DE112009002594T5

DE112009002594T5 - Mantelringaufhängung mit verbreitetem Kühlkanal

Info

Publication number: DE112009002594T5
Application number: DE112009002594T
Authority: DE
Inventors: Jason David Shapiro
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US8123473B2; GB201107109D0; JP5658673B2; JP2012507658A; US20100111670A1; WO2010062474A1; GB2476223A; CA2742004C; CA2742004A1; GB2476223B

Abstract

Eine Mantelringaufhängung (44) für einen Gasturbinenantrieb weist einen bogenförmigen Körper (52) mit einer inneren und einer gegenüberliegenden äußeren Fläche sowie einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende, einen Kanal mit wenigstens einem Kühlkanal (74) darin auf, der enthält: (a) einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanal (76), der sich durch den Körper erstreckt, wobei der Kanal ein zu einer Außenseite des Körpers offenes Ende aufweist; und (b) einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusor (78), der sich durch die Innenfläche erstreckt und den Kanal schneidet.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Gasturbinenantriebsturbinen und insbesondere Verfahren zur Kühlung von Turbinenabschnitten derartiger Antriebe.
Ein Gasturbinenantrieb enthält einen Turbomaschinenkern mit einem Hochdruckverdichter, einer Brennkammer und einer Hochdruck- oder Gaserzeugerturbine in serieller Strömungsbeziehung. Der Kern lässt sich in bekannter Weise betreiben, um eine primäre Gasströmung zu erzeugen.
Die Gaserzeugerturbine enthält einen oder mehrere Rotoren, die der primären Gasströmung Energie entziehen. Jeder Rotor weist eine kreisringförmige Anordnung von Laufschaufeln oder Schaufeln, die durch eine umlaufende Scheibe getragen werden, auf. Der Strömungspfad durch den Rotor ist zum Teil definiert. Gewöhnlich werden zwei oder mehrere Stufen in serieller Strömungsanordnung verwendet. Diese Komponenten arbeiten in einer Umgebung mit extrem hoher Temperatur und müssen durch eine Luftströmung gekühlt werden, um eine passende Nutzungslebensdauer sicherzustellen. Gewöhnlich wird die zur Kühlung verwendete Luft aus einer oder mehreren Stellen in dem Verdichter entnommen.
Herkömmliche gekühlte Turbinenmantelringe werden durch segmentierte Aufhängevorrichtungen getragen, durch die die Mantelringkühlluft zugeführt wird. Diese Luft wird gewöhnlich durch Löcher in dem Hauptkörper der Aufhängung hindurch geliefert. Sobald sie durch die Aufhängung passiert ist, tritt die Luft in eine Sammelkammer ein, die durch die Aufhängung und ein Prallblech gebildet ist. Die Luft passiert anschließend das Prallblech und trifft auf den Mantelring auf. Um das Prallblech nicht zu beschädigen, ist es vorzuziehen, dass die Aufhängungslöcher derart winkelig ausgerichtet werden, dass die Luft nicht unmittelbar auf das Prallblech aufprallt oder dass die Luft verteilt wird, bevor sie in die Sammelkammer eintritt.
