[0001] Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelträgersystem, insbesondere für eine Gas- oder
Dampfturbine, mit einem Leitschaufelträger und einer Anzahl von Leitschaufeln und/oder
Ringsegmenten, wobei die jeweilige Leitschaufel und/oder das jeweilige Ringsegment
ein Verhakungselement umfasst, welches am Leitschaufelträger befestigt ist. Sie betrifft
weiter eine Gas- und/oder Dampfturbine mit einem derartigen Leitschaufelträgersystem.
[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 üblicherweise jeweils mittels an einem auch als Plattform
bezeichneten Schaufelfuß angebrachten Verhakungselementen 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 Segment, die z. B. über Flansche miteinander verbunden sind.
[0005] 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.
[0006] 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 Segment häufig als einteiliges Gussteil aus warmfestem Stahl gefertigt.
Der Stahlguss ermöglicht eine relativ einfache Fertigung bei gleichzeitig hoher Haltbarkeit
und Lebensdauer des Leitschaufelträgers. Allerdings führt eine Fertigung aus Stahlguss
zu verhältnismäßig hohen Produktionskosten.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelträger der oben
genannten Art anzugeben, der bei besonders niedrigen Produktionskosten eine besonders
hohe Lebensdauer und eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl
erlaubt.
[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zwischen dem Leitschaufelträger
und dem Verhakungselement ein Isolationselement angeordnet ist.
[0009] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe Lebensdauer
des Leitschaufelträgers erreichbar wäre, wenn der durch das heiße Arbeitsmedium verursachte
Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger reduziert werden könnte. Dies würde auch eine
besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlauben, da bei einer
Reduzierung des Wärmeeintrags vergleichsweise geringer belastbare Werkstoffe für den
Leitschaufelträger verwendet werden könnten, was zudem eine Reduzierung der Produktionskosten
bedeuten würde.
[0010] Entscheidend ist hierbei die Erkenntnis, dass im Leitschaufelträger ein Temperaturprofil
vorliegt, das vergleichsweise kleine Bereiche mit hohen Temperaturen sowie einen größeren
hinteren Bereich mit niedrigeren Temperaturen aufweist. Hohe Temperaturen treten besonders
im Bereich der Verhakung der Leitschaufeln und der zwischen den Leitschaufelfüßen
angeordneten Ringsegmente auf, da diese Bauteile einen lokalen Wärmeeintrag im Bereich
ihrer Befestigung verursachen. Daher sollte insbesondere in diesem Bereich die Wärmeleitung
zwischen Leitschaufel und Ringsegmenten und dem Leitschaufelträger behindert werden,
um den Temperaturanstieg zu begrenzen und damit eine Möglichkeit zu schaffen, ein
Material mit geringerem thermischen Eigenschaftspotential als Werkstoff für den Leitschaufelträger
verwenden zu können, was mit deutlichen Kosteneinsparungen verbunden ist. Dies ist
erreichbar, indem zwischen dem Leitschaufelträger und dem Verhakungselement der Leitschaufel
bzw. des Ringsegments der vorzugsweise ersten und/oder zweiten Turbinestufe ein Isolationselement
angeordnet ist.
[0011] Um bei einer besonders guten Wärmeisolation den Halt der Leitschaufel und der Ringsegmente
im Leitschaufelträger weiterhin zu gewährleisten, sollte das jeweilige Isolationselement
dem jeweiligen Verhakungselement angeformt sein. Dabei sollten die Isolationselemente
beispielsweise als Hülsen ausgebildet sein, die über die Verhakungselemente am Schaufelfuß
der Leitschaufeln oder der Ringsegmente gesetzt werden können. Durch die Anformung
an die Verhakungselemente wird damit trotz der isolierenden Wirkung eine besonders
hohe Stabilität des Leitschaufelträgersystems gewährleistet.
[0012] Zudem werden die Außenflächen des Leitschaufelträgers und die Kanalwände von sich
radial durch den Leitschaufelträger erstreckende Kühlkanäle intensiv von dem Verdichter
entnommener Kühlluft umströmt. Hierdurch erfolgt eine gute Kühlung des Leitschaufelträgers,
die in Verbindung mit der vorgeschlagenen Isolationsmaßnahme eine deutliche Temperaturreduzierung
in den temperaturkritischen Bereichen des Leitschaufelträgers auf Dauer erreichen
kann.
