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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel für eine Strömungsrotationsmaschine, insbesondere
für eine
Gasturbinenstufe, mit einem Leitschaufelblatt, einer radial äußeren mit
dem Leitschaufelblatt verbundenen Plattform mit einer dem Leitschaufelblatt
radial abgewandten Plattformoberseite, an der eine Verbindungsstruktur
zur Befestigung der Leitschaufel an einer Tragstruktur vorgesehen
ist, die die Plattformoberseite radialwärts überragende, einen inneren Hohlraum
begrenzende Seitenwandabschnitte aufweist, an denen zumindest abschnittsweise
eine Fügekontur
vorgesehen ist, die in eine innerhalb der Tragstruktur gegenkonturierte
Aufnahmeform einfügbar
ist.
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Leitschaufeln
einer Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere im Falle einer Gasturbinenanlage, sind unmittelbar
den aus der Brennkammer ausströmenden
Heißgasen
ausgesetzt und unterliegen demzufolge hohen thermischen Belastungen, die
bei modernen Gasturbinenanlagen weit über den materialspezifischen
thermischen Belastbarkeitsgrenzen der einzelnen Komponenten liegen.
Aus diesem Grunde müssen
die den Heißgasen
unmittelbar ausgesetzten Gasturbinenkomponenten, so insbesondere
die Leit- und Laufschaufeln, gekühlt
werden, so dass gewährleistet
werden kann, dass die betreffenden Komponenten nicht überhitzen
und keinerlei durch thermisch bedingte Materialdegradationen hervorgerufene
irreversible Schädigungen
erleiden. Derartige Kühlmaßnahmen
sind vielfältig
bekannt und betreffen üblicherweise
eine gezielte Kühlluftzufuhr an
die einzelnen zu kühlenden
Komponenten, wobei als Kühlluft
ein Teil der aus der Kompressoreinheit der Gasturbinenanlage austretenden
komprimierten Verbrennungsluft abgezweigt wird, die somit dem weiteren
Verbrennungsvorgang nicht zur Verfügung steht.
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Es
liegt auf der Hand, dass die zu Kühlzwecken aus der verdichteten
Zuluft abgezweigte Kühlluftmenge
möglichst
gering zu halten ist, um das Leistungsvermögen der Gasturbinenanlage nicht nachhaltig
zu beeinflussen. Zudem gilt es den abgezweigten Kühlluftanteil
möglichst
effektiv und ohne Verluste, so insbesondere ohne Leckageverluste,
an die einzelnen zu kühlenden
Gasturbinenkomponenten zu führen.
Im Falle des im Weiteren beschriebenen Leitschaufelkonzeptes gilt
es die einer Leitschaufel zu Kühlzwecken
zugeführte
Kühlluft
effektiv und ohne Leckageverluste zu nutzen.
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In
den 2a und 2b ist
jeweils in Seiten- und Querschnittsdarstellung der radial außen liegende
Teilbereich einer Leitschaufel 1 mit angrenzender statorseitiger
Tragstruktur 2 dargestellt. 2a zeigt
eine axiale Seitenansicht einer Leitschaufel 1, die radial
nach innen in den Strömungskanal
K einmündet.
Axial versetzt zur Leitschaufel 1 ist eine Laufschaufel
La stark schematisiert angedeutet. Die Leitschaufel 1 weist
in an sich bekannter Weise ein innen liegendes Kanalsystem KS auf,
das aus dem in 2b dargestellten Querschnittsbild,
das längs
der Schnittebene A-A gezeichnet ist, zu entnehmen ist. Zur Kühlung der
Leitschaufel 1 wird komprimierte Kühlluft L durch einen statorseitig
vorgesehenen Kühlluftversorgungskanal
SC der Leitschaufel 1 zugeführt.
