[0001] Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger, insbesondere für eine Gas- oder
Dampfturbine, der aus einer Anzahl von Axialsegmenten besteht.
[0002] Gas- oder Dampfturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder
von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoff bzw.
überhitzten Dampfs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt.
[0003] Bei der Gasturbine wird der Brennstoff 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 dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit
geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
[0004] 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.
[0005] Die Leitschaufeln sind dabei jeweils über einen auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß
an einem Leitschaufelträger der Turbinen- oder Verdichtereinheit fixiert. Je nach
Auslegungsziel der Gasturbine können dabei die Leitschaufeln der Gasturbine entweder
an einem gemeinsamen Leitschaufelträger befestigt werden oder es sind für jede Turbinen-
oder Verdichterstufe separate Axialsegmente vorgesehen, die üblicherweise starr miteinander
verbunden werden. Die Verwendung mehrerer Axialsegmente bietet den Vorteil, dass einerseits
kleinere und damit günstiger zu fertigende Gussteile zur Anwendung kommen, andererseits
lassen sich die Materialien der einzelnen Segmente individuell an die im jeweiligen
axialen Bereich vorherrschenden physikalischen Randbedingungen anpassen.
[0006] Bei stationären Gasturbinen ist der Leitschaufelträger weiterhin üblicherweise konisch
oder zylindrisch geformt und der Leitschaufelträger oder dessen einzelne Axialsegmente
bestehen jeweils aus einem oberen und einem unteren Segment, die z. B. über Flansche
miteinander verbunden sind.
[0007] Bei der Auslegung heutiger Gasturbinen 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
Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium aus der Brennkammer der Gasturbine
ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200°C
bis 1500°C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
[0008] Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten
Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei einem aus mehreren
Axialsegmenten zusammengesetzten Leitschaufelträger führt dies aufgrund des vorliegenden
Temperaturprofils und des unterschiedlichen thermischen Verformungsverhaltens der
einzelnen Axialsegmente zu einer axialen und radialen Verschiebung der Axialsegmente
zueinander. Dies führt zu einer hohen mechanischen Belastung der Verbindung zwischen
den Axialsegmenten, was zu einer schnellen Materialermüdung mit entstehenden Rissen
oder gar Brüchen im Verbindungsbereich führen kann.
[0009] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelträger anzugeben,
der bei einer besonders hohen betrieblichen Sicherheit eine höhere Lebensdauer erreicht.
[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zwei benachbarte Axialsegmente mit
einer Anzahl von Zugankern verbunden sind.
[0011] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine höhere Lebensdauer des
Leitschaufelträgers durch eine Vermeidung einer zu großen mechanischen Belastung durch
eine unterschiedliche Verformung aufgrund von Temperaturunterschieden erreichbar wäre.
Dabei tritt eine besonders hohe mechanische Belastung bei aus mehreren Axialsegmenten
bestehenden Leitschaufelträgern insbesondere im Verbindungsbereich zwischen den einzelnen
Axialsegmenten auf. Da dies bei einer starren Verbindung zweier Axialsegmente zu Beschädigungen
führen kann, sollte die Verbindung flexibel ausgelegt werden. Eine flexible Verbindung
kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Axialsegmente nicht stoffschlüssig
verbunden, sondern lediglich formschlüssig miteinander verspannt werden. Zur Verspannung
der Axialsegmente ist eine Anzahl von Zugankern vorgesehen. Die Zuganker können dabei
auf verschiedene Weise zwei benachbarte Axialsegmente miteinander verbinden, beispielsweise
indem in die betreffenden Axialsegmente jeweils koaxiale Öffnungen eingebracht sind,
durch die der Zuganker geführt ist. An der dem jeweils benachbarten Axialsegment abgewandten
Seite der jeweiligen Öffnung werden dann beispielsweise Schraubenmuttern auf ein Gewinde
des Zugankers gesetzt, welche Schraubenmutter einen größeren Durchmesser als die jeweilige
Öffnung besitzen. Dadurch werden die beiden Axialsegmente miteinander verspannt, ohne
eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen.
