DE4324035A1 - Gasturbine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinentechnik. Sie betrifft eine Gasturbine, umfassend einen Turbinenteil und eine Brennkammer, von welcher Brenn­ kammer die heißen Gase über einen ringförmigen, nach außen hin von einem verdichtete Luft führenden Plenum durch eine Außenschale abgetrennten Turbineneintritt in den Turbinen­ teil gelangen, welcher Turbinenteil von einem mit Leitschau­ feln bestückten, hohlzylindrischen Leitschaufelträger mantel­ förmig umgeben ist.

Eine solche Gasturbine ist z. B. aus der Deutschen Offenle­ gungsschrift DE-A1-28 36 539 bekannt.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen, wie sie in der eingangs genannten Druck­ schrift beschrieben sind, werden die heißen Gase, die in ei­ ner Brennkammer (z. B. vom Silotyp) mit Hilfe eines oder meh­ rerer Brenner erzeugt werden, über einen ringförmigen Turbi­ neneintritt zum eigentlichen Turbinenteil geführt. Der Turbi­ neneintritt wird üblicherweise durch eine Außen- und Innen­ schale gebildet. Der Turbinenteil wird von einem Schaufelträ­ ger umschlossen, der auf seiner Innenseite mehrere hinterein­ anderliegende Kränze von Leitschaufeln trägt. Die Leitschau­ feln wechseln sich ab mit Rotorschaufeln, die auf einer in der Achse verlaufenden Turbinenwelle angeordnet sind und durch die heißen Gase in Drehung versetzt werden.

Der Turbineneintritt ist außen von dem sogenannten Plenum umgeben, welches beim Betrieb mit verdichteter Luft beauf­ schlagt ist, die aus einem mit dem Turbinenteil in Verbindung stehenden Verdichterteil stammt. Die verdichtete Luft wird hauptsächlich den Brennern zugeführt, dient aber gleichzeitig auch als Kühlluft für die thermisch stark belasteten Teile der Anlage, insbesondere auch der Außenschale des Turbinen­ eintritts. Es versteht sich nun von selbst, daß für einen ungestörten Betrieb der Turbineneintritt gegenüber dem Plenum abgedichtet sein muß. Gleichzeitig muß aber auch sicherge­ stellt sein, daß die bei unterschiedlichen Betriebszuständen (heiß, kalt, transient oder Trip-Fall) der Anlage auftreten­ den thermisch bedingten Ausdehnungen, Kontraktionen und Kriechvorgänge der Schalen aufgefangen bzw. so kontrolliert werden, daß sich keine Beeinträchtigung des Betriebes er­ gibt.

Bei herkömmlichen Gasturbinen ist insbesondere die Außen­ schale des Turbineneintritts mit ihrem dem Turbinenteil zuge­ wandten Ende fest an den Schaufelträger dichtend ange­ flanscht. Um gleichwohl die thermisch bedingten Veränderungen in den Schalen neutralisieren zu können, sind zur Brennkammer hin Übergänge vorgesehen, an denen sich die Schalen relativ zu den angrenzenden Teilen der Brennkammer gleitend bewegen können und geführt werden. Diese Trennung der Dicht- und Aus­ gleichs- bzw. Führungsfunktionen führt in der Konstruktion und Montage zu einem relativ großen Aufwand.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbine zu schaf­ fen, bei der die Dichtung und Führung der Außenschale des Turbineneintritts funktional an einer Stelle zusammengefaßt werden.

