DE102020200073A1

DE102020200073A1 - Leitschaufelkranz

Info

Publication number: DE102020200073A1
Application number: DE102020200073.5A
Authority: DE
Inventors: Nihal Kurt; Fathi Ahmad; Volker Vosberg
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-08
Also published as: EP4058657B1; WO2021139939A1; CN114945733A; KR20220116333A; US20230340886A1; EP4058657A1; CN114945733B; PL4058657T3; US11965432B2; KR102777086B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz (1), der in eine obere und in eine untere Leitschaufelkranzhälfte unterteilt ist, mit einem zumindest zweigeteilten Innenring (2), der einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radial auswärts offenen Strömungskanal (9) bildet, der durch eine Innenringbodenwand (10) und zwei Innenringseitenwände (11) begrenzt ist, und einer Vielzahl von Leitschaufeln (4) aufnehmenden, entlang des Außenumfangs des Innenrings (2) angeordneten Schaufelplattformen (5), die jeweils radial einwärts vorstehende, in axialer Richtung voneinander beabstandete Haltestege (8) aufweisen, welche die Innenringseitenwände (11) von außen umgreifen, dadurch gekennzeichnet, dass in zwischen Haltestegen (8) und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden (11) vorhandene Spalte Verschleißelemente (12) eingesetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelkranz, der in eine obere und in eine untere Leitschaufelkranzhälfte unterteilt ist, mit einem zumindest zweigeteilten Innenring, der einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radial auswärts offenen Strömungskanal bildet, der durch eine Innenringbodenwand und zwei Innenringseitenwände begrenzt ist, und einer Vielzahl von Leitschaufeln aufnehmenden, entlang des Außenumfangs des Innenrings angeordneten Schaufelplattformen, die jeweils radial einwärts vorstehende, in axialer Richtung voneinander beabstandete Haltestege aufweisen, welche die Innenringseitenwände von außen umgreifen.
Leitschaufeln werden bei axial durchströmten Turbinen eingesetzt. So bildet ein am Stator angeordneter Leitschaufelkranz gemeinsam mit einem am Rotor vorgesehenen Laufschaufelkranz eine Stufe einer Turbine. Die Aufgabe der Leitschaufeln besteht darin, das die Turbine durchströmende Medium möglichst effektiv auf die zugeordneten Laufschaufeln zu lenken. Ein Leitschaufelkranz weist normalerweise einen Innenring, einen Außenring und eine Vielzahl von sich zwischen dem Innenring und dem Außenring erstreckenden Leitschaufeln auf. Aus Gründen der Montage ist der Leitschaufelkranz in eine untere und in eine obere Leitschaufelkranzhälfte unterteilt, weshalb auch der Innenring und der Außenring zumindest zweigeteilt ausgeführt sind. Die Leitschaufeln umfassen äußere und inneren Schaufelplattformen, zwischen denen sich die Schaufelblätter erstrecken. Die äußeren Schaufelplattformen sind über radial auswärts vorstehende Schaufelfüße an dem Außenring befestigt. Die inneren Schaufelplattformen zumindest der oberen Leitschaufelkranzhälfte weisen bei einer Leitschaufelkranzbauart radial einwärts vorstehende, in axialer Richtung voneinander beabstandete Haltestege auf, welche den Innenring von außen umgreifen. Diese Haltestege werden beim Zusammenfügen der oberen und unteren Leitschaufelkranzhälfte von oben auf den Innenring mit geringem Spiel, das normalerweise etwa 2-3mm beträgt, derart aufgeschoben, dass sie den Innenring zwischen sich aufnehmen. Der Innenring weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und bildet einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radial auswärts offenen Strömungskanal, der durch eine Innenringbodenwand und zwei Innenringseitenwände begrenzt ist. In diesen Strömungskanal wird während des Turbinenbetriebs ein aus den Schaufelblättern der Leitschaufeln ausströmendes Kühlmedium eingeleitet, um dieses dann zur Kühlung der Laufschaufeln in Richtung der Laufschaufeln weiterzuleiten. Der als Kühlmediumverteiler dienende Innenring wird in der Praxis auch häufig als Preswirler bezeichnet.
