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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Turbinen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Sicherung von Turbinenleitschaufeln innerhalb einer Turbinenträgernut.
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Wenigstens einige bekannte Turbinen, wie z.B. Gasturbinen und Dampfturbinen, weisen einen Träger für axial beabstandete Umfangsanordnungen von Leitschaufeln auf. Der Träger weist typischerweise Trägerhälften auf, die sich bogenförmig um 180° erstrecken und an einer horizontalen Verbindungsfläche aneinander gesichert sind, um eine 360°-Anordnung von Leitschaufeln an jeder axialen Stufenposition auszubilden. Typischerweise enthalten die Leitschaufeln ein Schaufelblatt, das eine schwalbenschwanzförmige Basis aufweist, die in einer entsprechenden schwalbenschwanzförmigen Nut in dem Träger eingesetzt ist. Wenn die Leitschaufeln in jeder Trägerhalbnut installiert sind, sind die Leitschaufelbasen innerhalb der Nuten eine gegen die andere gestapelt, wobei eine halbkreisförmige Anordnung von Leitschaufeln ausgebildet ist.
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Ein bekanntes Verfahren zum Festhalten der Leitschaufeln innerhalb der Nuten umfasst die Verwendung von Abstandsstücken zur Sicherung der Leitschaufel in der korrekten Position. Die Abstandsstücke müssen jedoch genau geschnitten und gezielt montiert werden, um mit jeder Leitschaufel zusammenzupassen. Wenn die Abstandsstücke nicht genau geschnitten werden, kann sich die Leitschaufel verklemmen, wenn sie über den Abstandsstücken installiert wird, was zu einer verringerten Betriebseffizienz führt. Die Verwendung von Abstandsstücken ist auch ein zeitaufwendiger und arbeitsintensiver Prozess, der eine Steigerung von Herstellungskosten verursachen kann.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Festhalten der Leitschaufeln innerhalb der Nuten umfasst die Verwendung radialer Spannstifte zur Sicherung jeder Leitschaufel. Bei einem solchen Verfahren wird ein Stift zwischen der Basis der Leitschaufel und der Basis der Nut angeordnet, um die Leitschaufel radial nach innen vorzuspannen. Die Stifte sind typischerweise aus Stahl hergestellt, um eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur-Montagebedingungen und eine hohe Festigkeit bei Hochtemperatur-Betriebsbedingungen aufzuweisen. Aufgrund des Stiftmaterials und der Schwalbenschwanzgeometrie bekannter Leitschaufeln liegen hohe Spannungen in dem Leitschaufelschwalbenschwanzhaken und einem stromaufwärtigen Band des Außenrings, der die Leitschaufel hält, vor.
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KURZBESCHREIBUNG
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In einem Aspekt ist eine Leitschaufelanordnung geschaffen. Die Leitschaufelanordnung enthält wenigstens eine stationäre Leitschaufel und einen Außenring, der eine vordefinierte Form aufweist. Der Außenring enthält wenigstens eine darin definierte Nut auf, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Abschnitt der wenigstens einen stationären Leitschaufel aufzunehmen. Die Leitschaufelanordnung enthält ferner ein Befestigungselement, das zwischen der stationären Leitschaufel und dem Außenring eingekoppelt ist. Das Befestigungselement weist eine erste Konfiguration bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung und eine zweite Konfiguration bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung auf.
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Das Befestigungselement der Leitschaufelanordnung kann aus einem Messingmaterial hergestellt sein.
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Das Befestigungselement der vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann aus einem Kupfermaterial hergestellt sein.
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann eingerichtet sein, um die wenigstens eine stationäre Leitschaufel in einem Abstand zu dem Außenring radial vorzuspannen, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann in der ersten Konfiguration einen Spalt zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring erzeugen.
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Wenn sich das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung in die zweite Konfiguration verwandelt, kann die wenigstens eine stationäre Leitschaufel mit dem Außenring in Kontakt stehen.
