DE102008002890A1

DE102008002890A1 - Wechselseitig gekühltes Turbinenleitrad

Info

Publication number: DE102008002890A1
Application number: DE102008002890A
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee; Robert Joseph West Chester Orlando
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2008-12-24
Also published as: GB2450405A; JP2009002340A; CA2633787A1; GB0810919D0; CN101328814A; US20080317585A1; US7836703B2; JP5311892B2; CN101328814B; GB2450405B

Abstract

Ein Turbinenleitrad (20) weist mit äußeren und inneren Deckbändern (40, 42) verbundene erste und zweite Leitschaufeln (36, 38) auf. Die Leitschaufeln (36, 38) weisen Außenseiten (50, 52), die axiale Trennlinien enthaltende äußere Strömungskanäle (60) definieren, und gegenüberliegende Innenseiten (52, 50) auf, die einen inneren Strömungskanal (58) ohne axiale Trennlinie definieren. Die zwei Leitschaufeln (36, 38) weisen unterschiedliche Kühlkreisläufe (62, 64) zur unterschiedlichen Kühlung der inneren und äußeren Leitschaufelseiten (50, 52) auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und speziell Turbinen in diesen.
In einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter mit Druck beaufschlagt und zur Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt. Den Gasen wird in einer Hochdruckturbine (High Pressure Turbine, HPT), die den Verdichter antreibt, Energie entzogen.
In einer Niederdruckturbine (Low Pressure Turbine, LPT) wird zusätzlich Energie entzogen, die einen stromaufwärts angeordneten Bläser in einer Ausführung eines Flugzeug-Mantelstromtriebwerks oder eine externe Antriebswelle für Anwendungen in der Schifffahrt und Industrie antreibt.
Die moderne Brennkammer ist ringförmig und enthält radiale äußere und innere Brennkammerwände, die sich von einem vorderen Dom stromabwärts erstrecken, um eine ringförmige Verbrennungszone zu definieren. Eine Reihe Brennstoffinjektoren und mit diesen zusammenwirkende Luftdrallerzeuger sind in dem Dom montiert, um mit Luft zerstäubte Brennstoffstrahlen abzugeben, die zum Erzeugen der Verbrennungsgase auf geeignete Weise gezündet werden.
Die Brennstoffinjektoren sind in Umfangsrichtung, üblicherweise in gleichmäßiger Verteilung voneinander beabstandet, und erzeugen entsprechend heiße Verbrennungsgassträhnen, die stromabwärts zum Auslass der ringförmigen Brennkammer strömen.
Die maximale Verbrennungsgastemperatur wird entlang der Mitte jeder heißen Strähne erreicht, und die Verbrennungsgastempera tur nimmt entsprechend von der Mittellinie jeder heißen Strähne radial nach außen hin ab, d. h. sowohl radial zwischen den äußeren und inneren Brennkammerwänden als auch entlang dem Umfang der Brennkammer zwischen den in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten heißen Strähnen.
Das resultierende Temperaturmuster der Verbrennungsgase am Auslass der ringförmigen Brennkammer variiert sowohl radial zwischen den äußeren und inneren Wänden als auch in Umfangsrichtung zwischen den heißen Strähnen, wobei die eine niedrigere Temperatur aufweisenden Gase zwischen den heißen Strähnen in der Regel als kalte Strähnen bezeichnet werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Strähnen kann mehrere hundert Grad betragen und wirkt sich auf die Leistung und den Betrieb der stromabwärts angeordneten Turbinenkomponenten aus.
Genauer gesagt werden die aus dem Brennkammerauslass abgegebenen Verbrennungsgase zuerst von dem HPT-Turbinenleitrad der ersten Stufe empfangen, das die Gase zu der nachfolgenden Reihe Turbinenrotorschaufeln der ersten Stufe leitet, die entlang dem Umfang eines Laufrads montiert sind. Das Turbinenleitrad weist eine Reihe hohler Leitschaufeln auf, die radial zwischen entsprechenden äußeren und inneren Deckbändern montiert sind.
Das Leitrad ist üblicherweise in Umfangsrichtung in einer gängigen Konfiguration aus Leitrad-Doppeleinheiten mit zwei Leitschaufeln segmentiert, die integral in entsprechenden äußeren und inneren Deckbandsegmenten montiert sind.
Das ringförmige Leitrad ist daher in Umfangsrichtung durch axiale Trennlinien in entsprechenden Endflächen der äußeren und inneren Deckbänder der Leitrad-Doppeleinheiten unterteilt. Außerdem weisen die Endflächen in der Regel Schlitze zur Montage von Keilringdichtungen auf, welche die Kontinuität des Turbinenleitrads in Umfangsrichtung aufrechterhalten und das Leitrad gegen den Verlust interner Kühlluft abdichten.
Die Anzahl der Leitschaufeln in der vollständigen Reihe ist deutlich größer als die Anzahl der Brennstoffinjektoren in der Brennkammer und ist im Allgemeinen kein ganzzahliges Vielfaches von diesen. In der relativen Anordnung der Brennkammer zum Turbinenleitrad ist die relative Umfangsposition der Brennstoffinjektoren zu den Anströmkanten der Leitschaufelreihe variabel.
Die von den Brennstoffinjektoren während des Betriebs erzeugten heißen Strähnen sind daher in Umfangsrichtung ausgerichtet oder von Schaufel zu Schaufel anders oder zufällig relativ positioniert und setzen die Schaufeln deshalb während des Betriebs unterschiedlichen Wärmelasten aus. Die heißen Strähnen tauchen die Leitschaufeln in Verbrennungsgase mit maximaler Temperatur, wohingegen die in Umfangsrichtung intervenierenden kalten Strähnen die Leitschaufeln in relativ kühlere Verbrennungsgase tauchen.
Demnach wird das Turbinenleitrad entlang dem Umfang für gewöhnlich gleichförmig konstruiert und weist, beispielsweise in der typischen Doppeleinheit-Konfiguration, im Wesentlichen identische Leitschaufeln und Deckbandsegmente auf. Deshalb enthält die Doppeleinheit-Leitradkonfiguration eine gerade Anzahl Leitschaufeln, d. h. zwei identische Leitschaufeln pro Doppeleinheit.
