EP2818642A1 - Dichtringsegment für einen Stator einer Turbine - Google Patents

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EP2818642A1
EP2818642A1 EP13174357.7A EP13174357A EP2818642A1 EP 2818642 A1 EP2818642 A1 EP 2818642A1 EP 13174357 A EP13174357 A EP 13174357A EP 2818642 A1 EP2818642 A1 EP 2818642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing ring
ring segment
turbine
elastic element
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13174357.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Barz
Roland Häbel
Sebastian Stupariu-Cohan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP13174357.7A priority Critical patent/EP2818642A1/de
Priority to PCT/EP2014/063432 priority patent/WO2014207058A1/de
Priority to CN201480035984.5A priority patent/CN105392966B/zh
Priority to US14/898,135 priority patent/US10215041B2/en
Priority to EP14734785.0A priority patent/EP2984295B1/de
Priority to JP2016522477A priority patent/JP6067942B2/ja
Priority to RU2016102766A priority patent/RU2657390C2/ru
Publication of EP2818642A1 publication Critical patent/EP2818642A1/de
Priority to SA515370314A priority patent/SA515370314B1/ar
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • 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
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position

Definitions

  • the invention relates to a sealing ring segment for a stator of a turbine, which essentially has the shape of a cylinder jacket segment and has on its outer side a groove for fixing a plurality of guide vanes.
  • a turbine is a turbomachine that converts the internal energy (enthalpy) of a flowing fluid (liquid or gas) into rotational energy and ultimately into mechanical drive energy.
  • the fluid flow is removed by the vortex-free as possible laminar flow around the turbine blades a portion of its internal energy, which passes to the blades of the turbine.
  • the turbine shaft is rotated, the usable power is delivered to a coupled machine, such as a generator.
  • Blades and shaft are parts of the movable rotor or rotor of the turbine, which is arranged within a housing.
  • Blades mounted on the axle are mounted on the axle. Blades mounted in a plane each form a paddle wheel or impeller. The blades are slightly curved profiled, similar to an aircraft wing. Before each impeller is usually a stator. These vanes protrude from the housing into the flowing medium and cause it to spin. The swirl generated in the stator (kinetic energy) is used in the following impeller to set the shaft on which the impeller blades are mounted in rotation.
  • the stator and the impeller together are called stages. Often several such stages are connected in series. Since the stator is stationary, and the vanes are attached to the housing exterior, a seal must be made to the shaft of the impeller to minimize losses.
  • the guide vanes are held on the rotor side by cylinder jacket-shaped sealing rings. These usually consist of a plurality, usually ten segments. These are pushed onto an entanglement at the head of the vanes (tongue and groove connection) and thus seal off the hot gas duct in relation to the rotor. In order to prevent displacement in the circumferential direction, the sealing ring segments are individually fixed by bolts, each of which projects radially into one of the guide vanes.
  • sealing ring segment has an acting on the respective vane by means of a restoring elastic element.
  • the invention is based on the consideration that the life of the turbine increased and the repair costs for the turbine could be reduced if the wear could be reduced by the relative movement of the vanes and sealing ring segment. For this, the relative movement would have to be limited. However, consideration must be given to the thermal expansion during operation, so that a fixed form-locking fixation is eliminated. Remedy creates a non-positive fixation by means of an elastic element, which ensures a force-locking fixation of the guide vane by its restoring force, while by the elasticity thermal expansion remains possible.
  • each guide vane fixable on the sealing ring segment at least one elastic element acting on the respective guide vane by means of a restoring force is provided for each guide vane fixable on the sealing ring segment.
  • the sealing ring segment is fixed particularly securely, since a frictional connection is formed by an elastic element with each individual vane. Therefore, none of the vanes can perform a wear-producing relative movement.
  • the groove for fixing the guide vanes advantageously extends in the circumferential direction and / or the restoring force of the respective elastic element advantageously acts in the radial direction. This allows easy installation of the sealing ring segment, which can be easily pushed onto the entanglement of the guide vanes. Due to the radial orientation of the elastic element this can be biased from the inside after insertion of the sealing ring.
  • the respective elastic element is a pressure pin.
  • a pressure pin is a substantially cylindrical element which can be compressed in the axial direction, for example by an internal structure in the manner of a piston.
