DE1916588A1

DE1916588A1 - Gekuehlte Turbinenduese fuer Hochtemperaturturbine

Info

Publication number: DE1916588A1
Application number: DE19691916588
Authority: DE
Inventors: Auxier Thomas Arthur
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-12-01
Filing date: 1969-04-01
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE731828A; FR2040889A5; US3475107A; GB1261765A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Leitschaufeln in einer Turbomaschine für hohe Temperaturen und mit Axialströmung und insbesondere eine Leitflächenanordnung für eine Turbinendüse (turbine nozzle diaphragm assembly) mit verbesserten Vorrichtungen zur Steuerung und Richtung des Stromes der Kühlflüssigkeit durch die Anordnung in einer wirksamen und ausreichenden Weise.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad einer Gasturbinenmaschine in Beziehung zu der Arbeitstemperatur der Turbine ateh^pUaeoretisch durch Erhöhung der Betriebstemperatur gesteigert werden kann. In praktischer Hinsicht wird jedoch die maximale Betriebstemperatur der Turbine durch die Hochtemperatureigenschaften der verschiedenen Bauelemente der Turbine begrenzt«. Da der Wirkungsgrad der Maschine auf diese Weise durch die Berückaichti-.gung der Temperatur beschränkt ist, haben die Konstrukteure won

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Turbinen beträchtliche Anstrengungen gemacht, um die Hochtemperatureigenschaften der Bauelemente von Turbinen zu erhöhen und insbesondere die tragflügelartig geformten Leitschaufeln, auf welche die Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur auftreffen. Eine gewisse Steigerung in dem Wirkungsgrad der Maschine ist durch die Entwicklung und Anwendung neuer Materialien . erreicht worden, die in der Lage sind, höheren Temperaturen zu widerstehen. Diese neuen Materialien sind jedoch im allgemeinen nicht in der Lage, die in mo^dernen Gasturbinen erwünschten extrem hohen Temperaturen auszuhalten. Folglich sind verschiedene Kühlanordnungen für Leitschaufeln entwickelt worden, um die obere Grenze der Betriebstemperatur dadurch auszudehnen, daß man das Material der Leitschaufeln auf den niedrigeren Temperaturen hält, welche es ohne ausgefressen oderausgebrannt zu werden, aushält. Der generisehe Ausdruck "Leitschaufeln" (vane) wird hier für tragflügelartig geformte Elemente verwendet, die in Hochtemperaturturbpmaschinen verwendet werden. Dieser Ausdruck bezieht sich daher nicht nur auf die allgemein als Leitschaufeln bekannten Bauteile, sondern auch auf andere tragflügelartig gestaltete Bauteile, wie sie allgemein als Schaufeln, Laufschaufeln usw. bekannt sind.

Die Kühlung der Leitschaufeln wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß innerhalb der Leitschaufeln innere Strömungswege für die' Strömung eines Kühlmittels vorgesehen wird, wobei das fließfähige Kühlmittel typischerweise komprimierte Luft ist, die entweder aus dem Kompressor oder aus dem Brenner entnommen wird. Es ist auch bereits bekannt, daß der theoretisch mögliche Wirkungsgrad der Maschine durch die Entnahme von Kühlluft verringert wird* Es. ist daher unbedingt erforderlich, daß die Kühlluft wirfesans ausgenutzt wird, da sonst die durch die Entnahme Uer Kühlluft verursachte"Verringerung des WirkungsgradQS größe i* ist aXe die Steigesusg Infolge der" höhereti.. Betriebstemperatur der Turlsis©«. Hat amö©rea. Worten muß da» Kftf&Bysteai wirksam «ei»^vcnn.'-Staaapunic-t. Ö@r Verringerung der Hange der bemötigten Kühlluft. Es ist ebenso unerläßlich,

daß alle Teile der Leitschaufeln der Turbine ausreichend gekühlt werden. Insbesondere muß eine ausreichende Kühlung für die Eintritts- und Austrittskanten der Leitschaufeln vorhanden sein, da diese Teile durch die Verbrennungsgase mit hoher Temperatur am nachteiligsten beeinflußt werden.

Es wurde gefunden, daß die bisher verfügbaren Kühlkonstruktionen die Neigung hatten, Mängel bezüglich der vorstehenden Anforderungen aufzuweisen. Kühlsysteme, die ein Minimum an Kühlluftmenge verwenden, kühlen gewöhnlich nicht alle Teile der Leitschaufeln in ausreichendem Maße. Als Ergebnis kann ein kritischer Teil nach einer relativ kurzen Betriebsdauer, wie beispielsweise die Austrittskante, rissig werden, ausbrennen oder ausgefressen werden. Andererseits erfordern gewöhnlich diejenigen Systeme, welche alle Teile der Leitschaufeln einschließlich der Eintritts- und Austrittskanten ausreichend kühlen, zuviel Luft vom Standpunkt des Gesamtwirkungsgrades der Maschine, da die Kühlluft nicht wirksam ausgenutzt wird. Beispielsweise kann eine nicht wfiü»ßKS Anordnung die Kühlluft in einer Weise durch das Innere der Leitschaufeln führen, welche zur Ausbildung niedriger Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion oder zu geringen Geschwindigkeiten für den Wärmeübergang führt. Andere Charakteristika, wie die unzureichende Fläche für den Wärmeübergang, können ebenfalls die wirksame Ausnutzung der Kühlluft verhindern.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leitschaufelstruktur für Hochtemperatur-Turbomaschinen zu liefern, durch die das Kühlmittel mit einem hohen Wirkungsgrad ausgenutzt wird.

