DE19619438B4

DE19619438B4 - Wärmestausegment für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE19619438B4
Application number: DE1996119438
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hall; Albrecht Mayer; Ewald Lutum
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: DE19619438A1

Abstract

Wärmestausegment (1) für eine Turbomaschine (20), welche einen Rotor (21) mit Laufschaufeln (22) und ein Gehäuse (23) mit Leitschaufeln (24) umfasst, wobei in einem Bereich gegenüberliegend eines Schaufelblattkopfes (29) der Leit- (24) und / oder Laufschaufeln (22) an einer Wärmestausegment-Wand (2) Rillen (9) angeordnet sind, welche Rillen (9) im wesentlichen parallel zu einer senkrechten Ebene durch eine Rotorachse (27) des Rotors (21) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmestausegment-Wand (2) Kühlkanäle (12) angeordnet sind, die in die Rillen (9) einmünden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Wärmestausegment für eine Turbomaschine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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.
Zur Vermeidung des letztgenannten Nachteils ist es bekannt, das Wärmestausegment mit im wesentlichen parallel zur Umlaufrichtung des Rotors verlaufenden Rillen auszustatten, wie dies beispielsweise DE 852789 oder DE 2847814 in unterschiedlichen Ausführungsarten darlegen. Die rillenartigen Strukturen in der strömungsbegrenzenden Kontur des Heissgaskanals wirken ähnlich einer Labyrinthdichtung und reduzieren auf diese Weise die Spaltverluste.
DE 3018620 offenbart eine wärmedämmende und zugleich dichtende Auskleidung einer Gehäusewand einer thermischen Turbomaschine, welche eine aufgespritzte keramische Wärmedämmschicht mit einer porösen Deckschicht umfasst. Während die keramische Zwischenschicht eine hohe Wärmedämmung zwischen dem Heissgasstrom und dem Gehäuse bewirkt, dient die Deckschicht als Verschleissschicht, um im Falle eines Anstreifens den Verschleiss an der Schaufelspitze minimal zu halten. Dies erlaubt eine engere Auslegung des Dichtspalts und damit eine Reduzierung der Spaltverluste. Nachteilig ist, dass die aufgespritzten Schichten eine Kühlung erschweren.

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 Anspruchs 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 in der Wärmestausegment-Wand Kühlkanäle angeordnet sind, die in die Rillen einmünden.

Nach einer günstigen Ausführungsart verlaufen die Kühlkanäle schräg durch die Wärmestausegment-Wand, um ein möglichst grosses Wärmestausegmentvolu men zu kühlen, und um die Kühlluft in Strömungsrichtung der Heissgase einzudüsen.

Gemäss einer ergänzenden Ausführungsart ist in den Rillen des Wärmestausegments eine Beschichtung angebracht.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Wärmebelastung des Wärmestausegmentes reduziert wird. Die durch die in die Rillen mündenden Kühlkanäle strömende Kühlluft kühlt zunächst konvektiv die Wärmestausegment-Wand und senkt darüber hinaus die thermische Beanspruchung insbesondere der die Rillen trennenden Spitzen durch Filmkühlung. Der Spalt zwischen dem Schaufelblattkopf und den durch die Rillen gebildeten Spitzen kann durch die geringe Oberfläche und damit Festigkeit der Spitzen sehr klein gewählt werden. Berührt der Schaufelblattkopf die Oberfläche der Spitzen, werden die Spitzen aufgrund der geringen Festigkeit durch den Schaufelblattkopf 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:

1 einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine;

2 einen Teillängsschnitt durch ein Wärmestausegment und eine zugeordnete Schaufel;

3 eine vergrösserte Ansicht des Details III aus 2.

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

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach 1 besteht eine Gasturbine 20 im wesentlichen aus einem Rotor 21, der mit Laufschaufeln 22 beschaufelt ist, und einem Turbinengehäuse 23, in das Leitschaufeln 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, wodurch sich der Rotor 21 um seine Drehachse 27 zu drehen beginnt. Die Energie der Heissgase wird somit in Drehenergie umgewandelt, die beispielsweise an einen 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 Wärmestausegment 1 wird dadurch ein Kühlluftraum 28 gebildet, über den Kühlluft zu den Wärmestausegmenten 1 geleitet werden kann.

Nach 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 Oeffnungen angebracht, wodurch über den Kühlluftraum 28 Kühlluft zur Rückseite des Wärmestausegmentes geleitet wird. Insbesondere handelt es sich bei den Oeffnungen 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 Oberfläche 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 Anteilen aus Yttriumoxid, insbesondere ZrO₂ mit 6 bis 8 Gew.-% Y₂O₃, Rest Verunreinigungen. Durch jeweils zwei nebeneinanderliegende Rillen 9 gebildete Spitzen 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 diese 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 Kühlkanal 12 versorgt. Die Kühlkanäle 12 verlaufen schräg durch die Wärmestausegment-Wand 2, um ein möglichst grosses Wärmestausegmentvolumen zu kühlen und um die Kühlluft in Strömungsrichtung der Heissgase einzudüsen.

Zur Herstellung eines erfindungsgemässen Wärmestausegmentes wird die Wärmestausegment-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 Beschichtung 11, an den Spitzen 10 zwischen den Rillen 9 wird das Grundmaterial der Wärmestausegment-Wand 2 freigelegt. Die Oberfläche der Spitzen 10 ist dabei klein im Vergleich zur beschichteten Oberfläche 11.

Die 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 werden. 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 müssen den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden. Die Rillen können auch in die Wärmestausegment-Wand eingefräst werden. Die Spitzen zwischen den Rillen können auch aus einem anderen Werkstoff als demjenigen des Wärmestausegmentes gefertigt werden, beispielsweise durch Auftragen einer hitzebeständigen Legierung auf die Wärmestausegment-Wand und nachträglichem Fräsen der Rillen.

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

Claims

Wärmestausegment (1) für eine Turbomaschine (20), welche einen Rotor (21) mit Laufschaufeln (22) und ein Gehäuse (23) mit Leitschaufeln (24) umfasst, wobei in einem Bereich gegenüberliegend eines Schaufelblattkopfes (29) der Leit- (24) und / oder Laufschaufeln (22) an einer Wärmestausegment-Wand (2) Rillen (9) angeordnet sind, welche Rillen (9) im wesentlichen parallel zu einer senkrechten Ebene durch eine Rotorachse (27) des Rotors (21) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmestausegment-Wand (2) Kühlkanäle (12) angeordnet sind, die in die Rillen (9) einmünden.
Wärmestausegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (12) schräg durch die Wärmestausegment-Wand (2) verlaufen.
Wärmestausegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in den Rillen (9) des Wärmestausegmentes (1) eine Beschichtung (11) angebracht ist.
Wärmestausegment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) nur in den Rillen (9) des Wärmestausegmentes (1) angebracht ist.
Wärmestausegment nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Wärmestausegment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramischen Werkstoff Zirkonoxid mit Anteilen aus Yttriumoxid umfasst.