DE2907769C2 - Turbinenschaufel-Mantelhalterung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel-Mantelhalterung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Turbinenschaufel- Mantelhalterung ist aus der DE-OS 25 54 563 oder der US-PS 38 25 365 bekannt.

Gasturbinentriebwerke arbeiten bei einem besseren Wirkungsgrad, wenn die Betriebstemperaturen der Turbine auf sehr hohe Werte erhöht werden. Da die bevorzugten Temperaturen ein gutes Stück über den Temperaturen liegen, die für gegenwärtig in den Strö­ mungswegen verwendeten Metallen zulässig sind, müssen diese Teile gekühlt werden, damit sie eine annehmbare Lebensdauer besitzen. Die Turbinenschaufeln, die in der Hauptgasströmung arbeiten, werden normalerweise durch Konvektions-, Prall- oder Film­ kühlung oder durch eine Kombination dieser drei Formen gekühlt. Die Mäntel, die die Turbinenschaufeln umgeben und dabei eine stationäre äußere Strömungsbahn bilden, werden gewöhnlich da­ durch gekühlt, daß Kühlluft, wie beispielsweise Abzapfluft von dem Kompressor, direkt auf die äußere Oberfläche des Mantel­ elementes aufprallt. Üblicherweise wird der Aufprall von Luft gegen die äußere Oberfläche des Mantels durch eine Prallan­ ordnung herbeigeführt, die auf der äußeren Oberfläche der Man­ telstruktur in der Weise angebracht ist, daß die Leitanordnung oder die Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Leitseg­ menten eine gemeinsame Grenzschicht bilden zwischen der radial inneren Niederdruckkammer, wo die aufgeprallte Luft bleibt, und der radial äußeren Hochdruckkammer, die teilweise durch die Man­ telhalterung gebildet ist und die die einen relativ hohen Druck aufweisende Luft von dem Verteiler der Kompressorablaßluft oder ähnlichem empfängt. Bei einigen Konstruktionen ist geschätzt worden, daß die Menge an Leckageluft in einem derartigen System in der Größenordnung von 40% der gesamten zugeführten Mantel­ kühlluftströmung liegt. Diese Leckage tritt in einer Anzahl von Leckagepfaden auf. Da eine Reihe zusammenpassender Teile vorge­ sehen sein muß, wie beispielsweise die Mantelhalterungsnuten und die Mantelflansche, die in diese Nuten hineinpassen, be­ steht eine Tendenz für die einen hohen Druck aufweisende Kühl­ luft, aus der Kammer auszutreten, ohne durch die Prallan­ ordnung hindurch getreten zu sein. Weiterhin sind die Mäntel in Segmente unterteilt, so daß das thermische Ansprechverhalten der Mantelanordnung durch die Mantelhalterung gesteuert ist, und da die Mäntel eine gleiche Umfangslänge besitzen, so daß thermi­ sche Beanspruchungen, die eine Segmentbegradigung erzeugen, während des Triebwerkbetriebes auf ein Minimum gehalten sind, besteht notwendigerweise eine wesentliche Leckage zwischen den Mantelsegmenten. Höhere Drucke vergrößern selbstverständlich die Kühlwirkung des Systems, aber auf der anderen Seite wird auch die Leckage vergrößert. Es gibt einen bestimmten Kammerdruck, der die Mantelmetalltemperatur auf ein Minimum reduziert. Da die von dem Mantel abgezogene Wärme eine Funktion der Aufprallströ­ mung multipliziert mit der Wärmeaufnahme der Aufpralluft (Kühl­ wirkungsgrad) ist, besteht ein Kammerdruck, bei dem die verbesserte Kühlwirkung eines höheren Kammerdruckes nicht ausreicht, um die Verkleinerung der Aufprallströmung auszugleichen.