  • the pressure pin z. B. configured by self-resetting by appropriate spring arrangement.
  • a pressure pin can be fixed through a corresponding opening in the sealing ring segment and aligned accordingly.
  • the respective elastic element in particular the pressure pin comprises a plate spring.
  • a plate spring is meant a conical ring shell, which is resilient in the axial direction and so both dormant and vibratory (dynamic) can be claimed.
  • the force is usually applied via the upper inner edge and the lower outer edge.
  • the diaphragm spring can be used as a single spring or as a spring column. In a column, either individual disc springs or spring assemblies consisting of several springs can be stacked alternately.
  • the diaphragm spring has in comparison with other types of springs a number of advantageous properties, it may, for. B. accommodate very large forces in a small installation space.
  • the diaphragm spring has a long service life under dynamic load, as z. B. occurs in a turbine.
  • Suitable materials include spring steels, also stainless and heat-resistant as well as copper (CuSn 8, CuBe 2) and nickel alloys (Nimonic, Inconel, Duratherm).
  • the respective elastic element, in particular the pressure pin is fixed by means of a screw on the sealing ring segment.
  • this results in a detachable connection, which thus allows a later replacement in the course of a revision, on the other hand allows a simple assembly.
  • the restoring force on the entanglement of the guide blade is precisely adjusted by the depth of the screwing.
  • an anti-rotation is provided, for example by a side einhakenden anti-rotation bolt.
  • the respective elastic element for the circumferential fixation of the sealing ring segment is arranged such that it fixes the respective guide vane in the circumferential direction in a form-fitting manner.
  • the guide vane has a corresponding depression, into which the correspondingly executed elastic element is inserted becomes.
  • a plurality of the vanes are arranged at their radially inwardly directed head by means of a spring in a groove of a described sealing ring segment.
  • a turbine advantageously comprises such a stator.
  • the turbine is designed as a gas turbine.
  • the thermal, mechanical and dynamic loads are particularly high, so that the described configuration of the sealing ring segment offers particular advantages in terms of minimizing wear.
  • a power plant advantageously comprises such a turbine.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that by introducing a cup spring design for the defined fixed bias of the sealing ring and the vane, an avoidance of relative movements between the two parts is achieved. At the same time a thermal mobility is hereby ensured despite fixed bias. With the disc spring structures described a defined tension between blades and sealing ring segments can be applied, which minimizes or prevents the relative movement, in particular under dynamic loads between the components. The material wear can thus be reduced or avoided.
  • the FIG. 1 shows a turbine 100, here a gas turbine, in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted around a rotation axis 102 (axial direction) rotor 103, which is also referred to as a turbine runner.
  • a rotation axis 102 axial direction
  • rotor 103 which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105
  • a combustion chamber 110 shown here as an annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the combustion chamber 106 communicates with an annular hot gas channel 111.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed from two blade rings.
  • a guide blade ring 115 is followed by a ring 125 formed of rotor blades 120.
  • the guide vanes 130 are fastened to the stator 143, whereas the rotor blades 120 of a ring 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133.
  • the rotor blades 120 thus form components of the rotor or rotor 103.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or a working machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the hot and pressurized working fluid 113 in the combustor 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow of the working medium 113, are subjected to the highest thermal load in addition to the heat shield stones lining the combustion chamber 106. In order to withstand the temperatures prevailing there, they are cooled by means of a coolant.
  • Each vane 130 has a vane root (not shown) facing the housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and is fixed in a sealing ring 140.
  • Each sealing ring 140 of a turbine stage encloses the shaft of the rotor 103. It is advantageously formed of ten similar sealing ring segments 144.
  • sealing pins 146 are provided in the sealing ring segments, which in FIG. 2 are shown in cross section.
  • the pressure pin 146 is fixed in a radially aligned through bore 148 with a thread 150 by screwing.
  • the pressure pin consists of a cylindrical portion 152 with a corresponding thread for screwing with the sealing ring segment, an adjoining piston 154 of smaller diameter, on which a in the axial direction of the pressure pin 146 movable capsule 156 sits, which surrounds the piston 154 at its tip , As a result, it is fixed in a form-fitting manner in the radial direction of the pressure bolt 146.