Während des Turbinenbetriebs verschleißen die Turbinenkomponenten und müssen im Rahmen von Wartungsarbeiten aufgearbeitet oder ersetzt werden. Dies gilt auch für den Innenring. So zeigen beispielsweise zu den Haltestegen der Leitschaufeln weisenden Außenflächenbereiche der Innenringseitenwände regelmäßig Verschleißerscheinungen aufgrund von während des Betriebs auftretenden Deformationen und/oder Belastungen, deren Reparatur mit großem Aufwand verbunden ist und zu einer deutlichen Verlängerung der Wartungszeiten führt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leitschaufelkranz mit alternativem Aufbau zu schaffen, mit dem die zuvor beschriebenen Probleme zumindest teilweise behoben werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Leitschaufelkranz der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in zwischen Haltestegen und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden vorhandene Spalte Verschleißelemente eingesetzt sind. Derartige Verschleißelemente gleichen das zwischen Haltestegen und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden vorhandene Spiel aus und verhindern einen unmittelbaren Kontakt zwischen den Haltestegen und den Innenringseitenwänden, der ohne solche Verschleißelemente aufgrund während des Turbinenbetriebs angeregter Schwingungen der Einzelkomponenten stattfinden kann. Der Verschleiß wird durch den Einsatz erfindungsgemäßer Verschleißelemente zum einen verringert. Zum anderen verschleißen vornehmlich die Verschleißelemente, die im Rahmen von Wartungsarbeiten schnell, einfach und günstig ersetzt werden können. Eine Instandsetzung des Innenrings im Bereich der Haltestege entfällt damit ganz oder fällt sehr geringfügig aus.
Bevorzugt sind die Verschleißelemente plattenförmig ausgebildet, um auf diese Weise die auftretenden mechanischen Lasten auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, wodurch der Verschleiß und die Beeinträchtigung des Innenrings weiter reduziert werden.
Vorteilhaft sind die Verschleißelemente aus demjenigen Material herstellt, aus dem der Innenring gefertigt ist, oder aus einem weicheren Material, um den Verschleiß in erster Linie auf die Verschleißelemente zu konzentrieren.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jedes Verschleißelement mit einem Haltesteg oder mit einer Innenringseitenwand lösbar verbunden. Entsprechend lassen sich die Verschleißelemente im Rahmen von Wartungsarbeiten schnell und einfach austauschen.
Bevorzugt ist jedes Verschleißelement unter Einsatz einer Schraubverbindung an einem Haltesteg oder an einer Innenringseitenwand befestigt. Auf diese Weise wird eine einfache lösbare Verbindung geschaffen. Vorteilhaft weist jedes Verschleißelement hierzu zumindest einen angeschweißten Gewindebolzen auf, der beispielsweise durch eine Öffnung eines Haltestegs oder der Innenringseitenwand geführt und auf der anderen Seite mit einer Mutter gesichert werden kann.
Es können die Verschleißelemente aufnehmende Vertiefungen an Innenflächen von Haltestegen und/oder an der Außenfläche zumindest einer Innenringseitenwand vorgesehen sein, um eine definierte Positionierung der Verschleißelemente bei ihrer Montage sicherzustellen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind Verschleißelemente in zwischen Haltestegführungsvorsprüngen und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden vorhandene Spalte eingesetzt, wobei die Haltestegführungsvorsprünge jeweils radial einwärts vorstehen. Dank solcher Führungsvorsprünge wird die Montage des Leitschaufelkranzes deutlich erleichtert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkranzes unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine schematische Vorderansicht einer oberen Hälfte eines Leitschaufelkranzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische schematische Teilansicht des in 1 dargestellten Leitschaufelkranzes im teilweise montierten Zustand, das ein Verschleißelement zeigt, das gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Variante ausgebildet ist;
3 eine perspektivische schematische Vorderansicht des in 2 gezeigten Verschleißelementes;
4 eine perspektivische schematische Rückansicht des in 2 gezeigten Verschleißelementes
5 eine perspektivische schematische Schnittansicht des in 1 dargestellten Leitschaufelkranzes, das ein Verschleißelement zeigt, das gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Variante ausgebildet ist;
6 eine perspektivische schematische Vorderansicht des in 5 gezeigten Verschleißelementes;
7 eine perspektivische schematische Rückansicht des in 5 gezeigten Verschleißelementes und
8 eine perspektivische schematische Teilansicht eines Innenrings der in 5 gezeigten Anordnung.

