EP1818508A1 - Nozzle vane assembly for a gas turbine and gas turbine with such nozzle vane assemblies - Google Patents

Abstract

The system (30) comprises two profiled nozzle vane blades. The nozzle vane blades are arranged at a distance to each other on a common blade root (32) with respect to the direction of flow of a gas turbine passing through a working fluid. The nozzle vane blades are arranged in such a manner that the width (w) exceeds the dimensions of an assigned rotor blade (10) in direction of flow of the working fluid. An independent claim is also included for a gas turbine with multiple nozzle vanes assigned to nozzle blade rows.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelanordnung, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine. Sie betrifft weiter eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe zugeordneten Leitschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe zugeordneten Laufschaufeln.The invention relates to a vane arrangement, in particular for use in a gas turbine. It further relates to a gas turbine with a number of guide vanes each associated with a row of blades and with a number of blades each associated with a blade row.

Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines. In this case, the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft. For this purpose, the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor. The working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, which is under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.

Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet. In analoger Bauweise sind im Luftverdichter zu Laufschaufelreihen zusammengefasste Laufschaufeln angeordnet, die mit der Turbinenwelle fest verbunden sind und infolge der Rotation der Turbinenwelle eine Kompression oder Verdichtung der im Luftverdichter befindlichen Luft bewirken. Auch im Luftverdichter sind üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet, wobei die Leitschaufeln sowohl im Luftverdichter als auch in der Turbineneinheit zur geeigneten Strömungsführung des die jeweilige Komponente durchströmenden Strömungsmediums zwischen den Laufschaufelreihen vorgesehen sind.In order to generate the rotational movement of the turbine shaft, a number of rotor blades, which are usually combined into blade groups or blade rows, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium. To guide the working fluid in the turbine unit also usually connected between adjacent blade rows are connected to the turbine housing Leitschaufelreihen. In an analogous construction, rotor blades which are combined in the air compressor into rotor blade rows are fixedly connected to the turbine shaft and, as a result of the rotation of the turbine shaft, bring about compression or compression of the air in the air compressor. Also in the air compressor are usually connected between adjacent rows of blades with the turbine housing Guide vanes arranged, wherein the guide vanes are provided both in the air compressor and in the turbine unit for suitable flow guidance of the respective component flowing through the flow medium between the blade rows.

Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Dafür ist unter anderem eine gezielte Führung des Strömungsmediums innerhalb des Luftverdichters und auch innerhalb der Turbineneinheit günstig, wobei unter anderem sichergestellt werden soll, dass das Strömungsmedium die Laufschaufelreihen jeweils im Bereich der den Impulsübertrag bewirkenden Schaufelprofile durchtritt. Eine seitliche Umströmung der Schaufelprofile, insbesondere in deren Außenbereich, soll weitgehend vermieden werden, um dadurch bedingte Verluste gering zu halten. Dazu sind die Leitschaufeln üblicherweise über so genannte Plattformen oder Schaufelfüße am Gehäuse des Luftverdichters oder der Turbineneinheit verankert, wobei die Plattformen oder Schaufelfüße derart konturiert und ausgestaltet sind, dass sie im Gesamtquerschnitt kreisförmige Segmente des Strömungskanals für das Arbeitsmedium bilden. Im Bereich der Laufschaufelreihen sind diese durch diese Plattformen oder Schaufelfüße gebildeten Kanalsegmente über so genannte Führungsringe miteinander verbunden, so dass ein annähernd durchgängiger und sich gleichmäßig erstreckender Strömungskanal für das Arbeitsmedium gebildet ist.In the design of such gas turbines in addition to the achievable power usually a particularly high efficiency is a design target. Among other things, a targeted guidance of the flow medium within the air compressor and also within the turbine unit is favorable, among other things, it is to be ensured that the flow medium passes through the blade rows in each case in the area of the blade profiles causing the momentum transfer. A lateral flow around the blade profiles, especially in their outer area, should be largely avoided in order to minimize losses caused thereby. For this purpose, the guide vanes are usually anchored on so-called platforms or blade feet on the housing of the air compressor or the turbine unit, wherein the platforms or blade roots are contoured and configured such that they form in the overall cross-section circular segments of the flow channel for the working medium. In the area of the rotor blade rows, these channel segments formed by these platforms or blade feet are connected to one another via so-called guide rings, so that an approximately continuous and uniformly extending flow channel is formed for the working medium.