Die US-PS 40 17 207 beschreibt eine Gasturbine, bei der die Laufschaufeln von einer äußeren feststehenden Wand umgeben sind, so daß dort keine segmentförmigen Mantelstücke verwendet sind, die an ihren Stoßstellen bzw. an den Stoßstellen mit der Halterungsstruktur Leckströmungspfade ausbilden können. Weiterhin wird die Kühlluft über zahlreiche axiale Röhren zugeführt, was nicht nur konstruktiv äußerst aufwendig ist, sondern auch zu einer ungleichmäßigen Kühlung um den Umfang herum führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel-Mantel­ halterung derart auszugestalten, daß die für die Mantelkühlung zugeführte Kühlluft optimal ausgenutzt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem neuen Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die gesamte zugeführte Kühlluft für eine Prallkühlung der Schaufelmantelsegmente ausgenutzt wird, die be­ sonders empfindliche Komponenten innerhalb des Triebwerks dar­ stellt. Weiterhin erreicht nur bereits durch eine Prallkühlung ausgenutzte und nach einem Druckabfall an der Kühlluft-Leitanordnung unter einem niedrigeren Druck stehende Kühlluft die Leckpfade an den Mantelsegmenten, so daß dort weniger Kühlluft ungenutzt ver­ loren geht, als wenn an diesen Leckstellen unter einem höheren Druck stehende Kühlluft auftreten würde.

Die Erfindung wird nun an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Mantelhalterungs­ struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Mantelhalterungsstruktur.

Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht von einem anderen Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Mantelhalterung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei eine Reihe von Turbinenschaufeln 11, die in der Hauptgasströmung drehbar angeordnet sind, in engem Ab­ stand von einer Anzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Mantel­ segmente 12 umgeben sind, die die äußere Strömungsbahn der heißen Gase an diesem Punkt bilden. Üblicherweise sollten die Mantelsegmente 12 so nahe wie möglich an den Schaufelspitzen angeordnet sein, ohne mit diesen tatsächlich in Berührung zu kommen. Es wird jedoch angenommen, daß es Perioden gibt, in denen Turbinenschaufeln an dem Mantel reiben, und für diesen Fall kann die radial innere Seite der Mantelsegmente aus einem abreibbaren Material herge­ stellt sein oder alternativ können die Schaufelspitzen aus einem schleifbaren Material hergestellt sein.

Die Mantelsegmente 12 bilden einzelne Ringräume, die durch Gießen oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden können. Auf der radial äußeren Seite sind stromauf- und stromabwärts gerichtete Flansche 13 und 14 ausgebildet, die ein Mittel zur Halterung und zum Anordnen der Mantelsegmente 12 bilden. In dem radial inne­ ren Abschnitt der Mantelsegmente 12 sind zahlreiche Löcher 16 ausgebildet, die den Durchtritt von Niederdruckluft gestatten, wie es im folgenden noch näher erläutert wird.

Radial außen von den Mantelsegmenten 12 ist eine Mantelhalterungsstruktur 17 angeordnet, die an einem nicht gezeigten Turbinengehäuse durch einen stromabwärtigen Flansch 18 befestigt ist und die an ihrem stromaufwärtigen Ende an einem nicht gezeigten Brennkammergehäuse befestigt ist. Zu­ sätzlich zu dem stromabwärtigen Flansch 18 ist ein mittlerer Flansch 19 vorgesehen, der vorzugsweise eine wesentliche Masse besitzt, so daß die thermische Trägheit der Mantelhalterungsstruktur 17 erhöht wird. Dies ist wünschenswert zur transienten Steuerung der Mantelposition durch die Anwendung selektiver Kühlung und Erwärmung der Mantelhalterung nach bekannten Prin­ zipien.

Die Mantelhalterungsstruktur 17 bildet einen durchgehenden Ring mit inneren Flansch 21 und 22, die sich nach innen und stromaufwärts bzw. nach innen und stromabwärts erstrecken. Die Flansche schrumpfen und wachsen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Mantel­ halterungsstruktur 17 und da sie die Basis der Halterung für die Mantelsegmente 12 sind, ist es ihre Position bzw. Lage, die den Spielraum zwischen den Mantelsegmenten 12 und den Spitzen der Turbinenschaufeln 11 bestimmt.