Gleiche Bezugsziffern kennzeichnen nachfolgend gleiche oder gleichartige Bauteile bzw. Bauteilabschnitte.
1 zeigt schematisch eine obere Hälfte eines in eine obere Hälfte und in eine untere Hälfte unterteilten Leitschaufelkranzes 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem es sich um einen solchen für eine Turbine handelt.
Der Leitschaufelkranz 1 weist vorliegend einen zweigeteilten Innenring 2, einen zweigeteilten Außenring 3 und eine Vielzahl von sich zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 erstreckenden Leitschaufeln 4 auf.
Die Leitschaufeln umfassen äußere und inneren Schaufelplattformen 5, zwischen denen sich die Schaufelblätter 6 erstrecken. Vorliegend nehmen jeweils eine innere Schaufelplattform 5 und eine äußere Schaufelplattform 5 zwischen sich zwei Schaufelblätter 6 auf, wobei die Anzahl der sich zwischen zwei Schaufelplattformen 5 erstreckenden Schaufelblättern 6 variieren kann. Die äußeren Schaufelplattformen 5 sind über radial auswärts vorstehende Schaufelfüße 7 an dem Außenring 3 befestigt.
Die inneren Schaufelplattformen 5 zumindest der oberen Leitschaufelkranzhälfte weisen radial einwärts vorstehende, in axialer Richtung voneinander beabstandete Haltestege 8 auf, welche den Innenring 2 von außen umgreifen. Diese Haltestege 8 werden beim Zusammenfügen der oberen Leitschaufelkranzhälfte und der unteren Leitschaufelkranzhälfte von oben auf den Innenring 2 mit geringem Spiel, das normalerweise etwa 2-3mm beträgt, derart aufgeschoben, dass sie den Innenring 2 zwischen sich aufnehmen. Der Innenring 2, der in der Praxis auch als Preswirler bezeichnet wird, weist, wie es in 2 gezeigt ist, einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und bildet einen sich in Umfangsrichtung U erstreckenden, radial auswärts offenen Strömungskanal 9, der durch eine Innenringbodenwand 10 und zwei Innenringseitenwände 11 begrenzt ist. In diesen Strömungskanal 9 wird während des Turbinenbetriebs ein aus den Schaufelblättern 6 der Leitschaufeln 4 radial einwärts ausströmendes Kühlmedium eingeleitet, um dieses dann zur Kühlung der Laufschaufeln in Richtung der Laufschaufeln weiterzuleiten.
In die zwischen den Haltestegen 8 und den jeweils unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden 11 vorhandenen Spalte, die, wie zuvor bereits erwähnt, normalerweise jeweils eine Spaltbreite von etwa 2-3mm aufweisen, sind Verschleißelemente 12 eingesetzt. Genauer gesagt sind die Verschleißelemente 12 vorliegend jeweils in Spalte eingesetzt, die sich zwischen radial einwärts vorstehenden Haltestegführungsvorsprüngen 13 der Haltestege 8 und den unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden 11 erstrecken. Die Haltestege 8 der inneren Schaufelplattform 5 umfassen beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwei im Umfangsrichtung U voneinander beabstandet angeordnete Haltestegführungsvorsprünge, wobei die Anzahl grundsätzlich variieren kann.
Die Verschleißelemente 12, von denen eines in den 3 und 4 gezeigt ist, sind jeweils plattenförmig ausgebildet und weisen eine ringsegmentartige Außenkontur auf, die der Form des Innenrings 2 folgt. Sie sind aus demjenigen Material herstellt, aus dem auch der Innenring 2 gefertigt ist.
Alternativ können die Verschleißelemente 12 auch ein weicheres Material als der Innenring 2 aufweisen.
Jedes Verschleißelement 12 ist vorliegend mit einer Innenringseitenwand 11 lösbar verbunden. Hierzu ist jedes Verschleißelement 12 rückseitig mit zwei angeschweißten Gewindebolzen 14 versehen, die sich durch Durchgangsbohrungen 15 des Innenrings 2 erstrecken und rückseitig mit einer nicht näher dargestellten Mutter gesichert sind.
