EP1512842B1 - Gasturbine mit Laufspaltkontrolle - Google Patents

Gasturbine mit Laufspaltkontrolle Download PDF

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EP1512842B1
EP1512842B1 EP04018924A EP04018924A EP1512842B1 EP 1512842 B1 EP1512842 B1 EP 1512842B1 EP 04018924 A EP04018924 A EP 04018924A EP 04018924 A EP04018924 A EP 04018924A EP 1512842 B1 EP1512842 B1 EP 1512842B1
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EP
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control ring
gas turbine
segments
stator vane
accordance
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Harald Schiebold
Olaf Mistareck
Thomas Wunderlich
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a plurality of shroud segments, which surround as blades rotor blades of a turbine wheel, wherein at least one front or a rear attachment of the shroud segments takes place at the radially outer region of Leitschaufelsegmenten, which are each mounted on a control ring at its inner region.
  • control ring The purpose of using a control ring is to utilize the thermal expansion of the control ring to adjust the vane segments according to the thermal conditions in their outer circumference. This results in a reduction or enlargement of the overall diameter of the ring formed by the shroud segments. This results in an adjustment of the gap between the tips of the blades and the interior of the shroud segments. Otherwise, thermal contraction or expansion of the blades would result in enlargement of the gap or contact with the shroud segments.
  • the prior art is therefore based on the basic idea to achieve an optimal passive running gap control. This is achieved, as described, by the fact that the fastening means of the shroud segments have a thermal operating behavior which is synchronized with the radial movement of the blade tips of the rotor blades. Instationary operating conditions can ideally not adversely affect the running gap in stationary operation.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine with an optimized passive clearance control, which has an optimized performance with a simple design and cost-effective production and assembly.
  • the guide blade segments are mounted radially adjustable on the control ring.
  • the construction according to the invention has a number of significant advantages.
  • annular gap seal (running gap) can be optimized in terms of dimensions compared to the basic design, since an exact adaptation to the thermal performance is possible.
  • axisymmetric and eccentric position deviations can be compensated without component change.
  • the guide blade segments are also mounted adjustably in the circumferential direction on the control ring.
  • the guide blade segments are also mounted adjustably in the circumferential direction on the control ring.
  • adjustable storage By inventively provided adjustable storage, the possibility is created during the installation to make an exact adjustment and to optimize the assignment of the components accordingly.
  • the guide blade segments are fixed by means of a screw under frictional engagement on the control ring.
  • a screw under frictional engagement on the control ring For example, it is possible to provide a sleeve with a setting clearance or a segment with a setting clearance.
  • the setting can also be done by an Excentervorraum, such as a fitting sleeve with eccentric.
  • At least one secondary air seal is formed on the control ring and the control ring is configured such that its thermal operating behavior controls the width of the annular gap of the secondary air seal.
  • the arranged within the vane annulus control ring is thereby designed so that its thermal performance in addition to the control of the nip also for controlling at least one annular gap seal of the rotor cooling air system (secondary air system) is used.
  • at least one secondary air seal connected to the control ring can be designed as a brush seal or multi-stage labyrinth.
  • the annular gap of this Seal optimized by the thermal performance accordingly.
  • the elements relevant for the thermal expansion of the control ring arrangement are selected with regard to their material selection such that their thermal expansion coefficient is at least 15% smaller than the thermal expansion coefficient of the respectively adjacent rotor disk.
  • the Fig. 3 shows the shroud segment 1 which is associated with the vane segment of the HDT 7 and the vane segment of the NDT 12.
  • the design of the housing and the cooling air ducts located therein are dispensed with at this point.
  • the guide blade segments 7 and 12 are mounted.
  • the fastening of the guide blade segments takes place in each case on a control ring, namely a front control ring 9 and a rear control ring 10.
  • the reference numeral 11 relates to a secondary air seal, which may be in the form of a brush seal.
  • Reference numeral 15 represents a housing of the HDT.
  • Fig. 3 The general structure of in Fig. 3 shown arrangement broadly corresponds to the prior art, the variants of the invention show in particular the enlarged Fig. 1 and 2 ,
  • the control ring 9 is provided with an insulation 16 which approximates its thermal behavior to the thermal behavior of the disk 5.
  • the attachment is effected by means of a sleeve 17 and a screw 18, wherein additionally a load compensation element 19 is provided.
  • the sleeve has a setting game, the fixation via the screw by means of the screw 18 with frictional engagement.
  • the vane segment 7 it is possible to adjust the vane segment 7 to some extent in both the radial and circumferential directions.
  • the pressure on the control ring can be adjusted.
