-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Turbinen, und insbesondere
die Turbinenschaufeln, die dabei verwendet werden. Insbesondere,
jedoch nicht ausschliesslich, betrifft die Erfindung die Anordnung
von Turbinenschaufeln, um ein Turbinenleitrad mit fest angeordneten
Schaufeln auszubilden, das bei hohen Temperaturen arbeiten kann,
und das eine Reduzierung des Austretens von Arbeitsfluid in Turbinen
bewirken kann, was sich durch ein Verformen der Schaufelreihen aufgrund
von Veränderungen
der Betriebstemperatur ergibt. Die Erfindung ist besonders auf Dampfturbinen
anwendbar.
-
Allgemeiner Stand der Technik
-
Im
Wesentlichen wandeln Dampfturbinen die Energie im Dampf zunächst in
mechanische Energie in der Form von Rotationsenergie um, und dann
in elektrische Energie. Eine Vielzahl von Reihen von Turbinenschaufeln,
die als Stufen bezeichnet werden, werden benutzt, um eine Turbinenwelle
zu drehen. Jede Dampfturbinenstufe besteht aus alternierenden stationären und
rotierenden Bauteilen: die stationären Bauteile sind Reihen von
Turbinenschaufeln, die an der Innenseite des Gehäuses der Turbine angebracht
sind, und hier als „feste
Schaufeln" bezeichnet
werden; und die rotierenden Bauteile sind Reihen von Turbinenschaufeln,
die an einem Turbinenläufer
angebracht sind, und hier als „bewegliche Schaufeln" bezeichnet werden.
-
Der
unter Druck gesetzte Dampf gelangt axial in die Turbine, und trifft
zunächst
auf die Schaufelflächen
einer Reihe fester Schaufeln. Die Schaufeln lenken den Dampf auf
eine Reihe beweglicher Schaufeln ab, die wiederum ihrerseits den
Dampf zurück
in die Axialrichtung ablenken, was sie dazu veranlasst, sich in
entge gengesetzter Richtung zu dem abgelenkten Dampf zu bewegen.
Dies bewirkt ein Drehen des Turbinenläufers und eine geringfügige Ausdehnung
des Dampfes. Die nächste
Stufe fester und beweglicher Schaufeln wiederholt den Vorgang. Dieser
Vorgang setzt sich durch die Turbine hindurch fort, bis sich der
Dampf vollständig
ausgedehnt hat.
-
Jede
aufeinanderfolgende Stufe aus Schaufeln ist dazu optimiert, dem
Druck und dem Volumen des Dampfes standzuhalten, der an der jeweiligen Position
der Schaufeln in der Turbine zu erwarten ist, da der Dampf zunehmend
an Druck verliert, während er
sich durch die aufeinanderfolgenden Reihen von Turbinenschaufeln
bewegt.
-
Wie
in 1 und 2 gezeigt, können die festen Turbinenschaufeln 103, 203 entweder
direkt am Turbinengehäuse 100, 200,
oder in separaten Leiträdern 202 angebracht
sein. Die Schaufeln, die eine Turbinenstufe ausmachen, sind miteinander
verbunden, um eine Dämpfung
zu erreichen, und vermeiden so mögliche
Vibrationen, die die Turbine beschädigen könnten.
-
Bezug
nehmend auf 1 liegen dort kleine axiale
Zwischenräume
zwischen den festen Schaufeln 103 und den beweglichen Schaufeln 105 vor,
um zu verhindern, dass die Schaufeln miteinander in Kontakt gelangen.
Es liegt ausserdem ein kleiner radialer Zwischenraum zwischen dem
festen Gehäuse 100 und
den rotierenden Bauteilen 105, 108 vor; und zwischen
dem Läufer 101 und
den stationären
Bauteilen 103, 109. Diese Zwischenräume müssen so klein
wie möglich
ausgebildet sein, um ein Austreten von Dampf zu vermeiden, da der
Dampf, der durch die Zwischenräume
strömt,
nicht an den Schaufeln vorbei gelangt, und also keine Energie erzeugen kann.
In den radialen Zwischenräumen
sind Dichtungslamellen 104 vorgesehen, um die Dampfmenge zu
reduzieren, die durch sie hindurch dringt. Die Dichtungslamellen 104 können entweder
am Läufer 101,
am Gehäuse 100 oder
an den Enden der Schaufeln 103, 105 befestigt
sein.
-
Für den Fall,
dass die festen Schaufeln 103 im Gehäuse 100 angebracht
sind, wie in 1 gezeigt, beeinflusst jede
Verformung des Gehäuses 100 aufgrund
von Wärmeeffekten
den radialen Zwischenraum zwischen den Enden der Schaufeln 109 und
dem Läufer 101,
da die Reihe aus Schaufeln 103 keinen präzisen Kreis
mehr bildet. Dies kann dazu führen,
dass einige Enden der Turbinenschaufeln 109 in Kontakt
mit den Dichtungslamellen 104 gelangen, während sich
der Läufer
dreht, wodurch die Dichtungslamellen 104 beschädigt werden
können. Nach
dem Nachlassen der Verformung des Gehäuses 100 führt diese
Beschädigung
der Dichtungslamellen 104 zu einem erhöhten Austreten von Dampf durch
den radialen Zwischenraum zwischen dem Ende der Turbinenschaufel 109 und
dem Läufer 101.
