DE102004054294A1

DE102004054294A1 - Kühlsystem für Plattformkanten von Leitradsegmenten

Info

Publication number: DE102004054294A1
Application number: DE102004054294A
Authority: DE
Inventors: James Stewart Phillips; Edward Lee Mcgrath; Robert Carl Meyer; Gerald Kent Blow; Jennifer Ann Morrow
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP4513002B2; KR20050045858A; CH698297B1; JP2005140119A; KR100907958B1; US20050100437A1; DE102004054294B4; CN100507233C; US6887033B1; CN1616805A

Abstract

Zum Kühlsystem für Leitradsegmente gehört eine Kammer (46), die ein Kühlmedium enthält. Eine erste und eine zweite Langverteilerleitung (48, 70) sind entlang der sich gegenüberliegenden Seitenkanten (42, 72) jeder Plattform angeordnet. Einlasskanäle (50, 74) befördern das Kühlmedium von der Kammer in jede Verteilerleitung. Von jeder Verteilerleitung abgehende Auslasskanäle (52, 78) münden in Auslassbohrungen (54, 80) in den Seitenkanten der Plattform, um den Spalt zwischen benachbarten Leitradsegmenten zu kühlen. Mit jeder Verteilerleitung verbundene Durchgänge (56, 84) münden in Filmkühlbohrungen, um die Plattformflächen filmzukühlen. In jeder Verteilerleitung sind die Einlasskanäle so angeordnet, dass das Kühlmedium durch diese nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle und die Durchgänge strömt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Kühlsystem für die Leitradsegmente einer Gasturbine und im Besonderen ein Kühlsystem zum Kühlen der benachbarten Kanten der inneren und der äußeren Plattform von nebeneinander liegenden Leitradsegmenten, die ringförmig um die Turbinenachse angeordnet sind.

In Gasturbinen sind ringförmige Leitradanordnungen auf der Strömungsstrecke des Heißgases platziert, um den Gasstrom so zu abzulenken und zu beschleunigen, dass die Turbinenschaufeln die optimale Leistung erzielen. Die erste Stufe einer Turbine enthält beispielsweise eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Leitschaufeln, die im Allgemeinen radial zwischen den inneren und äußeren ringförmigen Bändern verlaufen, deren Aufgabe es ist, den Gastrom ringförmig zu begrenzen, wenn das Gas die verschiedenen Stufen der Turbine durchströmt. Eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Turbinenschaufeln, die auf dem Turbinenrotor montiert sind, liegen entlang einer Achse stromab der ringförmigen Leitradanordnung und bilden zusammen mit den Leiträdern eine Turbinenstufe. Die Leiträder beispielsweise der ersten Turbinenstufe setzen sich üblicherweise aus Leitradsegmenten zusammen. Jedes Leitradsegment weist eine innere Plattform und eine äußere Plattform sowie mindestens eine Schaufel auf, die zwischen den Plattformen angeordnet ist. Die Leitradsegmente sind deckungsgleich und in Umfangsrichtung angeordnet. Insbesondere die innere und die äußere Plattform jedes Leitradsegments sind in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit den inneren bzw. äußeren Plattformen von benachbarten Segmenten an geordnet. In dieser Anordnung werden zwischen benachbarten Segmenten Spalte entlang der Plattformkanten gebildet. Dem Stand der Technik entsprechend wurden Plattformkanten entweder gar nicht, durch Filmkühlung von angrenzenden Leitradsegmenten oder durch Langbohrungen gekühlt, die von einer großen Prallkühlungsvertiefung im Leitradsegment zu den Spalten zwischen den Leitradsegmenten verlaufen. Die Wirkung der zum Kühlen der Plattformkante von einem angrenzenden Leitradsegment ausgehenden Filmkühlung wird jedoch gemindert, wenn der Kühlfilm den Spalt zwischen den Leitradsegmenten überquert. Werden von einer Prallkühlungsvertiefung ausgehende Langbohrungen genutzt, ist die Konvektionskühlung der Kante durch die Bohrungen eher diskret statt kontinuierlich und dadurch weniger effektiv.

Bei bestimmten, dem Stand der Technik entsprechenden Bauarten von Leitradsegmenten sind die sich gegenüberliegenden Plattformkanten so konfiguriert, dass die Spalte zwischen den Leitradsegmenten parallel zum Heißgasstromvektor ausgerichtet sind. Die perfekte Ausrichtung der sich gegenüberliegenden Kanten der Leitradsegmente ist jedoch infolge von fertigungsspezifischen und thermodynamischen Problemen schwer zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Es ist nachvollziehbar, dass sich die Grenzschichten des Heißgashauptstroms entlang der Plattformflächen ablösen können, wenn der Spalt zwischen den Segmenten nicht parallel zur Strömungsrichtung liegt. Eine Ablösung der Grenzschicht an den sich gegenüberliegenden Kanten der Plattformen resultiert in einer Spitze beim Wärmeübergang im Bereich der Plattformkante sowie in einer Minderung der Kühlwirkung jedes Filmkühlmediums, das den Spalt überquert.

