EP2984295A1 - Dichtringsegment für einen stator einer turbine - Google Patents

Dichtringsegment für einen stator einer turbine

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EP2984295A1
EP2984295A1 EP14734785.0A EP14734785A EP2984295A1 EP 2984295 A1 EP2984295 A1 EP 2984295A1 EP 14734785 A EP14734785 A EP 14734785A EP 2984295 A1 EP2984295 A1 EP 2984295A1
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EP
European Patent Office
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sealing ring
ring segment
turbine
stator
segment
Prior art date
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Application number
EP14734785.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2984295B1 (de
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Thorsten Barz
Roland Häbel
Sebastian Stupariu-Cohan
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2984295A1 publication Critical patent/EP2984295A1/de
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    • 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
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • 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 on its outer side has a groove for fixing a plurality of guide vanes.
  • a turbine is a turbomachine, which is the inner one
  • 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.
  • ⁇ wheel is usually a stator. These Leitschau ⁇ feln protrude from the housing into the flowing medium and put it in a twist. 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 as possible.
  • the guide vanes are held on the rotor side by cylinder-jacket-shaped sealing rings. These consist übli ⁇ ch note of a plurality, normally ten segments. These are pushed onto an entanglement at the head of the guide vanes (tongue and groove connection) and thus seal off the hot gas duct in relation to the rotor.
  • the sealing ring segments are individually fixed by bolts, each of which projects radially into one of the guide vanes.
  • a disadvantage of the known sealing ring segments is that when using sheet or large disc springs always a large-scale bias is applied to a plurality of vanes. This complicates the assembly of the Leitschau- fine.
  • the strength of the restoring force is not individu ⁇ ell adjustable or readjusted. It is therefore an object of the invention to provide a sealing ring segment of the type mentioned above, which allows a higher life ⁇ life and a lower repair cost for a turbine with a simple installation and high optimization.
  • sealing ⁇ ring segment for each of the sealing ring segment fixable Leit ⁇ shovel in each case at least one force acting on the respective Leitschau ⁇ fel means of a restoring force pressure pin up has formed as a cylindrical element, wel ⁇ ches in compresses axial direction.
  • the invention proceeds from the consideration that the Le ⁇ service life of the turbine is increased and the repair cost of the turbine could be reduced when the wear could be reduced by the relative movement of individual vanes and the 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.
  • the remedy is a frictional fixation by means of a pressure ⁇ bolt, which ensures a kraftschlüs ⁇ sige fixation of the guide vane by its restoring force, while by the elasticity thermal expansion remains possible.
  • 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 Kol ⁇ bens.
  • the pressure pin z. B self-resetting by appropriate Fe ⁇ deran angel configured.
  • the pressure pin can be fixed by a corresponding opening in the sealing ring segment and aligned accordingly.
  • the vane is fixable in each case at least ⁇ provided a pressure acting on the respective guide vane by means of a restoring force for each pressure pin on the sealing ring segment.
  • the sealing ring segment is particularly securely fixed, as a force ⁇ locking connection is created by a plunger with each 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 a simple assembly 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 die ring.
  • the respective elastic element in particular the pressure pin comprises a plate spring.
  • a diaphragm spring is understood to mean a conical annular shell which can be loaded in the axial direction and thus can be stressed in both stationary and oscillating (dynamic). The power ⁇ introduction is normally done on the upper inner edge of the lower outer edge.
  • the diaphragm spring can be used as a single spring or as a spring column. In a column, either individual plate springs or consisting of several springs spring assemblies can interact intimately layered ⁇ to.
  • 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 by means of a screwing on Dichtringseg- fixed.
  • a detachable connection which thus enables subsequent replacement in the course of an inspection, on the other hand is easy to mount laubt ⁇ .
  • 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 hooking Vermosetechnisch- rungsbolzen.
  • the respective elastic element for the circumferential fixation of the Dichtringseg ⁇ Mentes is arranged such that it fixes the respective guide vane in the circumferential direction positively.
  • the guide vane has a corresponding recess into which the correspondingly executed elastic element is inserted.
  • a stator for a turbine with a number of vanes is advantageously a majority of Leitschau ⁇ blades arranged at its radially inwardly directed head by means of a spring in a groove of a sealing ring segment described.
  • a turbine advantageously comprises such a stator .
  • the turbine is set as the gas turbine from ⁇ .
  • the thermal, mechanical and dynamic loads are particularly high, so that the described embodiment of the sealing ring segment offers particular advantages with regard to the minimization of wear.