Die Aufgabe wird bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Außenschale an ihrem dem Turbi­ nenteil zugewandten Ende mit dem Leitschaufelträger über eine bewegliche Dichtung verbunden ist, welche die thermisch be­ dingte Bewegung der Außenschale in axialer und radialer Richtung führt und begrenzt. Durch den Einsatz eines solchen multifunktionalen Bauteils wird der Aufbau maßgeblich ver­ einfacht.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Gastur­ bine nach der Erfindung ist die Dichtung kreisringförmig aus­ gebildet und besteht aus einer Vielzahl von einzelnen, von­ einander durch Segmentspalte getrennten Dichtsegmenten in Form von Kreisringabschnitten, wobei die einzelnen Dichtseg­ mente einen Segmentwinkel von nur wenigen Grad, insbesondere etwa 10° aufweisen. Aufgrund der Aufteilung der Dichtung in einzelne Segmente wird es möglich, durch Teildemontage der Dichtsegmente eine aus zwei (jeweils 180° abdeckenden) Hälf­ ten bestehende Außenschale in der (horizontalen) Trennebene zu verschweißen.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Gastur­ bine nach der Erfindung sind die Dichtsegmente als starre Platten ausgebildet, welche mit ihrem Außenrand am Schaufel­ träger geführt und mit ihrem Innenrand am Ende der Aussen­ schale beweglich gelagert sind. Zur beweglichen Lagerung der Dichtsegmente ist dabei am Ende der Außenschale ein ringför­ miges Segmentlager mit einer außen umlaufenden Lagerungsnut angebracht, in welche Lagerungsnut die Dichtsegmente mit ei­ nem Segmentfuß derart eingesetzt sind, daß sie in axialer Richtung schwenkbar sind. Zur Führung der Dichtsegmente am Schaufelträger sind an der dem Turbineneintritt zugewandten Stirnseite des Schaufelträgers nach innen gerichtete, klammerartige Rückhaltesegmente angebracht, welche zusammen mit der Stirnseite des Schaufelträgers eine radiale Führungs­ nut bilden, in welcher die Dichtsegmente mit einem an ihrem Außenrand angeformten Wulst nach außen begrenzt in radialer Richtung gleiten können. Zur Begrenzung der radialen Bewegung nach innen ist auf der Innenseite der Rückhaltesegmente je­ weils eine umlaufende Ausnehmung vorgesehen ist, welche mit ihrer Innenkante einen radialen Anschlag bildet, und die Dichtsegmente greifen mit einem entsprechenden umlaufenden Vorsprung in die Ausnehmung ein. Hierdurch wird sicher ein asymmetrisches Dehnen der Außenschale nach außen und innen verhindert, was einen konzentrischen Turbineneintritt von der Brennkammer her gewährleistet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine zeichnet sich dadurch aus, daß die Außen­ schale auf ihrer Außenseite ein von ihr beabstandetes Leit­ blech trägt, welches zusammen mit der Außenschale einen Kühlluftkanal bildet, und daß das Leitblech auf der dem Tur­ binenteil zugewandten Seite in einem Abstand vor der Dichtung endet, so daß verdichtete Luft aus dem Plenum als Kühlluft entlang der Dichtung in den Kühlluftkanal eintreten kann. Hierdurch wird eine Führung der Kühlluft bis zum Schalenende in jeder Zentrierlage der Schale sichergestellt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im ausschnittweisen achsenparallelen Schnitt ein be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gasturbine mit beweglicher Dichtung nach der Erfindung (im kalten Zustand);

Fig. 2 Querschnitt (a) und Draufsicht (b) der einzelnen Dichtungssegmente einer Dichtung nach Fig. 1, wobei der Querschnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 2b ge­ nommen ist;

Fig. 3 die Gasturbine nach Fig. 1 im transienten Zustand;

Fig. 4 die Gasturbine nach Fig. 1 in heißen Zustand; und

Fig. 5 die Gasturbine nach Fig. 1 im Fall der Schnellab­ schaltung (Trip-Fall).

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist in einem ausschnittweisen achsenparallelen Schnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gasturbine mit beweglicher Dichtung nach der Erfindung (im kalten Zu­ stand) wiedergegeben. Zu sehen ist der Übergang zwischen der von einer Brennkammer kommenden Außenschale 14 eines Turbi­ neneintritts 19 und einem mit Leitschaufeln 1 bestückten Schaufelträger 3 eines Turbinenteils der Gasturbine. Die Außen­ schale 14 trennt den Turbineneintritt 19 von einem außen­ liegenden Plenum 18, welches mit verdichteter Luft beauf­ schlagt ist.

Zwischen Ende der Außenschale 14, welches dem Turbinenteil zugewandt ist, und dem Schaufelträger 3 ist eine bewegliche Dichtung 20 vorgesehen die aus einzelnen Dichtsegmenten 10 bzw. 10a-c (Fig. 2b) in Form von Kreisringsegmenten besteht. Jedes Dichtsegment 10 hat die Form einer starren Platte (Fig. 2) und ist am unteren Rand mit einem Segmentfuß 24 ausge­ stattet, der an seinem unteren Ende eine seitlich herausste­ hende Fußkante 25 aufweist. Am oberen Rand des Dichtsegments 10 ist eine Verdickung 21 angeformt, deren Funktion weiter unten ebenso erläutert wird wie die Funktion eines unterhalb der Verdickung 21 seitlich herausragenden Vorsprungs 22.

