DE102009044103A1

DE102009044103A1 - Turbinengehäuseanordnung und Verfahren für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102009044103A1
Application number: DE102009044103A
Authority: DE
Inventors: John Alan North Andover Mantiega; Robert John Ipswich Parks; Wilhelm Lynn Hernandez; Patrick Murphy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-11-29
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2010-06-02
Also published as: CA2680634C; JP5775254B2; US8371812B2; JP2010127277A; CA2680634A1; US20100132374A1

Abstract

Eine Turbinengehäuseanordnung für eine Gasturbine enthält: (a) ein Turbinengehäuse (38), das enthält: (i) einen Außenring (48); (ii) eine Nabe (42); (iii) mehrere Stege (54), die sich zwischen der Nabe (42) und dem Außenring (48) erstrecken; (b) eine zweiteilige Stegverkleidung (72), die jeden der Stege (54) umgibt und enthält: (i) ein inneres Band; (ii) ein äußeres Band; und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Band erstreckt; (c) mehrere Düsensegmente, die zwischen dem Außenring (48) und der Nabe (42) angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein integrales Metallgussstück ist und enthält: (i) ein bogenförmiges äußeres Band (148); (ii) ein bogenförmiges inneres Band und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Turbinen von Gasturbinentriebwerken bzw. -maschinen und insbesondere strukturelle Elemente derartiger Triebwerke bzw. Maschinen.
Gasturbinentriebwerke bzw. -maschinen enthalten häufig ein stationäres Turbinengehäuse (das auch als ein Zwischenturbinengehäuse oder Turbinenmittelgehäuse bzw. -rahmen bezeichnet wird), das einen strukturellen Lastpfad von Lagern, die die rotierenden Wellen des Triebwerks lagern, zu einem Außengehäuse bereitstellt, das eine Hauptstützstruktur des Triebwerks bzw. der Turbine bildet. Das Turbinengehäuse kreuzt den Verbrennungsgasströmungspfad der Turbine und ist somit im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt.
Es ist bekannt, ein mehrstückiges, passiv gekühltes Turbinengehäuse mit aktiv gekühlten Turbinendüsenleitschaufeln, die stromabwärts davon positioniert sind, vorzusehen. Es ist ferner bekannt, ein einstückiges passiv gekühltes Turbinengehäuse vorzusehen, das eine passiv gekühlte Turbinendüsenkaskade integriert.
Unter einem thermodynamischen Gesichtspunkt ist es erwünscht, Betriebstemperaturen innerhalb von Gasturbinen soweit wie möglich zu erhöhen, um sowohl die Leistungsabgaben als auch die Effizienz zu steigern. Jedoch wird, wenn Betriebstemperaturen des Triebwerks bzw. der Maschine erhöht werden, eine vergrößerte aktive Kühlung für Turbinengehäuse-, Turbinendüsen- und Turbinenschaufelkomponenten erforderlich.
Um diesen Kühlbedarf anzugehen, ist es ferner bekannt, ein für Hochtemperatur geeignetes mehrstufiges Turbinengehäuse vorzusehen, das aktiv gekühlte Verkleidungen und Strömungspfadplatten beinhaltet, und Turbinendüsenleitschaufeln zu verwenden, die aus hochentwickelten keramischen Materialien, die keine Kühlung erfordern, hergestellt sind.
Jedoch integriert keine dieser Turbinengehäusekonfigurationen eine einstückige Turbinengehäusekonstruktion mit einer herkömmlichen Konfiguration aktiv gekühlter Düsen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diesen und weiteren Unzulänglichkeiten des Standes der Technik widmet sich die vorliegende Erfindung, die eine Turbinengehäuseanordnung bereitstellt, die eine einstückige Gehäusekonstruktion mit aktiv gekühlten Düsen einer herkömmlichen Gussmetallkonstruktion enthält.
Gemäß einem Aspekt enthält eine Turbinengehäuseanordnung für ein Gasturbinentriebwerk bzw. eine Gasturbinenmaschine: (a) ein Turbinengehäuse, das enthält: (i) einen äußeren Ring; (ii) eine Nabe; (iii) mehrere Stege, die sich zwischen der Nabe und dem äußeren Ring erstrecken; (b) eine zweistückige Stegverkleidung, die jeden der Stege umgibt und enthält: (i) ein Innenband; (ii) ein Außenband; und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel, die sich zwischen dem Innen- und dem Außenband erstreckt; (d) mehrere Düsensegmente, die zwischen dem Außenring und der Nabe angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein integrales metallisches Gussstück ist, das enthält: (i) ein bogenförmiges Außenband; (ii) ein bogenförmi ges Innenband und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Kühlen einer Turbinengehäuseanordnung eines Gasturbinentriebwerks bzw. einer Gasturbinenmaschine: (a) Bereitstellung eines Turbinengehäuses mit: (i) einem Außenring; (ii) einer Nabe; (iii) wenigstens einem Steg, der sich zwischen der Nabe und dem Außenring erstreckt und von einer aerodynamischen Verkleidung umgeben ist; (b) Bereitstellung einer zwischen der Nabe und dem Außenring angeordneten Düsenkaskade, die mehrere tragflügelprofilförmige Leitschaufeln aufweist, die zwischen segmentierten kreisringförmigen Innen- und Außenbändern getragen sind; (c) Leiten von Kühlluft radial nach innen durch die Stege hindurch zu der Nabe; (d) Weiterleiten der Kühlluft zu einem inneren Verteiler, der in der Nabe angeordnet ist; und (e) Weiterleiten der Kühlluft von dem Verteiler zu einem Turbinenrotor, der stromabwärts von der Nabe angeordnet ist.