Die Leitschaufeln haben das typische sichelförmige Profil mit allgemein konkaven Druckseiten und allgemein konvexen Saugseiten, die sich axial in Sehnenrichtung zwischen einander gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten erstrecken. Die Leitschaufeln in jeder Doppeleinheit definieren zwischen sich einen inneren Strömungskanal, wobei die Schaufeln zwischen Doppeleinheiten äußere Strömungskanäle definieren, die die entsprechenden axialen Trennlinien aufweisen.
Die inneren und äußeren Leitradkanäle verjüngen sich in stromabwärtiger Richtung zu einem minimalen Strömungsquerschnitt, der in der Regel an der Abströmkante einer Leitschaufel definiert ist, die senkrecht zu der Saugseite der benachbarten Leitschaufel angeordnet ist.
Die Verbrennungsgase werden in der Regel in einem schiefen Umfangswinkel in die stromabwärtige Reihe Turbinenrotorschaufeln abgegeben, die das tragende Laufrad in Richtung der Schaufelsaugseiten relativ zu den Schaufeldruckseiten drehen.
Jede Leitrad-Doppeleinheit enthält daher eine Führungsleitschaufel, an welchen die Turbinenschaufeln als erstes vorbeiziehen, und eine Folgeleitschaufel, an welchen die Turbinenschaufeln während der Drehung als zweites vorbeiziehen.
Die kalten und heißen Strähnen aus der Brennkammer werden in Axialrichtung durch die Strömungskanäle des Turbinenleitrads geleitet, so dass die Turbinenrotorschaufeln gleichermaßen in die abwechselnden heißen und kalten Strähnen getaucht werden, was sich ebenfalls auf ihre Leistung während des Betriebs auswirkt.
Daher sind die Leitschaufeln und Turbinenrotorschaufeln in der Regel in jeder ihrer jeweiligen Reihen identisch und enthalten in der Regel identische Kühlkreisläufe für ihre unterschiedlichen Umgebungen. Sowohl die Leit- als auch die Rotorschaufeln nutzen einen Teil der aus dem Verdichter abgeführten Druckluft, um ihre entsprechenden Schaufelblätter zu kühlen, damit die gewünschte Nutzlebensdauer des Triebwerks während des Betriebs erreicht wird.
Da die aus dem Verdichter abgeführte Luft nicht in der Brennkammer genutzt wird, wird der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks gemindert. Zur Maximierung des Triebwerkswirkungsgrads sollte die Menge der aus dem Verdichter abgeführten Kühlluft deshalb minimiert werden.
Die Leitschaufeln und Rotorschaufeln müssen jedoch gemäß der herkömmlichen Praxis konstruiert werden, damit sie in jeder ihrer Reihen identisch gekühlt werden, um die Schaufelblätter vor den Maximaltemperaturen und Wärmelasten der von der Brennkammer erzeugten heißen Strähnen ungeachtet der deutlich niedrigeren Temperatur der kalten Strähnen zu schützen, die sich während des Betriebs mit den heißen Strähnen abwechseln.
Daher ist es erwünscht, ein verbessertes Turbinenleitrad zu schaffen, das zur Verbesserung der Leistung des Gasturbinentriebwerks an die heißen und kalten Strähnen in den Verbrennungsgasen angepasst ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Turbinenleitrad weist mit äußeren und inneren Deckbändern verbundene erste und zweite Leitschaufeln auf. Die Leitschaufeln weisen Außenseiten, die axiale Trennlinien enthaltende äußere Strömungskanäle definieren, und gegenüberliegende Innenseiten auf, die einen inneren Strömungskanal ohne axiale Trennlinie definieren. Die zwei Schaufeln weisen unterschiedliche Kühlkreisläufe zur unterschiedlichen Kühlung der inneren und äußeren Leitschaufelseiten auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung gemäß bevorzugter und exemplarischer Ausführungsformen wird zusammen mit ihren weiteren Zielen und Vorteilen ausführlicher im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine Schnittansicht in axialer Richtung durch den Turbinenbereich eines Gasturbinentriebwerks.
2 ist eine entlang der Linie 22 erzeugte radiale, flächenförmige Schnittansicht der in 1 dargestellten Hochdruckturbine.
3 ist eine isometrische Explosionsansicht einer exemplarischen Leitrad-Doppeleinheit, die in dem in den 1 und 2 dargestellten Turbinenleitrad enthalten ist.
4 ist eine schematische Darstellung der Brennkammer und der in 2 dargestellten Turbine einschließlich der verschiedenen Konfigurationen der mit diesen zusammenwirkenden, Kühlkreisläufen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist ein Bereich eines Gasturbinentriebwerks 10 dargestellt, der achsensymmetrisch um eine Längs- oder axiale Mittelachse herum angeordnet ist. Das Triebwerk enthält einen mehrstufigen Axialverdichter 12, der dazu dient, Luft 14 mit Druck zu beaufschlagen.
Eine ringförmige Brennkammer 16 ist stromabwärts von dem Verdichter montiert und mischt die Druckluft 14 mit Brennstoff, der zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase 18 gezündet wird.
Die Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer in ein ringförmiges Turbinenleitrad 20 der ersten Stufe in der Hochdruckturbine abgeführt, das die Gase wiederum in eine Reihe Turbinenrotorschaufeln 22 der ersten Stufe leitet, die unmittelbar auf das Leitrad folgen. Die Turbinenschaufeln sind auf geeignete Weise am Umfang eines tragenden Laufrads befestigt, das wiederum mit dem Rotor des Verdichters 12 verbunden ist, der während des Betriebs von den Turbinenschaufeln angetrieben wird.
Die zu einem Teil dargestellte Niederdruckturbine ist stromabwärts von der Hochdruckturbine angeordnet und weist zusätzliche Rotorschaufeln auf, die in einer Flugzeugtriebwerk-Konfiguration der Turbine in der Regel einen stromaufwärtigen Fan (nicht dargestellt) antreiben. In anderen Ausführungsformen kann die Niederdruckturbine eine externe Antriebswelle für Anwendungen in der Schifffahrt und Industrie antreiben.
Die in 1 dargestellte Brennkammer weist eine radiale äußere Brennkammerwand 24 und eine koaxiale, radiale innere Brennkammerwand 26 auf, die dazwischen eine ringförmige Verbrennungszone definieren. Die Wände erstrecken sich von einem ringförmigen Dom 28 stromabwärts und sind auf geeignete Weise in einem umschließenden Brennkammergehäuse montiert.
