DE10344843B4

DE10344843B4 - Integrierte Rotations-Messerkanten-Injektionsanordnung

Info

Publication number: DE10344843B4
Application number: DE10344843A
Authority: DE
Inventors: Bryan Columbia Dube; Andrew D. Middletown Milliken; John H. Portland Mosley; Conan Cook
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: TWI233964B; FR2845119A1; GB2394257A; US20040062637A1; GB2394257B; US6884023B2; SG121797A1; DE10344843A1; JP2004116530A; GB0322642D0; IL157989A; TW200417681A

Abstract

System zum Zuführen von Kühlluft zu einer Messerkanten-Dichtungsanordnung (22) in einer Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine, aufweisend:
mindestens eine Statorschaufel (12) der Turbinenstufe mit einer Kühlpassage (20), welche zum Kühlen des Innern der Schaufel (12) verwendet wird, welche sich von einer äußeren Plattform (14) der mindestens einen Statorschaufel (12) zu einer inneren Plattform (16) der mindestens einen Statorschaufel (12) erstreckt;
eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu der Messerkanten-Dichtungsanordnung (22);
wobei die Zuführeinrichtung einen Rohreinsatz (36) aufweist, der in der Passage (20) positioniert ist;
wobei der Rohreinsatz (36) einen Einlass an einem Ende (38) zum Aufnehmen von Kühlluft und einen Auslass an einem zweiten Ende (40) aufweist; und
wobei die Zuführeinrichtung ferner eine Abdeckeinrichtung (48) aufweist, die an dem zweiten Ende (40) des Rohreinsatzes (36) zum Aufnehmen von Kühlluft von dem Rohreinsatz (36) und zum Zuführen der Kühlluft zu der Messerkanten-Dichtungsanordnung (22) angebracht ist,
dadurch...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Zuführen von Kühlluft an eine Dichtungsanordnung in einer Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine.
Viele Gasturbinenmaschinen haben eine Turbinenstatorschaufel-Anordnung der zweiten Stufe, die zwischen Rotoren angeordnet ist. Die Statorschaufel-Anordnung weist eine Mehrzahl von Statorschaufel-Segmenten auf, die kollektiv eine ringförmige Struktur bilden. Ein Dichtungsring, der radial innerhalb von der inneren Plattform der Statorschaufel-Segmente angeordnet ist, wird verwendet, eine Druckdifferenz zwischen einem ersten ringförmigen Bereich, welcher dem Rotor der ersten Stufe benachbart ist, und einem zweiten ringförmigen Bereich, welcher dem Rotor der zweiten Stufe benachbart ist, beizubehalten. Der Dichtungsring weist einen äußeren Flansch und einen inneren Flansch auf. Der äußere Flansch weist eine Struktur, beispielsweise Längsverzahnungen, zum Verhindern eines Drehens und ein abradierbares Lagerpolster auf. Ein Wabenpolster ist an dem inneren Flansch zur Verwendung mit Messerkantendichtungen angebracht. Die in dem äußeren Flansch angeordneten Längsverzahnungen sind in Axialrichtung verschieblich in inneren Befestigungsflanschen aufgenommen, welche sich unterhalb der inneren Plattformen erstrecken. Haken, die von dem äußeren Flansch nach außen ragen, begrenzen den axialen Weg des Dichtungsrings relativ zu den inneren Befestigungsflanschen. Die Druckdifferenz zwischen dem der ersten Rotorstufe benachbarten ersten ringförmigen Bereich und dem der zweiten Rotorstufe benachbarten zweiten ringförmigen Bereich zwingt das abradierbare Lagerpolster des Dichtungsrings in Berührung mit dem hinteren Arm der inneren Befestigungsflansche. Eine derartige Dichtungsanordnung ist in der US 57 85 492 A beschrieben.
Bei bestimmten Turbinen haben die Rotordichtungen eine Lebensdauereinbuße. Das kommt daher, dass eine Schaufel verwendet wird, um dem dem Hochdruck-Turbinengasweg benachbarten Hohlraum Kühlluft zu liefern, wobei die Kühlströmungsrate und die Temperatur die Lebensdauer der Dichtung bestimmen. Die Kühlluft bewegt sich durch die Schaufel, bevor sie den Dichtungsringhohlraum erreicht. Luft vom Gasweg erwärmt die Schaufel und die durch die Schaufel strömende Kühlluft. Wenn die Kühllufttemperatur zu hoch ist, erfüllt die Dichtungsanordnung nicht die konstruktionsmäßig vorgesehene Lebensdauer.
