EP1130218A1 - Turbine mit Dichtelement für die Fussplatten der Leitschaufeln - Google Patents

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EP1130218A1
EP1130218A1 EP00104345A EP00104345A EP1130218A1 EP 1130218 A1 EP1130218 A1 EP 1130218A1 EP 00104345 A EP00104345 A EP 00104345A EP 00104345 A EP00104345 A EP 00104345A EP 1130218 A1 EP1130218 A1 EP 1130218A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
sealing element
footplate
gas space
foot plates
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Withdrawn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
EP00104345A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Tiemann
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP00104345A priority Critical patent/EP1130218A1/de
Priority to PCT/EP2001/002095 priority patent/WO2001065074A1/de
Priority to EP01911696A priority patent/EP1276972B1/de
Priority to DE50101990T priority patent/DE50101990D1/de
Priority to CNB01805949XA priority patent/CN1278020C/zh
Priority to JP2001563751A priority patent/JP4660051B2/ja
Priority to US10/220,490 priority patent/US6705832B2/en
Publication of EP1130218A1 publication Critical patent/EP1130218A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations

Definitions

  • the invention relates to a turbine, in particular a gas turbine.
  • a Hot gas passed through the turbine creating a shaft with blades arranged thereon is driven.
  • This Wave is usually used to generate energy Generator connected.
  • the blades extend radially outward.
  • fixed guide vanes are arranged. When viewed in the longitudinal direction of the turbine, they grip Guide vanes and the rotor blades intermesh tooth-like.
  • the turbine usually has several turbine stages, whereby in a vane ring is arranged at each stage, i.e. several the guide vanes are in the circumferential direction of the turbine arranged side by side.
  • the individual guide vane rings are arranged in succession in the axial direction.
  • the Flow path of the hot gas through the turbine is as follows referred to as gas space.
  • the guide vanes each include a radial in the Airfoil-extending airfoil, which on a base plate is attached, via which the guide vane on a so-called Guide vane carrier is attached.
  • the single ones Base plates of the guide vanes form an essentially closed one Area and limit the gas space to the outside. Around The smallest possible leakage gaps between the individual foot plates can be reached between the individual footplates usually seals provided.
  • Another sealing variant is the grooves and to reset the sealing plate from the hot gas side on the gas chamber side, and in the massive edge area below the sealing element to make an undercut.
  • a third sealing variant after which in the body of the footplate itself Cooling channels are introduced is technically complex to manufacture. In particular, the problem is raised that to form the cooling channels when casting the footplate The core must be cast in, which via spacers is positioned. The core as well as the spacers will be removed after casting by appropriate measures so that the cavities thus formed are used as cooling channels can be. However, there is over that of the spacers created cavity connecting the cooling channels to the outside, making a closed cooling circuit difficult is to be realized.
  • the invention has for its object in a turbine the seal between adjacent vanes for one suitable for simple cooling.
  • the object is achieved by a turbine, in particular by a gas turbine with a gas space and with a number of vanes, each having a base plate and a radially from the footplate into the gas space have extending airfoil, wherein between the Base plates of adjacent guide vanes each have a sealing element is provided with a receiving area in which the Reach in the footplates.
  • the sealing element is in cross section seen H-shaped with two over a cross leg connected longitudinal legs formed, between the Longitudinal legs two receiving areas separated from the cross leg are formed, in each of which the footplates are adjacent Pass in guide vanes. So the sealing element covers with its two longitudinal legs the neighboring footplates partially so that in addition to the sealing property the Foot plates are held by the sealing element.
  • the sealing element is preferably between in Turbine circumferential direction arranged adjacent guide vanes.
  • the foot plates have one each bent radially outwards from the gas space Margin, with between two margins adjacent sealing vanes the sealing element is arranged. This increases the effective sealing height of the seal, without the plate thickness of the base plate being increased.
  • the Both bent side edges of the foot plates are here especially on the cross leg of the H-shaped Sealing element.
  • the page margin essentially has one same material thickness as the rest of the footplate.
  • the sealing element has the front of the footplate facing the gas compartment in the area of the sealing element, one set back from the gas space Contact surface on which the sealing element rests.
  • the sealing element closes flush with the Footplate.
  • the sealing element there is between the sealing element and the foot plates for cooling the sealing element Flow path in the form of a leakage gap for air available. So there is no absolute tightness aimed at thermal load in the area of the sealing element and on the Keep the side edges of the footplate low. Usually the outside space around the gas space becomes in a turbine on a held higher pressure than the gas space, so that over the leakage gap Air enters the gas space from the outside and the Escape of hot gas from the gas space is avoided.
  • a closed through which a coolant can flow Cooling system arranged is from the gas space facing rear area of the footplates, so in Outside, a closed through which a coolant can flow Cooling system arranged.
  • the coolant is particular Steam.
  • a coolant is also used Liquid, such as water, or another gas, such as air or Hydrogen, used.