Ungeachtet der Tatsache, dass es wünschenswert ist, die Spalte zwischen den Segmenten parallel zum Strömungsvektor auszurichten, ist es aus anderen Gründen vorteilhaft, Leitradplattformkanten bereitzustellen, die allgemein parallel zur Rotorachse verlaufen. Dadurch kann der Ausbau der Leiträder erfolgen, ohne dass die obere Hälfte des Turbinengehäuses abgenommen werden muss, was eine kostengünstigere und flexiblere Wartung ermöglicht. Infolgedessen liegt der Spalt zwischen den Segmenten stromab von der Leitschaufel nicht parallel zur Hauptströmung. Durch diese Bauart werden Plattformverformungen stärker berücksichtigt, die neben einem Versatz der Plattformkanten von benachbarten Leitradsegmenten verursachen würden, dass die Hauptströmung eine springende Stufe "sieht". Folglich sind die allgemein parallel zur Turbinenachse verlaufenden Kanten der Plattformen von Leitradsegmenten auf Grund der Grenzschichtablösung starker thermischer Beanspruchung ausgesetzt. Dementsprechend hat es sich als wünschenswert herausgestellt, ein Kühlsystem bereitzustellen, das die Probleme minimiert oder beseitigt, die im Vorangegangenen im Zusammenhang mit dem Kühlen der Kanten von Leitradsegmenten genannt wurden, in denen die Kanten allgemein parallel zur Turbinenachse angeordnet sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Langverteilerleitung entlang mindestens einer Kante und vorzugsweise entlang beider Kanten sowohl der inneren als auch der äußeren Plattformvorgesehen. Jede Verteilerleitung verfügt über eine Anzahl von Zuführungs- oder Einlasskanälen, die mit der Quelle eines Kühlmediums, z. B. Kompressorabluft, verbunden sind. Die Zuführungskanäle sind entlang der Langverteilerleitung in einem bestimmten Abstand zueinander mit der Verteilerleitung verbunden. Entlang jeder Verteilerleitung ist in einem bestimmten Abstand zueinander eine Anzahl von Auslasskanälen mit der jeweiligen Verteilerleitung verbunden, die in einer entsprechenden Seitenkante der Plattform in Auslassöffnungen münden, die entlang dieser Kante in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Zusätzliche Durchgänge stehen in Verbindung mit der Verteilerleitung und münden in eine Vielzahl von Filmkühlbohrungen in der Plattformfläche, die der Strömungsstrecke des Heißgases ausgesetzt ist. Das den Filmkühlbohrungen von der Verteilerleitung zugeführte Kühlmedium filmkühlt somit die Plattformflächen, die der Strömungsstrecke des Heißgases ausgesetzt sind.

Die von jeder Verteilerleitung ausgehenden Auslasskanäle und Durchgänge sind so angeordnet, dass es durch keinen Einlasskanal zu einer direkten Strömung entlang der Sichtlinie zu den Auslasskanälen und Durchgängen kommt. Infolgedessen prallt das Kühlmedium auf die Wände jeder Verteilerleitung und sorgt so an den Kanten der Plattform für eine zusätzliche interne Konvektionskühlung. Darüber hinaus sorgen die Zuführungskanäle über die gesamte Länge der Verteilerleitung für einen im Wesentlichen gleichmäßigen Kühlmitteldruck und -strom, so dass statt einer diskreten vielmehr eine kontinuierliche Kühlwirkung erzielt wird. Als Folge dieser Anordnung werden die Kanten der Plattformen wie folgt gekühlt: (i) auf Grund der Nähe der Verteilerleitung zu der gekühlten Kante sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion, (ii) durch das Kühlmedium, das durch die Auslasskanäle strömt, die unter der Kante entlang laufen und an den Auslassöffnungen in den Spalt zwischen den Segmenten münden, (iii) auf Grund des Fehlens einer direkten Strömung entlang der Sichtlinie von den Einlasskanälen zu den Auslasskanälen durch das Aufprallen des zugeführten Kühlmediums im Innern der Verteilerleitung, und (iv) durch Filmkühlung. In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leitradsegment für eine Turbine mit einer Achse bereitgestellt, das eine innere und eine äußere Plattform sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel umfasst, wobei die Plattformen Folgendes aufweisen: allgemein parallel zur Achse verlaufende Seitenkanten, ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen, umfassend eine Kühlmediumquelle, eine erste entlang mindestens einer der Seitenkanten der einen Plattform verlaufende Langverteilerleitung, eine Vielzahl von Einlasskanälen, die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der Verteilerleitung mit diesem verbunden sind, eine Vielzahl von Auslasskanälen, die entlang der Verteilerleitung in einem bestimmten Abstand zueinander mit diesem verbunden sind und in einer Seitenkante der einen Plattform in Auslassöffnungen münden, die entlang dieser Kante