STATORSEGMENT, ZUGEHÖRIGES KOPPLUNGSGLIED UND LEITSCHAUFEL

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Statorsegment eines Stators für eine Strömungsmaschine mit zumindest zwei Leitschaufeln (1), wobei die Leitschaufeln an ihrem radial äußeren Ende an einem Leitschaufelträger festgelegt sind und an ihrem radial inneren Ende eine innere Plattform (5) besitzen. Die inneren Plattformen sind in einer Umfangsrichtung zueinander beabstandet und bilden zwischen sich einen Spalt (13), wobei an radial bezüglich der Strömungsmaschine nach innen weisenden Innenseiten der inneren Plattformen (5) anliegend ein Kopplungsglied (8) den Spalt (13) in Umfangsrichtung überlappend und in einer Axialrichtung zumindest überwiegend abdeckend befestigt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Kopplungsglied sowie eine Leitschaufel mit innerer Plattform, die für einen Einbau in ein vorbeschriebenes Statorsegment ausgebildet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Statorsegment eines Stators für eine Strömungsmaschine mit zumindest zwei Leitschaufeln.

[0002] Zur optimalen Lenkung des Gases in Strömungsmaschinen sind neben den rotierenden Laufschaufeln Leitschaufeln vorhanden, die selbst nicht rotieren. Üblicherweise sind in einem axialen Bereich mehrere Leitschaufeln in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet und bilden eine Leitschaufelreihe. An ihrem radial äußeren Ende sind die Leitschaufeln an einem Leitschaufelträger befestigt. Am radial inneren Ende, also in der Nähe der Welle, ist oft ein U-Ring vorhanden, der auch für eine Dichtung sorgen soll.

[0003] In der EP 1 557 536 A1 sind Leitschaufeln einer Strömungsmaschine beschrieben, die an den radial innen liegenden Enden eine Plattform aufweisen. Diese Plattformen bilden in Umfangsrichtung aneinander liegend eine Führungsfläche, die einer Begrenzungsfläche so gegenüberliegt, dass sich ein Radialspalt ausbildet. In diesem Radialspalt ist eine Labyrinthdichtung angeordnet.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Anordnung der radial innen liegenden Enden der Leitschaufeln zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

[0005] Es wurde erkannt, dass ein Statorsegment eines Stators für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Turbine, vor allem für eine Gasturbine, mit zumindest zwei Leitschaufeln bereitzustellen ist. Dabei sind die Leitschaufeln eines betroffenen Leitschaufelrings an ihrem radial äußeren Ende an einem Leitschaufelträger festgelegt und besitzen an ihrem radial inneren Ende eine innere Plattform. Die inneren Plattformen sind in einer Umfangsrichtung zueinander beabstandet und bilden zwischen sich einen Spalt. An radial bezüglich der Strömungsmaschine nach innen weisenden Innenseiten der Plattformen liegt ein Kopplungsglied an. Das zumeist bandförmige Kopplungsglied überlappt den Spalt in Umfangsrichtung und ist in einer Axialrichtung zumindest überwiegend abdeckend befestigt.

[0006] Damit wird erreicht, dass zumindest einige der aufeinanderfolgenden Leitschaufeln des betreffenden Leitschaufelrings durch das Kopplungsglied gekoppelt sind. Dies erhöht in einfacher Weise die mechanische Stabilität des Aufbaus.

[0007] Ferner wird durch die Abdeckung des Spalts eine unerwünschte Strömung von Gas durch den Spalt zwischen zwei benachbarten inneren Plattformen weitgehend unterbunden, zumindest sehr deutlich reduziert. Dies ist vor allem bei heißem Gas oft sehr gewünscht, um Materialspannungen zu vermeiden.

[0008] In einer Ausführungsform des Statorsegments ist das Kopplungsglied radial innenseitig zum dichtenden Zusammenwirken mit einem mit dem Rotor der Strömungsmaschine mitlaufenden Hitzeschild ausgebildet. Eine Dichtung ist in diesem Bereich sehr vorteilhaft, um unerwünschte Gasströme zu vermeiden. Dabei soll auch verhindert werden, dass heißes Gas unerwünscht strömt und somit thermische Belastungen auftreten.