  • Such a closed cooling system enables an effective, targeted and homogeneous Cooling of the base plates and the entire guide vanes.
  • Coolant can flow directly over the base plates, so that between the coolant and the footplate direct heat exchange takes place.
  • an inflow channel for the coolant between an outer Baffle and a baffle formed, the baffle arranged between the outer baffle and the footplate is and has flow openings to the base plate, and a backflow channel between the baffle plate and the footplate is formed for the cooling medium. So that is easier Way realized a closed cooling system which has a high cooling effect. In operation it will Coolant supplied via the inflow channel and in particular nozzle-like flow openings in the Baffle plate directed to the footplate at high speed, so that between the coolant and the footplate intensive heat exchange takes place. Then the warmed up Coolant discharged in the return flow channel.
  • the baffle plate on the footplate is over one Support element supported so that the baffle plate in a defined Distance from the footplate is kept.
  • the baffle is preferred for easy attachment on the bent side edge of the footplate and the baffle especially attached to the baffle.
  • the further sealing element preferably connects the foot plates on their rear sides facing away from the gas space like a clamp together.
  • the main advantage here is that bracket-like design of the further sealing element see which spans the two footplates.
  • the further The sealing element is in particular in several directions designed to be elastic so that it is subject to thermal expansion follows the footplates without leaving a gap. The seal through the further sealing element is therefore of thermal Extensions largely unaffected.
  • a turbine system 1 comprises a turbine system 2, in particular one Gas turbine system of a turbo set for a power plant Power generation, a combustion chamber 4 and a turbine 6, the in the longitudinal or axial direction 8 of the turbine system 2 after the Combustion chamber 4 is arranged.
  • the turbine 6 is in one Partial area shown cut open, so that a look in the gas space 12 of the turbine 6 is made possible. As gas space 12 becomes the flow path of a hot gas HG through the turbine 6 designated.
  • the combustion chamber 4 is connected to a gas supply 14 a fuel gas BG is supplied, which burns in the combustion chamber 4 and forms the mentioned hot gas HG.
  • the hot gas HG flows through the turbine 6 and leaves it as Kaltgas KG via a gas discharge 16.
  • the hot gas HG is in the turbine 6 via guide vanes 18 and rotor blades 20 guided.
  • a shaft 22 is driven on which the Run blades 20 are arranged.
  • the shaft 22 is with a Generator 24 connected to generate electrical energy.
  • the blades 20 extend radially from the shaft 22 outward.
  • the guide vanes 18 have a base plate 21 and an attached blade 23.
  • the guide vanes 20 are each on a so-called Guide vane carrier 26 attached to the outside of the turbine 6 and extend radially into the gas space 12. In the longitudinal direction 8 seen, the guide vanes 18 and the rotor blades engage 20 interdigitated.
  • Several of the blades 20 and the guide vanes 18 are each one Wreath summarized, with each vane ring one Represents turbine stage. 1 is the second turbine stage 28 and the third turbine stage 30 exemplified.
  • the base plates 21 of the individual guide vanes 18 both delimit in the axial direction 8 and in the circumferential direction 32 of the Turbine 6 to each other and limit the gas space 12 to the outside.
  • the adjacent foot plates 21 are sealed from one another, to minimize leakage gaps 34 between them to keep.
  • foot plates 21 arranged side by side 2 have a thickened edge region 36.
  • a common sealing plate 42 is inserted in the end faces 38 of the edge areas 36 of adjacent foot plates 21 opposite grooves 40 in which a common sealing plate 42 is inserted.
  • This Sealing principle according to which the foot plates 21 in a sealing element Taking up the shape of a sealing plate 42 inevitably requires the reinforced edge region 36. As a rule, this has Edge area 36 is higher by a factor of 3 to a factor of 5 Thickness D1 as the thickness D2 of the remaining foot plate 21 on.
  • the conventional sealing principle vice versa, so that now the foot plates 21 in one Reach in sealing element 44.
  • the sealing element 44 is in the Cross section seen H-shaped and has two Longitudinal leg 46 on each other via a cross leg 48 are connected.
  • the sealing element 44 is therefore according to Art a "double T-beam" is formed. Between the two Longitudinal legs 46 are two separate from the transverse leg 48 Receiving areas 50 are formed, into which the foot plates 21 extend.
  • Sealing element 44 is T-shaped, ie with only one Longitudinal leg 46. With such a sealing element 44 the recording rooms formed are open.
  • the front sides 52 of the foot plates oriented towards the gas space 12 21 each in the area of the sealing element 44 a contact surface 54 set back from the gas space 12 one of the longitudinal legs 56 of the sealing element 44 rests.
  • the base plate 21 is in the area of the sealing element 44 stepped.
  • the end regions of the foot plates 21, that connect to the stage are approximately perpendicular from Gas space 12 bent outwards and each form a bent or radially extending side edge 56.
  • the Side edges 56 of the adjacent foot plates 21 nestle directly on the cross leg 48. This is an increase the sealing height H reached without the foot plate 21 in Sealing area is reinforced.