An einem stromaufwärtigen zylindrischen Abschnitt 23 der Mantelhalterungs­ struktur 17 ist durch mehrere Bolzen 24 ein Halterungsbügel 26 befestigt, der als einzelne Umfangssegmente mit einem horizontalen Abschnitt 28 und einem radialen Abschnitt 29 gebildet ist. Der horizontale Abschnitt 28 weist eine hintere Verlängerung 31 auf, die über den inneren Flansch 22 der Mantelhalterungsstruktur 17 paßt und durch diesen gehaltert ist. Der radiale Abschnitt 29 weist mehrere darin ausgebildete Öffnungen 32 auf, die in einer noch zu beschreibenden Weise Kühlluft führen. Weiterhin sind auf dem radialen Abschnitt 29 radial äußere und innere stromabwärts gerichtete Flansche 33 und 34 ausgebildet, die zusammen eine Nut oder Rille 36 bilden zur Aufnahme des stromaufwärts gerichteten Flansches 13 der Mantelsegmente 12. Somit werden die Mantelsegmente 12 an ihren stromaufwärtigen Enden durch die Nut bzw. Rille 36 des Halterungsbügels 26 und an ihren stromabwärtigen Enden durch eine U-förmige Klemme 37 in ihrer Lage ge­ halten, wobei sich diese Klemme 37 über den stromabwärts erstrecken­ den Flansch 14 der Mantelsegmente 12 und den radial inneren Flansch 21 der Mantelhalterungsstruktur 17 erstreckt und diese zusammenhält.

Weiterhin ist an der Mantelhalterungsstruktur 17 eine Kühlluft-Aufprall- Leitanordnung 38 befestigt, die von der Mantelhalterungsstruktur 17 getragen ist und im wesentlichen eine U-Form hat und von Schenkeln 39, 41 und 42 gebildet ist. Die Kühlluft-Leitanordnung 38 ist als ein zusammenhängender Ring gebildet und so bemessen, daß, wenn sie sich in ihrer eingebauten Position befindet, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, der Schenkel 43 fest in die innere Oberfläche des inneren Flansches 22 und der Schenkel 39 fest in die innere Oberfläche des stromabwärts gerichteten äußeren Flansches 33 des Halterungsbügels 26 paßt. Die Kühlluft-Leit­ anordnung 38 kann in dieser Position durch Punktschweißen oder Löten oder ähnliches befestigt sein. Auf diese Weise wird eine im wesentlichen leckfreie Kammer 43 durch den Halterungsbügel 26, die Mantelhalterungsstruktur 17 und die Kühlluft-Leitanordnung 38 gebildet. Dieser Kammer 43 wird dann einen hohen Druck aufweisen­ de Abzapfluft von dem Kompressor über die Öffnung 32 zugeführt, und diese Luft strömt durch die Löcher 44 in dem Schenkel 39 der Kühlluft-Leitanordnung 38, um auf die äußere Oberfläche der Mantelsegmente 12 zu Kühlzwecken aufzuprallen. Die Schenkel 41 und 42 dienen auch zur Trennung der Kühlluft in der Kammer 43 von der relativ war­ men Mantelhalterungsstruktur 17, die benachbart dazu angeordnet ist.

Wenn die Hochdruckluft durch die Löcher 44 der Kühlluft-Leitan­ ordnung 38 strömt, besteht ein wesentlicher Druckabfall, so daß sich die aufgeprallte Luft dann auf einem relativ niedrigen Druck befindet und aus den Löchern 16 herauszuströmen versucht. Ein Teil dieser Niederdruckluft kann entlang den Leckagepfaden zwischen den Mantelsegmenten 12 oder zwischen diesen und den Mantelhalterungselementen strömen. Da diese Luft jedoch bereits für eine effiziente Prallkühlung verwendet worden ist und da sich die Luft nun auf einem niedrigen Druck befindet, hat diese Leckage nur minimale Konsequenzen.