Die Dichtsegmente 10 der Dichtung 20 sind (Fig. 1) mit ihrem Segmentfuß 24 mit Spiel in der umlaufenden Lagerungsnut 13 eines Segmentlagers 11 gelagert. Das Segmentlager 11 seiner­ seits ist am Ende der Außenschale 14 befestigt, vorzugsweise angeschweißt. Zur Sicherung der Dichtsegmente in der Lage­ rungsnut 13 weist die Lagerungsnut an ihrem einen Rand eine einwärts gerichtete Rückhaltekante 12 auf, hinter welche die Dichtsegmente 10 mit der am Segmentfuß 24 angeformten Fuß­ kante 25 greifen. Auf diese Weise ist eine Übertragung von Zug- und Druckkräften zwischen Außenschale 14 und Dichtseg­ ment 10 möglich, wobei gleichzeitig eine einfache Montage der Dichtsegmente in der Segmentlagerung und eine Schwenkbarkeit der Dichtsegmente 10 in axialer Richtung gewährleistet ist.

Zur Führung der Dichtsegmente 10 am Schaufelträger sind an der dem Turbineneintritt 14 zugewandten Stirnseite des Schau­ felträgers 3 nach innen gerichtete, klammerartige Rückhalte­ segmente 4 angebracht (z. B. mittels Schraubbolzen 5 ange­ schraubt). Die Rückhaltesegmente 4 bilden zusammen mit der Stirnseite des Schaufelträgers 3 eine radiale Führungsnut 6, in welcher die Dichtsegmente 10 mit der Verdickung 21 in ra­ dialer Richtung gleiten können. Der Boden der Führungsnut 6, der durch eine Stufe in den Rückhaltesegmenten 4 gebildet wird, begrenzt dabei die radiale Verschiebung nach außen hin. Eine entsprechende Begrenzung ist auch durch einen Vor­ sprung 23 an den Dichtsegmenten 10 gegeben, der im Grenzfall an der Innenkante des Schaufelträgers 3 anschlägt.

Zur Begrenzung der radialen Verschiebung der Dichtsegmente 10 nach innen ist auf der Innenseite der Rückhaltesegmente 4 ei­ ne umlaufende Ausnehmung 7 vorgesehen, welche mit ihrer In­ nenkante einen radialen Anschlag 8 bildet. Die Dichtelemente ihrerseits sind mit einem entsprechenden umlaufenden Vor­ sprung 22 ausgestattet, der in die Ausnehmung 7 eingreift. Wenn sich also die Außenschale 14 während des Betriebes der Gasturbine durch Erwärmung oder Abkühlung ausdehnt oder zu­ sammenzieht, gleiten die Dichtsegmente mit ihrer Verdickung 21 in der Führungsnut 6 nach außen oder innen. Durch die Be­ grenzungen in radialer Richtung wird gewährleistet, daß die Außenschale 14 und damit der ganze Turbineneintritt 19 bei dieser Veränderung hinsichtlich des Turbinenteils weitestge­ hend zentriert bleibt.

Neben der Dichtungs- und Führungsfunktion haben die Dichtseg­ mente 10 auch eine Funktion für die Lenkung der Kühlluftströ­ me (siehe Strömungspfeile in Fig. 1). Die Außenschale 14 trägt üblicherweise auf ihrer dem Plenum 18 zugewandten Außen­ seite ein von ihr beabstandetes und mittels Abstandshal­ tern 15 gehaltertes Leitblech 16, welches zusammen mit der Außenschale 14 einen Kühlluftkanal 17 bildet. Durch den Kühlluftkanal 17 wird verdichtete Luft aus dem Plenum 18 zur Kühlung der Außenschale 14 geleitet, und zwar von der Seite des Turbinenteils her in Richtung auf die Brennkammer. Zu diesem Zwecke endet das Leitblech 16 auf der dem Turbinenteil zugewandten Seite vor der Dichtung 20. Die Dichtsegmente 10 der Dichtung 20 sind im Bereich des Blechendes leicht ge­ krümmt ausgebildet, so daß verdichtete Luft aus dem Plenum 18 in jeder Zentrierlage der Außenschale 14 um das Blechende herum in den Kühlluftkanal 17 eintreten kann.

Wie aus Fig. 2b hervorgeht, setzt sich die Dichtung 20 so aus den einzelnen Dichtelementen 10a-c zusammen, daß sich insge­ samt ein voller Kreisring ergibt. Jedes Dichtsegment 10a-c bildet dabei ein Bogenstück des Kreisringbogens mit einem Bo­ gen- oder Segmentwinkel von wenigen Grad. Bewährt hat sich ein Segmentwinkel von etwa 10°, d. h. die Verwendung von ins­ gesamt 36 Dichtsegmenten. Um eine unkontrollierte Bewegung der einzelnen Dichtsegmente 10a-c in Umfangsrichtung zu ver­ hindern, sind die Dichtsegmente in der Lagerungsnut 13 durch geeignete Befestigungsmittel fixiert, die in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Bevorzugt werden als Befestigungsmittel Stifte eingesetzt, die in axia­ ler Richtung quer durch die Lagerungsnut 13 verlaufen und mit dem notwendigen Spiel durch eine Durchgangsbohrung oder einen länglichen Schlitz im Segmentfuß 24 gehen.