-
Um
die festen Schaufeln, und damit die Dichtungslamellen 104,
vor der genannten Verformung des Gehäuses zu schützen, ohne den radialen Zwischenraum
zwischen den Enden der Schaufeln und dem Läufer erhöhen zu müssen, können die festen Schaufeln in
einem Leitrad angebracht werden, wie in 2 gezeigt.
Das Leitrad 202, 203, 204 ist normalerweise
ein geschweisster Aufbau mit zwei Hälften, damit er um die Turbinenwelle
herum angeordnet werden kann, mit einem äusseren 202 oder inneren 204 Ring,
der ausreichend Masse aufweist, um sicherzustellen, dass die radiale
Verformung minimiert wird, und dass die Schaufeln 203 auf
diese Weise in einem präzisen
Kreis bleiben. Der äussere
Ring 202 des Leitrades ist in einer Nut 201 an
der Innenfläche
des Turbinengehäuses 200 angebracht,
und der innere Ring 204 des Leitrades ist in eine Nut 205 im
Läufer 207 eingepasst.
Der innere Ring 204 des Leitrades steht nicht in Kontakt
mit dem Läufer 207 und
erzeugt so einen Zwischenraum zwischen diesen, doch es ist eine Lamellendichtung 206 in
der Nut 205 im Läufer 207 vorgesehen,
um den Dampf zu reduzieren, der durch den Zwischenraum strömt. Die beweglichen
Schaufeln 209 sind axial benachbart zu den festen Schaufeln 203 angeordnet,
die in dem Leitrad 202, 203, 204 vorgesehen
sind, und sind durch einen Schaufelfuss 208 für bewegliche
Schaufeln am Läufer
befestigt. Am Ende der beweglichen Schaufeln 209 ist ein
Schaufeldeckplattenteil 210 für bewegliche Schaufeln vorgesehen,
der einen Zwischenraum zwischen dem Schaufeldeckplattenteil 210 und
dem Turbinengehäuse 200 schafft.
Häufig
ist der Zwischenraum mit einer anderen Lamellendichtung versehen,
um den Dampfstrom durch den Zwischenraum zu verringern.
-
Neue
Auslegungen des Leitrades sind jedoch wesentlich kompakter, wie
in 3, 4 und 5 gezeigt.
In der Anordnung aus 3 sind die festen Schaufeln 303 in
einem kompakten Leitrad 302, 303, 309 mit
einem äusseren
Ring 302 und einem inneren Ring 309 angeordnet.
Dichtungen 306B sind vorgesehen, um den Dampfstrom durch
den Zwischenraum zwischen dem inneren Ring des Leitrades 309 und
dem Läufer 301 zu
verringern. Die beweglichen Schaufeln 304 weisen Schaufelfüsse 305 auf,
die im Läufer 301 angebracht
sind. Dichtungen 306A sind im Zwischenraum zwischen der äusseren Deckplatte 307 der
beweglichen Schaufel 304 und der Innenfläche eines
axial vorspringenden Teils 310 des äusseren Rings des Leitrades 302 vorgesehen. Der
axial vorspringende Teil 310 des äusseren Rings des Leitrades 302 liegt
radial zwischen dem Turbinengehäuse 300 und
dem äusseren
Ring des Leitrades 302.
-
Diese
Auslegung des Leitrades ermöglicht einen
vorteilhaften Läuferaufbau,
indem sie z.B. die Benutzung eines Trommelläufers und von T-Fusshalterungen
erlaubt. Dies bedeutet jedoch, dass die Wärmeträgheit des äusseren Rings 401, 402 und
des inneren Rings 405, 406 des Leitrades 400, 500 aus 4 und 5 unterschiedlich
ist. Dies bewirkt, dass sich der äussere 401, 402 und
der innere 405, 406 Ring mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit erwärmen
und abkühlen.
-
Wie
in 4 gezeigt, müssen
der äussere und
der innere Ring des Leitrades 400 bei 403, 407 in
zwei Hälften
geteilt sein, derart, dass das Leitrad an seinem Durchmesser geteilt
ist, damit es um einen Läufer
herum angeordnet werden kann. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung,
die sich aus dem Temperaturunterschied ergibt, kann dazu führen, dass
sich die zwei Hälften
des Leitrades verformen, wie in übertriebener
Weise in 5 dargestellt, so dass sie zusammen
die Form einer 8 oder eine ovale Form bilden. Das bedeutet, dass
die stationären
Teile sich an einigen Stellen am Umfang näher zu den beweglichen Teilen
hinbewegen, und so den Zwischenraum dazwischen schliessen, was eine
Beschädigung
hervorrufen kann, wenn die Lamellen in Kontakt mit den Schaufeln
oder dem Läufer
gelangen, wodurch sich eine dauerhafte Zunahme des Austretens ergibt,
wie oben beschrieben.