[0013] Der Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger erfolgt in radialer Richtung der Turbine,
weswegen die Behinderung der Wärmeleitung auch weit gehend nur in dieser Richtung
erfolgen muss. Daher ist das jeweilige Isolationselement in vorteilhafter Ausgestaltung
ein Isolationsplättchen, d. h. in seiner geometrischen Ausgestaltung scheibenartig
flach und ohne besondere Abkantung. Ein derartiges Isolationsplättchen lässt sich
besonders einfach separat herstellen und erfordert nur einfache Modifikationen am
Verhakungselement oder den Befestigungselementen des Leitschaufelträgers. Dadurch
ist eine besonders einfache Einbringung derartiger Isolationselemente in das Leitschaufelträgersystem
möglich.
[0014] Das Material für die Isolationselemente sollte je nach den betrieblichen Anforderungen
gezielt ausgewählt werden. In besonders einfacher Ausgestaltung sollte das jeweilige
Isolationselement dabei vorteilhafterweise aus demselben Material wie die jeweilige
Leitschaufel oder vorteilhafterweise aus demselben Material wie der jeweilige Leitschaufelträger
gefertigt sein.
[0015] Sollte aufgrund der mechanischen Belastung ein Werkstoff mit höherer Festigkeit und
Verschleißbeständigkeit erforderlich sein, sollte das jeweilige Isolationssegment
vorteilhafterweise aus Stahl gefertigt sein. Dieser weist eine besonders hohe Wärmebeständigkeit
auf und ist daher für den Einsatz in den thermisch stark belasteten Bereichen der
Leitschaufelverhakung besonders geeignet.
[0016] Um die Wärmeisolierung des Isolationselements weiter zu verbessern, sollte dabei
die wärmeleitende Querschnittsfläche des Isolationselements reduziert werden. Dazu
sind in das jeweilige Isolationselement eine Anzahl von Hohlräumen eingebracht. Diese
sollten beispielsweise in Gestalt von Bohrungen senkrecht zur Wärmeleitungsrichtung
eingebracht werden und verringern so die Wärmeleitfähigkeit des Isolationselements.
Die Hohlräume sind weiterhin geeignet, von der im Bereich des Leitschaufelträgers
zur Verfügung stehenden Kühlluft durchflossen zu werden, wodurch die Wirkung der Isolationselemente
weiter optimiert wird.
[0017] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Isolationselement aus Keramik gefertigt.
Keramische Werkstoffe haben eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit und sind daher
als Isolatoren besonders geeignet. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit kann zudem
auf Hohlräume verzichtet werden, weswegen derartige keramische Werkstoffe eine besonders
einfache Fertigung von Isolationsplättchen oder anderen Isolationselementen erlauben.
[0018] Vorteilhafterweise ist ein derartiges Leitschaufelsystem Bestandteil einer Gas- oder
Dampfturbine. Eine derartige Gas- und/oder Dampfturbine sind/ist vorteilhafterweise
Bestandteil einer Gas- und Dampfturbinenanlage.
[0019] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch
das Einbringen eines Isolationssegments in den Bereich zwischen Leitschaufeln bzw.
Ringsegmenten und Leitschaufelträger der Wärmeübertrag vom heißen Arbeitsmedium über
die Verhakungselemente in den Leitschaufelträger vermindert wird und so ein Aufheizen
des Leitschaufelträgers reduziert wird. Dadurch ist es möglich, einen einfachen Werkstoff
für den Leitschaufelträger zu verwenden und folglich Materialkosten sowie Bauteilkosten
zu reduzieren. Der Einsatz kostenintensiver Hochtemperaturwerkstoffe kann verringert
werden bzw. eine Erhöhung der Gaseinlasstemperatur in die Turbine wird ermöglicht.
Dies erlaubt auch einen höheren Wirkungsgrad der Gas- und oder Dampfturbine.
[0020] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- FIG 1
- schematisch ein Leitschaufelträgersystem im Halbschnitt,
- FIG 2
- ein Verhakungselement mit einem hülsenförmigen Isolationselement,
- FIG 3
- ein Verhakungselement mit einem Isolationsplättchen,
- FIG 4
- ein Isolationsplättchen,
- FIG 5
- ein Isolationsplättchen mit eingebrachten Bohrungen, und
- FIG 6
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
[0021] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0022] Das Leitschaufelträgersystem 1 nach der FIG 1 umfasst einen Leitschaufelträger 2,
welcher eine Anzahl von Befestigungselementen 4 umfasst, an denen zu Leitschaufelreihen
zusammengefasste Leitschaufeln 6 sowie den zu Laufschaufelreihen zusammengefassten
Laufschaufeln 7 gegenüberliegende Ringsegmente 8 befestigt sind. Dabei ist im Halbschnitt
jeweils nur jeweils eine Leitschaufel 6 und Laufschaufel 7 der jeweiligen Reihe abgebildet.