Zwischen den einzelnen Dichtsegmenten 10a-c bleiben Segment­ spalte, deren Breite so gewählt ist, daß die radiale Bewe­ gung der Segmente in dem gewünschten Bereich möglich ist. Es versteht sich von selbst, daß durch die Segmentspalte 26 - wie im übrigen auch durch die Lagerungsnut 13 um den Seg­ mentfuß 24 herum - in gewissem Umfang Luft aus dem Plenum 18 in den Turbinenteil strömt, und zwar um so mehr, je weiter die Dichtsegmente in radialer Richtung nach außen verschoben werden und dadurch die Spaltbreite vergrößern. Damit die Luftströmung an den angrenzenden Flächen des Schaufelträgers 3 keine erosiven Abtragungen hervorruft, sind diese Flächen mit einem widerstandsfähigen Abdeckblech 2 abgedeckt.

Neben der Verschiebung der Außenschale 14 in radialer Rich­ tung kann die Schale unter Last in axialer Richtung (vom Tur­ binenteil weg) kriechen. Um ein solches Kriechen zu begren­ zen, ist der innere Rand der Rückhaltesegmente als axialer Anschlag 9 für die Dichtsegmente 10 ausgebildet. Wandert die Außenschale 14 durch Kriechen nach rechts, schlagen die Dichtsegmente 10 am axialen Anschlag 9 an, so daß ein über­ mäßiges Kriechen sicher verhindert wird.

Die Darstellung aus Fig. 1 bezieht sich auf den Fall der ru­ henden, kalten Gasturbine. Die Außenschale 14 hat hier einen relativ geringen Durchmesser, die Dichtsegmente 10 sind aus der radialen Führungsnut 6 relativ weit herausgezogen. Die zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellungen aus den Fig. 3 bis 5 beziehen sich auf andere Betriebsfälle der Gasturbine.

In Fig. 3 ist der Fall eines transienten Betriebszustandes wiedergegeben, wie er sich beim Hochfahren der Turbine er­ gibt. Die Außenschale 14 dehnt sich hier relativ zum noch kalten Turbinenteil besonders stark aus, so daß die Dicht­ segmente 10 praktisch an der radialen Begrenzung nach außen hin anstoßen. In Fig. 4 ist der Fall eines normalen heißen Betriebszustandes dargestellt. Hier haben sich Schaufelträger 3 und Außenschale gleichermaßen erhitzt, so daß die Dicht­ segmente 10 in zwar in radialer Richtung relativ weit außen liegen, nicht jedoch an der Begrenzung anstoßen. In Fig. 5 schließlich ist der Trip-Fall, d. h. der Fall einer Schnell­ abschaltung, wiedergegeben. Hier zieht sich zuerst die Außen­ schale 14 durch Abkühlung zusammen, während der Turbinen­ teil noch vergleichsweise heiß bleibt. Die Dichtsegmente 10 wandern entsprechend in radialer Richtung nach innen, bis sie mit dem Vorsprung 22 am radialen Anschlag 8 anschlagen. In jedem Fall ist durch die gewählte Konstruktion die Zentrie­ rung des Turbineneintritts 19 voll gewährleistet.

Insgesamt ergibt sich mit der multifunktionalen Dichtung nach der Erfindung ein Anschluß des Turbineneintritts an den Schaufelträger, der folgende Vorteile aufweist:

• - die ganze Komplexität der Funktionen ist in ein Bauteil integriert
• - alle benachbarten Teile sind und bleiben einfache Dreh­ teile
• - in der (horizontalen) Trennebene der Schalen erlaubt eine Teildemontage der Dichtsegmente daß Verschweißen der Schalenhälften (2 × 180°)
• - das asymmetrische Dehnen der Schale wird nach außen und innen verhindert, was einen konzentrischen Turbinenein­ tritt von der Brennkammer her gewährleistet
• - es ist eine kontrollierte Führung der Kühlluft bis zum Schalenende in jeder Zentrierlage sichergestellt.