Zur Vermeidung von Verlusten und auch zur gezielten Strömungsführung des Arbeitsmediums sind die Plattformen für die Leitschaufeln und die diesen benachbarten Führungsringe im Bereich ihrer jeweiligen Kontaktstelle üblicherweise überlappend angeordnet, so dass ein Austritt vom Arbeitsmedium in den Außenbereich weitgehend vermieden ist. Aufgrund verbleibender Restspalte sind dennoch hierdurch bedingte Leckagen nicht gänzlich auszuschließen, so dass unerwünschte Verluste auftreten können.In order to avoid losses and also for targeted flow guidance of the working medium, the platforms for the guide vanes and the adjacent guide rings are usually arranged overlapping in the region of their respective contact point, so that leakage from the working medium into the outer region is largely avoided. Due to remaining residual gaps, however, leakage caused thereby can not be completely ruled out, so that undesirable losses can occur.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leitschaufelanordnung zur Verwendung in einer Gasturbine anzugeben, mit der derartige Verluste besonders gering gehalten werden können. Des Weiteren soll eine Gasturbine mit einer derartigen Leitschaufelanordnung angegeben werden.The invention is therefore based on the object to provide a vane assembly for use in a gas turbine, with such losses can be kept very low. Furthermore, a gas turbine with such a vane arrangement is to be specified.

Bezüglich der Leitschaufelanordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest zwei profilierte Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß im Hinblick auf die Strömungsrichtung eines die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen nacheinander derart beabstandet angeordnet sind, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite die Ausdehnung einer zugeordneten Laufschaufel in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums übersteigt.With respect to the vane assembly, this object is achieved according to the invention by at least two profiled vane blades are arranged on a common blade root with respect to the flow direction of a working medium flowing through the gas turbine sequentially spaced such that the clear width formed between them the extent of an associated blade in the flow direction of the Working medium exceeds.

Damit ist in der Art einer gepaarten Anordnung die Anbringung einer Mehrzahl von Leitschaufeln, die auch verschiedenen Leitschaufelreihen zuzurechnen sind, auf einem gemeinsamen Schaufelfuß vorgesehen, wobei der Abstand zwischen diesen Leitschaufeln in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen derart groß bemessen ist, dass dazwischen liegende Laufschaufeln ungehindert zwischen den jeweiligen Leitschaufeln passieren können. Durch eine derartige Leitschaufelanordnung ist somit erreichbar, dass in der Art gemeinsamer Bauteile die Leitschaufeln zweier nachgeordneter Leitschaufelreihen auf gemeinsamen Schaufelfüßen angeordnet sein können, wobei die diesen Leitschaufeln gemeinsamen Schaufelfüße ebenfalls den eigentlich zwischen den jeweiligen Leitschaufelreihen vorgesehen Führungsring umfassen. Ein derartiges, beispielsweise einstückig gegossenes Bauteil trägt somit dazu bei, dass Stoßkanten oder Überlappzonen zwischen Leitschaufelplattformen und ihnen axial benachbarten Führungsringen vermieden oder zumindest in ihrer Anzahl begrenzt werden können, so dass die dadurch bedingten Verluste und Leckagen besonders gering gehalten werden können. Der Einsatz von Sperrmedien, wie beispielsweise Luft, kann in derartigen Ausgestaltungen somit ebenfalls besonders gering gehalten werden.Thus, in the manner of a paired arrangement, the attachment of a plurality of vanes, which are also attributable to different rows of vanes, provided on a common blade root, wherein the distance between these vanes seen in the flow direction of the working medium is sized so large that intermediate blades between unhindered between can pass through the respective vanes. By such a vane arrangement is thus achievable that in the manner of common components, the vanes of two subordinate rows of vanes can be arranged on common blade roots, wherein the vanes common to these vanes also include the actually provided between the respective guide blade rows guide ring. Such, for example, integrally molded component thus contributes to the fact that abutting edges or overlapping zones between the guide vane platforms and axially adjacent guide rings can be avoided or at least limited in number, so that the resulting losses and losses can be kept particularly low. The use of barrier media, such as air, can thus also be kept particularly low in such embodiments.

