DE69812165T2

DE69812165T2 - Trägerelement für einen turbinenleitapparat

Info

Publication number: DE69812165T2
Application number: DE69812165T
Authority: DE
Inventors: Guy Bouchard; Francois Dorais
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: EP1040256B1; CA2312949C; US5961278A; EP1040256A1; DE69812165D1; RU2214514C2; JP2002508468A; CA2312949A1; WO1999031357A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet

Die Erfindung ist auf eine Abstützstruktur für Stator-Leitschaufelsegmente gerichtet, die in einer Gasturbinenmaschine verwendet werden. Die Maschine ist auch auf eine verbesserte Statoranordnung in einer Gasturbinenmaschine gerichtet, wobei die Anordnung die Abstützstruktur beinhaltet. Die Erfindung ist insbesondere gerichtet auf eine verbesserte Statoranordnung in einer Gasturbinenmaschine, die an ihrem radial äußeren Ende befestigt ist und die die Abstützstruktur beinhaltet.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Zweite Statoranordnungen in Gasturbinenmaschinen haben üblicherweise das radial innere Ende der Anordnung schwimmend auf einer Dichtungsanordnung an der rotierenden Welle der Maschine. Das radial äußere Ende der Anordnung muss an dem äußeren Maschinengehäuse befestigt sein. Das wird üblicherweise mittels einer ringförmigen Abstützstruktur bewirkt. Beim Befestigen des äußeren Endes der zweiten Statoranordnung an dem äußeren Maschinengehäuse kann jedoch die thermische Ausdehnung der Stator-Leitschaufelsegmente eine Verformung der Abstützstruktur bewirken, was wiederum eine Verformung in dem äußeren Maschinengehäuse bewirken kann. Eine Verformung des äußeren Maschinengehäuses kann das Spiel an den Laufschaufelspitzen der Laufschaufeln in benachbarten Rotoranordnungen in der Maschine ändern, was den Wirkungsgrad der Maschine verschlechtern kann.
Man könnte die Verformung durch ein adäquates Kühlen der Stator-Leitschaufelsegmente verringern. Es ist jedoch schwierig, die Leitschaufelsegmente effizient zu kühlen, wenn sie an ihren äußeren Enden befestigt sind.
GB 1 052 324 beschreibt ein rohrförmiges Stator-Laufschaufelbefestigungselement, welches zwei axial beabstandete Endbereiche aufweist, die mittels flexibler Balken verbunden sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Abstützstruktur zur Verwendung beim Befestigen des äußeren Endes der Statoranordnung an dem äußeren Maschinengehäuse bereitzustellen, wobei die Abstützstruktur die Verformung des äußeren Maschinengehäuses in Folge von Wärmeausdehnung der Stator-Leitschaufelsegmente minimiert.
Es ist ein weiterer Zweck mindestens der bevorzugten Ausführungsform, eine Abstützstruktur bereitzustellen, die ein effizienteres Kühlen der Stator-Leitschaufelsegmente, insbesondere der äußeren Leitschaufelplattform, liefert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zylinderförmige Abstützstruktur gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Statoranordnung gemäß Anspruch 4 bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die verbesserte Abstützstruktur in der Form eines leichten Zylinders gebildet, in dem die Leitschaufelsegmente derart angebracht sind, dass sie einen Ring bilden. Der Zylinder ist mit zwei äußeren Ringen aufgebaut zwischen denen die Leitschaufelsegmente angebracht sind, und mit einem zentralen Ring, der verwendet wird, um den Zylinder radial relativ zu dem äußeren Maschinengehäuse zu positionieren. Die Ringe sind verbunden, um die zylindrisch geformte Struktur mittels dünner umfangsmäßig beabstandeter Speichen zu bilden, welche sich zwischen jedem äußeren Ring und dem zentralen Ring erstrecken. Die Speichen sind dünn genug, um sich zu biegen oder zu verformen, wenn die Stator-Leitschaufelsegmente sich thermisch ausdehnen und die äußeren Befestigungsringe auseinander dehnen oder verformen, um die Verformung, die von den äußeren Befestigungsringen auf den zentralen Ring und somit auf das Maschinengehäuse übertragen werden, zu dämpfen. Somit wird weniger Verformung auf das Gehäuse übermittelt und eine bessere Kontrolle des Spiels der Rotor-Laufschaufelspitzen ist beibehalten. Die Verwendung der dünnen Speichen zum miteinander Verbinden der Ringe der Abstützstruktur erlaubt große Öffnungen in der zylinderförmigen Struktur, um die Aufprallströmung der Kühlluft auf die äußeren Plattformen der Leitschaufelsegmente zuzulassen und somit zusätzlich eine Verformung zu verringern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachdem so generell die Eigenschaft der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, und in denen gilt:
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht durch den Stator einer Gasturbinenmaschine;
Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht der Abstützstruktur der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Detaildraufsicht eines Abschnitts der Abstützstruktur; und