-
Das
Ziel dieser Erfindung ist es deshalb, das Problem eines kompakten
Leitrades zu reduzieren oder zu eliminieren, welches eine Reihe
von Turbinenschaufeln aufweist, die einer Wärmeverformung unterliegen,
was zu einem erhöhten
Dampfaustritt und zu einer Beschädigung
der Turbine führt.
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
In
Kürze stellt
die Erfindung ein Turbinenleitrad für eine Axialturbomaschine bereit,
in dem äussere
Deckplatten benachbarter fester Schaufeln am Umfang miteinander
in Kontakt stehen, um einen am Umfang kontinuierlichen Lastweg zu
bilden, wobei jedoch innere Deckplatten der Schaufeln nur an Kontaktflächen miteinander
in Kontakt stehen, die so ausgerichtet sind, dass sie Lasten in
der radialen und/oder axialen Richtung übertragen. Diese Anordnung
verhindert Umfangslastwege durch die inneren Deckplatten, und verringert
so das Problem der Wärmeverformung.
-
Um
dieses Ergebnis konsequent zu erzielen, muss eine Presspassung zwischen
benachbarten inneren Deckplatten an deren Kontaktflächen vorliegen,
und die Presspassung muss ausreichend Drehmomentkräfte auf
die Deckplatten ausüben,
um sicherzustellen, dass die Kontaktflächen über den gesamten Temperaturbereich
des Betriebs der Turbomaschine hinweg miteinander in Kontakt bleiben.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung stehen die Kontaktflächen zum Übertragen von Lasten in radialer
Richtung in Kontakt miteinander, wenn das Leitrad sich im montierten
kühlen
Zustand befindet, sowie während
aller Betriebszustände
der Turbine, während
die Kontaktflächen
zum Übertragen
von Lasten in axialer Richtung nur dann in Kontakt miteinander gelangen,
wenn das Leitrad eine Betriebstemperatur erreicht.
-
In
der Erfindung stehen gegenüberliegende Seitenkanten
der inneren Deckplatten in Kontakt mit entsprechenden Seitenkanten
benachbarter innerer Deckplatten von benachbarten Schaufeln, und
jede jeweils gegenüberliegende
Seitenkante umfasst einen vorspringenden Stufenteil, einen vertieften Stufenteil,
und einen abgeschrägten
Stufenteil, der den vorspringenden Stufenteil und den vertieften Stufenteil
miteinander verbindet, wobei die vorspringenden Stufenteile sich
an gegenüberliegenden
Enden ihrer jeweiligen Seitenkanten befinden, und dazu ausgebildet
sind, in zusammenwirkende vertiefte Stufenteile benachbarter innerer
Deckplatten von benachbarten Schaufeln hineinzuragen, wobei die
abgeschrägten
Stufenteile Kontaktflächen
aufweisen, die betriebsfähig
sind, um zwischen benachbarten inneren Deckplattenteilen Lasten in
axialer Richtung zu übertragen,
und um eine Übertragung
von Lasten in Umfangsrichtung zwischen benachbarten inneren Deckplattenteilen
zu verhindern.
-
Vorzugsweise
weist jede gegenüberliegende Seitenkante
des inneren Deckplattenteils ferner einen ebenen Teil auf, wobei
die vorspringenden Stufenteile Teile der Seitenkanten aufweisen,
die relativ zu den ebenen Teilen hervorragen, und die vertieften
Stufenteile Teile der Seitenkanten aufweisen, die relativ zu den
ebenen Teilen hinterschnitten sind. Um radiale Kräfte zwischen
benachbarten inneren Deckplattenteilen zu übertragen, ist vorgesehen, dass
Kontaktflächen
der ebenen Teile, der vorspringenden Stufenteile und der vertieften
Stufenteile radial aneinander anliegen.
-
In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Schaufel
zur Benutzung in einer Reihe von festen Schaufeln in einer Axialturbomaschine
bereit, die Folgendes aufweist:
- (a) einen radialen äusseren
Deckplattenteil,
- (b) einen Schaufelflächenteil,
und
- (c) einen radialen inneren Deckplattenteil, der zwei gegenüberliegende
Seitenkanten aufweist, um in Kontakt mit entsprechenden Seitenkanten von
benachbarten inneren Deckplattenteilen benachbarter Schaufeln in
einer Reihe solcher Schaufeln zu gelangen,
wobei jede gegenüberliegende
Seitenkante einen vorspringenden Stufenteil, einen vertieften Stufenteil und
einen abgeschrägten
Stufenteil aufweist, der den vorspringenden Stufenteil und den vertieften
Stufenteil miteinander verbindet, wobei die vorspringenden Stufenteile
sich an gegenüberliegenden
Enden ihrer jeweiligen Seitenkanten befinden und dazu ausgebildet
sind, in zusammenwirkende vertiefte Stufenteile benachbarter innerer
Deckplatten von benachbarten Schaufeln hineinzuragen, wobei die
abgeschrägten Stufenteile
angeordnet sind, um zwischen benachbarten inneren Deckplattenteilen
quer zur Umfangsrichtung der Reihe von Schaufeln Kräfte zu übertragen,
und um eine Übertragung
von Lasten in Umfangsrichtung zwischen benachbarten inneren Deckplattenteilen
zu verhindern.