  • a leakage flow path 58 Between the Sealing element 44 and at least one of the foot plates 21 is a formed as a leakage flow path 58, so that outside space 60 facing away from gas space 12, for example Air flows into the gas space 12 via the flow path 58 can and thus the sealing area, ie the sealing element 44 as well as the side edges 56 cools.
  • a closed one in particular Cooling system 62 is provided, which is preferred as the coolant Steam is used and this is shown in detail in FIG. 3 is.
  • This closed cooling system 62 has one Inflow channel 64 and a return flow channel 66.
  • the inflow channel 64 is between an outer baffle 68 and one Baffle plate 70 formed between the baffle 68 and the foot plate 21 is arranged.
  • the baffle 70 has Flow openings 72 formed in the manner of nozzles are, so that the coolant supplied via the inflow channel 64 along the arrows shown in the return flow channel 66 passes.
  • the baffle plate 70 via support elements 76, for example in the form of welding spots or welding webs, supported against the base plate 21 and kept spaced.
  • the baffle 70 is on the side edge 56 of the foot plate 21 directly attached, in particular welded on, and the baffle 68 is attached to the baffle 70.
  • FIG. 3 shown sealing arrangement in particular for two in the circumferential direction 32 adjacent guide vanes 18 are provided.
  • the shown inflow channels 64 and backflow channels 66 extend accordingly in the axial direction 8 of the turbine 6 H-shaped sealing element 44 thus become the base plates 21 a vane ring sealed to each other. From assembly technology This seal is for in the axial direction 8 adjacent base plates 21 successive turbine stages 28.30 less suitable, although in principle possible.
  • a further sealing element 80 is provided, which the base plates 21 connects to one another at the rear sides 74 like a clamp.
  • the further sealing element 80 is in grooves 82 introduced and attached, which is essentially radial stretch into the foot plates 21 from the rear 74.
  • the further sealing element 80 is, as shown in FIG. 4, for example U-shaped with two connected via an arc 84 Leg 86 designed.
  • the other is Sealing element 80 with a corrugated structure according to Art a bellows.
  • the elongated U-shaped design or the design with the corrugated Structure causes the further sealing element 80 to be elastic is and an all-round mobility of the foot plates 21 due thermal expansion.
  • 4 are further interlocking elements 88 shown on the rear sides 74 are arranged, and with which the guide vanes 18 be hooked into the guide vane carrier 26 (see FIG. 1).

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Abstract

Bei einer Turbine (6), insbesondere Gasturbine, ist zur Abdichtung von aneinander in Umfangsrichtung (36) der Turbine (6) angrenzenden Leitschaufeln (18) ein Dichtelement (44) mit einem Aufnahmebereich (50) vorgesehen, in den die Leitschaufeln (18) mit ihren Fußplatten (21) hineinreichen. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Abdichtung braucht hierbei der Randbereich der Fußplatten (21) nicht verstärkt ausgebildet sein, so dass über die gesamte Fußplatte (21) hinweg eine homogene Kühlung ermöglicht ist. Dies erlaubt insbesondere die Anwendung eines geschlossenen Kühlsystems (62) zur Kühlung insbesondere mit Dampf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine.
Bei einer Turbine, insbesondere bei einer Gasturbine eines Turbosatzes eines Kraftwerks zur Energieerzeugung, wird ein Heißgas durch die Turbine geführt, wodurch eine Welle mit darauf angeordneten Lauf schaufeln angetrieben wird. Diese Welle ist zur Erzeugung von Energie in der Regel mit einem Generator verbunden. Die Laufschaufeln erstrecken sich radial nach außen. In der entgegengesetzten Richtung, also radial von außen nach innen, sind feststehende Leitschaufeln angeordnet. In Längsrichtung der Turbine betrachtet greifen die Leitschaufeln und die Laufschaufeln zahnartig ineinander ein. Die Turbine hat in der Regel mehrere Turbinenstufen, wobei in jeder Stufe ein Leitschaufelkranz angeordnet ist, d.h. mehrere der Leitschaufeln sind in Umfangsrichtung der Turbine nebeneinander angeordnet. Die einzelnen Leitschaufelkränze sind in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet. Der Strömungsweg des Heißgases durch die Turbine wird im Folgenden als Gasraum bezeichnet.
Die Leitschaufeln umfassen jeweils ein sich radial in den Gasraum erstreckendes Schaufelblatt, welches an einer Fußplatte angebracht ist, über die die Leitschaufel an einem sogenannten Leitschaufelträger befestigt ist. Die einzelnen Fußplatten der Leitschaufeln bilden eine im Wesentlichen geschlossene Fläche und begrenzen den Gasraum nach außen. Um zwischen den einzelnen Fußplatten möglichst geringe Leckagespalte zu erreichen, sind zwischen den einzelnen Fußplatten in der Regel Abdichtungen vorgesehen.