Fig. 4 ist eine Detailschnittansicht der Abstützstruktur des äußeren Gehäuses.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Gasturbinenmaschine 1, wie in Fig. 1 gezeigt, hat axial beabstandete Rotorstufen 3, 5, zwischen denen eine Statorstufe 7 angebracht ist. Die Statorstufe 7 weist eine Mehrzahl von Stator-Leitschaufelsegmenten 9 auf, die in aneinander angrenzender Relation angebracht sind, um einen kreisförmigen Ring zu bilden. Jedes Leitschaufelsegment 9 hat eine oder mehrere Statorleitschaufeln 11, die sich zwischen einer äußeren Leitschaufelplattform 13 und einer inneren Leitschaufelplattform 15 erstrecken. Die Seitenränder der äußeren Leitschaufelplattformen 13 grenzen aneinander an, ebenso wie die Seitenränder der inneren Leitschaufelplattformen 15, wenn sie den Ring bilden. Die inneren Leitschaufelplattformen 15 sind zwischen inneren Maschinengehäusen 17, 19 angebracht, um sie axial und radial zu positionieren.
Eine generell zylinderförmige Abstützstruktur 25 ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, vorgesehen, in der der Ring der Leitschaufelsegmente 9 angebracht ist. Die zylinderförmige Abstützstruktur 25 hat drei axial beabstandete Ringabschnitte 27, 29, 31. Die Ringabschnitte 27, 29, 31 sind relativ dick in Radialrichtung. Relativ dünne zylinderförmige Stege oder Speichen 33, 35 verbinden die äußeren Ringabschnitte 27, 29 mit dem zentralen Ringabschnitt 31.
Die äußeren Ringabschnitte 27, 29 der Abstützstruktur haben jeweils einen nach innen gerichteten radialen Flansch 39, 41, zwischen dem die äußeren Leitschaufelplattformen 13 der Leitschaufelsegmente 9 angebracht sind, um sie axial und radial zu positionieren. Der zentrale Ringabschnitt 31 der Abstützstruktur 25 ist an dem äußeren Maschinengehäuse 43 der Turbinenmaschine angelagert, um die Abstützstruktur relativ zu dem Gehäuse radial zu positionieren.
Die Leitschaufelsegmente 9 können eine radiale thermische Fehlanpassung in der Abstützstruktur 25 bewirken, wenn sich die Leitschaufelsegmente 9 thermisch ausdehnen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abstützstruktur 25 so konstruiert, dass sie sämtliche Wärmeverformungen, welche durch die Abstützstruktur zwischen den äußeren Ringabschnitten 27, 29 und dem zentralen Ringabschnitt 31 durch die Wärmeverformung der Leitschaufelsegmente 9 übertragen werden, abzuschwächen. Insbesondere sind die Stege oder Speichen 33, 35 so ausgebildet, dass sie die Wärmeverformungen abschwächen. Die Speichen 33, 35 schwächen die Wärmeverformungen ab, indem sie große Ausschnitte 47 darin haben, die umfangsmäßig angeordnet sind, um dünne, schmale Speichen 49 zwischen den Ringabschnitten 27, 31 und den Ringabschnitten 29, 31 zu definieren. Die Anzahl, Größe und Position und die Gestalt der Ausschnitte 47 ist derart, dass die Stege 33, 35 eine maximale Abschwächung der Wärmeverformung der Abstützstruktur 25 liefern. Die Ausschnitte 47 sind auch so geformt, dass sie den Kühlluftströmungsspielraum maximieren und Kühlluft direkt auf die äußeren Leitschaufelplattformen 13 der Leitschaufelsegmente 9 von dem Maschinengehäuse 43 mit minimalem Druckabfall aufprallen lassen. Die Ausschnitte 47 sind vorzugsweise so geformt, dass sie mit Winkel angeordnete Speichen 49 schaffen, wobei diese relativ zu der Längsachse der Abstützstruktur mit einem Winkel angeordnet sind, um so Turbulenzen in der Strömung der Kühlluft zu minimieren.
Die Abstützstruktur 25 kann einstückig hergestellt sein, oder sie kann aus zylinderförmigen Segmenten gebildet sein, die miteinander mit geeigneten Mitteln verbunden sind. Die Abstützstruktur 25 ist leicht. Die Abstützstruktur 25 stellt auch eine gute axiale und radiale Abdichtung in dem Maschinengehäuse 43 relativ zur Fluidströmung durch den Stator und über die Fläche des Stators sicher. Das Spiel zwischen den Stator-Leitschaufelsegmenten 9 bei Raumtemperatur ist derart eingestellt, dass bei stabilen (steady state) Maschinenbetriebsbedingungen eine Abdichtung zwischen den Segmenten 9, den inneren Maschinengehäusen 17, 19 und den Segmenten 9 und der Abstützstruktur 25 und den Segmenten 9 erreicht und beibehalten wird.
Eine Verriegelungseinrichtung kann vorgesehen sein, um ein Rotieren der Abstützstruktur 25 relativ zu dem äußeren Maschinengehäuse 43 zu verhindern. Die Verriegelungseinrichtung kann eine Anzahl von Schlitzen 61, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, aufweisen, die in einem der Stege 33, 35 gebildet sind, wobei die Schlitze 61 umfangsmäßig beabstandet sind. Vorsprünge 63 sind an der inneren Oberfläche des äußeren Maschinengehäuses 43 vorgesehen, wobei ein Vorsprung 63 für jeden Schlitz vorgesehen ist. Die Vorsprünge 63 passen in die Schlitze 61, wie in der Fig. 4 gezeigt, um eine Rotation der Abstützstruktur 25 relativ zu dem Gehäuse 43 zu verhindern.