-
Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel bereitgestellt,
die an ihrer Innenkante eine Verbindung zu benachbarten Schaufeln
herstellen kann, die jedoch keine Zug- und Druckkräfte auf
diese benachbarten Schaufeln überträgt. Dies
wird durch eine Anordnung erreicht, die sicherstellt, dass jede
Schaufel die Freiheit behält,
sich in Umfangsrichtung auszudehnen, während der Kontakt zwischen
den Schaufeln aufrechterhalten wird. Mit einem kleinen Umfangszwischenraum,
beispielsweise von weniger als 0,5 mm, übertragen benachbarte Schaufeln
nicht länger
die Zug- und Druckkräfte, die
beim Erwärmen
oder Abkühlen
zu einer Verformung des Leitrades führen. Die Schaufeln werden durch
Befestigung am äusseren
Ring des Leitrades in ihrer Position gehalten.
-
Weitere
Aspekte der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und
den Ansprüchen
hervor.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
Es
sollen nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in denen
gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bauteile hinweisen,
Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben werden.
-
1 ist
eine Teilschnittansicht entlang einer radialen Ebene, die mit der
Rotationsachse einer Turbine übereinstimmt,
und zeigt die Anordnung einer festen Schaufel, die im Gehäuse angebracht
ist, und einer beweglichen Schaufel, die im Läufer angebracht ist;
-
2 ist
eine Teilschnittansicht entlang einer radialen Ebene, die mit der
Rotationsachse einer Turbine übereinstimmt,
und zeigt die Anordnung einer festen Schaufel, die in einem grossen
Leitrad angebracht ist, und einer beweglichen Schaufel, die im Läufer angebracht
ist;
-
3 ist
eine Teilschnittansicht entlang einer radialen Ebene, die mit der
Rotationsachse einer Turbine übereinstimmt,
und zeigt die Anordnung einer festen Schaufel, die in einem kompakten
Leitrad angebracht ist, und einer beweglichen Schaufel, die im Läufer angebracht
ist;
-
4 ist
eine Endansicht entlang der Rotationsachse einer Turbine, und zeigt
eine Reihe fester Schaufeln, die in einem kompakten Leitrad angebracht
sind, gesondert von dem übrigen
Turbinenaufbau betrachtet;
-
5 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 4, die jedoch in übertriebener Weise die Reihe
fester Schaufeln zeigt, die Verformungen unterliegen, welche dadurch
verursacht werden, dass der innere und der äussere Ring des Leitrades aufgrund
einer unterschiedlichen Wärmeträgheit des
inneren und äusseren
Rings eine unterschiedliche Temperatur aufweisen;
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht von drei benachbarten Turbinenschaufeln
gemäss
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
-
7a bis 7c sind
perspektivische Ansichten einer Turbinenschaufel gemäss der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung, wobei jede Ansicht eine andere Seite der Schaufel
zeigt;
-
8a ist
eine perspektivische Ansicht der drei benachbarten Turbinenschaufeln
aus 6, die an einem äusseren Ring des Leitrades
angebracht sind;
-
8b ist
eine Teilschnittansicht entlang der Linie B-B aus 8a,
die zeigt, wie der äussere Deckplattenteil
einer der Turbinenschaufeln vor dem Verschweissen in Kontakt mit
der Innenfläche
des äusseren
Ringes des Leitrades steht;
-
9a und 9b sind
vergrösserte
Querschnittansichten einer gestuften Kantenverbindung an den inneren
Deckplattenteilen der benachbarten Turbinenschaufeln aus 6,
die die Verbindung vor der Erwärmung
(9a) und nach der Erwärmung (9b) zeigen;
-
10 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 9b, die die Kräfte
zeigt, die auf die Verbindung einwirken, wenn eine vollständiger Satz
Turbinenschaufeln in ein Turbinenleitrad eingesetzt ist; und
-
11 ist
eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel gemäss einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
Es
sollen nun unter Bezugnahme auf 6 bis 10 eine
Turbinenschaufel gemäss
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sowie ein Leitrad, das eine Reihe solcher
Turbinenschaufeln enthält,
beschrieben werden.
-
7a und 7b zeigen
eine einzelne Turbinenschaufel 700 gemäss der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die Schaufel 700 ist als ein einzelnes massives
Bauteil ausgebildet, das aus einem Metallblock geschmiedet und herausgearbeitet
wurde, mit drei Teilen: einem äusseren
Deckplattenteil 710, einem Schaufelteil 720 und
einem inneren Deckplattenteil 730.
-
Der äussere Deckplattenteil 710 ist
als eine im Wesentlichen rechteckige oder parallelogrammförmige Platte
ausgebildet, die vier Kantenflächen 711, 712, 714, 716 aufweist.
Sie ist in der Umfangsrichtung des Turbinenleitrads gekrümmt, so
dass dann, wenn alle Turbinenschaufeln im Leitrad montiert sind,
aneinander grenzende Deckplattenteile 710 einen Ring bilden,
dessen Krümmungsmittelpunkt
mit der Rotationsachse der Turbine übereinstimmt.