[0012] Ziel der Anordnung von Zugankern zwischen den Axialsegmenten des Leitschaufelträgers
ist eine Verbindung, die radiale oder axiale Verschiebungen durch ihre Flexibilität
auffangen kann, ohne dass Materialschäden durch Zug- oder Scherkräfte auftreten. Eine
größere Flexibilität ist erreichbar, indem vorteilhafterweise zwischen den benachbarten
Axialsegmenten ein Stützrohr verspannt ist, welches den jeweiligen Zuganker umschließt.
Ein derartiges Stützrohr dient als Abstandshalter zwischen den Axialsegmenten bzw.
den Fixierungsstellen des Zugankers, die nicht notwendigerweise am jeweils axialen
Rand des Axialsegments angeordnet sein müssen. Durch den größeren Abstand zwischen
zwei Axialsegmenten wird die Flexibilität der Verbindung vergrößert und Beschädigungen
durch mechanische Belastung werden noch besser vermieden. Insofern werden die Verschiebungen
der Axialsegmente gegeneinander von den Stützrohren und Zugankern ermöglicht.
[0013] In vorteilhafter Ausgestaltung sind dabei der jeweilige Zuganker und das jeweilige
Stützrohr zylindrisch ausgelegt und der Innendurchmesser des jeweiligen Stützrohres
ist größer als der Außendurchmesser des jeweiligen Zugankers. Dadurch erhöht sich
die Flexibilität der Verbindung bei einer Torsion oder Scherung der Axialsegmente
gegeneinander, da das Stützrohr an der dem jeweils anderen Axialsegment zugewandten
Seite aufliegt, während der Zuganker durch beispielsweise eine Schraubenmutter auf
der abgewandten Seite fixiert ist. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Fixpunkte
bei einer durch Torsion verursachten Bewegung von Zuganker bzw. Stützrohr aus der
Normalen der Radialfläche. Durch einen größeren Innendurchmesser des Stützrohres sind
Stützrohr und Zuganker in alle radialen Richtungen stets voneinander beabstandet und
können sich so trotz unterschiedlicher Fixpunkte frei gegen die Normale der Radialfläche
neigen.
[0014] Um auch bei einer derartigen Neigung eine gute Sicherung des jeweiligen Stützrohrs
zu erreichen, ist vorteilhafterweise an einem Ende des jeweiligen Stützrohres eine
Kugelscheibe angeordnet, welche in einer am jeweiligen Axialsegment angeordneten Kegelpfanne
gelagert ist. Kugelscheibe und Kegelpfanne bilden dann ein Kugelgelenk, welches jedoch
eine Öffnung für den durchgehenden Zuganker aufweist. Durch dieses Kugellager ist
eine radiale Sicherung des Stützrohres auch bei einer Neigung gegen die Normale der
Radialfläche gewährleistet.
[0015] In vorteilhafter Ausgestaltung beträgt die Anzahl der Zuganker mindestens sechs.
Insbesondere bei einem Leitschaufelträger, der aus einem oberen und unteren Segment
besteht, können dann für jedes Segment des jeweiligen Axialsegments je drei Zuganker
vorgesehen sein, so dass eine sichere Dreipunktverbindung der jeweiligen Segmente
der Axialsegmente entsteht.
[0016] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die jeweiligen benachbarten Axialsegmente
mit einem Kreuzgelenk verbunden. Durch derartige Kreuzgelenke wird eine zusätzliche
kardanische Kopplung der jeweiligen Axialsegmente erreicht, über die eine Zentrierung
und gleichzeitige Übertragung des Leitmoments von einem auf den anderen Träger möglich
ist, z. B., wenn nur eine Fixierung vorgesehen ist. Dadurch wird eine noch sicherere
Verbindung bei gleichzeitig hoher Flexibilität erzielt.
[0017] Vorteilhafterweise umfasst eine Gas- oder Dampfturbine einen derartigen Leitschaufelträger
sowie eine Gas- und Dampfturbinenanlage eine Gas- und/oder Dampfturbine mit einem
derartigen Leitschaufelträger.