Bezugszeichenliste

1 Leitschaufel
2 Abdeckblech
3 Schaufelträger
4 Rückhaltesegment
5 Schraubbolzen
6 radiale Führungsnut
7 Ausnehmung
8 radialer Anschlag
9 axialer Anschlag
10 Dichtung
10a- c Dichtsegment
11 Segmentlager
12 Rückhaltekante
13 Lagerungsnut
14 Außenschale (Turbineneintritt)
15 Abstandshalter
16 Leitblech (Kühlluft)
17 Kühlluftkanal
18 Plenum
19 Turbineneintritt
20 Dichtung
21 Verdickung
22 Vorsprung
23 Vorsprung
24 Segmentfuß
25 Fußkante
26 Segmentspalt

Claims (11)

1. Gasturbine, umfassend einen Turbinenteil und eine Brenn­ kammer, von welcher Brennkammer die heißen Gase über einen ringförmigen, nach außen hin von einem verdichtete Luft füh­ renden Plenum (18) durch eine Außenschale (14) abgetrennten Turbineneintritt (19) in den Turbinenteil gelangen, welcher Turbinenteil von einem mit Leitschaufeln (1) bestückten, hohlzylindrischen Leitschaufelträger (3) mantelförmig umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (14) an ihrem dem Turbinenteil zugewandten Ende mit dem Leitschaufel­ träger (3) über eine bewegliche Dichtung (20) verbunden ist, welche die thermisch bedingte Bewegung der Außenschale (14) in axialer und radialer Richtung führt und begrenzt.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) kreisringförmig ausgebildet ist und aus ei­ ner Vielzahl von einzelnen, voneinander durch Segmentspalte (26) getrennten Dichtsegmenten (10a-c) in Form von Kreisring­ abschnitten besteht.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Dichtsegmente (10a-c) einen Segmentwinkel von nur wenigen Grad, insbesondere etwa 10° aufweisen.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtsegmente (10a-c) als starre Plat­ ten ausgebildet sind, welche mit ihrem Außenrand am Schau­ felträger (3) geführt und mit ihrem Innenrand am Ende der Außenschale (14) beweglich gelagert sind.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur beweglichen Lagerung der Dichtsegmente (10a-c) am Ende der Außenschale (14) ein ringförmiges Segmentlager (11) mit einer außen umlaufenden Lagerungsnut (13) angebracht ist, in welche Lagerungsnut (13) die Dichtsegmente (10a-c) mit einem Segmentfuß (24) derart eingesetzt sind, daß sie in axialer Richtung schwenkbar sind.

6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung der Dichtsegmente (10a-c) in der Lagerungsnut (13) die Lagerungsnut (13) an ihrem einen Rand eine einwärts gerichtete Rückhaltekante (12) aufweist, hinter welche die Dichtsegmente (10a-c) mit einer am Segmentfuß (24) angeform­ ten Fußkante (25) greifen.

7. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung der Dichtsegmente (10a-c) am Schaufelträger (3) an der dem Turbineneintritt (19) zugewandten Stirnseite des Schaufelträgers (3) nach innen gerichtete, klammerartige Rückhaltesegmente (4) angebracht sind, welche zusammen mit der Stirnseite des Schaufelträgers (3) eine radiale Führungs­ nut (6) bilden, in welcher die Dichtsegmente (10a-c) mit ei­ ner an ihrem Außenrand angeformten Verdickung (21) nach außen begrenzt in radialer Richtung gleiten können.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der radialen Bewegung nach innen auf der In­ nenseite der Rückhaltesegmente (4) jeweils eine umlaufende Ausnehmung (7) vorgesehen ist, welche mit ihrer Innenkante einen radialen Anschlag (8) bildet, und daß die Dichtseg­ mente (10a-c) mit einem entsprechenden umlaufenden Vorsprung (22) in die Ausnehmung (7) eingreifen.

9. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand der Rückhaltesegmente (4) als axialer An­ schlag (9) für die Dichtsegmente (10a-c) ausgebildet ist, welcher axiale Anschlag (9) eine Verschiebung der Dichtseg­ mente (10a-c) und damit auch der Außenschale (14) in axialer Richtung begrenzt.

10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtsegmente (10a-c) in Umfangsrich­ tung durch in der Lagerungsnut (13) vorgesehene Befestigungs­ mittel fixiert sind.

11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenschale (14) auf ihrer Außen­ seite ein von ihr beabstandetes Leitblech (16) trägt, welches zusammen mit der Außenschale (14) einen Kühlluftkanal (17) bildet, und daß das Leitblech (16) auf der dem Turbinenteil zugewandten Seite in einem Abstand vor der Dichtung (20) en­ det, so daß verdichtete Luft aus dem Plenum (18) als Kühl­ luft entlang der Dichtung (20) in den Kühlluftkanal (17) ein­ treten kann.