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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal,
die Teil einer Gasturbine sind.
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Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein Niederdruckleitrad, das Teil
einer Gasturbine ist.
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Gasturbinen
umfassen bekanntermaßen
einen Verdichter, dem Umgebungsluft zugeführt wird, die anschließend mit
Druck beaufschlagt wird.
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Die
mit Druck beaufschlagte Luft strömt durch
eine Reihe von in ein Leitrad mündenden Brennkammern,
in denen jeweils ein Injektor Brennstoff zuführt, der zur Bildung eines
Luft-Brennstoff-Gemischs für
die Verbrennung mit der Luft vermischt wird.
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Die
Verbrennungsgase werden dann zu der Turbine geleitet, die die Enthalpie
der in der Brennkammer verbrannten Gase in mechanische Energie umwandelt,
die einem Abnehmer zur Verfügung steht,
siehe z.B.
US-A-4 901
522 .
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Zweiwellige
Gasturbinen weisen einen Gasgenerator und eine Arbeitsturbine mit
unabhängigen Wellen
auf, die sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen.
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Der
Arbeitsrotor besteht aus einer Welle, die an einem Ende die Laufräder der
Niederdruckturbine und an dem ande ren Ende den Lagerflansch trägt.
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Die
Heißgase
in dem Gasgenerator müssen in
Energie umgewandelt werden, die über
eine Niederdruckturbine einem Abnehmer zur Verfügung steht.
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Die
Niederdruckleiträder
beschleunigen die Heißgase
und leiten diese zu den Rotorschaufeln, wodurch die Nutzleistung
auf die Turbinenwelle übertragen
wird.
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Damit
das Gehäuse
einer Gasturbine so kühl wie
möglich
bleibt, sind die von den Heißgasen überströmten Leiträder nicht
direkt an dem Leitradgehäuse
befestigt, sondern stattdessen in Sektoren aufgeteilt, wobei jeder
Sektor aus zwei oder drei Leitschaufeln besteht, und von dem Leitradgehäuse mittels
Teilern isoliert, die aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit
bestehen.
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Es
versteht sich, dass der Übergangsströmungskanal
die Verbindungskomponente zwischen den Hochdruckschaufeln und den
Niederdruckleiträdern
ist.
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Insbesondere
besteht der Übergangsströmungskanal
im Allgemeinen aus zwei konzentrischen Zylindern, deren Mittelabschnitt
eine unterschiedliche Form aufweisen kann, um den gewünschten
Heißgasstrom
zu ermöglichen.
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Die
Heißgase
müssen
auf eine Weise strömen,
dass mechanische Verluste und Wärmeverluste
minimiert werden. Die Heißgase
weisen sehr hohe Temperaturen auf, weshalb die Wände des Übergangsströmungskanals diesen Bedingungen
Widerstehen und ihre strukturelle Unversehrtheit aufrechterhalten
können
müssen.
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Darüber hinaus
ist die Abdichtung zwischen dem Übergangsströmungskanal
und den Niederdruckleiträdern
eine wichtige Variable für
die Sicherstellung der Motorleistung und für die Aufrechterhaltung der
Unversehrtheit des Gasturbinenaußengehäuses.
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Zur
Förderung
des Verständnisses
der von der Erfindung zu lösenden
Probleme soll im Folgenden auf den Stand der Technik Bezug genommen werden.
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Übergangsströmungskanäle vorhandener Turbinen
können
in zwei Kategorien eingeteilt werden: Übergangsströmungskanäle großer Dicke (die in Segmente
unterteilt sind) und Übergangsströmungskanäle geringer
Dicke (bei denen es sich um 360°-Teile
handelt).
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Bei
beiden Lösungen
können
die Gehäuse und
die Niederdruckleiträder
die Äußerwände problemlos
stützen.
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Das
zu lösende
Hauptproblem besteht im korrekten Stützen der Innenwand, die im
Allgemeinen der Rückseite
des Hochdruckrotors zugewandt ist.
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Daher
kann die Innenwand von einer Außenwand
nur unter Verwendung von strukturellen Stegen oder Verbindungsarmen
oder Vorsprüngen
gestützt werden,
die von der Plattform der Niederdruckleiträder abstehen.
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Die
erste Lösung
ist insbesondere bei einer beträchtlichen
axialen Länge
des Übergangsströmungskanals
vorteilhaft, da die Innenwand nicht einfach an nur einem Ende gestützt werden
kann.