Der Brennkammerdom 28 weist eine Reihe Brennstoffinjektoren 30 auf, die sich durch mit ihnen zusammenwirkende Luftdrallerzeuger 32 erstrecken, die ein zerstäubtes Gemisch aus Brennstoff und Luft innerhalb der Brennkammer bereitstellen, das dann auf geeignete Weise gezündet wird, um während des Betriebs die heißen Verbrennungsgase 18 zu erzeugen.
Die in 1 dargestellte ringförmige Brennkammer 16 weist an ihrem stromabwärtigen hinteren Ende einen ringförmigen Auslass 34 auf, durch den die heißen Verbrennungsgase 18 während des Betriebs abgegeben werden. Die Reihe Brennstoffinjektoren 30 ist am stromaufwärtigen oder vorderen Domende der Brennkammer angeordnet, wobei die einzelnen Injektoren entlang dem Domumfang gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
In den während des Betriebs in der Brennkammer 18 erzeugten Verbrennungsgasen treten daher in Axialrichtung direkt hinter den einzelnen Brennstoffinjektoren 30 relativ heiße Strähnen auf, während entsprechend relativ kühlere Verbrennungsgassträhnen in Umfangsrichtung dazwischen angeordnet sind. Die heißen und kalten Strähnen strömen daher stromabwärts durch das Turbinenleitrad 20 und dann durch die erste Reihe Turbinenrotorschaufeln 22 die ihnen Energie entziehen, um das tragende Laufrad zu drehen und den Verdichter anzutreiben.
Das erstmals in 1 dargestellte ringförmige Turbinenleitrad 20 ist in den 2 und 3 detaillierter und im Zusammenspiel mit der stromaufwärtigen Brennkammer und den stromabwärtigen Turbinenschaufeln dargestellt. Das Leitrad 20 weist eine Reihe im Wechsel angeordneter erster und zweiter Leitschaufeln 36, 38 auf, die vorzugsweise paarweise in Leitrad-Doppeleinheiten angeordnet sind. Die zwei Leitschaufeln in jeder Doppeleinheit erstrecken sich radial zwischen äußeren und inneren Deckbändern 40, 42, die in Umfangsrichtung gewölbt sind und gemeinsam den Gesamtumfang des Leitrads definieren.
Die zwei Schaufeln und Deckbandsegmente können in einem einheitlichen Gussteil integral ausgeformt oder separat gefertigt und auf geeignete Weise, beispielsweise durch Hartlöten, zusammengefügt werden, um eine einheitliche Komponente des Leitrads zu bilden.
Das ringförmige Leitrad ist umlaufend durch entsprechende axiale Trennlinien 44 segmentiert, die durch entsprechende Endflächen 46 an den sich gegenüberliegenden Umfangsenden der äußeren und inneren Deckbänder 40, 42 in jeder Doppeleinheit definiert sind.
3 stellt zwei der Endflächen 46 mit darin ausgebildeten Schlitzen dar, in denen konventionelle Keilringdichtungen 48 eingesetzt werden, die in der Anordnung von 2 dargestellt sind. Demnach definiert die gesamte Reihe aus Leitrad-Doppeleinheiten und Leitschaufeln ein vollständig ringförmiges Turbinenleitrad, das umlaufend durch die entsprechenden Trennlinien in den äußeren und inneren Deckbändern segmentiert ist, wobei die in diese eingesetzten Keilringdichtungen 48 dazu dienen, die Kontinuität des Leitrads in Umfangrichtung aufrechtzuerhalten.
In der Reihe im Wechsel angeordneter erster und zweiter Leitschaufeln 36, 38, die in 2 dargestellt sind, weisen die Leitschaufeln identische aerodynamische Profile auf und definieren zwischen sich im Wesentlichen identische Strömungskanäle. Beispielsweise weist jede der Leitschaufeln 36, 38 eine im Allgemeinen konkave Druckseite 50 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende, im Allgemeinen konvexe Saugseite 52 auf, die sich axial in Sehnenrichtung zwischen einander gegenüberliegenden Anström- und Abströmkanten 54, 56 erstrecken. Die gegenüberliegenden Seiten jeder Schaufel erstrecken sich in Spannweitenrichtung über die radiale Höhe des Leitrads zwischen den äußeren und inneren Deckbändern 40, 42.
Jede in 2 dargestellte Leitrad-Doppeleinheit weist nur die zwei Leitschaufeln 36, 38 auf, die mit ihren entsprechenden gewölbten Deckbändern 40, 42 integral verbunden sind. Die ebenfalls in 2 dargestellte Reihe Turbinenschaufeln 22 dreht sich während des Betriebs, wobei deren entsprechende konvexe Saugseite deren gegenüberliegender konkaver Druckseite vorauseilt.
Auf diese Weise fungiert die erste Leitschaufel 36 in jeder Doppeleinheit als vorauseilende oder Führungsschaufel, über welche die Turbinenschaufeln während der Drehung zuerst hinwegziehen, während die zweite Leitschaufel 38 in jedem Leitradsegment als nachfolgende oder Folgeschaufel fungiert.
Die Druckseite 50 der ersten Leitschaufel 36 ist der gegenüberliegenden Saugseite 52 der zweiten Leitschaufel 38 direkt zugewandt und definiert in Umfangsrichtung dazwischen mit den Deckbändern einen inneren Strömungskanal 58 ohne Trennlinie. Die zwei gegenüberliegenden Leitschaufelseiten, die den inneren Strömungskanal 58 definieren, werden daher auch als innere Schaufelseiten bezeichnet.
Dementsprechend sind die Saugseite 52 der ersten Leitschaufel 36 und die Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel 38 in Umfangsrichtung nach außen den entsprechenden Endflächen 46 und axialen Trennlinien 44 der nächsten benachbarten Leitrad-Doppeleinheiten zugewandt. Auf diese Weise wirkt die Saugseite 52 der ersten Leitschaufel 36 mit der Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel an der nächsten Doppeleinheit derart zusammen, dass mit den Deckbändern entsprechende äußere Strömungskanäle 60 zwischen den einzelnen Leitrad-Doppeleinheiten definiert werden, die die entsprechenden axialen Trennlinien 44 einschließen.
Die Saugseite 52 der ersten Leitschaufel und die Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel in jeder Doppeleinheit bilden deshalb äußere Leitschaufelseiten und zusammen mit den entsprechenden inneren und äußeren Deckbändern entsprechende der äußeren Strömungskanäle, die die Trennlinien 44 enthalten, während die inneren Strömungskanäle 58 innerhalb jeder Doppeleinheit frei von jeder axialen Trennlinie sind.