KURZE BESCHRIEBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren angegeben ist, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Halbschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2A und 2B eine explodierte Perspektivansicht einer Turbinengehäuseanordnung des Gasturbinentriebwerks nach 1;
3A und 3B Querschnittsansichten einer Turbinengehäuseanordnung nach 2;
4 eine Perspektivansicht der Turbinengehäuseanordnung in einem teilmontierten Zustand;
5 eine Perspektivansicht einer Anschlussrohranordnung, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
6 eine Perspektivansicht einer Stegverkleidung, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
7 eine Seitenansicht der Stegverkleidung nach 6;
8 eine Explosionsansicht der Stegverkleidung nach 6;
9 eine Seitenansicht einer Anschlussrohrverkleidung;
10 eine Perspektivansicht eines Düsensegmentes der Turbinengehäuseanordnung und
11 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Turbinengehäuseanordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten die gleichen Elemente bezeichnen, zeigen 1 und 2 einen Abschnitt eines Gasturbinentriebwerks 10, das unter anderen Strukturen einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14 und eine Gasgeneratorturbine 16 aufweist. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Triebwerk ein Turboschaft-Triebwerk. Jedoch sind die hierin beschriebenen Prinzipien in gleicher Weise auch auf Turboprop-, Turbojet- und Turbofan-Triebwerke sowie auch auf Turbinentriebwerke oder -maschinen, die für andere Fahrzeuge oder in stationären Anwendungen eingesetzt werden, anwendbar.
Der Verdichter 12 liefert komprimierte Luft, die in die Brennkammer 14 strömt, in der Brennstoff eingeführt und verbrannt wird, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. Diese Verbrennungsgase werden zu der Gasgeneratorturbine 16 ausgegeben, die alternierende Reihen von stationären Leitschaufeln oder Düsen 18 und umlaufenden Laufschaufeln oder Schaufeln 20 aufweist. Die Verbrennungsgase werden darin expandiert, und es wird Energie entzogen, um den Verdichter 12 über eine äußere Welle 22 anzutreiben.
Stromabwärts der Gasgeneratorturbine 16 ist eine Arbeitsturbine 24 angeordnet. Sie weist ebenfalls eine alternierende Reihe von stationären Leitschaufeln oder Düsen 26 und Rotoren 28 auf, die umlaufende Schaufeln oder Laufschaufeln 30 tragen. Die Arbeitsturbine 24 expandiert die Verbrennungsgase weiter und extrahiert Energie, um über eine innere Welle 32 eine externe Last (wie beispielsweise einen Propeller oder ein Getriebe) anzutreiben.
Die innere und die äußere Welle 32 und 22 sind in einem oder mehreren Lagern 34 drehbar gelagert. Ein oder mehrere Turbinengehäuse bzw. -rahmen stellen strukturelle Lastpfade von den Lagern 34 zu einem äußeren Gehäuse 36 bereit, das eine Grundtragstruktur des Triebwerks 10 bildet. Insbesondere ist zwischen der Gasgeneratorturbine 16 und der Arbeitsturbine 24 eine Turbinengehäuseanordnung angeordnet, die ein Turbinengehäuse bzw. einen Turbinenrahmen 38 aufweist, in dem eine Düsenkaskade 40 einer ersten Stufe der Arbeitsturbine 24 integriert ist.
