DE102009043865A1

DE102009043865A1 - Strömungssperre für das Gehäuse einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE102009043865A1
Application number: DE102009043865A
Authority: DE
Inventors: Iain Robertson Kellock; Charles A. Avon Bulgrin; Tagir Robert Nigmatulin; Ralph Chris Bruner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: US20100061848A1; CN101672202A; DE102009043865B4; JP5350944B2; JP2010065684A; US8002515B2

Abstract

Es ist eine Abdeckung für eine Turbomaschine (10) beschrieben, die wenigstens eine Abstützung und wenigstens eine an einem Gasweg (14) einer Turbomaschine angeordnete Innenabdeckung (20) enthält. Die wenigstens eine Innenabdeckung (20) und die wenigstens eine Abstützung weisen wenigstens einen Spalt zwischeneinander auf. Der wenigstens eine Spalt wechselt zwischen wenigstens einem Drosselspalt (64) und wenigstens einem Freispalt (66), und er ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Druckabfallwirkung zu erzeugen, um die Strömung des Heißgases (48) in dem wenigstens einem Spalt zu vermindern. Außerdem sind eine Turbomaschine (10) und ein Verfahren zur Verminderung der Aufnahme von Heißgas (48) in einer Turbomaschine (10) offenbart.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Turbomaschinenanlage. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Strömungssperren für Turbomaschinenanlagen.
Eine Turbomaschine, z. B. eine Gasturbine, enthält typischerweise wenigstens eine Innenabdeckung, die in der Turbomaschine durch verschiedene Elemente gestützt ist, zu denen eine Außenabdeckung gehört. Die Innenabdeckung ist direkt stromabwärts zu einer Reihe der Turbineleitschaufeln angeordnet und Heißgastemperaturen ausgesetzt, die so hoch genug sind, dass die Innenabdeckung aktiv gekühlt werden muss, weil ansonsten durch die Heißgasexposition eine Beschädigung der Innenabdeckung auftreten würde. Dennoch ist die Außenabdeckung typischerweise nicht aktiv abgekühlt, weil sie nicht direkt im Gasweg ist.
Das Heißgas gelangt bei der Turbomaschine oft in einen Axialspalt, der typischerweise zwischen den Turbinen-Leitschaufeln und der Innenabdeckung vorhanden ist. Der in diesen Spalt eintretende Heißgasstrom erreicht, wenn er nicht gestoppt oder geschwächt wird, die Außenabdeckung und beschädigt diese. Das Ansaugen des Heißgases wird oft zumindest teilweise durch einen am Umfang bestehenden Druckgradient verursacht, der hauptsächlich aus der Nahwirkung einer Hinterkante der Leitschaufeln und einer vorderen Kante der Innenabdeckung resultiert. Der am Umfang bestehende Druckgradient drängt das Heißgas in den Spalt hinein.
Eine Maßnahme, die zur Vermeidung der Beschädigung der Außenabdeckung dient, ist, sekundäre Kühlluft von der Innenabdeckung in den Spalt zwischen den Turbinen-Leitschaufeln und der inneren Abdeckung einzudüsen, um das Heißgas daran zu hindern, die Außenabdeckung zu erreichen. Allerdings reduziert dieses Verfahren die Arbeitsleistung der Turbomaschine; und die Fachwelt würde eine Anordnung oder ein Verfahren sehr begrüßen, mit dem sich eine Beschädigung der Außenabdeckung durch Aufnahme von Heißgas verhindern lässt, ohne die Arbeitsleistung des Antriebssystems zu verschlechtern.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Abdeckung einer Turbomaschine wenigstens eine Abstützung und wenigstens eine Innenabdeckung im Gasweg einer Turbomaschine auf. Wenigstens ein Spalt ist zwischen der wenigstens einen Innenabdeckung und der wenigstens einen Abstützung vorhanden. Der wenigstens eine Spalt wechselt zwischen wenigstens einem Drosselspalt und wenigstens einem Freispalt ab und ist fähig wenigstens eine Druckabfallwirkung zu erzeugen, um den Heißgasstrom in dem wenigstens einen Spalt zu vermindern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist die Turbomaschine eine Anzahl von im Gasweg angeordneten Leitschaufeln und eine Anzahl von um eine zentrale Achse drehbaren Laufschaufeln auf, die stromabwärts zu der Anzahl der Leitschaufeln angeordnet sind. Wenigstens eine Abdeckung ist radial außerhalb der Anzahl der Laufschaufeln angeordnet und enthält wenigstens eine Abstützung und wenigstens eine im Gasweg angeordnete Innenabdeckung. Zwischen der wenigstens einen Innenabdeckung und der wenigstens einen Abstützung ist wenigstens ein Spalt vorgesehen. Der wenigstens eine Spalt wechselt zwischen wenigstens einem Drosselspalt und wenigstens einem