Axialverdichter für eine Gasturbine mit passiver Radialspaltkontrolle

Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter für eine Gasturbine mit passiver Radialspaltkontrolle, mit mindestens einem an einem Leitschaufelträger befestigten Leitschaufelkranz, der jeweils eine Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist, deren Schaufelspitzen jeweils unter

Bildung eines Radialspalts nabenseitig einem in Bezug auf den Leitschaufelträger thermisch schneller reagierenden Wandabschnitt gegenüberliegen.

Eine Gasturbine weist einen Turboverdichter beispielsweise in Axialbauweise auf. Der Turboverdichter weist ein Gehäuse mit daran angebrachten Statoren und einen Rotor auf, der von dem Gehäuse umgeben ist. Der Rotor weist eine Welle auf, an der der Rotor drehantreibbar ist. Die Welle umgebend ist eine Wellenabdeckung vorgesehen, deren Außenkontur zusammen mit der Innenkontur des Gehäuses einen Strömungskanal durch den Turboverdichter bildet. Der Strömungskanal hat einen in Strömungsrichtung sich aufweitenden Querschnitt, so dass der Strömungskanal als ein Diffusor ausgebildet ist.

Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorstufen auf, die jeweils von einer Rotorschaufelreihe gebildet sind. Ferner weist der Stator eine Mehrzahl von Leitschaufelreihen auf, die in Axialrichtung gesehen abwechselnd zu den Rotorschaufelreihen angeordnet sind. Herkömmlich ist bei Verdichtern in Strömungsrichtung gesehen nach der letzten Rotorschaufelreihe noch eine Leitschaufelreihe und danach eine Nachleitschaufelreihe angeordnet.

Die Leitschaufelreihen weisen eine Mehrzahl an Schaufeln auf, die mit ihrem äußeren Ende jeweils an dem Gehäuse befestigt sind und mit ihrem inneren Ende in Richtung zu der Welle zeigen. An dem inneren Ende der Leitschaufel ist eine Schaufelspitze ausgebildet, die der Wellenabdeckung zugewandt und gegenüber liegt. Der Abstand zwischen den Schaufelspitzen und der Wellenabdeckung ist als ein Radialspalt ausgebildet, der derart dimensioniert ist, dass einerseits die Schaufelspitzen beim Betrieb der Gasturbine an die

Wellenabdeckung nicht anstoßen und andererseits die beim Betrieb der Gasturbine sich einstellende Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist. Dieser Spalt ist deshalb so gering wie möglich auszulegen, damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt und sowohl das volle

Beschaufelungspotential des Verdichters ausgeschöpft als auch ein möglichst hoher Druckgewinn im nachgeschalteten Diffusor erzielt werden kann.

Das Gehäuse des Turboverdichters ist massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb der Gasturbine standhalten zu können. Ferner ist das Gehäuse steif ausgeführt, damit der Lasteintrag auf das Gehäuse beim Betrieb der Gasturbine eine nur kleine Verformung des Gehäuses zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ist die

Wellenabdeckung beim Betrieb der Gasturbine geringeren mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch die Wellenabdeckung dünner und weniger massiv als das Gehäuse ausgeführt ist.

Dadurch, dass die Wellenabdeckung mit kleineren Wandstärken im Vergleich zum Gehäuse ausgebildet ist und in der Regel andere Materialeigenschaften als das Gehäuse hat, erwärmt sich die Wellenabdeckung schneller als das Gehäuse mit den daran befestigten Leitschaufelreihen. Dies hat zur Folge, dass beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine die Wellenabdeckung und das Gehäuse eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben, so dass sich beim Anfahren und Abfahren der Gasturbine die Größe des Radialspalts ändert, wobei der Radialspalt beim Anfahren temporär kleiner und beim Abfahren größer ist. Damit beim Betrieb des Turboverdichters die Schaufelspitzen der Leitschaufelreihe nicht an die Wellenabdeckung anstoßen und diese beschädigen, ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimalhöhe versehen, dass in jedem Betriebszustand der Gasturbine - stationär wie instationär - die Schaufelspitzen die Wellenabdeckung so gut wie nie berühren. Dies hat zur Folge, dass an den Schaufelspitzen ein entsprechend dimensionierter Radialspalt vorgehalten ist, der zu einer Reduktion des Wirkungsgrades der Gasturbine führt.

Ferner führt die von dem Radialspalt verursachte Blockage zu einer Reduktion der Hauptströmungskomponente, wodurch der Druckrückgewinn im Diffusor reduziert wird und nachteilige Ablösephänomene auftreten können.

