DE4017861A1 - Leitkranz fuer eine gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitkranz für eine Gasturbine mit einem Innen- oder Außenring mit über dem Umfang gleichmäßig beabstandet angebrachten Leitschaufeln, und einem separaten, die Leitschaufeln berührenden Außen- bzw. Innenring, wobei eine Spannvorrichtung vorge­ sehen ist zur Erzeugung einer Anpreßkraft zwischen Leitschaufeln und separatem Ring.

Ein gattungsgemäßer Leitkranz ist beispielsweise aus der DE-PS 37 38 439 bekannt geworden. Ein derartiger halbintegraler Leit­ kranz bei dem entweder der Außenring oder der Innenring separat angeordnet ist, wird in einer Gasturbine beispielsweise in der Hoch­ druckturbine eingesetzt. Aufgrund der dort vorkommenden hohen Tempe­ raturunterschiede dehnen sich die Leitkränze, was zu signifikanten Verschiebungen in radialer Richtung führt. Ferner treten Axialver­ schiebungen durch die unterschiedlichen Thermodehnungen zwischen Innen- und Außengehäuse auf, die für einen mit beiden Gehäusen in Verbindung stehenden Leitkranz zu Relativbewegungen oder Ver­ spannungen führen.

Ein integraler Leitkranz würde dabei erheblichen Thermospannungen ausgesetzt, weswegen die halbintegrale Bauweise in dieser Hinsicht zu bevorzugen ist. Problematisch bei einem halbintegralen Leit­ kranz sind die auftretenden Leckagen, die zwischen den freien Schau­ felenden und dem separaten Ring auftreten.

Die gattungsgemäße Druckschrift löst das Problem der Leckage dadurch, daß der separate Ring oder der Leitschaufelring axial verschiebbar angeordnet sind und über eine Spannvorrichtung gegeinander gedrückt werden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß relativ aufwendige Führungseinrichtungen für das axial bewegliche Teil vorzu­ sehen sind, wobei die hohen Temperaturen für die erforderliche genaue Führung problematisch sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gattungsgemäßen Leitkranz anzugeben, der zum einen die axialen Relativverschiebungen nicht behindert, und zum anderen Leckagen zwischen den freien Schau­ felenden und dem separaten Dichtring möglichst minimiert, und mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die axia­ len Relativverschiebungen zwischen Außen- und Innengehäuse bzw. den damit verbundenen Außen- und Innenring dadurch aufgenommen werden, daß die freien Schaufelspitzen auf den geschlitzten Ringen gleiten können. Diese mindestens zwei axial hintereinander angeordneten Ringe bilden dabei eine zylindrische Gleitfläche für die Schaufelspitzen, auf der diese ungehindert in axialer Richtung thermisch bedingte Verschiebungen durchführen können.

Unter axial geschlitzt wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß ein Ring ähnlich einem Kolbenring eines Hubkolbenmotors an einer Stelle unterbrochen ist, so daß gewisse Verformungen des Ringes unter Veränderung der Spaltweite möglich sind. Vorzugsweise beträgt der Spalt eines Ringes erfindungsgemäß im kalten Zustand etwa 1-5 mm, insbesondere 2-3 mm, wobei Größe und Form im Einzelfall von den Geo­ metrien, Werkstoffen und Temperaturen abhängt.

Die Geschlitzten Ringe sind derart angeordnet, daß die Axialspalte der Ringe gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt liegen. Es ent­ stehen vorteilhafterweise nur noch Geringe Leckagen zwischen dem Spalt und der oder den in diesem Bereich liegenden Schaufelspitzen. Spaltströmungen von der Druck- zur Saugseite durch einen derartigen Spalt können vermieden werden, wenn der Spalt nicht axial ausgerichtet ist, sondern etwa parallel zur Strömungsrichtung, d. h. unter einem Winkel zur Achsrichtung ausgerichtet ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist gleichermaßen für einen separaten Außenring, wie für einen separaten Innenring anwendbar.