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann sich bei der zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung in die zweite Konfiguration verwandeln, wobei die zweite Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung höher als die erste Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung ist.
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Die wenigstens eine stationäre Leitschaufel jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann einen Endabschnitt aufweisen, der eine darin definierte im Wesentlichen bogenförmige Nut aufweist, wobei die Nut eingerichtet sein kann, um das Befestigungselement darin aufzunehmen.
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Die wenigstens eine Außenringnut jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann eine im Wesentlichen bogenförmige Nut definieren, wobei die bogenförmige Nut eingerichtet sein kann, um darin das Befestigungselement aufzunehmen.
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann einen Spannstift aufweisen, der sich zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring erstreckt.
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Die wenigstens eine stationäre Leitschaufel jeder beliebigen vorstehend erwähnten Leitschaufelanordnung kann einen Endabschnitt aufweisen, der innerhalb der wenigstens einen Außenringnut eingekoppelt ist, wobei der Endabschnitt einen schwalbenschwanzförmigen Endabschnitt aufweisen kann.
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In einem weiteren Aspekt ist eine Rotationsmaschine geschaffen. Die Rotationsmaschine enthält einen Rotor und wenigstens eine Leitschaufelanordnung, die mit dem Rotor gekoppelt ist. Die Leitschaufelanordnung enthält wenigstens eine stationäre Leitschaufel und einen Außenring, der eine vordefinierte Form aufweist. Der Außenring enthält wenigstens eine darin definierte Nut, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Abschnitt der wenigstens einen stationären Leitschaufel aufzunehmen. Die Leitschaufelanordnung enthält ferner ein Befestigungselement, das zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring eingekoppelt ist. Das Befestigungselement weist bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine erste Konfiguration und bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine zweite Konfiguration auf.
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Das Befestigungselement der vorstehend erwähnten Rotationsmaschine kann eingerichtet sein, um die wenigstens eine stationäre Leitschaufel in einem Abstand zu dem Außenring radial vorzuspannen, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet.
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Rotationsmaschine kann einen Spalt zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring erzeugen, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet.
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Wenn sich das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Rotationsmaschine zu der zweiten Konfiguration verwandelt, kann die wenigstens eine stationäre Leitschaufel mit dem Außenring in Kontakt stehen.
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Das Befestigungselement jeder beliebigen vorstehend erwähnten Rotationsmaschine kann entweder aus einem Messingmaterial oder aus einem Kupfermaterial hergestellt sein.
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In einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Montieren einer Rotationsmaschine geschaffen. Das Verfahren weist ein Koppeln wenigstens einer stationären Leitschaufel mit einem Rotor in einer derartigen Weise, dass sich die wenigstens eine stationäre Leitschaufel von dem Rotor radial nach außen erstreckt, und Koppeln eines Außenrings mit einer vordefinierten Form mit dem Rotor in einer derartigen Weise auf, dass der Außenring den Rotor im Wesentlichen umschließt. Der Außenring enthält wenigstens eine darin definierte Nut, wobei die Nut eingerichtet ist, um darin wenigstens einen Abschnitt der wenigstens einen stationären Leitschaufels aufzunehmen. Das Verfahren enthält ferner ein Einkoppeln eines Befestigungselements zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring. Das Befestigungselement weist bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine erste Konfiguration auf und weist bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine zweite Konfiguration auf.
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Das Verfahren zum Montieren einer Rotationsmaschine kann es vorsehen, dass das Einkoppeln eines Befestigungselementes ferner ein radiales Vorspannen der wenigstens einen stationären Leitschaufel in einem Abstand zu dem Außenring aufweist, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet.
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Jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren zum Montieren einer Rotationsmaschine kann es vorsehen, dass das Einkoppeln eines Befestigungselements ferner ein Erzeugen eines Spalts zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring aufweist, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet.