  • the piston 154 between section 152 and capsule 156 enclosing a total of eight mutually arranged disc springs 158 are positioned, which exert a restoring force at an axial compression of the pressure pin 146. Since the pressure pin 146 is screwed into the sealing ring segment 144 in the radial direction relative to the axis of rotation of the gas turbine 102, it exerts a defined force on the entanglement of the guide blade 130, so that relative movements are prevented, but thermal expansion remains possible. The return force can be adjusted via the screw-in depth.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the sealing ring segment 144.
  • the sealing ring 144 has two axially and radially spaced grooves 160 which extend in the circumferential direction and are open in the radial direction.
  • the sealing ring segment 144 can be pushed onto the guide vane ring during assembly. Since the pressure pin 146 has a radial restoring force the vane 130 is elastically fixed in the grooves 160.
  • the pressure pin 146 is secured against rotation by means of a bolt 164.
  • the bolt 164 is inserted through a axially extending bore which meets the bore 148 of the pressure bolt 146 and screwed. As a result, it exerts a lateral force on the thread of the pressure bolt 146 and fixes it non-positively.
  • FIG. 4 shows finally a partial section through the sealing ring 140 and the sealing ring segments 144.
  • the pressure pin 146 exert a restoring force on the guide vanes 130 as described.
  • One of the pressure bolts 146 is additionally designed as a peripheral fixing bolt 166. It is longer than the remaining pressure pin 146 and protrudes into a depression 168 of a foot of a guide blade 130 which is molded onto it. As a result, the sealing ring segment 144 is fixed to the guide blade 130 in the circumferential direction.

Landscapes

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

Abstract

Ein Dichtringsegment (144) für einen Stator (143) einer Turbine (100), welches im Wesentlichen die Form eines Zylindermantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut (160) zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln (130) aufweist, soll eine höhere Lebensdauer und einen geringeren Reparaturaufwand für eine Turbine ermöglichen. Dazu weist das Dichtringsegment (144) ein auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkendes elastisches Element auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Dichtringsegment für einen Stator einer Turbine, welches im Wesentlichen die Form eines Zylindermantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist.
  • Eine Turbine ist eine Strömungsmaschine, welche die innere Energie (Enthalpie) eines strömenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) in Rotationsenergie und letztlich in mechanische Antriebsenergie umwandelt. Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben. Laufschaufeln und Welle sind Teile des beweglichen Rotors oder Läufers der Turbine, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
  • In der Regel sind mehrere Schaufeln auf der Achse montiert. In einer Ebene montierte Laufschaufeln bilden jeweils ein Schaufelrad oder Laufrad. Die Schaufeln sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche. Vor jedem Laufrad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschaufeln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und versetzen es in einen Drall. Der im Leitrad erzeugte Drall (kinetische Energie) wird im darauffolgenden Laufrad genutzt, um die Welle, auf der die Laufradschaufeln montiert sind, in Rotation zu versetzen.
  • Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als Stufe. Oft sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet. Da das Leitrad stillsteht, und die Leitschaufeln am Gehäuseäußeren befestigt sind, muss zur Welle des Laufrads eine Abdichtung hergestellt werden, um Verluste so gering wie möglich zu halten. Hierzu sind die Leitschaufeln rotorseitig durch zylindermantelförmige Dichtringe gehalten. Diese bestehen üblicherweise aus einer Mehrzahl, üblicherweise zehn Segmenten. Diese werden auf eine Verhakung am Kopf der Leitschaufeln geschoben (Nut-Feder-Verbindung) und dichten so den Heißgaskanal gegenüber den Rotor ab. Um ein Verschieben in Umfangsrichtung zu verhindern, werden die Dichtringsegmente einzeln durch Bolzen, die jeweils radial in eine der Leitschaufeln ragen, fixiert.