  • the load compensation element 19 the inner blade suspension 14 is relieved and can thereby be made smaller. This has a favorable effect on the weight and costs of the entire body.
  • Each blade is thus screwed by means of a screw 18 to the control ring 9.
  • the sleeve 17 is located in the lower Bar of the vane (vane segment 7).
  • the sleeve can, viewed from the center of the sleeve, forces transmitted only in the radial direction of the vane.
  • the guide blade can thus, as described, tilt in the axial direction and the circumference over the sleeve center.
  • the bore diameter of the sleeve has a play to the screw diameter, which then allows the adjustability of the vanes to the control ring.
  • At least one brush seal is formed as an integral part of the control ring.
  • the selection of the respective materials (alloys) is made such that an adaptation to the thermal behavior and the joining technical concerns of the control ring takes place and the connection of the brush seal to the control ring without detachable connection elements is possible.
  • control ring and its positive axial connection to the stator segments are inventively designed so that an outer seal is formed on the control ring.
  • an outer seal is formed on the control ring.
  • it is ensured that a pressure gradient across the control ring results in load compensation at the location of the inner blade suspension.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit mehreren Deckbandsegmenten, welche als Dichtung Laufschaufeln eines Turbinenrades umschließen, wobei zumindest eine vordere oder eine hintere Befestigung der Deckbandsegmente an dem radial äußeren Bereich von Leitschaufelsegmenten erfolgt, welche an ihrem Inneren Bereich jeweils an einem Steuerring gelagert sind.
  • Eine Konstruktion dieser Art zeigt GB 2 061 396 A
  • Die Verwendung eines Steuerrings dient dem Zweck, die thermische Ausdehnung des Steuerrings zu nutzen, um die Leitschaufelsegmente entsprechend den thermischen Bedingungen in ihrem Außenumfang anzupassen. Hierdurch erfolgt eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des durch die Deckbandsegmente gebildeten Rings. Hierdurch ergibt sich eine Anpassung des Spaltes zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Innenbereich der Deckbandsegmente. Andernfalls würde eine thermische Kontraktion oder Ausdehnung der Laufschaufeln zu einer Vergrößerung des Spaltes oder zu einem Kontakt mit den Deckbandsegmenten führen.
  • Dem Stand der Technik liegt also die Grundidee zugrunde, eine optimale passive Laufspaltkontrolle zu erzielen. Dies wird, wie beschrieben, dadurch erzielt, dass die Befestigungsmittel der Deckbandsegmente ein thermisches Betriebsverhalten aufweisen, welches mit der radialen Bewegung der Schaufelspitzen der Laufschaufeln synchronisiert ist. Instationäre Betriebszustände können sich im Idealfall nicht nachteilig auf den Laufspalt im stationären Betrieb auswirken.
  • Bei den bekannten Konstruktionen hat es sich als nachteilig erwiesen, dass eine optimale Laufspaltkontrolle nicht unter allen Einbaubedingungen möglich ist, da die Einbaumaße des Steuerrings, der Leitschaufelsegmente sowie der Deckbandsegmente jeweils vorgegeben sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit einer optimierten passiven Laufspaltkontrolle zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellung und Montage ein optimiertes Betriebsverhalten aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruches gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente radial einstellbar an dem Steuerring gelagert sind.
  • Die erfindungsgemäße Konstruktion weist eine Reihe erheblicher Vorteile auf.
  • Durch die Verstellbarkeit der Leitchaufeln relativ zu dem Steuerring ist es möglich, Bauteiltoleranzen, beispielsweise der Leitschaufelsegmente und auch der Deckbandsegmente, auszugleichen. Gleiches gilt für Toleranzabweichungen des Steuerrings oder Exzentrizitäten desselben.
  • Ein weiterer, wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Ringspaltdichtung (Laufspalt) gegenüber der Basisauslegung in ihren Dimensionen optimiert werden kann, da eine exakte Anpassung an das thermische Betriebsverhalten möglich ist. Damit können achsensymmetrische und exzentrische Positionsabweichungen ohne Bauteiländerung kompensiert werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente auch in Umfangsrichtung verstellbar an dem Steuerring gelagert sind. Somit ist es auch möglich, in Umfangsrichtung entsprechende Einstellungen vorzunehmen, bevor eine endgültige Montage der Leitschaufelsegmente und der Deckbandsegmente erfolgt.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene verstellbare Lagerung wird die Möglichkeit geschaffen, während der Montage eine exakte Einstellung vorzunehmen und entsprechend die Zuordnung der Bauelemente zu optimieren.