in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie Durchgänge, die in Verbindung mit der Verteilerleitung und einer Vielzahl von Filmkühlbohrungen stehen, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen, wobei die Einlasskanäle, die Auslasskanäle und die Durchgänge so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die Einlasskanäle nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle und die Durchgänge strömt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Turbine mit einer Achse eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Achse angeordneten Leitradsegmenten, umfassend jeweils eine innere und eine äußere Plattform sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel, wobei die Plattformen allgemein paral lel zur Achse verlaufende Seitenkanten aufweisen, die allgemein in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit den Seitenkanten von Plattformen benachbarter Leitradsegmente angeordnet sind, sowie ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen jedes Segments, das Folgendes umfasst: eine Kühlmediumquelle, eine erste entlang mindestens einer der Seitenkanten der einen Plattform verlaufende Langverteilerleitung, eine Vielzahl von Einlasskanälen, die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Vielzahl von Auslasskanälen, die entlang der Verteilerleitung in einem bestimmten Abstand zueinander mit dieser verbunden sind und in einer Seitenkante der einen Plattform in Auslassöffnungen münden, die entlang dieser Kante in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um das Strömen des Kühlmediums zu der Seitenkante einer Plattform eines benachbarten Leitradsegments zu ermöglichen, sowie Durchgänge, die in Verbindung mit der Verteilerleitung und einer Anzahl von Filmkühlbohrungen stehen, die entlang einer Fläche der Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen, wobei die Einlasskanäle, die Auslasskanäle und die Durchgänge so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die Einlasskanäle nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle und die Durchgänge strömt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leitradsegment für eine Turbine mit einer Achse vorgesehen, das eine innere und eine äußere Plattform sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel umfasst, wobei die Plattformen Folgendes aufweisen: sich gegenüberliegende Seitenkanten an der Saugseite bzw. an der Druckseite der Leitschaufel, ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen, umfassend eine Kühlmedi umquelle, eine erste und eine zweite Langverteilerleitung, die jeweils entlang der sich gegenüberliegenden Seitenkanten der einen Plattform verlaufen, eine Vielzahl von ersten und zweiten Einlasskanälen, die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der ersten bzw. der zweiten Verteilerleitung mit diesen verbunden sind, eine Vielzahl von ersten und zweiten Auslasskanälen, die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der ersten bzw. der zweiten Verteilerleitung mit diesen verbunden sind und in der entsprechenden der sich gegenüberliegenden Seitenkante der einen Plattform in beabstandeten Auslassöffnungen münden, sowie eine Vielzahl von ersten und zweiten Durchgängen, die die erste bzw. die zweite Verteilerleitung mit einer Vielzahl von Filmkühlbohrungen verbinden, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen, wobei die erste und die zweite Verteilerleitung entlang den entsprechenden Seitenkanten der Plattform verlaufen, die an die Saugseite bzw. die Druckseite der Leitschaufel grenzt, und wobei die erste Verteilerleitung einen geringeren Abstand zu einer Seitenkante der auf der Saugseite der Leitschaufel liegenden Plattform aufweist als die zweite Verteilerleitung zu der Seitenkante der auf der Druckseite der Leitschaufel liegenden Plattform.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt in einer schematischen Teilansicht einen Abschnitt einer dreistufigen Turbine dar, der in einem Leitrad der ersten Stufe ein Kühlsystem für Plattformkanten eines Leitradsegments gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Leitradsegments des Leitrads der ersten Stufe.
3 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht, die sich gegenüberliegende Seitenkanten einer Plattform und eine Schaufel eines Leitradsegments von der Saugseite darstellt.
4 ist eine 3 ähnliche Ansicht, in der die Plattformoberfläche entfernt wurde, um das Kühlsystem innerhalb der Plattform zu veranschaulichen.
5 ist eine perspektivische Ansicht der inneren Plattform, die zur Veranschaulichung des Kühlsystems ohne ihre Oberfläche dargestellt wird.
