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EP2196628A1 - Leitschaufelträger - Google Patents

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Publication number
EP2196628A1
EP2196628A1 EP08021446A EP08021446A EP2196628A1 EP 2196628 A1 EP2196628 A1 EP 2196628A1 EP 08021446 A EP08021446 A EP 08021446A EP 08021446 A EP08021446 A EP 08021446A EP 2196628 A1 EP2196628 A1 EP 2196628A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
volume
vane carrier
carrier
gas
guide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08021446A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roderich Bryk
Sascha Dr. Dungs
Martin Hartmann
Uwe Kahlstorf
Karl Dr. Klein
Oliver Dr. Lüsebrink
Mirko Milazar
Nicolas Savilius
Oliver Dr. Schneider
Shilun Dr. Sheng
Vadim Shevchenko
Gerhard Simon
Norbert Thamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP08021446A priority Critical patent/EP2196628A1/de
Publication of EP2196628A1 publication Critical patent/EP2196628A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
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    • F05D2240/14—Casings or housings protecting or supporting assemblies within
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/11—Iron
    • F05D2300/111—Cast iron
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties

Definitions

  • the invention relates to a guide vane carrier, in particular for a gas or steam turbine, which is manufactured in a casting process. It further relates to a method of manufacturing a vane carrier.
  • Gas or steam turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel or superheated steam is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
  • the fuel is burned in a combustion chamber, wherein compressed air is supplied by an air compressor.
  • the steam turbine steam generated by a steam generator is supplied.
  • the working medium under high pressure and high temperature is then passed through a downstream turbine unit, where it relaxes to perform work.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
  • For guiding the flow of the working medium in the turbine unit also commonly associated between adjacent blade rows with the turbine housing and combined into rows of guide vanes are arranged.
  • vanes are fixed in each case via a blade root, also referred to as a platform, on a guide vane carrier of the turbine unit.
  • this vane support is usually conical or cylindrical in shape and consists of an upper and a lower segment, the z. B. are interconnected via flanges.
  • the guide vane carrier or its upper and lower segment is often manufactured as a one-piece casting made of heat-resistant steel.
  • the cast steel allows a relatively simple production with good temperature resistance of the vane support.
  • the invention is based on the object of specifying a guide vane carrier and a method for producing a vane carrier, which, with particularly low production costs, permits a particularly good heat resistance and a particularly high degree of flexibility with regard to the choice of material.
  • the vane carrier is made of different materials by volume.
  • the invention is based on the consideration that a particularly good heat resistance of the guide blade carrier would be achieved if the comparatively strongly thermally loaded volume regions of the guide blade carrier would consist of a particularly temperature-resistant material such as heat-resistant steel. For large volume ranges of the vane carrier, the temperature resistance of such a high quality material is not required.
  • the guide vane carrier has a temperature profile which has comparatively small areas with high temperatures and a larger rear area with lower temperatures. High temperatures occur in the region of the entanglement of the vanes and the ring segments arranged between the vanes feet, since these components cause a local heat input in the region of their attachment. Based on the realization that a particularly heat-resistant material is not required outside of these areas, a reduction in production costs and a conservation of resources could be achieved by using a different material. This can be achieved by virtue of the fact that the guide vane carrier is made of different materials by volume.
  • the most temperature-resistant of the materials is arranged in a volume range provided for a higher thermal load. This ensures that the guide blade carrier can not be damaged by penetration of working fluid from the hot gas or steam channel or by direct heat input at the attachment points of the vanes, since then a corresponding temperature-resistant material such as heat-resistant steel is provided here. Conversely, this means that in areas designed for lower thermal stress, a less temperature-resistant material is used. This allows savings in terms of material costs.
  • the intended for a higher thermal load volume range is a hot gas duct and / or a combustion chamber facing portion of the vane support.
  • the highest temperatures occur at the outlet of the combustion chamber. Therefore, particularly temperature-resistant material should be arranged here in particular.