Claims

1. Zylinderförmige Abstützstruktur (25) zur Verwendung in einer Statoranordnung in einer Gasturbinenmaschine mit einem Maschinengehäuse (43), wobei die Abstützstruktur (25) zwei äußere Ringabschnitte (27, 28) aufweist, zwischen denen einsatzmäßig Leitschaufelsegmente der Statoranordnung angebracht sind, um einen Ring in der Abstützstruktur (25) zu bilden;

dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Ringabschnitt (31) axial zwischen den zwei äußeren Ringabschnitten (27, 29) vorgesehen ist, wobei einsatzmäßig der zentrale Ringabschnitt (31) gegen das Maschinengehäuse (43) angelagert ist und die äußeren Ringabschnitte (27, 29) die Leitschaufelsegmente (9) abstützen; und dass sich Speichen (49) zwischen den äußeren Ringabschnitten (27, 29) und dem zentralen Ringabschnitt (31) erstrecken und dazwischen angeschlossen sind, wobei die äußeren Ringaschnitte (27, 29) bzw. der zentrale Ringabschnitt (31) die Leitschaufeln (9) abstützen und die Abstützstruktur (25) radial in der Maschine positionieren, wobei die Speichen (49) gebildet sind, um Wärmeverformungen, die einsatzmäßig zwischen den äußeren Ringabschnitten (27, 29) und dem zentralen Ringabschnitt (31) übertragen werden, abzuschwächen.