Kurz gesagt, enthält bei einer Ausführungsform der Erfindung eine hohle Leitschaufel zur Verwendung in einer Turbomaschine Trennmittel zur Unterteilung des inneren Hohlraumes der Leitschaufel in eine Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Wanne Übergangsbereichen. Die Bereiche enthalten einen in

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der Mitte angeordneten Sammelraum, einen Sammelraum angrenzend an entweder die Eintritts- oder Austrittskante der Leitschaufel und Durchlaßwege, um den in der Mitte angeordneten Sammelraum herum. Ein fließfähiges Mittel zur Wärmeübertragung, beispielsweise Kühlluft, wird von einem Ende der Leitschaufel aus lediglich dem mittleren Sammelraum zugeführt. Von dem mittleren Sammelraum aus wird das gesamte zugeführte fließfähige Mittel zur Wärmeübertragung in die Durchlaßwege geleitet, die an die andere radiale Kante, welche dem Kantensammeiraum gegenüberliegt, angrenzen, und zwar in Form von Strahlen mit hoher Geschwindigkeit, welche auf die inneren Wandoberflächen der Leitschaufel aufprallen und hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeiten oder hohe Koeffizienten für den Wärmeübergang durch Konvektion an der Kante erzeugen. Mindestens ein Teil des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang strömt dann in Form einer Strömung längs Profilsehnen durch die Durchlaßwege um den in der Mitte, angeordneten Sammelraum herum und ergibt dadurch einen wirksamen Wärmeübergang durch Konvektion in dem mittleren Bereich des Profils der Leitschaufeln. Von den Durchlaßwegen aus wird das fließfähige Mittel für den Wärmeübergang in den Kantensammeiraum in Form von Strahlen mit hoher Geschwindigkeit eingebracht, welche auf die inneren Wandoberflächen des Kantensammeiraumes auftreffen und dadurch hohe Koeffizienten für den Wärmeübergang darin erzeugen. Die erfindungsgemäße Anordnung nutzt daher das gleiche fließfähige Mittel für den Wärmeübergang durch Aufprall an beiden Kanten der Leitfläche und für den Wärmeübergang durch Konvektion im mittleren Bereich des Profiles aus. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist der Kantensammeiraum an der Eintrittskante angeordnet. Ein Teil des fließfähigen Mittels zum Wärmeübergang wird durch eine Vielzahl von Durchlässen in der Austrittskante ausgestoßen, nachdem das gesamte zugeführte fließfähige Mittel für den Wärmeübergang auf die inneren Wandoberflächen an der Austrittskante aufgeprallt ist. Der übrige Teil des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang wird durch

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Auslaßvorrichtungen ausgestoßen, welche mit dem Kantensammeiraum in Verbindung stehen.

Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung in einer Turbomaschine mit axialer Strömung für eine Leitschaufel, welche einen sich in radialer Richtung erstreckenden Hohlkörper bildet und Endwände sowie konvexe und konkave Seitenwände besitzt, welche die ersten und zweiten in einem Abstand voneinander in radialer Richtung liegenden Kanten verbinden. An einem Ende de» Leitschaufelkörpers befindet sich eine Vorrichtung zum Einlaß des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang durch die Endwände und die Leitfläche weist Auslaßvorrichtungen zum Ausstoß von mindestens einem Teil des Mittels für den Wärmeübergang aus dem Leitschaufelkörper auf. Innerhalb des Leitschaufelkörpers sind Trennmittel vorhanden, welche den hohlen Innenraum des Körpers in eine Vielzahl sich in radialer Richtung erstreckender Bereiche für den Wärmeübergang aufteilen. Diese Bereiche schließen einen in der Mitte angeordneten Sammelraum zur Aufnahme des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang, enen Kantensammeiraum, der an eine erste radiale Kante angrenzt zum Ausstoß des Wärmeübergangsmittels und Durchlaßvorrichtungen, welche den in der Mitte angeordneten Sammelraum umgeben, ein. Der Leitschaufelkörper we&st eine erste Drosselvorrichtung zwischen dem in der Mitte angeordneten Sammelraun und den Durchlaßvorrichtungen in der Nähe der zweiten radialen Kante zur Beschleunigung des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang auf, die das Wärmeübergangsmittel mit hoher Geschwindigkeit aus diesem in der Mitte angeordneten Saramelraum gegen die inneren Wandoberflächen an dieser zweiten radialen Kante richten und dadurch an diener zweiten radialen Kante höbe Übergangskoeffizienten für den Wärmeübergang durch Konvektion erzeugen. Eine zweite Drosselvorrichtung zur Beschleunigung des Wärmeübergangsmittels befindet sich zwischen diesen Durchlaßvorrichtungen und dem Kantensammeiraum, und richtet das Wärmeübergangsmittel mit hoher Geschwindigkeit aus diesen 'Durchlaßwegvorrichtungen gegen die inneren Wandoberflächen