Derzeitige Turbinenmantelringaufhängungen verwenden entweder geradlinige Löcher, die unmittelbar auf das Prallblech auftreffen, oder Löcher mit teilweise gegossenen Diffusoren. Turbinenmantelringaufhängungen, die den direkten Aufprall nutzen, haben Prallblechrisse infolge einer Anregung durch die von den Aufhängungslöchern kommende Hochgeschwindigkeitsluft erfahren. Herkömmliche gegossene Diffusoren benötigen viel Platz, um aufgenommen zu werden, und können den Einsatz von Quarzstäben in dem Gießprozess erfordern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Unzulänglichkeiten des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung angegangen, die eine Turbinenmantelringaufhängung bereitstellt, die einen einfachen, kompakten Prallluftdiffusor umfasst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Mantelringaufhängung für einen Gasturbinenantrieb einen bogenförmigen Körper mit einer inneren und einer gegenüberliegenden äußeren Oberfläche und einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende auf, wobei der Kanal wenigstens einen Kühlkanal darin aufweist, der enthält: (a) einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanal, der sich durch den Körper hindurch erstreckt, wobei der Kanal ein zu einer Außenseite des Körpers offenes Ende aufweist; und (b) einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusor, der sich durch die Innenfläche erstreckt und den Kanal schneidet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen einer Mantelringaufhängung für einen Gasturbinenantrieb: (a) Gießen eines bogenförmigen Körpers mit einer Innen- und einer gegenüberliegenden Außenfläche sowie einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende; (b) Formen eines im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusors, der sich durch die Innenfläche erstreckt; und (c) Formen eines im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanals, der sich durch den Körper erstreckt, wobei der Kanal ein Ende aufweist, das zu einer Außenseite des Körpers offen ist, und den Diffusor schneidet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann am besten verstanden werden, indem auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren Bezug genommen wird, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Querschnittsansicht eines Gaserzeugerkerns eines Turbinenantriebs, der gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Querschnittsansicht einer in 1 veranschaulichten Turbinenmantelringaufhängung;
3 eine entlang der Linien 3-3 nach 2 aufgenommene Ansicht;
4 eine entlang der Linien 4-4 nach 2 aufgenommene Ansicht;
5 eine schematisierte Querschnittsansicht einer Form zum Gießen einer Turbinenmantelringaufhängung;
6 eine schematisierte Querschnittsansicht einer mit der Form nach 5 gegossenen Mantelringaufhängung;
7 eine Ansicht der Mantelringaufhängung nach 9, nachdem darin ein Kühlkanal maschinell eingeformt worden ist;
8 eine Querschnittsansicht einer alternativen Turbinenmantelringaufhängung, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
9 eine entlang der Linien 9-9 nach 8 aufgenommene Ansicht; und
10 eine entlang der Linien 10-10 nach 8 aufgenommene Ansicht.
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 eine Gaserzeugerturbine 10, die einen Teil einer Gasturbine bildet. Sie enthält einen Leitapparat 12 der ersten Stufe, der mehrere längs des Umfangs voneinander beabstandete tragflächenprofilförmige hohle Leitschaufeln 14 der ersten Stufe aufweist, die zwischen einem bogenförmigen, segmentierten Außenband 16 der ersten Stufe und einem bogenförmigen, segmentierten Innenband 18 der ersten Stufe gehaltert sind. Die Leitschaufeln 14 der ersten Stufe, das Außenband 16 der ersten Stufe und das Innenband 18 der ersten Stufe sind in mehreren in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Leitapparatsegmenten eingerichtet, die gemeinsam eine vollständige 360°-Anordnung bilden. Das Außen- und das Innenband 16 und 18 der ersten Stufe definieren die äußere bzw. innere radiale Strömungspfadbegrenzung, für den Heißgasstrom, der durch den Leitapparat 12 der ersten Stufe strömt. Die Leitschaufeln 14 der ersten Stufe sind derart konfiguriert, dass sie die Verbrennungsgase optimal zu einem Rotor 20 der ersten Stufe leiten.
Der Rotor 20 der ersten Stufe enthält eine Anordnung von tragflächenprofilförmigen Turbinenschaufeln 22 der ersten Stufe, die sich von einer Scheibe 24 der ersten Stufe nach außen erstrecken, die um die Mittelachse des Antriebs rotiert. Ein segmentierter, bogenförmiger Mantelring 26 der ersten Stufe ist angeordnet, um die Turbinenlaufschaufeln 22 der ersten Stufe eng zu umgeben und dadurch die äußere radiale Strömungspfadbegrenzung für den durch den Rotor 20 der ersten Stufe strömenden Heißgasstrom zu definieren.
