DE19619438A1

DE19619438A1 - Wärmestausegment für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE19619438A1
Application number: DE1996119438
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hall; Albrecht Mayer; Ewald Lutum
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: DE19619438B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Wärmestausegment für eine Turbomaschine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Derartige Wärmestausegmente für eine Turbomaschine, welche einen Rotor mit Laufschaufeln und ein Gehäuse mit Leitschaufeln umfaßt, werden zwischen den Leitschaufeln angeordnet oder als Teil der Leitschaufeln ausgeformt. Durch diese Wärmestausegmente wird das Gehäuse der Turbomaschine vor heißen Gasen und damit einer möglichen Beschädigung durch die heißen Gase geschützt. Die den heißen Gasen ausgesetzte Oberfläche des Wärmestausegmentes muß so stark gekühlt werden, daß sie nicht beschädigt wird und das Wärmestausegment unbrauchbar würde. Dies hätte eine Beschädigung des Gehäuses zur Folge. Die materialtechnischen Anforderungen an das Wärmestausegment sind sehr hoch, wodurch die Wärmestausegmente sehr teuer werden. Weiter wird eine hohe Menge an Kühlluft benötigt, die nicht mehr zum Betrieb der Turbomaschine zur Verfügung steht, wodurch ein kleinerer Wirkungsgrad resultiert.

Weiter kann das Wärmestausegment durch die Berührung mit dem Kopf der Schaufeln beschädigt werden, weshalb der Abstand zwischen Schaufelkopf und Wärmestausegment genügend groß gewählt werden muß. Dadurch entstehen Spaltverluste, die den Wirkungsgrad der Turbomaschine weiter senken.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmestausegment für eine Turbomaschine der eingangs genannten Art eine hohe Wärmeschutzleistung bei geringem Kühlluftverbrauch zu ermöglichen, sowie Spaltverluste zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß in einem Bereich gegenüberliegend eines Schaufelblattkopfes der Leit- oder Laufschaufeln am Wärmestausegment Rillen angeordnet sind und daß zumindest in diesen Rillen des Wärmestausegmentes eine Beschichtung angebracht ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Wärme belastung des Wärmestausegmentes durch die beschichteten Rillen reduziert wird. Der Spalt zwischen dem Schaufelblattkopf und den durch die Rillen gebilde ten Spitzen kann durch die geringe Oberfläche und damit Festigkeit der Spitzen sehr klein gewählt werden. Berührt der Schaufelblattkopf die Oberfläche der Spit zen, werden die Spitzen aufgrund der geringen Festigkeit durch den Schaufel blattkopf teilweise abgetragen. Die Beschädigung des Schaufelblattkopfes ist im Vergleich zu einer massiv ausgeführten Wärmestausegment-Wand wesentlich geringer.

Die gerillte Oberfläche des Wärmestausegmentes stellt zudem eine Labyrinth- Dichtung dar, mittels derer die Spaltverluste am Spalt zwischen dem Schaufelkopf und der Oberfläche des Wärmestausegmentes weiter minimiert werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch ein Wärmestausegment und eine zugeord nete Schaufel;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Details III aus Fig. 2.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 besteht eine Gasturbine 20 im wesentlichen aus einem Rotor 21, der mit Laufschaufeln 22 beschaufelt ist, und einem Turbinengehäuse 23, in das Leit schaufeln 24 eingehängt sind. Durch das Gehäuse 23 und den Rotor 21 wird ein im wesentlichen ringförmiger Kanal 25 gebildet durch den ein energiereiches gasförmiges Medium, sogenannte Heißgase, geleitet wird. Die Energie der durch den Kanal 25 geleiteten Heißgase wird an die Laufschaufeln 22 abgegeben, wo durch sich der Rotor 21 um seine Drehachse 27 zu drehen beginnt. Die Energie der Heißgase wird somit in Drehenergie umgewandelt, die beispielsweise an ei nen nicht dargestellten Generator abgegeben werden kann. Die entspannten Heißgase werden über ein am Gehäuse 23 angeflanschtes Abgasgehäuse 26 abgeleitet.

Zwischen den Leitschaufeln 24 sind Wärmestausegmente 1 angeordnet, die das Gehäuse 23 vor den Heißgasen schützen. Zwischen Gehäuse 23 und Wär mestausegment 1 wird dadurch ein Kühlluftraum 28 gebildet, über den Kühlluft zu den Wärmestausegmenten 1 geleitet werden kann.

Nach Fig. 2 und 3 umfaßt ein Wärmestausegment eine in Umfangsrichtung des Rotors gebogene Wärmestausegment-Wand 2 sowie Tragelemente 3, 4, mittels derer das Wärmestausegment im Gehäuse 23 befestigt wird. Auf der nach außen gerichteten, dem Gehäuse zugewandten Fläche der Wärmestausegment-Wand 2 sind Rippen 5 angeordnet, über diese Rippen 5 sowie Tragzacken 6, 7 an den Tragelementen 3, 4 wird eine gebogene Platte 8 abgestützt. In der Platte 8 sind nicht dargestellte Öffnungen angebracht, wodurch über den Kühlluftraum 28 Kühlluft zur Rückseite des Wärmestausegmentes geleitet wird. Insbesondere handelt es sich bei den Öffnungen in der Platte 8 um Löcher, mittels derer eine Prallkühlung der Wärmestausegment-Wand 2 erzeugt wird.

