DE3830762A1 - Einrichtung zur halterung eines mantelringes in gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zentrischen Halterung eines Mantelringes, der einen Gasturbinenrotor unter Ausbildung eines radialen Dichtspalts in einem Turbinengehäuse umgibt.

Derartige Einrichtungen sind bekannt und gleichen die durch unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten von Rotor und Stator verursachten geometrischen Änderungen aus und tragen dazu bei, den radialen Dichtspalt unter allen Be­ triebsbedingungen gleichmäßig offen zu halten. Dazu werden zwischen Rotor und Stator Mantelringe, beispielsweise über Distanzhalter oder Bimetalldistanzhalter, die sich am Gehäuse und am Mantelring gelenkig abstützen, zentrisch aufgehängt. Bei keramischen Mantelringen sind Gelenke nicht ohne hohen Aufwand realisierbar. Andere Lösungen sehen zwischen metallischem Gehäuse und keramischem Mantelring als Zwischenlage metallische Bürstendichtungen oder Metallfilzeinlagen oder Metallgeflechte vor. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die federnde Wirkung dieser Zwischenlagen über längere Betriebszeiten nach­ läßt und der Mantelring in Rotation versetzt wird und in Folge die Zwischenlage und die Rotorbeschaufelung zerstört.

Aufgabe der Erfindung ist es eine gattungsgemäße Halterung anzugeben, die einen Mantelring gegenüber dem metallischen Gehäuse so abstützt, daß ein radialer Dicht­ spalt für alle Betriebszustände und lange Betriebszeiten gewährleistet wird, ohne daß Materialermüdungen den Betrieb gefährden oder konstruktiv aufwendige Mechaniken vorzusehen sind.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen Turbinen­ gehäuse und Mantelring in Radialrichtung spannende mit Druckluft beaufschlagte Balgen über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen zentrischen Halterung liegt darin, daß die spannende Wirkung derartiger Balgen nicht durch Federwirkung erreicht wird, sondern durch eine Druck­ luftbeaufschlagung. Dazu müssen die Balgen mit Druckluft aus einer vorgeschalteten Verdichterstufe oder einer anderen statorseitigen Druckluftquelle versorgt werden und als allseitig geschlossene Bauelemente ausgebildet sein. Vorzugsweise wird die Druckluft der Hochdruckverdichterstufe entnommen, da dieser Druck in allen Betriebszuständen größer als der statische Druck auf der Hochdruckseite der ersten Turbinenstufe und damit auch höher als der Um­ gebungsdruck im Bereich der Balgen ist.

Vorzugsweise werden diese Balgen für die Halterung von sinter­ keramischen geschlossenen Mantelringen eingesetzt, da diese Mantelringe hohe Druckbelastungen aufnehmen können. Für die Balgen haben sich metallische Werkstoffe bewährt. Vorzugs­ weise wird ein Chrom-Nickel-Stahl eingesetzt, da aus diesem Material dünnwandige und gewichtssparende Balgen herstell­ bar sind. Zur Wärmedämmung zwischen Balgen und Mantelring wird der radial äußere Umfang des Mantelringes oder der Balgenboden oder beide mit einer Wärmeisolationsschicht versehen.

Um den Mantelring zentrisch zu positionieren sind mindestens drei Balgen auf dem Umfang zu verteilen. Vorzugsweise sind diese ringsegmentförmig ausgebildet, damit sie einen minimalen Raum zwischen Gehäuse und Mantelring beanspruchen.

Flachzylindrische Balgen können in hoher Stückzahl kosten­ günstig gefertigt und der Turbinengehäusekrümmung angepaßt werden, so daß diese Ausführungsform bei hohen Stückzahlen zu bevorzugen ist.

Der Mantelring wird durch die Druckbeaufschlagung der Balgen kraftschlüssig in Umfangsrichtung gehalten und ist damit gegen Verdrehung oder Rotationsbewegungen gesichert.

In axialer Richtung sind vorzugsweise Einrichtungen vorzu­ sehen, die den Mantelring formschlüssig über die Balgen im Turbinengehäuse fixieren. Dazu ist beispielsweise der metallische Boden der Balgen in radialer Richtung aus- oder eingewölbt und bildet mit dem Mantelring einen Paß­ sitz im Bereich der Aus- bzw. Einwölbung.

Die Druckluftzuführung für alle Balgen eines Mantelringes erfolgt vorzugsweise über Druckluftöffnungen in den Balgen und einem ringförmigen Druckluftkanal, der die Balgen um­ mantelt und mit den Druckluftöffnungen verbunden ist. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß sie als integrales Bauteil gefertigt werden kann und unter leichtem Feder­ druck der Balgen auf den Mantelring positionierbar wird.