2–4 veranschaulichen den Aufbau der Turbinengehäuseanordnung in größeren Einzelheiten. Das Turbinengehäuse 38 weist eine kreisringförmige, zentral angeordnete Nabe 42 mit einer vorderen und einer hinteren Stirnfläche 44 und 46 auf, die von einem kreisringförmigen Außenring 48 umgeben ist, der einen vorderen und einen hinteren Flansch 50 und 52 aufweist. Die Nabe 42 und der Außenring 48 sind durch mehrere radial verlaufende Streben bzw. Stege 54 miteinander verbunden. In dem veranschaulichten Beispiel sind sechs gleichmäßig voneinander beabstandete Stege 54 vorgesehen. Das Turbinengehäuse 38 kann eine einzige integrale Einheit sein, oder es kann aus einzelnen Komponenten aufgebaut sein. In dem veranschaulichten Beispiel ist es in einem einzigen Stück aus einer Metalllegierung gegossen, die sich für einen Hochtemperaturbetrieb eignet, wie beispielsweise aus einer Kobalt- oder Nickelbasierten „Superlegierung”. Ein Beispiel für ein geeignetes Material stellt eine nickelbasierte Legierung dar, wie sie kommerziell als IN718 bezeichnet wird. Jeder der Stege 54 ist hohl und endet in einem Zapfluftanschluss 56 an seinem äußeren Ende außerhalb des Außenrings 48.
In dem Turbinengehäuse 38 sind mehrere Dienst- oder Anschlussrohranordnungen 58 montiert, die zwischen den Stegen 54 positioniert sind und sich zwischen dem Außenring 48 und der Nabe 42 erstrecken. In diesem Beispiel sind sechs Anschlussrohranordnungen 58 vorhanden. Wie in 5 veranschaulicht, enthält jede Anschlussrohranordnung 58 ein hohles Anschlussrohr 60, das von einem hohlen Gehäuse umgeben ist, das eine Anschlussrohrprallblech 62, das mit Aufprallkühllöchern 64 durchlöchert ist, eine Montagehalterung 66 und einen Verteiler bzw. Sammler 68 mit einem Einlassrohr 70 aufweist (siehe 4). Die Anschlussrohranordnungen 58 sind in fluchtend ausgerichtete Öffnungen in dem Außenring 48 und der Nabe 42 eingesteckt und unter Verwendung von Bolzen, die durch die Montagehalterung 66 ragen, an dem Außenring 48 gesichert.
Die Düsenkaskade (bzw. Leiteinrichtungskaskade) 40 weist mehrere aktiv gekühlte Schaufelblätter auf. In diesem speziellen Beispiel sind insgesamt 48 Schaufelblätter vorhanden. Diese Anzahl kann zur Anpassung an eine bestimmte Anwendung variiert werden. Einige der Schaufelblätter, in diesem Fall 12, sind in Axialrichtung gestreckt und in Verkleidungen eingebunden (siehe 4), die die Stege 54 und die Anschlussrohranordnungen 58 gegen heiße Verbrennungsgase schützen. Einige der Verkleidungen, in diesem Fall 6, sind Stegverkleidungen 72, die einen geteilten Aufbau aufweisen. Die restlichen Verkleidungen sind Anschlussrohrverkleidungen 74, die einen einstöckigen Aufbau aufweisen. Die restlichen Schaufelblätter, in diesem Fall 36, sind in Düsensegmenten 76 angeordnet, die jeweils eine oder mehrere Leitschaufeln aufweisen.
6 zeigt eine der Stegverkleidungen 72 in größeren Einzelheiten. Sie enthält eine tragflächenprofilförmige Leitschaufel 78, die zwischen einem bogenförmigen Außenband 80 und einem bogenförmigen Innenband 82 gehaltert ist. Das innere und das äußere Band 82 und 80 sind axial länglich und derart gestaltet, dass sie einen Abschnitt des Strömungspfades durch das Turbinengehäuse 38 definieren. Ein vorderer Haken 84 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 80 vor, und ein hinterer Haken 86 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 80 vor.
Die Leitschaufel 78 ist in Axialrichtung länglich und enthält voneinander beabstandete Seitenwände 88, die sich zwischen einer Vorderkante 90 und einer Hinterkante 92 erstrecken. Die Seitenwände 88 sind derart gestaltet, dass sie eine aerodynamische Verkleidung für den Steg 54 bilden (siehe 4). Ein vorderer Abschnitt 94 der Leitschaufel 78 ist hohl und wird durch Aufprallkühlung in einer Weise gekühlt, wie sie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist. Ein hinterer Abschnitt 96 der Leitschaufel 78 ist ebenfalls hohl und enthält Wände 98, die einen serpentinenförmigen Strömungspfad mit mehreren Durchgängen definieren (siehe 7). Mehrere Hinterkantendurchtritte 100, beispielsweise Spitze oder Löcher, treten durch die Hinterkante 92 hindurch. Die Komponenten der Stegverkleidung 72, einschließlich des Innenbandes 82, des Außenbandes 80 und der Leitschaufel 78, sind im Wesentlichen entlang einer gemeinsamen Querebene derart geteilt, dass die Stegkleidung 72 ein Mundstück oder Vorderteil 102 und ein Schwanzstück oder Hinterteil 104 aufweist (siehe 8). Es sind Mittel vorgesehen, um das Vorderteil und das Hinterteil 102 und 104 aneinander zu sichern, nachdem diese um einen Steg 54 herum platziert worden sind. In dem veranschaulichten Beispiel enthalten das Vorderteil 102 und das Hinterteil 104 radial nach innen verlaufende Vorsprünge oder Nasen 106 bzw. 107, die in einer Öffnung 108 einer Schnalle 110 aufgenommen werden. Die Schnalle 110 wird beispielsweise durch Hartlöten an den Nasen 107 gesichert und wird optional durch einen Presspassstift 112, der durch diese hindurchfährt, weiter gesichert. Die radial äußeren Enden des Vorder- und des Hinterteils 102 und 104 werden mit Scherbolzen 113 oder sonstigen ähnlichen Befestigungsmitteln, die durch paarweise passende Flansche 114 eingebaut werden, aneinander gesichert. Wie in den 4 und 7 veranschaulicht, ist zwischen dem Steg 54 und der Stegverkleidung 72 ein mit Aufprallkühllöchern 118 durchlöchertes Stegprallblech 116 eingebaut.