In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Kühlluft-Leitanordnung ein flaches Ringelement 46 aufweist, das an seinem stromaufwärtigen Ende an dem Flansch 33 des Halterungsbügels 26 und an seinem stromabwärtigen Ende an dem inneren Flansch 21 der Mantelhalterungselementes 17 befestigt ist. Wiederum ist die Kühlluft-Leitanordnung so bemessen, daß sie im eingebauten Zu­ stand einen Festsitz mit diesen zusammenpassenden Elementen bil­ det. Sie kann weiterhin durch Punktschweißen oder ähnliches be­ festigt sein.

Eine Wärmeabschirmung 47 ist getrennt von dem Ringelement 46 und weist einen zusammenhängenden Ring auf, von dem das eine Ende fest gegen die eine Oberfläche des inneren Flan­ sches 22 der Mantelhalterungsstruktur 17 paßt und dessen an­ deres Ende fest gegen die innere Oberfläche einer Lippe 48 paßt, die auf der Mantelhalterungsstruktur 17 ausgebildet ist. Somit ist die Kammer 43 durch den Halterungsbügel 26, die Mantelhal­ terungsstruktur 17, das Ringelement 46 und die Wärme­ abschirmung 47 gebildet und ist im wesentlichen in der gleichen Weise wirksam, wie es vorstehend beschrieben wurde, damit unter hohem Druck stehende Luft gegen die Mantelsegmente 12 prallt, wobei nur eine geringe Leckageströmung aus der Kammer 43 auftritt.

Claims (8)

1. Turbinenschaufel-Mantelhalterung mit einer Halterungsstruktur zur Halterung von mehreren segmentierten Mantelstücken, die radial innen davon angeordnet sind und Kühlluft-Leckströmungspfade zwischen den einzelnen Mantelstücken und zwischen den Mantelstücken und der Halterungsstruktur aufweisen, und mit einer mit Löchern versehenen Kühlluft-Leitanordnung, die an der Halterungsstruktur befestigt ist und für einen Aufprall von Kühlluft auf die Mantelstücke sorgt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kühlluft-Leitanordnung (38; 46, 47) an einer radial inneren Oberfläche der Halterungsstruktur (17) befestigt ist und zusammen mit dieser radial außen von den Mantelstücken (12) eine in Umfangsrichtung durchgehende Kammer (43) bildet, der die unter einem höheren Druck stehende Kühlluft zugeführt ist, wobei die an die Mantelstücke (12) angrenzende, radial innere Wand (39; 46) der Kammer (43) mit Löchern (44) zur Prallkühlung der Mantelstücke (12) versehen und die radial äußere Wand (42; 47) der Kammer (43) geschlossen ist und eine thermische Isolierung der Kammer (43) bildet.

2. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft-Leitanordnung (38; 46, 47) durch einen Reibsitz an der Halterungsstruktur (17) befestigt ist.

3. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die Kühlluft-Leitanordnung (38; 46, 47) durch Löten an der Halterungsstruktur (17) befestigt ist.

4. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die Kühlluft-Leitanordnung (38; 46, 47) durch Schweißen an der Halterungsstruktur (17) befestigt ist.

5. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die Kühlluft-Leitanordnung (38) im axialen Querschnitt im wesentlichen U-förmig ist und die Kühlluftkammer (43) auf drei Seiten begrenzt.

6. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 1, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die Halterungsstruktur (17) zwei im Abstand angeordnete Flansche (21, 22) aufweist, an denen eine wärmeabschirmende Wand (47) der Kühlluft-Leitanordnung (46, 47) befestigt ist.

7. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 6, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die zwei Flansche (21, 22) axial beabstandet sind.

8. Turbinenschaufel-Mantelhalterung nach Anspruch 6, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß die zwei Flansche (21, 22) radial beabstandet sind.