Bei einer herkömmlichen Abdichtungsvariante wird insbesondere bei in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Fußplatten der Fußplattenrandbereich verdickt ausgeführt, wobei in der Verdickung eine stirnseitige Nut eingearbeitet ist. Zum Abdichten wird in gegenüberliegende Nuten benachbarter Fußplatten ein gemeinsames Dichtblech eingebracht.
Die massive Ausbildung des Randbereichs, in dem die Nut für das Dichtblech angeordnet ist, ist im Hinblick auf die thermische Belastung der Fußplatte problematisch. Aufgrund der hohen Temperaturen in der Turbine werden die Fußplatten üblicherweise mit einem Kühlmittel gekühlt. Für den massiven Randbereich müssen dabei spezielle Kühlmaßnahmen getroffen werden, um keine zu großen thermischen Spannungen zwischen dem massiven Randbereich und dem eher dünnen Plattenbereich der Fußplatte entstehen zu lassen.
Dieses Problem wird verschärft, wenn zur Kühlung ein geschlossener Kühlkreis, beispielsweise ein geschlossener Dampfkühlkreis, vorgesehen ist. Denn dann entfällt die Möglichkeit, durch den massiven Randbereich Kühlbohrungen zu führen, durch die beispielsweise Kühlluft strömen kann. Bei einem geschlossenen Kühlkreislauf müssen solche Bohrungen vielmehr als Sacklöcher ausgeführt werden, wobei hierbei der Kühleffekt naturgemäß gering ist, da das Kühlmedium kaum das Sackloch in ausreichendem Maße durchströmen wird.
Eine weitere Abdichtungsvariante besteht darin, die Nuten und das Dichtblech von der gasraumseitigen Heißgasseite zurückzusetzen, und in den massiven Randbereich unterhalb des Dichtelements einen Hinterschnitt einzubringen. Auch hier besteht wiederum das Problem, diesen Hinterschnitt in ausreichendem Maße mit dem Kühlmittel zu durchströmen. Eine dritte Abdichtungsvariante, wonach in den Körper der Fußplatte selbst Kühlkanäle eingebracht werden, ist herstellungstechnisch aufwendig. Insbesondere wird dabei das Problem aufgeworfen, dass zur Ausbildung der Kühlkanäle beim Gießen der Fußplatte ein Kern mit eingegossen werden muss, welcher über Abstandshalter positioniert wird. Der Kern sowie die Abstandshalter werden nach dem Gießen durch geeignete Maßnahmen entfernt, so dass die dadurch gebildeten Hohlräume als Kühlkanäle herangezogen werden können. Allerdings besteht über den von den Abstandshaltern geschaffenen Hohlraum eine Verbindung der Kühlkanäle nach außen, so daß ein geschlossener Kühlkreislauf nur schwer zu verwirklichen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Turbine die Abdichtung zwischen benachbarten Leitschaufeln für eine einfache Kühlung geeignet auszubilden.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Turbine, insbesondere durch eine Gasturbine, mit einem Gasraum und mit einer Anzahl von Leitschaufeln, die jeweils eine Fußplatte und ein sich von der Fußplatte radial in den Gasraum erstreckendes Schaufelblatt aufweisen, wobei zwischen den Fußplatten benachbarter Leitschaufeln jeweils ein Dichtelement mit einem Aufnahmebereich vorgesehen ist, in den die Fußplatten hineinreichen.
Die grundlegende Idee dieser Ausgestaltung ist in der Umkehrung des herkömmlichen Dichtprinzips zu sehen, bei dem ein Dichtblech in entsprechende Nuten der Fußplatten eingebracht ist. Dies erfordert nämlich zwangsläufig eine Verstärkung des Randes der Fußplatten im Nutbereich, was letztendlich zu den Problemen bei der Kühlung führt. In Umkehrung dieses Dichtprinzips wird nunmehr nicht das Dichtblech in die Fußplatten eingelegt, sondern die Fußplatten werden in das Dichtelement eingebracht. Damit entfällt die Notwendigkeit einer Verstärkung des Randbereichs der Fußplatte. Die Kühlbarkeit ist somit vereinfacht und die Fußplatte wird in allen Bereichen homogen gekühlt, so dass keine thermischen Spannungen auftreten.
In einer bevorzugten Ausbildung ist das Dichtelement im Querschnitt gesehen H-förmig mit zwei über einen Querschenkel verbundene Längsschenkeln ausgebildet, wobei zwischen den Längsschenkeln zwei vom Querschenkel getrennte Aufnahmebereiche gebildet sind, in die jeweils die Fußplatten benachbarter Leitschaufeln hineinreichen. Das Dichtelement überdeckt also mit seinen beiden Längsschenkeln die benachbarten Fußplatten teilweise, so dass zusätzlich zu der Dichteigenschaft die Fußplatten vom Dichtelement gehalten werden.