6 ist eine perspektivische Ansicht Druckseite der inneren Plattform, die zur Veranschaulichung des Kühlsystems ohne ihre Oberfläche dargestellt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen und zunächst im Besonderen auf 1 Bezug genommen, in der ein Schnitt durch eine mehrstufige Turbine dargestellt ist, die allgemein durch die Referenznummer 10 gekennzeichnet wird und einen Rotor 12 mit den Laufrädern 14, 16 und 18 enthält. Auf den Laufrädern 14, 16 und 18 sind die entsprechenden Turbinenschaufeln 20, 22 und 24 entlang der Heißgasströmungsstrecke der Turbine montiert. Die Leiträder der ersten, zweiten und dritten Turbinenstufe werden gleichermaßen veranschaulicht und durch die Leitschaufeln 26, 28 bzw. 30 dargestellt. Es ist nachvollziehbar, dass die Leitschaufeln 26, 28 und 30 die Heißgase verwirbeln und beschleunigen, um die Turbinenschaufeln und den Rotor um die Achse 32 der Turbine zu drehen.
In 2 bestehen die Leiträder der ersten Stufe aus einer Vielzahl von Leitradsegmenten 34, die jeweils eine innere Plattform 36 und eine äußere Plattform 38 aufweisen, zwischen denen mindestens eine Leitschaufel 26 angeordnet ist. Es ist nachvollziehbar, dass die Leitradsegmente 34 ringförmig um die Turbinenachse angeordnet sind, wobei die sich gegenüberliegenden Kanten jeder inneren und äußeren Plattform in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit benachbarten Kanten von inneren bzw. äußeren Plattformen angrenzender Segmente angeordnet sind. Folglich decken sich die sich gegenüberliegenden Kanten der inneren Plattform 36 in Umfangsrichtung mit benachbarten Kanten angrenzender Segmente und bilden dadurch einen Spalt zwischen den Segmenten. Gleichermaßen weist die äußere Plattform 38 sich gegenüberliegende Kanten auf, die sich in Umfangsrichtung mit entsprechenden Kanten angrenzender Segmente decken und dadurch Spalte zwischen den Segmenten bilden. Wie aus einer Prüfung der Zeichnungen ersichtlich ist, sind die Spalte zwischen den Leitradsegmenten gerade, d. h. sie verlaufen allgemein parallel zur Turbinenachse, sodass der Ausbau der Leiträder erfolgen kann, ohne dass die obere Hälfte des Turbinengehäuses abgenommen werden muss. Es ist nachvollziehbar, dass die Kanten der Plattformen, insbesondere hinter der Leitschaufel 26, starken thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind und daher ein intelligentes Kühlsystem benötigen. Die Kühlsystem in der inneren und in der äußeren Plattform sind symmetrisch, sodass eine Beschreibung des Kühlsystems der einen Plattform als Beschreibung des Kühlsystems der anderen Plattform genügt.
In den 4 und 5 wird die innere Plattform 36 veranschaulicht, die entlang einer Saugseite des Leitradsegments eine Kante 42 aufweist. Die saug- und druckseitigen Kanten der Plattformen entsprechen somit den Seitenkanten, die der Saug- bzw. der Druckseite der Leitschaufel 26 am nächsten liegen. Jede Plattform enthält eine Quelle für ein Kühlmedium, wie z. B. Verdichterabluft, das einer Kammer 46 zugeführt wird, die innerhalb der Plattform allgemein zentral angeordnet ist. Die Kammer 46 führt das Kühlmedium verschiedenen Leitradabschnitten zu und ist Teil des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kühlsystems.
Das in diesem Dokument beschriebene Kühlsystem enthält eine erste Verteilerleitung 48, die allgemein parallel zu der saugseitigen Kante 42 der Plattform und unterhalb der Plattformfläche verläuft, die dem Heißgas auf der Strömungsstrecke für Heißgas ausgesetzt ist. Die Verteilerleitung 48 ist an beiden Enden geschlossen. Die Verteilerleitung kann entweder vollständig zusammen mit dem Leitrad in einer Form gegossen werden oder gebohrt und dann an einem Ende verschlossen werden. Die kegelförmigen vergrößerten Verteilerleitungsenden, die in den 5 und 6 dargestellt sind, passen die Verteilerleitung für die Aufnahme eines nicht dargestellten Verschlusses an. Die Verteilerleitung 48 wird mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Es ist nachvollziehbar, dass die Verteilerleitung statt eines kreisförmigen einen anderen Querschnitt, beispielsweise einen rechteckigen oder einen anderen Querschnitt, aufweisen kann. Eine Anzahl erster Einlasskanäle 50 befördert das Kühlmedium von der Kammer 46 in die Verteilerleitung 48. Die ersten Einlasskanäle 50 weisen einen bestimmten Abstand zueinander auf und sind entlang der Verteilerleitung 48 allgemein im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird das Kühlmedium der ersten Verteilerleitung 48 zugeführt und hält in der Verteilerleitung 48 über deren gesamten Länge einen relativ konstanten Druck aufrecht. Eine Vielzahl erster Auslasskanäle 52 sind, wie dargestellt, entlang der Verteilerleitung 48 in einem bestimmten Abstand zueinander mit der Verteilerleitung 48 verbunden und münden in Auslassöffnungen 54 in der Seitenkante 42 der Plattform. Die Auslasskanäle 52 sind allgemein im gleichen Abstand zueinander entlang der Verteilerleitung angeordnet, und die Auslassöffnungen 54 sind gleichermaßen im gleichen Abstand zueinander entlang der Seitenkante 42 der Plattform angeordnet.
