-
Die Erfindung betrifft eine thermische Strömungsmaschine.
-
Dabei wird unter einer Strömungsmaschine oder Turbomaschine eine Fluidenergiemaschine verstanden, bei der die Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine in einem offenen Raum durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik über den Umweg der kinetischen Energie erfolgt.
-
Eine derartige thermische Strömungsmaschine kann einen Verdichter oder eine Turbine aufweisen. Während ein Verdichter zum Komprimieren von Gasen verwendet wird, wie z.B. vor einer Brennkammer eines Strahltriebwerks, wird unter einer Turbine eine rotierende Strömungsmaschine verstanden, welche die innere Energie eines strömenden Fluides (Flüssigkeit oder Gas) in mechanische Energie umwandelt, die sie über ihre Rotorwelle abgibt.
-
Dem Fluidstrom wird in einer Turbine durch die möglichst wirbelfreie laminare Umströmung der Leitschaufeln ein Teil seiner inneren Energie (bestehend aus Bewegungs-, Lage- und Druckenergie) entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Rotorwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgegeben.
-
Unter der Beschaufelung versteht man die Gesamtheit der Schaufeln einer Turbine oder eines Verdichters. Unterschieden wird dabei zwischen Laufschaufeln und Leitschaufeln. Ein Kranz von Laufschaufeln mit dem zugehörigen Kranz von Leitschaufeln nennt man eine Stufe. Die Beschaufelung von Turbinen oder Verdichtern kann mehrstufig sein.
-
Die Leitschaufeln sind fest im Gehäuse der Turbine eingebaut und leiten das Arbeitsmittel im optimalen Winkel auf die Laufschaufeln, die sich auf der drehbaren Rotorwelle befinden. Über die Laufschaufeln findet die Kopplung der mechanisch nutzbaren Leistung zwischen Maschine und Fluid statt.
-
Im Fall von Revisions- oder Wartungsarbeiten, die mit Austausch von Bauteilen der Turbine oder des Verdichters einhergehen, muss das Außengehäuse im Bereich der Turbine oder des Verdichters demontiert werden, um die zu inspizierenden und/oder auszutauschenden Bauteile erreichen zu können.
-
Hierzu wird z.Zt. das Gehäuse entlang vertikal und horizontal verlaufender Teilfugen getrennt und demontiert. Nach der Demontage des Gehäuses ist der innenliegende Leitschaufelträger zugänglich, an dem die Leitschaufeln befestigt sind, und kann auch horizontal geöffnet werden. Nachdem z.B. ein Oberteil des Gehäuses abgehoben wurde kann ein Unterteil des Gehäuses ausgekugelt werden, oder im Anschluss z.B. an einen Turbinenläufer aus dem Gehäuse gehoben werden. Neben den genannten Komponenten des Gehäuses ist teilweise ein Abbau der Turbinenperipherie, wie z.B. von Rohrleitungen, Leitungen oder Schalleinhausungen erforderlich.
-
Die Demontage des Außengehäuses sowie die anschließende Remontage des Gehäuses nimmt viel Zeit in Anspruch und erhöht somit die Kosten der Wartungsarbeiten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Wege aufzuzeigen, wie der Zeitaufwand für die De- und Remontage von Leitschaufeln reduziert werden kann.
-
Die erfindungsgemäße thermische Strömungsmaschine weist zumindest eine Leitschaufel eines Leitschaufelkranzes auf, wobei die Leitschaufel radial innen an einem U-Ring des Leitschaufelkranzes und/oder radial außen an einem Leitschaufelträger des Leitschaufelkranzes mittels jeweils einer Verbindung befestigt ist. Die Leitschaufel ist an dem U-Ring und/oder dem Leitschaufelträger an einem ersten Befestigungspunkt und/oder an einem zweiten Befestigungspunkt befestigt, wobei der zweite Befestigungspunkt in Strömungsrichtung von dem ersten Befestigungspunkt mit einem Mindestabstand größer Null beabstandet ist. An zumindest einem der Befestigungspunkte steht zumindest eine Befestigungseinrichtung der Leitschaufel mit zumindest einer Gegenbefestigungseinrichtung des U-Rings und/oder des Leitschaufelträgers formschlüssig verbunden ist, wobei bei einer Demontagebewegung zum Entfernen der Leitschaufel in Richtung entlang einer Achse einer Rotorwelle die Eingriffeinrichtung an Komponenten der thermischen Strömungsmaschine vorbeibewegbar ausgebildet ist. So wird es möglich Leitschaufel zu Montieren und zu Demontieren, ohne das ein Gehäuse entfernt werden muss, denn nun wird die Leitschaufel nicht mehr in einem vom Gehäuse abgegrenzten Bereich, nämlich einem außerhalb des Gehäuses liegenden Bereich verlagert, sondern während der Montage- und Demontagebewegung verbleit die Leitschaufel im vom Gehäuse definierten Bereich. Bei der Eingriffeinrichtung kann es sich um eine