Vorzugsweise sind drei oder vier separate Ringe hintereinander ange­ ordnet. Dies hat den Vorteil, daß die Spalte in Axialrichtung unter­ brochen sind, und die möglicherweise ungleichmäßige Anpreßkraft der einzelnen Ringe auf mehrere Schaufeln aufgeteilt wird.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eignet sich insbesondere für kera­ mische Bauteile, d. h., daß der halbintegrale Leitkranz aus keramischen Werkstoffen gefertigt ist. Keramiken bieten gegenüber metallischen Werkstoffen vielfältige Vorteile wie geringerer Verschleiß infolge hoher Härte und hoher chemischer Beständigkeit, großer Formtreue in einem weiten Temperaturbereich, und beliebiger Verfügbarkeit der Rohstoffe. Vorzugsweise ist der Leitkranz aus gesintertem Sili­ ziumcarbid (SSiC) gefertigt, da es seine Biegefestigkeit bis etwa 1850 K beibehält, und durch geringe Wärmedehnung, hohe Wärmeleit­ fähigkeit und hohe Thermoschockempfindlichkeit auszeichnet. Der Leitkranz bzw. die Leitschaufeln können aber auch aus Metall be­ stehen, wobei Verschleißschutzschichten an den mit den geschlitzten Ringen reibenden Schaufelspitzen vorgesehen werden sollten. Die Leitschaufeln können massiv oder als Hohlschaufeln ausgebildet sein.

Die geschlitzten Ringe werden vorzugsweise aus ZrO₂ gefertigt, da dieser Werkstoff sich zum einen durch eine geringe Wärmeleitung und zum anderen durch einen geringen E-Modul auszeichnet, wodurch die Federwege länger werden als beispielsweise bei Verwendung von SiC.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Ringe auf einem ebenfalls in Axialrichtung geschlitzten Stützring angeordnet, an dem sich die Spannvorrichtung abstützt. Dadurch ist eine definierte Lage der benachbarten Ringe einhaltbar, und Leckagen zwischen den Ringen und dem Gehäuse lassen sich minimieren.

Die Spannvorrichtung wirkt vorzugsweise in radialer Richtung, um auf diese Weise die geschlitzten Ringe gegen die freien Schaufelspitzen zu drücken. Dabei ist insbesondere die Spannvorrichtung als in Um­ fangsrichtung gewellter Federring ausgebildet. Diese Ausbildung ist konstruktiv besonders einfach. Alternativ sind aber auch andere aus­ führungen denkbar, wie Einzelblattfedern oder ein innenseitig mit Druck, beaufschlagter metallischer, dünnwandiger Ring. Bei Ausbildung als Federring ist dieser vorzugsweise zwischen einem Strömungskanal­ gehäuse und dem Stützring angeordnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung für einen kera­ mischen Leitkranz sieht vor, daß zwischen Außenring und Außengehäuse ein weiteres Federelement vorgesehen ist. Dies ist insbesondere als metallisches Drahtgeflecht ausgebildet. Hierdurch wird der Außenring mit den angeformten Leitschaufeln zentriert, und die aus Radialver­ schiebungen zwischen Außenring und Gehäuse entstehenden Kräfte werden stetig über den gesamten Umfang verteilt, wodurch das aus den Gas­ kräften resultierende Umfangsmoment des Außenrings elastisch abge­ stützt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Leitkranz,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Leitkranzes in axialer Rich­ tung,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit metallischen Ringen,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit separatem Außenring, und

Fig. 5 eine Teilansicht eines Innenringes aus radialer Richtung.

In Fig. 1 ist ein keramischer Leitkranz 1 einer nicht näher gezeigten Gasturbine dargestellt, der im wesentlichen aus einem Außenring 2a mit daran angeformten, über dem Umfang verteilten Leitschaufeln 3, und einem separaten Innenring 4a besteht. Der Leitkranz 1 ist in einem ringförmigen Strömungskanal 5 stromauf einer Turbinenstufe 6 angeordnet.