Aufgrund von montagetechnischen Anforderungen beim Herstellen der Turbine ist das Dichtelement vorzugsweise zwischen in Turbinenumfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Fußplatten jeweils einen vom Gasraum insbesondere radial nach außen abgebogenen Seitenrand auf, wobei zwischen zwei Seitenrändern benachbarter Leitschaufeln das Dichtelement angeordnet ist. Dadurch wird die effektive Dichthöhe der Abdichtung erhöht, ohne dass die Plattenstärke der Fußplatte erhöht ist. Die beiden abgebogenen Seitenränder der Fußplatten liegen hierbei insbesondere an dem Querschenkel des H-förmig ausgebildeten Dichtelements an.
Um eine homogene Kühlung zu erzielen und damit Wärmespannungen zu vermeiden, weist der Seitenrand eine im Wesentlichen gleiche Materialstärke wie die restliche Fußplatte auf.
Um ein Überstehen des Dichtelements in den Gasraum zu verhindern, hat die zum Gasraum gerichtete Vorderseite der Fußplatte im Bereich des Dichtelements eine vom Gasraum zurückgesetzte Auflagefläche, auf der das Dichtelement aufliegt. Vorzugsweise schließt das Dichtelement dabei bündig mit der Fußplatte ab.
In einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist zwischen dem Dichtelement und den Fußplatten zur Kühlung des Dichtelements ein Strömungsweg in Form eines Leckagespalts für Luft vorhanden. Es wird also keine absolute Dichtheit angestrebt, um die thermische Belastung im Bereich des Dichtelements und an den Seitenrändern der Fußplatte gering zu halten. In der Regel wird der Außenraum um den Gasraum in einer Turbine auf einem höheren Druck gehalten als der Gasraum, so dass über den Leckagespalt Luft von außen in den Gasraum eintritt und der Austritt von Heißgas aus dem Gasraum vermieden ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist im vom Gasraum abgewandten rückwärtigen Bereich der Fußplatten, also im Außenraum, ein von einem Kühlmittel durchströmbares geschlossenes Kühlsystem angeordnet. Das Kühlmittel ist hierbei insbesondere Dampf. Alternativ wird als Kühlmittel auch eine Flüssigkeit, wie Wasser, oder ein anderes Gas, wie Luft oder Wasserstoff, herangezogen. Ein solches geschlossenes Kühlsystem ermöglicht eine effektive, zielgerichtete und homogene Kühlung der Fußplatten und der gesamten Leitschaufeln.
Bevorzugt ist dabei die vom Gasraum abgewandte Rückseite der Fußplatten vom Kühlmittel insbesondere unmittelbar überströmbar, so dass zwischen dem Kühlmittel und der Fußplatte ein direkter Wärmeaustausch stattfindet.
Um eine effektive Kühlung der Fußplatten zu erreichen, ist ein Zuströmkanal für das Kühlmittel zwischen einem äußeren Leitblech und einem Prallblech gebildet, wobei das Prallblech zwischen dem äußeren Leitblech und der Fußplatte angeordnet ist und Strömungsöffnungen zur Fußplatte hin aufweist, und wobei zwischen dem Prallblech und der Fußplatte ein Rückströmkanal für das Kühlmedium gebildet ist. Damit ist in einfacher Weise ein geschlossenes Kühlsystem verwirklicht, welches eine hohe Kühlwirkung aufweist. Im Betrieb wird das Kühlmittel über den Zuströmkanal zugeführt und über die insbesondere düsenartig ausgestalteten Strömungsöffnungen im Prallblech auf die Fußplatte mit hoher Geschwindigkeit gelenkt, so dass zwischen dem Kühlmittel und der Fußplatte ein intensiver Wärmeaustausch erfolgt. Anschließend wird das erwärmte Kühlmittel im Rückströmkanal abgeführt.
Vorzugsweise ist das Prallblech an der Fußplatte über ein Stützelement abgestützt, so dass das Prallblech in einem definierten Abstand von der Fußplatte gehalten ist.
Für eine einfache Befestigung ist das Prallblech vorzugsweise am abgebogenen Seitenrand der Fußplatte und das Leitblech insbesondere am Prallblech befestigt.
Um eine einfache Montage der Fußplatten und zugleich eine gute Abdichtung der Fußplatten sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung zwischen benachbarten Turbinenstufen zu erreichen, ist vorzugsweise für die Abdichtung in Umfangsrichtung das beschriebene Dichtelement und für die Abdichtung in Axialrichtung ein weiteres Dichtelement vorgesehen. In Abhängigkeit der Richtung werden also insbesondere aus montagetechnischen Gründen unterschiedlich ausgebildete Dichtelemente eingesetzt.