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des Kantensammelraumes, um an der ersten radialen Kante hoher Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang durch Konvektion zu erzeugen, wodurch mindestens ein Teil des fließfähigen Wärmeübergangsmittels nacheinander an den zweiten und ersten radialen Kanten auf die inneren Wandoberflachen aufprallt, um an diesen radialen Kanten einen gesteigerten Wärmeübergang zu liefern.

Figur 1 ist ein Schnitt eines Teiles einer Gasturbinenmaschine, die einen Leitschaufel-Düsenring (turbine nozzle diaphragm) entsprechend der Erfindung aufweist.

Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Teiles des Düsenleitschaufelringes der Figur 1.

Figur 3 ist je ine Ansicht eines Teiles der Leitschaufel-Ringdüse vom äußeren Ende her gesehen. c-

Figur 4 ist eine Ansicht längs der Linie 4-4 der Figur 3 und zeigt im Längsschnitt die Leitschaufel(vane) und die zugehörige Verbindungs- und Dichtungsstruktur.

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Figur 5 ist ein Querschnitt durch die Leitschaufel längs der Linie 5-5 der Figur. 4.

Figur 6 ist eine Ansicht längs der Linie 6-6 der Figur 5,

In Figur 1 werden die Hochtemperaturteile einer Gasturbinenmaschine IO mit axialer Strömung dargestellt. Die Haschine hat ein äußeres zylindrisches Gehäuse 11, das die Hochtemperaturteile einschließt. Die-- umgebildete Gasturbine enthält einem - ringförmigen ¥ei?teeniiissgsraum_? der zwischen dem. zylindrisches"- ■■" Gehäuse 11""ubch Gfess? Inneren Wand 13 gebildet "-w&rd. .Im Abstand von dem Gehäuse Ti und der Wand 13"-ist @ia© fingitesige Brennerauskleidung 14" angeordnet cad., die tatsäelilielie^v ^erbremaung findet im Innern "der ringförmigen "Brenaerauskleidung. 14-statt.

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Die ringförmigen Räume 15 bzw. 16 zwischen der Brennerauskleidung 14 und dem Gehäuse 11 bzw. der Wand 13 werden mit Luft unter hohem Druck von dem Kompressor (nicht gezeigt) gefüllt. Diese Luft mit hohem Druck, welche im Vergleich zu den Verbrennungsgasen mit hoher Temperatur im Inneren der Brennerauskleidung 14 relativ kalt ist, wird in geregelter Weise in das Innere der Auskleidung 14 für den Brenner eingebracht, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und dort eine Kühlung zu liefern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese relativ kalte Luft auch zur Kühlung gewisser Turbinenelemente verwendet, die den Verbrennungsprodükten mit hoher Temperatur ausgesetzt sind.

Eine ringförmige Düse (annular nozzle diaphragm), die in der Figur 1 allgemein durch das Teil 20 angedeutet wird, befindet sich am strömungsabwärts gelegenen Ende der Auskleidung 14 für den Brenner, um die heißen Verbrennungsprodukte einer Reihe von Turbinenschaufeln 21 mit der richtigen Geschwindigkeit und dem richtigen Winkel zuzuftShr©rs_s und von dort werden die Verbrennungsgase durch eine ringförmige Düsenanordnung mit Leitschaufeln, die allgemein durch die Ziffer 22 angedeutet wird, einer Reihe von Turbinenschaufeln 23 zugeführt. Die Turbinenschaufeln 21 sind am Umfang eines Turbinenlaufrades angeordnet, das zusammen mit der zugehörigen Welle 25 und einem zweiten .Turbinenlaufrad 26 mit den darauf befestigten Schaufeln 23 drehbar auf der Maschinenwelle 27 durch geeignete Befestigungsmittel befestigt ist, die eine Lageranordnung 28 einschließen. Die Turbineneinheit, welche die Lauf räder 24 und 26 und die Welle 25 umfaßt, treibt den nicht gezeigten Kompressor der Maschine 10 an.