Darüber hinaus befördern Durchgänge 56 das Kühlmedium vom Verteilerleitungen 48 zu Filmkühlbohrungen 58, die in der Plattformoberfläche ausgebildet sind, um die der Heißgasströmungsstrecke ausgesetzte Fläche filmzukühlen. Die Einlasskanäle 50, die Auslasskanäle 52 und die Durchgänge 56 sind so angeordnet, dass das Kühlmedium beim Strömen in die Verteilerleitung 48 nicht direkt entlang der Sichtlinie durch die Einlasskanäle 50 in die Auslasskanäle 52 und die Durchgänge 56 strömt. Dies bewirkt eine Prallkühlung der Verteilerleitungsflächen, was eine verbesserte innenseitige Konvektionskühlung ermöglicht. Es ist nachvollziehbar, dass die Nähe des Kühlmediums zu der Verteilerleitung 48 die Kühlung der Plattformseitenkante 42 durch Wärmeleitung und Konvektion ermöglicht. Zusätzlich übertragen die Auslasskanäle 52 und die Auslassöffnungen 54 das Kühlmedium zwischen benachbarten Plattformen in den Spalt zwischen den Segmenten und sorgen so für die Kühlung der Seitenkante des benachbarten Leitradsegments. Es ist nachvollziehbar, dass die Filmkühlbohrungen 58 auf der Saugseite der Plattform so angeordnet sind, dass sie das Filmkühlmedium allgemein in die Richtung der entlang der Plattform verlaufenden Strömung leiten, d. h., sie sind ent lang der allgemeinen Richtung der Schaufelsaugseite angeordnet.
In 6 ist eine zweite Verteilerleitung 70 dargestellt, die allgemein parallel zu der gegenüberliegenden Seitenkante 72 der Plattform 36, d. h. parallel zur druckseitigen Kante 72 der Plattform, angeordnet ist. Die Verteilerleitung 70 weist einen größeren Abstand zur gegenüberliegenden Seitenkante 72 der Plattform auf als die erste Verteilerleitung 48 zu der Seitenkante 42. Die Verteilerleitung 70 ist an ihren sich gegenüberliegenden Enden geschlossen und kann ähnlich wie die Verteilerleitung 48 konfiguriert werden. Ähnlich wie auf der Saugseite ist eine Anzahl von zweiten Einlasskanälen 74, die von der zentralen Kammer 46 des Leitradsegments kommen, entlang der zweiten Verteilerleitung 70 in einem bestimmten Abstand zueinander mit der Verteilerleitung 70 verbunden, um der Verteilerleitung 70 das Kühlmedium von der Kammer 46 zuzuführen. Gleichermaßen befördert eine Vielzahl von zweiten Auslasskanälen 78 das Kühlmedium von der zweiten Verteilerleitung 70 zu zweiten Auslassöffnungen 80, die entlang der Seitenkante 72 der Plattform angeordnet sind. Die Auslassöffnungen 80 und Durchgänge 78 sind jeweils allgemein im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Schließlich verbinden zweite Durchgänge 82 die zweite Verteilerleitung 70 und eine Anzahl von Filmkühlbohrungen 84, die entlang der druckseitigen Plattformfläche angeordnet sind. Die Filmkühlbohrungen 84 sind so ausgerichtet, dass sie das Filmkühlmedium allgemein in die Strömungsrichtung der Heißgase hinter die Schaufel leiten. Folglich leiten die zweiten Filmkühlbohrungen 84 das Kühlmedium über den Spalt zwischen den Segmenten, um einen Bereich der Austrittskante des benachbarten Leitradsegments filmzukühlen.
Um das Auftreten von Thermal Spikes (thermischen Spitzen) oder ein Abreißen der Strömung zwischen der Druckseite der Plattform und der Saugseite der gegenüberliegenden Plattform zu minimieren, wird gemäß der Darstellung in den 2 und 3 ein Plattformkantenbereich 88 gegenüber der Austrittskante und entlang der saugseitigen Kante der Plattform leicht unter das Höhenniveau der angrenzenden Bereiche 90 (2) der auf der Strömungsstrecke des Heißgases liegenden Plattformfläche gesenkt. Infolgedessen liegt ein Bereich der saugseitigen Austrittskante der Plattform auf dem gleichen oder unter dem Höhenniveau der druckseitig verlaufenden Kante einer benachbarten Plattform, sodass ein Thermal Spike entlang der saugseitigen Kante und jedes Abreißen der gekrümmten Strömung zwischen benachbarten Leitradsegmenten vermieden wird.