in Richtung der Demontagebewegung hintere Befestigungseinrichtung handeln, während es sich bei den Komponenten der thermischen Strömungsmaschine z.B. um eine zweite, vordere Gegeneingriffeinrichtung und den jeweiligen U-Ring oder Leitschaufelträger handeln kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist die Demontagebewegung in Strömungsrichtung durch die thermische Strömungsmaschine und die Montagebewegung entgegen der Strömungsrichtung gerichtet. Die Strömungsrichtung ist die Richtung, mit der ein Medium, z.B. Verbrennungsgase, durch die thermische Strömungsmaschine strömen. Diese Ausbildung erlaubt es, Befestigungseinrichtungen zum Befestigen der Leitschaufel im "Strömungsschatten" des Leitschaufelträgers anzuordnen, wo Verbrennungsgase nicht direkt auf die Befestigungseinrichtung treffen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Leitschaufel an einem ersten Befestigungspunkt und an einem zweiten Befestigungspunkt befestigt, wobei der zweite Befestigungspunkt in Strömungsrichtung von dem ersten Befestigungspunkt mit einem Mindestabstand größer Null beabstandet ist. Mit anderen Worten, die beiden Befestigungspunkte sind in Strömungsrichtung in Reihe hintereinander angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste Befestigungspunkt einen ersten Abstand zur Rotorwelle und der zweite Befestigungspunkt einen zweiten Abstand zur Rotorwelle auf, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand ungleich sind. Mit anderen Worten, die beiden Befestigungspunkte sind in radialer Richtung in Bezug zu der Rotorwelle der thermischen Strömungsmaschine versetzt angeordnet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Abstand kleiner als der zweite Abstand, und der erste Befestigungspunkt liegt in Strömungsrichtung/Demontagebewegung vor dem zweiten Befestigungspunkt. Somit wird bei einer Demontagebewegung der erste Bereich beim Vorbeiführen an dem zweiten Bereich nicht behindert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem ersten Befestigungspunkt ein Formschluss gebildet. Dabei wird unter einer formschlüssige Verbindung eine Verbindung verstanden, die durch das Ineinandergreifen von zwei Verbindungspartnern entsteht, und unter einer Schwenkbewegung wird eine Drehbewegung um einen Winkel von weniger als 360° verstanden. Derartige formschlüssige Verbindung benötigen keine Verbindungselemente, wie z.B. Stifte oder Schrauben, und können daher besonders einfach werkzeuglos demontiert und remontiert werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der U-Ring einen Preswirler auf. Unter einem Preswirler wird dabei ein Bauteil verstanden, das z.B. an der Leitschaufel angeordnet sein kann und eine Kühlfluidführung zu der Laufschaufel bewirkt. Ein Preswirler ist somit ein "Drallerzeuger", der Kühlluft zur optimalen Anströmung der Laufschaufeln umlenkt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der U-Ring sich an einem Rotor der thermischen Strömungsmaschine abstützend ausgebildet. So wird sichergestellt, dass bei einer Demontage von Leitschaufeln ein dann frei beweglicher U-Ring bzw. seine Segmente nicht herabfallen können und so den Rotor, insbesondere am Rotor angebrachte Dichtspitzen, beschädigen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der U-Ring ein Abstandelement auf, das einen Mindestabstand zwischen dem U-Ring und dem Rotor gewährleistend ausgebildet ist. Bei dem Abstandselement kann es sich um einen Gewindestift oder eine Schraube handeln, die sich durch eine Bohrung in einem Bodenabschnitt eines U-Rings erstreckt. Der Bodenabschnitt kann ein zu dem Außengewinde der Schraube oder des Gewindestiftes korrespondierendes Innengewinde aufweisen und erstreckt sich in Richtung zu dem Rotor um den Mindestabstand aus der Bohrung. Dabei ist die Bohrung derart angeordnet, dass das Abstandselement in einem Bereich auf den Rotor trifft, der dichtspitzenfrei ausgebildet ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem U-Ring ein Leitschaufelkopf der Leitschaufel befestigt ist, insbesondere mit einer Schraubverbindung. Dabei kann der U-Ring segmentierbar ausgebildet sein. Die Schraubverbindung bildet eine kraftschlüssige Verbindung.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem Leitschaufelträger (auch TVC - turbine vane carrier) ein Leitschaufelfuß der Leitschaufel befestigt ist, insbesondere mittels eines Kulissensteins. So kann mit einfachen Mitteln die Leitschaufel an dem Leitschaufelträger befestigt werden.