-
Die
radiale Innenfläche 713 des äusseren Deckplattenteils 710 bildet
eine Strömungsfläche des Turbinendurchgangs.
Während
der Herstellung des Turbinenleitrads wird die radial äussere Fläche 715 des äusseren
Deckplattenteils 710 durch Schweissen an einem nach innen
vorspringenden Flansch 805 eines äusseren Ringes 800 des
Leitrades befestigt, wie in 8a und 8b gezeigt
ist und später beschrieben
werden soll.
-
In
Umfangsrichtung einander zugewandte Flächen 712, 714 des äusseren
Deckplattenteils 710 erstrecken sich allgemein in axialer
Richtung der Turbine und sind im Wesentlichen ebene Flächen. Wenn die
Schaufeln 700 im Leitrad montiert sind, besteht zwischen
den Deckplattenkanten 712, 714 benachbarter Deckplatten
ein Kontakt in Umfangsrichtung, derart, dass ein in Umfangsrichtung
kontinuierlicher Lastweg gebildet wird, wobei jedoch, wie im Folgenden
erläutert,
kein Kontakt in Umfangsrichtung zwischen den inneren Deckplattenteilen 730 vorliegt. Die
axial einander zugewandten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Kanten 711, 716 des äusseren Deckplattenteils 710 sind
ebenfalls im Wesentlichen ebene Flächen, und der Abstand zwischen
ihnen weist dieselbe axiale Breite auf wie der äussere Ring 800.
-
Der
Schaufelteil 720 weist eine Schaufelfläche 721 auf, die den äusseren
Deckplattenteil 710 mit dem inneren Deckplattenteil 730 verbindet.
Der innere Deckplattenteil 730 ist als eine im Wesentlichen
rechteckige oder parallelogrammförmige
Platte ausgebildet, die in der Umfangsrichtung des Turbinenleitrads
gekrümmt
ist, derart, dass dann, wenn alle Schaufeln im Leitrad montiert
sind, benachbarte innere Deckplattenteile 730 einen Ring
bilden, dessen Krümmungsmittelpunkt
mit der Rotationsachse der Turbine übereinstimmt. In dem montierten
Turbinenleitrad bildet die radial äussere Fläche 740 des äusseren
Deckplattenteils 710 eine Strömungsfläche des Turbinendurchgangs,
und die radial innere Fläche 738 stellt
eine Dichtung zum Läufer
her, z.B. mit Hilfe von Dichtungslamellen, die am Läufer angebracht
sind, ähnlich
den Lamellen 306 aus 3.
-
Wie
der äussere
Deckplattenteil 710 weist der innere Deckplattenteil 730 im
Wesentlichen ebene, axial ausgerichtete, sich in Umfangsrichtung
erstreckende Kanten 741, 742 auf. Anders als bei
dem äusseren
Deckplattenteil 710 weist jedoch jede in Umfangsrichtung
ausgerichtete, sich im Wesentlichen axial erstreckende Kante des
inneren Deckplattenteils 730 einen vorspringenden Stufenteil 732, 734,
einen zugehörigen
vertieften Stufenteil 736, 737, einen abgeschrägten Stufenteil 743, 744,
der den vorspringenden Stufenteil und den vertieften Stufenteil
miteinander verbindet, und einen ebenen Teil 731, 733 auf.
Die ebenen Teile 731, 733 nehmen die halbe Höhe ihrer
Deckplattenkanten ein, erstrecken sich über die gesamte axiale Länge der
inneren Deckplatte 730, und sind in Bezug auf die vertieften und
die vorspringenden Stufenteile radial aussen angeordnet. Die vorspringenden
Stufenteile 732, 734 weisen Teile der Deckplattenkanten
auf, die relativ zu den ebenen Teilen 731, 733 der
Deckplattenkanten hervorragen, während
die vertieften Stufenteile 736, 737 Teile der
Deckplattenkanten aufweisen, die relativ zu den ebenen Teilen 731, 733 hinterschnitten sind.
Die halbe axiale Länge
der inneren Deckplatten wird von den vorspringenden Stufenteilen 732, 734 eingenommen,
die axial gegenüberliegende
Positionen an den gegenüberliegenden,
in Umfangsrichtung einander zugewandten Kanten der inneren Deckplatte
einnehmen. Ebenso erstrecken sich die vertieften Stufenteile über die
verbleibende Hälfte
der axialen Länge
der inneren Deckplatten, und nehmen an ihren jeweiligen Deckplattenkanten
axial gegenüberliegende
Positionen ein. Wenn also die Schaufeln in dem Turbinenleitrad montiert
werden, vereinigen sich die vorspringenden Stufenteile 732, 734 jeder
inneren Deckplatte mit den vertieften Stufenteilen 736, 737 der
benachbarten inneren Deckplatten, um auf diese Weise gleitende Dehnungsausgleichsverbindungen zwischen
den inneren Deckplatten zu bilden, wie im Folgenden detaillierter
erläutert
werden soll.