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Jedes vorstehend erwähnte Verfahren zum Montieren einer Rotationsmaschine kann es vorsehen, dass das Einkoppeln eines Befestigungselements ferner ein Einkoppeln eines Befestigungselementes aufweist, das einen Spannstift enthält, der entweder aus einem Messingmaterial oder aus einem Kupfermaterial hergestellt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Dampfturbine;
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2 ist eine schematische Querschnittansicht eines Hochdruck(HD)-Abschnitts der in 1 gezeigten Dampfturbine;
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3 ist eine schematische Querschnittansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Leitschaufelanordnung, die bei dem in 2 gezeigten HD-Abschnitt verwendet werden kann;
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4 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Befestigungselementes, das bei der in 3 gezeigten Leitschaufelanordnung verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie sie hierin verwendet werden, beziehen sich die Begriffe „axial“ und „in axiale Richtung“ auf Richtungen und Orientierungen, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse einer Turbine erstrecken. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „radial“ und „in radiale Richtung“ auf Richtungen und Orientierungen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Turbine erstrecken. Zusätzlich bezieht sich der Begriff „Umfangs-“ und „in Umfangsrichtung“ auf Richtungen und Orientierungen, die sich bogenförmig um die Längsachse der Turbine herum erstrecken.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Dampfturbine 10. Obwohl 1 eine beispielhafte Dampfturbine beschreibt, sollte beachtet werden, dass das Leitschaufelbefestigungselement, die Systeme und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, nicht auf irgend einen bestimmten Typ einer Turbine beschränkt sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass das Leitschaufelbefestigungselement, die Systeme und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, bei jeder beliebigen Rotationsmaschine, einschließlich einer Gastturbine, in jeder beliebigen geeigneten Konfiguration, die einer solchen Vorrichtung, einem solchen System und Verfahren ermöglicht, in der hierin weiter beschriebenen Weise zu funktionieren, verwendet werden können.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist die Dampfturbine 10 eine einflutige Dampfturbine. Alternativ kann die Dampfturbine 10 von jeder beliebigen Dampfturbinenbauart sein, wie z.B. eine Niederdruckturbine, eine Gegenstrom-Hochdruck- und Mitteldruck-Dampfturbinenkombination, eine zweiflutige Dampfturbine und/oder andere Dampfturbinenbauarten, sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Darüber hinaus ist, wie vorstehend erläutert, die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Verwendung in Dampfturbinen beschränkt, und sie kann in anderen Turbinensystemen, wie z.B. in Gasturbinen, verwendet werden.
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In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform enthält die Dampfturbine 10 mehrere Turbinenstufen 12, die mit einem Rotor gekoppelt sind. Ein Gehäuse 16 ist axial in einen oberen Halbabschnitt 18 und einen (nicht gezeigten) unteren Halbabschnitt aufgeteilt. Der obere Halbabschnitt 18 weist einen Hochdruck-(HD-)Dampfeinlass 20 an einem Hochdruck-(HD-)Abschnitt 21 und einen Niederdruck-(ND-)Dampfauslass 22 auf. Der Rotor 14 erstreckt sich entlang einer Mittelachse 24 durch das Gehäuse 16 hindurch. Der Rotor 14 ist in dem Gehäuse 16 durch Wellenlager 26 bzw. 28 gelagert, die jeweils mit entgegengesetzten Endabschnitten 30 des Rotors 14 gekoppelt sind. Mehrere Dichtungselemente 31, 34 und 36 sind zwischen den Rotorendabschnitten 30 und dem Gehäuse 16 eingekoppelt, um das Abdichten des Gehäuses 16 um den Rotor 14 herum zu ermöglichen.