Freispalt. Der wenigstens eine Spalt ist fähig wenigstens eine Druckabfallwirkung zu erzeugen, um den Heißgasstrom in dem wenigstens einen Spalt zu vermindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren zur Verminderung des Ansaugens des Heißgases in einer Turbomaschine das Einströmenlassen von Heißgas in einen Spalt zwischen wenigstens einer Innenabdeckung und wenigstens einer Abstützung und das Einleiten des Heißgases in den Spalt in einer bezüglich einer zentralen Achse der Turbomaschine umfänglichen Richtung. In dem Spalt wird in dem Heißgas mittels der Abwechselung des Spalts zwischen wenigstens einem Drosselspalt und wenigstens einem Freispalt ein Druckabfall erzeugt, wodurch eine Heißgasströmung in dem Spalt vermindert wird.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden durch die folgende mit der Zeichnungen verbundenen Beschreibung noch ersichtlicher offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand wird speziell und gesondert in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung beansprucht. Die vorhergehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen mit den beigefügten Zeichnungen verbundenen Beschreibung offenbart, wobei:
1 ist eine ausschnittsweise Schnittansicht einer Turbomaschine;
2 ist eine Perspektivansicht einer Innenabdeckung; und
3 ist eine ausschnittsweise Umfangs-Schnittansicht der Turbomaschine.
Die ausführliche Beschreibung erläutert beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen und mit Bezug auf die Zeichnungen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine ausschnittsweise Schnittansicht einer Turbomaschine gezeigt, die in dieser Ausführung eine Gasturbine 10 ist. Die Gasturbine 10 weist eine Anzahl von Leitschaufeln 12 auf, die im Heißgasweg 14 stromaufwärts zu einer Anzahl von um eine zentrale Achse 18 der Gasturbine drehbaren Laufschaufeln 16 angeordnet sind. Wenigstens eine Innenabdeckung 20 ist radial außerhalb einer Anzahl der Laufschaufeln 16 angeordnet und definiert wenigstens teilweise den Heißgasweg 14. Die wenigstens eine Innenabdeckung 20 ist direkt stromabwärts zu einer Anzahl der Leitschaufeln 12 mit einem vorderen Spalt 22 zwischen einer vorderen Kante 24 der Innenabdeckung und einer hinteren Kante 26 der Leitschaufel angeordnet. Auf ähnliche Weise kann eine Innenabdeckung einen hinteren Spalt 30 zu einer vorderen Kante 32 haben. In einigen Ausführungen wird die wenigstens eine Innenabdeckung 20 aktiv dadurch abgekühlt, dass sekundärer Kühlfluss 34 in eine Anzahl der Kühlkanäle 36 in der wenigstens einen Innenabdeckung eingedüst wird. Die wenigstens eine Innenabdeckung 20 wird in der Gasturbine 10 durch wenigstens eine Außenabdeckung 38 gestützt. In einigen Ausführungsformen weist die wenigstens eine Innenabdeckung 20 wenigstens einen vorderen Vorsprung 40 und wenigstens einen hinteren Vorsprung 42 auf, die in dementsprechend wenigstens eine vordere Nut 44 und wenigstens eine hintere Nut 46 in der wenigstens einen Außenabdeckung 38 einge setzt sind, um die wenigstens eine Innenabdeckung 20 an der wenigstens einen Außenabdeckung 38 zu befestigen.
Während des Betriebs der Gasturbine 10 gelangt möglicherweise Heißgas (durch den Pfeil 48 gezeigt) aus dem Heißgasweg 14 in den vorderen Spalt 22 und/oder den hinteren Spalt 30. Das Heißgas 48 strömt entlang des vorderen Spalts 22 und/oder des hinteren Spalts 30 in einer radialen Richtung und in einer Umfangsrichtung. Falls eine Strömung durch den vorderen Spalt 22 und/oder den hinteren Spalt 30 zugelassen wird, beschädigt das Heißgas 48 die wenigstens eine Außenabdeckung 38. Wie in 2 gezeigt, ist eine Anzahl der Labyrinthtaschen 50 in der wenigstens einer Innenabdeckung 20 angeordnet, um das Heißgas 48 daran zu hindern, durch den vorderen Spalt 22 und/oder den hinteren Spalt 30 zu strömen. In der Ausführungsform in 2 sind eine Anzahl der Labyrinthtaschen 50 an einer äußeren Oberfläche 52 einer vorderen Fläche 54 der wenigstens einen Innenabdeckung 20 angeordnet. Um der Kürze willen werden die Anzahl der an der vorderen Fläche 54 angeordneten Labyrinthtaschen 50 hierin ausführlich beschrieben, jedoch wird darauf hingewiesen, dass Labyrinthtaschen 50 an der äußeren Oberfläche 52 einer hinteren Fläche 56 angeordnet werden können, um zu verhindern, dass das Heißgas 48 durch den hinteren Spalt 30 strömt, wie unten hinsichtlich des vorderen Spalts 22 beschrieben wird.