Angesichts des im Vorangegangenen beschriebenen Kühlschemas ist es nachvollziehbar, dass die Nähe des Kühlmediums zu der ersten und der zweiten Verteilerleitung jeder Plattform die Kühlung der Plattformkanten durch Wärmeleitung und Konvektion ermöglicht. Darüber hinaus ermöglichen die zweiten Filmkühlbohrungen 84 die Filmkühlung entlang der stromab liegenden druckseitigen Bereiche des Segments sowie entlang der Saugseite des benachbarten Segments. Die Filmkühlbohrungen 58 filmkühlen die Plattformfläche entlang der Saugseite des Segments. Die ersten und zweiten Kühlbohrungen 54 und 80 liegen genau unter der Plattformfläche, die der Strömungsstrecke des Heißgases ausgesetzt ist, und leiten das Kühlmedium zur Kühlung der Kanten in den Spalt zwischen den Segmenten. Schließlich ist die Anordnung der Einlasskanäle gegenüber den Auslasskanälen und Durchgängen derartig konzipiert, dass eine direkte Strömung des Kühlmediums entlang der Sichtlinie nicht auftreten kann, sodass eine verbesserte Kühlung der Kanten durch Wärmeleitung und Konvektion möglich ist.
Zum Kühlsystem für Leitradsegmente gehört eine Kammer 46, die ein Kühlmedium enthält. Eine erste und eine zweite Langverteilerleitung 48, 70 sind entlang der sich gegenüberliegenden Seitenkanten 42, 72 jeder Plattform angeordnet. Einlasskanäle 50, 74 befördern das Kühlmedium von der Kammer in jede Verteilerleitung. Von jeder Verteilerleitung abgehende Auslasskanäle 52, 78 münden in Auslassbohrungen 54, 80 in den Seitenkanten der Plattform, um den Spalt zwischen benachbarten Leitradsegmenten zu kühlen. Mit jeder Verteilerleitung verbundene Durchgänge 56, 84 münden in Filmkühlbohrungen, um die Plattformflächen filmzukühlen. In jeder Verteilerleitung sind die Einlasskanäle so angeordnet, dass das Kühlmedium durch diese nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle und die Durchgänge strömt.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die derzeit für die praktischste und bevorzugte Ausführungsform erachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die dargelegte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen einschließt, die dem Geist und dem Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche entsprechen.

10: Schnitt durch eine mehrstufige Turbine
12: Rotor
14, 16, 18: Laufräder
20, 22, 24: Turbinenschaufeln
26, 28, 30: Leitschaufeln
32: Achse
34: Leitradsegmente
36: Innere Plattform
38: Äußere Plattform
42: Kante
46: Kammer
48, 70: Verteilerleitungen
50: Einlasskanäle
52, 78: Auslasskanäle
54, 80: Auslassöffnungen
56, 82: Durchgänge
58, 84: Filmkühlbohrungen
72: Kante
74: Einlasskanäle
88: Plattformkantenbereich
90: Bereiche

Claims

Leitradsegment (34) für eine Turbine mit einer Achse (32), das Folgendes umfasst: eine innere und eine äußere Plattform (36, 38) sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel (40), wobei die Plattformen Folgendes aufweisen: allgemein parallel zur Achse verlaufende Seitenkanten (42, 72); ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen, umfassend eine Kühlmediumquelle (46), eine erste entlang mindestens einer der Seitenkanten (42, 72) der einen Plattform verlaufende Langverteilerleitung (48, 70), eine Vielzahl von Einlasskanälen (50, 74), die von der Quelle (46) kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der Verteilerleitung (48, 70) mit dieser verbunden sind, eine Vielzahl von Auslasskanälen (52,78), die entlang der Verteilerleitung in einem bestimmten Abstand zueinander mit dieser verbunden sind und in der einen Seitenkante (42, 72) der einen Plattform in Auslassöffnungen (54, 80) münden, die entlang dieser Kante in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie Durchgänge (56, 82), die in Verbindung mit der Verteilerleitung und einer Vielzahl von Filmkühlbohrungen (58, 84) stehen, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei die Einlasskanäle (50, 74), die Auslasskanäle (52, 78) und die Durchgänge (56, 82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die Einlasskanäle (50, 74) nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle (52, 78) und die Durchgänge (56, 82) strömt.