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In der beispielhaften Ausführungsform weist die Dampfturbine 10 ferner eine Statorkomponente 42 auf, die mit einem Innenmantel 44 des Gehäuses 16 gekoppelt ist. Mehrere Dichtungselemente 34 sind mit der Statorkomponente 42 gekoppelt. Das Gehäuse 16, der Innenmantel 44 und die Statorkomponente 42 erstrecken sich jeweils längs des Umfangs um den Rotor 14 und die Dichtungselemente 34 herum. In der beispielhaften Ausführungsform bilden die Dichtungselemente 34 einen gewundenen Dichtungspfad zwischen der Statorkomponente 42 und dem Rotor 14 aus. Der Rotor 14 weist mehrere Turbinenstufen 12 auf, durch die ein Hochdruck-Hochtemperatur-Dampf 40 über den Dampfkanal 46 geleitet wird. Die Turbinenstufen 12 weisen mehrere Einlassleitapparate 48 auf. Die Dampfturbine 10 kann jede beliebige Anzahl von Einlassleitapparaten 48 aufweisen, die dem Dampfturbinentriebwerk 10 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Die Dampfturbine 10 kann beispielsweise mehr oder weniger Einlassleitapparate 48 aufweisen, als in 1 gezeigt. Die Turbinenstufen 12 weisen auch mehrere Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln auf, die allgemein mit 38 gekennzeichnet sind. Die Dampfturbine 10 kann eine beliebige Anzahl von Laufschaufeln 38 aufweisen, die der Dampfturbine 10 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Die Dampfturbine 10 kann beispielsweise mehr oder weniger Laufschaufeln 38 aufweisen, als in 1 gezeigt. Der Dampfkanal 46 verläuft typischerweise durch das Gehäuse 16 hindurch. Der Dampf 40 strömt in den Dampfkanal 46 durch den HD-Dampfeinlass 20 hinein und strömt entlang der Länge des Rotors 14 hinunter durch die Turbinenstufen 12 hindurch.
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Im Betrieb wird der Hochdruck- und Hochtemperaturdampf 40 aus einer Dampfquelle, wie z.B. einem (nicht gezeigten) Kessel, zu den Turbinenstufen 12 geleitet, wobei die thermische Energie durch die Turbinenstufen 12 in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Insbesondere wird der Dampf 40 aus dem HD-Dampfeinlass 20 durch das Gehäuse 16 hindurch geleitet, wo er auf die mehreren Laufschaufeln 38 aufprallt, die mit dem Rotor 14 gekoppelt sind, um eine Rotation des Rotors 14 um die Mittelachse 24 herum herbeizuführen. Der Dampf 40 tritt aus dem Gehäuse 16 an dem ND-Dampfauslass aus. Der Dampf 40 kann dann zu dem (nicht gezeigten) Kessel geleitet werden, wo er wiesererhitzt oder zu anderen Komponenten des Systems, z.B. einem (nicht gezeigten) Kondensator, geleitet werden kann.
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2 zeigt eine schematische Querschnittansicht des HD-Abschnitts 21 der (in 1 gezeigten) Dampfturbine. 3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Leitschaufelanordnung 100, die bei dem HD-Abschnitt 21 der Dampfturbine 10 verwendet werden kann und die entlang des (in 2 gezeigten) Bereichs 3 geschnitten wurde. In der beispielhaften Ausführungsform weist der HD-Abschnitt 21 eine obere Gehäusehälfte 18 (wie in 1 gezeigt) auf, die mit einer (nicht gezeigten) unteren Gehäusehälfte gekoppelt ist, wenn die Turbine 10 vollständig montiert ist. Der HD-Abschnitt 21 weist wenigstens eine Leitschaufelanordnung 100 auf, die einen im Wesentlichen kreisringförmigen Außenring oder Blinglet-Ring 110 aufweist, der den (in 1 gezeigten) Rotor 14 im Wesentlichen umschließt. Ferner ist in der beispielhaften Ausführungsform eine obere Hälfte 112 des Rings 110 mit radial inneren Flächen der oberen Gehäusehälfte 18 gekoppelt, so dass die obere Hälfte 112 des Rings als eine radial innere Verlängerung des Gehäuses 18 dient. Eine solche Kopplung ermöglicht es, die obere Hälfte 112 des Rings 110 in einer im Wesentlichen festen Position bezüglich des Rotors 14 zu halten. Die obere Hälfte 112 des Rings 110 weist ferner wenigstens eine Nut 114 auf, die in ihr definiert ist.