Aus Figur 1 wird man ebenfalls bemerken, daß der ganze Strom der Verbrennungsprodukte durch die ringförmigen, mit Laufschaufeln versehenen Düsen 22 und 20 und über die Reihen der Turbinenschaufeln 21 und 22 geht. Wenn die Gasturbinenmaschine mit dem Wirkungsgrad und der Leistung arbeiten soll, wie sie in modernen

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BAD ORtGiNAt

Gasturbinenmaschinen erwünscht sind, müssen die Verbrennungsprodukte aus der Auskleidung 14 des Brenners mit Temperaturen ausgestoßen werden, die höher sind als diejenigen, welche von Leitschaufeln aus den gegenwärtig verfügbaren Materialien ohne Kühlung ausgehalten werden. Die vorliegende Erfindung macht diesen wünschenswerten Wirkungsgrad dadurch möglich, daß sie für alle Teile der Leitschaufeln eine hochwirksame ausreichende Kühlung liefert ι In der abgebildeten Ausführungsform wird das Kühlsystem gemäß der Erfindung nur auf die mit Leitschaufeln versehene Düse 22 der zweiten Turbinenstufe angewendet, aber aus der folgenden Beschreibung wird ersichtlich, daß die grundlegenden Gesichtspunkte der Erfindung auch in Verbindung entweder mit der mit Leitschaufeln versehenen Düse 20 oder den Turbinenlaufschaufeln 21 und 23 benutzt werden kann.

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Vor der Beschreibung der Art und Weise, in der durch die vorlisgende Erfindung der Strom des Kühlmittels durch die mit Leitschaufeln versäiene Düse 22 gesteuert und gerichtet wird, sei kurz unter Bezugnahme auf die Abbildungen 1 und 2 die allgemeine Anordnung und Konstruktion der mit Leitschaufeln versehenen Düse 22 beschrieben. Diese wirkt als geschlossene ringförmige Struktur, die eine Vielzahl von am Umkreis angeordneten tragflügelartig geformten Leitschaufeln aufweist. Die Leitschaufeln haben Leitschaufelkörper 33, die sich in radialer Richtung zwischen einem inneren ringförmigen Band 31 und einem äußeren ringförmigen Band 32 erstrecken. Insbesondere sind bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung die ringförmigen Bänder 31 und 32 aus Metallblech hergestellte Bauteile, welche Ausschnitte zur Aufnahme der Leitschaufelkörper 33 aufweisen. Die Leitschaufelkörper 33 sind zur Herstellung einer einheitlichen Struktur in die Bänder 31 und 32 eingeschweißt oder hart gelötet. Das innere Band 31 enthält einen nach innen hereinragenden ringförmigen Tragflansch 38, auf dem ein ringförmiger Dichtungsring 39 befestigt werden kann. Der ringförmige Dichtungsring 39 wirkt zusammen mit einer sich drehenden ringförmigen Dichtungsstruktur 40, welche zwischen den.Turbinenlaufrädern 24 und 26 gehalten wird/ um das unerwünschte Austreten

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heißer Gase um die Leitschaufeln 30 herum im Inneren des inneren ringförmigen Bandes 31 zu verhindern. Weiterhin enthält das äußere ringförmige Band 32 Tragflansche 43 und 44, welche die mit Leitschaufeln versehene Düse 22 stützen und in ihrer Stellung in dem Maschinengehäuse 11 festlegen. Vorzugsweise besteht die mit Leitschaufeln versehene Düse 22 aus der vorstehend beschriebenen Konstruktion; der Fachmann wird jedoch erkennen, daß für die vorliegende Erfindung auch andere Konstruktionsformen verwendet werden können.

Gemäß den Figuren 2-6 ist der Leitschaufelkörper 33 ein hohler, tragflügelartig gestalteter Bauteil Seine konvexe Seitenwand 41 und eine konkave Seitenwand 42 verbinden jeweils die in einem Abstand voneinander in axialer Richtung angeordneten strömungsaiÄrärts gelegenen Eintrittskanten 45 bzw. die strömungsabwärts gelegenen Austrittskanten 46. Insbesondere die Figuren 3 und 5 zeigen, daß die aerodynamische Form des Leitschaufelkörpers 33 an der Eintrittskante 45 abgerundet und relativ stumpf ist, während der Bereich der Austrittskante verjüngt ausläuft und sehr dünn ist. Um diese kritischen Bereiche der Eintrittskante und der Austrittskante und ebenso den mittleren Bereich zu kühlen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung jeder Leitschaufelkörper 33 so ausgebildet, daß er Durchlaßwege zum Wärmeaustausch aufweist. Um diese Durchlaßwege zu bilden, wird das innere Ende 48 jedes Leitschaufelkörpers 33 im wesentlichen verschlossen, mit Ausnahme einer Auslaßöffnung 47 strömungsauf wärts von dem Trägerflansch 48 gelegen. Ein Paar von dünnwandigen Einsatzstücken 50 und 51 aus Metallblech werden in radialer Richtung in das hohle Innere des Leitschaufelkörpers 33 vom äußeren Ende des Körpers her durch eine darin vorgesehene große Öffnung eingeführt. Dieses Ende wird später durch eine Deckplatte 52 mit einer kleinen Einlaßöffnung 53 verschlossen α Das Einsatzstück 50 bildet in seiner Lage in dem Lsitscharaeikörp'sr 33 einen ia ?;sseatllcliea geselilosseaea Raum, ds r bis auf eine Eial&&öf.innng 53 sit kumnsAm® von kleinen Y/e£i.!?r tifixen zi'< hc^^hvsiaenuen i5FosssIö££ssffig©H SS i/seaßlossen