Die Anzahl der Labyrinthtaschen 50 sind in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Anordnung rund um die wenigstens eine Innenabdeckung 20 angeordnet. Wie am besten in 3 gezeigt ist, erstreckt sich die Anzahl der Labyrinthtaschen 50 an der äußeren Oberfläche 52 bis zu einer Tiefe 58 v, wobei zwischen benachbarten Labyrinthtaschen 50 der Anzahl der Labyrinthtaschen 50 jeweils eine Kante 60 angeordnet ist, wobei die scharfen Kanten 62 Orte definieren, an denen sich die Kanten 60 und die Anzahl der Labyrinthtaschen 50 treffen. Montiert in der Gasturbine 10, wie ein 3 gezeigt, definieren die Innenabdeckung 20 und die Außenabdeckung 38 zwischeneinander Spalten, die sich in Umfangsrichtung zwischen einem Drosselspalt 64 an jeder Kante 60 und einem Freispalt 66 an jeder Labyrinthtasche 50 abwechseln. Die abwechselnden Drosselspalte 64 und die Freispalte 66, wie auch die scharfen Kanten 62, erzeugen eine Reihe von Druckabfallwirkungen zwischen der Innenabdeckung 20 und der Außenabdeckung 38. Der Druckabfall wird hervorgerufen, indem das Heißgas 48 über die scharfen Kanten 62 strömt und dabei abrupte Änderungen des Strömungsquerschnitts zwischen den Drosselspalten 64 und den Freispalten 66 erfährt, was zu Turbulenz und Rezirkulation des Heißgases 48 führt. Die Druckabfälle vermindern die Umfangsströmung des Heißgases 48 in dem vorderen Spalt 22. Die Umfangsströmung des Heißgases 48 ist durch einen Umfangsdruckgradienten getrieben, so dass die Abfolge der Druckabfall-Wirkungsmechanismen die Strömung des Heißgases 48 in den Spalt 22 hemmt.
Die Anzahl der Labyrinthtaschen 50 liefern eine Kühlmechanismus für das Heißgas 48, das in den Spalt 22 eindringt. Das Heißgas 48 wird innerhalb jeder Labyrinthtasche 50 verwirbelt, wodurch der konvektive Wärmetransport zwischen dem Heißgas 48 und der aktiv gekühlten Innenabdeckung 20 erhöht wird. Außerdem vergrößert die Anzahl der Labyrinthtaschen 50 einen Oberflächebereich der Innenabdeckung 20, dem das Heißgas 48 ausgesetzt ist, wodurch die Temperatur des Heißgases 48 absinkt.
Obwohl die Erfindung nur anhand einer beschränkten Anzahl der Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil kann die Erfindung durch beliebig viele Abwandlungen, Ersetzungen oder äquivalente Maßnahmen modifiziert werden, die vordem zwar nicht beschrieben aber dennoch zu dem Geist und dem Schutzbereich der Erfindung gehören. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, sollte zusätzlich verstanden werden, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise nur einige beschriebene Ausführungen enthalten. Entsprechend sollte die Erfindung durch die vorhergehende Beschreibung nicht beschränkt werden, denn sie ist nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es ist eine Abdeckung für eine Turbomaschine 10 beschrieben, die wenigstens eine Abstützung und wenigstens eine an einem Gasweg 14 einer Turbomaschine angeordnete Innenabdeckung 20 enthält. Die wenigstens eine Innenabdeckung 20 und die wenigstens eine Abstützung weisen wenigstens einen Spalt zwischeneinander auf. Der wenigstens ein Spalt wechselt zwischen wenigstens einem Drosselspalt 64 und wenigstens einem Freispalt 66, und er ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Druckabfallwirkung zu erzeugen, um die Strömung des Heißgases 48 in dem wenigstens einem Spalt zu vermindern. Außerdem sind eine Turbomaschine 10 und ein Verfahren zur Verminderung der Aufnahme von Heißgas 48 in einer Turbomaschine 10 offenbart.