  • the region of the guide blade carrier facing the hot gas channel ie in the case of a cylindrical or conical guide blade carrier, is the one Inside, subjected to much higher temperatures than the outside. Therefore, particularly temperature-resistant materials should be used here.
  • the partially different materials of the vane carrier ideally already connect by pouring.
  • at least two volume regions are advantageously connected in a form-fitting manner. This can, for example, by introducing a corresponding contour in the areas, for example in the manner of a tongue and groove connection, a dovetail connection or the like. or additional connection segments e.g. be provided with appropriate connecting bolts between the areas. This ensures a particularly good cohesion of the different volume ranges of the vane carrier.
  • a volume range of the guide vane carrier made of cast iron with nodular graphite also called spheroidal graphite iron. It is an iron-carbon alloy with a carbon content higher than 2.06%. Unlike steel, carbon is precipitated in the form of non-metallic graphite.
  • spheroidal graphite cast iron has a lower thermal load than heat-resistant steel, it can be produced relatively inexpensively and is easy to process. In the case of a vane carrier consisting of regions of different materials, it can therefore be used in particular in the areas of the vane carrier designed for a lower thermal load, and thus a significantly more cost-effective production can be achieved without sacrificing the stability of the vane carrier.
  • the invention is achieved by casting a first region of the vane carrier from a first material, and then a second volume region of the vane carrier from a first volume region different material is poured into the first volume range.
  • the guide blade carrier is partially flexible adaptable to the different thermal loads in the interior of the gas turbine and it can be used in a lower thermal stress areas cheaper materials, while in higher thermally stressed areas find relatively high-quality materials application.
  • a secure connection of the different areas can be achieved directly during the casting.
  • the already explained measures such as an additional positive connection can be provided by corresponding introduced grooves.
  • such a vane carrier is used in a gas or steam turbine and such a gas or steam turbine in a gas and steam turbine power plant.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a flexible adaptation of the guide vane carrier to the temperature profile present in a gas or steam turbine is possible by the design of a guide vane with partially different materials, without losing the integral design of the vane carrier and its advantages over a Abandon construction with several axial segments.
  • the component is cost-optimized. The higher the thermal requirements for the gas or steam turbine rise, which is to be expected more and more in the future, the higher the cost savings through this method. Optimized use of the materials used also increases procurement flexibility.
  • FIG. 1 shows in detail a longitudinal section through a vane carrier 1.
  • the vane support 1 is usually conical or cylindrical in shape and consists of two segments, an upper and a lower segment, the z. B. are interconnected via flanges. Only the section through the upper segment is shown here.
  • the guide vane carrier 1 shown comprises a number of fastening elements 2 for the guide vanes and ring segments for sealing the hot gas channel.
  • the lower one, ie in Fig. 1 shown below area of the fasteners 2 is the hot gas or steam channel facing region of the vane support 1 and is therefore subjected to higher temperatures than the upper, ie in Fig. 1 area shown above.
  • the combustion chamber of the gas turbine is provided in the figure on the left side of the vane support 1, so that higher temperatures prevail here than in areas lying further to the right.
  • the vane support 1 is partially made of different materials.
  • a first volume region 4 which comprises the outflow-side end of the hot gas or steam channel and possibly the combustion chamber remote areas of the hot gas channel, which are acted upon by comparatively lower temperatures, the guide vane carrier is made of cast iron with nodular graphite or ductile iron. In these areas, a comparatively high-quality cast steel is not required, since lower temperatures prevail here.
  • the guide blade carrier 1 is made of heat-resistant cast steel in a second volume region 6.
  • This second volume region 6 is cast directly onto the first volume region 4, so that in this respect a dimensionally stable connection is formed.
  • the second volume region 6 is provided at the inlet end of the hot gas or steam channel.
  • the contours of the volume ranges can now be adapted to the temperature profile prevailing on the guide blade carrier 1.
  • the second volume region 6 which is made of heat-resistant cast steel, further extended in the direction away from the working medium inlet areas. This may be desirable at particularly high temperatures present in a gas turbine (a line 8 shows here later in FIG. 4 shown cross section).
  • FIG. 3 Another embodiment is in FIG. 3 shown.