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In der beispielhaften Ausführungsform weist die Leitschaufelanordnung 100 darüber hinaus wenigstens eine stationäre Leitschaufel 120 auf. Die Nut 114 ist bemessen und ausgerichtet, um darin wenigstens einen Abschnitt der Leitschaufel 120 aufzunehmen. Insbesondere weist die Leitschaufelanordnung 100 in der beispielhaften Ausführungsform Nuten 114 auf, die innerhalb der oberen Ringhälfte 112 definiert sind, und jede Nut 114 ist bemessen und ausgerichtet, um darin eine Leitschaufel 120 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform weist jede Leitschaufel 120 einen ersten Endabschnitt 122 und einen zweiten Endabschnitt 124 auf, der dem ersten Endabschnitt 122 gegenüberliegt. In der beispielhaften Ausführungsform ist jeder erste Endabschnitt 122 schwalbenschwanzförmig und weist einen ersten oder stromaufwärtigen Hakenabschnitt 128, einen zweiten stromaufwärtigen Hakenabschnitt 129, einen ersten stromabwärtigen Hakenabschnitt 130 und einen zweiten stromabwärtigen Hakenabschnitt 131 auf. Eine (nicht gezeigte) untere Hälfte des Rings 110 ist mit der unteren Gehäusehälfte gekoppelt und nimmt Leitschaufeln 120 auf eine ähnliche Weise wie die obere Ringhälfte 112 auf. Der HD-Abschnitt 21 weist ferner mehrere drehbare Laufschaufeln 132 auf, die mit dem Rotor 14 sicher gekoppelt sind.
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In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich ein Kopplungsabschnitt 140 von jedem ersten Endabschnitt 122 der Leitschaufel aus. Spezieller ist in der beispielhaften Ausführungsform jeder Kopplungsabschnitt 140 mit dem jeweiligen ersten Endabschnitt 122 der Leitschaufel integral ausgebildet, so dass die Leitschaufel 120 und der Kopplungsabschnitt 140 eine einheitliche Komponente bilden. Der Kopplungsabschnitt 140 kann mit der Leitschaufel 120 durch vielfältige in der Fachwelt bekannte herkömmlicher Herstellungsprozesse, wie z.B. den Gießprozess, den Ziehprozesses oder einen maschinellen Herstellungsprozess, erzeugt werden. Es können ein oder mehrere Materialtypen verwendet werden, um den Kupplungsabschnitt 140 und/oder die Leitschaufel 120 mit den Materialien herzustellen, die auf Basis der Eignung für eine oder mehrere Herstellungstechniken, der Formbeständigkeit, der Kosten, der Gießbarkeit, der Bearbeitbarkeit, der Steifigkeit und/oder einer anderen Eigenschaft des Materials/der Materialien ausgewählt werden. Der Kopplungsabschnitt 140 und/oder die Leitschaufel 120 kann bzw. können beispielsweise aus einem Metall, wie z.B. einer Stahllegierung und/oder einem Nickel basierten Material, hergestellt sein.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist der Kopplungsabschnitt 140 mit dem ersten Endabschnitt 122 der Leitschaufel integral ausgebildet und benachbart zu diesem positioniert. Der Kopplungsabschnitt 140 ist benachbart zu der Nut 114 angeordnet. Das erste Ende 142 des Kopplungsabschnitts weist in der beispielhaften Ausführungsform eine darin definierte bogenförmige Nut 150 auf. Die Nut 150 ist bemessen und ausgerichtet, um darin ein Befestigungselement 152 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein einzelnes Befestigungselement 152 innerhalb jeder Nut 150 angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Befestigungselement 152 ein Stift oder ein Bolzen, der wenigstens einen Abschnitt des ersten Endabschnitts 122 der Leitschaufel mit wenigstens einem Abschnitt der Ringnut 114 koppelt, so das die Leitschaufel 120 und der Außenring 110 miteinander sicher gekoppelt sind.