[0023] Zur Befestigung umfassen die Leitschaufeln 6 an ihrem Schaufelfuß 9 sowie die Ringsegmente
8 Verhakungselemente 10, die mit den Befestigungselementen 4 des Leitschaufelträgers
2 eine formschlüssige Verbindung eingehen und so für die Stabilisierung und den sicheren
Halt der Leitschaufeln 6 und der Ringsegmente 8 am Leitschaufelträger 2 sorgen.
[0024] Um den Leitschaufelträger 2 vor einer Beaufschlagung mit dem heißen Arbeitsmedium
zu schützen, sind zwischen den Leitschaufeln 6 bzw. Ringsegmenten 8 und dem Leitschaufelträger
2 jeweils zwischen den Befestigungselementen 4 Hohlräume 12 angeordnet, in die Kühlluft
von außerhalb eingebracht werden kann. Zwischen den Schaufelfüßen 9 der Leitschaufeln
6 und den Ringsegmenten 8 sind Dichtbleche 14 angebracht, so dass auch hier ein Eindringen
von heißem Arbeitsmedium vermieden werden kann.
[0025] Über die Befestigungselemente 4 und Verhakungselemente 10, die in Kontakt stehen,
kann jedoch ein Wärmeübertrag in den Leitschaufelträger 2 durch Wärmekonvektion erfolgen.
Um diesen Wärmeeintrag zu reduzieren, sind zwischen den Verhakungselementen 10 und
dem Leitschaufelträger 2 Isolationssegmente 16 angeordnet. Diese reduzieren den Wärmeeintrag
von der Leitschaufel 6 und dem Ringsegment 8 in den Leitschaufelträger 2 und vermindern
so die Aufheizung des Leitschaufelträgers 2.
[0026] Die Isolationssegmente 16 können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. FIG 2 zeigt
ein Isolationssegment 16, welches dem Verhakungselement 10 angeformt ist und in der
Art einer Hülse auf das Verhakungselement 10 gesteckt ist. Dadurch wird einerseits
eine Isolierung in alle Bereiche des Leitschaufelträgers 2 erreicht, andererseits
ist ein sicherer Halt des Isolationssegments 16 und der Leitschaufel 6 oder des Ringsegments
8 am Leitschaufelträger 2 gewährleistet.
[0027] Da die Wärmeleitung im Wesentlichen nur in radialer Richtung, d. h. über das Verhakungselement
10 in den Leitschaufelträger 2 erfolgt, kann das Isolationselement 16 auch als einfaches
Isolationsplättchen ausgestaltet sein. Eine derartige Anordnung ist in FIG 3 dargestellt.
Auch hier ist das Isolationsplättchen dem Verhakungselement 10 angeformt und lässt
sich durch seine einfache geometrische Form vergleichsweise einfach fertigen.
[0028] Das Isolationselement 16 lässt sich dabei aus verschiedenen Werkstoffen fertigen.
Beispielsweise kann ein keramischer Werkstoff verwendet werden, welcher eine besonders
niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein derartiges Isolationselement 16 ist in FIG
4 dargestellt. Der keramische Werkstoff erlaubt eine einfache Fertigung in einer flachen
Quaderform und reduziert den Wärmeeintrag in den Leitschaufelträger 2 durch seine
geringe Wärmeleitfähigkeit.
[0029] Das Isolationselement 16 kann auch aus demselben Material wie der jeweilige Leitschaufelträger
oder die jeweilige Leitschaufel gefertigt sein. Bei höheren Anforderungen an die mechanische
Belastung oder thermische Belastung kann das Isolationselement 16 auch aus Stahl gefertigt
sein. Zum Ausgleich der Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe sollte dann in das jeweilige
Isolationselement 16 eine Anzahl von Hohlräumen 18, beispielsweise in Form von Bohrungen,
eingebracht sein, wie in FIG 5 gezeigt. Die Hohlräume 18 reduzieren die wärmeleitende
Querschnittsfläche und können bei weiterem Kühlbedarf auch von der im Bereich des
Leitschaufelträgers 2 vorhandenen Kühlluft durchströmt werden und sorgen so für eine
noch bessere Isolierung des Leitschaufelträgers 2 gegen die Temperaturen des heißen
Arbeitsmediums.