EP 1 057 974 A1 offenbart eine Anordnung zum Zuführen von Kühlluft zu einer Dichtungsanordnung in einer Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, bei der die Kühlluft durch ein in einer Passage einer Turbinenstufenschaufel angeordnetes Rohr hin zu der Dichtungsanordnung geleitet wird. Bei dieser Anordnung kommt es aufgrund der Strömungsverhältnisse, mit denen die Kühlluft zugeführt wird, zu einer ineffizienten Kühlung der Dichtungsanordnung.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen effizienteren Ansatz zum Zuführen von Kühlluft an den Dichtungshohlraum vorzusehen.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein System zum Zuführen von Kühlluft an eine Dichtungsanordnung bereitzustellen, bei dem die Kühlluft durch die Schaufel so wenig wie möglich aufgewärmt wird.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein wie vorangehend genanntes System bereitzustellen, welches die Kühlluft in Rotationsrichtung einer Rotorstufe vorrotiert, z. B. in eine entsprechende Rotation versetzt, um so ein Aufwärmen in Folge von Verwirbelung (windage) zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System vorgesehen zum Zuführen von Kühlluft an eine Dichtungsanordnung in einer Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine. Breit ausgedrückt weist das System mindestens eine Schaufel in der Turbinenstufe mit einem sich von einer äußeren Plattform der mindestens einen Schaufel zu einer inneren Plattform der mindestens einen Schaufel erstreckenden Kühlpassage und eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu der Dichtungsanordnung auf. Die Zuführeinrichtung weist einen in der Kühlpassage angeordneten Rohreinsatz auf. Der Rohreinsatz hat einen Einlass an einem Ende zum Aufnehmen von Kühlluft von einer Quelle für Kühlluft und einen Auslass an einem zweiten Ende. Die Zuführeinrichtung weist ferner eine an dem zweiten Ende des Rohreinsatzes angebrachte Abdeckeinrichtung auf zum Aufnehmen von Kühlluft von dem Rohreinsatz und Zuführen der Kühlluft an die Dichtungsanordnung. Vorzugsweise liefert die Abdeckeinrichtung die Kühlluft an die Dichtungsanordnung in einer in der Rotationsrichtung eines Turbinenrotors der Gasturbinenmaschine vorrotierten Weise.
Weitere Details der integrierten Rotier-Messerkanten-Injektionsanordnung der vorliegenden Erfindung sowie mit dieser einhergehende weitere Ziele und Vorteile sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen angegeben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Turbinenstatorschaufel-Anordnung der zweiten Stufe, teilweise im Schnitt, die hinter einem Turbinenrotor der ersten Stufe und vor einem Turbinenrotor der zweiten Stufe angeordnet ist;
2 ist eine auseinander gezogene Ansicht eines Systems zum Zuführen von Kühlluft zu der in 1 gezeigten Dichtungsanordnung;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Systems zum Zuführen von Kühlluft zu einem Dichtungsringhohlraum der Turbinenstatorschaufel-Anordnung von 1;
4 ist eine Schnittansicht eines Rohreinsatzes, der in dem Kühlluft-Zuführsystem der 2 verwendet wird, der entlang der Linien 4-4 in 2 genommen ist;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Halteanordnung, die in dem Kühlluft-Zuführsystem von 2 verwendet wird;
6 ist eine End-Ansicht einer Abdeckanordnung, die bei dem Kühlluft-Zuführsystem von 2 verwendet wird;
7 ist eine Draufsicht auf die Abdeckanordnung von 6;
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Düsenbereich einer alternativen Abdeckanordnung zeigt, welche durch ein Wabenpolsterbereich der Dichtungsanordnung ragt; und
9 ist eine Schnittansicht eines Teils der Abdeckanordnung von 6.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 zeigt eine Turbinenschaufel-Anordnung 10 der zweiten Stufe, die hinter einem Turbinenrotor 6 der ersten Stufe und vor einem Turbinenrotor 8 der zweiten Stufe angeordnet ist. (Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von Rotoren der ersten und der zweiten Stufe beschrieben wird, kann die Messerkanten-Injektionsanordnung der vorliegenden Erfindung zwischen anderen Turbinenrotorstufen verwendet werden.) Die Turbinenschaufel-Anordnung 10 weist eine Mehrzahl von Statorschaufeln 12 auf. Jede der Statorschaufeln 12 hat eine äußere Plattform 14, eine innere Plattform 16 und einen Strömungsprofilbereich 18, der sich zwischen der äußeren und der inneren Plattform 14 und 16 erstreckt. Jede der Statorschaufeln 12 hat eine Passage 20, welche sich von der äußeren Plattform 14 zu der inneren Plattform 16 durch die Schaufel erstreckt. Die Passage 20 ist eine Kühlpassage, welche zum Kühlen des Inneren der Schaufel 12 verwendet wird.