Ein Leitapparat 28 der zweiten Stufe ist stromabwärts von dem Rotor 20 der ersten Stufe positioniert und weist mehrere längs des Umfangs voneinander beabstandete tragflächenprofilförmige hohle Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe auf, die zwischen einem bogenförmigen, segmentierten Außenband 32 der zweiten Stufe und einem bogenförmigen, segmentierten Innenband 34 der zweiten Stufe gehaltert sind. Die Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe, das Außenband 32 der zweiten Stufe und das Innenband 34 der zweiten Stufe sind in mehreren in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Leitapparatsegmenten eingerichtet, die gemeinsam eine vollständige 360°-Anordnung bilden. Das Außen- und das Innenband 32 und 34 der zweiten Stufe definieren die äußere bzw. innere radiale Strömungspfadbegrenzung für den Heißgasstrom, der durch den Turbinenleitapparat 28 der zweiten Stufe hindurchströmt. Die Leitschaufeln 30 der zweiten Stufe sind konfiguriert, um die Verbrennungsgase optimal zu einem Rotor 36 der zweiten Stufe zu leiten.
Der Rotor 36 der zweiten Stufe enthält eine radiale Anordnung von tragflächenprofilförmigen Turbinenlaufschaufeln 38 der zweiten Stufe, die sich von einer Scheibe 40 der zweiten Stufe radial nach außen erstrecken, die um die Mittellinienachse des Antriebs rotiert. Ein segmentierter, bogenförmiger Mantelring 42 der zweiten Stufe ist derart angeordnet, dass er die Turbinenlaufschaufeln 38 der zweiten Stufe eng umgibt und dadurch die äußere radiale Strömungspfadbegrenzung für den durch den Rotor 36 der zweiten Stufe hindurchströmenden Heißgasstrom definiert.
Die Segmente des Mantelrings 26 der ersten Stufe sind durch eine Anordnung von bogenförmigen Mantelringaufhängungen 44 der ersten Stufe gehalten, die wiederum, z. B. unter Verwendung der veranschaulichten Haken, Schienen und C-Klammern in bekannter Weise, durch einen bogenförmigen Mantelringträger 46 getragen sind. Zwischen den Mantelringaufhängungen 44 der ersten Stufe und dem Mantelring 26 der ersten Stufe ist eine Mantelringsammelkammer 48 definiert. Die Mantelringsammelkammer 48 enthält ein Prallblech 50, das in bekannter Wiese von Prallkühllöchern durchdrungen ist.
2, 3 und 4 zeigen eine der Mantelringaufhängungen 44 der ersten Stufe in größeren Einzelheiten. Es ist zu beachten, dass die Mantelringaufhängung 44 der ersten Stufe lediglich als ein Beispiel verwendet wird, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, die in gleicher Weise auf andere ähnliche Komponenten, z. B. die Aufhängevorrichtungen, die die Mantelringe 42 der zweiten Stufe halten, anwendbar ist. Die Mantelringaufhängung 44 der ersten Stufe ist ein einteiliges Gussteil und weist einen bogenförmigen Körper 52 mit einer inneren und einer gegenüberliegenden äußeren Oberfläche 54 und 56 und mit einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende 58 und 60 auf. Ein vorderer Haken 62, der einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist, erstreckt sich an dem vorderen Ende 58 von der Innenfläche 54 aus radial nach innen. Ein hinterer Haken 64, der einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist, erstreckt sich an dem hinteren Ende 60 von der Innenfläche 54 radial nach innen.
Eine vordere Montageschiene 66, die einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt mit einem axialen und einem radialen Schenkel 68 und 70 aufweist, erstreckt sich von der Außenfläche 56 aus an dem vorderen Ende 58. Eine hintere Montageschiene 72, die einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist, erstreckt sich von der Außenfläche 56 an dem hinteren Ende 60.
In dem Körper 52 ist eine kreisringförmige Anordnung von Kühlkanälen 74 ausgebildet. Jeder Kühlkanal 74 weist einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanal 76 und einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusor 78 auf. Der Kanal 76 tritt durch den radialen Schenkel 70 der vorderen Montageschiene 66 hindurch und erstreckt sich durch den Körper 52 hindurch. In dem veranschaulichten Beispiel tritt jeder der Kanäle 76 durch einen optionalen Ansatz 80 hindurch, der von der Außenfläche 56 des Körpers 52 radial nach außen ragt. Das hintere Ende des Kanals 76 ist mit dem Diffusor 78 verbunden. Der Diffusor 78 führt durch die Innenfläche 54 hindurch und erstreckt sich durch den Körper 52 hindurch in den Ansatz 80 hinein. Die Querschnittsdurchflussfläche des Diffusors 78 ist deutlich größer als diejenige des Kanals 76. In diesem Beispiel beträgt der Winkel θ₁ zwischen einer Rückwand 82 des Diffusors 78 und der Mittellinie des Kanals 76 ungefähr 90°.