2. Abstützstruktur nach Anspruch 1, wobei die Speichen (49) schmale dünne Speichen (49) sind, welche die Ringabschnitte (27, 29) mit dem zentralen Ringabschnitt (31) verbinden.

3. Abstützstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Speichen (49) relativ zur Achse der Abstützstruktur (25) mit einem Winkel angeordnet sind.

4. Abstützstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Speichen (49) aus Stegen (33, 35) gebildet sind, welche sich zwischen den Ringabschnitten (27, 29 und 31) erstrecken, und Ausschnitte (47) in jedem Steg (33, 35) gebildet und umfangsmäßig beabstandet sind, wobei die Ausschnitte (47) schmale dünne Speichen (49) zwischen sich definieren.

5. Statoranordnung in einer Gasturbinenmaschine (1) mit einem Maschinengehäuse (43), wobei die Anordnung eine Mehrzahl von Statorleitschaufelsegmenten (9), die aneinander angrenzen, um einen Statorring (7) zu bilden, und eine zylinderförmige Abstützstruktur (25) zur Verwendung in der Statoranordnung aufweist; wobei die Abstützstruktur (25) zwei äußere Ringabschnitte (27, 29) hat, zwischen denen Leitschaufelsegmente (9) angebracht sind, um einen Ring in der Abstützstruktur (25) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Ringabschnitt (31) axial zwischen den zwei äußeren Ringabschnitten (27, 29) vorgesehen ist, und der zentrale Ringabschnitt (31) sich an das Maschinengehäuse (43) anlagert und die äußeren Ringabschnitte (27, 29) die Leitschaufelsegmente (9) (9) abstützen, wobei sich Speichen (49) zwischen den äußeren Ringabschnitten (27, 29) und dem zentralen Ringabschnitt (31) erstrecken und dazwischen ausgeschlossen sind, der die Leitschaufeln (9) abstützt bzw. die Abstützstruktur radial in der Maschine positioniert, wobei die Speichen (49) gebildet sind, um Wärmeverformung, die zwischen den äußeren Ringabschnitten (27, 29) und dem zentralen Ringabschnitt (31) übermittelt wird, abzuschwächen.

6. Statoranordnung nach Anspruch 5, wobei die Speichen (49) relativ zur Achse der Abstützstruktur (25) mit einem Winkel angeordnet sind.

7. Statoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Speichen (49) aus Stegen (33, 35) gebildet sind, die sich zwischen den Ringabschnitten (27, 29 und 31) erstrecken und wobei Ausschnitte (47) in jedem Steg (33, 35) gebildet sind und voneinander umfangsmäßig beabstandet sind, wobei die Ausschnitte (47) zwischen sich schmale, dünne Speichen (49) definieren.

8. Statoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, aufweisend kooperierende Verriegelungsmittel (61, 63) an der Abstützstruktur (25) und dem Maschinengehäuse (43) zum Verhindern von Rotation der Abstützstruktur (25) relativ zu dem Gehäuse (43).

9. Statoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Verriegelungseinrichtung (61, 63) einen Satz von umfangsmäßig beabstandeten Schlitzen, die mindestens in einem der Stege (33, 35) gebildet sind und kooperierenden Vorsprüngen (63) an dem Maschinengehäuse (43) gebildet sind, wobei die Vorsprünge (63) sich radial nach innen erstrecken und derart bemessen und angeordnet sind, dass jeder Einzelne in einen Schlitz (61) in der Abstützstruktur (25) passt.