Eine deutliche Verbesserung der Leistung des in 2 dargestellten Turbinenleitrads 20 lässt sich durch die in Umfangsrichtung erfolgende Ausrichtung oder Relativpositionierung der einzelnen Brennstoffinjektoren 30 der Brennkammer zu entsprechenden der äußeren Strömungskanäle 60 erreichen. Dementsprechend wird keiner der Brennstoffinjektoren 30 in Umfangsrichtung auf einen der inneren Strömungskanäle 58 in der vollständigen Reihe der Leitrad-Doppeleinheiten ausgerichtet oder relativ zu diesem positioniert.
Diese Clocking-Konfiguration zwischen der Reihe Brennstoffinjektoren 30, die während des Betriebs die heißen Strähnen erzeugen, und der Reihe Leitschaufeln 36, 38 erlaubt eine bevorzugte Kühlung der einzelnen Leitschaufeln mit unterschiedlicher Leistung, sodass die vom Verdichter abgeführte begrenzte Kühldruckluftmenge besser genutzt wird.
Genauer gesagt hat jede der ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 einen entsprechenden ersten und zweiten Kühlkreislauf 62, 64 zur bevorzugten Kühlung der Leitschaufelseiten. Die zwei Kühlkreisläufe 62, 64 können gemeinsame Merkmale aufweisen, sind aber auf geeignete Weise unterschiedlich modifiziert, um die verschiedenen Seiten der verschiedenen ersten und zweiten Leitschaufeln, welche die inneren Strömungskanäle ohne die axialen Trennlinien zwischen ihnen begrenzen, auf andere Weise zu kühlen als die äußeren Schaufelseiten, welche die äußeren Strömungskanäle 60 zwischen Leitradsegmenten begrenzen, welche die axialen Trennlinien 44 enthalten.
Genauer gesagt sind die ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 vorzugsweise so konfiguriert, dass eine wechselseitige Kühlung an den Außenseiten 50, 52 der Leitschaufeln 36, 38 statt an den Innenseiten 50, 52 derselben Leitschaufeln bewirkt wird.
Zur Verbesserung der Zusammenwirkung mit den heißen und kalten Strähnen aus der Brennkammer werden die ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 vorzugsweise so konfiguriert, dass bei jedem Leitradsegment oder jeder Doppeleinheit an den Außenseiten der Leitschaufeln eine stärkere Kühlung bewirkt wird als an deren Innenseiten. Insbesondere wird der erste Kühlkreislauf 62 auf geeignete Weise so konfiguriert, dass er über der äußeren Saugseite 52 der an die Endfläche 46 und die Trennlinie angrenzenden ersten Leitschaufel 36 für mehr Kühlung sorgt als der zweite Kühlkreislauf 64 über der inneren Saugseite 52 der zweiten Leitschaufel 38.
Entsprechend ist der zweite Kühlkreislauf 64 vorzugsweise so konfiguriert, dass er über der äußeren Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel 38 in der Nähe der entsprechenden Endfläche 46 und Trennlinie für mehr Kühlung sorgt als der erste Kühlkreislauf 62 über der inneren Druckseite 50 der ersten Leitschaufel 36.
Wie beispielsweise in 2 dargestellt, bewirken der erste und der zweite Kühlkreislauf 62, 64, dass die einzelnen Leitschaufeln 36, 38 an ihren entsprechenden Außenseiten 50, 52 von der Anströmkante 54 bis zu der Abströmkante 56 stärker gekühlt werden als an ihren Innenseiten 50, 52 zwischen den Anström- und Abströmkanten.
Abgesehen von der geeigneten Modifizierung der unterschiedlichen ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 entsprechend der vorauseilenden ersten Schaufel 36 und der nachfolgenden zweiten Schaufel 38 kann die exemplarische Ausführungsform des in den 2 und 3 dargestellten Turbinenleitrads hinsichtlich der Konfiguration und des Betriebs ansonsten konventionell sein.
Beispielsweise enthalten die Basiskühlkreisläufe 62, 64 im vorderen und hinteren Teil jeder Schaufel zwei radiale Strömungskanäle im vorderen und hinteren Teil jeder Leitschaufel, die durch eine unperforierte Brücke zwischen den sich gegenüberliegenden Leitschaufelseiten voneinander getrennt sind. Kühldruckluft 14 wird auf geeignete Weise aus dem Verdichter abgeführt und durch die äußeren und inneren Deckbänder in das Innere der zwei Leitschaufeln jeder Doppeleinheit geleitet.
Die erste Leitschaufel 36 kann ein erstes Paar Prallleitbleche 66, 68 aufweisen, die in entsprechenden der vorderen und hinteren Strömungskanäle angeordnet sind. Die zweite Leitschaufel 38 weist ein entsprechendes zweites Paar Prallleitbleche 70, 72 in ihrem vorderen und hinteren Strömungskanal auf.
Die vorderen Prallleitbleche 66, 70 können bis auf ihre Strömungseigenschaften identisch sein. Die hinteren Prallleitbleche 68, 72 können bis auf ihre Strömungseigenschaften ebenfalls identisch sein. Die Prallleitbleche weisen entsprechende Anordnungen kleiner Prallkühlungslöcher 74 auf, die auf geeignete Weise so modifiziert werden können, dass die unterschiedliche Kühlleistung in den ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 erreicht wird.
Darüber hinaus weist jede der ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 zudem durch beide Seiten 50, 52 jeder Leitschaufel entsprechende Anordnungen konventioneller Filmkühlungslöcher 76 auf, die ebenfalls dazu dienen können, die Kühlleistung jeder Leitschaufel auf bevorzugte Weise zu modifizieren.
Des Weiteren können die exponierten Flächen der äußeren und inneren Deckbänder 40, 42 sowie die Druck- und Saugseiten 50, 52 der ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 mit einer konventionellen Wärmedämmschicht 78 überzogen sein, die wiederum auf geeignete Weise modifiziert ist, um die Wärmedämmung und die damit verbundene Kühlung der Leitschaufeln 36, 38 zu steuern.