An der, einem Schaufelblattkopf 29 der Laufschaufel 22 gegenüberliegenden, Fläche der Wärmestausegment-Wand 2 sind Rillen 9 angeordnet. Diese Rillen 9 verlaufen im wesentlichen parallel zu einer Ebene senkrecht zur Drehachse 27 des Rotors 21 an der Oberfläche der Wärmestausegment-Wand 2. An der Ober fläche der Rillen 9 ist eine Beschichtung 11 angebracht. Die Beschichtung 11 dient als Wärmebarriere und besteht insbesondere aus einem keramischen Werkstoff. Der keramischen Werkstoff umfaßt beispielsweise Zirkonoxid mit An teilen aus Yttriumoxid, insbesondere ZrO₂ mit 6 bis 8 Gew.-% Y₂0₃, Rest Verun reinigungen. Durch jeweils zwei nebeneinanderliegende Rillen 9 gebildete Spit zen 10 sind nicht beschichtet.

Die Temperatur der unbeschichteten Spitzen muß dabei immer unterhalb der Oxidationsgrenze des Materials der Wärmestausegment-Wand 2 liegen. Kann mittels der zur Rückseite der Wärmestausegment-Wand 2 geleiteten Kühlluft die se Temperatur nicht unterhalb der Oxidationsgrenze gehalten werden, werden in der Wärmestausegment-Wand 2 Kühlkanäle 12 angeordnet, mittels derer das Wärmestausegment zusätzlich gekühlt wird. Die Kühlkanäle münden dabei in die Rillen 9 ein und erzeugen eine Filmluftkühlung. Jede Rille 9 wird üblicherweise mit zumindest einem Kühlluftkanal 12 versorgt. Die Kühlluftkanäle 12 verlaufen schräg durch die Wärmestausegment-Wand 2, um ein möglichst großes Wär mestausegmentvolumen zu kühlen und um die Kühlluft in Strömungsrichtung der Heißgase einzudüsen.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmestausegmentes wird die Wär mestausegment-Wand direkt mit der gerillten Oberfläche gegossen. Danach wird die Wärmebarrieren-Beschichtung auf die gerillte Oberfläche aufgebracht und die beschichtete Oberfläche maschinell bearbeitet. In den Rillen 9 verbleibt die Be schichtung 11, an den Spitzen 10 zwischen den Rillen 9 wird das Grundmaterial der Wärmestausegment-Wand 2 freigelegt. Die Oberfläche der Spitzen 10 ist da bei klein im Vergleich zur beschichteten Oberfläche 11.

Die optionalen Kühlkanäle 12 können vor oder nach der Beschichtung in die Wärmestausegment-Wand 2 eingebracht werden.

Ein Spalt 30 zwischen dem Schaufelblattkopf 29 und den Spitzen 10 kann nun sehr klein gewählt werden, da die möglicherweise mit dem Schaufelblattkopf in Berührung tretende Oberfläche der Spitzen 10 sehr klein und damit relativ schwach ist. Unebenheiten der gerillten Oberfläche des erfindungsgemäßen Wärmestausegmentes können durch den Schaufelblattkopf 29 abgetragen wer den. Die daraus resultierende Beschädigung des Schaufelblattkopfes 29 ist im Vergleich zu einer massiv ausgeführten Wärmestausegment-Wand sehr gering.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die oben beschriebenen Wärmestausegmente können auch zwischen den Laufschaufeln des Rotors angeordnet werden, um den Rotor vor den Heißgasen zu schützen.

Die Art der Beschichtung sowie die Anzahl der Rillen und deren Tiefe muß den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden. Die Rillen können auch in die Wär mestausegment-Wand eingefräst werden. Die Spitzen zwischen den Rillen kön nen auch aus einem anderen Werkstoff als demjenigen des Wärmestausegmen tes gefertigt werden, beispielsweise durch Auftragen einer hitzebeständigen Le gierung auf die Wärmestausegment-Wand und nachträglichem Fräsen der Rillen.

Bezugszeichenliste

1 Wärmestausegment
2 Wärmestausegment-Wand
3 Tragelement
4 Tragelement
5 Rippe
6 Tragezacken
7 Tragezacken
8 Platte
9 Rille
10 Spitze
11 Beschichtung
12 Kühlluftkanal
20 Gasturbine
21 Rotor
22 Laufschaufel
23 Gehäuse
24 Leitschaufel
25 Kanal
26 Abgasgehäuse
27 Drehachse Rotor
28 Kühlluftraum
29 Schaufelblattkopf
30 Spalt

Claims

1. Wärmestausegment (1) für eine Turbomaschine (20), welche einen Rotor (21) mit Laufschaufeln (22) und ein Gehäuse (23) mit Leitschaufeln (24) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich gegenüberliegend eines Schaufelblattkopfes (29) der Leit- (24) und/oder Laufschaufeln (22) an einer Wärmestausegment- Wand (2) Rillen (9) angeordnet sind.

2. Wärmestausegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (9) gegenüberliegend des Schaufelblattkopfes (29) der Leitschaufeln (24) angeordnet sind.

3. Wärmestausegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den Rillen (9) des Wärmestausegmentes (1) eine Be schichtung (11) angebracht ist.

4. Wärmestausegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (9) im wesentlichen parallel zu einer senkrechten Ebene durch eine Rotorachse (27) des Rotors (21) verlaufen.

5. Wärmestausegment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (11) nur in den Rillen (9) des Wärmestausegmentes (1) angebracht ist.

6. Wärmestausegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wärmestausegment-Wand (2) Kühlkanäle (12) angeordnet sind, die in die Rillen (9) einmünden.

7. Wärmestausegment nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (11) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

8. Wärmestausegment nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der keramischen Werkstoff Zirkonoxid mit Anteilen aus Yttriumoxid umfaßt.