-
Ferner gehören zur Erfindung ein Leitschaufelkranz und eine Leitschaufel für eine derartige Turbine.
-
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Strömungsmaschine anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
- Figur 1 eine Schnittdarstellung einer an einem Leitschaufelträger einer thermischen Strömungsmaschine befestigten Leitschaufel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- Figur 2 eine Schnittdarstellung weiterer Details der in Figur 1 dargestellten Leitschaufel und des Leitschaufelträgers, und
- Figur 3 eine Schnittdarstellung einer an einem Leitschaufelträger einer thermischen Strömungsmaschine befestigten Leitschaufel gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
Es wird zunächst auf Figur 1 Bezug genommen.
-
Dargestellt ist von einer thermischen Strömungsmaschine 1 ein Abschnitt einer Turbine, z.B. einer Dampfturbine. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es sich aber auch um einen Verdichter handeln.
-
Die thermische Strömungsmaschine 1 weist eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten Leitschaufeln 2 eines Leitschaufelkranzes auf, von denen in Figur 1 nur eine Leitschaufel 2 dargestellt ist.
-
Die Leitschaufel 2 weist an ihrem radial innen liegenden Ende einen Leitschaufelkopf 11 auf, der an einem ersten Befestigungspunkt 5 und einem zweiten Befestigungspunkt 6 an einem U-Ring 13a befestigt ist. Der U-Ring 13a kann segmentierbar ausgebildet sein. Ferner kann der U-Ring 13a eine Preswirlerfunktion aufweisen.
-
Die Leitschaufel 2 ist am ersten Befestigungspunkt 5 mittels einer werkzeuglos zu lösenden Formschlussverbindung befestigt Die Formschlussverbindung ist durch eine Befestigungseinrichtung 7 und eine Gegenbefestigungseinrichtung 8 gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Eingriffeinrichtung 7 und die Gegeneingriffeinrichtung 8 als ineinander greifende Haken ausgebildet.
-
An dem zweiten Befestigungspunkt 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Leitschaufelkopf 11 der Leitschaufel 2 mittels einer zweiten, formschlüssigen Verbindung befestigt, wie z.B. mittels eines Befestigungsmittels 14, z.B. einer Schraube oder eines Bolzens, die/der sich durch Durchgangsbohrungen den Leitschaufelkopf 11 und den U-Ring 13a erstreckt. Zur Abdichtung ist am ersten Befestigungspunkt 5 und am zweiten Befestigungspunkt 6 jeweils eine Dichtung 12 vorgesehen.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Befestigungspunkt 5 in Strömungsrichtung S eines die thermische Strömungsmaschine 1 durchströmenden Mediums vom zweiten Befestigungspunkt 6 beabstandet mit einem Mindestabstand A größer Null angeordnet. Der Mindestabstand A entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen der Breite der Leitschaufel 2 in Strömungsrichtung S. Die Strömungsrichtung S erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsachse einer Rotorwelle 4 der thermischen Strömungsmaschine 1, an der Laufschaufeln (nicht dargestellt) der thermischen Strömungsmaschine 1 befestigt sind.
-
In Bezug zur Rotorwelle 4 weist der erste Befestigungspunkt 5 einen ersten Abstand zur Rotorwelle 4 und der zweite Befestigungspunkt 6 einen zweiten Abstand zur Rotorwelle 4 auf. Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Abstand 5 ungleich dem zweiten Abstand 6, nämlich der erste Abstand ist größer als der zweite Abstand. Ferner liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Befestigungspunkt 5 in Strömungsrichtung S vor dem zweiten Befestigungspunkt 6.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Strömungsrichtung S und eine Demontagerichtung gleichgerichtet. Der Leitschaufelkopf 11 weist im Bereich des ersten Befestigungspunktes 5 eine Ausdehnung in radialer Einwärtsrichtung auf, die kleiner als die Ausdehnung in radialer Einwärtsrichtung im Bereich des zweiten Befestigungspunktes 6 ist. Entsprechend ist der U-Ring 13a in radialer Auswärtsrichtung im Bereich des ersten Befestigungspunktes 5 und des zweiten Befestigungspunktes 6 ausgebildet. Die stufenförmige Ausbildung erlaubt es, dass die Leitschaufel 2 durch eine Demontagebewegung in Strömungsrichtung S demontiert werden kann, wobei die Strömungsrichtung S sich entlang der Haupterstreckungsachse der Rotorwelle 4 erstreckt.
-
Es wird nun zusätzlich auf Figur 2 Bezug genommen.