4 veranschaulicht schematisch die verschiedenen bevorzugten Modifizierungen der verschiedenen ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 für die zwei Formen von Leitschaufeln 36, 38. Da die Schaufelkühlung von verschiedenen Mechanismen bewirkt wird, können diese verschiedenen Mechanismen so modifiziert werden, dass die gewünschten Unterschiede zur Komplementierung der heißen und kalten Strähnen erzielt werden, die entlang dem Umfang der Brennkammer wiederholt variieren, wenn sie entlang dem Umfang des ringförmigen Turbinenleitrads ausgestoßen werden.
Die zwei Kühlkreisläufe 62, 64 können so konfiguriert werden, dass in den zwei Leitschaufeln 36, 38 jeder Leitrad-Doppeleinheit unterschiedliche Filmkühlungskonfigurationen erzielt werden.
Die zwei Kreisläufe 62, 64 können auch modifiziert werden, um eine andere Prallkühlung in den zwei Leitschaufeln 36, 38 zu bewirken.
Außerdem können die zwei Kühlkreisläufe 62, 64 auch modifiziert werden, um an den sich gegenüberliegenden Seiten der zwei Leitschaufeln 36, 38 verschiedene Wärmedämmschichten 78 zu ermöglichen.
Die 2 und 3 stellen exemplarische Konfigurationen der verschiedenen Kühlkreisläufe 62, 64 dar, die deren schematischer Darstellung in 4 entsprechen.
Die ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 können auf geeignete Weise konfiguriert werden, um eine wechselseitige Kühlung an den Schaufeldruck- und Schaufelsaugseiten 50, 52 zu bewirken, damit entlang der den äußeren Kanälen 60 zugewandten äußeren Leitschaufelseiten eine größere oder stärkere Kühlung erreicht wird als entlang der den inneren Kanälen 58 zugewandten inneren Leitschaufelseiten.
In einer Konfiguration können die Anordnungen der Filmkühlungslöcher 76 durch die einander gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten 50, 52 der ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 vorzugsweise unterschiedlich sein, damit mehr Kühlluft durch die äußeren Leitschaufelseiten 50, 52 als durch die Innenseiten 50, 52 abgegeben wird.
In 2 weisen die Außenseiten der Leitschaufeln pro Flächeneinheit eine größere Dichte oder Anzahl an Filmkühlungslöchern 76 auf als die entsprechenden Innenseiten. Es gilt zu beachten, dass die äußere Saugseite 52 der ersten Leitschaufel 36 mehr Reihen der Filmkühlungslöcher 76 aufweist als die innere Saugseite 52 der zweiten Leitschaufel 38.
Entsprechend gilt es zu beachten, dass die äußere Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel 38 eine größere Dichte oder mehre Reihen der Filmkühlungslöcher 76 aufweist als die innere Druckseite 50 der ersten Leitschaufel 36.
Für sich genommen oder im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Dichte an Filmkühlungslöchern kann das Ausmaß oder der Durchmesser der Filmkühlungslöcher 76 an den Außenseiten der Leitschaufeln 36, 38 größer sein als an deren Innenseiten. Typische Filmkühlungslöcher weisen einen Nenndurchmesser von ungefähr 15–20 mils (0,38–0,51 mm) auf und haben in einer konventionellen Konstruktion in der Regel eine einheitliche Größe. Allerdings können jetzt sowohl große als auch kleine Filmkühlungslöcher selektiv im Leitrad zum Einsatz kommen, sodass die größeren Filmkühlungslöcher am oberen Ende dieses Bereichs angeordnet sein können, während die kleineren Filmkühlungslöcher am unteren Ende dieses Bereichs angeordnet sein können.
Die Filmkühlungslöcher in dieser Konfiguration können auf geeignete Weise über die einander gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten jeder Leitschaufel 36, 38 verteilt sein, um unmittelbar an der Anströmkante jeder Leitschaufel eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen und um vorzugsweise für mehr Kühlung an den Außenflächen als an den Innenflächen zu sorgen. Da die heißen Strähnen in Umfangsrichtung auf spezielle Weise relativ positioniert werden, damit sie allein durch die äußeren Strömungskanäle 60 strömen, kann die verbesserte Filmkühlung auf die Schaufelseiten angewendet werden, welche die äußeren Strömungskanäle 60 begrenzen.
Da die kalten Strähnen in Umfangsrichtung auf spezielle Weise relativ positioniert werden, damit sie durch die inneren Strömungskanäle 58 strömen, ist an den Innenflächen der zwei Leitschaufeln 36, 38 entsprechend weniger Kühlung erforderlich, und die Konfiguration der dortigen Filmkühlungslöcher kann auf geeignete Weise angepasst werden.
Eine bestimmte Menge der vom Verdichter abgeführten Kühldruckluftströmung kann vorzugsweise stärker an die äußeren Außenflächen als an die Innenflächen der Leitschaufeln 36, 38 umverteilt werden, um auf vorzugsweise auf die unterschiedlichen Wärmelasten der heißen und kalten Strähnen abgestimmt zu sein. Die begrenzte Kühlluftmenge wird somit effizienter genutzt und verringert Temperaturdifferenzen in den verschiedenen Komponenten des Turbinenleitrads.
Entweder kann das Leitrad mithilfe der bestimmten, vom Verdichter abgeführten Luftmenge effizienter gekühlt werden, oder die vom Verdichter abgeführte Luftmenge kann im Hinblick auf die bevorzugte Schaufelkühlung verringert werden.
Die einzelnen Leitschaufeln 36, 38 sind hinsichtlich ihrer physikalischen und kühltechnischen Konfiguration nicht mehr miteinander identisch, sondern weisen nun unterschiedliche Konfigurationen aus konventionellen Komponenten auf, um die unterschiedlichen Wärmelasten der heißen und kalten Strähnen gezielt zu adressieren. Eine Überkühlung bestimmter Bereiche der Leitschaufel aufgrund der herkömmlichen Praxis kann nun deutlich reduziert werden, und die begrenzte Luftmenge kann besser dazu genutzt werden, gezielt die Positionen zu adressieren, an denen die heißen Strähnen wiederholt auftreten, die nicht länger willkürlich über den Umfang des Turbinenleitrads verteilt sind.
Die ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 können wie in den 2 und 3 alternativ modifiziert sein, um eine wechselseitige Kühlung an den Schaufeldruck- und Schaufelsaugseiten 50, 52 zu bewirken, damit entlang den äußeren Strömungskanälen 60 eine größere oder stärkere Prallkühlung erreicht wird als entlang den inneren Strömungskanälen 58.