[0030] Durch die Reduzierung des Wärmeeintrags in den Leitschaufelträger 2 ist es möglich,
den Leitschaufelträger 2 aus einem vergleichsweise weniger hitzebeständigen und teuren
Material zu fertigen, was eine ressourcenschonendere, weniger kostenintensive Produktion
des Leitschaufelträgers 2 und des Leitschaufelträgersystems 1 ermöglicht, ohne dabei
Abstriche hinsichtlich der betrieblichen Sicherheit und Lebensdauer beispielsweise
einer Gas- oder Dampfturbine in Kauf nehmen zu müssen.
[0031] Eine Gasturbine 101, wie in FIG 6 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.
[0032] Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen,
rotierbaren Laufschaufeln 7 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle
108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst
die Turbineneinheit 106 ein Leitschaufelsystem 1 mit einer Anzahl von feststehenden
Leitschaufeln 6, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen
am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln
7 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit
106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 6 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 6 oder einer Leitschaufelreihe und
aus einem Kranz von Laufschaufeln 7 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als
Turbinenstufe bezeichnet.
[0033] FIG 6 zeigt in größerem Zusammenhang auch den Schaufelfuß 9 der Leitschaufeln 6,
der zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 6 am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit
106 dient. Der Schaufelfuß 9 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 7 ist in analoger Weise
über einen Schaufelfuß 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.
[0034] Weiterhin gezeigt sind auch die Ringsegmente 8, die zwischen den beabstandet voneinander
angeordneten Schaufelfüßen der Leitschaufeln 6 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
am Leitschaufelträger 2 der Turbineneinheit 106 angeordnet sind. Die äußere Oberfläche
jedes Ringsegments 8 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber
liegenden Laufschaufeln 7 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 8 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente,
die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 2 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer
thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium
M schützen.
[0035] 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.
[0036] Durch die Verwendung eines Leitschaufelträgersystems 1 der oben angegebenen Ausgestaltung
kann der Wärmeübertrag aus den mit dem heißen Arbeitsmedium M beaufschlagten Schaufelfüßen
9 und Ringsegmenten 8 in den Leitschaufelträger 2 deutlich reduziert werden. Dadurch
kann eine deutliche Kostenreduzierung bei der Herstellung der Gasturbine 101 oder
einer Dampfturbine bei gleichzeitig hoher betrieblicher Sicherheit und Lebensdauer
erreicht werden. Durch die Reduzierung des Wärmeeintrags in den Leitschaufelträger
2 kann dieser nämlich aus einem wesentlich kostengünstigeren Basiswerkstoff hergestellt
werden. Weiterhin kann die Temperatur des Arbeitsmediums M erhöht werden, was eine
Erhöhung des Wirkungsgrades der Gas- oder Dampfturbine zur Folge hat.
1. Leitschaufelträgersystem (1),
insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine,
mit einem Leitschaufelträger (2) und einer Anzahl von Leitschaufeln (6) und/oder Ringsegmenten
(8),
wobei die jeweilige Leitschaufel (6) und/oder das jeweilige Ringsegment (8) ein Verhakungselement
(10) umfasst, welches am Leitschaufelträger (2) befestigt ist, und
wobei zwischen dem Leitschaufelträger (2) und dem Verhakungselement (10) ein Isolationselement
(16) angeordnet ist.
2. Leitschaufelträgersystem (1) nach Anspruch 1,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) dem jeweiligen Verhakungselement (10)
angeformt ist.
3. Leitschaufelträgersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) ein Isolationsplättchen ist.
4. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus demselben Material wie die jeweilige
Leitschaufel (6) gefertigt ist.
5. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus demselben Material wie der jeweilige
Leitschaufelträger (2) gefertigt ist.
6. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus Stahl gefertigt ist.
7. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem in das jeweilige Isolationselement (16) eine Anzahl von Hohlräumen (18) eingebracht
ist.
8. Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das jeweilige Isolationselement (16) aus Keramik gefertigt ist.
9. Gasturbine mit einem Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Dampfturbine mit einem Leitschaufelträgersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
8.
11. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine (101) nach Anspruch 9 und/oder einer
Dampfturbine nach Anspruch 10.