Die 5 bis 8 zeigen einen Leitschaufelkranz 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der sich in erster Linie durch die Art der verwendeten Verschleißelemente 12 von der zuvor beschriebenen Ausführungsform unterscheidet.
Pro Haltesteg 8 werden hier zwei Verschleißelemente 12 verwendet, die jeweils zwischen einem der Haltestegführungsvorsprünge 13 und der unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwand 11 positioniert sind. Die Kontur der vorderen Fläche jedes Verschleißelementes 12 folgt der Kontur der zugewandten Fläche des zugeordneten Haltestegführungsvorsprungs 13. Rückseitig ist jedes Verschleißelement 8 mit einem angeschweißten oder in sonstiger Weise befestigten Gewindebolzen 14 versehen. Die Innenringseitenwände 11 sind jeweils mit die Verschleißelemente 12 formschlüssig aufnehmenden Vertiefungen 16 versehen, in denen jeweils eine Durchgangsbohrung 15 zur Aufnahme eines Gewindebolzens 14 positioniert ist.
Im Übrigen entspricht der Aufbau des in den 5 bis 8 gezeigten Leitschaufelkranzes 1 dem zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebenen Aufbau.
Die erfindungsgemäßen Verschleißelemente 12 gleichen das zwischen Haltestegen 8 und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden 11 vorhandene Spiel aus und verhindern einen unmittelbaren Kontakt zwischen den Haltestegen 8 und den Innenringseitenwänden 11, der ohne solche Verschleißelemente 12 aufgrund während des Turbinenbetriebs angeregter Schwingungen der Einzelkomponenten stattfinden kann.
Der Verschleiß wird durch den Einsatz erfindungsgemäßer Verschleißelemente 12 zum einen verringert. Zum anderen verschleißen vornehmlich die Verschleißelemente 12, die im Rahmen von Wartungsarbeiten schnell, einfach und günstig ersetzt werden können. Eine Instandsetzung des Innenrings 2 im Bereich der Haltestege 8 entfällt damit ganz oder fällt sehr geringfügig aus.
Die Verschleißelemente 12 können bei der Neuherstellung eines Leitschaufelkranzes 1 vorgesehen werden. Ebenso können sie im Rahmen von Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten an einem bestehenden Leitschaufelkranz 1 ergänzt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Leitschaufelkranz (1), der in eine obere und in eine untere Leitschaufelkranzhälfte unterteilt ist, mit einem zumindest zweigeteilten Innenring (2), der einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radial auswärts offenen Strömungskanal (9) bildet, der durch eine Innenringbodenwand (10) und zwei Innenringseitenwände (11) begrenzt ist, und einer Vielzahl von Leitschaufeln (4) aufnehmenden, entlang des Außenumfangs des Innenrings (2) angeordneten Schaufelplattformen (5), die jeweils radial einwärts vorstehende, in axialer Richtung voneinander beabstandete Haltestege (8) aufweisen, welche die Innenringseitenwände (11) von außen umgreifen, dadurch gekennzeichnet, dass in zwischen Haltestegen (8) und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden (11) vorhandene Spalte Verschleißelemente (12) eingesetzt sind.
Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißelemente (12) plattenförmig ausgebildet sind.
Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißelemente (12) aus demjenigen Material herstellt sind, aus dem der Innenring gefertigt ist, oder aus einem weicheren Material.
Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verschleißelement (12) mit einem Haltesteg (8) oder mit einer Innenringseitenwand (11) lösbar verbunden ist.
Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verschleißelement (12) unter Einsatz einer Schraubverbindung an einem Haltesteg (8) oder an einer Innenringseitenwand (11) befestigt ist.
Leitschaufelkranz (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verschleißelement (12) zumindest einen angeschweißten Gewindebolzen (14) aufweist.
Leitschaufelkranz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißelemente (12) aufnehmende Vertiefungen (16) an Innenflächen von Haltestegen (8) und/oder an der Außenfläche zumindest einer Innenringseitenwand (11) vorgesehen sind.
Leitschaufelkranz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verschleißelemente (12) in zwischen Haltestegführungsvorsprüngen (13) und unmittelbar benachbart angeordneten Innenringseitenwänden (11) vorhandene Spalte eingesetzt sind, wobei die Haltestegführungsvorsprünge (13) jeweils radial einwärts vorstehen.