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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zwischenstufendichtungsanordnung einer Gasturbine und im Speziellen auf eine Gasturbine mit einer schraubenlosen Zwischenstufendichtungs-Konstruktion.
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Bei Turbinenstufen von Gasturbinen ist es bekannt, die Rotorscheiben miteinander zu verschrauben. Dies erfolgt während der Montage so, dass die zwischen benachbarten Rotorscheiben angeordneten Zwischenstufendichtung bereits vormontiert sind. Diese sind so zu gestalten, dass die Zugänglichkeit zu den Scheibenflanschen der Rotorscheiben für deren Verschraubung gewährleistet und andererseits die Dichtfunktion erfüllt wird.
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Der Stand der Technik zeigt Konstruktionen, bei welchen die Zwischenstufendichtungsanordnung aus zwei Ringen besteht, die entweder einzeln, unabhängig voneinander an den Leitschaufeln befestigt werden oder die miteinander verschraubt werden. Eine weitere bekannte Ausführung ist die Teilung in zwei Halbringe, die erst nach der Verschraubung der Rotorscheiben montiert werden müssen.
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Bei den bekannten Ausgestaltungen mit verschraubten Ringen erweist es sich als nachteilig, dass die Verschraubung der Zwischenstufendichtungs-Teile hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei einem Versagen der Verschraubung (Bruch einzelner Schrauben) ergeben sich Schäden an den Rotorscheiben. Weiterhin bringt die Verschraubung die Gefahr mit sich, dass andere Komponenten während des Montagevorgangs beschädigt werden können, beispielsweise eine Tannenbaumverzahnung an der Scheibe. Weiterhin erzeugt die Verschraubung eine Verwirbelung der Luftströme zwischen Rotor und Stator und erzeugt damit einen Luftwiderstand, der der Rotation entgegenwirkt. Die Verwirbelung führt auch zu einer Erhöhung der Lufttemperatur, die sich negativ auf die Scheibentemperatur sowie die Kühllufttemperatur für die nachfolgende Laufschaufel auswirkt. Ein weiterer, wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Werkstoffwahl für die Ringe der Zwischenstufendichtungsanordnung eingeschränkt ist, da die relative radiale Verschiebung aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnungen auf ein Minimum reduziert werden müssen, um ein Rutschen des Flansches und die damit verbundene Biegebelastung der Schrauben auszuschließen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit zwei separaten Zwischenstufendichtungsringen handelt es sich um ein statisch unbestimmtes System, wobei durch Bauteiltoleranzen Zwangskräfte zwischen dem vorderen Ring und dem hinteren Ring (in Durchströmungsrichtung der Gasturbine gesehen) auftreten können. Bei einem der Ringe ist in der Regel der Druckunterschied der ihn umgebenden Luft so gering, dass keine oder nur geringe axiale Kräfte wirken. Dies kann zu Vibrationen und zu erhöhtem Verschleiß führen. Die in der Herstellung sehr kostenintensive Leitschaufel erfordert somit einen erhöhten Bearbeitungsaufwand. Weiterhin sind zusätzliche Dichtungsstreifen oder Dichtungselemente zwischen den Leitschaufelsegmenten erforderlich. Der Ring, der die Zwischenstufendichtung trägt, ist bei dieser Konstruktion zusätzlich einem hohen radialen Temperaturgradienten ausgesetzt.
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Bei geteilten Zwischenstufendichtungsringen ist ein erhöhter Aufwand an Bearbeitung erforderlich. Insbesondere sind aufwändige Fräsarbeiten nötig. Eine derartige Baugruppe ist hinsichtlich ihrer Elemente aufeinander abgestimmt, so dass einzelne Elemente (beispielsweise Halbringe) nicht einzeln ausgetauscht werden können. Weiterhin ist eine derartige, systembedingt nicht rotationssymmetrische Konstruktion im Betrieb unsymmetrischen Thermaldehnungen ausgesetzt, so dass derartige Bauteile sich von einer kreisrunden Form in eine Ovalform verformen können. Hierdurch kann ein erhöhter Kaltspalt erforderlich sein und sich damit eine erhöhte Leckage ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwischenstufendichtungsanordnung einer Gasturbine der eingangs genannte Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere gute konstruktive Eigenschaften aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Zwischenstufendichtungsanordnung einen (radial) äußeren Ring, welcher durch Leitschaufeln sowohl axial gehalten, als auch zentriert und somit gelagert wird, sowie einen (radial) inneren Ring, welcher an dem äußeren Ring gelagert ist, umfasst. Die Begriffe (radial) äußerer und (radial) innerer beziehen sich auf die Rotationsachse oder Maschinenachse. Mit den Begriffen vordere und hintere wird auf die Durchströmungsrichtung der Gasturbine Bezug genommen, vordere bedeutet somit näher am Einlaufbereich, während hintere näher am Auslassbereich bedeutet.