Die Anordnung 10 weist ferner eine Messerkanten-Dichtungsanordnung 22 zum Beibehalten einer Druckdifferenz zwischen einem ersten ringförmigen Bereich oder Dichtungsringhohlraum 24, der dem Rotor der ersten Stufe benachbart ist, und einen dem Rotor der zweiten Stufe benachbarten zweiten ringförmigen Bereich 26 auf. Die Dichtungsanordnung 20 weist ein Wabenpolster 28 auf, welches an einem inneren Flansch 30 angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Messerkantendichtungen 32 ist zur Berührung mit dem Wabenpolster 28 angeordnet und bildet eine Dichtung zwischen den zwei Bereichen 24 und 26. Um die Lebensdauer der Dichtungsanordnung 22 zu verlängern, ist es erforderlich, dem Dichtungsringhohlraum 24 und den Messerkantendichtungen 32 Kühlluft zuzuführen.
Um das Ziel des Zuführens von Kühlluft an den Bereich 24 und die Messerkantendichtungen 32 zu bewerkstelligen, ist ein Kühlluft-Zuführsystem 34 in jede Schaufel 12 der Anordnung 10 inkorporiert. Das Kühlluft-Zuführsystem 32 weist einen Rohreinsatz 36 auf, der in der Kühlpassage 20 angeordnet ist. Wie man aus den 2 und 3 erkennt, ist der Rohreinsatz 36 nicht gerade und hat ein Einlassende 38 und ein Auslassende 40. Der Rohreinsatz 36 hat auch Seitenwände 37, die von den Seitenwänden 35 der Passage 20 beabstandet sind. Bei Betrieb wird Kühlluft von einer Quelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Verdichterstufe einer Gasturbinenmaschine, in die Kühlpassage 20 und gleichzeitig in den Einlass 38 des Rohreinsatzes 36 eingebracht. Der Rohreinsatz 36 kann aus irgendeinem geeigneten Metallmaterial hergestellt sein, das auf dem Technikgebiet bekannt ist, beispielsweise Inconel 625. Wie man aus der 4 erkennen kann, hat der Rohreinsatz 36 eine abgeflachte, nicht-kreisförmige Querschnittsform.
Wie in 5 gezeigt, ist ein Halteelement 39 über dem Einlassende 38 des Rohreinsatzes 36 angeordnet, und es wird verwendet, um das Einlassende 38 des Rohreinsatzes 36 relativ zu einem Einlass 42 der Kühlpassage 20 in Position zu halten. Das Halteelement 39 hat einen Zentralbereich 44, der über das Einlassende 38 des Rohreinsatzes 36 passt und diesen aufnimmt, und eine Mehrzahl von Füßen 46, die von dem Zentralbereich 44 weg ragen. Der Zentralbereich 44 hat eine Einlassöffnung 45 mit einer mit der Gestalt des Rohreinsatzes 36 korrespondierenden nicht-kreisförmigen abgeflachten Gestalt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Rohreinsatz 36 an das Halteelement 39 geschweißt oder an dem Halteelement 39 mit einem Lotmaterial befestigt. Um das Halteelement 39 in Position zu halten, sind die Füße 46 an einer Brücke oder einem Schweißsteg 41, z. B. an einer Kehlschweißnaht, positioniert, der über den Einlass 42 der Kühlpassage 20 ragt. Falls gewünscht, kann jeder der Füße 46 an der Schweißbrücke unter Verwendung von irgendeinem geeigneten auf dem Technikgebiet bekannten Mittel befestigt sein.