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Gerade
wegen der hohen Temperaturen der Gase, die durch die Übergangsströmungskanäle strömen, können die
Stege oder Verbindungsarme jedoch mechanische Verluste verursachen
und weisen kein einfaches Design auf.
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Diese
hohen Temperaturen können
zu Fällen „wärmebedingter
Ermüdung" führen, die
den Bruch verschiedener Komponenten verursachen kann, und dadurch
deren Nutzlebensdauer und deren Beständigkeit gegenüber wärmebedingter
Ermüdung
erheblich herabsetzen.
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In
allen Fällen
lässt sich
die axiale Länge
des Übergangsströmungskanals
nur durch Vergrößern der
axialen Länge
der Plattform der Niederdruckleiträder minimieren, sodass der Übergangsströmungskanal
bei einigen Anwendungen in die verlängerten Plattformen der Niederdruckleiträder integriert
ist.
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Diese
Lösung
ist in 1 als Beispiel einer Ausführungsform nach dem Stand der
Technik dargestellt.
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Insbesondere 1 stellt
eine allgemein durch das Bezugszeichen 20 bezeichnete Baugruppe
dar, die einen Übergangsströmungskanal 21 umfasst,
der mit der verlängerten
Plattform 22 der Niederdruckleiträder 23 verbunden ist.
Ein Verbindungsarm 24 ist ebenfalls dargestellt.
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Die
segmentierten Innenwände
können
auch von einer inneren Struktur gestützt werden, die vor Heißgasen geschützt ist,
und sind Gewichtsbelastungen und Druckdifferenzen ausgesetzt.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden segmentierte Übergangsströmungskanäle für gewöhnlich für Hochleistungsmotoren
mit horizontal voneinander getrennten Gehäusen entlang der (dünnwandigen)
360°-Übergangsströmungskanäle verwendet, die
in Luftfahrtturbinen üblich
sind.
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Das
Ziel der Erfindung besteht daher darin, zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine ein System bereitzustellen, das es möglich macht,
den Wärmeübergang
auf das Außengehäuse durch
das Ausrichtungssystem selbst zu verhindern.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung besteht darin, zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine ein System bereitzustellen, bei dem die Verwendung
von Stegen oder Verbindungsarmen zu dessen Stützung und Ausrichtung vermieden
wird.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine ein System bereitzustellen, das einfach und
sicher zu installieren ist.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, zum Verbinden eines
Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine ein System bereitzustellen, das bei gleichzeitiger Berücksichtigung
der Optimierung der Maschinenleistung zuverlässig und wirtschaftlich ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird Folgendes bereitgestellt: eine
Gasturbine, die ein Niederdruckleitrad mit Sektoren aus zwei oder mehr
von einer Leitelementplatt form getragenen Leitschaufeln und einem Übergangsströmungskanal zum
Leiten von Heißgasen
zu dem Niederdruckleitrad enthält,
gekennzeichnet durch ein zum Verbinden des Niederdruckleitrads einschließlich der
Leitelementplattform mit dem Übergangsströmungskanal
in der Gasturbine vorgesehenes System, das einen in der Leitelementplattform
ausgebildeten Kanal aufweist, wobei der Übergangsströmungskanal einen Rand innerhalb
des Kanals und Mittel umfasst, um den Übergangsströmungskanal und das mit Leitschaufeln
bestückte
Niederdruckleitrad an drei oder mehr Punkten an dem mit Leitschaufeln
bestückten Niederdruckleitrad
aneinander auszurichten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung bestehen die Ausrichtungsmittel des Übergangsströmungskanals wenigstens aus
drei Keilen, die zwischen den Niederdruckleiträdern und dem Übergangsströmungskanal
eingetrieben werden. Der Übergangsströmungskanal
weist drei Schlitze auf, wobei jeder der Schlitze einem der drei Schlitze
zugeordnet ist, die zu drei Sektoren der Niederdruckleiträder gehören, wobei
das Ganze solche Abmessungen aufweist, dass die drei Keile fixiert werden.
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Genauer
gesagt können
die drei Keile an drei gestaffelten Punkten jeweils im Winkel von
120° zueinander
angeordnet sein, um eine gleichmäßige Stützung des Übergangsströmungskanals
sicherzustellen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung nehmen die Sektoren des Niederdruckleitrads die
oben genannten Keile direkt in ihrer Plattform auf.
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Gemäß noch einer
anderen bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Kanal des Niederdruckleitradrings in der Lage,
den Übergangsströmungskanal
zu stützen
und ihn in die korrekte axiale Position zu bringen.