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ist. Das Einsatzstück 50 ist so gestaltet, daß es sich allgemein an die innere Form des Leitschaufelkörpers 33 anpaßt, und wird durch holmartige Rippen 57 in einem engen Abstand von den Seitenwänden 41 und 42 gehalten, wobei die Rippen 57 aus der Oberfläche des Einsatzstückes 50 herausragen und im Eingriff mit den inneren Wandoberflächen der Seitenwände 41 und 42 stehen. Das Einsatzstück 50 umschließt daher einen in der Mitte angeordneten Sammelraum 60 im Innern des Leitschaufelkörpers 33 und bildet einen radialen Durchlaßweg, der sich über die ganze radiale Abmessung des Leitschaufelkörpers 33 erstreckt. Zusätzlich dazu wirken das Einsatzstück 5O und die Seitenwände 41 und 42 noch zusammen, um radiale Durchlaßwege 62 zu bilden, die das Einsatzstück 50 und den Sammelraum 60 völlig umgeben. Das Einsatzstück 51 weist eine große Zahl von kleinen Drosselöffnungen 64 auf und wird ebenfalls radial durch das äußere Ende des Leitschaufelkörpers 33 eingesetzt. Es wird angrenzend an die Eintrittskante 65 angeordnet und bildet einen sich in radialer Richtung erstreckenden Eintrittskantensamme !raum 65. Das Einsatzstück 50 trenat daher den mittleren Sammelraum 60 und die Durchlaßvorrichtung 62. Das Einsatzstück 51 trennt die Durchlaßvorrichtung 62 und den Kantensamme !raum 65. Nachdem die Einsatzstücke 50 und 51 in ihrer Lage im Innern des Leitschaufelkörpers 33 gebracht worden sind, wird die äußere Deeicplatte 52 durch. Schweißen oder andere geeignete Befestigungsmittel in ihrer Lage befestigt, um die äußeren Enden des Eintrittskantensammelraumes 65 und der Durchlaßvorrichtungen 62 zu verschließen. Die Einlaßöffnung 53 " steht lediglich in Verbindung mit dem in der Mitte angeordneten Sammelraum 60 und dient zum Einlaß voa Kühlluft aus dem ringförmigen Verbrennungsraum 15 (siehe Figur 1) in diesen Raum» In dem sich verjüngenden und dünnen Austrittskantenbereich ist eine Vielzahl von Durchlaßwegesi 70 angeordnet* Bie iß radialer Richtung im eisern Afostasd -aneinander angeordneten Durchlaß- wege 7O_ ersfcreskea sieIj sswisehes dea Durchlaßöffnungen 62 und d-sr k©EEka\Fem ΙΊαζιύ 72 ία. vism®nti toben läags der gessBitea Länge .

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der Austrittskante 46. Diese in engem Abstand voneinander angeordneten Durchlaßwege 70 haben einen sehr kleinen Durchmesser und sind so angebracht, daß die daraus ausgestoßene Kühlluft eine relativ dünne Schicht an der äußeren Oberfläche des Austrittskantenteiles der konkaven Wand 42 zur Kühlung durch einen dünnen Kühlmittelfilm bildet.

Beim Betrieb wird die relativ kühle, unter hohem Druck stehende Luft aus dem Verbrennungsraum 15 durch die Einlaßöffnung 53 in der Deckplatte 52 nur zu dem in der Mitte angeordneten Sammelraum 60 zugeführt. Aus dem in der Mitte angeordneten Sammelraum 60 strömt der gesamte Vorrat an Kühlluft durch die Drosselbohrungen 56 und prallt auf die inneren Oberflächen der Leitfläche an der Austrittskante 46 auf. Nachdem die Gesamtmenge der Kühlluft eine Aufprallkühlung an der Austrittskante 46 erzeugt hat, wird nur ein Teil der Kühlluft durch die Durchlaßwege 70 ausgestoßen. Die restliche Luft strömt um das Einsatzstück 50 herum auf Strömungswegen, die etwa längs der Profillinien verlaufen, zu dem ströraungsaufwärts gelegenen Teil der Durchlaßvorrichtung 62. Diese restliche Luft strömt durch die Drosselbohrungen 64 in dem Einsatzstück 51 und trifft dann auf die inneren Wandoberflächen des Eintrittskantensammelraumes auf, um dort eine hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeit durch Konvektion zu erzeugen. Aus dem Eintrittskantensamraelraum 65 wird die Kühlluft durch die Auslaßöffnung 47 am inneren Ende des Leitschaufelkörpers 33ausgestoßen, liefert noch eine Kühlung für das innere Band 31 und hemmt den Durchtritt von Gas durch die Dichtungselemente 39 und 40.