  • Aufgrund gegebener, für die im Betrieb übliche Wärmeausdehnung notwendiger Toleranzen zwischen Schaufeln und Dichtringen ist eine Relativbewegung möglich. Hierbei hat sich gezeigt, dass durch dynamische Anregungen erheblicher Verschleiß an den Dichtringsegmenten entstehen kann. Die Befunde reichen dabei von einfachem Verschleiß, welcher ein Austauschen während einer Revisionsmaßnahme notwendig macht, bis hin zu massivem Verschleiß, der zu einer Zwangsrevision mit Austausch des Dichtrings führen bzw. auch zu einem Turbinenschaden mit Schaufelschäden führen kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Dichtringsegment der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine höhere Lebensdauer und einen geringeren Reparaturaufwand für eine Turbine ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Dichtringsegment ein auf die jeweilige Leitschaufel mittels einer Rückstellkraft wirkendes elastisches Element aufweist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Lebensdauer der Turbine erhöht und der Reparaturaufwand für die Turbine verringert werden könnte, wenn der Verschleiß durch die Relativbewegung von Leitschaufeln und Dichtringsegment verringert werden könnte. Hierfür müsste die Relativbewegung beschränkt werden. Allerdings muss dabei auf die Wärmeausdehnung im Betrieb Rücksicht genommen werden, so dass eine feste formschlüssige Fixierung ausscheidet. Abhilfe schafft eine kraftschlüssige Fixierung mittels eines elastischen Elements, welches durch seine Rückstellkraft eine kraftschlüssige Fixierung der Leitschaufel gewährleistet, während durch die Elastizität eine Wärmeausdehnung möglich bleibt.
  • Vorteilhafterweise ist dabei für jede an dem Dichtringsegment fixierbare Leitschaufel jeweils zumindest ein auf die jeweilige Leitschaufel mittels einer Rückstellkraft wirkendes elastisches Element vorgesehen. Dadurch wird das Dichtringsegment besonders sicher fixiert, da eine kraftschlüssige Verbindung durch ein elastisches Element mit jeder einzelnen Leitschaufel entsteht. Keine der Leitschaufeln kann daher eine Verschleiß erzeugende Relativbewegung ausführen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Dichtringsegments verläuft die Nut zur Fixierung der Leitschaufeln vorteilhafterweise in Umfangsrichtung und/oder die Rückstellkraft des jeweiligen elastischen Elements wirkt vorteilhafterweise in radialer Richtung. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Dichtringsegments, das einfach auf die Verhakung der Leitschaufeln geschoben werden kann. Durch die radiale Ausrichtung des elastischen Elements kann dieses nach dem Einsetzen des Dichtrings von innen vorgespannt werden.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das jeweilige elastische Element ein Druckbolzen. Ein Druckbolzen ist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Element, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt, beispielsweise durch eine Innenstruktur in der Art eines Kolbens. Dabei ist der Druckbolzen z. B. durch entsprechende Federanordnung selbstrückstellend ausgestaltet. Ein Druckbolzen lässt sich durch eine entsprechende Öffnung im Dichtringsegment fixieren und entsprechend ausrichten.
  • Vorteilhafterweise umfasst das jeweilige elastische Element, insbesondere der Druckbolzen eine Tellerfeder. Unter einer Tellerfeder versteht man eine kegelige Ringschale, die in Achsrichtung belastbar ist und so sowohl ruhend als auch schwingend (dynamische) beansprucht werden kann. Die Krafteinleitung erfolgt normalerweise über den oberen Innenrand und den unteren Außenrand. Die Tellerfeder kann dabei als Einzelfeder oder als Federsäule verwendet werden. In einer Säule können entweder einzelne Tellerfedern oder aus mehreren Federn bestehende Federpakete wechselsinnig geschichtet werden. Die Tellerfeder hat im Vergleich mit anderen Federarten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, so kann sie z. B. bei kleinem Einbauraum sehr große Kräfte aufnehmen. Ihre Federkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv (steigend) gestaltet werden. Durch die fast beliebige Kombinationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie durch die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Bei richtiger Dimensionierung hat die Tellerfeder eine hohe Lebensdauer bei dynamischer Belastung, wie sie z. B. in einer Turbine auftritt. Als Werkstoff kommen Federstähle, auch nichtrostende und warmfeste sowie Kupfer- (CuSn 8, CuBe 2) und Nickel-Legierungen (Nimonic, Inconel, Duratherm) in Frage.