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Die
Leitschaufel 1 setzt sich aus einem Leitschaufelblatt 3 (siehe 2b),
einer sich radial außen
an das Leitschaufelblatt 3 anschließenden Plattform 4 sowie
einer dem Leitschaufelblatt 3 relativ zur Plattform 4 gegenüberliegenden
Verbindungsstruktur 5 zusammen, mit der die Leitschaufel 1 in
der Tragstruktur 2 des Gehäuses der Strömungsrotationsmaschine,
respektive der Gasturbinenanlage befestigt ist. Die Plattform 4 weist
hierbei eine dem Strömungskanal
K zugewandte erste Oberseite 41 und eine dem Strömungskanal
K abgewandte zweite Oberseite 42 auf. Über der Ebene der Plattformoberseite 42 ragt
radialwärts
die Verbindungsstruktur 5, die mit ihren Seitenwandabschnitten 51 und 52 sowie den
in 2b nicht dargestellten stirnseitigen Seitenwandabschnitten
einen innen liegenden Hohlraum 6 umschließen, der
einerseits mit dem Kühlluftversorgungskanal
SC und andererseits mit dem Kühlkanalsystem
KS der Leitschaufel 1 offen verbunden ist. Die laterale
Dimensionierung des Hohlraumes 6 in der Ebene der Plattformoberfläche 42 ist vorzugsweise
derart gewählt,
dass der in radialer Projektion auf das Laufschaufelblatt 3 der
Leitschaufel 1 erhaltene Querschnitt vorzugsweise vollständig vom
Hohlraum 6 überdeckt
ist, so dass sämtliche
innerhalb des Leitschaufelblattes 3 eingearbeiteten Kühlkanäle KS mit
Kühlluft
L aus dem Hohlraum 6 versorgt werden können. Hierdurch ist eine optimale Kühlluftversorgung
des Laufschaufelblattes 3 sichergestellt.
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Die
Befestigung der Leitschaufel 1 innerhalb der zumeist ringförmig ausgebildeten
Tragstruktur 2, erfolgt in longitudinal innerhalb der Tragstruktur 2 verlaufenden
Ausnehmungen 2',
in die seitlich die Seitenwandabschnitte 51 und 52 an
ihrem oberen Bereich überragende,
kragenförmig
ausgebildete Fügekonturen 7 einmünden. Die
Fügetoleranzen
zwischen den Ausnehmungen 2' und
den kragenartig ausgebildeten Fügekonturen 7 sind
derart gewählt, dass
einerseits eine schnelle Montage durch leichtgängiges longitudinales Einführen der
Fügekonturen in
die nutförmig
ausgebildeten Ausnehmungen möglich
ist, andererseits jedoch eine gasdichte Pressung zwischen den Fügekonturen
und den Ausnehmungen im Wege einer betriebsbedingten Erwärmung und
eine damit verbundene Materialausdehnung gewährleistet ist, so dass keine,
durch den Versorgungskühlkanal
SC in den Hohlraum 6 eintretende Kühlluft die vorstehend beschriebene
Fügeverbindung
zu passieren vermag.
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Aus
betriebs- sowie auch montagetechnischen Gründen ist zwischen der radial äußersten
Begrenzungsfläche 9' der Seitenwandabschnitte 51 und 52 und
der inneren Konturierung der Tragstruktur 2 ein Zwischenspalt 8 vorgesehen,
der sich senkrecht zu der in 2b dargestellten
Zeichenebene über die
gesamte longitudinale Längserstreckung
der Befestigungsstruktur 5 und damit über die stirnseitigen Flächenwandabschnitte 53 und 54 (in 2b nicht dargestellt) erstreckt.
Für die
in den Hohlraum 6 einströmende Kühlluft eröffnet sich durch den Zwischenspalt 8,
der sich auch zwischen den stirnseitigen Flächenwandabschnitten 53 und 54 und
der radial gegenüberliegenden
Tragstruktur 2 ausbildet, eine vortreffliche Möglichkeit
durch angrenzende Spalte zu entweichen. Diesbezügliche Leckagepfade sind der 2a anhand
der darin die Leckageströmungen
repräsentierende
Pfeildarstellungen zu entnehmen. So wird der Hohlraum 6 von
der Hauptkühlluftströmung aus
dem Versorgungskühlkanal
SC versorgt, aus der Teilströmungen
beidseitig seitlich über
die Oberkanten der stirnseitigen Flächenwandabschnitte 53 und 54 durch
die jeweiligen Zwischenspalte 8 seitlich entweichen kann.
Die seitlich entweichenden Kühlluftteilströme gelangen
einerseits zwischen radial verlaufende Zwischenspalte 9 zwischen
der Tragstruktur 2 und axial angrenzenden Leitschaufelgehäusebereichen
und vermögen
letztlich über
weitere Zwischenspalte ungenutzt in den Strömungskanal K (siehe gestrichelte
Pfeildarstellung) zu gelangen. Derartige Leckageverluste gilt es
zu vermeiden, ohne jedoch das Betriebsverhalten sowie die Montagefähigkeit
der einzelnen Komponenten zu beeinträchtigen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen an dem vorstehend beschriebenen
Leitschaufelkonzept zu ergreifen, mit denen die Leckageverluste
an Kühlluft,
die weitgehend nutzlos durch Zwischenspalte in den Strömungskanal
verloren geht, zu reduzieren. Die zu ergreifenden Maßnahmen
sollen die Funktionsweise sowie auch die Montierbarkeit der einzelnen
Komponenten nicht beeinträchtigen.