Jede der zwei Schaufeln 36, 38 kann physikalisch identische vordere Prallleitbleche 66, 70 und physikalisch identische hintere Prallleitbleche 68, 72 mit entsprechenden Anordnungen der Prallkühlungslöcher 74 aufweisen, die je nach gewünschter unterschiedlicher Leistung unterschiedlich konfiguriert sind. Die Prallkühlungslöcher in den mehreren Prallleitblechen sind den entsprechenden Innenflächen der Druck- und Saugseiten 50, 52 der einzelnen Leitschaufeln 36, 38 zugewandt, wobei sich die Anordnungen auf geeignete Weise unterscheiden, damit durch die Prallleitbleche mehr Prallkühlungsluft gegen die Außenseiten 50, 52 der Leitschaufeln als gegen ihre entsprechenden Innenseiten geleitet wird.
Insbesondere die Außenseiten der Prallleitbleche können pro Flächeneinheit eine geeignete größere Dichte oder Anzahl der Prallkühlungslöcher 74 aufweisen als deren entsprechende Innenseiten. In 2 weisen die Außenseiten der Prallleitbleche in der Saugseite 52 der ersten Leitschaufel 36 eine größere Dichte an Prallkühlungslöchern auf als die Innenseiten der Leitbleche im Innern der zweiten Leitschaufel 38 entlang der Saugseite 52.
Dementsprechend weisen die Außenseiten der Leitbleche in der zweiten Leitschaufel 38 entlang der Druckseite 50 eine größere Dichte an Prallkühlungslöchern auf als die Innenseiten der Leitbleche in der ersten Leitschaufel 36 entlang der Druckseite 50.
Die Prallleitbleche weisen geeignete Anordnungen von Prallkühlungslöchern auf, um die Kühlwirkung hinter den Anströmkanten der Leitschaufeln 36, 38 zu maximieren, die lokal hohen Wärmelasten infolge der auftretenden Verbrennungsgase ausgesetzt sind. Außerdem können die Anordnungen von Prallkühlungslöchern so angepasst werden, dass von den Anströmkanten 54 bis zu den Abströmkanten 56 entlang den Außenseiten 52, 50 der ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 eine stärkere Prallkühlung erreicht wird als entlang den entsprechenden Innenseiten.
Wiederum wird die begrenzte Kühlluft in den Schaufelpaaren umverteilt, um entlang den Außenseiten der Leitschaufeln, die den heißen Strähnen ausgesetzt sind, mehr Prallkühlung zu nutzen als entlang den Innenseiten der Leitschaufeln, die den kalten Strähnen ausgesetzt sind.
Wie oben erwähnt, sind die exponierten Flächen des Turbinenleitrads in der Regel mit der Wärmedämmschicht 78 überzogen. Daher können die ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 modifi ziert werden, um an den Schaufeldruck- und Schaufelsaugseiten 50, 52 umgekehrte Stärken oder Wirksamkeiten der Wärmedämmschicht 78 zu ermöglichen, damit entlang den äußeren Strömungskanälen 60 eine größere oder stärkere Wärmedämmung oder Kühlung erzielt wird als entlang dem inneren Strömungskanal 58.
Die Wärmedämmschicht 78 ermöglicht eine markante Wärmedämmung gegenüber den Wärmelasten des Verbrennungsgases und trägt zur Erhöhung des Kühlwirkungsgrads jeder Leitschaufel bei. Die Stärke der Wärmedämmschicht 78 kann auf geeignete Weise variiert werden, um ihre Wärmedämmwirkung und effektive Kühlfähigkeit so zu variieren, dass die Außenseiten der Leitschaufeln 36, 38 im Verhältnis zu deren Innenseiten auf bevorzugte Weise geschützt und gekühlt werden.
4 stellt eine exemplarische Konfiguration der Wärmedämmschicht 78 schematisch dar, die an den sich gegenüberliegenden Seiten der zwei Leitschaufeln 36, 38 in jeder Doppeleinheit eine unterschiedliche Stärke aufweist. Beispielsweise kann die Wärmedämmschicht 78 entlang der äußeren Saugseite 52 der ersten Leitschaufel von der Anströmkante 54 bis zur Anströmkante 56 relativ dick und gleichmäßig sein und ähnlich gleichmäßig und dick entlang der äußeren Druckseite 50 der zweiten Leitschaufel 38 von deren Anströmkante bis zu deren Abströmkante.
Entsprechend kann die Wärmedämmschicht 78 entlang der inneren Druckseite 50 der ersten Leitschaufel 36 zwischen der Anström- und der Abströmkante relativ gleichmäßig und dünn sein und ähnlich gleichmäßig und dünn entlang der Saugseite 52 der zweiten Leitschaufel 38 zwischen der Anström- und der Abströmkante.
Die dicke Wärmedämmschicht 78 kann eine Stärke von etwa 15–20 mils (0,38–0,51 mm) aufweisen und ist damit geringfügig dicker als eine konventionell aufgebrachte Wärmedämmschicht. Die relativ dünne Wärmedämmschicht kann eine Stärke von etwa 5–10 mils (0,13–0,25 mm) aufweisen.
Durch die spezielle, in Umfangsrichtung erfolgende Ausrichtung oder Relativpositionierung der Brennstoffinjektoren 30 zu den Leitschaufeln lassen sich die relativen Positionen der heißen und kalten Strähnen im Raum fixieren, sodass diese nicht länger zufällig oder variabel sind, was ein zuvor nicht mögliches bevorzugtes Kühlen der Leitschaufeln mit unterschiedlicher Intensität erlaubt.
In den oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen werden zwei unterschiedliche Konfigurationen der Leitschaufeln 36, 38 verwendet, in der vollständigen Schaufelreihe wiederholt abgewechselt und in den bevorzugten Paaren angeordnet. 4 stellt schematisch eine bestimmte Anzahl A, zum Beispiel 17, der Brennstoffinjektoren 30 dar, die entlang dem Umfang der Brennkammer gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Die Anzahl der Doppeleinheitsegmente mit den entsprechenden Paaren von Leitschaufeln 36, 38 sowie äußeren und inneren Deckbandsegmenten 40, 42 entspricht daher genau der Anzahl der Brennstoffinjektoren in der Reihe.
Daher entspricht die Gesamtzahl B, zum Beispiel 34, der zwei Typen von Leitschaufeln 36, 38 im vollständigen Turbinenleitrad exakt der doppelten Anzahl A (2 × 17) der Brennstoffinjektoren 30 am Brennkammerumfang.