Im Betrieb wird Kühlluft von einer Quelle innerhalb des Antriebs, z. B. Verdichterzapftluft, zu dem Kanal 76 geliefert. Die durch den Kanal 76 ankommende Hochgeschwindigkeitsluft verliert einen Teil ihrer Geschwindigkeitshöhe, wenn sie auf die Rückwand 82 des Diffusors 78 auftrifft. Da diese einen Teil eines relativ dicken Gussteils bildet, kann sie mit einer hinreichenden Dicke hergestellt sein, so dass keine Gefahr einer auf die Anregung durch die Kühlluft zurückzuführenden Beschädigung besteht. Die Luft mit geringerer Geschwindigkeit dreht anschließend radial nach innen, wie dies durch den Pfeil in 2 veranschaulicht ist, und breitet sich aus. Sie strömt anschließend in die Mantelringsammelkammer 48 (vgl. 1) hinein, wo sie in bekannter Weise zur Prallkühlung verwendet wird. Auf der Basis einer Analyse kann die axiale Position des Diffusors 78 für jede spezielle Anwendung in bevorzugter Weise angeordnet werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Luft in der Mantelringsammelkammer 48 sicherzustellen, was eine gleichmäßige Prallkühlung für den Mantelring 26 der ersten Stufe ergibt.
Die Mantelringaufhängung 44 kann unter Verwendung eines bekannten Feingussverfahrens hergestellt werden, in dem eine Keramikform erzeugt wird (wie sie bei „M” in 5 schematisch dargestellt ist), die einen Hohlraum „C” aufweist, der die Form der Mantelringaufhängung 44 und ihre inneren Merkmale definiert. Der Formhohlraum C enthält ein integrales positives Merkmal oder einen Zapfen „P” in der Form des Diffusors 78. Die Form M wird in einem Ofen platziert, und es wird ein Flüssigmetall, z. B. eine bekannte Kobalt- oder Nickel-basierte „Superlegierung” in eine darin vorgesehene Öffnung (nicht veranschaulicht) gegossen. Nachdem man das Metall abkühlen und erstarren lässt, wird die äußere Schale aufgebrochen und entfernt, wodurch das Gussteil freigegeben wird, das die Gestalt der Mantelringaufhängung 44 aufweist, die den Diffusor 78 enthält, wie dies in 6 veranschaulicht ist. Optional könnte der Diffusor 78 nach dem Gießen durch maschinelle Bearbeitung erzeugt werden.
Nachdem der Gießprozess beendet ist, wird der Kanal 76 durch maschinelle Bearbeitung (z. B. durch Bohren, ECM, EDM oder ein ähnliches Verfahren) durch den radialen Schenkel 70 und den Ansatz 80 hindurch erzeugt, bis er den Diffusor 78 schneidet, wie dies in 7 veranschaulicht ist. Optional könnte der Kanal 76 durch Aufnahme eines Quarzstabs oder eines sonstigen feuerfesten Kernelementes in die Form M in bekannter Weise während des Gießens erzeugt werden.
Die Abmessungen und Formen der Kühlkanäle 74 können variiert werden, um für eine bestimmte Anwendung zu passen. Zum Beispiel veranschaulichen die 8–10 eine alternative Mantelringaufhängung 144, die einen ähnlichen Aufbau wie die vorstehend beschriebene Mantelringaufhängung 44 aufweist. Sie enthält einen Kühlkanal 174, der einen Kanal 176 und einen Diffusor 178 aufweist. In diesem Beispiel beträgt der Winkel θ₂ zwischen einer Rückwand 182 des Diffusors 178 und der Mittellinie des Kanals 176 etwa 45°. Diese Konstruktion ruft einen geringeren Druckabfall in der den Kühlkanal 174 verlassenden Strömung als die in den 2–4 veranschaulichte Konstruktion hervor, was in einigen Anwendungen erwünscht sein kann.