Vorteilhafterweise wird eine derartige Leitschaufelanordnung in einer Gasturbine, vorzugsweise in deren Verdichtereinheit und/oder in deren Turbineneinheit, eingesetzt. Die zur Lösung der oben genannten Aufgabe vorgeschlagene Gasturbine umfasst dementsprechend eine Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe zugeordneten Leitschaufeln und eine Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe zugeordneten, an einem Rotor befestigten Laufschaufeln, wobei zumindest zwei profilierte, jeweils verschiedenen Leitschaufelreihen zugeordnete Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß angeordnet sind, und wobei zwischen diesen Leitschaufelreihen zumindest eine Laufschaufelreihe angeordnet ist.Advantageously, such a vane arrangement is used in a gas turbine, preferably in its compressor unit and / or in its turbine unit. The gas turbine proposed for achieving the above-mentioned object accordingly comprises a number of guide vanes associated with a respective row of vanes and a number of rotor blades attached to a rotor, at least two profiled vanes associated with different vanes being disposed on a common blade root , and wherein at least one blade row is arranged between these rows of guide blades.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

schematisch einen Verdichter einer Gasturbine, und

FIG 2

eine Leitschaufelanordnung zum Einsatz in einer Gasturbine.

An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

FIG. 1

schematically a compressor of a gas turbine, and

FIG. 2

a vane assembly for use in a gas turbine.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided in both figures with the same reference numerals.

Der Verdichter 1 gemäß FIG 1 ist Teil einer nicht näher dargestellten Gasturbine. Der Verdichter 1 dient der Verdichtung von Frischluft FL. Hierzu weist der Verdichter 1 an seiner Ansaugseite eine Ansaugleitung 2 auf. Druckseitig wird verdichtet Luft VL über eine Leitung 4 der nicht näher dargestellten Brennkammer der Gasturbine zugeführt.The compressor 1 according to FIG. 1 is part of a gas turbine (not shown). The compressor 1 is used for the compression of fresh air FL. For this purpose, the compressor 1 on its suction side to a suction line 2. On the pressure side, compressed air is supplied via a line 4 of the combustion chamber, not shown, of the gas turbine.

Der Verdichter 1 weist zum Verdichten der Frischluft FL eine Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen 4, 6, 8 zusammengefassten Laufschaufeln 10 auf, die über eine jeweils zugehörige Schaufelhalterungsstruktur 12 an der Turbinenwelle oder dem Rotor 14 der Gasturbine angeordnet sind. Zur Führung des Strömungsmediums zwischen den Laufschaufelreihen 4, 6, 8 umfasst der Verdichter 1 zudem eine Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen 16, 18, 20 zusammengefassten Leitschaufeln 22. Die Leitschaufeln 22 sind um den Rotor 14 umlaufend angeordnet, so dass Leitschaufelkränze oder Leitschaufelreihen entstehen. Jede Leitschaufel 22 ist über eine zugeordnete Schaufelhalterung am Gehäuse des Verdichters 1 befestig.For compressing the fresh air FL, the compressor 1 has a number of rotor blades 10, each of which are combined into rotor blade rows 4, 6, 8, which are arranged on the turbine shaft or the rotor 14 of the gas turbine via an associated blade support structure 12. For guiding the flow medium between the rotor blade rows 4, 6, 8 comprises the compressor 1 also has a number of guide vanes 22, which are in each case combined into rows of guide vanes 16, 18, 20. The guide vanes 22 are arranged circumferentially around the rotor 14 so that vane rings or rows of vanes are formed. Each vane 22 is fastened to the housing of the compressor 1 via an associated blade holder.

In analoger Bauweise ist auch die Turbineneinheit der Gasturbine aus einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln und einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten Leitschaufeln gebildet, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen die Leitschaufelreihen und die Laufschaufelreihen sequentiell nacheinander angeordnet sind.In an analogous construction, the turbine unit of the gas turbine is also formed from a number of blades combined into rows of blades and a number of vanes combined into rows of vanes, wherein the rows of vanes and the blade rows are arranged sequentially in succession in the flow direction of the working medium.