  • form-fitting connections here in the form of dovetail connections 10
  • dovetail connections are provided between the volume regions.
  • connections for example in the manner of a tongue and groove connection be provided.
  • Corresponding recesses can for example be introduced after the casting of the first volume region 4 and are then filled directly during the casting of the second volume region 6.
  • FIG. 4 shows the guide blade carrier in cross-section, ie axial normal section, as shown by the line 8 in FIG. 2 marked.
  • the FIG. 4 shows that the higher volume material second volume region 6 is not continued into the areas of the flanges 12, with which the lower and upper segments of the vane support 1 are connected, but only the thermally highly loaded, inner part lined. Accordingly, the first volume region 4 is arranged outside.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the vane support 1.
  • GJS-400 ductile iron
  • G17CrMoV5-10 or GX12CrMoVNbN9-1 high-strength cast steel
  • an annular connecting part 14 is also provided between the volume regions, which produces a positive connection. This can be fastened, for example, with bolts on the cast steel of the second volume region 6.
  • FIG. 6 and 7 and FIGS. 8 and 9 show by way of example the step of the casting process of the vane carrier 1 FIG. 6 and 8th is first to see the first volume area 4 of a less heat-resistant material, which is poured in a rough contour. In this case, corresponding recesses for the second volume region 6 and other volume regions 16 left, in which a comparatively more heat-resistant material is poured.
  • FIG. 9 shows that it can be specifically addressed to the respective operating requirements in terms of heat resistance of the individual regions of the vane support 1 and possibly only small volume ranges of the highly heat-resistant and expensive material must be made, which allows a resource-saving and less expensive production of the vane support 1, without thereby having to compromise in terms of operational safety and durability, for example, a gas or steam turbine to accept.
  • a gas turbine 101 as in FIG. 10 has a compressor 102 for combustion air, a combustion chamber 104 and a turbine unit 106 for driving the compressor 102 and a generator, not shown, or a working machine.
  • the turbine unit 106 and the compressor 102 are arranged on a common turbine shaft 108, also referred to as turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 109.
  • the combustor 104 which is in the form of an annular combustor, is equipped with a number of burners 110 for combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine unit 106 has a number of rotatable blades 112 connected to the turbine shaft 108.
  • the blades 112 are annularly disposed on the turbine shaft 108 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine unit 106 includes a number fixed stator vanes 114 also annularly attached to a vane support 1 of the turbine unit 106 to form rows of vanes.
  • the blades 112 serve to drive the turbine shaft 108 by momentum transfer from the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • the vanes 114 serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
  • a successive pair of a ring of vanes 114 or a row of vanes and a ring of blades 112 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
  • Each vane 114 has a platform 118 which is arranged to fix the respective vane 114 to a vane support 1 of the turbine unit 106 as a wall element.
  • the platform 118 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a hot gas channel for the turbine unit 106 flowing through the working medium M.
  • Each blade 112 is fastened to the turbine shaft 108 in an analogous manner via a platform 119, also referred to as a blade root.
  • a ring segment 121 is respectively arranged on a guide vane carrier 1 of the turbine unit 106.
  • the outer surface of each ring segment 121 is also exposed to the hot, the turbine unit 106 flowing through the working medium M and spaced in the radial direction from the outer end of the opposed blades 112 through a gap.
  • the arranged between adjacent rows of stator ring segments 121 serve in particular as cover that protect the inner housing in the guide blade carrier 1 or other housing-mounting components from thermal overload by the turbine 106 flowing through the hot working medium M.
  • the combustion chamber 104 is configured in the exemplary embodiment as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 110 arranged around the turbine shaft 108 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 104 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 108 around.
  • a significant cost reduction in the production of the gas turbine 101 or a steam turbine can be achieved with simultaneously high operational safety and service life.
  • the majority of the guide blade carrier 1 can be made of a much cheaper base material.