  • In günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufelsegmente mittels einer Verschraubung unter Reibschluss an dem Steuerring fixiert sind. So ist es beispielsweise möglich eine Hülse mit einem Einstellspiel oder ein Segment mit einem Einstellspiel vorzusehen. In einer alternativen Ausbildung der Erfindung kann die Einstellung auch durch eine Excentervorrichtung, beispielsweise eine Passhülse mit Excenter, erfolgen.
  • Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn an dem Steuerring zumindest eine Sekundärluftdichtung ausgebildet ist und der Steuerring so ausgestaltet ist, dass sein thermisches Betriebsverhalten die Breite des Ringspalts der Sekundärluftdichtung kontrolliert. Der innerhalb des Schaufelringraumes angeordnete Steuerring wird dabei so ausgebildet, dass sein thermisches Betriebsverhalten zusätzlich zur Steuerung des Laufspaltes auch zur Kontrolle von mindestens einer Ringspaltdichtung des Rotorkühlluftsystems (Sekundärluftsystem) dient. Dabei kann mindestens eine an den Steuerring angebundene Sekundärluftdichtung als Bürstendichtung oder mehrstufiges Labyrinth ausgeführt sein. Somit wird auch der Ringspalt dieser Dichtung durch das thermische Betriebsverhalten entsprechend optimiert.
  • Weiterhin ist es besonders günstig, wenn die für die thermische Ausdehnung der Steuerringanordnung maßgeblichen Elemente hinsichtlich ihrer Werkstoffauswahl so ausgewählt sind, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens 15% kleiner ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient der jeweils benachbarten Rotorscheibe.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine vergrößerte Teilansicht des vorderen Steuerrings unter Verwendung der Erfindung,
    Fig. 2
    eine vergrößerte Teilansicht des hinteren Steuerrings unter Verwendung der Erfindung, und
    Fig. 3
    eine Teil-Gesamtansicht der erfindungsgemäßen passiven Laufspaltkontrolle.
  • Die Fig. 3 zeigt das Deckbandsegment 1 welches dem Leitschaufelsegment der HDT 7 und dem Leitschaufelsegment der NDT 12 zugeordnet ist. Auf die Ausgestaltung des Gehäuses sowie der hierin befindlichen Kühlluftkanäle wird an dieser Stelle verzichtet.
  • Vor, bzw. hinter den Laufschaufeln 3, die in bekannter Weise ein Turbinenrad 5 bilden, sind die Leitschaufelsegmente 7 bzw. 12 montiert. Die Befestigung der Leitschaufelsegmente erfolgt jeweils an einem Steuerring, nämlich einem vorderen Steuerring 9 und einem hinteren Steuerring 10.
  • Das Bezugszeichen 11 betrifft eine Sekundärluftdichtung, die in Form einer Bürstendichtung ausgebildet sein kann.
  • Bezugszeichen 15 stellt ein Gehäuse der HDT dar.
  • Der generelle Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Anordnung entspricht in weiten Zügen dem Stand der Technik, die erfindungsgemäßen Varianten zeigen insbesondere die vergrößerte Fig. 1 und 2.
  • Aus Fig. 1 ist zusätzlich zu den bereits mit Bezugszeichen belegten und beschriebenen Bauelementen, die Befestigung der Leitschaufelsegmente 7 an den Steuerring 9 gezeigt.
  • Der Steuerring 9 ist mit einer Isolation 16 versehen, die dessen thermisches Verhalten dem thermischen Verhalten der Scheibe 5 annähert.
  • Die Befestigung erfolgt mittels einer Hülse 17 und einer Schraube 18, wobei zusätzlich ein Lastkompensationselement 19 vorgesehen ist. Die Hülse weist ein Einstellspiel auf, die Fixierung erfolgt über die Verschraubung mittels der Schraube 18 mit Reibschluss. Somit ist es möglich, das Leitschaufelsegment 7 sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung in gewissem Maße einzustellen. Durch die innere Dichtung vorderer Steuerring 13 und die äußere Dichtung vorderer Steuerring 8 lässt sich der Druck über den Steuerring einstellen. Mittels des Lastkompensationselements 19 wird die innere Laufschaufelaufhängung 14 entlastet und kann dadurch kleiner dimensioniert werden. Dies wirkt sich günstig auf Gewicht und Kosten des gesamten Aufbaus aus.