Ebenfalls soll es möglich
sein, auch bereits im Einsatz befindliche Leitschaufeln entsprechend
nachzurüsten,
um schädliche
Leckageströmungen
zu reduzieren.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben,
den Lösungsgedanken
vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie
der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Lösungsgemäß ist eine
Leitschaufel für
eine Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbinenstufe, mit einem Leitschaufelblatt, einer radial äußeren mit
dem Leitschaufelblatt verbundenen Plattform mit einer dem Leitschaufelblatt
radial abgewandten Plattformoberseite, an der eine Verbindungsstruktur
zur Befestigung der Leitschaufel an einer Tragstruktur vorgesehen
ist, die die Plattformoberseite radialwärts überragende, einen inneren Hohlraum
begrenzende Seitenwandabschnitte aufweist, an denen zumindest abschnittsweise
eine Fügekontur
vorgesehen ist, die in eine innerhalb der Tragstruktur gegenkonturierte
Aufnahmeform einfügbar
ist, derart ausgebildet, dass zwischen der Verbindungsstruktur und
der Tragstruktur wenigstens ein Dichtmittel vorgesehen ist.
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Das
Dichtmittel ist vorzugsweise derart zwischen der Verbindungsstruktur
und der Tragstruktur angeordnet, so dass weitgehend keine Leckageströme seitlich
aus dem Hohlraum, der von den Seitenwandabschnitten der Verbindungsstruktur
lateral begrenzt wird, zwischen der radial oberen Kante der Verbindungsstruktur
und der dieser radial gegenüberliegenden
Tragstruktur entweichen kann.
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Da
die Verbindungsstruktur üblicherweise vier
in Rechtecksform zueinander gefügte
Seitenwandabschnitte vorsieht, von denen zwei gegenüberliegende
Seitenwandabschnitte jeweils eine kragenförmig ausgebildete Fügekontur
aufweisen, die im eingefügten
Zustand eine weitgehend gasdichte Verbindung mit der Tragstruktur
eingehen, sind die Dichtmittel vorzugsweise zwischen der vorderen
und der hinteren stirnseitigen Seitenwandabschnitte, vorzugsweise
an ihrer jeweils radialseitig außen liegenden Begrenzungsflächen, die
der Tragstruktur zugewandt sind, vorzusehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
bietet es sich an, längs
der vorstehend genannten radial äußeren Begrenzungsflächen der
stirnseitigen vorderen und hinteren Seitenwandabschnitte jeweils nutförmige Ausnehmungen
einzubringen, in die die als Band- oder Streifendichtungen ausgebildeten Dichtmittel
einbringbar sind, wobei die Dichtmittel über die jeweiligen Begrenzungsflächen erhaben ausgebildet
sind. Um die Montage, aber insbesondere die Dichtungseigenschaften
derartiger Dichtmittel zu verbessern, ist zusätzlich zu jedem einzelnen Dichtmittel
ein Federelement in die nutförmige
Ausnehmung einzubringen, so dass das jeweilige Dichtmittel federkraftbeaufschlagt
von Seiten der Verbindungsstruktur an einen Oberflächenbereich
der Tragstruktur federkraftbeaufschlagt angepresst wird. Das Vorsehen
eines Federelementes erlaubt zum einen die Dimensionierung der nutförmigen Ausnehmung
innerhalb des jeweiligen Seitenwandabschnittes sowie die Dimensionierung
des Dichtmittels derart zu wählen,
so dass zu Montagezwecken das Dichtmittel entgegen der Federkraft
vollständig
in die nutförmige
Ausnehmung eingepresst werden kann und somit keinen Überstand über die
radial äußere Begrenzungsfläche des
jeweils stirnseitigen Seitenwandabschnittes aufweist. Im montieren,
d. h. eingefügten
Zustand der Verbindungsstruktur in die entsprechende Ausnahmeform
innerhalb der Tragstruktur sorgt das jeweils in der Nut innenliegende
Federelement dafür,
das das Dichtmittel kraftbeaufschlagt radial nach außen gegen
