neuen Brückensegmente 20 diese mit den Befestigungsfüssen 21, 22 um die axiale
Drehachse in die Ringnuten 23, 24 eingedreht werden müssen, wie dies in Fig. 4 für
ein zweites Brückensegment 20 dargestellt ist.
[0022] Es ist aber auch eine andere Art des Formschlusses zwischen Brückensegment und Wärmestausegmentträger
möglich, die in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall sind die nutartigen Vertiefungen
jeweils als Ringnuten 23', 24' ausgebildet, die konzentrisch zu einer radialen Drehachse
27 verlaufen. Die Befestigungsfüsse 21', 22' an den Stirnseiten der neuen Brückensegmente
20' weisen eine entsprechende Ringform auf, so dass bei der Montage der neuen Brückensegmente
20' diese mit den Befestigungsfüssen 21', 22' um die Drehachse 27 in die Ringnuten
23', 24' eingedreht werden, wie dies in Fig. 6 für ein zweites Brückensegment 20 dargestellt
ist. Um das Eindrehen der neuen Brückensegmente um die radiale Drehachse 27 zu ermöglichen,
sind die aneinanderstossenden Anschlusswände 25, 26 der neuen Brückensegmente 20'
und des Wärmestausegmentträgers 14 als konzentrisch zur Drehachse 27 orientierte Zylinderflächen
ausgebildet.
[0023] Insgesamt werden mit der Erfindung verschweisste Gasturbinen-Rotoren ermöglicht,
bei denen Brückensegmente mit dem Ziel, die Steifigkeit und damit die zyklische Lebensdauer
des Rotors zu verbessern, ohne eine Schweissverbindung eingebaut werden können. Hierdurch
wird auf vereinfachte Weise eine Optimierung der Lastverteilung in lebensdauerbestimmenden
Bereichen an eingedrehten Nuten sowie eine Abdichtung gegen Kühlluftleckagen erreicht.
[0024] Dabei hat sich herausgestellt, dass mit der Variante A der Nacharbeit eine nur leicht
niedrigere zyklische Lebensdauer gegenüber der geschweissten Variante B, jedoch eine
deutlich verbesserte zyklische Lebensdauer gegenüber der brückenlosen Variante C erreicht
werden kann.
[0025] Die beim Anfahren wirkenden hohen Druckkräfte im Nutgrund werden zum Teil über die
(klemmend gehaltene) Brückenstütze umverteilt. Dies wirkt sich entlastend auf den
Nutgrund aus.
[0026] Zugkräfte, die beim Entlasten/Stop entstehen, fallen quantitativ wesentlich niedriger
aus und haben somit geringere Bedeutung für die Lebensdauer, als Starts.
[0027] Als weiterer Punkt sei erwähnt, dass durch die Stützwirkung einer Brückenkonstruktion
die Biegesteifigkeit verbessert wird. Das Risiko auf hochzyklische Anregung wird dementsprechend
verringert.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0028]
- 10
- Rotor (Gasturbine)
- 11
- Achse
- 12
- Verdichterteil
- 13
- Turbinenteil
- 14
- Wärmestausegmentträger
- 15
- Wärmestausegmentaufnahme
- 16,16'
- Kühlluftnut
- 16a
- Nutgrund
- 17
- Bohrung
- 18
- Laufschaufelaufnahme
- 19
- Wärmestausegmentbrücke
- 20,20'
- Brückensegment
- 21,22
- Befestigungsfuss
- 21',22'
- Befestigungsfuss
- 23,24
- Ringnut
- 23',24'
- Ringnut
- 25,26
- Anschlusswand
- 27
- Drehachse
- 28
- Abschnitt (Wärmestausegmentträger)
1. Verfahren zum Reparieren des Rotors (10) einer Gasturbine, welcher in axialer Richtung
vor und/oder hinter den Laufschaufeln einen konzentrisch zur Achse (11) des Rotors
(10) umlaufenden Wärmestausegmentträger (14) aufweist, unter dem eine interne, geschlossene
Kühlluftnut (16) konzentrisch zur Achse (11) verläuft, die zwischen den über den Umfang
verteilt angeordneten, in axialer Richtung verlaufenden Wärmestausegmentaufnahmen
(15) jeweils durch eine verschweisste Wärmestausegmentbrücke (19) überspannt wird,
bei welchem Verfahren zunächst die Wärmestausegmentbrücken (19) herausgetrennt werden,
dann durch Ausdrehen der Kühlluftnut (16) beschädigte Bereiche, insbesondere im Nutgrund
(16a) der Kühlluftnut (16), entfernt werden und anschliessend die ausgedrehte Kühlluftnut
(16') zwischen den Wärmestausegmentaufnahmen (15) durch Einsetzen jeweils eines neuen
Brückensegments (20, 20') wieder geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die neuen Brückensegmente (20, 20') im Wärmestausegmentträger (14) lediglich verklemmt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neuen Brückensegmente (20, 20') zusätzlich gegen radial nach aussen wirkende