-
Die
gleitenden Dehnungsausgleichsverbindungen zwischen benachbarten
inneren Deckplatten 730 weisen Kontaktflächen auf,
die die radial nach aussen gewandten Flächen 735 der vorspringenden Stufenteile 732, 734,
die radial nach innen gewandten Flächen 735' der vertieften
Stufenteile 736, 737 (die auch als überhängende Flächen der
ebenen Kantenteile 731, 733 beschreibbar sind),
und die Flächen
der abgeschrägten
Stufenteile 743, 744 aufweisen, die abgewinkelte
Flächen
zwischen den vertieften und den vorspringenden Stufenteilen bilden. Wenn
sich also das Turbinenleitrad im vollständig montierten Zustand befindet,
gelangen die Kontaktflächen 735 an
einer jeweiligen inneren Deckplatte 730 radial in Anlage
an die Kontaktflächen 735' der benachbarten
inneren Deckplatten, um radiale Lasten zwischen den inneren Deckplatten
zu übertragen. Bei
Betriebstemperaturen der Turbine gelangen ausserdem die abgeschrägten Stufenteile 743, 744 an einer
jeweiligen inneren Deckplatte 730 ebenfalls in Anlage aneinander,
um quer zur Umfangsrichtung, d.h. in einer im Allgemeinen axialen
Richtung, Lasten zwischen den inneren Deckplatten zu übertragen. Die
in Umfangsrichtung einander zugewandten Flächen 733, 734, 736; 731, 732, 737 der
inneren Deckplattenteile 730 gelangen jedoch nicht in Kontakt
miteinander, sondern bleiben durch einen schmalen Spalt von etwa
0,1 mm bis 0,5 mm voneinander getrennt, um die Übertragung von Zug- oder Druckkräften in
Umfangs- oder Tangentialrichtung zu verhindern. Die Übertragung
dieser Kräfte
in Umfangsrichtung, wie zuvor erwähnt, würde dazu führen, dass das Leitrad aus
der Achssymmetrie um den Läufer herausgezogen
würde,
wobei die Konsequenzen unter Bezugnahme auf den Stand der Technik
erörtert wurden.
Deshalb wird der genannte schmale Umfangsspalt zwischen benachbarten
inneren Deckplattenteilen 730 belassen, um eine Wärmeausdehnung zuzulassen.
-
Man
wird verstehen, dass die Auslegung in dieser Ausführungsform
der Erfindung derart vorgesehen ist, dass, wenn eine vollständige Reihe,
oder Stufe, von Schaufeln 700 als ein Leitwerk montiert
ist, durch das Biegen des Schaufelflächenteils 721 der Schaufel
während
des Einführens
der Schaufel in das Leitrad interne Torsionskräfte entstehen. Es ist vorgesehen,
dass die internen Torsionskräfte
im kühlen
Montagezustand die aneinander liegenden Kontaktflächen 735, 735' zueinander
hin bewegen. Da auf jede aneinander liegende Kontaktfläche dieselbe Torsionskraft
einwirkt, beträgt
die Nettokraft null, wenn sich alle benachbarten inneren Deckplatten
in Passkontakt befinden.
-
Zur
kurzen Wiederholung soll erwähnt
werden, dass der innere Deckplattenteil 730 der Schaufel 700 dazu
ausgebildet ist, sich mit den benachbarten inneren Deckplattenteilen
zu verriegeln, ohne dass die inneren Deckplattenteile in Umfangs-/Tangentialrichtung
miteinander in Kontakt gelangen, d.h., zwischen den inneren Deckplatten
liegt keine wesentliche Lastübertragung
in Richtungen vor, die senkrecht zu einer Ebene verlaufen, welche
mit der Turbinenachse übereinstimmt.
-
Um
ein Turbinenleitrad mit einer Reihe oder Stufe fester Schaufeln 700 aufzubauen,
und dieses in eine Turbine einzusetzen, werden die Schaufeln 700 in
einen T-förmigen äusseren
Ring 800 eingesetzt. Die radial äusseren Flächen 715 der äusseren
Deckplatten 710 gelangen in Anlage an die radial inneren Flächen 808 eines
radial nach innen vorspringenden Flanschs 805, der den
Stamm des T-förmigen äusseren
Ringes 800 bildet. Indem die äusseren Deckplattenteile 710 und
der Flansch 805 in Anlage aneinander gelangen, werden zwei
nominell zylindrische Kanäle 804 zwischen
dem Hauptteil 801 des äusseren Ringes 800 und
den miteinander verbundenen Deckplattenteilen 710 der Schaufeln 700 erzeugt.
Um die Schaufeln im äusseren
Ring 800 zu sichern, wird ein Schweisskopf in die Kanäle 804 eingeführt, und
die äusseren
Deckplatten werden in einem automatisierten Schweissverfahren, das
bekannt ist, mittels Kehlnahtschweissen mit dem Flansch 805 verschweisst.