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Gemäß noch einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Keile an dem Übergangsströmungskanal befestigt oder in
ihm enthalten, und das Niederdruckleitrad weist nur einen Schlitz
für den
entsprechenden Keil auf.
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Gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung bilden wenigstens drei Punkte am Rand des Übergangsströmungskanals
einen vordefinierten Spalt mit dem Kanal des Niederdruckleitrads.
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Darüber hinaus
entspricht der vordefinierte Spalt den verschiedenen Wärmeausdehnungen,
die der Übergangsströmungskanal
in Bezug zu dem Niederdruckleitrad vollzieht, sodass der Spalt in
einer stationären
Position gleich Null ist, was die Ausrichtung des Übergangsströmungskanals
der Gasturbine an dem Kanal ermöglicht,
während
der Rand die Abdichtung gegen die Heißgase der Turbine bildet.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird schließlich ein Verfahren zum Verbinden
eines Übergangsströmungskanals
mit einem in Sektoren aus zwei oder drei Leitschaufeln aufgeteilten
Gasturbinen-Niederdruckleitrad bereitgestellt, wobei das Niederdruckleitrad
mit einer Leitelementplattform mit einem darin ausgebildeten Kanal
(13) ausgeformt ist, GEKENNZEICHNET DURCH das Positionieren
des Übergangsströmungskanals
in dem Kanal durch Einsetzen eines Rands in den Kanal, und wobei
das Ausrichten zwischen dem Übergangsströmungskanal
und dem Niederdruckleitrad durch Ausrichtungsmittel an drei oder
mehr Punkten an dem Nieder druckleitrad erreicht wird.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
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Die
weiteren Ziele und Vorteile der Erfindung sowie deren strukturelle
und funktionale Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
und den beigefügten
Zeichnungen hervor, die zur Veranschaulichung bereitgestellt werden
und den Geltungsbereich der Erfindung nicht einschränken sollen:
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1 zeigt
in einer Schnittansicht ein Detail einer zweiwelligen Turbine, das
einen dem Stand der Technik entsprechenden Übergangsströmungskanal darstellt.
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2 zeigt
in einer Schnittansicht ein Detail einer zweiwelligen Turbine, das
das erfindungsgemäße System
zum Verbinden eines Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal
darstellt.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal.
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4 zeigt
eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Systems zum Verbinden eines
Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf die erwähnten Figuren, wird das erfindungsgemäße System
zum Verbinden eines Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekenn zeichnet.
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Insbesondere
weisen die Plattformen 11 der Niederdruckleiträder 12 einen
Kanal 13 auf, in dem der Übergangsströmungskanal 14 mittels
eines Rands 15 positioniert ist.
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Die
Leiträder 12 sind
in Sektoren aus zwei oder drei Leitschaufeln aufgeteilt und auf
den Ring der Niederdruckleiträder
aufgebracht.
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Diese
können
daher leicht auf den Rand 15 des Übergangsströmungskanals 14 aufgebracht
werden, um die Abdichtung und die Verbindung zwischen diesen Komponenten
auszubilden.
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Darüber hinaus
stützt
der Kanal 13 der Niederdruckleiträder 12 den Übergangsströmungskanal 14 und
bringt zudem den Übergangsströmungskanal 14 in
seine korrekte axiale Position.
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Eine
besonders wichtige Innovation ist das System zum Ausrichten des Übergangsströmungskanals 14 und
der Niederdruckleiträder 12.
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Wie
bereits erwähnt,
wurde diese Ausrichtung bei Gasturbinen, die dem Stand der Technik
entsprechen, unter Verwendung des Außengehäuses der Gasturbine erreicht.
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Die
Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in der direkten Ausrichtung des Übergangsströmungskanals 14 an
den Niederdruckleiträdern 12.
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Dies
bietet den erheblichen Vorteil, dass der Wärme übergang zu dem Außengehäuse durch
das Ausrichtungssystem vermieden wird.
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Das
Material des Außengehäuses ist
für hohe
Temperaturen nicht geeignet, und diese neue Lösung vermeidet die Oxidation,
die Verformung oder den Verlust der Abdichtung wegen der hohen lokalen
Temperaturen, die im Außengehäuse erzeugt würden.
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Das
erfindungsgemäße System
wird unter Verwendung der wenigstens drei Keile 16 zwischen den
Niederdruckleiträdern 12 und
dem Übergangsströmungskanal 14 montiert.