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Erfindungsgemäß ist jeder der Ringe, nämlich der äußere Ring und der innere Ring, mit zumindest einem Dichtungsbereich versehen, um die Funktion einer Zwischenstufendichtungsanordnung zu erfüllen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der innere Ring am äußeren Ring durch mindestens drei radiale Nut-Feder-Verbindungen zentriert und auch gegen Verdrehen in Umfangsrichtung gesichert ist. Die Symmetrieebenen aller Nut-Feder-Verbindungen müssen alle die Hauptrotationsachse der beteiligten Komponenten enthalten, um eine Verformung oder Beschädigung zu verhindern. Dieses Prinzip entspricht dem Stand der Technik und wird u. a. auch für die Zentrierung des äußeren Ringes durch die Leitschaufeln verwendet. Es erlaubt unterschiedliche thermische Expansionen der beteiligten Komponenten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Koaxialität.
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Bezüglich der axialen Fixierung des äußeren Ringes durch in dessen radiale Nut eingreifende Leisten der Leitschaufeln kann auf den Stand der Technik verwiesen werden. Der innere Ring wird hingegen durch einen ringförmigen Ansatz des äußeren Ringes axial nach hinten gesichert. Das Anliegen des inneren Ringes am äußeren Ring wird im Betrieb durch das Druckgefälle zwischen der vorne liegenden, ersten Stufe und der hinter der Zwischenstufendichtungsanordnung befindlichen zweiten Stufe sichergestellt. Im Stillstand könnte sich der innere Ring nach vorne bewegen. Dies wird jedoch erfindungsgemäß mittels mehrerer Halteelemente verhindert. Erfindungsgemäß sind diese Halteelemente selbst von außen demontierbar, um ein Verschieben des inneren Ringes nach vorne bzw. des äußeren Ringes nach hinten zum Verschrauben der Rotorscheiben zu ermöglichen. Erfindungsgemäß werden die Halteelemente selbst durch die Leisten der Leitschaufeln gegen Herausfallen gesichert.
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Die Radialnut im äußeren Ring kann bevorzugterweise zum Einlegen von Halteelementen ausgebildet sein. Hierdurch ist die Radialnut entweder am gesamten Umfangsbereich oder über einen Teil ihres Umfangs mit einer größeren axialen Breite versehen, die es gestattet, neben der Leiste der Leitschaufel zusätzlich Halteelemente einzubringen. Am Umfang sind beispielsweise drei derartige Halteelemente vorgesehen, die ausreichend sind, um im Stillstand des Triebwerks den inneren Ring gegen ein axiales Verrutschen zu sichern. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, nach innen weisende Halteelemente vorzusehen, welche an der Leiste der Leitschaufel selbst ausgebildet sind, entweder als Stifte, die in radiale Bohrungen der Leiste eingebracht sind, oder als Verlängerungen von Teilbereichen der Leiste in radialer Richtung.
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Zur Erhöhung der Dichtwirkung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring kann es günstig sein, wenn der äußere Ring und/oder der innere Ring an dem jeweiligen Anlagebereich mit einem ringwulstförmigen Dichtungsvorsprung versehen ist.
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Erfindungsgemäß ist es somit in besonders günstiger Weise möglich, den äußeren Ring und den inneren Ring aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, so dass der äußere Ring und der innere Ring hinsichtlich ihrer thermischen Beanspruchungen optimiert werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine axiale Teil-Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zwischenstufendichtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine vereinfachte Teil-Ansicht längs der Schnittlinie AA-AA gemäß 1,
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3 eine Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels, analog 1, und
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4 eine Ansicht, analog 1, eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Bei den Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird bei allen Figuren auf die Darstellung der zentrierenden Nut-Feder-Verbindung verzichtet.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem ein äußerer Zwischenstufendichtungs-Ring 1 sowie ein innerer Zwischenstufendichtungs-Ring 3 vorgesehen sind, welche jeweils entsprechende Dichtungsbereiche 4, 5, 6 umfassen. Hinsichtlich der Dimensionierung der Konstruktion der Dichtungsbereiche 4, 5, 6 kann auf den Stand der Technik verwiesen werden.
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Der äußere Ring 1 umfasst eine sich in radialer Richtung erstreckende, radial nach außen offene Radialnut 12, in welche eine radial nach innen weisende Leiste 11 eines Fußes einer Leitschaufel 2 eingesteckt ist. Die Leitschaufeln 2 sind gemäß dem Stand der Technik ausgebildet und in Umfangsrichtung segmentiert, wobei jeweils auch mehrere Leitschaufeln 2 einen gemeinsamen Fuß 16 aufweisen können.