Das weitere Dichtelement verbindet die Fußplatten vorzugsweise an ihren dem Gasraum abgewandten Rückseiten klammerartig miteinander. Der wesentliche Vorteil ist hierbei in der klammerartigen Ausgestaltung des weiteren Dichtelements zu sehen, welches die beiden Fußplatten überspannt. Das weitere Dichtelement ist dabei insbesondere in mehreren Richtungen elastisch ausgebildet, so dass es bei thermischen Dehnungen den Fußplatten folgt ohne einen Spalt freizugeben. Die Abdichtung durch das weitere Dichtelement ist daher von thermischen Dehnungen weitgehend unbeeinflusst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark schematischen Darstellungen:
FIG 1
eine Turbinenanlage,
FIG 2
den Abdichtbereich zwischen zwei in Umfangsrichtung der Turbine benachbarten Fußplatten in einer herkömmlichen Ausführung,
FIG 3
den Abdichtbereich in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, und
FIG 4
eine insbesondere für in Axialrichtung der Turbinenanlage nebeneinander angeordneten Fußplatten vorgesehene Abdichtung.
Gemäß FIG 1 umfasst eine Turbinenanlage 2, insbesondere eine Gasturbinenanlage eines Turbosatzes für ein Kraftwerk zur Energieerzeugung, eine Brennkammer 4 und eine Turbine 6, die in Längs- oder Axialrichtung 8 der Turbinenanlage 2 nach der Brennkammer 4 angeordnet ist. Die Turbine 6 ist in einem Teilbereich aufgeschnitten dargestellt, so dass ein Blick in den Gasraum 12 der Turbine 6 ermöglicht ist. Als Gasraum 12 wird der Strömungsweg eines Heißgases HG durch die Turbine 6 bezeichnet.
Im Betrieb wird der Brennkammer 4 über eine Gaszuführung 14 ein Brenngas BG zugeführt, welches in der Brennkammer 4 verbrannt wird und das erwähnte Heißgas HG bildet. Das Heißgas HG strömt durch die Turbine 6 und verlässt diese als Kaltgas KG über eine Gasableitung 16. Das Heißgas HG wird in der Turbine 6 über Leitschaufeln 18 sowie Laufschaufeln 20 geführt. Dabei wird eine Welle 22 angetrieben, auf der die Lauf schaufeln 20 angeordnet sind. Die Welle 22 ist mit einem Generator 24 zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden.
Die Laufschaufeln 20 erstrecken sich von der Welle 22 radial nach außen. Die Leitschaufeln 18 weisen eine Fußplatte 21 und ein daran befestigtes Schaufelblatt 23 auf. Die Leitschaufeln 20 sind über ihre Fußplatten 21 jeweils an einem sogenannten Leitschaufelträger 26 außen an der Turbine 6 befestigt und erstrecken sich radial in den Gasraum 12. In Längsrichtung 8 gesehen greifen die Leitschaufeln 18 und die Laufschaufeln 20 zahnartig ineinander ein. Mehrere der Laufschaufeln 20 sowie der Leitschaufeln 18 sind dabei jeweils zu einem Kranz zusammengefasst, wobei jeder Leitschaufelkranz eine Turbinenstufe repräsentiert. Im Ausführungsbeispiel der FIG 1 ist die zweite Turbinenstufe 28 und die dritte Turbinenstufe 30 beispielhaft dargestellt.
Die Fußplatten 21 der einzelnen Leitschaufeln 18 grenzen sowohl in Axialrichtung 8 als auch in Umfangsrichtung 32 der Turbine 6 aneinander an und begrenzen den Gasraum 12 nach außen.
Die einander benachbarten Fußplatten 21 sind zueinander abgedichtet, um Leckagespalte 34 zwischen ihnen möglichst gering zu halten.
Gemäß einer herkömmlichen Abdichtungsvariante für zwei in Umfangsrichtung 32 nebeneinander angeordneten Fußplatten 21 weisen diese nach FIG 2 einen verdickten Randbereich 36 auf. In die Stirnseiten 38 der Randbereiche 36 benachbarter Fußplatten 21 sind gegenüberliegende Nuten 40 eingearbeitet, in die ein gemeinsames Dichtblech 42 eingelegt ist. Dieses Dichtprinzip, wonach die Fußplatten 21 ein Dichtelement in Form eines Dichtblechs 42 aufnehmen, erfordert zwangsläufig den verstärkten Randbereich 36. In der Regel weist dieser Randbereich 36 eine um den Faktor 3 bis um den Faktor 5 höhere Dicke D1 als die Dicke D2 der verbleibenden Fußplatte 21 auf.
Diese unterschiedliche Materialstärke im Randbereich 36 und in der restlichen Fußplatte 21 führen zu Problemen im Hinblick auf eine gleichmäßige und homogene Kühlung der Fußplatten 21, so dass die Gefahr von Wärmespannungen besteht.