  • Weiterhin ist das jeweilige elastische Element, insbesondere der Druckbolzen mittels einer Verschraubung am Dichtringsegment fixiert. Hierdurch ergibt sich einerseits eine lösbare Verbindung, die somit einen späteren Austausch im Zuge einer Revision ermöglicht, andererseits eine einfache Montage erlaubt. Weiterhin wird durch die Tiefe des Einschraubens die Rückstellkraft auf die Verhakung der Leitschaufel präzise eingestellt. Um ein Lösen des Bolzens im Betrieb der Turbine zu verhindern, ist hierbei eine Verdrehsicherung vorgesehen, beispielsweise durch einen seitlich einhakenden Verdrehsicherungsbolzen.
  • In zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung ist das jeweilige elastische Element für die Umfangsfixierung des Dichtringsegmentes derart angeordnet, dass es die jeweilige Leitschaufel in Umfangsrichtung formschlüssig fixiert. Hierfür weißt die Leitschaufel eine entsprechende Vertiefung auf, in die das entsprechend ausgeführte elastische Element eingeschoben wird. Dadurch übernimmt das elastische Element, insbesondere der Druckbolzen in der Art einer Doppelnutzung auch die Aufgabe des bislang verwendeten Umfangsfixierungbolzens.
  • In einem Stator für eine Turbine mit einer Anzahl von Leitschaufeln ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl der Leitschaufeln an ihrem radial nach innen gerichteten Kopf mittels einer Feder in einer Nut eines beschriebenen Dichtringsegments angeordnet.
  • Eine Turbine umfasst vorteilhafterweise einen derartigen Stator.
  • Vorteilhafterweise ist die Turbine dabei als Gasturbine ausgelegt. Gerade in Gasturbinen sind die thermischen, mechanischen und dynamischen Belastungen besonders hoch, so dass die beschriebene Ausgestaltung des Dichtringsegments besondere Vorteile hinsichtlich der Minimierung des Verschleißes bietet.
  • Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derartige Turbine.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einführung einer Tellerfederkonstruktion zur definierten festen Vorspannung von Dichtring und Leitschaufel eine Vermeidung von Relativbewegungen zwischen beiden Teilen erreicht wird. Gleichzeitig wird hiermit trotz fester Vorspannung eine Wärmebeweglichkeit sichergestellt. Mit den beschriebenen Tellerfederkonstruktionen kann eine definierte Verspannung zwischen Schaufeln und Dichtringsegmenten aufgebracht werden, die die Relativbewegung insbesondere bei dynamischen Belastungen zwischen den Bauteilen minimiert bzw. verhindert. Der Materialverschleiß kann somit reduziert bzw. vermieden werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1
    einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gasturbine mit Ringbrennkammer,
    FIG 2
    einen Querschnitt durch einen Druckbolzen,
    FIG 3
    einen Querschnitt durch ein Dichtringsegment, und
    FIG 4
    einen Schnitt durch das Dichtringsegment.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die FIG 1 zeigt eine Turbine 100, hier eine Gasturbine, in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Brennkammer 110, hier dargestellt als Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Brennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 wird aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einem Leitschaufelring 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Ring 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Ring 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Laufschaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des heißen und unter Druck stehenden Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Brennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise ZrO2, Y2O4-ZrO2) aufweisen.
  • Jede Leitschaufel 130 weist einen dem Gehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und in einem Dichtring 140 fixiert. Jeder Dichtring 140 einer Turbinenstufe umschließt dabei die Welle des Rotors 103. Er wird vorteilhafterweise aus zehn gleichartigen Dichtringsegmenten 144 gebildet.
  • Aufgrund der gegebenen Toleranzen bei der Lagerung der Leitschaufeln 130 am Dichtring 140 kommt es zu Relativbewegungen der beiden Bauteile, die zu frühem Verschleiß und sogar Schäden an der Gasturbine 100 führen können.
  • Daher sind in den Dichtringsegmenten 144 Druckbolzen 146 vorgesehen, die in FIG 2 im Querschnitt gezeigt sind. Der Druckbolzen 146 ist in einer in radialer Richtung ausgerichteten, durchgehenden Bohrung 148 mit einem Gewinde 150 durch Verschrauben fixiert. Der Druckbolzen besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 152 mit einem entsprechenden Gewinde zur Verschraubung mit dem Dichtringsegment, einen sich daran anschließenden Kolben 154 mit geringerem Durchmesser, auf dem eine in axialer Richtung des Druckbolzens 146 bewegliche Kapsel 156 sitzt, die den Kolben 154 an dessen Spitze umschließt. Dadurch ist sie in radialer Richtung des Druckbolzens 146 formschlüssig fixiert.