Leitradsegment nach Anspruch 1, bei dem die Leitschaufel (40) eine Druckseite sowie eine Saugseite aufweist und in dem das Kühlsystem Folgendes umfasst: eine zweite Langverteilerleitung (70), die entlang einer gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform verläuft, eine Vielzahl von zweiten Einlasskanälen (74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Vielzahl von zweiten Auslasskanälen (78), die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung (70) mit dieser verbunden sind und in der gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform in zweiten Auslassöffnungen (80) münden, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie zweite Durchgänge (82), die die zweite Verteilerleitung (70) mit einer Anzahl von Filmkühlbohrungen (84) verbinden, die entlang einer Fläche der Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei die zweiten Einlasskanäle (74), die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die zweiten Einlasskanäle (74) nicht direkt entlang der Sichtlinie in die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) strömt, und wobei die erste Verteilerleitung (48) entlang der Seitenkante an der Saugseite der Leitschaufel verläuft und einen geringeren Abstand zu der einen Kante (42) der einen Plattform aufweist als die zweite Verteilerleitung (70) entlang der gegenüberliegenden Seitenkante (72) auf der Druckseite der Leitschaufel zu der gegenüberliegenden Kante der einen Plattform.
Leitradsegment nach Anspruch 1, bei dem die Leitschaufel eine druckseitige sowie eine saugseitige Fläche aufweist und in dem das Kühlsystem Folgendes umfasst: eine zweite Langverteilerleitung (70), die entlang einer gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform verläuft, eine Anzahl von zweiten Einlasskanälen (74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Anzahl von zweiten Auslasskanälen (78), die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung (70) mit dieser verbunden sind und in der gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform in zweiten Auslassöffnungen (80) münden, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie zweite Durchgänge (82), die die zweite Verteilerleitung (70) mit einer Anzahl von zweiten Filmkühlbohrungen (84) verbinden, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei die zweiten Einlasskanäle (74), die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die zweiten Einlasskanäle (74) nicht direkt entlang der Sichtlinie in die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) strömt, und wobei die zuerst erwähnten Filmkühlbohrungen (58) so ausgerichtet sind, dass sie das Kühlmedium zur Filmkühlung entlang der Plattformfläche in eine Richtung strömen lassen, die allgemein parallel zur saugseitigen Flächen der Leitschaufel liegt.
Leitradsegment nach Anspruch 1, bei dem die Leitschaufel eine Druckseite sowie eine Saugseite aufweist und in dem das Kühlsystem Folgendes umfasst: eine zweite Langvertei lerleitung (70), die entlang einer gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform verläuft, eine Anzahl von zweiten Einlasskanälen (74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Anzahl von zweiten Auslasskanälen (78), die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung (70) mit dieser verbunden sind und in der gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform in zweiten Auslassöffnungen (80) münden, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie zweite Durchgänge, die die zweite Verteilerleitung mit einer Anzahl von zweiten Filmkühlbohrungen (84) verbinden, die entlang einer Fläche der Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei die zweiten Einlasskanäle (74), die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die zweiten Einlasskanäle (74) nicht direkt entlang der Sichtlinie in die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) strömt, und wobei die zweiten Filmkühlbohrungen (84) entlang der Plattformfläche auf der Druckseite der Leitschaufel zur gegenüberliegenden Kante der Plattform ausgerichtet sind.
Leitradsegment nach Anspruch 1, bei dem die erste Verteilerleitung (48) an deren sich gegenüberliegenden Enden geschlossen ist.
Leitradsegment nach Anspruch 1, bei dem die Leitschaufel eine Druckseite sowie eine Saugseite aufweist und in dem das Kühlsystem Folgendes umfasst: eine zweite Langverteilerleitung (70), die entlang einer gegenüberliegenden Seiten kante der einen Plattform verläuft, eine Vielzahl von zweiten Einlasskanälen (74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Anzahl von zweiten Auslasskanälen (78), die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind und in der gegenüberliegenden Seitenkante der einen Plattform in zweiten Auslassöffnungen (80) münden, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie zweite Durchgänge (82), die die zweite Verteilerleitung mit einer Anzahl von zweiten Filmkühlbohrungen (84) verbinden, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei die zweiten Einlasskanäle (74), die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die zweiten Einlasskanäle nicht direkt entlang der Sichtlinie in die zweiten Auslasskanäle und die zweiten Durchgänge strömt, und wobei ein Bereich der Fläche der einen Plattformkante, der an die eine Seitenkante (88) auf der Saugseite der Leitschaufel grenzt, unter das Höhenniveau der übrigen Flächenbereiche der einen Plattform gesenkt wird.