Die Aufgabe der Erfindung, einen Axialverdichter für eine Gasturbine mit einer passiven Radialspaltkontrolle zu schaffen, welcher einen hohen Wirkungsgrad hat, wird mit einem solchen die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisenden gelöst.

Der erfindungsgemäße Axialverdichter mit mindestens einem an einem Leitschaufelträger befestigten Leitschaufelkranz, der eine Mehrzahl von Leitschaufeln aufweist, deren Schaufelspitzen jeweils unter Bildung eines Radialspalts nabenseitig einem in Bezug auf den Leitschaufelträger thermisch schneller reagierenden Wandabschnitt gegenüberliegen, weist eine Wärmeisolation am den Schaufelspitze unmittelbar gegenüberliegenden Wandabschnitt auf, der in seiner Wärmeeintragverzögerungswirkung auf den Wandabschnitt und auf den Leitschaufelträger derart abgestimmt, dass das thermische bedingte Dehnverhalten von Leitschaufelträger und Wandabschnitt beim transienten Betrieb des Axialverdichters über die Zeit zumindest angeglichen, vorzugsweise nahezu identisch ist.

Beim Betrieb des Verdichters einer Gasturbine stehen der Leitschaufelträger bzw. das Gehäuse mit dem daran befestigten Leitschaufelkranz und der Wandabschnitt mit einem heißen Gasstrom in Kontakt. Beim Kaltstart bewirkt die Wärmeisolation, wenn sie auf dem Wandabschnitt angebracht ist, dass der Wandabschnitt von dem heißen Gasstrom thermisch isoliert ist. Da keine Kühlung des Wandabschnitts vorgesehen, wird der Wandabschnitt mit Wärmeisolationsabschnitt im sich später einstellenden stationären Zustand die identische Temperatur annehmen wie ein Wandabschnitt ohne Wärmeisolationsabschnitt. Dadurch ist mit der Wärmeisolation der Wärmeeintrag von dem heißen Gasstrom in den Wandabschnitt nur verzögert. Somit kann mittels der Wärmeisolation der Wärmeeintrag in den Wandabschnitt derart festgelegt sein, dass sowohl das Gehäuse mit seinem Leitschaufelkranz als auch der Wandabschnitt zeitlich ein ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten haben und nicht wie beim Stand der Technik, ein zeitlich unterschiedliches. Als Folge davon ist der Radialspalt in seiner Höhe über die Zeit in etwa konstant, wodurch sich etwa beim Anfahren einer noch kalten Gasturbine der Wandabschnitt in konstantem Abstand zur Schaufelspitze in etwa synchron bewegt.

Somit kann der Radialspalt mit einer geringeren Höhe konstruiert werden, ohne dass die Schaufelspitze beim Betrieb der Gasturbine an die Wärmeisolation anstößt. Dadurch ist eine hohe Betriebssicherheit der Gasturbine erreicht, die einen hohen Wirkungsgrad hat.

Bevorzugtermaßen kann die Wärmeisolation durch das Vorsehen von Umfangssegmenten ringförmig segmentiert ausgeführt sein.

Dadurch ist die thermisch bedingte radiale Ausdehnung der Wärmeisolation verringert, so dass bei der Radialbewegung der Wärmeisolation in erster Linie die radiale thermische Ausdehnung des Wandabschnitts zum Tragen kommt.

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeisolation Dichtungselemente aufweisen, die zwischen den Umfangssegmenten vorgesehen sind. Dadurch sind vorteilhaft die Spalte zwischen den Umfangssegmenten abgedichtet, so dass die Leckagerate durch den Radialspalt gering ist.

Vorteilhafterweise ist die Wärmeisolation an dem Wandabschnitt befestigbar. Dabei ist es ferner bevorzugt, dass die Wärmeisolation als Ring an dem Wandabschnitt mittels einem Verhakungsmittel und/oder einem Verschraubungsmittel befestigbar ist.

Dadurch ist die Wärmeisolation stabil an dem Wandabschnitt befestigbar, so dass die Wärmeisolation beim Betrieb der Gasturbine seine Lage bezüglich des Wandabschnitts nicht verändern kann.

Anstelle eines separaten Wärmeisolationsring kann die Wärmeisolation auch aus einer auf dem Wandabschnitt aufgetragenen Wärmeschutzschicht gebildet sein, die dabei vorzugsweise keramisch ist. Eine einfache Herstellung und einfacher Anbringung ist damit gegeben, selbst für bereits betriebsbeanspruchte Axialverdichter .