  • Jede Laufschaufel wird somit mittels einer Schraube 18 an den Steuerring 9 geschraubt. Die Hülse 17 befindet sich im unteren Steg der Leitschaufel (Leitschaufelsegment 7). Die Hülse kann, von der Hülsenmitte aus gesehen, Kräfte nur in radialer Richtung auf die Leitschaufel übertragen. Die Leitschaufel kann damit, wie beschrieben, in axialer Richtung und zum Umfang über die Hülsenmitte kippen. Der Bohrungsdurchmesser der Hülse weist ein Spiel zum Schraubendurchmesser auf, dass dann die Einstellbarkeit der Leitschaufeln zum Steuerring ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß erfolgt somit eine Verbesserung des Schaufellaufspalts durch Kompensation von Toleranz und Asymmetrieeffekten.
  • Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Absenkung von verbrauchsschädlichen Sekundärluftleckagen bei minimalem Zusatzaufwand gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn mindestens eine Bürstendichtung als integraler Bestandteil des Steuerrings ausgebildet ist. Die Auswahl der jeweiligen Materialien (Legierungen) ist dabei so getroffen, dass eine Anpassung an das thermische Verhalten und die fügetechnischen Belange des Steuerrings erfolgt und die Anbindung der Bürstendichtung an den Steuerring ohne lösbare Verbindungselemente möglich ist.
  • Durch die thermisch und fügetechnisch kompatible Legierung der Bürstendichtung und die befestigungsbedingte gute Wärmeübertragung zwischen dem Steuerring und der Bürstendichtung ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass beide Teile immer annähernd die gleiche Temperaturen haben. Die thermisch bedingten Spannungen zwischen Steuerring und Bürstendichtung sind stets nahezu gleich, wodurch eine kostengünstige und platzsparende axiale Sicherung mittels Stoffschluss möglich ist.
  • Der Steuerring und seine formschlüssige axiale Anbindung an die Leitschaufelsegmente sind erfindungsgemäß so ausgebildet, dass eine äußere Dichtung am Steuerring gebildet wird. In Verbindung mit der inneren Dichtung am Steuerring ist gewährleistet, dass ein Druckgradient über den Steuerring zur Lastkompensation an der Stelle der inneren Laufschaufelaufhängung führt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Deckbandsegment
    2
    Mutter
    3
    Laufschaufel
    4
    Mutter
    5
    Turbinenrad
    6
    Innere Lastaufnahme für 7
    7
    Leitschaufelsegment der HDT
    8
    Äußere Dichtung vorderer Steuerring
    9
    Vorderer Steuerring
    10
    Hinterer Steuerring
    11
    Sekundärluftdichtung
    12
    Leitschaufelsegment der NDT
    13
    Innere Dichtung vorderer Steuerring
    14
    Innere Laufschaufelaufhängung
    15
    Gehäuse
    16
    Isolation
    17
    Hülse
    18
    Schraube
    19
    Lastkompensationselement
    20
    Dichtung
    21
    Schraube
    22
    Segment

Claims (10)

  1. Gasturbine mit mehreren Deckbandsegmenten (1), welche als Dichtung Laufschaufeln (3) eines Turbinenrades (5) umschließen, wobei zumindest eine vordere und eine hintere Befestigung der Deckbandsegmente (1) an dem radial äußeren Bereich von Leitschaufelsegmenten (7,12) erfolgt, welche an ihrem radial inneren Bereich jeweils an einem Steuerring (9,10) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) radial einstellbar an dem Steuerring (9,10) gelagert sind.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) in Umfangsrichtung einstellbar an dem Steuerring gelagert sind.
  3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einer Verschraubung unter Kraftschluss an dem Steuerring (9,10) fixiert sind.
  4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels eines Einstellspiels relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einer Excentervorrichtung relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelsegmente (7,12) mittels einstellbarer Segmente relativ zu dem Steuerring (9,10) verstellbar sind.
  7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Steuerring (9,10) zumindest eine Sekundärluftdichtung (11) ausgebildet ist, und dass der Steuerring (9,10) so ausgestaltet ist, dass sein thermisches Betriebsverhalten die Breite des Ringspalts der Sekundärluftdichtung (11) steuert.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Elemente zumindest eines Steuerringes so ausgewählt sind, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens 15% kleiner ist als der der benachbarten Rotorscheibe (5).
  9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Leitschaufelsegmenten (7) eine Lastkompensationseinrichtung befindet.
  10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine mehrstufige Turbine handelt, wobei der vordere Bereich der ersten Deckbandsegmente in den Leitschaufelsegmenten gelagert ist, die sich vor dem ersten Turbinenrad befinden und der hintere Bereich der letzten Deckbandsegmente in den Leitschaufelsegmenten gelagert ist, die sich hinter dem letzten Turbinenrad befinden.
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