Der Außenring 2a ist an einem Außengehäuse 7 angebracht, wobei an diesem ein Umfangssteg 8 angeformt ist, der zwischen dem Außengehäuse 7 und einem mit diesem über Nieten 9 verbundenen Tragring 10 fixiert ist. In radialer Richtung wird der Außenring 2a über einen segmen­ tierten, keramischen Isolierring 11 und ein zwischen Isolierring 11 und Tragring 10 angeordnetes Drehtgeflecht 12 gehalten, daß an beiden Elementen angelötet ist. Um die von den Leitschaufeln 3 auf den Außenring 2a wirkenden Umfangsmomente auf den Isolierring 11 zu über­ tragen, sind nicht dargestellte Nocken im Isolierring 11 und im Trag­ ring 2a vorgesehen, oder ein paßfederartiges Glied kann in ent­ sprechende Axialnuten beider Glieder eingepaßt sein. Der Isolierring 11 ist segmentiert, um eine elastische Stützung des Außenringes 2a zu ermöglichen. Weitere Gehäuseelemente 13a und 13b und ein Dichtring 14 sind stromab des Tragringes 10 angeordnet.

Der separat angeordnete Innenring 4a gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung besteht aus drei axial hintereinander angeordneten kera­ mischen, in Axialrichtung geschlitzten Ringen 15a, 15b und 15c. Diese stützen sich auf einem Stützring 16 ab, der zwischen zwei Umfangsfüh­ rungsflanschen 17a und 17b eingepaßt ist. Der Stützring 16 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, wobei eine keramische Iso­ lierbeschichtung 18 auf dessen Außenumfang zweckmäßig ist. Der Stütz­ ring 16 ist zur Ermöglichung radialer Bewegungen ebenfalls axial geschlitzt.

Eine Spannvorrichtung 19 befindet sich zwischen dem Stützring 16 und einem Innengehäuse 20, um eine nach radial außen wirkende Spannkraft auf den Stützring 16 aufzubringen, so daß die geschlitzten Ringe 15a und 15c gegen die Schaufelspitzen 21 der Leitschaufeln 3 gedrückt werden, und so eine leckagearme Verbindung zwischen den Leitschaufeln 3 und dem separaten Innenring 4a möglich wird. Die Spannvorrichtung 19 ist im vorliegenden Fall als gewellter Federring ausgebildet. Über eine Bohrung 25 wird der Spannvorrichtung 19 Kühlluft, z. B. aus dem Verdichter zugeführt, um die metallischen Federteile, insbesondere also den Federring auf niedriger Temperatur zu halten und so deren Elastizität zu gewährleisten.

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Leitkranz 1 in einer axialen An­ sicht dargestellt, wobei der Außenring 2a, die Leitschaufeln 3 und der separate Innenring 4a zu sehen ist. Von diesem Innenring 4a ist der vorderste der in axialer Richtung geschlitzten Ringe 15a mit seinem Axialschlitz 22 zu sehen. Zur Minimierung der Leckverluste sind die Axialschlitze der anderen geschlitzten Ringe 15b und 15c (Fig. 1) gegenüber dem Axialschlitz 22 in Umfangsrichtung versetzt. Der Ring 15a sitzt auf dem Stützring 16, der ebenfalls einen Axial­ schlitz 23 aufweist.

In dieser Ansicht ist der Aufbau der als Federring ausgebildeten Spannvorrichtung 19 gut zu erkennen, die in Umfangsrichtung gewellt zwischen Stützring 16 und Innengehäuse 20 verläuft.

In Fig. 3 und 4 sind zwei schematisch dargestellte Ausführungsformen der Erfindung zu sehen. Die Ausführung gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen der bereits in Fig. 1 erläuterten Ausführung. Als ein­ ziger wesentlicher Unterschied ist der separate Innenring 4b aus nur zwei axial hintereinander angeordneten geschlitzten Ringen 15d und 15e aufgebaut, die ferner aus metallischem Werkstoff gefertigt sind.

Der in Fig. 4 gezeigte Leitkranz weist im Unterschied zu den bisher dargestellten Ausführungen einen separaten Außenring 2b auf, während die Leitschaufeln 3 am Innenring 4c angeformt sind. Der Innenring 4c ist wiederum am Innengehäuse 22 angebracht, was in dieser Darstellung nur schematisch dargestellt ist. Es kann auch bei dieser Ausführung eine elastische Ausbildung ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Drahtge­ flecht 12 zur Anwendung kommen.

Der separate Außenring 2b besteht aus vier axial hintereinander ange­ ordneten Ringen 23a, b, c, d, die alle auf dem Stützring 24 ange­ ordnet sind. In diesem Fall wirkt die Spannvorrichtung 19 zwischen Stützring 24 und Außengehäuse 7.