-
Sobald
das Leitrad wie oben beschrieben ausgebildet wurde, wird es am äusseren
Ring entlang seinem Durchmesser in zwei halbkreisförmige Teile
geschnitten. Die äusseren
Deckplatten 710 der Schaufeln 700 sind nicht aneinander
befestigt, weshalb der äussere
Ring 800 an einem Punkt geschnitten wird, an dem die zwei äusseren
Deckplatten aufeinander treffen. Auf diese Weise können die
zwei Teile des Leitrads um den Läufer
in der Turbine herum angeordnet werden, wenn die Turbine montiert wird.
Die zwei halbkreisförmigen
Teile des äusseren Ringes 800 können dann
wieder aneinander gesichert werden, z.B. durch Einführen starker
Schrauben in die bereits existierenden Schraubflansche des äusseren
Ringes 800, wie bekannt, was zu einer vollständigen Wiederherstellung
des Umfangslastwegs in den äusseren
Deckplatten führt.
-
Unter
Bezugnahme auf 7 und 10 sollen
nun die Kräfte
näher beschrieben
werden, die auf die zwei benachbarten inneren Deckplatten 730 einwirken,
wenn das Leitrad montiert ist. Wie bereits erwähnt, werden die Schaufelflächen 721 während der
Montage der Schaufeln in das Leitrad in Bezug auf die äusseren
Deckplattenteile geringfügig
aus ihrer natürlichen
Ausrichtung heraus verschoben, was dazu führt, dass die inneren Deckplattenteile
an Kontaktflächen 735, 735' in Kontakt
miteinander gebracht werden. Wie in 10 zu
erkennen, springt ein vorspringender Stufenteil 734 der
rechten inneren Deckplatte 730 in einen zusammenwirkenden
vertieften Stufenteil 737 der linken inneren Deckplatte
vor, wobei die radial nach innen gewandte Kontaktfläche 735', die von dem
vertieften Stufenteil 737 gebildet wird, in Anlage an die
radial nach aussen gewandte Kontaktfläche 735 des vorspringenden
Stufenteils 734 gelangt. Ebenso springt ein vorspringender Stufenteil 732 (7c)
der linken inneren Deckplatte in einen zusammenwirkenden vertieften
Stufenteil 736 (7b) der
rechten inneren Deckplatte vor, wobei die radial nach innen gewandte
Kontaktfläche 735', die von dem
vertieften Stufenteil 736 gebildet wird, in Anlage an die
radial nach aussen gewandte Kontaktfläche 735 gelangt, die
von dem vorspringenden Stufenteil 732 gebildet wird. Gleiche
und entgegengesetzte Kräfte
F wirken radial auf die aneinander liegenden Kontaktflächen 735, 735' ein, und erzeugen
eine Nettokraft von null, wenn die gesamte Reihe Schaufeln 700 montiert
ist. Nach der Montage in das Turbinenleitrad liegt zwischen benachbarten
Deckplatten im Wesentlichen eine Presspassung an ihren radialen
Kontaktflächen 735, 735' vor. Dies übt ein ausreichendes
Drehmoment auf die Deckplatten aus, um sicherzustellen, dass die
Kontaktflächen 735, 735' während des
Betriebs der Turbine in hartem Kontakt miteinander verbleiben.
-
Man
wird verstehen, dass die abgeschrägten Stufenteile 743, 744 im
montierten Zustand, wenn die Turbine nicht in Betrieb ist und die
Schaufeln 700 eine Umgebungstemperatur aufweisen, nicht
miteinander in Kontakt stehen. Der Grund dafür ist, wie in 9a gezeigt,
dass der Spalt zwischen den ebenen Teilen 731, 733 benachbarter
Deckplattenkanten relativ gross ist. Bei Erwärmung dehnen sich die Deckplatten
jedoch derart aus, dass die vorspringenden Stufenteile 734, 732 sich
weiter in die jeweiligen vertieften Stufenteile 736, 737 hinein
erstrecken, bis die Flächen
der abgeschrägten
Stufenteile 743, 744 in Kontakt miteinander gelangen.
Dies verhindert, dass die vorspringenden Stufenteile 734, 732 vollständig in
die vertieften Stufenteile 736, 737 hineinragen,
und bewahrt einen schmalen Spalt zwischen den Deckplatten, wie in 9b gezeigt,
um sicherzustellen, dass kein Umfangslastweg durch die inneren Deckplatten
vorliegt. Eine weitere Wärmeausdehnung
der inneren Deckplatten erzeugt gleiche und entgegengesetzte Kräfte an den
aneinander anliegenden abgeschrägten
Stufenteile 743, 744, die zu einer Nettokraft
von null für
das montierte, in Betrieb stehende Turbinenleitrad beitragen. Die
Kräfte
an den abgeschrägten
Stufenteile wirken quer zur Umfangs-/Tangentialrichtung.
-
In
einer alternativen, nicht bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, gezeigt
in 11, unterscheidet sich der Dehnungsverbindungsmechanismus
zwischen den inneren Deckplattenteilen 730a benachbarter
Schaufeln 700a von dem in 6 bis 10 gezeigten.
In der bevorzugten Ausführungsform,
wie sie in Bezug auf 6 bis 10 beschrieben
wurde, gelangen die Kontaktflächen 735, 735' der inneren
Deckplatten nach der Montage in einer radialen Richtung relativ
zur Achse der Turbine miteinander in Kontakt, während die abgeschrägten Stufenteile 743, 744 nur
dann in Kontakt miteinander gelangen, wenn die Turbine eine Betriebstemperatur erreicht.
