Abdichtung von Leitschaufelköpfen gegenüber einem innenliegenden Statorbauteil

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abdichten von Leitschaufelköpfen von Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe einer Turbine gegenüber einem radial innen zu der Leitschaufelreihe angeordneten Bauteil eines Stators der Turbine, aufweisend
- wenigstens eine radial außen an dem Bauteil angeordnete innere Umfangsnut,
- wenigstens eine durch zueinander fluchtend ausrichtete Nuten an den einzelnen Leitschaufelköpfen ausgebildete, radial innen an einem durch die Leitschaufelköpfe gebildeten Außenring angeordnete äußere Umfangsnut und
- wenigstens einen jeweils teilweise innerhalb der inneren Umfangsnut und der äußeren Umfangsnut anordbaren Dichtring,
- wobei die äußere Umfangsnut und der Dichtring derart ausgebildet sind, dass zwischen dem Dichtring und der äußeren Umfangsnut ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss herstellbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abdichten von Leitschaufelköpfen von Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe einer Turbine gegenüber einem radial innen zu der Leitschaufelreihe angeordneten Bauteil eines Stators der Turbine.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Turbinenstufe für eine Turbine, aufweisend wenigstens eine Leitschaufelreihe mit Leitschaufeln mit radial innenliegenden Leitschaufelköpfen und wenigstens ein radial innen zu der Leitschaufelreihe angeordnetes Bauteil eines Stators der Turbine.

[0003] Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbine mit einer Brennkammer und einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine, wobei die Turbine mehrere hintereinandergeschaltete Turbinenstufen aufweist.

[0004] WO 2004/057158 A1 offenbart eine Gasturbine mit einem Ansauggehäuse, einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Abgasgehäuse. Die Turbine umfasst mehrere hintereinandergeschaltete Turbinenstufen. Jede Turbinenstufe umfasst eine Leitschaufelreihe mit an einem Stator der Turbine befestigten Leitschaufeln und eine Laufschaufelreihe mit an einem Rotor der Turbine befestigten Laufschaufeln. Jede Leitschaufel ist über ihren Leitschaufelfuß an einem Innengehäuse des Stators befestigt. Jede Leitschaufel umfasst einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf, der dem Rotor zugewandt und an einem Befestigungsring des Stators festgelegt ist.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, Bereiche einer Turbine, in denen unterschiedliche Drücke herrschen, gegeneinander abzudichten und gleichzeitig Relativbewegungen zwischen Leitschaufeln der Turbine zu reduzieren.

[0006] Die erfindungsgemäße Anordnung zum Abdichten von Leitschaufelköpfen von Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe einer Turbine gegenüber einem radial innen zu der Leitschaufelreihe angeordneten Bauteil eines Stators der Turbine umfasst

• wenigstens eine radial außen an dem Bauteil angeordnete innere Umfangsnut,
• wenigstens eine durch zueinander fluchtend ausrichtete Nuten an den einzelnen Leitschaufelköpfen ausgebildete, radial innen an einem durch die Leitschaufelköpfe gebildeten Außenring angeordnete äußere Umfangsnut und
• wenigstens einen jeweils teilweise innerhalb der inneren Umfangsnut und der äußeren Umfangsnut anordbaren Dichtring,
• wobei die äußere Umfangsnut und der Dichtring derart ausgebildet sind, dass zwischen dem Dichtring und der äußeren Umfangsnut ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss herstellbar ist.

[0007] Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein Bereich einer Turbine, welcher von einem Arbeitsmedium durchströmbar ist, gegenüber einem radial innen dazu liegenden Bereich der Turbine abgedichtet werden, um Druckverluste und eine Beaufschlagung von nicht zur Führung des Arbeitsmediums vorgesehenen Turbinenbauteilen zu vermeiden.