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Darüber hinaus weist der Rotor 14 in der beispielhaften Ausführungsform eine Rotorfläche 180 auf, die mehrere im Wesentlichen ringförmige Rotornuten 182, die darin ausgebildet sind, aufweist. Wenigstens ein im Wesentlichen bogenförmiger Dichtungsstreifen 184 ist in jeder Rotornut 182 sicher eingekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Endabschnitt 124 der Leitschaufel benachbart zu den Dichtungsstreifen 184 angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform reduzieren die Dichtungsstreifen 184 wesentlich die Menge der Fluidströmungspfadleckage, die zwischen dem Rotor 14 und dem Gehäuse 18 auftreten kann.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines (in 3 gezeigten) beispielhaften Befestigungselementes 152, das bei der (in 3 gezeigten) Leitschaufelanordnung 100 verwendet werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Befestigungselement 152 im Wesentlichen keilförmig, wobei es eine teilweise zylindrische Querschnittgestalt (wie in 3 gezeigt) und einen steigenden, d.h. geneigten oder gestuften, Wandabschnitt 200 aufweist. Das Befestigungselement 152 weist einen Wandabschnitt 200 auf, der von einem ersten Einsatzende 202 zu einem zweiten proximalen Ende 204 im Wesentlichen fortlaufend geneigt ist, um ein im Wesentlichen verjüngtes oder keilförmiges Befestigungselement 152 zu definieren. Eine Höhe H1 des Befestigungselements 152 an dem Einsatzende 202 ist niedriger als eine Höhe H2 des Befestigungselements 152 an dem proximalen Ende 204. Darüber hinaus ist die (nicht gezeigte) Querschnittsfläche des Befestigungselements 152 an dem Einsatzende 202 kleiner als eine (nicht gezeigte) Querschnittsfläche des Befestigungselements 152 an dem proximalen Ende 204. Obwohl der Wandabschnitt 200 als eine fortlaufend verjüngte Fläche veranschaulicht ist, wäre ein Wandabschnitt, der mehrere Stufen aufweist, um eine effektiv fortlaufend geneigte Fläche zu definieren, hierzu funktionell äquivalent. Das Befestigungselement 152 wird in die bogenförmige Nut 150 zwischen dem Ring 110 und der Leitschaufel 120 eingeführt. Das Befestigungselement 152 schafft einen keilartigen Kontakt, um die Leitschaufel 120 mit hinreichender Kraft radial nach innen gegen den ersten und zweiten Hakenabschnitt 128 und 130 zu spannen, um eine konstruierte Vorverwindung des Schaufelblattes aufrechtzuerhalten.
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In der beispielhaften Ausführungsform wird das Befestigungselement 152 unter Verwendung eines Materials hergestellt, das während der Montage bei Raumtemperatur eine ausreichende Zugfestigkeit aufweist, um die Leitschaufeln 120 in Position zu halten, und dessen Zugfestigkeit bei Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen (z.B. oberhalb von ungefähr 400°C) abnimmt. Spezieller ist in der beispielhaften Ausführungsform das Befestigungselement 152 unter Verwendung von Messing, Messinglegierung, Kupfer, Kupferlegierung und/oder jedes beliebigen anderen Materials hergestellt, das in der Fachwelt bekannt ist und das dem Befestigungselement ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
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In der beispielhaften Ausführungsform weist das Befestigungselement 152 eine erste Konfiguration bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung und eine zweite Konfiguration bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung auf. Das Befestigungselement 152 ist eingerichtet, um die Leitschaufel 120 in einem Abstand zu dem Ring 110 radial vorzuspannen, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet. Das Befestigungselement 152 erzeugt, wenn es sich in der ersten Konfiguration befindet, einen Spalt zwischen der Leitschaufel 120 und dem Ring 110. Das Befestigungselement 152 verwandelt sich bei der zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung, die höher als die erste Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung ist, in die zweite Konfiguration. Wenn sich das Befestigungselement 152 in die zweite Konfiguration verwandelt, bewegt sich die Leitschaufel 120 und gelangt mit dem Ring 110 in Kontakt, wodurch der Spalt geschlossen wird.