Ferner ist es bevorzugt, dass eine Wellenabdeckung den Wandabschnitt aufweist. Bevorzugt ist ebenso, dass mit den Leitschaufeln mindestens zwei nebeneinander liegende Leitschaufelkränze gebildet sind, deren Radialspalte von der Wärmeisolation beeinflusst sind.

Die Leitschaufeln müssen nicht an einem separaten

Leitschaufelträger befestigt sein. Auch ist es möglich, dass die Leitschaufeln unmittelbar an einem Gehäuse des Axialverdichters befestigt sind, welcher in der Regel auch dickwandiger ist als der betreffende Wandabschnitt.

Dadurch, dass an der stromabliegenden letzten Verdichterleitreihe und der Nachleitreihe die Wärmeisolation zur passiven Spaltkontrolle vorgesehen ist, ist die Druckrückgewinnung in dem Diffusor des Axialverdichters hoch.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Axialverdichters und einer erfindungsgemäßen Wärmeisolation anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Austrittsbereich eines Axialverdichters,

Fig. 2 den Schnitt A aus Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß Fig. 1 mit einer alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Axialverdichters.

Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist ein Axialverdichter 1 ein Gehäuse 2 auf, das an seiner Innenseite eine Gehäusekontur 3 hat. Ferner weist der Axialverdichter 1 eine Welle (nicht gezeigt) auf, die von einer Wellenabdeckung 4 radial nach außen abgedeckt ist. Sowohl die Wellenabdeckung 4 als auch die Gehäusekontur 3 bilden einen Strömungskanal, der als ein Diffusor 5 ausgebildet ist. Außerdem weist der Axialverdichter 1 einen Rotor mit einer Rotorbeschaufelung 6 auf, wobei der Rotor mit der Welle drehstarr verbunden ist.

An dem Gehäuse 2 befestigt ist eine Statorbeschaufelung 7 vorgesehen, die stromauf der Rotorbeschaufelung 6 angesiedelt ist. Stromab der Rotorbeschaufelung 6 ist ein Leitgitter 8 und stromab davon ein Nachleitgitter 9 angeordnet, wobei das Leitgitter 8 und das Nachleitgitter 9 den Abströmbereich des Axialverdichters 1 bilden. Sowohl das Leitgitter 8 als auch das Nachleitgitter 9 sind von einer Mehrzahl von Statorschaufeln gebildet, die sich radial in dem Axialverdichter 1 erstrecken. Die Statorschaufeln weisen ein radial außen liegendes Ende und ein radial innen liegendes Ende auf, wobei die Statorschaufeln an ihrem radial außen liegenden Ende an dem Gehäuse 2 befestigt sind. An dem radial innen liegenden Ende ist jeweils eine Schaufelspitze 14 ausgebildet, die zur Mitte der Welle zeigt. Den Schaufelspitzen 14 liegt eine drehfest angeordnete Wellenabdeckung 4 gegenüber, so dass zwischen den Schaufelspitzen 14 und der Wellenabdeckung 4 ein Radialspalt 10 ausgebildet ist.

Auf der Wellenabdeckung 4 ist unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen 14 eine Wärmeisolation 11 als Wärmeisolationsring auf der Wellenabdeckung 4 beispielsweise durch Verschrauben angebracht. Der Wärmeisolationsring 11 erstreckt sich in Axialrichtung des Axialverdichters 1 sowohl über das Leitgitter 8 als über das Nachleitgitter 9 hinweg.

In Fig. 2 ist der Schnitt A aus Fig. 1 gezeigt, wobei die

Wellenabdeckung 4 und der Wärmeisolationsring 11 abgebildet sind. Der Wärmeisolationsring 11 ist auf der Wellenabdeckung 4 angebracht und umfasst über den Umfang verteilte Umfangssegmente 12, so dass der Wärmeisolationsring 11 einen segmentierten Aufbau aufweist. Zwischen den Umfangssegmenten 12 sind Zwischenräume ausgebildet, in die jeweils ein Dichtungselement 13 eingesetzt ist. Die Dichtungselemente 13 sind zwischen den Umfangssegmenten 12 verspannt eingebracht.

Der Wärmeisolationsring 11 ist aus einem Material hergestellt und derart geometrisch dimensioniert, dass im Bereich des Leitgitters 8 und des Nachleitgitters 9 die Wellenabdeckung 4 von dem Diffusor 9 thermisch isoliert ist, so dass das thermische Ausdehnungsverhalten der Wellenabdeckung 4 in etwa dem Gehäuse 2 entspricht.