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Abstract

Ein Leitschaufelträger (1), insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine (101), der in einem Gießverfahren gefertigt ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelträgers (1) sollen angegeben werden, der bzw. das bei besonders niedrigen Produktionskosten eine besonders gute Hitzebeständigkeit und eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlaubt. Dazu besteht der Leitschaufelträger (1) volumenbereichsweise aus unterschiedlichen Materialien.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leitschaufelträger, insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine, der in einem Gießverfahren gefertigt ist. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelträgers.
  • Gas- oder Dampfturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs oder überhitzten Dampfes zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Dazu wird bei der Gasturbine der Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Bei der Dampfturbine wird von einem Dampferzeuger erzeugter Dampf zugeführt. Das unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dann über eine nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.
  • Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Strömungsführung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene und zu Leitschaufelreihen zusammengefasste Leitschaufeln angeordnet.
  • Die Leitschaufeln sind dabei jeweils über einen auch als Plattform bezeichneten Schaufelfuß an einem Leitschaufelträger der Turbineneinheit fixiert. Bei stationären Gas- oder Dampfturbinen ist dieser Leitschaufelträger üblicherweise konisch oder zylindrisch geformt und besteht jeweils aus einem oberen und einem unteren Segment, die z. B. über Flansche miteinander verbunden sind.
  • Bei der Auslegung heutiger Gas- oder Dampfturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Temperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium in die Turbineneinheit einströmt. Dabei werden bei heutigen Gasturbinen Temperaturen von etwa 1.200 °C bis 1.500 °C angestrebt und auch erreicht.
  • Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um diesen hohen Temperaturen widerstehen zu können, wird der Leitschaufelträger bzw. dessen oberes und unteres Segment häufig als einteiliges Gussteil aus warmfestem Stahl gefertigt. Der Stahlguss ermöglicht eine relativ einfache Fertigung bei gleichzeitig guter Temperaturbeständigkeit des Leitschaufelträgers.
  • Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Leitschaufelträger und ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelträgers anzugeben, der bzw. das bei besonders niedrigen Produktionskosten eine besonders gute Hitzebeständigkeit und eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Materialauswahl erlaubt.
  • Bezüglich des Leitschaufelträgers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der Leitschaufelträger volumenbereichsweise aus unterschiedlichen Materialien besteht.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders gute Hitzebeständigkeit des Leitschaufelträgers erreichbar wäre, wenn die vergleichsweise stark thermisch belasteten Volumenbereiche des Leitschaufelträgers aus einem besonders temperaturbeständigen Material wie beispielsweise warmfestem Stahl bestehen würden. Für große Volumenbereiche des Leitschaufelträgers ist die Temperaturbeständigkeit eines derartig hochwertigen Werkstoffs jedoch nicht erforderlich.
  • Im Leitschaufelträger liegt nämlich ein Temperaturprofil vor, das vergleichsweise kleine Bereiche mit hohen Temperaturen sowie einen größeren, hinteren Bereich mit niedrigeren Temperaturen aufweist. Hohe Temperaturen treten im Bereich der Verhakung der Leitschaufeln und der zwischen den Leitschaufelfüßen angeordneten Ringsegmente auf, da diese Bauteile einen lokalen Wärmeeintrag im Bereich ihrer Befestigung verursachen. Ausgehend von der Erkenntnis, dass außerhalb dieser Bereiche ein besonders hitzebeständiges Material nicht erforderlich ist, könnte durch Verwendung eines anderen Materials eine Reduktion der Produktionskosten und eine Schonung von Ressourcen erreicht werden. Dies ist erreichbar, indem der Leitschaufelträger volumenbereichsweise aus unterschiedlichen Materialien besteht.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei das temperaturbeständigste der Materialien in einem für eine höhere thermische Belastung vorgesehenen Volumenbereich angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Leitschaufelträger nicht durch ein Eindringen von Arbeitsmedium aus dem Heißgas- bzw. Dampfkanal oder durch direkten Wärmeeintrag an den Befestigungsstellen der Leitschaufeln beschädigt werden kann, da dann hier ein entsprechend temperaturbeständiges Material wie beispielsweise warmfester Stahl vorgesehen ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass in für eine geringere thermische Belastung vorgesehenen Bereichen ein weniger temperaturbeständiges Material verwendet wird. Dadurch sind Einsparungen hinsichtlich der Materialkosten möglich.