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Die 1 bis 3 zeigen weiterhin eine Scheibe 17 einer Stufe 1 einer Turbine mit Rotorschaufeln 19, sowie eine Scheibe 18 einer Stufe 2, welche stromab der erfindungsgemäßen Zwischenstufendichtungsanordnung angeordnet ist, mit Rotorschaufeln 20. Hinsichtlich der Scheiben 17, 18 sowie der Rotorschaufeln 19, 20 kann auf den Stand der Technik verwiesen werden.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der äußere Ring 1 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, radial nach außen offene Radialnut 12 (siehe obenstehend), welche in axialer Richtung mit einer zusätzlichen, verbreiternden Nut 15 versehen ist, die in eine Ausnehmung 14 übergeht, die sich radial nach innen öffnet. In die Nut 15 ist (siehe auch 2) ein Halteelement 7 eingelegt, welches (siehe 2) T-förmig ausgebildet ist und dessen Fuß 21 durch die Ausnehmung 14 hindurchtritt. Das Halteelement 7 wird durch die Leiste 11 nach seiner Montage gehalten und erstreckt sich somit mit seinem Fuß radial nach innen.
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Radial innen zu dem äußeren Ring 1 ist der innere Ring 3 angeordnet. Dieser liegt gegen einen ringförmigen Ansatz 10 des äußeren Rings 1 an und wird somit in Axialrichtung abgestützt. Der ringförmige Ansatz 10 bildet somit einen Anlageschenkel und fixiert den inneren Ring 3, wobei der innere Ring 3 an seiner radialen Außenseite mit einem Freiraum zur thermischen Expansion gegenüber dem äußeren Ring 1 versehen ist. Auf der dem ringförmigen Ansatz 10 gegenüberliegenden Seite wird der innere Ring 3 durch das Halteelement 7 fixiert. Über den Umfang verteilt sind beispielsweise drei derartige Halteelemente 7 vorgesehen.
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Die 2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Ansicht gemäß der Linie AA-AA von 1. Hierdurch ist ersichtlich, dass das Halteelement 7 in die Nut 15 eingelegt ist und somit radial fixiert ist, so dass beim Betrieb der Gasturbine ein betriebssicherer Zustand gewährleistet ist.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion weist den Vorteil auf, dass bei einer Montage der Zwischenstufendichtungsanordnung bzw. der Gasturbine der innere Ring 3 an dem äußeren Ring 1 in einfacher Weise montiert werden kann. Nachfolgend werden dann die Halteelemente 7 eingesetzt und die Leitschaufeln 2 eingesteckt.
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Die 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Halteelement 8 als zapfenförmige Verlängerung der Leiste 11 ausgebildet ist, welche die Ausnehmung 14 durchgreift und somit direkt den inneren Ring 3 gegen Verschieben nach vorne sichert, sobald die Leitschaufel 2 montiert wird.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das jeweilige Halteelement 9 in Form eines Stiftes ausgebildet, welcher in eine radiale Bohrung der Leiste 11 eingepresst ist.
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Erfindungsgemäß ergibt sich somit der Vorteil, dass ein Versagen von Verschraubungen ausgeschlossen werden kann, da keine Verschraubungen zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring vorgesehen sind. Hierdurch ergeben sich auch geringere Strömungsverluste, da die Oberflächen des äußeren Rings und des inneren Rings jeweils strömungsgünstig optimiert werden können.
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Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich erfindungsgemäß darin, dass die Werkstoffauswahl für den äußeren Ring und für den inneren Ring getrennt optimierbar sind und somit beispielsweise ein optimales Spaltverhalten für den inneren Ring ermöglichen, während bei dem äußeren Ring ein hochtemperaturbeständiger Werkstoff gewählt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil kann in einer Gewichtseinsparung sowie einer Reduzierung der Bauteile und einer damit verbundenen Reduzierung der Montagekosten resultieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Äußerer Ring
- 2
- Leitschaufel
- 3
- Innerer Ring
- 4
- Dichtungsbereich
- 5
- Dichtungsbereich
- 6
- Dichtungsbereich
- 7
- Halteelement
- 8
- Halteelement
- 9
- Halteelement
- 10
- Ringförmiger Ansatz
- 11
- Leiste
- 12
- Radialnut
- 13
- Dichtungsvorsprung
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Nut
- 16
- Fuß
- 17
- Scheibe der Stufe 1
- 18
- Scheibe der Stufe 2
- 19
- Rotorschaufel
- 20
- Rotorschaufel
- 21
- Fuß