einen entsprechend an der Tragstruktur vorgesehenen Oberflächenbereich
getrieben wird und somit für
eine effektive Dichtungsfunktion sorgt. Ebenso ist es denkbar, anstelle
des Anbringens des Dichtmittels innerhalb der Verbindungsstruktur
das Dichtmittel an der Tragstruktur vorzusehen in einem Bereich,
der den vorderen bzw. hinteren stirnseitigen Seitenwandabschnitten
gegenüberliegt.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a schematisierte
Längsschnittdarstellung
eines Verbindungsbereiches zwischen einer Leitschaufel und einer
statorseitigen Tragstruktur in einer Gasturbinenanordnung,
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1b die
Teildarstellung für
die Anbringung eines Dichtmittels innerhalb eines Seitenwandabschnittes
in der Verbindungsstruktur,
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1c perspektivische
Darstellung der Verbindungsstruktur mit Plattform,
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2a schematisierte
Längsschnittdarstellung
durch den Verbindungsbereich zwischen einer Leitschaufel und einer
statorseitigen Tragstruktur gemäß Stand
der Technik sowie
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2b Querschnittsdarstellung
des Verbindungsbereiches zwischen einer Leitschaufel und einer statorseitigen
Tragstruktur gemäß Stand
der Technik.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1a zeigt
eine schematisierte Teildarstellung eines Längsschnittes durch den Fügebereich
einer Leitschaufel 1 mit einer statorseitig angeordneten Tragstruktur 2,
die vorzugsweise als Tragring innerhalb eines Statorgehäuses ausgebildet
ist. Im Unterschied zu der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen
Leitschaufelausbildung gemäß 2a, sieht
die lösungsgemäss ausgebildete
Leitschaufel 1 jeweils an den radial äußeren Begrenzungsflächen 11 der
vorderen und hinteren stirnseitigen Seitenwandabschnitte 53 und 54 jeweils
ein Dichtmittel 12 vor, dessen Anbringung und Ausgestaltung
innerhalb des jeweiligen Seitenwandabschnittes in der Detaildarstellung
gemäß 1b vergrössert dargestellt
ist. Innerhalb der Begrenzungsfläche 11 des
jeweiligen Seitenwandabschnittes 53, 54 ist eine
nutförmige Ausnehmung 13 eingebracht,
in der ein Federelement 14 sowie das Dichtmittel 12 eingebracht
sind. Die nutförmige
Ausnehmung 13 erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge der
radial äußeren Begrenzungsfläche des
jeweiligen Seitenwandabschnittes 53, 54, so dass
in einer bevorzugten Ausführungsform
das Federelement als längliche
Plattfeder 14 ausgebildet ist und das Dichtmittel 12 gleichsam an
die Dimensionen der nutförmigen
Ausnehmung 13 angepasst eine stabförmige Form annimmt. Zur besseren
Verdeutlichung eine möglichen
bevorzugten Ausbildung des Federelementes 14 sowie des Dichtmittels 12 sei
auf die perspektivische Darstellung gemäß 1c verwiesen,
die eine Schrägsicht auf
die radial außen
liegende Oberseite 42 der Plattform 4 zeigt mit
der Verbindungsstruktur 5, die jeweils die Seitenwandabschnitte 51 bis 54 aufweisen.
Deutlich zu erkennen sind die parallel zueinander verlaufenden Seitenwandabschnitte 51 und 52 an
deren radial äußeren Rand
jeweils eine kragenförmige
Ausformung 6, 7 vorgesehen ist, die für die mechanische Befestigung
der Leitschaufel innerhalb der Tragstruktur sorgt. An den stirnseitigen
vorderen und hinteren Seitenwandabschnitten 53 und 54 sind
die vorstehend bezeichneten nutförmigen
Ausnehmungen 13 eingearbeitet, in denen jeweils ein Federelement 14 sowie
das stabförmig
ausgebildete Dichtmittel 12 einbringbar sind. Neben der
in 1c abgebildeten Ausführungsform der plattförmig ausgebildeten
Feder 14 können
auch alternative Federformen verwendet werden, wie bspw. Helikalfedern
oder Rundfedern o. ä..