[0009] Dabei kann es sich beispielsweise um eine Labyrinthdichtung handeln. Die Labyrinthdichtung zählt zu den berührungsfreien Wellendichtungen. Dabei greifen am Kopplungsglied angebrachte Formelemente in komplementäre Formelemente des Hitzeschilds. In der Regel sind jeweils Kämme vorhanden, die in die Zwischenräume der Kämme des Gegenstücks greifen. Da dies berührungslos erfolgen soll, um Energieverluste und Verschleiß durch Reibung zu vermeiden, wird ein Gasstrom durch die Dichtung nicht vollends verhindert. Durch den erhöhten Strömungswiderstand wird der Gasstrom aber deutlich reduziert.

[0010] In einer Ausführungsform des Statorsegments deckt das Kopplungsglied den Spalt in Axialrichtung vollständig oder zumindest bis auf - oft unvermeidliche - axiale Endbereiche des Spaltes ab. Damit wird verhindert, dass sich eine unerwünschte Strömung durch den Spalt ausbildet. Sollte es nicht gelingen die Strömung zu verhindern wird sie jedenfalls deutlich reduziert.

[0011] In einer Ausführungsform des Statorsegments deckt das Kopplungsglied den Spalt in Axialrichtung über wenigstens 90% der Erstreckung des Spalts ab. Eine derartige Abdeckung lässt sich konstruktiv gut erreichen. Zugleich wird eine Strömung durch den Spalt effektiv reduziert.

[0012] In einer Ausführungsform des Statorsegments weist das Kopplungsglied zur Befestigung an der Innenseite, also der in Einbaulage radial innen liegenden Seite, der inneren Plattformen zumindest ein Befestigungsloch auf, welches in Einbaulage von einem Befestigungspin der inneren Plattform durchgriffen ist. Dies gestattet eine einfache Befestigung und einen Formschluss in Umfangsrichtung und Axialrichtung der thermischen Strömungsmaschine, was eine verbesserte mechanische Kopplung benachbarter Leitschaufeln bewirkt.

[0013] In einer Ausführungsform des Statorsegments weisen das Befestigungsloch und der Befestigungspin in Umfangsrichtung zueinander jedoch ein größeres Spiel auf als in Axialrichtung. Damit wird erreicht, dass in Axialrichtung möglichst wenig Verschiebung der Leitschaufeln erfolgt. Zur Vermeidung von Spannungen, etwa hervorgerufen durch Erwärmung, ist ein gewisses Spiel aber durchaus wünschenswert. Da kleine Verschiebungen in Umfangsrichtung die Funktionalität nicht beeinträchtigen, kann in Umfangsrichtung ein gewisses Spiel zugelassen werden. Etwaige Materialausdehnungen können so ausgeglichen werden.

[0014] In einer Ausführungsform des Statorsegments weist das Kopplungsglied im Bereich innerhalb eines Überlappungsbereiches des Kopplungsglieds und einer der inneren Plattformen eine geringere axiale Erstreckung auf als in anderen Bereichen. Dies wird verständlich, wenn man auf eine wesentliche Funktion des Kopplungsglieds zurückkommt, nämlich die Abdeckung der Spalte zwischen den inneren Plattformen aufeinanderfolgender Leitschaufeln einer Reihe. Daher ist es sinnvoll, wenn zwischen den Plattformen, also im Bereich der Spalte, die axiale Erstreckung möglichst groß ist, während im Überlappungsbereich des Kopplungsglieds und einer der inneren Plattformen das Kopplungsglied nur die für die mechanische Stabilität erforderliche axiale Erstreckung aufweist.

[0015] In einer Ausführungsform des Statorsegments weisen die inneren Plattformen in Umfangsrichtung eine T-Nut auf und das Kopplungsglied ist so ausgebildet, dass es zur Fixierung in die T-Nut eingebracht werden kann. Das Kopplungsglied hat also an seiner radial außen liegenden Seite in den Überlappungsbereichen mit den inneren Plattformen ein Profil, welches in die T-Nut der inneren Plattform eingreifen kann.

[0016] In einer Ausführungsform des Statorsegments überragt das vorzugsweise plattenförmige Kopplungsglied das Statorsegment in Umfangsrichtung zumindest an einem Ende und ist an diesem Ende zur Überlappung eines Spaltes zwischen dem Statorsegment und einem benachbarten Statorsegment ausgebildet. Damit kann erreicht werden, dass nicht nur der Spalt zwischen den inneren Plattformen eines Statorsegments abgedeckt wird sondern auch der Spalt zwischen benachbarten Statorsegmenten.