Die hierin beschriebene Mantelringaufhängung weist mehrere Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Konstruktion auf. Durch Planen des Kanals 74 an einer Gussoberfläche wird eine Prallblechbeeinträchtigung, die durch Hochgeschwindigkeitsprallluft verursacht wird, vermieden. Diese Konfiguration ist auch optimiert, um in Bereichen mit begrenztem Platz zu arbeiten, wo nicht hinreichend Raum für eine typische Diffusorreihenanordnung vorhanden ist. Schließlich sind gegossene Merkmale relativ einfach herzustellen, wodurch Kosten und Komplexität des Herstellungsverfahrens reduziert werden.
Das Vorstehende beschreibt eine Mantelringaufhängung für einen Gasturbinenantrieb. Während spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist es für Fachleute auf dem Gebiet 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.

Claims

Mantelringaufhängung für einen Gasturbinenantrieb, die einen bogenförmigen Körper mit einer Innen- und einer gegenüberliegenden Außenfläche sowie einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende aufweist, wobei der Kanal wenigstens einen Kühlkanal darin aufweist, der enthält: (a) einen im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanal, der sich durch den Körper erstreckt, wobei der Kanal ein zu einer Außenseite des Körpers offenes Ende aufweist; und (b) einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusor, der sich durch die Innenfläche erstreckt und den Kanal schneidet.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 1, die ferner eine vordere und eine axial beabstandete hintere Montageschiene aufweist, die sich von der Außenfläche des Körpers radial nach außen erstrecken.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 2, wobei der Kanal durch eine der Montageschienen hindurchführt.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 1, die ferner wenigstens einen Ansatz enthält, der sich von der Außenfläche des Körpers aus radial nach außen erstreckt, wobei der wenigstens eine Kühlkanal wenigstens teilweise innerhalb des wenigstens einen Ansatzes angeordnet ist.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 1, die ferner wenigstens einen Haken enthält, der sich von der Innenfläche radial nach innen erstreckt.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Haken einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 1, wobei eine Rückwand unter einem nichtparallelen Winkel von etwa 90° oder weniger zu einer Mittellinie des Kanals angeordnet ist.
Mantelringaufhängung nach Anspruch 1, wobei eine Rückwand unter einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf eine Mittellinie des Kanals angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Mantelringaufhängung für einen Gasturbinenantrieb, das aufweist: (a) Gießen eines bogenförmigen Körpers mit einer Innen- und einer gegenüberliegenden Außenfläche sowie einem vorderen und einem gegenüberliegenden hinteren Ende; (b) Formen eines im Wesentlichen radial ausgerichteten Diffusors, der sich durch die Innenfläche erstreckt; und (c) Formen eines im Wesentlichen axial ausgerichteten Kanals, der sich durch den Körper erstreckt, wobei der Kanal ein Ende aufweist, das zu einer Außenseite des Körpers offen ist, und den Diffusor schneidet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (b) durch Gießen des Körpers unter Verwendung einer Form ausgeführt wird, die ein positives Merkmal enthält, das die Gestalt des Diffusors definiert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (c) durch maschinelles Einarbeiten des Kanals in den gegossenen Körper ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mantelringaufhängung ferner eine vordere und eine axial beabstandete hintere Montageschiene enthält, die sich von der Außenfläche des Körpers aus radial nach außen erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Kanal derart geformt wird, dass er durch eine der Montageschienen hindurchführt.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner wenigstens einen Ansatz enthaltend, der sich radial nach außen von der Außenfläche des Körpers erstreckt, wobei der wenigstens eine Kühlkanal wenigstens teilweise innerhalb des wenigstens einen Ansatzes angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner wenigstens einen Haken enthaltend, der sich von der Innenfläche radial nach innen erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine Haken einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Rückwand unter einem nichtparallelen Winkel von etwa 90° oder weniger zu einer Mittellinie des Kanals angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Rückwand unter einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf eine Mittellinie des Kanals angeordnet wird.