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Im Betrieb tritt Dampf durch den (in 1 gezeigten) Dampfeinlass 20 des HD-Abschnitts in den HD-Abschnitt 21 ein und wird durch den HD-Abschnitt 21 geleitet. Der (in 1 gezeigte) Einlassleitapparat 48 und die Leitschaufeln 120 leiten den Dampf zu den Laufschaufeln 132. Während der Dampf zu den Leitschaufeln 120 und zu den Laufschaufeln 132 geleitet wird, leitet der Druck des Dampfes Kräfte auf die Leitschaufeln 120 und die Laufschaufeln 132 ein. Spezieller fällt der Druck innerhalb des HD-Abschnitts 21, und es werden verschiedene Kräfte, wie Radialkräfte, auf die Leitschaufeln 120 und die Laufschaufeln 132 eingeleitet. Beispielsweise leitet der Dampf eine erste Radialkraft F1 auf den ersten Hakenabschnitt 128 an der stromaufwärtigen Seite der Leitschaufel 120 ein. Das Befestigungselement 152 verliert bei zunehmenden Betriebstemperatursteigerungen Zugfestigkeit und verformt sich. Wenn sich das Befestigungselement 152 verformt, verändert die Leitschaufel 120 leicht ihre Lage innerhalb der Nut 114. Die Hakenabschnitte 128 und 130 stellen einen Kontakt mit dem Ring 110 her. Der zweite stromabwärtige Hakenabschnitt 131 stellt einen Kontakt mit einer unteren, radial äußeren Nut 115 des Rings 110 her. Wenn der Kontakt hergestellt ist, wird wenigstens ein Teil der ersten Radialkraft F1 auf die Kontaktstelle zwischen dem zweiten stromabwärtigen Hakenabschnitt 131 und der unteren radial äußeren Nut 115 als eine zweite Radialkraft F2 übertragen. Die zweite Radialkraft F2 ist in eine zu der ersten Radialkraft F1 entgegengesetzte Richtung gerichtet. In Folge dessen, ändert sich der die Leitschaufel 120 stützende Lastweg, wobei Belastungskräfte an dem stromaufwärtigen Hakenabschnitt 128 reduziert werden und Belastungskräfte an dem Ring 100 reduziert werden. Wenn der radiale Lastweg von dem Durchgang durch den Stift 152 zur Belastung der Fläche 115 übergeht, wird die stromaufwärtige Reaktionskraft F1 um ungefähr die Hälfte reduziert, wodurch die Belastung in dem stromaufwärtigen Hakenabschnitt 128 und einem stromaufwärtigen Bandabschnitt des Rings 112 um ungefähr die Hälfte reduziert wird.
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Eine technischer Effekt der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren weist wenigstens eines der folgenden auf: (a) Koppeln wenigstens einer stationären Leitschaufel mit einem Rotor, so dass sich die wenigstens eine stationäre Leitschaufel von dem Rotor radial nach außen erstreckt; (b) Koppeln eines Außenrings, der eine vordefinierte Form aufweist, mit dem Rotor, so dass der Außenring den Rotor im Wesentlichen umgibt, wobei der Außenring wenigstens eine darin definierte Nut aufweist, wobei die wenigstens eine Nut eingerichtet ist, um darin wenigstens einen Abschnitt der wenigstens einen stationären Leitschaufel aufzunehmen; und (c) Einkoppeln eines Befestigungselements zwischen der wenigstens einen stationären Leitschaufel und dem Außenring, wobei das Befestigungselement bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine erste Konfiguration aufweist und bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine zweite Konfiguration aufweist.