[0008] Durch den mit der erfindungsgemäßen Anordnung herstellbaren, in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss zwischen dem Dichtring und der äußeren Umfangsnut erfolgt eine mechanische Kopplung der Leitschaufelköpfe in Umfangsrichtung, wodurch Relativbewegungen zwischen den Leitschaufelköpfen bzw. den Leitschaufeln weitestgehend reduziert werden können. Hierdurch können Lasten, die im Betrieb einer entsprechend ausgestatteten Turbine über deren Leitschaufelfüße in ein Innengehäuse der Turbine eingeleitet werden, reduziert werden, was mit einer Verringerung von Schäden, einem verminderten Verschleiß, erhöhten Standzeiten und/oder einer möglichen reduzierten Auslegung von Turbinenbauteilen einhergeht. Des Weiteren können Lasten, die im Betrieb einer entsprechend ausgestatteten Turbine über deren Leitschaufelköpfe in benachbart zu den Leitschaufelköpfen angeordnete Statorbauteile, beispielsweise einem oben genannten Befestigungsring, eingeleitet werden, reduziert werden, was ebenfalls mit einer Verringerung von Schäden, einem verminderten Verschleiß, erhöhten Standzeiten und/oder einer möglichen reduzierten Auslegung von Turbinenbauteilen einhergeht.

[0009] Die erfindungsgemäße Anordnung kann bei einer Neuherstellung einer Turbine realisiert werden. Wegen der geringfügigen baulichen Veränderungen beispielsweise im Vergleich zu der in WO 2004/057158 A1 beschriebenen Turbine kann die Anordnung auch unter relativ geringem Aufwand bei einer bereits vorhandenen Turbine im Zuge einer entsprechenden Nachrüstung, beispielsweise durch Funkenerodieren unter Verwendung einer hierzu geeigneten Elektrode, realisiert werden.

[0010] Die innere Umfangsnut und der Dichtring sind bevorzugt derart ausgebildet, dass zwischen dem Dichtring und der inneren Umfangsnut ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss herstellbar ist. Hierdurch können die Leitschaufelköpfe bzw. Leitschaufeln, welche in Umfangsrichtung mechanisch miteinander gekoppelt sind, in Umfangsrichtung auch mechanisch an das Bauteil gekoppelt werden, wodurch auf die Leitschaufeln, das Innengehäuse und/oder Statorbauteile im Betrieb einer entsprechend ausgestatteten Turbine einwirkende mechanische Lasten deutlich reduziert werden können, was mit einer Optimierung der Turbine hinsichtlich der oben genannten Vorteile einhergeht.

[0011] Bevorzugt variieren eine axiale Breite des Dichtrings in Umfangsrichtung und eine axiale Breite der äußeren Umfangsnut bzw. inneren Umfangsnut in Umfangsrichtung komplementär zur axialen Breite des Dichtrings. Die Variation der axialen Breite des Dichtrings und der äußeren Umfangsnut bzw. inneren Umfangsnut kann einen stetigen oder einen sprunghaften Verlauf in Umfangsrichtung aufweisen.

[0012] Bevorzugt umfassen wenigstens eine axiale Stirnseite des Dichtrings eine, insbesondere zur Längsachse des Dichtrings symmetrische, Verzahnung und wenigstens eine mit der axialen Stirnseite des Dichtrings zusammenwirkende axiale Seitenfläche der äußeren Umfangsnut bzw. inneren Umfangsnut eine komplementär zur Verzahnung der axialen Stirnseite des Dichtrings ausgebildete Verzahnung. Die Verzahnungen können schräg oder senkrecht zur Umfangsrichtung verlaufende Zahnflanken aufweisen. Die Verzahnung an dem Dichtring kann durch einen zick-zack-förmigen Verlauf des Dichtrings in Umfangsrichtung realisiert sein. Es können auch beide axialen Stirnseiten des Dichtrings bzw. beide axialen Seitenflächen der äußeren Umfangsnut bzw. inneren Umfangsnut entsprechend ausgebildet sein. Insbesondere können die beiden axialen Stirnseiten des Dichtrings symmetrisch bezüglich einer Querebene des Dichtrings ausgebildet sein.

[0013] Die äußere Umfangsnut ist bevorzugt an einem radial nach innen ragenden, bezüglich einer Strömungsrichtung eines die Leitschaufelreihe umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Umfangsring des Außenrings angeordnet. Hierdurch erfolgt eine erfindungsgemäße Abdichtung von Bereichen der Turbine mit unterschiedlichem Druck an einem stromaufwärts liegenden, frühestmöglichen Abschnitt der jeweiligen Turbinenstufe.