Beim Anfahren des Axialverdichters 9 strömt heißes Gas durch den Diffusor 5 und steht in direktem Kontakt sowohl mit dem Gehäuse 2, dem Leitgitter 8 und dem Nachleitgitter 9 als auch mit der Wellenabdeckung 4. Im Bereich des Leitgitters 8 und des Nachleitgitters 9 steht die Wellenabdeckung 4 mit dem heißen Gas im Diffusor 5 auf Grund der Anbringung des WärmeisolationsringWärmeisolations 11 nicht in direktem Kontakt, so dass der Wärmeeintrag in diesem Bereich in die Wellenabdeckung 4 vermindert ist. Dadurch ist die thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit, insbesondere beim Anfahren des Axialverdichters 1, von dem Gehäuse 2 mit dem Leitgitter 8 sowie dem Nachleitgitter 9 und der Wellenabdeckung 4 mit dem WärmeisolationsringWärmeisolation 11 in etwa gleich.

Dadurch bildet sich beim Betrieb des Axialverdichters 1 der Radialspalt 10, der von dem Abstand zwischen dem Umfangsrand des WärmeisolationsringWärmeisolations 11, der dem Diffusor 5 zugewandt ist, und den Schaufelspitzen 14 ausgebildet ist, als über die Zeit in etwa konstant aus. Als Folge davon ist vorteilhaft erreicht, dass beim Anfahren des Axialverdichter 1 der Radialspalt 10 kleiner vorgesehen werden kann, als es notwendig wäre, wenn der Wärmeisolationsring 11 auf der Wellenabdeckung 4 nicht vorgesehen worden wäre und ein Anstoßen der Schaufelspitzen 14 an der Wellenabdeckung 4 unterbunden sein soll. Somit kann der Massenstrom der Leckageströmung durch den Radialspalt 10 verringert werden, so dass sowohl der Wirkungsgrad des Axialverdichters 1 als auch der Druckgewinn im Diffusor 5 weiter verbessert sind.

Ferner weist der Wärmeisolationsring 11 die Umfangssegmente 12 auf, so dass eine thermische Radialausdehnung des Wärmeisolationsrings 11 unterbunden ist. Dadurch ist die Abstimmung hinsichtlich der Materialwahl und der geometrischen Dimensionierung des Wärmeisolationsrings 11 bezüglich der Wellenabdeckung 4 einfach.

Auch Fig. 3 zeigt wie Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil der Gasturbine, wobei in Fig. 3 zu Fig. 1 identische Bauteile mit gleichen Bezugzeichen versehen sind. Der in Fig. 1 gezeigte aus Umfangssegmenten 12 gebildete Wärmeisolationsring 11 ist jedoch als zu Fig. 1 alternative äquivalente Lösung durch eine auf dem Wandabschnitt 4 unmittelbar aufgetragene Wärmeschutzschicht 15 ersetzt. Die Wärmeschutzschicht ist beispielsweise eine konventionelle keramische Wärmedämmschicht.

Ingesamt betrifft die Erfindung einen Axialverdichter 1 für eine Gasturbine mit passiver Radialspaltkontrolle umfassend einen Leitschaufelträger, an dem in einem Kranz 8, 9 angeordnete Leitschaufeln befestigt sind, deren Schaufelspitzen 14 einem Wandabschnitt 4 gegenüberliegen. An dem Wandabschnitt 4 ist zur Angleichung des Dehnverhaltens von Leitschaufelträger und Wandabschnitt 4, welche an sich thermisch unterschiedlich reagieren, ein Wärmeisolationsring 11 in dem den Schaufelspitzen 14 gegenüberliegendem Abschnitt angebracht, der in seiner Wärmeeintragsverzögerungswirkung auf den Wandabschnitt 4 und auf den Leitschaufelträger derart abgestimmt, dass das thermische bedingte Dehnverhalten von Leitschaufelträger und Wandabschnitt 4 beim transienten Betrieb des Axialverdichters 1 über die Zeit zumindest angeglichen ist. Durch die Angleichung wird ein Kontakt der Schaufelspitzen 14 mit dem Wandabschnitt 4 verhindert, welcher bisher während des transienten Betriebs oder insbesondere nach dem Kaltstart auftreten konnte. Durch die Angleichung kann bestenfalls erzielt werden, dass die Radialposition der Schaufelspitze 14 bezogen auf den Wärmeisolationsring 11 beim Betrieb des Axialverdichters 1 über die Zeit im Wesentlichen konstant ist.