In den 2 und 4 ist schematisch dargestellt, dass mit doppelt so vielen Schaufeln 36, 38 wie Brennstoffinjektoren 30 die Umfangs- oder Relativposition der Brennstoffinjektoren jetzt an exakten, sich wiederholenden Positionen zwischen den Leitschaufeln fixiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Brennstoffinjektoren 30 in Umfangsrichtung auf halbem Weg zwischen den ersten und zweiten Leitschaufeln 36, 38 benachbarter Leitrad-Doppeleinheiten in axialer Ausrichtung zu entsprechenden äußeren Strömungskanälen 60 relativ positioniert, welche die axialen Trennlinien 44 enthalten. Die Brennstoffinjektoren werden somit besonders vorteilhaft relativ zu den axialen Trennlinien positioniert.
Zuerst strömt ein Teil der Kühlluft für das Turbinenleitrad an den Keilringdichtungen 48 entlang der Trennlinien 44 aus und trägt zur Verdünnung der durch die äußeren Strömungskanäle 60 geleiteten heißen Verbrennungsgassträhnen bei.
Eine deutlich stärkere Wärmedämmschicht 78 lässt sich auf die Außenflächen der zwei Leitschaufeln 36, 38 ohne Hindernisse und effektiver aufbringen als auf die Innenflächen. Die stärkere Wärmedämmschicht an den Außenflächen verbessert den Wärmeschutz gegen die durch die äußeren Kanäle geleiteten heißen Strähnen.
Darüber hinaus können sowohl die Filmkühlungs- als auch die Prallkühlungskonfigurationen der zwei Kühlkreisläufe 62, 64 ebenfalls wie oben beschrieben modifiziert werden, um eine wechselseitige Kühlung und dadurch mehr Kühlung entlang den Außenflächen der Leitschaufeln als entlang den Innenflächen der Leitschaufeln zu bewirken und um den verschiedenen Wärmelasten der heißen und kalten Strähnen entsprechend zu begegnen.
Die in 4 dargestellten exemplarischen Leitschaufeln 36, 38 weisen in Umfangsrichtung einen im Wesentlichen einheitlichen Teilungsabstand P entlang dem Umfang des Turbinenleitrads auf. Die Brennstoffinjektoren 30 können auf halbem Weg zwischen benachbarten Leitrad-Doppeleinheiten relativ positioniert sein, während die intervenierenden kalten Strähnen entsprechend auf halbem Weg zwischen den zwei Leitschaufeln 36, 38 in jeder Doppeleinheit relativ positioniert sein können.
Daher werden die kalten Strähnen so eingegrenzt, dass sie allein durch die inneren Strömungskanäle 58 strömen, wohingegen die heißen Strähnen so eingegrenzt werden, dass sie allein durch die äußeren Strömungskanäle 60 strömen. Außerdem kann die unterschiedliche Kühlleistung der ersten und zweiten Kühlkreisläufe 62, 64 effektiv dazu genutzt werden, an den die heißen Strähnen einschließenden äußeren Strömungskanälen für mehr Kühlung und an den die kalten Strähnen einschließenden inneren Strömungskanälen 58 für weniger Kühlung zu sorgen.
Wenn sich die heißen und kalten Strähnen den in 2 dargestellten stromabwärtigen Turbinenschaufeln 22 nähern, sammeln sich darüber hinaus die kalten Strähnen lokal an der konvexen Schaufelfläche, während die heißen Strähnen aufgrund der Dichtedifferenzen zwischen den heißen und kalten Strähnen sich lokal an der konkaven Schaufelfläche sammeln. Dieses Phänomen wurde bei Computeranalysen und an gebrauchten Triebwerksmetallteilen festgestellt und wirkt sich nachteilig auf die aerodynamische Leistung der Turbinenschaufeln aus.
Durch die bevorzugte Kühlung der äußeren Strömungskanäle gegenüber den inneren Strömungskanälen wird jedoch die verbrauchte Kühlluft anders um die heißen und kalten Strähnen verteilt, und die Verdünnung der heißen Strähnen wird erhöht, um die Temperaturabweichung zwischen den heißen und kalten Strähnen entsprechend zu reduzieren, wenn diese stromabwärts in die Turbinenschaufelreihe abgegeben werden.
Die Reduzierung der in Umfangsrichtung auftretenden Schwankungen der Verbrennungsgastemperatur verringert die lokale Konzentration der heißen und kalten Strähnen an den entsprechenden Seiten der Turbinenrotorschaufeln und verbessert deren aerodynamische Leistung.
Genauer gesagt folgt die erste Reihe Turbinenschaufeln 22 der ersten Stufe direkt auf das Turbinenleitrad, und jede Turbinenschaufel ist hohl und enthält, wie in den 1 und 2 dargestellt, einen konventionellen Kühlkreislauf. Druckluft wird aus dem Verdichter abgeführt und durch die Schaufeln geleitet und aus verschiedenen Reihen konventioneller Filmkühlungslöcher in den Schaufelseiten abgegeben.
Während des Triebwerkbetriebs geben die Filmkühlungslöcher 76 in den stromaufwärtigen Leitschaufeln 36, 38 die verbrauchte Kühlluft durch die äußeren Strömungskanäle 60 ab und bewirken dadurch eine auf Verdünnung basierende Kühlung der heißen Strähnen aus der Brennkammer 16, die stromabwärts zu den Turbinenschaufeln 22 strömen.
Da die heißen Strähnen deshalb kühler sind, werden die Wärmelasten an den Turbinenschaufeln reduziert. Die Kühlungsanforderungen für die Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden dann verringert, und der Kühlluftstrom kann entweder zur weiteren Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad des Triebwerks verringert werden oder zugunsten einer stärkeren Schaufelkühlung und längeren Schaufellebensdauer gleich bleiben.
Darüber hinaus kann überschüssige Kühlluft in einer größeren Menge durch die Leitschaufeln 36, 38 geleitet werden als für deren normale Kühlung angesichts der erwarteten Wärmelasten erforderlich ist.
Dies führt wiederum dazu, dass die überschüssige Leitschaufelkühlluft zur weiteren Verdünnung der heißen Strähnen in die äußeren Strömungskanäle 60 abgegeben wird. Diese Schaufelkühlung mit überschüssiger Kühlluft erfolgt stromaufwärts von der einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweisenden Leitradverengung an der Schaufelabströmkante, die senkrecht zur nächsten angrenzenden Saugseite angeordnet ist. Die überschüssige Leitschaufelkühlluft belastet den Betriebszyklus nicht und mindert nicht die Leistung.