[0014] Die erfindungsgemäße Turbinenstufe für eine Turbine umfasst

• wenigstens eine Leitschaufelreihe mit Leitschaufeln mit radial innenliegenden Leitschaufelköpfen,
• wenigstens ein radial innen zu der Leitschaufelreihe angeordnetes Bauteil eines Stators der Turbine, und
• wenigstens eine Anordnung gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben.

[0015] Mit der Turbinenstufe sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Turbinenstufe kann auch zwei oder mehrere Leitschaufelreihen, radial innenliegende Bauteile und/oder Anordnungen aufweisen. Das Bauteil des Stators kann in einem Übergangsbereich einer Gasturbine von einer Brennkammer der Gasturbine in die Turbine angeordnet sein.

[0016] Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbine, wobei die Turbine mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen aufweist, und wobei wenigstens eine Turbinenstufe gemäß der vorgenannten Ausgestaltung ausgebildet ist.

[0017] Mit der Gasturbine sind die oben mit Bezug auf die Anordnung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Gasturbine kann auch zwei oder mehrere Brennkammern und/oder Turbinen aufweisen.

[0018] Bevorzugt ist wenigstens eine unmittelbar der Brennkammer nachgeschaltete erste Turbinenstufe gemäß der vorgenannten Ausgestaltung ausgebildet. In diesem Bereich einer Gasturbine können relativ große Druckunterschiede zwischen einem ein Arbeitsmedium führenden Turbinenabschnitt und einem radial innen und außerhalb dieses Turbinenabschnitts liegenden weiteren Turbinenabschnitt herrschen, was die Ausstattung der Gasturbine mit der erfindungsgemäßen Turbinenstufe bzw. der oben genannten Anordnung sinnvoll macht. Auch treten in diesem Bereich einer Gasturbine bzw. deren Turbine relativ hohe Wärmebelastungen und dadurch große Wärmedehnungen auf, welche über den mit der oben genannten Anordnung herstellbaren Formschluss zwischen dem Dichtring und der äußeren Umfangsnut bzw. inneren Umfangsnut in Umfangsrichtung aufgefangen werden können, um die Turbinenstufe bzw. Turbine robuster ausgestalten zu können.

[0019] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.

[0020] Es zeigen:

Fig. 1

eine Schnittdarstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Gasturbine;

Fig. 2

eine perspektivische Darstellung einer Leitschaufel eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Turbinenstufe;

Fig. 3

eine Seitenansicht eines Details der in Figur 2 gezeigten Leitschaufel im Bereich ihres Leitschaufelkopfes mit einem daran angeordneten Dichtring;

Fig. 4

eine Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten Details der Leitschaufel mit einem daran angeordneten Dichtring.

[0021] In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0022] Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 umfasst eine Brennkammer 2 und eine der Brennkammer 2 nachgeschalteten Turbine 3, wobei die Turbine 3 mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen 4 aufweist, von denen in Figur 1 nur die unmittelbar der Brennkammer 2 nachgeschaltete erste Turbinenstufe 4 gezeigt ist.

[0023] Die erste Turbinenstufe 4 umfasst eine Leitschaufelreihe 5 aus einzelnen radial angeordneten Leitschaufeln 6 mit radial innen liegenden Leitschaufelköpfen 7. Des Weiteren umfasst die erste Turbinenstufe 4 eine Laufschaufelreihe 8 mit radial angeordneten Laufschaufeln 9, die an einem Rotor 10 der Gasturbine 1 befestigt sind. Zudem umfasst die erste Turbinenstufe 4 ein radial innen zu der Leitschaufelreihe 5 angeordnetes Bauteil 11 eines Stators 12 der Turbine 3. Ferner umfasst die erste Turbinenstufe 4 eine Anordnung 13 zum Abdichten der Leitschaufelköpfe 7 der Leitschaufeln 6 der Leitschaufelreihe 5 der Turbine 3 gegenüber dem radial innen zu der Leitschaufelreihe 5 angeordneten Bauteil 11 des Stators 12 der Turbine 3.