  • Vorteilhafterweise ist der für eine höhere thermische Belastung vorgesehene Volumenbereich ein einem Heißgaskanal und/oder einer Brennkammer zugewandter Bereich des Leitschaufelträgers. In einer Gasturbine treten nämlich die höchsten Temperaturen am Austritt der Brennkammer auf. Daher sollte insbesondere hier besonders temperaturbeständiges Material angeordnet werden. Weiterhin ist der dem Heißgaskanal zugewandte Bereich des Leitschaufelträgers, d. h. bei einem zylindrisch oder konisch ausgebildeten Leitschaufelträger dessen Innenseite, mit wesentlich höheren Temperaturen beaufschlagt als die Außenseite. Daher sollten gerade hier besonders temperaturbeständige Materialien verwendet werden.
  • Während des Gießens des Leitschaufelträgers verbinden sich die bereichsweise unterschiedlichen Materialien des Leitschaufelträgers idealerweise bereits durch das Eingießen. Um jedoch eine besonders hohe Stabilität des Leitschaufelträgers zu erreichen, sind mindestens zwei Volumenbereiche vorteilhafterweise formschlüssig verbunden. Dies kann beispielsweise durch Einbringen einer entsprechenden Kontur in die Bereiche beispielsweise in der Art einer Feder-Nut-Verbindung, einer Schwalbenschwanzverbindung o.ä. geschehen oder es können zusätzliche Verbindungssegmente z.B. mit entsprechenden Verbindungsbolzen zwischen den Bereichen vorgesehen sein. Dadurch ist ein besonders guter Zusammenhalt der unterschiedlichen Volumenbereiche des Leitschaufelträgers gewährleistet.
  • Vorteilhafterweise besteht ein Volumenbereich des Leitschaufelträgers aus Gusseisen mit Kugelgraphit, auch Sphäroguss genannt. Dabei handelt es sich um eine Eisen-KohlenstoffLegierung mit einem Kohlenstoffgehalt höher als 2,06 %. Im Unterschied zum Stahl ist der Kohlenstoff in der Form von nicht-metallischem Graphit ausgeschieden. Zwar ist Gusseisen mit Kugelgraphit geringer thermisch belastbar als warmfester Stahl, lässt sich jedoch relativ kostengünstig herstellen und ist gut zu bearbeiten. Bei einem aus bereichsweise unterschiedlichen Materialien bestehenden Leitschaufelträger kann es daher insbesondere in den für eine geringere thermische Belastung ausgelegten Bereichen des Leitschaufelträgers verwendet werden und es kann somit eine wesentlich kostengünstigere Herstellung ohne Stabilitätseinbußen des Leitschaufelträgers erzielt werden.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Erfindung gelöst, indem ein erster Bereich des Leitschaufelträgers aus einem ersten Material gegossen wird, wobei anschließend ein zweiter Volumenbereich des Leitschaufelträgers aus einem zum ersten Volumenbereich unterschiedlichen Material in den ersten Volumenbereich eingegossen wird. Durch ein derartiges Verfahren ist der Leitschaufelträger bereichsweise flexibel an die unterschiedlichen thermischen Belastungen im Inneren der Gasturbine anpassbar und es lassen sich in für eine geringere thermische Belastung vorgesehenen Bereichen kostengünstigere Materialien verwenden, während in höher thermisch belasteten Bereichen vergleichsweise hochwertige Materialien Anwendung finden. Durch das nachträgliche Eingießen der weiteren Volumenbereiche in einen ersten Volumenbereich kann auch eine sichere Verbindung der unterschiedlichen Bereiche direkt beim Guss erreicht werden. Gegebenenfalls können die bereits erläuterten Maßnahmen wie beispielsweise eine zusätzliche formschlüssige Verbindung durch entsprechende eingebrachte Nuten vorgesehen werden.