Dementsprechend kann eine weitere Reduzierung des Kühlluftstroms zu den Turbinenschaufeln bewirkt werden, sodass der erhöhte Leitschaufel-Kühlluftstrom zeitgleich mit dem verringerten Turbinenschaufel-Kühlluftstrom auftritt. Der Turbinenschaufel-Kühlluftstrom belastet den Betriebszyklus, und seine Reduzierung verbessert die Triebwerksleistung.
Da die heißen Strähnen sich stromabwärts von der Brennkammer durch die verschiedenen Turbinenstufen hindurch fortsetzen, werden die betriebs- und leistungsbezogenen Vorteile ihrer selektiven Verdünnung in den stromabwärtigen Stufen der innere Kühlkreisläufe aufweisenden Leitschaufeln und Turbinenschaufeln sowie in den umschließenden Turbinenschaufeldeckbändern kombiniert.
Daher birgt die Möglichkeit zur selektiven Kühlung der Leitschaufeln der ersten Stufe kombinierte Vorteile sowohl für die Leitschaufeln selbst als auch für ihr Zusammenwirken mit den stromabwärtigen Turbinenschaufeln und für nachfolgende Turbinenstufen.
Die bevorzugte Kühlung der verschiedenen Leitschaufeln in jedem Leitradsegment bietet daher viele Vorteile hinsichtlich der Kühlleistung, der aerodynamischen Leistung und der thermischen Beanspruchung. Die begrenzte Kühlluftmenge wird zur Verbesserung der Kühlleistung und zur Reduzierung der Temperaturdifferenz in den Leitschaufelkomponenten besser auf die verschiedenen Wärmelasten der heißen und kalten Strähnen abgestimmt. Die thermische Beanspruchung wird reduziert, wodurch die Lebensdauer der Turbinenschaufeln verlängert werden kann.
Das oben beschriebene, bevorzugt gekühlte Turbinenleitrad kann bei Bedarf dazu verwendet werden, den Gesamtkühlluftstrom zum Leitrad weiter zu reduzieren; oder eine bestimmte Kühlluftmenge aufrechtzuerhalten; oder den Gesamtströmungsdurchsatz an Kühlmittel zu erhöhen, um die Verdünnung der nach hinten zu den nachfolgenden Stufen transportierten heißen Strähnen vorzugsweise zu verstärken. Zu den verschiedenen Vorteilen dieser bevorzugten Kühlung zählen die Verbesserung von Kühlung und Triebwerksleistung und die Verlängerung der Komponentenlebensdauer.
Obwohl hier Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, die als bevorzugt und exemplarisch zu betrachten sind, sind für den Fachmann anhand der hier erfolgten Darlegungen andere Modifizierungen ersichtlich, und es ist daher erwünscht, alle diese Modifizierungen, soweit sie dem Geist und dem Geltungsbereich der Erfindung entsprechen, in die beigefügten Ansprüche aufzunehmen.
Ein Turbinenleitrad 20 weist mit äußeren und inneren Deckbändern 40, 42 verbundene erste und zweite Leitschaufeln 36, 38 auf. Die Leitschaufeln 36, 38 weisen Außenseiten 50, 52, die axiale Trennlinien enthaltende äußere Strömungskanäle 60 definieren, und gegenüberliegende Innenseiten 52, 50 auf, die einen inneren Strömungskanal 58 ohne axiale Trennlinie definieren. Die zwei Leitschaufeln 36, 38 weisen unterschiedliche Kühlkreisläufe 62, 64 zur unterschiedlichen Kühlung der inneren und äußeren Leitschaufelseiten 50, 52 auf.
Patentrechtlich zu schützen ist daher die Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert und differenziert dargelegt ist:

Claims

Gasturbinentriebwerksvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Turbinenleitrad (20) mit einer Reihe im Wechsel angeordneter erster und zweiter Leitschaufeln (36, 38), die paarweise radial zwischen inneren und äußeren Deckbändern (40, 42) angeordnet sind, die zwischen sich axiale Trennlinien (44) aufweisen; und wobei die ersten und zweiten Leitschaufeln (36, 38) unterschiedliche erste und zweite Kühlkreisläufe (62, 64) aufweisen, um Seiten der Schaufeln, welche innere Strömungskanäle (58) ohne die axialen Trennlinien zwischen den ersten und zweiten Leitschaufeln (36, 38) begrenzen, auf andere Weise zu kühlen als äußere Strömungskanäle 60, welche die Trennlinien (44) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) wechselseitig eine stärkere Kühlung an den Außenseiten (50, 52) der Leitschaufelpaare bewirken als an deren Innenseiten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) von Anströmkanten (54) der Leitschaufeln (36, 38) bis zu deren Abströmkanten (56) eine stärkere Kühlung entlang den Außenseiten (50, 52) bewirken als entlang den Innenseiten (50, 52) zwischen den Anström- und Abströmkanten (54, 56).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) verschiedene Filmkühlungskonfigurationen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) Anordnungen von Filmkühlungslö chern umfassen, die an den Außenseiten (50, 52) eine größere Dichte aufweisen als an den Innenseiten (50, 52).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) verschiedene Prallkühlungskonfigurationen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) Prallleitbleche (66–72) innerhalb der Leitschaufeln (36, 38) umfassen, die Anordnungen von Prallkühlungslöchern (74) aufweisen, deren Dichte an den Innenflächen der Außenseiten (50, 52) größer ist als an den Innenseiten (50, 52).
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Kühlkreisläufe (62, 64) an den Außen- und Innenseiten (50, 52) unterschiedliche Wärmedämmschichten (78) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner Folgendes umfasst: eine stromaufwärts von den Leitschaufeln (36, 38) angeordnete ringförmige Brennkammer (16); und wobei die Brennkammer (18) eine Reihe von Brennstoffinjektoren (30) aufweist, die entsprechend relativ zu den äußeren Strömungskanälen (60) positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Reihe von Leitschaufeln (36, 38) zahlenmäßig doppelt so groß ist wie die Reihe von Brennstoffinjektoren (30) und die Injektoren (30) relativ zu den Trennlinien (44) positioniert sind.