Die Vorderteile 102 und die Hinterteile 104 sind aus einer Metalllegierung gegossen, die für einen Hochtemperaturbetrieb geeignet ist, wie beispielsweise aus einer Kobalt- oder Nickel-basierten „Superlegierung”, und sie können in einer bekannten Weise mit einer spezifischen Kristallstruktur, beispielsweise einer gerichtet erstarrten (DS) oder Einkristall (SX)-Struktur gegossen sein. Ein Beispiel für ein geeignetes Material stellt eine nickelbasierte Legierung dar, die kommerziell als RENE N4 bekannt ist.
9 zeigt eine der Anschlussrohrverkleidungen 74 in größeren Einzelheiten. Wie die Stegverkleidung 72 enthält diese eine tragflügelprofilförmige hohle Leitschaufel 120, die zwischen einem bogenförmigen Außenband 122 und einem bogenförmigen Innenband 124 gehaltert ist. Das innere und das äußere Band 124 und 122 sind axial länglich und derart gestaltet, dass sie einen Teil des Strömungspfades durch das Turbinengehäuse 38 definieren. Ein vorderer Haken 126 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 122 vor, und ein hinterer Haken 128 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 122 vor. Die Leitschaufel 120 ist in Axialrichtung länglich und enthält voneinander beabstandete Seitenwände 132, die sich zwischen einer Vorderkante 134 und einer Hinterkante 136 erstrecken. Die Seitenwände 132 sind derart gestaltet, dass sie eine aerodynamische Verkleidung für die Anschlussrohranordnung 58 bilden. Ein vorderer Abschnitt 138 der Leitschaufel 120 ist hohl und wird auf eine Weise, wie sie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben ist, auf prallgekühlt. Ein hinterer Abschnitt 140 der Leitschaufel 120 ist ebenfalls hohl und enthält Wände 142, die einen serpentinenartigen Strömungspfad mit mehreren Durchgängen definieren. Mehrere Hinterkantendurchtritte 144, wie beispielsweise Schlitze oder Löcher, führen durch die Hinterkante 136 jeder Leitschaufel 120 hindurch. Die Anschlussrohrverkleidungen 74 sind aus einer geeigneten Legierung, wie sie für die Stegverkleidungen 72 beschrieben ist, gegossen.
10 veranschaulicht eines der Leiteinrichtungs- bzw. Düsensegmente 76 in größeren Einzelheiten. Wie die Stegverkleidungen 72 und die Anschlussrohrverkleidungen 74 enthält jedes der Düsensegmente 76 eine oder mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete tragflügelprofilförmige hohle Leitschaufel 146, die zwischen einem bogenförmigen Außenband 148 und einem bogenförmigen Innenband 150 gehaltert sind. Die Leitschaufeln 146 weisen jeweils eine Vorderkante 152 und eine Hinterkante 154 auf und sind konfiguriert, um die Verbrennungsgase zu dem stromabwärtigen Rotor 28 der Arbeitsturbine 24 optimal zu leiten (siehe 2). In dem veranschaulichten Beispiel sind die Düsensegmente 76 „Triplets”, die jeweils drei Leitschaufeln 146 zwischen dem inneren und dem äußeren Band 150 und 148 enthalten. Das äußere und das innere Band 148 und 150 definieren die äußere bzw. innere radiale Strömungspfadbegrenzung für den Heißgasstrom, der durch die Düsenkaskade 40 strömt. Das innere und das äußere Band 150 und 148 sind axial länglich und derart gestaltet, dass sie ebenfalls den Strömungspfad durch das Turbinengehäuse 38 definieren. Ein vorderer Haken 156 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 148 vor, und ein hinterer Haken 158 ragt axial nach vorne von der Außenfläche des Außenbandes 148 vor.