Der Verdichter 1 und auch die Turbineneinheit der Gasturbine sind gezielt dafür ausgelegt, Leckageverluste und dergleichen an Stoßstellen oder dergleichen in den Gehäusebereichen des Verdichters 1 und/oder der Turbineneinheit besonders gering zu halten. Dazu umfasst der Verdichter 1 und gegebenenfalls auch die Turbineneinheit jeweils eine Anzahl von Leitschaufelanordnungen 30, die gezielt für eine Minimierung derartiger Verluste ausgelegt sind. Die Leitschaufelanordnungen 30 sind zu diesem Zweck derart ausgeführt, dass auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 eine Mehrzahl von Leitschaufelblättern einzelner Leitschaufeln 22 angeordnet ist, wie dies insbesondere aus der vergrößerten Darstellung in FIG 2 ersichtlich ist. Die Anordnung der Leitschaufelblätter auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 ist derart vorgesehen, dass die Schaufelblätter von Leitschaufeln 22 von zumindest zwei verschiedenen, in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, nacheinander angeordneten Leitschaufelreihen 16, 18, 20 auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordnet sind. Dementsprechend ist in Strömungsrichtung des die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen der Abstand der auf dem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordneten profilierten Schaufelblätter der jeweiligen Leitschaufeln 22 derart gewählt, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite w, die infolge der Konturierung der einzelnen Schaufelblätter in deren Längsrichtung gesehen variieren kann, in jedem Fall die Ausdehnung einer zugeordneten, d. h. dazwischen vorgesehenen Laufschaufel 10 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - übersteigt. Dies ist in FIG 2 durch die gestrichelt dargestellte Laufschaufel 10 zwischen den Leitschaufeln 22 angedeutet.The compressor 1 and also the turbine unit of the gas turbine are specifically designed to keep leakage losses and the like at joints or the like in the housing regions of the compressor 1 and / or the turbine unit particularly low. For this purpose, the compressor 1 and optionally also the turbine unit each comprise a number of stator vane assemblies 30, which are designed specifically for minimizing such losses. The vane arrangements 30 are designed for this purpose in such a way that a plurality of vane blades of individual vanes 22 are arranged on a common vane root 32, as can be seen in particular from the enlarged illustration in FIG. The arrangement of the guide vanes on the common blade root 32 is provided such that the vanes of vanes 22 of at least two different, seen in the flow direction of the working medium, successively arranged rows of vanes 16, 18, 20 are arranged on the common blade root 32. Accordingly, seen in the flow direction of the gas turbine flowing through the working medium, the distance of the arranged on the common blade root 32 profiled airfoils of the respective vanes 22 such that the distance between them formed w, due to the contouring the individual airfoils seen in the longitudinal direction can vary, in any case, the extent of an associated, that is provided therebetween blade 10 - seen in the flow direction of the working medium - exceeds. This is indicated in FIG 2 by the blade 10 shown in dashed lines between the vanes 22.

Mit anderen Worten: Die Dimensionierung und Konfigurierung der Leitschaufelanordnung 30 ist derart ausgeführt, dass zwischen den mit einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 versehenen Leitschaufeln 22 - in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen - ausreichend Raum für die zwischen den jeweiligen Leitschaufelreihen rotierenden Laufschaufeln 10 gegeben ist, so dass eine ungehinderte Rotationsbewegung der jeweiligen Laufschaufeln 10 zwischen den jeweiligen Leitschaufeln 22 hindurch ermöglicht ist.In other words, the dimensioning and configuration of the vane assembly 30 is carried out such that between the provided with a common blade root 32 vanes 22 - seen in the flow direction of the working medium - is given sufficient space for the rotating between the respective rows of vanes blades 10, so that a unimpeded rotational movement of the respective blades 10 between the respective guide vanes 22 is made possible.