In einer Turbine mit einer Achse (32) ist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Achse angeordneten Leitradsegmenten (34) angeordnet, die jeweils eine innere und eine äußere Plattform (36, 38) sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel (40) enthalten, wobei die Plattformen allgemein parallel zur Achse verlaufende Seitenkanten (42, 72) aufweisen, die allgemein in Umfangsrichtung und deckungsgleich mit den Seitenkanten von Plattformen benachbarter Leitradsegmente angeordnet sind; und wobei ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen jedes Segments Folgendes umfasst: eine Kühlmediumquelle (46), eine erste entlang mindestens einer der Seitenkanten (42, 72) der einen Plattform verlaufende Langverteilerleitung (48, 70), eine Anzahl von Einlasskanälen (50, 74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Anzahl von Auslasskanälen (52, 78), die entlang der Verteilerleitung in einem bestimmten Abstand zueinander mit dieser verbunden sind und in einer Seitenkante der einen Plattform in Auslassöffnungen (54, 80) münden, die entlang dieser Kante in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um das Strömen des Kühlmediums zu der Seitenkanten einer Plattform eines benachbarten Leitradsegments zu ermöglichen, sowie Durchgänge (56, 82), die in Verbindung mit der Verteilerleitung und einer Anzahl von Filmkühlbohrungen (58, 84) stehen, die entlang einer Fläche der Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen, wobei die Einlasskanäle (50, 74), die Auslasskanäle (52, 78) und die Durchgänge (56, 82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die Einlasskanäle nicht direkt entlang der Sichtlinie in die Auslasskanäle und die Durchgänge strömt.
Turbine nach Anspruch 7, bei der jedes Segment eine Leitschaufel (40) mit einer Druckseite sowie einer Saugseite aufweist und in dem das Kühlsystem für jedes Segment Folgendes umfasst: eine zweite Langverteilerleitung (70), die entlang einer gegenüberliegenden Seitenkante (72) der einen Plattform verläuft, eine Anzahl von zweiten Einlasskanä len (74), die von der Quelle kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung mit dieser verbunden sind, eine Anzahl von zweiten Auslasskanälen (78), die in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der zweiten Verteilerleitung (70) mit dieser verbunden sind und in der gegenüberliegenden Seitenkante der einen Plattform in zweiten Auslassöffnungen (80) münden, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um das Kühlmedium zur Seitenkante einer Plattform eines weiteren benachbarten Segments strömen zu lassen, sowie zweite Durchgänge (82), die dir zweite Verteilerleitung (70) mit einer Anzahl von Filmkühlbohrungen (84) verbinden, die entlang einer Fläche der Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen, wobei die zweiten Einlasskanäle (74), die zweiten Auslasskanäle (78) und die zweiten Durchgänge (82) so angeordnet sind, dass das Kühlmedium durch die zweiten Einlasskanäle nicht direkt entlang der Sichtlinie in die zweiten Auslasskanäle und die zweiten Durchgänge strömt.
Leitradsegment (34) für eine Turbine mit einer Achse (32), umfassend eine innere und eine äußere Plattform (36, 38) sowie mindestens eine zwischen diesen angeordnete Leitschaufel (40), wobei die Plattformen Folgendes aufweisen: gegenüberliegende Seitenkanten (42, 72), die an die Saugseite bzw. die Druckseite der Leitschaufel angrenzen; ein Kühlsystem für mindestens eine der Plattformen, umfassend eine Kühlmediumquelle (46), eine erste und eine zweite entlang den gegenüberliegenden Seitenkanten der einen Plattform verlaufende Langverteilerleitung (48, 70), eine An zahl von ersten und zweiten Einlasskanälen (50, 74), die von der Quelle (46) kommend in einem bestimmten Abstand zueinander entlang der ersten und der zweiten Verteilerleitung (48, 70) mit diesen verbunden sind, eine Anzahl von ersten und zweiten Auslasskanälen (52, 78), die entlang der Verteilerleitungen in einem bestimmten Abstand zueinander mit diesen verbunden sind und in den entsprechenden der Seitenkanten (42, 72) der einen Plattform in Auslassöffnungen (54, 80) münden, die entlang dieser Kanten in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, sowie eine Anzahl von ersten und zweiten Durchgängen (56, 82), die in Verbindung mit der ersten bzw. der zweiten Verteilerleitung und einer Anzahl von Filmkühlbohrungen (58, 84) stehen, die entlang einer Fläche der einen Plattform angeordnet sind, um das Kühlmedium zuzuführen und die Plattformfläche filmzukühlen; wobei das erste und das zweite Verteilerleitung (48, 70) entlang den entsprechenden Seitenkanten der Plattform verlaufen, die an die Saugseite bzw. die Druckseite der Leitschaufel grenzt, und wobei die erste Verteilerleitung (48) einen geringeren Abstand zu einer Seitenkante (42) der auf der Saugseite der Leitschaufel liegenden Plattform aufweist als die zweite Verteilerleitung (70) zu der Seitenkante der auf der Druckseite der Leitschaufel liegenden Plattform.
Leitradsegment nach Anspruch 9, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Verteilerleitung an den sich gegenüberliegenden Enden geschlossen ist.