Die Leitschaufeln 146 sind hohl und enthalten Wände 160, die einen serpentinenförmigen Strömungspfad mit mehreren Durchgängen definieren. Mehrere Hinterkantendurchtritte 162, wie beispielsweise Schlitze oder Löcher, führen durch die Hinterkante 154 jeder Leitschaufel 146 hindurch. Die Düsensegmente 76 sind aus einer geeigneten Legierung, wie für die Stegverkleidungen 72 beschrieben, gegossen.
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, sind die Stegverkleidungen 72, die Anschlussrohrverkleidungen 74 und die Düsensegmente 76 alle durch vordere und hintere Hängevorrichtungen 164 und 166 getragen, die beispielsweise unter Verwendung von Bolzen oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln an den vorderen bzw. hinteren Flanschen 50 bzw. 52 des Turbinengehäuses 38 befestigt werden.
Die vordere Düsenhängevorrichtung 164 ist im Wesentlichen scheibenförmig und enthält einen äußeren Flansch 168 und einen inneren Flansch 170, die durch einen nach hinten sich erstreckenden Arm 172 miteinander verbunden sind, der einen im Wesentlichen „V”-förmigen Querschnitt aufweist. Der innere Flansch 170 definiert eine Montageschiene 174 mit einem Schlitz 176, der die vorderen Haken 84, 126 und 156 der Stegverkleidungen 72, der Anschlussrohrverkleidungen 74 bzw. der Düsensegmente 76 aufnimmt. Der Außenflansch 168 weist darin vorgesehene Bolzenlöcher auf, die Bolzenlöchern in dem Vorderflansch 50 des Turbinengehäuses 38 entsprechen. Die vordere Düsenhängevorrichtung 164 hält die Düsenkaskade 40 radial in einer Weise, die eine Nachgiebigkeit in der axialen Richtung zulässt.
Die hintere Düsenhängevorrichtung 166 ist im Wesentlichen scheibenförmig und enthält einen äußeren Flansch 175 und einen inneren Flansch 177, die durch einen sich nach vorne erstreckenden Arm 180 miteinander verbunden sind, der ein im Wesentlichen „U”-förmiges Querprofil aufweist. Der innere Flansch 177 definiert eine Montageschiene 182 mit einem Schlitz 184, der die hinteren Haken 86, 128 und 158 der Stegverkleidungen 72, der Anschlussrohrverkleidungen 74 bzw. der Düsensegmente 76 aufnimmt. Der Außenflansch 175 weist darin vorgesehene Schraubenlöcher auf, die Schraubenlöchern in dem hinteren Flansch 52 des Turbinengehäuses 38 entsprechen. Die hintere Düsenhängevorrichtung 166 stützt die Düsenkaskade 48 radial, während sie gleichzeitig in der Axialrichtung eine Einspannung erzielt.
Im montierten Zustand wirken die Außenbänder 80, 122 und 148 der Stegverkleidungen 72, der Anschlussrohrverkleidungen 74 und der Düsensegmente 76 zusammen mit dem Außenring 48 des Turbinengehäuses 38, um eine kreisringförmige Außenbandkavität 186 zu definieren (siehe 3).
Wie am besten aus 11 ersichtlich, ist an der hinteren Stirnfläche der Nabe 42 eine kreisringförmige Außenausgleichskolbendichtung (OBP-Dichtung) 188 beispielsweise mit Schraubenbolzen oder sonstigen geeigneten Befestigungsmitteln angebracht. Die OBP-Dichtung 188 weist einen im Wesentlichen „L”-förmigen Querschnitt mit einem Radialarm 190 und einem Axialarm 192 auf. Eine vordere Dichtungslippe 194 stützt sich gegen die Nabe 42 ab, während eine hintere radial nach außen verlaufende Dichtungslippe 196 eine kreisringförmige, „M”-förmige Dichtung 198 in Anlage gegen die Düsenkaskade 40 festhält. Eine ähnliche „M”-förmige Dichtung 200 ist zwischen dem vorderen Ende der Düsenkaskade 40 und einer weiteren Dichtungslippe 202 an einer stationären Triebwerksstruktur 204 aufgenommen. Gemeinsam definieren die Nabe 42 und die OBP-Dichtung 188 einen inneren Verteiler 206, der mit dem Innenraum der Nabe 42 kommuniziert. Ferner wirken die Innenbänder 82, 124 und 150 der Stegverkleidungen 72, der Anschlussrohrverkleidungen 74 und der Düsensegmente 76 mit der Nabe 42 des Turbinengehäuses 38, der OBP-Dichtung 188 und den Dichtungen 198 und 200 zusammen, um eine kreisringförmige Innenbandkavität 208 zu definieren. Eine oder mehrere Kühllöcher 210 führen durch den Radialarm 190 der OBP-Dichtung 188 hindurch. Im Betrieb leiten diese Kühllöcher 210 Kühlluft von der Nabe 42 zu einer kreisringförmigen Dichtungsplatte 212 hindurch, die an einer Vorderfläche des stromabwärtigen Rotors 28 montiert ist. Die Kühlluft tritt in ein Loch 214 in der Dichtungsplatte 212 hinein und wird anschließend in einer herkömmlichen Weise zu dem Rotor 28 geleitet.