An seiner von den jeweiligen Schaufelblättern abgewandten Seite ist der Schaufelfuß 32 mit einer Anzahl von Verhakungselementen 34 versehen, die ein Einhängen in zugeordnete Gehäusebestandteile der Gasturbine ermöglichen.On its side facing away from the respective blades, the blade root 32 is provided with a number of hooking elements 34, which allow a hooking into associated housing components of the gas turbine.

Die jeweilige Leitschaufelanordnung 30 kann in der Art einer einstückig gegossenen Ausführung hergestellt sein. Durch diese Anordnung ist eine vereinfachte Montage der Leitschaufeln 22 ermöglicht, insbesondere da eine Feinjustierung und eine Abstimmung auf zwischen einzelnen Leitschaufelreihen angeordnete Führungsringe im Bereich der jeweiligen Leitschaufelanordnungen 30 nicht erforderlich ist. Die auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 angeordneten Leitschaufeln 22 können zwei Leitschaufelreihen oder auch mehreren, in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen, nacheinander angeordneten Leitschaufelreihen zugeordnet sein. Insbesondere kommt in der Art einer gepaarten Anordnung eine derartig gemeinsam ausgeführte Anordnung der Leitschaufeln 22 auf einem gemeinsamen Schaufelfuß 32 für Kombinationen aus Leitschaufeln 22 der jeweils zweiten und dritten oder auch der jeweils dritten und vierten Leitschaufelreihe der Turbineneinheit einer Gasturbine in Frage. Selbstverständlich können aber auch beliebige andere Kombinationen von Leitschaufelreihen mit derartig gemeinsam ausgeführten Schaufelfüßen 32 versehen sein.The respective vane assembly 30 may be made in the manner of a one-piece molded design. By this arrangement, a simplified mounting of the guide vanes 22 is made possible, in particular because a fine adjustment and a vote on arranged between individual rows of guide vanes guide rings in the region of the respective vane assemblies 30 is not required. The arranged on a common blade root 32 vanes 22 may be associated with two rows of vanes or more, seen in the flow direction of the working medium, successively arranged rows of vanes. In particular, in the manner of a paired arrangement such an arrangement of the guide vanes 22 carried out in this manner occurs on a common blade root 32 for combinations of guide vanes 22 of the respective second and third or also of the third and third fourth guide vane row of the turbine unit of a gas turbine in question. Of course, however, it is also possible for any other combinations of guide blade rows to be provided with blade feet 32 designed in this way.

Claims (2)

Leitschaufelanordnung (16, 18, 20) zur Verwendung in einer Gasturbine,
wobei zumindest zwei profilierte Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß (32), im Hinblick auf die Strömungsrichtung eines die Gasturbine durchströmenden Arbeitsmediums gesehen, nacheinander derart beabstandet angeordnet sind, dass die zwischen ihnen gebildete lichte Weite (w) die Ausdehnung einer zugeordneten Laufschaufel (10) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums übersteigt.Vane assembly (16, 18, 20) for use in a gas turbine,
wherein at least two profiled guide vanes on a common blade root (32), viewed in relation to the flow direction of a gas turbine working medium, are arranged one after the other in such a spaced manner, that the clear width (w) formed between them, the extension of an associated blade (10) in Flow direction of the working medium exceeds. Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils einer Leitschaufelreihe (16, 18, 20) zugeordneten Leitschaufeln (22) und mit einer Anzahl von jeweils einer Laufschaufelreihe (4, 6, 8) zugeordneten, an einem Rotor (14) befestigten Laufschaufeln (10),
bei der zumindest zwei profilierte, jeweils verschiedenen Leitschaufelreihen (16, 18, 20) zugeordnete Leitschaufelblätter auf einem gemeinsamen Schaufelfuß (32) angeordnet sind,
wobei zwischen den Leitschaufelreihen (16, 18, 20) zumindest eine Laufschaufelreihe (4, 6, 8) angeordnet ist.Gas turbine with a number of respective guide vanes (16, 18, 20) associated vanes (22) and with a number of a respective blade row (4, 6, 8) associated, attached to a rotor (14) blades (10),
in which at least two profiled, in each case different guide blade rows (16, 18, 20) associated guide blade leaves are arranged on a common blade root (32),
wherein between the guide blade rows (16, 18, 20) at least one blade row (4, 6, 8) is arranged.

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