In der alternativen Ausführungsform
aus 11 wurde auf die radialen Kontaktflächen verzichtet,
und der Presskontakt zwischen den inneren Deckplatten 730a im
montierten, kühlen
Zustand des Leitrades findet an den Flächen der abgeschrägten Stufenteile 743' und 744' der inneren
Deckplatten statt, wodurch ein schmaler Umfangsspalt zwischen den
inneren Deckplattenkanten benachbarter Schaufeln übrigbleibt,
wie es in der bevorzugten Ausführungsform
der Fall ist. Dies verhindert wieder eine Übertragung von Kräften zwischen
inneren Deckplatten 730a in Umfangsrichtung, da die abgeschrägten Stufenteile 743', 744' Lasten in einer
im Allgemeinen axialen Richtung ausüben.
-
Wie
zu erkennen, sind die in Umfangsrichtung einander zugewandten Kanten 731a, 733a des inneren
Deckplattenteils 730a jeweils mit einem vorspringenden
Stufenteil 733a versehen, der im Wesentlichen die halbe
axiale Länge
jeder in Umfangsrichtung zugewandten Kante einnimmt, wobei die vorspringenden
Stufenteile an axial gegenüberliegenden
Enden ihrer jeweiligen in Umfangsrichtung einander zugewandten Kanten
angeordnet sind. Jeder abgeschrägte
Stufenteil 743', 744' bildet eine
abgewinkelte Fläche
zwischen einem vertieften Stufenteil 731a und dem vorspringenden
Stufenteil 733a. Diese abgewinkelten Flächen der abgeschrägten Stufenteile 743', 744' stehen bei
einem montierten Turbinenleitrad in einem im Wesentlichen axial
anliegenden Verhältnis
in Kontakt mit den abgeschrägten Stufenteilen
benachbarter innerer Deckplatten.
-
Obwohl
die oben stehende Beschreibung das Verschweissen der äusseren
Deckplatten 710 mit dem äusseren Ring 801 erwähnt, stehen
andere Wege zum Verbinden der Schaufeln 700 mit dem äusseren
Ring des Leitrades zur Verfügung,
wie z.B. durch eine Befestigung des T-Fusstyps usw.
-
In
weiteren Ausführungsformen
der Erfindung kann der Dehnungsverbindungsmechanismus in anderen
Turbinentypen benutzt werden, z.B. Gasturbinen. Ferner kann die
Erfindung auch auf feste Schaufeln in Verdichtern anwendbar sein.
-
Die
Erfindung kann über
einen weiten Bereich von Temperaturen und von Drücken benutzt werden, denen
Turbinen ausgesetzt sind, z.B. 150 bis 600 Grad Celsius, und 5 bis
300 bar. Bei der Herstellung der hier beschriebenen Turbinenbauteile können Stahl-
und/oder Nickellegierungen oder andere geeignete Materialien benutzt
werden.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend in ausschliesslich beispielhafter
Weise beschrieben, und es können
innerhalb des beanspruchten Umfangs der Erfindung Modifikationen
vorgenommen werden. Die Erfindung liegt in jedem der einzelnen Merkmale,
die hier beschrieben wurden oder implizit vorhanden sind, oder die
in den Figuren gezeigt oder implizit darin vorhanden sind, oder
in jeder Kombination solcher Merkmale oder jeder Verallgemeinerung solcher
Merkmale oder Kombinationen, was sich auch auf Äquivalente derselben erstreckt.
Die Breite und der Umfang der vorliegenden Erfindung sollen deshalb
nicht durch eins der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein.
Jedes hierin offenbarte Merkmal, einschliesslich der Ansprüche und
der Figuren, kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die
den gleichen, äquivalenten
oder ähnlichen
Zwecken dienen, ausser im Fall einer ausdrücklich anders lautenden Angabe.
-
Erörterungen
des Stands der Technik gelten nicht als Zugeständnis dahingehend, dass dieser Stand
der Technik weithin bekannt ist oder einen Teil des allgemeinen
Wissens auf diesem Gebiet bildet.
-
Sofern
der Zusammenhang es nicht eindeutig anders verlangt, sind die Begriffe „aufweisen", „aufweisend" usw. im einschliessenden
Sinne zu verstehen, und nicht im ausgrenzenden oder ausschliessenden
Sinne, das heisst im Sinne von „einschliesslich, aber ohne
Begrenzung auf".
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Leitrad
für eine
Axialturbomaschine, wobei äussere
Deckplatten 710 benachbarter fester Schaufeln in einer
Reihe von Schaufeln in Umfangsrichtung miteinander in Kontakt stehen,
um einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen Lastweg zu bilden,
wobei jedoch innere Deckplatten 730 der Schaufeln nur an Kontaktflächen 735, 735', 743, 744 miteinander
in Kontakt stehen, die dazu ausgerichtet sind, Lasten in der radialen
und/oder axialen Richtung der Turbomaschine zu übertragen.