[0024] Die Anordnung 13 umfasst eine radial außen an dem Bauteil 11 angeordnete innere Umfangsnut 14, eine durch zueinander fluchtend ausrichtete Nuten 15 an den einzelnen Leitschaufelköpfen 7 ausgebildete, radial innen an einem durch die Leitschaufelköpfe 7 gebildeten Außenring 16 angeordnete äußere Umfangsnut 17 und einen jeweils teilweise innerhalb der inneren Umfangsnut 14 und der äußeren Umfangsnut 17 angeordneten Dichtring 18. Die äußere Umfangsnut 17 und der Dichtring 18 sind derart ausgebildet, dass zwischen dem Dichtring 18 und der äußeren Umfangsnut 17 ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss hergestellt ist, wie es beispielsweise genauer Figur 4 zu entnehmen ist. Die innere Umfangsnut 14 und der Dichtring 18 können derart ausgebildet sein, dass zwischen dem Dichtring 18 und der inneren Umfangsnut 14 ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss hergestellt ist. Die Nut 15 jeder Leitschaufel 6 ist an einem radial nach innen ragenden, bezüglich einer durch den Pfeil 21 angedeuteten Strömungsrichtung eines die Leitschaufelreihe 5 umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Ringsegment 22 des jeweiligen Leitschaufelkopfes 7 angeordnet. Die Ringsegmente 22 bilden an dem Außenring 16 einen radial nach innen ragenden, bezüglich der Strömungsrichtung des die Leitschaufelreihe 5 umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Umfangsring 27 aus, an dem die äußere Umfangsnut 17 angeordnet ist.

[0025] Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Leitschaufel 6 eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße, nicht gezeigte Turbinenstufe 4. Die Leitschaufel 6 umfasst den radial innenliegenden Leitschaufelkopf 7, einen radial außenliegenden Leitschaufelfuß 19 sowie ein zwischen dem Leitschaufelkopf 7 und dem Leitschaufelfuß 19 angeordnetes Schaufelblatt 20. Die Nut 15 ist an einem radial nach innen ragenden, bezüglich einer durch den Pfeil 21 angedeuteten Strömungsrichtung eines die Leitschaufel 6 umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Ringsegment 22 des Leitschaufelkopfes 7 angeordnet. Hierdurch ist entsprechend Figur 1 eine durch die zueinander fluchtenden Nuten 15 entsprechender Leitschaufeln 6 einer Leitschaufelreihe ausgebildete äußere Umfangsnut an einem radial nach innen ragenden, bezüglich der Strömungsrichtung des die Leitschaufelreihe umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Umfangsring des durch die Leitschaufelköpfe 7 gebildeten Außenrings angeordnet.

[0026] Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines Details der in Figur 2 gezeigten Leitschaufel 6 im Bereich ihres Leitschaufelkopfes 7 bzw. dessen Ringsegments 22 mit einem daran angeordneten Dichtring 18. Der Dichtring 18 ist mit einem radial äußeren Abschnitt innerhalb der Nut 15 angeordnet. Am inneren Umfang des Dichtrings 18 ist eine umlaufende Verbreiterung 28 angeordnet, die formschlüssig in eine innere Umfangsnut einführbar ist, die breiter als die Nut 15 ausgebildet ist.

[0027] Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten Details der Leitschaufel 6 mit einem daran angeordneten Dichtring 18. Die Schnittebene IV-IV ist entsprechend Figur 3 gewählt. Eine axiale Breite des Dichtrings 18 variiert in Umfangsrichtung und eine axiale Breite der Nut 15 und somit der nicht gezeigten äußeren Umfangsnut des Außenrings variiert in Umfangsrichtung komplementär zur axialen Breite des Dichtrings 18. Die an dem Bauteil des Stators angeordnete innere Umfangsnut kann entsprechend der äußeren Umfangsnut 17 ausgebildet sein. Durch die Variation der axialen Breite des Dichtrings 18 weisen beide axialen Stirnseiten 23 und 24 des Dichtrings 18 eine zur Längsachse des Dichtrings 18 symmetrische Verzahnung mit schräg zur Umfangsrichtung verlaufenden Zahnflanken auf. Die jeweilig mit einer axialen Stirnseite 23 bzw. 24 des Dichtrings 18 zusammenwirkende axiale Seitenfläche 25 bzw. 26 der Nut 15 und dadurch der äußeren Umfangsnut weist eine komplementär zur Verzahnung der jeweiligen axialen Stirnseite 23 bzw. 24 des Dichtrings 18 ausgebildete Verzahnung auf. Die jeweilig mit einer axialen Stirnseite 23 bzw. 24 des Dichtrings 18 zusammenwirkende axiale Seitenfläche der inneren Umfangsnut des nicht gezeigten Bauteils des Stators kann ebenfalls eine komplementär zur Verzahnung der jeweiligen axialen Stirnseite 23 bzw. 24 des Dichtrings 18 ausgebildete Verzahnung aufweisen.