Keramische Mantelringe werden besonders in Turbinen mit hoher Turbineneintrittstemperatur (1000 bis 1300°C) ein­ gesetzt, deshalb ist es vorteilhaft, die metallische Halterung in Form von Balgen zu kühlen. Ein ständiger Kühlgasstrom kann vorzugsweise über die Druckluftöffnungen des ringförmigen Druckluftkanals zugeführt und über separate Auslaßöffnungen in den Balgen abgeführt werden, wobei vorteilhaft die Auslaßöffnungen zur Hochdruckseite des Turbinenrotors gerichtet sind um in diesem Hochtempe­ raturbereich eine intensive Kühlung der Balgen zu erzielen.

Die unter Druck ausströmende Kühlluft kann zur thermischen Anpassung der Rotorscheibe oder zur Spaltabdichtung genutzt werden, dazu ist vorzugsweise der geschlossene mit den Balgen ein integrales Bauteil bildende Druckluftkanal auf der Niederdruckseite einer Turbinenstufe anzuordnen und ein Auslaßkanal hochdruckseitig anzubringen.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß Druckluftkanal, Balgen und Auslaßkanal ein inte­ grales montagefreundliches Bauteil bilden.

Die Luftkühlung der Balgen soll eine hochtemperaturfeste Halterung des heißen Mantelringes gewährleisten. Eine weitere bevorzugte Maßnahme besteht darin, zwischen Mantelring und Balgen einen segmentierten Isolierring mit geringer Wärmeleitfähigkeit als der Mantelring anzuordnen.

Die axiale Positionierung kann vorzugsweise einerseits durch Ineinandergreifen von radialen Führungsnuten zwischen Mantelring und Isolierung gesichert werden und andererseits können am radial äußeren Umfang des Isolierrings Einrichtungen zur formschlüssigen Verbindung mit den radial äußeren Balgen vorgesehen werden. Diese Verbindung kann beispielsweise über Aus- oder Einwölbungen der Balgenböden bei gleich­ zeitiger Ausbildung von entsprechenden Paßflächen auf dem äußeren Umfang des Isolierrings geschaffen werden.

Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbei­ spiele erläutert.

Fig. 1 zeigt die Einbaulage eines Mantel­ ringes mit erfindungsgemäßer Halterung in einer Heißgasturbine,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Balg mit angeschweißtem Druckluft­ kanal und angepaßtem Isolier- und Mantelring,

Fig. 3 zeigt das Endstück eines Balgenring­ segmentes im Längsschnitt und in Aufsicht.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines inte­ gralen Bauteils aus Balg, Druckluft­ kanal und Auslaßkanal,

Fig. 5 zeigt ein Kreissegment mit mehreren flachzylindrischen an die Gehäuse­ krümmung angepaßten Balgen.

Fig. 1 zeigt die Einbaulage eines Mantelringes 1 mit er­ findungsgemäßer Halterung 2 in einer Heißgasturbine im axialen Querschnitt. Der Mantelring 1 ummantelt einen Rotor 3 und wird von Druckluft beaufschlagten Balgen 4 zentrisch zur Rotor­ achse 5 in einem Turbinengehäuse 6 gehalten. Vor Überhitzung durch einen Heißgasstrom 7 (siehe Pfeile) in einem Strömungs­ kanal 9 werden die metallischen Balgen 4 durch einen Isolier­ ring 8 geschützt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Balg 4 mit einem angeschweißten Druckluftkanal 10 und angepaßtem Isolier- 8 und Mantelring 1. Die Druckluft, die aus einem Hochdruck­ verdichter über den Verbindungsflansch 11 dem ring­ förmigen segmentierten Druckluftluftkanal 10, der die Balgen 4 ummantelt, zugeführt wird, gelangt über die Druck­ luftöffnung 12 in den Balg 4. Dadurch wird der Isolierung 8 gegenüber dem Turbinengehäuse 6 verspannt. Der Isolierring 8 ist vorzugsweise segmentiert und positioniert den Mantelring 1 uber eine radiale Führungsnut 13 am Mantelring 1 in axialer Richtung. Durch die hohe Wärmedämmung des Isolierrings 8 wird verhindert, daß der dünnwandige Balg 4 durch das Heißgas im Strömungskanal überhitzt wird. Der Druckluftkanal 10 bildet mit dem Balg 4 ein integrales Bauteil. Der Balg 4 positioniert über eine Auswölbung im Balgboden 15 den Isolierring 8 in axialer Richtung. Im Isolierring 8 ist dazu eine ent­ sprechende Paßfläche ausgearbeitet. Ein Verdrehen des Mantel­ ringes 1 gegenüber dem Isolierring 8 und dem Balg 4 sowie dem Turbinengehäuse 6 wird durch ein kraftschlüssiges Ver­ spannen der Balgen 4 mittels der Druckluftbeaufschlagung verhindert.