[0017] In einer Ausführungsform des Statorsegments sind alle inneren Plattformen, die in einem Axialbereich liegen, mit einem einzelnen Kopplungsglied verbunden. Damit bildet das Statorsegment eine um den Umfang komplett umlaufende Leitschaufelreihe. Es ist ersichtlich, dass das Kopplungslied damit in seinem Radialbereich zumindest nahezu den ganzen Umfang umlaufen muss.

[0018] Bei einem derartigen Aufbau kann vorgesehen sein, dass die Enden des Kopplungsglieds miteinander verbunden sind, zumindest verbunden werden können.

[0019] Unmittelbar geschützt werden soll auch ein Kopplungsglied, das zur Verwendung in einem oben beschriebenen Statorsegment ausgebildet ist.

[0020] Ebenso unmittelbar geschützt werden soll auch eine Leitschaufel mit innerer Plattform, die zum Einbau in ein oben beschriebenes Statorsegment ausgebildet ist.

[0021] Mit Hilfe von Figuren soll die Erfindung nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Dabei zeigen

FIG 1

eine Leitschaufel mit innerer Plattform sowie dane-benliegende Laufschaufelreihen,

FIG 2

eine genauere Darstellung der Dichtung zwischen Leitschaufel und Hitzeschild,

FIG 3

ein Kopplungsglied für mehrere Leitschaufeln.

[0022] Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine. Gezeigt ist ein Schnitt in einer Achsenebene. Zu erkennen ist eine Leitschaufel 1 einer Leitschaufelreihe, welche an ihrem radial äußeren Ende eine äußere Plattform 2 aufweist. Die äußere Plattform 2 ist an einem nicht dargestellten Turbinengehäuse mit einem Leitschaufelträger befestigt. In Axialrichtung benachbart sind Laufschaufelreihen 3 und 4 zu erkennen.

[0023] Zurück zur Leitschaufel 1. Am radial inneren Ende ist eine innere Plattform 5 vorhanden. Ferner ist ein Hitzeschild 6 vorhanden, der an der nicht dargestellten Welle der Strömungsmaschine befestigt und daher im Betrieb rotierend ist.

[0024] Der Übergangsbereich zwischen innerer Plattform 5 und Hitzeschild 6 ist in Figur 2 besser zu erkennen.

[0025] Von einer T-Nut 7 der inneren Plattform 5 ist ein Kopplungsglied 8 umfasst. Auf der radial innen liegenden Seite weist das Kopplungsglied 8 Kämme 9 auf. Die Kämme 9 greifen in die Zwischenräume von Kämmen 10 des Hitzeschilds 6 um eine Labyrinthdichtung 11 auszubilden. Das Kopplungsglied 8 und die zugehörigen Kämme 9 sollen den Hitzeschild 6 und seine Kämme 10 nicht berühren.

[0026] Das im Wesentlichen plattenförmige Kopplungsglied 8 wird anhand von Figur 3 näher erklärt. Das Kopplungsglied 8 dient - neben der oben beschriebenen Dichtfunktion - vor allem dazu, die in einem Axialbereich liegenden Leitschaufeln 1 an ihrer radial innen liegenden Seite zu verbinden. Die zu verbindenden Leitschaufeln 1 liegen mithin im selben Axialbereich, haben aber unterschiedliche Umfangspositionen. Das Kopplungsglied 8 ist somit in Einbaulage radial gekrümmt, um der Umfangsrichtung zu folgen.

[0027] Zur besseren Darstellung ist in Figur 3 das Kopplungsglied 8 aber gleichsam entrollt dargestellt. Dabei verläuft die längere Seite, wenn man so will in Zeichnungsebene die Erstreckung von links nach rechts, in Einbaulage in Umfangsrichtung. Die dazu senkrechte kürzere Seite verläuft in Einbaulage in Axialrichtung, also parallel zur Rotationsachse der Welle. Die oben liegende, in Figur 3 sichtbare Seite, ist die in Einbaulage radial außen liegende Seite. Das Koppelelement 8 weist zudem eine gleichbleibende Wandstärke auf und ist somit plattenförmig.

[0028] Wie zu erkennen gibt es Bereiche mit einer in Axialrichtung eingeschränkten Erstreckung. Dort befinden sich Befestigungslöcher 12, in die an den inneren Plattformen 5 befindliche, nicht dargestellte Befestigungspins eingreifen können. Die Umrisse der inneren Plattformen 5 sind im Hintergrund dargestellt. Zu erkennen sind auch Spalte 13, die sich zwischen den inneren Plattformen 5 ausbilden.