Der axiale Arm 192 der OBP-Dichtung 188 trägt ein Verschleißmaterial 216 (wie beispielsweise einen metallischen Wabenkernwerkstoff), das mit einem Dichtungszahn 218 der Dichtringplatte 212 zusammenpasst.
Bezugnehmend auf 4, 7 und 9 erfolgt eine Kühlung der Turbinengehäuseanordnung wie folgt. Aus einer Quelle, beispielsweise dem Verdichter 12 (siehe 1), abgezapfte Kühlluft wird in die Zapfluftanschlüsse 56 eingespeist und nach unten durch die Stege 54, wie durch den Pfeil „A” veranschaulicht, zugeleitet. Ein Teil der Luft, die in die Stege 54 eintritt, strömt durch den gesamten Weg durch die Stege 54 hindurch und zu der Nabe 42, wie bei „B” veranschaulicht. Er strömt dann weiter zu dem inneren Verteiler 206 und anschließend zu dem stromabwärtigen Turbinenrotor 28, wie vorstehend beschrieben.
Ein anderer Teil der Luft, die in die Stege 54 eintritt, verlässt Durchgänge in den Seiten der Stege 54 und tritt in die Stegprallbleche 116 ein. Ein Teil dieser Strömung verlässt Aufprallkühllöcher in den Stegprallblechen 116 und wird zur Aufprallkühlung der Stegverkleidungen 72 verwendet, wie dies durch die Pfeile „C” (siehe 7) veranschaulicht ist. Nach der Aufprallkühlung strömt die Luft zu der Außenbandkavität 186 weiter, wie dies bei „D” veranschaulicht ist. Ein anderer Teil der Luft verlässt die Stegprallbleche 116 und tritt unmittelbar in die Außenbandkavität 186 ein, wie dies durch die Pfeile „E” veranschaulicht ist. Schließlich tritt ein dritter Teil der Luft aus den Stegprallblechen 116 zwischen dem Stegprallblech 116 und dem Steg 54 heraus und spült die Innenbandkavität 208 (siehe Pfeil „F”).
Wie in 9 veranschaulicht, wird ein ähnliches Kühlluft-Strömungsmuster für die Anschlussrohranordnungen 58 und zur Kühlung der Anschlussrohrverkleidungen 74 verwirklicht, wobei der Hauptunterschied darin liegt, dass Kühlluft zu den Anschlussrohrprallblechen 62 durch die Einlassrohre 70 zugeführt wird, wie dies durch die Pfeile „A'” veranschaulicht ist. Die restlichen Strömungen, wie sie durch die Pfeile C', D', E' und F' angezeigt sind, sind mit den vorstehend beschriebenen Strömungen A–F im Wesentlichen identisch.
Luft aus der Außenbandkavität 186, die eine Kombination aus Spülluft und mit D, D', E und E' in den 7 und 9 bezeichneten Nachaufprallströmungen darstellt, tritt in die serpentinenförmigen Durchgänge in den hinteren Abschnitten der Leitschaufeln 78, 120 hinein, wie dies bei den Pfeilen „G” und „G'” in den 7 und 9 veranschaulicht ist. Diese Muster sind auch beispielhaft für das Strömungsmuster in den serpentinenförmigen Durchgängen der Leitschaufeln 146. Die Luft wird anschließend darin zur Konvektionskühlung in einer herkömmlichen Art und Weise verwendet und darauffolgend durch die Hinterkantenkühldurchführungen ausgegeben.
Die vorstehend beschriebene Turbinengehäuseanordnung weist gegenüber Konstruktionen nach dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf. Die aktiv gekühlte und segmentierte Düsenkaskade 40 schützt das Turbinengehäuse 38 und ermöglicht eine gabelartige Montage des Gasgeneratorrotors bei höheren Zyklustemperaturen. Das Ergebnis sind eine gute Rotorstabilität und minimale Bewegungssperrungen. Die aktiv gekühlte und segmentierte Düsenkaskade 40 ermöglicht auch höhere Betriebstemperaturen bei gleichzeitiger Verwendung herkömmlicher Materialien und einer Konstruktion mit mehreren Leitschaufelsegmenten. Die Integration des Turbinengehäuses 38 und der Düsenkaskade 40 reduziert die Strömungspfadlänge und aerodynamische Verluste bei der Wäsche durch das Triebwerk 10, was die Triebwerksleistung verbessert.