Um dieses Problem zu vermeiden ist gemäß der vorgeschlagenen bevorzugten Ausführung nach FIG 3 das herkömmliche Dichtprinzip umgekehrt, so dass nunmehr die Fußplatten 21 in ein Dichtelement 44 hineinreichen. Das Dichtelement 44 ist im Querschnitt gesehen H-förmig ausgebildet und weist zwei Längsschenkel 46 auf, die über einen Querschenkel 48 miteinander verbunden sind. Das Dichtelement 44 ist daher nach Art eines "Doppel-T-Trägers" ausgebildet. Zwischen den beiden Längsschenkeln 46 sind zwei vom Querschenkel 48 getrennte Aufnahmebereiche 50 gebildet, in die die Fußplatten 21 hineinreichen. Alternativ zu der H-förmigen Ausbildung ist das Dichtelement 44 T-förmig ausgebildet, also mit lediglich einem Längsschenkel 46. Bei einem derartigen Dichtelement 44 sind die gebildeten Aufnahmeräume offen.
Die zum Gasraum 12 hin orientierte Vorderseiten 52 der Fußplatten 21 weisen im Bereich des Dichtelements 44 jeweils eine vom Gasraum 12 zurückgesetzte Auflagefläche 54 auf, auf der der eine Längsschenkel 56 des Dichtelements 44 aufliegt. Die Fußplatte 21 ist hierzu im Bereich des Dichtelements 44 stufenförmig ausgebildet. Die Endbereiche der Fußplatten 21, die sich an die Stufe anschließen, sind etwa senkrecht vom Gasraum 12 nach außen abgebogen und bilden jeweils einen abgebogenen oder sich radial erstreckenden Seitenrand 56. Die Seitenränder 56 der benachbarten Fußplatten 21 schmiegen sich unmittelbar an den Querschenkel 48 an. Dadurch ist eine Erhöhung der Dichthöhe H erreicht, ohne dass die Fußplatte 21 im Dichtungsbereich verstärkt ausgeführt ist. Zwischen dem Dichtelement 44 und zumindest einer der Fußplatten 21 ist ein als Leckagespalt ausgebildeter Strömungsweg 58 gebildet, so dass von dem Gasraum 12 abgewandten Außenraum 60 beispielsweise Luft über den Strömungsweg 58 in den Gasraum 12 strömen kann und damit den Dichtungsbereich, also das Dichtelement 44 sowie die Seitenränder 56 kühlt.
Zur Kühlung der Fußplatten 21 ist insbesondere ein geschlossenes Kühlsystem 62 vorgesehen, welches als Kühlmittel bevorzugt Dampf verwendet und das in FIG 3 ausschnittsweise dargestellt ist. Dieses geschlossene Kühlsystem 62 weist einen Zuströmkanal 64 und einen Rückströmkanal 66 auf. Der Zuströmkanal 64 ist zwischen einem äußeren Leitblech 68 und einem Prallblech 70 gebildet, welches zwischen dem Leitblech 68 und der Fußplatte 21 angeordnet ist. Das Prallblech 70 weist Strömungsöffnungen 72 auf, die nach Art von Düsen ausgebildet sind, so dass das über den Zuströmkanal 64 zugeführte Kühlmittel entlang der dargestellten Pfeile in den Rückströmkanal 66 übertritt. Aufgrund der düsenartigen Wirkungsweise der Strömungsöffnungen 72 wird das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit gegen die Rückseite 74 der Fußplatte 21 gelenkt, so dass ein effektiver Wärmeübertrag zwischen dem Kühlmittel und der Fußplatte 21 verwirklicht ist. Um eine gleichmäßige Wirkung des Kühlsystems 62 zu erzielen, ist das Prallblech 70 über Stützelemente 76, beispielsweise in Form von Schweißpunkten oder Schweißstegen, gegen die Fußplatte 21 abgestützt und beabstandet gehalten. Das Prallblech 70 ist am Seitenrand 56 der Fußplatte 21 direkt befestigt, insbesondere angeschweißt, und das Leitblech 68 ist am Prallblech 70 befestigt.
Aus montage- und kühltechnischen Gründen ist die in FIG 3 dargestellte Dichtungsanordnung insbesondere für zwei in Umfangsrichtung 32 benachbarte Leitschaufeln 18 vorgesehen. Die dargestellten Zuströmkanäle 64 und Rückströmkanäle 66 erstrecken sich demnach in Axialrichtung 8 der Turbine 6. Über das H-förmige Dichtungselement 44 werden also die Fußplatten 21 eines Leitschaufelkranzes zueinander abgedichtet. Aus montagetechnischen Gründen ist diese Abdichtung für in Axialrichtung 8 benachbarten Fußplatten 21 aufeinanderfolgender Turbinenstufen 28,30 weniger geeignet, wenn auch prinzipiell möglich.