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Aus
der Detaildarstellung gemäß 1b kann
entnommen werden, dass die nutförmige
Ausnehmung 13 eine Nuttiefe aufweist, die es ermöglicht,
das Dichtmittel 12 durch entsprechende äußere Krafteinwirkung auf das
Federelement 14 vollständig in
die Nutausnehmung 13 zu pressen. Hierdurch kann die Montagefreundlichkeit
der Leitschaufel verbessert werden. Im montierten Zustand, der in
der Bilddarstellung gemäß 1b dargestellt
ist, ragt das Dichtmittel 12 federkraftbeaufschlagt aus
der Nut 13 radialseits empor und drückt federkraftbeaufschlagt
gegen den radialseits gegenüberliegenden Oberflächenbereich
der Tragstruktur 2, so dass hierdurch eine fluiddichte
Abdichtung des Zwischenspaltes 8 gewährleistet ist.
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Durch
Vorsehen der lösungsgemäß vorgeschlagenen
Dichtmittel 12 an dem jeweils stirnseitig angeordneten
Seitenwandabschnitten 53, 54 der Verbindungsstruktur 5 einer
Leitschaufel 1 kann vermieden werden, dass der Kühlluftstrom
gemäß 1a,
der in den Hohlraum 6 der Leitschaufel 1 von Seiten
des Kühlluftversorgungskanals
SC eintritt, seitlich in die lateral an die Verbindungsstruktur 5 angrenzenden
Zwischenspalte entweichen kann. Vielmehr sorgen die Dichtmittel 12 dafür, dass
der Kühlluftstrom
nahezu gesamtheitlich innerhalb der innenliegenden Kühlkanalsysteme
innerhalb der Leitschaufel geführt
wird und somit zu einer optimalen Kühlung der Leitschaufel dient.
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Da
vorzugsweise die längs
des Seitenwandabschnittes 53 und 54 vorgesehenen
Dichtmittel jeweils identisch zueinander ausgebildet sind und jeweils
eine Länge
aufweisen, durch die eine vollständige
Abdichtung des aus Montagezwecken zwischen der Verbindungsstruktur 5 und
der Tragstruktur 2 vorgesehenen Spaltes 8 bewirkt
wird, sind die für
die Abdichtung zu treffenden Maßnahmen
kostengünstig
und einfach in der Herstellung realisierbar. Insbesondere können bereits
im Einsatz befindliche Leitschaufeln durch entsprechende Nachbearbeitung mit
dem vorgeschlagenen Dichtungssystem ausgerüstet werden. Hierzu sind lediglich
zwei Fräsvorgänge erforderlich,
die zur Herstellung der beiden nutförmigen Ausnehmungen 13 nötig sind.
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Selbstverständlich sind
Abwandlungen an dem vorstehend beschriebenen Dichtungsprinzip denkbar,
so bspw. die Integration der Dichtmittel innerhalb der Tragstruktur 2 im
Bereich, der der äußeren Begrenzungsfläche 11 der
stirnseitigen Seitenwandabschnitte 53 und 54 gegenüber liegt.
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Durch
die radial gerichtete federkraftbedingte Auslenkung des Dichtmittels 12 wird
das Dichtmittel 12 ausschließlich senkrecht gegen den abzudichtenden
Oberflächenbereich
der Tragstruktur 2 gepresst. Hierdurch treten lediglich
in radialer Richtung orientierte Druckkräfte innerhalb des Dichtmittels 12 auf,
wodurch das Dichtmittel eine nur geringfügige mechanische Belastung
erfährt.
Abrieberscheinungen am Dichtmittel können somit weitgehend ausgeschlossen
werden, so dass die Dichtfunktion des Dichtmittels nahezu unbegrenzt
erhalten bleibt. Um die Dichtfunktion zu optimieren, gilt es Sorge
dafür zu tragen,
dass die Oberflächenkontur
des Dichtmittels 12 an die Oberflächenkontur des abzudichtenden Oberflächenbereiches
der Tragstruktur angepasst ist.
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- 1
- Leitschaufel
- 2
- Tragstruktur
- 2'
- Aufnahmeform
- 3
- Leitschaufelblatt
- 4
- Plattform
- 5
- Verbindungsstruktur
- 6
- Hohlraum
- 7
- Fügekontur
- 8
- Zwischenspalt
- 9
- Zwischenspalt
- 9'
- Begrenzungsfläche
- 10
- Leitschaufelträger
- 11
- Radial äußere Begrenzungsfläche
- 12
- Dichtmittel
- 13
- Nutförmige Ausnehmung
- 14
- Federelement
- 41
- Untere
Plattformoberseite
- 42
- Obere
Plattformoberseite
- 51
bis 54
- Seitenwandabschnitte