  • Vorteilhafterweise kommt ein derartiger Leitschaufelträger in einer Gas- oder Dampfturbine sowie eine derartige Gas- oder Dampfturbine in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk zum Einsatz.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausgestaltung eines Leitschaufelträgers mit bereichsweise unterschiedlichen Materialien eine flexible Anpassung des Leitschaufelträgers an das in einer Gas- oder Dampfturbine vorliegende Temperaturprofil möglich ist, ohne dabei die integrale Bauweise des Leitschaufelträgers und deren Vorteile gegenüber einer Bauweise mit mehreren Axialsegmenten aufzugeben. Dadurch wird das Bauteil stark kostenoptimiert. Je höher dabei die thermischen Anforderungen an die Gas- oder Dampfturbine steigen, womit in Zukunft immer weiter zu rechnen ist, desto höher ist die Kosteneinsparung durch diese Methode. Durch die optimierte Nutzung der eingesetzten Werkstoffe wird zudem eine höhere Beschaffungsflexibilität erreicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • FIG 1 bis 3
    jeweils einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines Leitschaufelträgers,
    FIG 4
    einen Querschnitt durch die obere Hälfte eines Leitschaufelträgers,
    FIG 5
    wiederum einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines Leitschaufelträgers und
    FIG 6 bis 9
    einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines Leitschaufelträgers im Gießprozess, und
    FIG 10
    einen Halbschnitt durch eine Gasturbine.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • FIG 1 zeigt im Detail einen Längsschnitt durch einen Leitschaufelträger 1. Bei stationären Gas- oder Dampfturbinen ist der Leitschaufelträger 1 üblicherweise konisch oder zylindrisch geformt und besteht aus zwei Segmenten, einen oberen und einem unteren Segment, die z. B. über Flansche miteinander verbunden sind. Dabei ist hier nur der Schnitt durch das obere Segment gezeigt.
  • Der gezeigte Leitschaufelträger 1 umfasst eine Anzahl von Befestigungselementen 2 für die Leitschaufeln sowie Ringsegmente zur Abdichtung des Heißgaskanals. Der untere, d. h. in Fig. 1 unten dargestellte Bereich der Befestigungselemente 2 ist der dem Heißgas- bzw. Dampfkanal zugewandte Bereich des Leitschaufelträgers 1 und wird daher mit höheren Temperaturen beaufschlagt als der obere, d. h. in Fig. 1 oben dargestellte Bereich. Beim Einsatz in einer Gasturbine ist die Brennkammer der Gasturbine in der Abbildung auf der linken Seite des Leitschaufelträgers 1 vorgesehen, so dass hier höhere Temperaturen vorherrschen als in weiter rechts liegenden Bereichen.
  • Um gleichzeitig eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit des Leitschaufelträgers bei kostengünstiger Herstellbarkeit zu erzielen, ist der Leitschaufelträger 1 bereichsweise aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. In einem ersten Volumenbereich 4, der das ausströmseitige Ende des Heißgas- bzw. Dampfkanals und ggf. der Brennkammer abgewandten Bereiche des Heißgaskanals umfasst, die mit vergleichsweise weniger hohen Temperaturen beaufschlagt werden, ist der Leitschaufelträger aus Gusseisen mit Kugelgraphit oder Sphäroguss hergestellt. In diesen Bereichen ist ein vergleichsweise hochwertiger Stahlguss nicht erforderlich, da hier geringere Temperaturen vorherrschen.
  • Um jedoch den hohen Temperaturen am Strömungsmediumseintritt Rechnung zu tragen, ist der Leitschaufelträger 1 in einem zweiten Volumenbereich 6 aus warmfestem Stahlguss gefertigt. Dieser zweite Volumenbereich 6 ist direkt an den ersten Volumenbereich 4 angegossen, so dass insoweit eine formfeste Verbindung entsteht. Der zweite Volumenbereich 6 ist dabei am einströmseitigen Ende des Heißgas- bzw. Dampfkanals vorgesehen.