Die in den Figuren gezeigten separaten Innen- und Außenringe 2a, b und 4a, b, c sind zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung. Genau­ so sind andere Kombinationen und Werkstoffe wählbar. Z. B. ist es ebenso denkbar, den separaten Außenring 2b gemäß Fig. 4 mit lediglich zwei geschlitzten Ringen 23a und 23b auszubilden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

In Fig. 5 ist der separate Innenring 4a der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung aus radial äußerer Richtung ausschnittsweise dargestellt.

Zu erkennen sind eine Anzahl Leitschaufeln 3, die auf dem aus drei geschlitzten Ringen 15a, 15b und 15c bestehenden Innenring 4a auf­ sitzen. Es sind zu Demonstrationszwecken zum einen alle Axialschlitze 22a, 22b und 22c in den gezeigten Bereich gedreht worden, während diese Schlitze tatsächlich vorzugsweise gleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordnet sind. Und zum zweiten sind drei verschiedene Ausführungsformen des Axialschlitzes 22 dargestellt, die alle vom Erfindungsgegenstand mit umfaßt sind. In der Praxis wird man zweck­ mäßigerweise aus Vereinfachungsgründen für alle drei Ringe 15a, 15b und 15c die gleiche Schlitzform wählen.

Der Axialschlitz 22a des Ringes 15a verläuft genau in Axialrichtung. Der Axialschlitz 22b des zweiten Ringes 15b ist in einem Winkel zur Axialrichtung ausgerichtet, wobei zweckmäßigerweise zur Minimierung von Strömungsverlusten ein Winkel gewählt wird, der etwa der Ström­ ungsrichtung des Gases in diesem Abschnitt entspricht. Die beim drit­ ten Ring 15c gezeigte Schlitzform 22c weist einen Absatz 24 auf.

Es ist vorteilhaft, insbesondere den Axialschlitz 22b des mittleren Ringes 15b so auszubilden und anzuordnen, daß dieser vollständig von einer Leitschaufel 3 abgedeckt ist, um Strömungsverluste und Leckage zu verhindern. Allerdings ist dies auch auf die anderen Schlitze 22a und 22c anwendbar.

Claims (12)

1. Leitkranz für eine Gasturbine mit einem Außenring mit über dem Umfang gleichmäßig beabstandet angebrachten Leitschaufeln, und einem separaten, die Leitschaufeln berührenden Innenring, wobei eine Spannvorrichtung vorgesehen ist zur Erzeugung einer An­ preßkraft zwischen Leitschaufeln und Innenring, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Innenring (4a) aus mindestens zwei axial hintereinander angeordneten, etwa axial geschlitzten Ringen (15a, b, c) besteht.

2. Leitkranz für eine Gasturbine mit einem Innenring mit über dem Umfang gleichmäßig beabstandet angebrachten Leitschaufeln, und einem separaten, die Leitschaufeln berührenden Außenring, wobei eine Spannvorrichtung vorgesehen ist zur Erzeugung einer An­ preßkraft zwischen Leitschaufeln und Außenring, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Außenring (2b) aus mindestens zwei axial hintereinander angeordneten, etwa axial geschlitzten Ringen (23a, b, c, d) besteht.

3. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder vier geschlitzte Ringe (15, 23) vorgesehen sind.

4. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (15, 23) aus Keramik bestehen.

5. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (3) aus Keramik bestehen.

6. Leitkranz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (15, 23) auf einem ebenfalls in Axialrichtung geschlitzten Stützring (16, 24) angeordnet sind, an dem sich die Spannvorrich­ tung (19) abstützt.

7. Leitkranz nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (19) in radialer Richtung wirkt.

8. Leitkranz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann­ vorrichtung (19) als in Umfangsrichtung gewellter Federring ausge­ bildet ist,

9. Leitkranz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feder­ ring (19) zwischen einem Strömungskanalgehäuse (7, 20) und dem Stützring (16, 24) angeordnet ist.

10. Leitkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenring (2a) und Außengehäuse (7) ein weiteres Federelement (12) vorgesehen ist.

11. Leitkranz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Federelement (12) als metallisches Drahtgeflecht ausgebildet ist.

12. Leitkranz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Federelement (12) mit Kühlluft beaufschlag­ bar ist.