Für die Abdichtung von sich in Axialrichtung 8 aneinander anschließende Fußplatten 21 ist gemäß FIG 4 vorzugsweise ein weiteres Dichtelement 80 vorgesehen, welches die Fußplatten 21 an ihren Rückseiten 74 klammerartig miteinander verbindet. Das weitere Dichtelement 80 ist dabei in Nuten 82 eingebracht und befestigt, die sich im Wesentlichen radial von der Rückseite 74 in die Fußplatten 21 hineinerstrecken. Das weitere Dichtelement 80 ist, wie in FIG 4 dargestellt, beispielsweise U-förmig mit zwei über einen Bogen 84 verbundene Schenkel 86 ausgestaltet. Alternativ hierzu ist das weitere Dichtelement 80 mit einer gewellten Struktur nach Art eines Faltenbalgs versehen. Die langgestreckte U-förmige Ausgestaltung oder auch die Ausgestaltung mit der gewellten Struktur bewirkt, dass das weitere Dichtelement 80 elastisch ist und eine allseitige Beweglichkeit der Fußplatten 21 aufgrund einer thermischen Ausdehnung ermöglicht. In FIG 4 sind weiterhin Verhakungselemente 88 dargestellt, die an den Rückseiten 74 angeordnet sind, und mit denen die Leitschaufeln 18 in den Leitschaufelträger 26 (vgl. FIG 1) eingehakt werden.

Claims (14)

  1. Turbine (6), insbesondere Gasturbine, mit einem Gasraum (12) und mit einer Anzahl von Leitschaufeln (18), die jeweils eine Fußplatte (21) und ein sich von der Fußplatte radial in den Gasraum (12) erstreckendes Schaufelblatt (23) aufweisen, wobei zwischen den Fußplatten (21) benachbarter Leitschaufeln (18) jeweils ein Dichtelement (44) mit einem Aufnahmebereich (50) vorgesehen ist, in den die Fußplatten (21) hineinreichen.
  2. Turbine (6) nach Anspruch 1, bei der das Dichtelement (44) im Querschnitt gesehen H-förmig mit zwei über einen Querschenkel (48) verbundene Längsschenkeln(46) ausgebildet ist, wobei zwischen den Längsschenkeln (46) zwei vom Querschenkel (48) getrennte Aufnahmebereiche (50) gebildet sind, in die jeweils die Fußplatten (21) benachbarter Leitschaufeln (18) hineinreichen.
  3. Turbine (6) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Dichtelement (44) zwischen in Turbinenumfangsrichtung (32) benachbarten Leitschaufeln (18) angeordnet ist.
  4. Turbine (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Fußplatten(21) jeweils einen vom Gasraum (12) nach außen abgebogenen Seitenrand (56) aufweisen, wobei zwischen zwei Seitenrändern (56) banachbarter Leitschaufeln (18) das Dichtelement (44) angeordnet ist.
  5. Turbine (6) nach Anspruch 4, bei der der Seitenrand (56) eine im Wesentlichen gleiche Materialstärke wie die restliche Fußplatte (21) aufweist.
  6. Turbine (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zum Gasraum (12) gerichtete Vorderseite (52) der Fußplatte (21) im Bereich des Dichtelements (44) eine vom Gasraum (12) zurückgesetzte Auflagefläche (54) für das Dichtelement (44) hat.
  7. Turbine (6) nach Anspruch 6, bei der das Dichtelement (44) bündig mit der Fußplatte (21) abschließt
  8. Turbine (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Dichtelement (44) und den Fußplatten (21) zur Kühlung des Dichtelements (44) ein Strömungsweg (58) für Luft vorhanden ist.
  9. Turbine (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im vom Gasraum (12) abgewandten rückwärtigen Bereich der Fußplatten (21) ein von einem Kühlmittel durchströmbares geschlossenes Kühlsystem (62) angeordnet ist.
  10. Turbine (6) nach Anspruch 9, bei der die vom Gasraum (12) abgewandte Rückseite (74) der Fußplatten (21) vom Kühlmittel überströmbar ist.
  11. Turbine (6) nach Anspruch 9 oder 10, bei der ein Zuströmkanal (64) für das Kühlmittel zwischen einem äußeren Leitblech (68) und einem Prallblech (70) gebildet ist, welches zwischen dem äußeren Leitblech (68) und der Fußplatte (21) angeordnet ist und Strömungsöffnungen (72) zur Fußplatte (21) hin aufweist, und wobei zwischen dem Prallblech (70) und der Fußplatte (21) ein Rückströmkanal (66) für das Kühlmedium gebildet ist.
  12. Turbine (6) nach Anspruch 11, bei der das Prallblech (70) an der Fußplatte (21) über ein Stützelement (76) abgestützt ist.
  13. Turbine (6) nach Anspruch 11 oder 12 und 4, bei der das Prallblech (70) am abgebogenen Seitenrand (56) der Fußplatte (21) und das Leitblech (68) insbesondere am Prallblech (70) befestigt ist.
  14. Turbine (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen in Umfangsrichtung (32) benachbarten Fußplatten (21) das Dichtelement (44) angeordnet ist und in Axialrichtung (8) benachbarten Fußplatten (21) jeweils ein weiteres Dichtelement (80) zugeordnet ist, welches die Fußplatten (21) an ihren dem Gasraum (12) abgewandten Rückseiten (74) klammerartig miteinander verbindet.
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