  • Die Konturen der Volumenbereiche lassen sich nun an das am Leitschaufelträger 1 vorherrschende Temperaturprofil anpassen. In FIG 2 ist der zweite Volumenbereich 6, welcher aus warmfestem Stahlguss gefertigt ist, weiter in Richtung vom Arbeitsmediumseintritt abgewandten Bereichen ausgedehnt. Dies kann bei besonders hohen vorliegenden Temperaturen in einer Gasturbine erwünscht sein (eine Linie 8 zeigt hier den später in FIG 4 gezeigten Querschnitt an).
  • Eine weitere Ausführungsform ist in FIG 3 dargestellt. Um den Formschluss des ersten Volumenbereichs 4 mit dem zweiten Volumenbereich 6 zu erhöhen, sind zwischen den Volumenbereichen formschlüssige Verbindungen, hier in Form von Schwalbenschwanzverbindungen 10 vorgesehen. Es können auch anders geartete Verbindungen z.B. in der Art einer Feder-Nut-Verbindung vorgesehen sein. Entsprechende Vertiefungen können beispielsweise nach dem Guss des ersten Volumenbereichs 4 eingebracht werden und werden dann beim Guss des zweiten Volumenbereichs 6 direkt ausgefüllt. Somit ist auch bei einer nicht vollständigen Verbindung beider Volumenbereiche im Gussprozess eine feste Verbindung garantiert.
  • FIG 4 zeigt den Leitschaufelträger im Querschnitt, d. h. Achsnormalschnitt, wie durch die Linie 8 in FIG 2 markiert. Die FIG 4 zeigt, dass der aus höherwertigem Material bestehende zweite Volumenbereich 6 nicht bis in die Bereiche der Flansche 12, mit denen das untere und obere Segment des Leitschaufelträgers 1 verbunden werden, fortgesetzt wird, sondern nur den thermisch hochbelasteten, inneren Teil auskleidet. Dementsprechend ist der erste Volumenbereich 4 außen angeordnet.
  • FIG 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Leitschaufelträgers 1. Die Trennung zwischen dem ersten Volumenbereich 4, der für vergleichsweise niedrigere Temperaturen ausgelegt ist und beispielsweise aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS-400) besteht, und dem zweiten Volumenbereich 6 aus einem hochfesten Gussstahl (G17CrMoV5-10 oder GX12CrMoVNbN9-1), verläuft dabei in der Achsnormalen. Somit ist der gesamte, der Brennkammer zugewandte Bereich des Leitschaufelträgers 1 auch an den Außenseiten aus dem hochwärmebeständigen Material gefertigt. Um auch hier eine gute formschlüssige Verbindung der beiden Volumenbereiche 4, 6 zu gewährleisten, ist ein ringförmiges Verbindungsteil 14 zwischen den Volumenbereichen angebracht, das eine formschlüssige Verbindung herstellt. Dieses kann beispielsweise mit Bolzen am Stahlguss des zweiten Volumenbereichs 6 befestigt sein.
  • Die FIG 6 und 7 sowie 8 und 9 zeigen exemplarisch die Schritt des Gussprozesses des Leitschaufelträgers 1. In FIG 6 und 8 ist zunächst der erste Volumenbereich 4 aus einem weniger hitzebeständigen Material zu sehen, der in einer Rohkontur gegossen wird. Dabei werden entsprechende Aussparungen für den zweiten Volumenbereich 6 und weitere Volumenbereiche 16 gelassen, in die ein vergleichsweise hitzebeständigeres Material eingegossen wird.
  • Anschließend wird durch mechanische Nachbearbeitung die Kontur des Leitschaufelträgers 1 im Ganzen weiterbearbeitet, wie in FIG 7 und FIG 9 ersichtlich. Hier werden dann die Befestigungsvorrichtungen 2 und weitere Konturen in den Leitschaufelträger 1 eingebracht. Der Vergleich der FIG 6 und 7 mit FIG 8 bzw. FIG 9 zeigt, dass dabei spezifisch auf die jeweiligen Betriebserfordernisse hinsichtlich der Hitzebeständigkeit der einzelnen Bereiche des Leitschaufelträgers 1 eingegangen werden kann und gegebenenfalls nur kleine Volumenbereiche aus dem hoch hitzebeständigen und teuren Material gefertigt werden müssen, was eine ressourcenschonendere und weniger kostenintensive Produktion des Leitschaufelträgers 1 ermöglicht, ohne dabei Abstriche hinsichtlich der betrieblichen Sicherheit und Lebensdauer beispielsweise einer Gas- oder Dampfturbine in Kauf nehmen zu müssen.