Die vorstehend beschriebene konstruktive Gestaltung der Leitschaufeln liefert ein ausreichendes und äußerst wirksames Kühlsystem für die Leitschaufeln. Beispielsweise ergibt die vorliegende Erfindung an dem Bereich der Austrittskante, wo bisher akute Kühlprobleme aufgetreten sind, mit dem gleichen Kühlmittel sowohl Konvektionskühlung als auch Kühlung durch einen Kühlmittelfilm. Zusätzlich dazu wird die Konvektionskühlung an der Austrittskante stark ergänzt durch Aufprall-

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kühlung und einen ausgedehnten Wärmeübergangsbereich. Zur Erklärung sei darauf hingewiesen, daß die Öffnungen 56 in dem Einsatzstück 50 Drosselbohrungen sind. Da die Öffnungen 56 solche Abmessungen aufweisen, daß sie die Strömung des Kühlmittels drosseln, wird das Kühlmittel beschleunigt, während es zwischen dem in der Mitte angeordneten Sammelraum 60 und den Durchlaßvorrichtungen 62 an der Austrittskante strömt. Als Ergebnis trifft das Kühlmittel auf die inneren Wandoberflächen der Durchlaßvorrichtung 62 in Form einer Vielzahl von Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit auf und erzeugt dadurch eine extreme Turbulenz und hohe Wärmeübergangskoeffizienten an der Austrittskante 46. Diese sogenannte Aufprallkühlung erzeugt daher hohe Geschwindigkeiten für den Wärmeübergang durch Konvektion an der Austrittskante. Von den Durchlaßvorrichtungen 62 wird ein Teil der Kühlung durch die Öffnungen 70 ausgestoßen, welche eine ausgedehnte Fläche für den Wärmeübergang liefern. Diese äußerst wirksame Konvektionskühlung wird ergänzt durch Grenzschichtkühlung, da die Winkelstellung der Durchlaßwege 70 bewirkt, daß das ausgestoßene Kühlmittel in der Grenzschicht.an der konkaven Wand 42 eingefangen wird und dadurch diesen Teil des Leitschaufelkörpers 33 von den heilten Verbrennungsprodukten isoliert.

Im Bereich der Prof ilmitte wird die Kühlung bewirkt durch Wärmeübergang an die Kühlluft mittels Konvektion, die in einer Richtung längs der Profillinien durch die Dürchlaßvorrichtung 62 zwischen den Rippen 57 strömt. Diese besondere Anordnung für die Kühlung im mittleren Bereich des Profils ist sehr zufriedenstellend vom Standpunkt des Wirkungsgrades, da das gleiche Kühlmittel nicht nur zur Kühlung des Austrittskantenbereiches verwendet worden ist, sondern auch anschließend zur Kühlung des Eintrittskantenbereiches verwendet wird.

In dem Eintrittskantenbereich ergibt sich eine sehr wirksame Konvektionskühlung durch die Kühlluft, die durch die Öffnung

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gedrosselt wird und gegen die inneren Wandoberflächen des Eintrittskantensammelraumes gerichtet wird, um dort hohe War ine-Übergangskoeffizienten zu erreichen. Nach dem Aufprall auf die Oberflächen der Eintrittskante strömt die Kühlluft nach innen durch den Eintrittskantensammelraum 65 und wird durch die Auslaßöffnung 47 ausgestoßen. Um im Innern des Sammelraumes 65 eine konstante Durchflußmenge pro Zeiteinheit für die Kühlluft aufrechtzuerhalten, kann das Einsatzstück 51 entsprechend Figur 4 angeordnet werden, um in der Richtung nach innen hin den Strömungsquerschnitt des Sammelraumes zu erhöhen.

Wie bereits zuvor angedeutet, wird der Teil der Kühlluft, welcher durch den Sammelraum 65 strömt, durch die Auslaßöffnung 47 ausgestoßen, kühlt und blockiert die Dichtungselemente 39 und 40 und ergibt eine Kühlung für das innere Band 31. Insbesondere tritt die aus dem Leitschaufelkörper 33 ausgestoßene Kühlluft in einen ringförmigen Raum 75 ein, der von dem inneren Band aus gesehen im Inneren der Maschine angeordnet ist und strömungsauf wärts von dem E±r_sgtlB.nBsli 38 und bezogen auf den Hauptströmungsweg durch die Maschine strömungsaufwärts von den Dichtungselementen 39 und 40 gelegen ist. Die Anwesenheit des unter Druck stehenden fließfähigen Kühlmittels in dem Ring 75 gewährleistet, daß kein Zurückströmen heißer Gase durch die engen Zwischenräume der Dichtung erfolgt und ergibt eine Kühlung für die Dichtungselemente.