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Jeder
Keil 16 weist einen zylindrischen Bereich 30 mit
einer mittigen Bohrung 32 und einen quadratischen Bereich 31 auf.
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Der Übergangsströmungskanal 14 weist
drei Schlitze 17 auf, und die drei entsprechenden Niederdruckleitradsektoren
weisen einen weiteren Schlitz 18 auf oder nehmen die Keile 16 direkt
in ihrer Plattform 11 auf.
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Das
resultierende System ist stets ausgerichtet, da der Übergangsströmungskanal 14 entlang der
Keile 16 verläuft
und nur koaxial zu dem Ring der Niederdruckleiträder 12 und zu der
Stufe der Leiträder 12 angeordnet
sein kann, sodass die nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme,
auf die oben Bezug genommen wurde, vermieden werden.
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Genauer
gesagt sind die drei Keile 16 an drei gestaffelten Punkten
jeweils im Winkel von 120° zueinander
angeordnet, um eine gleichmäßige Stützung des Übergangsströ mungskanals 14 sicherzustellen.
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Alternativ
können
die Keile 16 in den Übergangsströmungskanal 14 eingepasst
oder aufgenommen sein, und das Niederdruckleitrad 12 kann nur
den Schlitz 18 für
den entsprechenden Keil 16 aufweisen.
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Eine
andere Lösung,
die vorgesehen wurde, besteht darin, wenigstens drei Punkte am Rand 11 des Übergangsströmungskanals 14 anzuordnen,
an denen ein vordefinierter Spalt mit dem Kanal 13 des Niederdruckleitrads 12 gebildet
wird.
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Dieser
vordefinierte Spalt entspricht den verschiedenen Wärmeausdehnungen,
die der Übergangsströmungskanal 14 in
Bezug zu dem Niederdruckleitrad 12 vollzieht, sodass der
Spalt in einer stationären
Position gleich Null ist.
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Dieser
Umstand ermöglicht
die Ausrichtung des Übergangsströmungskanals 14 an
dem Kanal 13, während
der Rand 11 die Abdichtung für die Heißgase der Turbine bildet.
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Die
Komponenten des Systems zum Verbinden eines Niederdruckleitrads
mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine gemäß der oben beschriebenen
Erfindung weisen schließlich
die folgenden wichtigen strukturellen und funktionalen Merkmale
auf:
Erstens ist der Übergangsströmungskanal 14 ein
im Winkel von 360° zu
den dünnen
Wänden
angeordnetes Teil; zweitens weist der Übergangsströmungskanal 14 keine
Stege oder Verbindungsarme auf; schließlich wird der Übergangsströmungskanal 14 von
Plattformen 11 gestützt,
die mit den Nie derdruckleiträdern 12 verbunden
sind.
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Die
Merkmale des erfindungsgemäßen Systems
zum Verbinden eines Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal,
der Teil einer Gasturbine ist, worin das Ziel der Erfindung besteht, sind
aus der gegebenen Beschreibung ebenso ersichtlich wie dessen Vorteile.
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Die
folgenden abschließenden
Betrachtungen und Beobachtungen sollen hier vorgenommen werden,
um die oben genannten Vorteile mit größerer Genauigkeit und Klarheit
darzulegen.
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Für das oben
angesprochene Problem wurde daher eine in einer neuen Turbine umzusetzende neue
Lösung
entwickelt.
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Die
axiale Länge
des Übergangsströmungskanals
wurde reduziert, und neue Übergangsströmungskanäle und neue
Verbindungen mit den Niederdruckleiträdern wurden entwickelt.
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Es
ist offensichtlich, dass mehrere Varianten des erfindungsgemäßen Systems
zum Verbinden eines Niederdruckleitrads mit einem Übergangsströmungskanal
in einer Gasturbine – dem
Ziel der Erfindung – eingeführt werden
können,
ohne dass von den innovativen Prinzipien abgewichen wird, die in der
veranschaulichten Idee enthalten sind.
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Es
ist offensichtlich, dass diese Erfindung auch das relevante Niederdruckleitrad
umfasst, das oben mit dessen Verbindungssystem zu dem Übergangsströmungskanal
der Gasturbine beschrieben ist.
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Schließlich ist
es offensichtlich, dass bei der prak tischen Nutzung dieser Erfindung
die Materialien, Formen und Abmessungen der dargestellten Details
je nach den Anforderungen beliebig sein können, und sie können ersetzt
oder durch andere Elemente variiert werden, die in technischer Hinsicht gleichwertig
sind.
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Der
Geltungsbereich der Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.