Die aktiv gekühlte und segmentierte Düsenkaskade 40 verbessert die Teilelebensdauer bei höheren Zyklustemperaturen, und die Turbinengehäusekonfiguration liefert Kühlluft zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit und sieht eine Kühlluftversorgung vor, um die Arbeitsturbine 24 aktiv zu kühlen.
Das Turbinengehäuse 38 und die integrierte Düsenkaskade 40 reduzieren die Maschinen- bzw. Triebwerkslänge, wodurch sie einen Einbau in kompaktere Gondeln ermöglichen, und reduzieren das Maschinen- bzw. Triebwerksgewicht. Die Düsenkaskade 40 kann einfach montiert und ohne Demontage des Turbinengehäuses 38 ausgetauscht werden. Das Turbinengehäuse 38 ist ein einstöckiges Teil ohne eingeschraubte Stege. Die Anschlussrohranordnungen 58 sind Einsteckelemente („Plug-ins”), die ohne Demontage eines Triebwerks bzw. einer Maschine ersetzt werden können.
Schließlich beseitigt die Verwendung eines einstückigen Turbinengehäuses 38 mit der integrierten Düsenkaskade 40 die Kosten im Zusammenhang mit der maschinellen Passbearbeitung und Verschraubung von Gehäusekomponenten und dem Präzisionsformschleifen von überlappten Mantel- und Verkleidungsströ mungspfadplatten, was bei herkömmlichen Konstruktionen erforderlich ist.
Das Vorstehende beschreibt eine Turbinengehäuseanordnung für eine Gasturbine. Während spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sind die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und die beste Art zur Umsetzung der Erfindung lediglich für den Zweck der Veranschaulichung und nicht für den Zweck einer Beschränkung vorgesehen, wobei die Erfindung durch die Ansprüche definiert ist.
Eine Turbinengehäuseanordnung für eine Gasturbine enthält: (a) ein Turbinengehäuse 38, das enthält: (i) einen Außenring 48; (ii) eine Nabe 42; (iii) mehrere Stege 54, die sich zwischen der Nabe 42 und dem Außenring 48 erstrecken; (b) eine zweiteilige Stegverkleidung 72, die jeden der Stege 54 umgibt und enthält: (i) ein inneres Band; (ii) ein äußeres Band; und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Band erstreckt; (d) mehrere Düsensegmente, die zwischen dem Außenring 48 und der Nabe 42 angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein integrales Metallgussstück ist und enthält: (i) ein bogenförmiges äußeres Band 148; (ii) ein bogenförmiges inneres Band und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel.

Claims

Turbinengehäuseanordnung für eine Gasturbine, die aufweist: (a) ein Turbinengehäuse (38), das enthält: (i) einen Außenring (48); (ii) eine Nabe (42); (iii) mehrere Stege (54), die sich zwischen der Nabe (42) und dem Außenring (48) erstrecken; (b) eine zweistückige Stegverkleidung (72), die jeden der Stege (54) umgibt und aufweist: (i) ein Innenband (82); (ii) ein Außenband (80); und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel (78), die sich zwischen dem Innen- und dem Außenband erstreckt; und (d) mehrere Düsensegmente (76), die zwischen dem Außenring (48) und der Nabe (42) angeordnet sind, wobei jedes Düsensegment ein integrales metallisches Gussstück ist und enthält: (i) ein bogenförmiges Außenband (148); (ii) ein bogenförmiges Innenband (150) und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel (146).
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei der Außenring (48), die Nabe (42) und die Stege (54) ein einziges integrales Gussteil bilden.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 1, die ferner ein Stegprallblech (116) aufweist, das mit Aufprallkühllöchern (118) durchlöchert und zwischen jedem der Stege (54) und der Leitschaufel (78) der zugehörigen Stegverkleidung (72) angeordnet ist.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei jede der Leitschaufeln (78) der Stegverkleidungen (72) Wände enthält, die darin einen serpentinenförmigen Strömungspfad definieren, wobei der serpentinenförmige Strömungspfad mit wenigstens einem Hinterkantendurchgang in Strömungsverbindung steht, der an einer Hinterkante der Leitschaufel (78) angeordnet ist.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei jede der Leitschaufeln (146) der Düsensegmente Wände enthält, die darin einen serpentinenförmigen Strömungspfad definieren, wobei der serpentinenförmige Strömungspfad mit wenigstens einem Hinterkantendurchgang in Strömungsverbindung steht, der an einer Hinterkante der Leitschaufel angeordnet ist.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 1, die ferner aufweist: (a) mehrere Anschlussrohranordnungen (58), die jeweils einen hohlen Durchlass definieren, der sich zwischen der Nabe (42) und dem Außenring (48) erstreckt; und (b) eine Anschlussrohrverkleidung (74), die jede der Anschlussrohranordnungen (58) umgibt und aufweist: (i) ein bogenförmiges Außenband (122); (ii) ein bogenförmiges Innenband (124) und (iii) eine tragflügelprofilförmige Leitschaufel (120); wobei die Leitschaufel (120) eine durchgehende Verkleidung rings um die Anschlussrohranordnung definiert.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 6, wobei jede der Anschlussrohranordnungen (58) aufweist: (a) ein längliches, hohles Anschlussrohr (60) und (b) ein Anschlussrohrprallblech (62), das das Anschlussrohr (60) umgibt und mit mehreren Aufprallkühllöchern durchlöchert ist.