  • Eine Gasturbine 101, wie in FIG 10 dargestellt, weist einen Verdichter 102 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 104 sowie eine Turbineneinheit 106 zum Antrieb des Verdichters 102 und eines nicht dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbineneinheit 106 und der Verdichter 102 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 108 angeordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 109 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 104 ist mit einer Anzahl von Brennern 110 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
  • Die Turbineneinheit 106 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 108 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 112 auf. Die Laufschaufeln 112 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 108 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbineneinheit 106 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 114, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 befestigt sind. Die Laufschaufeln 112 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 108 durch Impulsübertrag vom die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 114 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 114 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 112 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
  • Jede Leitschaufel 114 weist eine Plattform 118 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 114 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 118 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbineneinheit 106 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 112 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 119 an der Turbinenwelle 108 befestigt.
  • Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 118 der Leitschaufeln 114 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Ringsegment 121 an einem Leitschaufelträger 1 der Turbineneinheit 106 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Ringsegments 121 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbineneinheit 106 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln 112 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Ringsegmente 121 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die das Innengehäuse im Leitschaufelträger 1 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 106 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.
  • Die Brennkammer 104 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 108 herum angeordneten Brennern 110 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 104 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 108 herum positioniert ist.
  • Durch die Verwendung eines Leitschaufelträgers 1 der oben angegebenen Ausgestaltung kann eine deutliche Kostenreduzierung bei der Herstellung der Gasturbine 101 oder einer Dampfturbine bei gleichzeitig hoher betrieblicher Sicherheit und Lebensdauer erreicht werden. Durch die Reduzierung des Einsatzbereiches des höherwertigen Werkstoffs auf die Bereiche des Leitschaufelträgers 1, in denen die hohen thermischen und mechanischen Belastungen wirklich auftreten, kann der Großteil des Leitschaufelträgers 1 aus einem wesentlich kostengünstigeren Basiswerkstoff hergestellt werden.

Claims (8)

  1. Leitschaufelträger (1), insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine (101), der in einem Gießverfahren gefertigt ist, wobei der Leitschaufelträger (1) volumenbereichsweise aus unterschiedlichen Materialien besteht.
  2. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 1,
    bei dem das temperaturbeständigste der Materialien in einem für eine höhere thermische Belastung vorgesehenen Volumenbereich (4, 6) angeordnet ist.
  3. Leitschaufelträger (1) nach Anspruch 2,
    bei dem der für eine höhere thermische Belastung vorgesehene Volumenbereich ein einem Heißgaskanal und/oder ein einer Brennkammer (104) zugewandter Volumenbereich (4, 6) des Leitschaufelträgers (1) ist.
  4. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mindestens zwei Volumenbereiche (4, 6) formschlüssig verbunden sind.
  5. Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Volumenbereich (4, 6) des Leitschaufelträgers (1) aus Gusseisen mit Kugelgraphit besteht.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelträgers (1), bei dem ein erster Volumenbereich (4) des Leitschaufelträgers (1) aus einem ersten Material gegossen wird, wobei anschließend ein zweiter Volumenbereich (6) des Leitschaufelträgers (1) aus einem zum ersten Volumenbereich (4) unterschiedlichen Material in den ersten Volumenbereich (4) eingegossen wird.
  7. Gas- oder Dampfturbine (101) mit einem Leitschaufelträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einem Leitschaufelträger (1), der nach dem Verfahren nach Anspruch 6 hergestellt ist.
  8. Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer Gas- oder Dampfturbine (101) nach Anspruch 7.
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