Um eine wirksame Ausnutzung des Kühlmittels zu gestatten, ist es unerläßlich, daß die primäre Auslaßöffnung 47 und die zusätzlichen Auslaßvorrichtungen, welche die Durchlaßwege 70 an der Austrittskante, die Einsatzstücke 50 und 51 einschließlich der dort enthaltenen. Bohrungen und die in Richtung der Profillinien verlaufenden Rippen 57 umfassen, so bemessen sind, daß sie einen ausreichenden, aber nicht übermäßigen, Kühlmittelstrom durch die verschiedenen Teile der Leitschaufeln gestatten, welche die Düse 22 bilden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Anzahl und die Strömungsquerschnitte, der einzelnen

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verschiedenen Öffnungen, die Strömungsquerschnitte der inneren Wärmeübergangsbereiche und natürlich die Druckdifferenz zwischen den inneren Bereichen des Leitschaufelkörpersund dem s*tattischen Druck des heißen Gases an den äußeren Oberflächen der Leitschaufeln geregelt werden. Mit anderen Worten, bestimmen die Anforderungen der verschiedenen Teile der Leitschaufeln bezüglich der Kühlung die genauen relativen Proportionen der Bauelemente der Leitschaufel. Der Turbinenkonstrukteur Wird in der Lage sein, einem extrem weiten Bereich von Anforderungen an die Kühlung gerecht zu werden, indem er kleine Änderungen in den relativen Proportionen der Elemente vornimmt, welche die erfindungsgemäße Statoranordnung bilden.

Für den Fachmann ist es offen^sichtlich, daß das Kühlsystem der Erfindung nicht beschränkt ist auf die Verwendung in Turbinendüsenblenden. Es kann natürlich mit gleichem Nutzen auf Turbinenlaufschaufeln für Gasturbinenmaschinen angewendet -werden und auf Leitflächen, die in anderen Hochtemperatür-TurbOmäc schinen verwendet werden, beispielsweise in kompressoren πϋ^!€'' ^ extrem hohem Druck. Für den Fachmann fet es ebenfalls offen- --"'· sichtlich, daß im gewünschten Falle die allgemeine Anordnung * ^f gemäß der Erfindung für verwandte Zwecke verwendet werden kann, so z.B. für die Enteisung von Streben am Kompressoreinlaß und von Leitflächen. Es ist ebenfalls offensichtlich, daß die Erfindung bei Leitschaufeln verwendet werden kann, die anders ausgestaltet sind als die dergestellten Leitschaufeln, bei denen die Durchgangswege durch Einsatzstücke gebildet werden. Beispielsweise könnte die Blende aus gegossenen Segmenten hergestellt werden, in die die Durchlaßwege gebohrt werden oder in denen sie während des Gusses ausgebildet werden. Wetterfein können im gewünschten Falle andere Kühlmittel als Luft verwendet werden.

Andere Ausgestaltungsformen der Erfindung siisd für den Fachmann ebenfalls offensichtlich. Beispielsweise könnte eine Leitschaufelanordnung nach der Lehre der Erfindung hergestellt

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werden, in der der ganze Zufluß an Kühlmittel zuerst auf die inneren Oberflächen der Leitschaufel in dem Eintrittskantenbereich anstatt in dem Austrittskantenbereich aufprallen würde. Ein Teil des fließfähigen Kühlmittels könnte dann zur Kühlung des Austrittskantenbereiches verwendet werden. Weiterhin könnte die Auslaßöffnung 47 erweitert werden, um einen Teil der Strömung aus der Durchlaßvorrichtung 62 aufzunehmen, wenn man in der Praxis herausfindet, daß die Strömung durch den Kantensammeiraum 65 und die Auslaßöffnung 47 nicht ausreicht, um die Dichtungselemente zu blockieren und zu kühlen.

Man ersieht daraus, daß die Erfindung eine Statoranordnung für Hochtemperaturturbomaschinen liefert, bei der praktisch die Mindestmenge des fließfähigen Kühlmittels verwendet wird, welche noch eine ausreichende Kühlung der ganzen Anordnung bewirkt. Weiterhin ist die Konstruktion vorgefertigter Blenden, bei denen die Durchlaßwege der Leitschaufeln durch Einsatzstücke gebildet werden, relativ einfach und wenig kostspielig bei der Herstellung und ist dauerhaft und zuverlässig im Betrieb.