[0029] Die inneren Plattformen 5 sind in den Bereichen mit den Befestigungslöchern 12 befestigt, wobei sich zwischen benachbarten inneren Plattformen Spalte 13 ausbilden. Die Bereiche des Kopplungsglieds 8 zwischen den Befestigungslöchern 12 können dank ihrer höheren axialen Erstreckung die sich ausbildenden Spalte 13 zumindest überwiegend abdecken. In den Bereichen, in denen sich die Befestigungslöcher 12 befinden, sind in Einbaulage die inneren Plattformen 5. Dort genügt eine niedrigere axiale Erstreckung des Kopplungsglieds 8.

[0030] Wie ersichtlich erfüllt das Kopplungsglied 8 also zugleich drei Aufgaben. Zum einen die Kopplung von einigen der aufeinanderfolgenden Leitschaufeln 1 einer Reihe, zum anderen die Abdeckung der sich ausbildenden Spalte 13 zwischen den inneren Plattformen 5 der besagten Leitschaufeln 1 und schließlich die Bereitstellung einer Labyrinthdichtung 11 zur Dichtung zwischen dem rotierenden Hitzeschild 6 und der feststehenden Leitschaufel 1.

[0031] Zum Einbau ist es im Regelfall sinnvoll, zunächst etwa vier bis fünf Leitschaufeln 1 einer Reihe mit ihren inneren Plattformen 5 am Turbinengehäuse zu befestigen. Sodann kann das Kopplungsglied 8 zur Kopplung der Leitschaufeln 1 montiert werden.

[0032] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel 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. Statorsegment eines Stators für eine Strömungsmaschine mit zumindest zwei Leitschaufeln (1),
wobei die Leitschaufeln (1) an ihrem radial äußeren Ende (2) an einem Leitschaufelträger festgelegt sind und an ihrem radial inneren Ende eine innere Plattform (5) besitzen,
wobei die inneren Plattformen (5) in einer Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind und zwischen sich einen Spalt (13) bilden,
wobei an radial bezüglich der Strömungsmaschine nach innen weisenden Innenseiten der inneren Plattformen (5) anliegend ein Kopplungsglied (8) den Spalt (13) in Umfangsrichtung überlappend und in einer Axialrichtung zumindest überwiegend abdeckend befestigt ist.

2. Statorsegment nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) radial innenseitig zum dichtenden Zusammenwirken mit einem mit dem Rotor der Strömungsmaschine mitlaufenden Hitzeschild (6) ausgebildet ist.

3. Statorsegment nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) radial innenseitig Mittel (9) zum Ausbilden einer Labyrinthdichtung (11) mit dem Hitzeschild (6) aufweist.

4. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) den Spalt (13) in Axialrichtung vollständig oder zumindest bis auf axiale Endbereiche des Spaltes (13) abdeckt.

5. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) den Spalt (13) in Axialrichtung über wenigstens 90% der Erstreckung des Spalts (13) abdeckt.

6. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) zur Befestigung an der Innenseite der inneren Plattformen (5) zumindest ein Befestigungsloch (12) aufweist, welches von einem Befestigungspin der inneren Plattform (5) in Einbaulage durchgriffen ist.

7. Statorsegment nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Befestigungsloch (12) und der Befestigungspin in Umfangsrichtung zueinander ein größeres Spiel aufweisen als in Axialrichtung.

8. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (8) im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet ist.

9. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) im Bereich innerhalb eines Überlappungsbereichs des Kopplungsglieds (8) und einer der inneren Plattformen (5) eine geringere axiale Erstreckung aufweist als in anderen Bereichen.

10. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die inneren Plattformen (5) in Umfangsrichtung eine T-Nut (7) aufweisen und das Kopplungsglied (8) so ausgebildet ist, dass es zur Fixierung in die T-Nut (7) eingebracht werden kann.

11. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kopplungsglied (8) das Statorsegment in Umfangsrichtung zumindest an einem Ende überragt und an diesem Ende zur Überlappung eines Spalts zwischen dem Statorsegment und einem benachbarten Statorsegment ausgebildet ist.

12. Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle inneren Plattformen (5), die in einem Axialbereich liegen, mit einem einzelnen Kopplungsglied (8) verbunden sind.

13. Kopplungsglied,
das zur Verwendung in einem Statorsegment nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

14. Leitschaufel mit innerer Plattform,
die zum Einbau in ein Statorsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.

Zeichnung