[0018] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch
die Verbindung der Axialsegmente eines Leitschaufelträgers mit Zugankern eine sichere
und gleichzeitig flexible Kopplung der Axialsegmente erreicht wird. Dadurch können
bei auftretenden Scher- oder Zugkräften durch unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten
der einzelnen Axialsegmente keine Beschädigungen der Verbindung auftreten und die
Lebensdauer des Leitschaufelträgers wird wesentlich erhöht. Damit wird die Verwendung
eines axial segmentierten Leitschaufelträgers attraktiver, der weitere Vorteile bietet,
wie beispielsweise kleinere Bauteile, einfachere Reparierbarkeit und die Möglichkeit
der Verwendung unterschiedlicher Materialen für die einzelnen Axialsegmente.
[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- FIG 1
- zwei starr verbundene Axialsegmente eines Leitschaufelträgers nach dem Stand der Technik,
- FIG 2
- zwei über Zuganker verbundene Axialsegmente eines Leitschaufelträgers,
- FIG 3
- einen Zuganker mit kugelgelagertem Stützrohr,
- FIG 4
- eine Kugelscheibe und eine Kegelpfanne zur Lagerung des Stützrohre, und
- FIG 5
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
[0020] Gleiche Teile sind in allen Abbildungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0021] FIG 1 zeigt im Detail einen Teil eines Leitschaufelträgers 1. Bei stationären Gasturbinen
ist der Leitschaufelträger 1 üblicherweise konisch oder zylindrisch geformt und besteht
aus zwei Segmenten, einem oberen und einem unteren Segment, die z. B. über Flansche
miteinander verbunden sind.
[0022] Der gezeigte Leitschaufelträger 1 umfasst zwei Axialsegmente 2. Dabei sind die Axialsegmente
2 über Verbindungsbrücken 4 miteinander verbunden. Dadurch ist zwar eine sichere und
formstabile Verbindung gewährleistet, jedoch zeigt die bisherige Betriebserfahrung,
dass durch die unterschiedliche thermische Verformung der Axialsegmente 2 hohe Zug-
und Scherkräfte auf die Verbindungsbrücken 4 wirken, die zu Materialversagen führen
können.
[0023] Zum Ausgleich dieser Zug- und Scherkräfte sind im Leitschaufelträger 1 nach der FIG
2 die Axialsegmente 2 über hier insgesamt acht elastische Verbindungen 6 mit jeweils
einem Zuganker 8 (FIG 3) miteinander verspannt. Zusätzlich sind Kreuzgelenke 10 vorgesehen,
die für eine Zentrierung der Axialsegmente 2 und die Weiterleitung von Scherkräften
sorgen, welche durch Strömungskräfte entstehen, die von den Leitschaufeln an die Axialsegmente
übertragen werden.
[0024] Der Aufbau jeder elastischen Verbindungen 6 ist detailliert in FIG 3 dargestellt.
Zentrales Element ist der zylindrischmassive Zuganker 8, der an seinen Enden 12 an
jeweils einem Axialsegment 2 befestigt ist. Um den Zuganker 8 ist ein hohlzylindrisches
Stützrohr 14 angeordnet. Dieses wirkt als Abstandshalter zwischen den Axialsegmenten
2. Die Verbindung zwischen den Axialsegmenten 2 wird über geeignete Befestigungsvorrichtungen
auf den Axialsegmenten 2 hergestellt, die entsprechende Öffnungen aufweisen. Zwischen
den Öffnungen wird an der jeweils dem anderen Axialsegment 2 zugewandten Seite das
Stützrohr 14 angeordnet, danach wird durch Öffnungen und Stützrohr 14 der Zuganker
8 geführt, welcher dann an der jeweils abgewandten Seite beispielsweise mit Schraubenmuttern
verspannt wird. Somit ist eine feste, jedoch nicht stoffschlüssige Verbindung erreicht,
die sich in gewissen Grenzen flexibel bei Zug- und Scherkräften verformen kann.