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Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren ermöglichen eine Verbesserung der Turbinenleistung indem sie ein Befestigungselement für eine Leitschaufelanordnung bereitstellen, das in die Turbine eingeleitete betriebliche Belastungen merklich reduziert. Insbesondere ist ein Befestigungselement beschrieben, das bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine erste Konfiguration aufweist und bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung eine zweite Konfiguration aufweist. Das Befestigungselement spannt eine Leitschaufel bezüglich eines Turbinengehäuses radial vor, wenn es in der ersten Konfiguration ist, und verwandelt sich bei einer höheren Betriebstemperatur in eine zweite Konfiguration, um betriebliche Belastungen von dem Befestigungselement und dem Gehäuse weg und auf eine Kontaktfläche zu bringen, an der ein Leitschaufelhaken das Gehäuse berührt. Im Gegensatz zu bekannten Turbinen, die Abstandsstücke verwenden, um betriebliche Belastungen zu reduzieren, ermöglichen die hierin beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren deshalb eine Reduktion der Zeitdauer und der Schwierigkeit bei der Montage von Leitschaufelanordnungen, und sie ermöglichen eine Reduktion der betrieblichen Belastungen und Kosten, die mit den Leitschaufelanordnungen verbunden sind, und ermöglichen eine Ankopplung an der Leitschaufelbasis, um dynamische Belastungen in dem Schwalbenschwanz zu reduzieren.
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Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel können Komponenten eines jeden Systems und/oder Schritte eines jeden Verfahrens unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten angewendet und/oder umgesetzt werden. Zusätzlich kann jede Komponente und/oder jeder Schritt auch mit anderen Vorrichtungen und Verfahren angewendet und/oder umgesetzt werden.
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Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung mit in den Rahmen und Umfang der Ansprüche fallenden Modifikationen ausgeführt werden kann.
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Eine Leitschaufelanordnung enthält wenigstens eine stationäre Leitschaufel und einen Außenring, der eine vordefinierte Form aufweist. Der Außenring enthält wenigstens eine darin definierte Nut, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Abschnitt der wenigstens einen stationären Leitschaufel aufzunehmen. Die Leitschaufelanordnung enthält ferner ein Befestigungselement, das zwischen der stationären Leitschaufel und dem Außenring eingekoppelt ist. Das Befestigungselement weist eine erste Konfiguration bei einer ersten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung und eine zweite Konfiguration bei einer zweiten Betriebstemperatur der Leitschaufelanordnung auf. TEILELISTE:
| Dampfturbine | 10 |
| Turbinenstufe | 12 |
| Rotor | 14 |
| Gehäuse | 16 |
| Obere Gehäusehälfte | 18 |
| HD-Dampfeinlass | 20 |
| HD-Abschnitt | 21 |
| ND-Dampfauslass | 22 |
| Mittelachse | 24 |
| Wellenlager | 26 |
| Wellenlager | 28 |
| Rotierende Wellenendabschnitte | 30 |
| Dichtungselement | 31 |
| Dichtungselement | 34 |
| Dichtungselement | 36 |
| Laufschaufel | 38 |
| Dampf | 40 |
| Statorkomponente | 42 |
| Innenmantel | 44 |
| Dampfkanal | 46 |
| Einlassleitapparate | 48 |
| Leitschaufelanordnung | 100 |
| Ring | 110 |
| Obere Ringhälfte | 112 |
| Ringnut | 114 |
| Untere radial äußere Nut | 115 |
| Leitschaufel | 120 |
| Erster Endabschnitt der Leitschaufel | 122 |
| Zweiter Endabschnitt der Leitschaufel | 124 |
| Erster stromaufwärtiger Hakenabschnitt | 128 |
| Zweiter stromaufwärtiger Hakenabschnitt | 129 |
| Erster stromabwärtiger Hakenabschnitt | 130 |
| Zweiter stromabwärtiger Hakenabschnitt | 131 |
| Laufschaufel | 132 |
| Kopplungsabschnitt | 140 |
| Bogenförmige Nut | 150 |
| Befestigungselement | 152 |
| Rotorfläche | 180 |
| Rotornut | 182 |
| Dichtungsstreifen | 184 |
| Wandabschnitt | 200 |
| Einsatzende | 202 |
| Proximales Ende | 204 |