Turbinengehäuseanordnung nach Anspruch 6, wobei jede der Leitschaufeln (120) der Anschlussrohrverkleidungen (74) Wände enthält, die darin einen serpentinenförmigen Strömungspfad definieren, wobei der serpentinenförmige Strömungspfad mit wenigstens einem Hinterkantendurchgang in Strömungsverbindung steht, der an einer Hinterkante der Leitschaufel (120) angeordnet ist.
Verfahren zum Kühlen einer Turbinengehäuseanordnung einer Gasturbine, das aufweist: (a) Bereitstellen eines Turbinengehäuses (38), das aufweist: (i) einen Außenring (48); (ii) eine Nabe (42); (iii) wenigstens einen Steg (54), der sich zwischen der Nabe (42) und dem Außenring (48) erstreckt und von einer aerodynamischen Verkleidung umgeben ist; (b) Bereitstellen einer Düsenkaskade, die zwischen der Nabe (42) und dem Außenring (48) angeordnet ist und mehrere tragflügelprofilformige Leitschaufeln aufweist, die zwischen segmentierten ringförmigen inneren und äußeren Bändern getragen sind; (c) Leiten von Kühlluft radial nach innen durch die Stege (54) hindurch zu der Nabe (42); (d) Weiterleiten der Kühlluft zu einem inneren Verteiler (206), der in der Nabe (42) angeordnet ist; und (e) Weiterleiten der Kühlluft von dem inneren Verteiler (206) zu einem Turbinenrotor, der stromabwärts von der Nabe (42) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner ein kreisringförmiges Dichtungselement an einer hinteren Fläche der Nabe (42) des Turbinengehäuses (38) angeordnet ist, wobei die Dichtung mit der Nabe (42) zusammenwirkt, um den inneren Verteiler zu definieren, und wenigstens einen darin ausgebildeten Kühlkanal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei jeder der Stege (54) von einem Stegprallblech (116), der mit Aufprallkühllöchern durchlöchert ist, und einer tragflügelprofilförmigen Stegverkleidung (72) umgeben ist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a) Weiterleiten von Kühlluft von dem Steg (54) zu dem Stegprallblech; und (b) Aufprallenlassen von Kühlluft durch die Aufprallkühllöcher hindurch auf die Stegverkleidung (72).
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner aufweist: (a) Bereitstellen mehrerer Anschlussrohranordnungen, die sich von dem Außenring (48) zu der Nabe (42) erstrecken und jeweils enthalten: (i) ein längliches, hohles Anschlussrohr; (ii) ein Anschlussrohrprallblech, das das Anschlussrohr umgibt und mit mehreren Aufprallkühllöchern durchlöchert ist; und (iii) eine tragflügelprofilförmige Stegverkleidung (72), die das Anschlussrohrprallblech umgibt, wobei das Verfahren ferner aufweist: (b) Leiten von Kühlluft von dem Anschlussrohr zu dem Anschlussrohrprallblech und (c) Aufprallenlassen von Kühlluft durch die Aufprallkühllöcher auf die Anschlussrohrverkleidung (116).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner eine ringförmige Außenbandkavität (186) zwischen der Düsenkaskade und dem Außenring (48) definiert ist, wobei das Verfahren ferner aufweist: (a) Leiten von Kühlluft in die Außenbandkavität (186) hinein; (b) Strömenlassen von Kühlluft durch einen serpentinenförmigen Strömungspfad in jeder der Leitschaufeln; und (c) Ausgeben der Kühlluft aus Hinterkanten-Kühldurchgängen in jeder der Leitschaufeln.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ferner eine kreisringförmige Innenbandkavität (208) zwischen der Düsenkaskade und der Nabe (42) definiert ist, wobei das Verfahren ferner aufweist, dass Kühlluft, die auf die Stegverkleidung (72) aufgeprallt ist, in die Innenbandkavität (208) hinein geleitet wird.