-
Dargestellt ist der U-Ring 13a, der in vorliegenden Darstellung zusätzliche einen Preswirler bzw. eine Preswirlerfunktion aufweist. Unter einem Preswirler wird dabei ein Bauteil verstanden, das z.B. an der Leitschaufel 2 angeordnet sein kann und eine Kühlfluidführung zu einer Laufschaufel (nicht dargestellt) bewirkt.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der U-Ring 13a sich an einem Rotor 10 der thermischen Strömungsmaschine 1 abstützend ausgebildet. So wird sichergestellt, dass bei einer Demontage von Leitschaufeln 2 ein dann frei beweglicher U-Ring 13a bzw. seine Segmente nicht herabfallen können und so den Rotor 10, insbesondere am Rotor 10 angebrachte Dichtspitzen 21, beschädigen.
-
Hierzu weist der U-Ring 13a ein Abstandelement 15 auf, das einen Minimalabstand M zwischen dem U-Ring 13a und dem Rotor 10 gewährleistet. Bei dem Abstandselement 15 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Gewindestift. Alternativ kann das Abstandselement 15 auch eine Schraube oder ein angeformtes Abstandselement sein. Das Abstandselement 15 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Außengewinde auf, mit dem es in eine Bohrung mit Innengewinde eingeschraubt ist, wobei die Bohrung sich durch einen Bodenabschnitt des U-Rings 13a erstreckt. Das Abstandselement 15 erstreckt sich in Richtung zu dem Rotor 10 um den Minimalabstand M aus der Bohrung. Dabei ist die Bohrung derart angeordnet, dass das Abstandselement 15 in einem dichtspitzenfreien Bereich 16 auf den Rotor 10 trifft, so dass sichergestellt ist, dass durch das Abstandselement 15 keine Dichtspitzen 21 des Rotors 10 beschädigt werden, wenn bei einer Demontage von Leitschaufeln 2 der dann frei bewegliche U-Ring 13a sich z.B. schwerkraftbedingt in Richtung zu dem Rotor 10 hin bewegt.
-
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen.
-
In Figur 3 ist ein radial außen liegendes Ende, d.h. ein Leitschaufelfuß 18, der Leitschaufel 2 dargestellt, das an einem Leitschaufelträger 13b befestigt ist.
-
Ferner unterscheidet sich das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass sowohl am ersten Befestigungspunkt 5 als auch am zweiten Befestigungspunkt 6 die Leitschaufel 2 mit ihrem Leitschaufelfuß 18 an dem Leitschaufelträger 13b mittels einer Formschlussverbindung befestigt ist, bei der jeweils die in Figur 3 linke Eingriffeinrichtung 7a und die linke Gegeneingriffeinrichtung 8a sowie die rechte Eingriffeinrichtung 7a und die rechte Gegeneingriffeinrichtung 8a als ineinander greifende Haken ausgebildet sind.
-
Dabei sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die beiden jeweiligen Haken zueinander weisend bzw. sich öffnend ausgerichtet, d.h. sie sind entgegengesetzt orientiert angeordnet. Des Weiteren zeigt die Figur 3, dass der Leitschaufelträger 13b eine Ausnahmebucht 19 aufweist, die zusätzlich Raum für einen Ausbau bereitstellt.
-
Des Weiteren unterscheidet sich das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel sich von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der erste Befestigungspunkt 5 einen ersten Abstand zur Rotorwelle 4 und der zweite Befestigungspunkt 6 einen zweiten Abstand zur Rotorwelle 4 aufweisen, wobei der erste Abstand kleiner als der zweite Abstand ist.
-
Zum Demontieren der Leitschaufel 2 wird ein Sicherungssegment 17, wie z.B. ein Sicherungsblech oder auch Kulissenstein, nach Lösen einer Sicherungsschraube 20 entfernt, so dass die in Figur 3 rechte Gegeneingriffeinrichtung 8 entfernt ist. Zugleich wird mit dem Entfernen des Sicherungselements 17 die Ausnahmebucht 19 zugänglich, so dass Abschnitte Leitschaufelfuß 18, insbesondere die an dem in Figur 3 angeformte rechte Eingriffseinrichtung 8b, in die Ausnahmebucht 19 eintauchen kann, um die in Figur 3 linke Eingriffseinrichtung 7a außer Eingriff von der in Figur 3 ebenfalls linken Gegeneingriffeinrichtung 8a zu bringen.
-
In einem weiteren Schritt kann dann die Leitschaufel 2 durch eine Demontagebewegung entfernt werden, deren Richtung sich entlang der Haupterstreckungsrichtung der Rotorwelle 4 erstreckt. Umgekehrt kann die Leitschaufel 2 wieder montiert werden durch ein Verlagern der Leitschaufel 2 durch eine Montagebewegung entgegen der Strömungsrichtung S.
-
Somit wird es möglich, Leitschaufeln 2 zu Montieren und zu Demontieren, ohne das ein Gehäuse entfernt werden muss.