Kräfte gesichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Absichern der neuen Brückensegmente (20, 20') gegen radial nach aussen wirkende
Kräfte ein Formschluss zwischen dem Wärmestausegmentträger (14) und den neuen Brückensegmenten
(20, 20') hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Formschlusses in die ausgedrehte Kühlluftnut (16') seitlich in
axialer Richtung nutartige Vertiefungen (23, 24; 23', 24') eingebracht werden, in
welche die neuen Brückensegmente (20, 20') mit in axialer Richtung ausgestellten Befestigungsfüssen
(21, 22; 21', 22') eingreifen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartigen Vertiefungen jeweils als Ringnuten (23, 24) ausgebildet werden, die
konzentrisch zu einer axialen Drehachse verlaufen, dass die Befestigungsfüsse (21,
22) der neuen Brückensegmente (20) eine entsprechende Ringform aufweisen, und dass
bei der Montage der neuen Brückensegmente (20) die neuen Brückensegmente (20) mit
den Befestigungsfüssen (21, 22) um die Drehachse in die Ringnuten (23, 24) eingedreht
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartigen Vertiefungen jeweils als Ringnuten (23', 24') ausgebildet werden,
die konzentrisch zu einer radialen Drehachse (27) verlaufen, dass die Befestigungsfüsse
(21', 22') der Brückensegmente (20') eine entsprechende Ringform aufweisen, und dass
bei der Montage der neuen Brückensegmente (20') die neuen Brückensegmente (20') mit
den Befestigungsfüssen (21', 22') um die Drehachse (27) in die Ringnuten (23', 24')
eingedreht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderstossenden Anschlusswände (25, 26) der neuen Brückensegmente (20')
und des Wärmestausegmentträgers (14) als konzentrisch zur Drehachse (27) orientierte
Zylinderflächen ausgebildet sind.
8. Rotor (10) für eine Gasturbine, welcher Rotor (10) in axialer Richtung vor und/oder
hinter den Laufschaufeln einen konzentrisch zur Achse (11) des Rotors (10) umlaufenden
Wärmestausegmentträger (14) aufweist, unter dem eine interne, geschlossene Kühlluftnut
(16') konzentrisch zur Achse (11) verläuft, die zwischen den über den Umfang verteilt
angeordneten, in axialer Richtung verlaufenden Wärmestausegmentaufnahmen (15) jeweils
durch ein Brückensegment (20, 20') überspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückensegmente (20, 20') im Wärmestausegmentträger (14) lediglich verklemmt
sind.
9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückensegmente (20, 20') zusätzlich gegen radial nach aussen wirkende Kräfte
gesichert sind.
10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Absichern der neuen Brückensegmente (20, 20') gegen radial nach aussen wirkende
Kräfte ein Formschluss zwischen dem Wärmestausegmentträger (14) und den neuen Brückensegmenten
(20, 20') vorgesehen ist.
11. Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Formschlusses in der Kühlluftnut (16') seitlich in axialer Richtung
nutartige Vertiefungen (23, 24; 23', 24') vorgesehen sind, in welche die Brückensegmente
(20, 20') mit in axialer Richtung ausgestellten Befestigungsfüssen (21, 22; 21', 22')
eingreifen.
12. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartigen Vertiefungen jeweils als Ringnuten (23, 24) ausgebildet sind, die
konzentrisch zu einer axialen Drehachse verlaufen, und dass die Befestigungsfüsse
(21, 22) der Brückensegmente (20) eine entsprechende Ringform aufweisen.
13. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nutartigen Vertiefungen jeweils als Ringnuten (23', 24') ausgebildet sind, die
konzentrisch zu einer radialen Drehachse (27) verlaufen, und dass die Befestigungsfüsse
(21', 22') der Brückensegmente (20') eine entsprechende Ringform aufweisen.
14. Rotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderstossenden Anschlusswände (25, 26) der Brückensegmente (20') und des
Wärmestausegmentträgers (14) als konzentrisch zur Drehachse (27) orientierte Zylinderflächen
ausgebildet sind.