[0025] Um eine noch bessere Flexibilität bei gleichzeitiger Stabilität der Verbindung zu
erreichen, sind an den jeweiligen axialen Enden des Stützrohres 14 Kugelscheiben 16
angebracht. Diese sind in entsprechend passenden Kegelpfannen 18 angeordnet, die jeweils
an einem zugeordneten Axialsegment 2 angebracht sind. Die Kugelscheiben 16 und Kegelpfannen
18 weisen eine Öffnung für den Zuganker 8 auf und sorgen für einen stabilen Halt bei
gleichzeitiger flexibler Lagerung des Stützrohrs 14 an den Axialsegmenten 2.
[0026] Die Verwindung ist in FIG 3 anhand der eingezeichneten Verlängerungen 20 der Achse
der Kugelscheiben 16 gegen die Achse des Zugankers 8 ersichtlich. Je nach thermisch
bedingter Verformung der Axialsegmente 2 ist der Winkel 22 zwischen den jeweiligen
Achsen variabel, ohne dass dabei strukturelle Schäden der Verbindung zu befürchten
sind. Durch die Kugellagerung ist die elastische Verbindung 6 somit besonders leicht
bei radialem Versatz als auch bei Verwindungen der jeweiligen Bereiche der Axialsegmente
2 verformbar, ohne dabei an Stabilität einzubüßen.
[0027] Die Kugelscheiben 16 und Kegelpfannen 18 sind noch einmal in FIG 4 dargestellt. Diese
können beispielsweise nach DIN 6319 ausgestaltet sein und in ihren geometrischen Maßen
und ihrem Material an die jeweiligen Erfordernisse hinsichtlich Stabilität und Flexibilität
der elastischen Verbindung 6 angepasst sein.
[0028] Ein aus elastisch verbundenen Axialsegmenten 2 bestehender Leitschaufelträger 1 sollte
beispielsweise in einer Gasturbine verwendet werden. Die Gasturbine 101 gemäß FIG
5 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln
114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 121 an einem
Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes
Führungsrings 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüberliegenden
Laufschaufeln 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen
angeordneten Führungsringe 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.
[0032] 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.
[0033] Durch die die Verwendung eines Leitschaufelträgers 1 der oben angegebenen Ausgestaltung
wird eine erhöhte Lebensdauer und geringere Reparaturanfälligkeit der Gasturbine 1
erzielt. Durch die elastischen Verbindungen 6 werden nämlich Beschädigungen des Leitschaufelträgers
1 durch thermische Verformungen der Axialsegmente 2 vermieden. Dabei kann der Leitschaufelträger
1 auch im Verdichter 102 oder in einer Dampfturbine zur Anwendung kommen.
1. Leitschaufelträger (1),
insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine (101), der aus einer Anzahl von Axialsegmenten
(2) besteht,
wobei zwei benachbarte Axialsegmente (2) mit einer Anzahl von Zugankern (8) verbunden
sind.
2. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 1,
bei dem zwischen den benachbarten Axialsegmenten (2) ein Stützrohr (14) angeordnet
ist, welches den jeweiligen Zuganker (8) umschließt.
3. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 2,
bei dem der jeweilige Zuganker (8) und das jeweilige Stützrohr (14) zylindrisch ausgelegt
sind und der Innendurchmesser des jeweiligen Stützrohres (14) größer als der Außendurchmesser
des jeweiligen Zugankers (8) ist.
4. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 2 oder 3,
bei dem an zumindest einem Ende des jeweiligen Stützrohres (14) eine Kugelscheibe
(16) angeordnet ist, welche in einer am jeweiligen Axialsegment (2) angeordneten Kegelpfanne
(18) gelagert ist.
5. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Anzahl der Zuganker
(8) mindestens sechs beträgt.
6. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die jeweiligen benachbarten
Axialsegmente (2) mit einem Kreuzgelenk (10) verbunden sind.
7. Gas- oder Dampfturbine (101) mit einem Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 6.
8. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gas- und/oder Dampfturbine (101) nach Anspruch
7.