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Claims

Ansprüche

ühlsystem für eine Leitschaufel in einer Turbomaschine mit axialer Strömung, welche einen sich in radialer Richtung erstreckenden Hohlkörper aufweist, der Endwände und erste und zweite, in einem Abstand voneinander angeordnete, radiale Kanten miteinander verbundene konvexe und konkave Seitenwände enthält, sowie eine Einlaßvorrichtung an einem Ende des Leitschaufelkörpers zum Einlaß des fließfähigen Mittels für die Wärmeübertragung durch die Endwände sowie Auslaßvorriehtungen zum Ausstoß von mindestens einem Teil des Wärmeübergangsmittels aus dem Leitschaufelkörper heraus, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Leitschaufelkörpers (33) Trennmittel (50,51) vorhanden sind, die das hohle Innere des Le itschaufelkörpers (33) in eine Vielzahl sich in radialer Richtung erstreckender Wärmeübergangsbereiche (60,62,65) aufteilen, wobei diese Bereiche einen in der Mitte angeordneten Sammelraum (60) zur Aufnahme des fließfähigen Wärmeübergangsmittels, einen an die erste radiale Kante (45) angrenzenden Kantensammeiraum (65) zum Ausstoß des Wärmeübergangsmittels, und Durchlaßvorrichtungen (62), die den zentralen Sammelraum (60) umgeben, aufweist, sowie erste Drosse!vorrichtungen (56) zwischen dem zentral angeordneten Sammelraum (60) und den Durchlaßvorrichtungen (62), die der zweiten radialen Kante (46) benachbart sind, zur Beschleunigung des Wärmeübergangsmittels und zur Ausrichtung des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Wärmeübergangsmittels von diesem zentral angeordneten Sammelraum (60) gegen die inneren Wandoberflächen an der zweiten radialen Kante (46) zur Erzeugung von hohen Übergangskoeffizienten für den Wärmeübergang durch Konvektion an dieser zweiten radialen Kante und zweite Drosselvorrichtungen (64) zwischen der Durchlaßvorrichtung (62) und den Kantensammeiraum (65) zur Beschleunigung des fließfähigen Wärmeübergangsmittels und zur Ausrichtung des Stromes des mit hoher Geschwindigkeit von diesen Durchlaßvorrichtungen (62) gegen die inneren Wandoberflächen des

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Kantensammeiraumes (65) strömenddn Wärmeübergangsmittels zur Erzeugung eines hohen Koeffizienten für den Wärmeübergang durch Konvektion an dieser ersten radialen Kante (45) besitzt, wodurch mindestens ein Teil des Wärmeübergangsmittels nacheinander auf die inneren Wandoberflächen an diesen ersten und zweiten radialen Kanten (45 und 46) aufprallt, um an diesen radialen Kanten einen gesteigerten Wärmeübergang zu liefern.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch g e" k e η η ze ic h η e t, daß es zusätzliche Aüslaßmittel zum Ausstoß eines Teiles des fließfähigen Wärmeübergangsmittels aus den Durchläßvorrichtungen (62) nach dem Aufprall des gesamten zugeführten Wärmeübergangsmittels auf die inneren Wandoberflächen der Durchlaßvorrichtungert (62) an dieser zweiten radialen Kante (46) aufweist.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h gekennzeichn e t_s daß die erste bzw. zweite radiale Kante (45,46) eine Eintritts- "mw, Äustrittskante ist bezüglich der normalen Richtung der Strömung des fließfähigen Antriebsmittels durch die Turbomaschine.
4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (50,51), welche das hohle Innere des Leitsehäufe!körpers (33) in eine Vielzahl von Bereichen für den Wärmeübergang aufteilt, die folgenden Eiernde umfaßt: ein erstes, sich radial erstreckendes, dünnwandiges Einsatzstück (50), das in dem Leitschaufelkörper (33) angeordnet ist und dort einen in der Mitte angebrachten Bereich (60) bildet, Äbstandsvorrichtungen (57) zwischen dem EinsatzttstÜck (50) und den Seitenwänden (41,42) des Leitschaufelkörpers (33), um das Einsatzstück (50) darin festzulegen und dadurch Durchlaßvorrichtungen (62) zu bilden, und ein zweites sich in radialer Richtung erstreckendes Einsatzstück (51), das in dem Leitschaufelkörper (33) in der Nähe der ersten Eintrittskante (45) angebracht ist und dort den Kantensammeiraum (65)

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bildet, wobei der Wandteil dieses ersten Einsatzstückes (50) zwischen dem in der Mitte angeordneten Sammelraum (ßO) und den Durchlaßvorrichtungen (62) angrenzend an die zweite Austrittskante (46) durchlöchert ist, um die erstai Drosse !vorrichtungen

(56) auszubilden, und wobei das zweite Einsatzstück (51) durchlöchert ist, um die zweiten Drosselvorrichtungen (64) zu bilden.
5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennze lehne t, daß die Abstandsvorrichtungen (57) in Richtung der Prof ill in ienjver lauf ende Rippen (57) umfaßt, die einen längs der Profillinien verlaufenden Strom des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang durch die Durchlaßvorrichtungen (Q2) gestatten, wobei diese erasten und zweiten Einsatzstücke (50 und 51) die Durchbohrungen (56,64) enthalten, und wobei weiterhin die in Richtung der Profillinien verlaufenden Rippen

(57) die Auslaßvorrichtungen (47) und die zusätzlichen Auslaßvorrichtungen (70) so proportioniert sind, daß die Strömung des fließfähigen Mittels für den Wärmeübergang durch das ge-* samte innere des Leitschaufelkörpers (33) gemäß den Anforderungen für den Wärmeübergang durch die jeweiligen Teile des Leitflächenkörpers geregelt wird.

ORIGINAL INSPECTED

L e e r s e i t e