  • a power plant advantageously comprises a derar ⁇ term 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.
  • 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.
  • 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 suction housing 104 Along the rotor 103 follow one another a suction housing 104, a compressor 105, a combustion chamber 110, shown here as an annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxial ⁇ order burners 107, a turbine 108 and the Abgasgepatu ⁇ se 109th
  • the combustion chamber 106 communicates with an annular hot gas channel 111.
  • Each turbine stage 112 is formed from two blade rings. Seen in Strö ⁇ direction of flow of a working medium 113, in the hot ⁇ gas channel 111 a vane ring 115 is a ring formed from rotor acting ⁇ feln 120 125.
  • the guide vanes 130 are secured to the stator 143, where ⁇ other hand, the rotor blades 120 of a ring 125 by means of a turbine disk 133 are attached to the rotor 103.
  • the run ⁇ blades 120 thus form components of the rotor or Läu ⁇ fers 103. Coupled to the rotor 103 is a generator or a working machine (not shown).
  • 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 from ten similar sealing ring segments 144.
  • pressure bolts 146 are provided in the sealing ring segments 144, which are shown in cross section in FIG.
  • the pressure ⁇ bolt 146 is aligned in a radial direction, through hole 148 with a thread 150 by screwing them fixed.
  • the pressure pin consists of a cylindrical portion 152 with a corresponding thread for screwing with the sealing ring segment, an adjoining piston 154 with a smaller diameter, on which a movable in the axial direction of the pressure pin 146 Kap ⁇ sel 156 sits, the piston 154 at the Lace encloses. As a result, it is fixed positively in the radial direction of the pressure pin 146.
  • the piston 154 between section 152 and capsule 156 enclosing a total of eight mutually arranged Tel ⁇ lerfedern 158 are positioned, which exert a restoring force at an axial compression of the pressure pin 146. Since the
  • Pressure bolt 146 in the radial direction with respect to the axis of rotation of the gas turbine 102 in the sealing ring segment 144 is screwed ⁇ a , it exerts so a defined force on the Ver hooking of the guide vane 130, so that relative movements are prevented, but thermal expansion remains possible.
  • the restoring force can set ⁇ .
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the sealing ring segment 144.
  • the sealing ring 144 has two grooves 160, both axially and radially spaced, which extend in the circumferential direction and are opened in the radial, respectively identical direction.
  • the respective groove 160 is surrounded by a longitudinal cut ⁇ L-shaped portion of the sealing ring segment 144 environmentally whose first leg extending in the radial direction, and the second leg in the axial direction of the turbine 100th
  • the sealing ring segment 144 can be pushed during assembly so on the Leit ⁇ blade ring.
  • the pressure pin 146 is arranged in the region of the radially outer groove 160 such that the capsule 156 opens into an opening in the radially inner wall of the groove 160. Since the pressure pin 146 exerts a radial ⁇ ale restoring force which acts on the spring 162 in the groove 160, the spring 162 is thus tringsegments in the groove 160 against the radially-oriented leg of the L-shaped part of the dense 144 pressed. The vane 130 is thus 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. 4 finally shows a partial section through the
  • the pressure pin 146 exercise as described a restoring force on the Leit ⁇ blades 130 from.
  • One of the push pins 146 is additional designed as circumferential 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. Since ⁇ by the sealing ring segment 144 is fixed on the guide vane 130 in the circumferential direction.

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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 bei einfacher Montage und hoher Optimierbarkeit ermöglichen. Dazu weist das Dichtringsegment (144) für jede an dem Dichtringsegment (144) fixierbare Leitschaufel (130) jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen (146) auf, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.

Description

Beschreibung
Dichtringsegment für einen Stator einer Turbine 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 An¬ triebsenergie umwandelt. Dem Fluidstrom wird durch die mög¬ lichst wirbelfreie laminare Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Tur¬ binenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung wird an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an ei¬ nen 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 Lauf¬ rad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschau¬ feln 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 hal- ten. Hierzu sind die Leitschaufeln rotorseitig durch zylin- dermantelförmige Dichtringe gehalten. Diese bestehen übli¬ cherweise aus einer Mehrzahl, üblicherweise zehn Segmenten. Diese werden auf eine Verhakung am Kopf der Leitschaufeln ge- schoben (Nut-Feder-Verbindung) und dichten so den Heißgaskanal gegenüber den Rotor ab. Um ein Verschieben in Umfangs- richtung 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 Ver- schleiß 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 Turbinen- schaden mit Schaufelschäden führen kann.