Es wird nun auf die 2 und 6 bis 9 Bezug genommen. Eine Abdeckanordnung 48 ist mit dem Auslassende 40 des Rohreinsatzes 36 verbunden. Die Abdeckanordnung 48 weist einen erhabenen Kragenbereich 50 auf, der das Auslassende 40 des Rohreinsatzes 36 aufnimmt und mit diesem reibmäßig zusammenwirkt. Wie man in der 7 erkennen kann, hat der Kragenbereich 50 eine innere Öffnung 51, die eine mit der Querschnittsgestalt des Rohreinsatzes 36 korrespondierende abgeflachte Gestalt hat. Wie in 9 gezeigt, kann der Kragenbereich 50 mit einer Schulter 53 versehen sein, die das Auslassende 40 des Rohreinsatzes 36 berührt, so dass der Rohreinsatz 36 darein eingeschnappt sein kann. Die Abdeckanordnung 48 kann einen einzelnen Fluidauslass 52, wie in 2 gezeigt, in Fluidverbindung mit dem Auslassende 40 des Rohreinsatzes 36 über eine (nicht gezeigte) interne Passage haben oder kann zwei Fluidauslässe 52 und 54, wie in 8 gezeigt, haben, die sich in Fluidverbindung mit dem Auslassende 40 des Rohreinsatzes 36 über eine (nicht gezeigte) innere Passage befinden. Der erste Fluidauslass 52 weist eine Düse auf, die in einer Öffnung in dem Wabenpolster 28 angeordnet sein kann, um Kühlluft zwischen zwei der Messerkantendichtungen 32, beispielsweise zwischen den beiden Messerkantendichtungen, die dem Dichtungsringhohlraum 24 am nächsten sind, zuzuführen. Sofern vorhanden, weist der zweite Fluidauslass 54 eine Öffnung in der Abdeckanordnung 48 auf, welche dem Dichtungsringhohlraum 24 Kühlluft liefert. Der Auslass bzw. die Auslässe 52 und/oder 54 ist/sind derart konfiguriert, dass er/sie dem Dichtungsringhohlraum 24 und/oder den Raum zwischen den zwei Messerkantendichtungen Kühlluft zuführt/zuführen, so dass sie in der Rotationsrichtung der ersten Turbinenrotorstufe vorrotiert ist. Das ist wünschenswert, um das Aufwärmen in Folge von Verwirbelung zu verringern.
Das Halteelement 39 und die Abdeckanordnung 48 können aus jedem geeigneten in dem Technikgebiet bekannten Metallmaterial hergestellt sein. Beispielsweise könnte jede dieser Komponenten aus Inconel 625 gebildet sein, falls das gewünscht ist.
Einer der Vorteile des Kühlluft-Zuführsystems der vorliegenden Erfindung ist, dass die Kühlluft mit wenig Aufwärmung als Folge der Passage der Kühlluft durch die Schaufel 12 zugeführt werden kann. Das kommt daher, dass der Rohreinsatz 36 als ein Wärmeschild zwischen der Kühlluft und der Schaufel 12 wirkt. Weiterhin beschleunigt der Kühleinsatz 36 die Kühlluft, wenn sie durch die Schaufel 12 strömt und reduziert so die Zeit, die diese der Wärme ausgesetzt ist.
Weiterer Vorteil des Systems der vorliegenden Erfindung ist, dass es das interne Kühlen der Schaufel 12 durch die Kühlpassage 20 nicht stört.
Man erkennt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine integrierte Rotations-Messerkanten-Injektionsrohranordnung bereitgestellt wird, die vollständig die Ziele, Mittel und Vorteile erfüllt, wie sie vorangehend ausgeführt wurden. Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von speziellen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, werden andere Alternativen, Modifikationen und Variationen davon dem Fachmann ersichtlich sein, der die vorangegangene Beschreibung gelesen hat. Folglich sollen die Alternativen, Modifikationen und Variationen mit eingeschlossen sein, die in den breiten Umfang der nachfolgenden Ansprüche fallen.