10: Gasturbine
12: Leitschaufel
14: Heißgasweg
16: Laufschaufel
18: zentrale Achse
20: Innenabdeckung
22: vorderer Spalt
24: vordere Kante der Innenabdeckung
26: hintere Kante der Leitschaufel
28: hintere Kante der Innenabdeckung
30: hinterer Spalt
32: vordere Kante der Leitschaufel
34: sekundärer Kühlfluss
36: Kühlkanal
38: Außenabdeckung
40: vordere Vorsprung
42: hintere Vorsprung
44: vorderer Nut
46: hinterer Nut
48: Heißgas
50: Labyrinthtaschen
52: äußere Oberfläche
54: vordere Fläche
56: hintere Fläche
58: Tiefe
60: Kante
62: scharfe Kante
64: Drosselspalt
66: Freispalt

Claims

Eine Abdeckung für eine Turbomaschine (10): mit wenigstens einer Abstützung; mit wenigstens einer Innenabdeckung (20), die an einem Gasweg (14) einer Turbomaschine (10) angeordnet ist; und mit wenigstens einem Spalt zwischen wenigstens einer Innenabdeckung und der wenigstens einen Abstützung, wobei der wenigstens eine Spalt, um wenigstens eine Druckabfallwirkung zur Verminderung der Strömung eines Heißgases (48) in dem wenigstens einen Spalt zu erzeugen, sich zwischen wenigstens einem Drosselspalt und wenigstens einem Freispalt abwechselt.
Die Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Drosselspalt (64) und der wenigstens eine Freispalt (66) sich in einer Umfangsrichtung ringsum die wenigstens eine Innenabdeckung (20) erstreckt.
Die Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Innenabdeckung (20) eine Anzahl von Taschen (50) aufweist, die an dem wenigstens einen Spalt zur Definition des wenigstens eines Drosselspalts (64) und Definition des wenigstens eines Freispalts (66) angeordnet sind.
Die Abdeckung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Taschen (50) rund um die wenigstens eine Innenabdeckung (20) angeordnet ist.
Die Abdeckung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Taschen (50) eine umlaufende Strömung des Heißgases (48) in dem wenigstens einem Spalt vermindern kann.
Eine Turbomaschine (10): mit einer Anzahl in einem Gasweg angeordneter Leitschaufeln (12); mit einer Anzahl um eine zentrale Achse (18) der Turbomaschine (10) schwenkbarer Laufschaufeln (16), die stromabwärts von der Anzahl der Leitschaufeln (12) angeordnet sind; und mit wenigstens einer radial außerhalb der Anzahl der Laufschaufeln (16) angeordneten Abdeckung, wobei die wenigstens eine Abdeckung aufweist: wenigstens eine Abstützung; wenigstens eine an dem Gasweg angeordneten Innenabdeckung (20); und wenigstens einen Spalt zwischen der wenigstens einen Innenabdeckung (20) und der wenigstens einen Abstützung, wobei die Abwechselung des wenigstens einen Spalts zwischen wenigstens einem Drosselspalt (64) und wenigstens einem Freispalt (66) wenigstens eine Druckabfallwirkung zur Verminderung der Strömung des Heißgases (48) in dem wenigstens einen Spalt erzeugen kann.
Die Turbomaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Drosselspalt (64) und der wenigstens eine Freispalt (66) sich in einer Umfangsrichtung rundum die wenigstens eine Abdeckung abwechseln.
Die Turbomaschine 10 nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Innenabdeckung (20) eine Anzahl der an dem wenigstens einen Spalt angeordneten Taschen (50) aufweist, um den wenigstens einen Drosselspalt (64) und den wenigstens einen Freispalt (66) zu definieren.
Ein Verfahren zur Verminderung der Aufnahme von Heißgas in einer Turbomaschine (10), bei dem: das Heißgas (48) in dem Spalt zwischen wenigstens einer Innenabdeckung (20) und wenigstens einer Abstützung geströmt wird; Heißgas (48) in dem Spalt in einer Umfangsrichtung entsprechend einer zentralen Achse (18) der Turbomaschine (10) geströmt wird; und ein Druckabfall im Heißgas (48) in dem Spalt bei einer Abwechselung des Spalts zwischen wenigstens einem Drosselspalt (64) und wenigstens einem Freispalt (66) eingeleitet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung eines Druckabfalls im Heißgas (48) eine Strömung des Heißgases (48) über eine Anzahl der Taschen (50) in der Innenabdeckung (20) aufweist.