Hierbei ist es bekannt das Dichtringsegment mit auf die Leit¬ schaufeln mittels einer Rückstellkraft wirkenden elastischen Elementen zu versehen. In der US 7,645,117 werden hierfür großflächig Tellerfedern angeordnet, in der US 2008/0019836, der US 2011/0135479 und der EP 1 441 108 werden Blattfedern verwendet, die eine Krümmung oder Wellenform in azimutaler oder axialer Richtung aufweisen, so dass die entsprechende Vorspannung entsteht.
Nachteilig an den bekannten Dichtringsegmenten ist jedoch, dass bei der Verwendung von Blatt- oder großen Tellerfedern stets eine großflächige Vorspannung auf mehrere Leitschaufeln aufgebracht wird. Dies erschwert die Montage der Leitschau- fein. Zudem ist die Stärke der Rückstellkraft nicht individu¬ ell einstell- oder nachjustierbar. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Dichtringsegment der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine höhere Lebens¬ dauer und einen geringeren Reparaturaufwand für eine Turbine bei einfacher Montage und hoher Optimierbarkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Dicht¬ ringsegment für jede an dem Dichtringsegment fixierbare Leit¬ schaufel jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschau¬ fel mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen auf- weist, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, wel¬ ches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Le¬ bensdauer der Turbine erhöht und der Reparaturaufwand für die Turbine verringert werden könnte, wenn der Verschleiß durch die Relativbewegung einzelner Leitschaufeln und Dichtringsegment verringert werden könnte. Hierfür müsste die Relativ¬ bewegung 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 Druck¬ bolzens, welcher durch seine Rückstellkraft eine kraftschlüs¬ sige Fixierung der Leitschaufel gewährleistet, während durch die Elastizität eine Wärmeausdehnung möglich bleibt. Ein Druckbolzen ist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Element, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt, beispielsweise durch eine Innenstruktur in der Art eines Kol¬ bens. Dabei ist der Druckbolzen z. B. durch entsprechende Fe¬ deranordnung selbstrückstellend ausgestaltet. Der Druckbolzen lässt sich durch eine entsprechende Öffnung im Dichtringseg¬ ment fixieren und entsprechend ausrichten. Dabei ist für jede an dem Dichtringsegment fixierbare Leitschaufel jeweils zu¬ mindest ein auf die jeweilige Leitschaufel mittels einer Rückstellkraft wirkender Druckbolzen vorgesehen. Dadurch wird das Dichtringsegment besonders sicher fixiert, da eine kraft¬ schlüssige Verbindung durch einen Druckbolzen 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 Dicht¬ ringsegments, das einfach auf die Verhakung der Leitschaufeln geschoben werden kann. Durch die radiale Ausrichtung des elastischen Elements kann dieses nach dem Einsetzen des Diehtrings von innen vorgespannt werden.
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 Kraft¬ einleitung 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 wer¬ den. 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 Fe- derkennlinie kann je nach den Maßverhältnissen linear oder degressiv sein und durch geeignete Anordnung auch progressiv (steigend) gestaltet werden. Durch die fast beliebige Kombi¬ nationsmöglichkeit von Einzeltellerfedern kann die Kennlinie durch die Säulenlänge innerhalb weiter Grenzen variiert wer- den. 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 Dichtringseg- ment fixiert. Hierdurch ergibt sich einerseits eine lösbare Verbindung, die somit einen späteren Austausch im Zuge einer Revision ermöglicht, andererseits eine einfache Montage er¬ laubt. 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 Verdrehsiche- rungsbolzen .
In zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung ist das jeweilige elastische Element für die Umfangsfixierung des Dichtringseg¬ mentes 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 Umfangsfixierungsbolzens .
In einem Stator für eine Turbine mit einer Anzahl von Leitschaufeln ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl der Leitschau¬ feln an ihrem radial nach innen gerichteten Kopf mittels einer Feder in einer Nut eines beschriebenen Dichtringsegments angeordnet.
Eine Turbine umfasst vorteilhafterweise einen derartigen Sta¬ tor . Vorteilhafterweise ist die Turbine dabei als Gasturbine aus¬ gelegt. 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 bie- tet.
Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafterweise eine derar¬ tige 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 Dichtringsegmen- ten 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 Bezugszei chen 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 Ansaug- gehäuse 104, ein Verdichter 105, eine Brennkammer 110, hier dargestellt als Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial an¬ geordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäu¬ se 109. Die Brennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbi- nenstufe 112 wird aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strö¬ mungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Hei߬ gaskanal 111 einem Leitschaufelring 115 eine aus Laufschau¬ feln 120 gebildete Ring 125. Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wo¬ hingegen die Laufschaufeln 120 einer Ring 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Lauf¬ schaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läu¬ fers 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 ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt 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 Arbeitsmedi¬ um 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 Zr02, Y204-Zr02) 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 Turbi- nenstufe umschließt dabei die Welle des Rotors 103. Er wird vorteilhafterweise aus zehn gleichartigen Dichtringsegmenten 144 gebildet.
Aufgrund der gegebenen Toleranzen bei der Lagerung der Leit- schaufeln 130 am Dichtring 140 kommt es zu Relativbewegungen der beiden Bauteile, die zu frühem Verschleiß und sogar Schä¬ den an der Gasturbine 100 führen können.
Daher sind in den Dichtringsegmenten 144 Druckbolzen 146 vor- gesehen, die in FIG 2 im Querschnitt gezeigt sind. Der Druck¬ bolzen 146 ist in einer in radialer Richtung ausgerichteten, durchgehenden Bohrung 148 mit einem Gewinde 150 durch Ver- schrauben 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 Kap¬ sel 156 sitzt, die den Kolben 154 an dessen Spitze umschließt. Dadurch ist sie in radialer Richtung des Druckbol- zens 146 formschlüssig fixiert.
Den Kolben 154 zwischen Abschnitt 152 und Kapsel 156 umschließend sind insgesamt acht wechselseitig angeordnete Tel¬ lerfedern 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 ein¬ geschraubt ist, übt es so eine definierte Kraft auf die Ver- hakung der Leitschaufel 130 aus, so dass Relativbewegungen unterbunden werden, eine Wärmeausdehnung aber möglich bleibt. Über die Einschraubtiefe lässt sich die Rückstellkraft ein¬ stellen .
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, jeweils gleicher Richtung geöff- net sind. Die jeweilige Nut 160 ist dabei von einem im Längs¬ schnitt L-förmigen Abschnitt des Dichtringsegments 144 um- fasst, dessen erster Schenkel sich in radialer Richtung, und dessen zweiter Schenkel sich in axialer Richtung der Turbine 100 erstreckt. 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 Leit¬ schaufelkranz aufgeschoben werden. Der Druckbolzen 146 ist dabei im Bereich der radial äußeren Nut 160 derart angeord- net, dass die Kapsel 156 in einer Öffnung der radial inneren Wandung der Nut 160 mündet. Da der Druckbolzen 146 eine radi¬ ale Rückstellkraft ausübt, die auf die Feder 162 in der Nut 160 wirkt, wird die Feder 162 somit in der Nut 160 gegen den radial ausgerichteten Schenkel des L-förmigen Teils des Dich- tringsegments 144 gepresst. Die Leitschaufel 130 wird somit 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 Leit¬ schaufeln 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. Da¬ durch wird das Dichtringsegment 144 an der Leitschaufel 130 in Umfangsrichtung fixiert.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtringsegment (144) für einen Stator (143) einer Turbine (100), welches im Wesentlichen die Form eines Zylinder- mantelsegments aufweist und an seiner Außenseite eine Nut (160) zur Fixierung einer Mehrzahl von Leitschaufeln (130) aufweist, wobei das Dichtringsegment (144) für jede an dem Dichtringsegment (144) fixierbare Leitschaufel (130) jeweils zumindest einen auf die jeweilige Leitschaufel (130) mittels einer Rückstellkraft wirkenden Druckbolzen (146) aufweist, der als zylinderförmiges Element ausgebildet ist, welches sich in axialer Richtung komprimieren lässt.
2. Dichtringsegment (144) nach Anspruch 1,
bei dem die Nut (160) in Umfangsrichtung verläuft und/oder die Rückstellkraft des jeweiligen elastischen Elements in ra¬ dialer Richtung wirkt.
3. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
bei dem das jeweilige elastische Element eine Tellerfeder (158) umfasst.
4. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
bei dem das jeweilige elastische Element mittels einer Ver- schraubung am Dichtringsegment (144) fixiert ist.
5. Dichtringsegment (144) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
bei dem das jeweilige elastische Element derart angeordnet ist, dass es die jeweilige Leitschaufel (130) in Umfangsrich- tung formschlüssig fixiert.
6. 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.
7. Turbine (100) mit einem Stator (153) nach Anspruch 6.
8. Turbine (100) nach Anspruch 7, die als Gasturbine ausge- legt ist.
9. Kraftwerksanlage mit einer Turbine (10) nach Anspruch 7 oder 8.
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