[0028] Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Anordnung (13) zum Abdichten von Leitschaufelköpfen (7) von Leitschaufeln (6) einer Leitschaufelreihe (5) einer Turbine (3) gegenüber einem radial innen zu der Leitschaufelreihe (5) angeordneten Bauteil (11) eines Stators (12) der Turbine (3), aufweisend

- wenigstens eine radial außen an dem Bauteil (11) angeordnete innere Umfangsnut (14),

- wenigstens eine durch zueinander fluchtend ausrichtete Nuten (15) an den einzelnen Leitschaufelköpfen (7) ausgebildete, radial innen an einem durch die Leitschaufelköpfe (7) gebildeten Außenring (16) angeordnete äußere Umfangsnut (17) und

- wenigstens einen jeweils teilweise innerhalb der inneren Umfangsnut (14) und der äußeren Umfangsnut (17) anordbaren Dichtring (18),

- wobei die äußere Umfangsnut (17) und der Dichtring (18) derart ausgebildet sind, dass zwischen dem Dichtring (18) und der äußeren Umfangsnut (17) ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss herstellbar ist.

2. Anordnung (13) gemäß Anspruch 1,
wobei die innere Umfangsnut (14) und der Dichtring (18) derart ausgebildet sind, dass zwischen dem Dichtring (18) und der inneren Umfangsnut (14) ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss herstellbar ist.

3. Anordnung (13) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei eine axiale Breite des Dichtrings (18) in Umfangsrichtung variiert und eine axiale Breite der äußeren Umfangsnut (17) bzw. inneren Umfangsnut (14) in Umfangsrichtung komplementär zur axialen Breite des Dichtrings (18) variiert.

4. Anordnung (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine axiale Stirnseite (23, 24) des Dichtrings (18) eine Verzahnung aufweist und wenigstens eine mit der axialen Stirnseite (23, 24) des Dichtrings (18) zusammenwirkende axiale Seitenfläche (25, 26) der äußeren Umfangsnut (17) bzw. inneren Umfangsnut (14) eine komplementär zur Verzahnung der axialen Stirnseite (23, 24) des Dichtrings (18) ausgebildete Verzahnung aufweist.

5. Anordnung (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die äußere Umfangsnut (17) an einem radial nach innen ragenden, bezüglich einer Strömungsrichtung eines die Leitschaufelreihe (5) umströmenden Arbeitsmediums vorgeschalteten Umfangsring (27) des Außenrings (16) angeordnet ist.

6. Turbinenstufe (4) für eine Turbine (3), aufweisend

- wenigstens eine Leitschaufelreihe (5) mit Leitschaufeln (6) mit radial innenliegenden Leitschaufelköpfen (7),

- wenigstens ein radial innen zu der Leitschaufelreihe (5) angeordnetes Bauteil (11) eines Stators (12) der Turbine (3), und

- wenigstens eine Anordnung (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (2) und einer der Brennkammer (2) nachgeschalteten Turbine (3),
wobei die Turbine (3) mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen (4) aufweist, und
wobei wenigstens eine Turbinenstufe (4) gemäß Anspruch 6 ausgebildet ist.

8. Gasturbine (1) gemäß Anspruch 7,
wobei wenigstens eine unmittelbar der Brennkammer (2) nachgeschaltete erste Turbinenstufe (4) gemäß Anspruch 6 ausgebildet ist.

Zeichnung