Fig. 3 zeigt das Endstück 17 eines Balgenringsegmentes 16 in Längsschnitt und Aufsicht. Für eine einwandfreie spannende Funktion der Balgen 4 ist es erforderlich, daß sie sich der Turbinengehäusekrümmung 18 anpassen und in ihrem Endbereich ein Endstück 17 bilden, das die gleiche Elastizität besitzt, wie das übrige Balgenringsegment 16.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines integralen Bauteils aus einem Balgenringsegment 16, einem Druckluftkanal 10 und einem Auslaßkanal 19. Die Druckluft strömt über den Verbindungs­ flansch 11 in den ringförmigen Druckluftkanal 10 und ge­ langt über die Druckluftöffnungen 12 des Balgringsegmentes 16 auf der Niederdruckseite der Turbine in den Balg 4. Sie kühlt den Balg 4 und strömt über die Auslaßöffnungen 20 auf der Hochdruckseite der Turbinenstufe aus. Im Auslaßkanal 19 wird sie gesammelt und über den Flansch 21 einem weiteren Verbraucher zugeführt.

Fig. 5 zeigt ein Kreissegment mit mehreren flachzylindrischen an die Turbinengehäusekrümmung 18 angepaßten Balgen 4. Die Balgen 4 bilden mit einem segmentierten Druckluftkanal 10 ein integrales Bauteil und verspannen das Turbinengehäuse 6 mit dem Mantelring 1 aus Keramik. Zwischen Mantelring 1 und Balgen 4 sind drei Isolierringsegmente 22 positioniert, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen als der keramische Mantelring 1. Diese Anordnung ist ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, da sich eine derartige Halterung 2 für eine Massenfertigung besonders eignet.

Claims (18)

1. Einrichtung zur zentrischen Halterung eines Mantel­ ringes, der einen Gasturbinenrotor unter Ausbildung eines radialen Dichtspalts in einem Turbinengehäuse umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Turbinen­ gehäuse (6) und Mantelring (1) in Radialrichtung spannende mit Druckluft beaufschlagte Balgen (4) über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelring (1) aus einem sinterkeramischen Werk­ stoff besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mantelring (1) auf seinem radial äußeren Umfang eine wärmedämmende Schicht trägt.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) aus Metall, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stahl bestehen.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Balgenboden eine wärmedämmende Schicht aufweist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) ringsegmentförmig ausgebildet sind.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) flachzylindrisch ausgebildet und an die Turbinenge­ häusekrümmung (18) angepaßt sind.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) kraftschlüssig den Mantelring (1) im Turbinen­ gehäuse (6) positionieren.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) Einrichtungen aufweisen, die formschlüssig den Mantel­ ring (1) in axialer Richtung fixieren.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) über Druckluftöffnungen (12) mit einem ringförmigen Druckluftkanal (10) verbunden sind.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Druckluftkanal (10) und Balgen (4) ein integrales Bauteil bilden.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluft­ kanal (10) die Balgen (4) ummantelt.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Balgen (4) Auslaßöffnungen (20) für Druckluft aufweisen, die mit einem ringförmigen Auslaßkanal (19) verbunden sind.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluft­ kanal (10) axial auf der Niederdruckseite einer Turbinenstufe und der Auslaßkanal (19) auf der Hoch­ druckseite der Turbinenstufe angeordnet ist.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Druckluftkanal (10), Balgen (4) und Auslaßkanal (19) ein integrales Bauteil bilden.

16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mantel­ ring (1) und Balgen (4) ein segmentierter Isolierring (8) angeordnet ist, der eine niedrigere Wärmeleit­ fähigkeit besitzt als der Mantelring (1).

17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mantelring (1) und Isolierring (8) ineinandergreifende radiale Führungs­ nuten (13) zur axialen Positionierung aufweisen.

18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im radial äußeren Umfang des Isolierrings (8) Einrichtungen zur formschlüssigen Verbindung mit den Balgen (4) vorgesehen sind.