Claims

System zum Zuführen von Kühlluft zu einer Messerkanten-Dichtungsanordnung (22) in einer Turbinenstufe einer Gasturbinenmaschine, aufweisend: mindestens eine Statorschaufel (12) der Turbinenstufe mit einer Kühlpassage (20), welche zum Kühlen des Innern der Schaufel (12) verwendet wird, welche sich von einer äußeren Plattform (14) der mindestens einen Statorschaufel (12) zu einer inneren Plattform (16) der mindestens einen Statorschaufel (12) erstreckt; eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu der Messerkanten-Dichtungsanordnung (22); wobei die Zuführeinrichtung einen Rohreinsatz (36) aufweist, der in der Passage (20) positioniert ist; wobei der Rohreinsatz (36) einen Einlass an einem Ende (38) zum Aufnehmen von Kühlluft und einen Auslass an einem zweiten Ende (40) aufweist; und wobei die Zuführeinrichtung ferner eine Abdeckeinrichtung (48) aufweist, die an dem zweiten Ende (40) des Rohreinsatzes (36) zum Aufnehmen von Kühlluft von dem Rohreinsatz (36) und zum Zuführen der Kühlluft zu der Messerkanten-Dichtungsanordnung (22) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckeinrichtung (48) mindestens einen Fluidauslass (52, 54) aufweist, der derart konfiguriert ist, dass er die Kühlluft zu der Messerkanten-Dichtungsanordnung (22) in einer in der Rotationsrichtung einer Turbinenrotorstufe der Gasturbinenmaschine vorrotierten Weise zuführt.
System nach Anspruch 1, wobei der Fluidauslass (52, 54) eine Düseneinrichtung zum Bereitstellen von Kühlluft an einen Dichtungshohlraum (24) hat.
System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Dichtungsanordnung (22) ein Wabenpolster (28) und eine Mehrzahl von Messerkantendichtungen (32) in Kontakt mit dem Wabenpolster (28) hat, und wobei die Zuführeinrichtung zum Zuführen der Kühlluft eine erste Düse aufweist, welche durch das Wabenpolster (28) in einen Raum zwischen zwei der Messerkantendichtungen (32) ragt.
System nach Anspruch 3, wobei die Zuführeinrichtung zum Zuführen von Kühlluft ferner eine zweite Düse zum Bereitstellen von Kühlluft an einen Dichtungsringhohlraum (24) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuführeinrichtung ferner eine an dem Einlassende (28) des Rohreinsatzes (36) befestigte Einrichtung (39) zum Halten des Rohreinsatzes (36) in Position relativ zu der Passage (20) hat.
System nach Anspruch 5, wobei die Halteeinrichtung (39) einen Zentralbereich (44), der derart konfiguriert ist, dass er über das Einlassende (38) des Rohreinsatzes (36) passt, und eine Mehrzahl von Haltefüßen (46) hat, die an dem Zentralbereich (44) befestigt sind.
System nach Anspruch 6, wobei der Zentralbereich (44) an das Einlassende (38) des Halteeinsatzes (36) geschweißt ist.
System nach Anspruch 6, wobei der Zentralbereich (44) mit dem Einlassende (38) des Rohreinsatzes (36) durch ein Lötmaterial verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Rohreinsatz (36) nicht gerade ist und eine abgeflachte nicht-kreisförmige Querschnittsgestalt hat.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Abdeckeinrichtung (48) einen von einer Seite vorstehenden Kragen (50) hat und wobei der Kragen (50) das Auslassende (40) des Rohreinsatzes (36) umgibt.
System nach Anspruch 10, wobei der Kragen (50) einen Innenbereich mit einer Gestalt hat, die mit der Querschnittsgestalt des Rohreinsatzes (36) korrespondiert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Turbinenstufe eine Mehrzahl von Schaufeln hat und jede der Schaufeln eine Kühlluft-Zuführeinrichtung hat.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Einsatzrohr (36) Seitenwände (37) hat, die von den Seitenwänden (35) der Passage (20) beabstandet sind.