  • Den Kolben 154 zwischen Abschnitt 152 und Kapsel 156 umschließend sind insgesamt acht wechselseitig angeordnete Tellerfedern 158 positioniert, die bei einer axialen Stauchung des Druckbolzens 146 eine Rückstellkraft ausüben. Da der Druckbolzen 146 in radialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse der Gasturbine 102 in das Dichtringsegment 144 eingeschraubt ist, übt es so eine definierte Kraft auf die Verhakung der Leitschaufel 130 aus, so dass Relativbewegungen unterbunden werden, eine Wärmeausdehnung aber möglich bleibt. Über die Einschraubtiefe lässt sich die Rückstellkraft einstellen.
  • FIG 3 zeigt einen Längsschnitt durch das Dichtringsegment 144. Der Dichtring 144 weist zwei sowohl axial als auch radial beabstandete Nuten 160 auf, die sich in Umfangsrichtung erstrecken und in radialer Richtung geöffnet sind. Mit entsprechenden, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Federn 162 des Kopfes der Leitschaufeln 130, die passgenau am Dichtringsegment 144 angeordnet sind, kann das Dichtringsegment 144 bei der Montage so auf den Leitschaufelkranz aufgeschoben werden. Da der Druckbolzen 146 eine radiale Rückstellkraft ausübt, wird die Leitschaufel 130 elastisch in den Nuten 160 fixiert.
  • Der Druckbolzen 146 ist gegen Verdrehen mittels eines Bolzens 164 gesichert. Der Bolzen 164 ist durch eine sich in axialer Richtung erstreckende Bohrung, die auf die Bohrung 148 des Druckbolzens 146 trifft eingeführt und verschraubt. Dadurch übt er eine seitliche Kraft auf das Gewinde des Druckbolzens 146 aus und fixiert diesen kraftschlüssig.
  • FIG 4 zeigt schließlich einen teilweisen Schnitt durch den Dichtring 140 und die Dichtringsegmente 144. Die Druckbolzen 146 üben wie beschrieben eine Rückstellkraft auf die Leitschaufeln 130 aus. Einer der Druckbolzen 146 ist zusätzlich als Umfangsfixierungsbolzen 166 ausgelegt. Er ist länger als die übrigen Druckbolzen 146 und ragt in eine ihm angeformte Vertiefung 168 eines Fußes einer Leitschaufel 130 hinein. Dadurch wird das Dichtringsegment 144 an der Leitschaufel 130 in Umfangsrichtung fixiert.

Claims (11)

  1. Dichtringsegment (144) für einen Stator (143) einer Turbine (100), welches im Wesentlichen die Form eines Zylindermantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut (160) zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln (130) aufweist, wobei das Dichtringsegment (144) ein auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkendes elastisches Element aufweist.
  2. Dichtringsegment (144) nach Anspruch 1,
    welches für jede an dem Dichtringsegment (144) fixierbare Leitschaufel (130) jeweils zumindest ein auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkendes elastisches Element aufweist.
  3. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Nut (160) in Umfangsrichtung verläuft und/oder die Rückstellkraft des jeweiligen elastischen Elements in radialer Richtung wirkt.
  4. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem das jeweilige elastische Element ein Druckbolzen (146) ist.
  5. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem das jeweilige elastische Element eine Tellerfeder (158) umfasst.
  6. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem das jeweilige elastische Element mittels einer Verschraubung am Dichtringsegment (144) fixiert ist.
  7. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem das jeweilige elastische Element derart angeordnet ist, dass es die jeweilige Leitschaufel (130) in Umfangsrichtung formschlüssig fixiert.
  8. Stator (153) für eine Turbine (100) mit einer Anzahl von Leitschaufeln (130), wobei eine Mehrzahl der Leitschaufeln (130) an ihrem radial nach innen gerichteten Fuß mittels einer Feder (162) in einer Nut (160) eines Dichtringsegments (144) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet sind.
  9. Turbine (100) mit einem Stator (153) nach Anspruch 8.
  10. Turbine (100) nach Anspruch 9, die als Gasturbine ausgelegt ist.
  11. Kraftwerksanlage mit einer Turbine (10) nach Anspruch 9 oder 10.
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