DE3015653C2 - Luftkühlung eines Abdeckringes einer Spaltdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftkühlung eines Abdeckrings einer Spaltdichtung radial außerhalb der Laufschaufelspitzen einer Gasturbine, wobei der Abdeckring aus einem inneren Ring mit parallelen Ausnehmungen und einem dieselben bedeckenden äußeren Haltering besteht, mit einem Aufhängering zwischen dem inneren und dem äußeren Ring unter Ausbilden einer Kammer für die Kühlluftzuführung zu den Ausnehmungen.

Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad einer Gasturbine zu erreichen, ist es wesentlich, daß bei den verschiedenen Temperaturwerten, bei denen die Gasturbine betrieben wird, ein kleinstmögücher lichter Abstand zwischen den umlaufenden Laufschaufelspitzen und dem Abdeckring erreicht wird, also die Spaltdichtung in ihrer Dimensionierung möglichst konstant gehalten wird. Somit ist es zweckmäßig, die Gasturbinenbestandteile so vorzusehen, daß die Wärmevergrößerung des Abdeckrings und der Laufschaufelspitzen mehr oder weniger parallel erfolgt, so daß ein kleinstmögücher lichter Abstand zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Abdeckring aufrechterhalten wird. Wenn das lichte Abstandsverhältnis zu eng gewählt wird, ergibt sich natürlich die Möglichkeit eines wechselseitigen Abriebes, während bei zu großem lichten Abstandsverhältnis ein Verlust an Wirkungsgrad resultiert.

Der genannte Stand der Technik entsprechend der US-PS 37 42 705 vermag dem abgehandelten Erfordernis einer Konstanthaltung der lichten Abstandsverhältnisse der Spaltdichtung nur unzureichend zu entsprechen, so daß der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrundeliegt, eine verbesserte Luftkühlung zu schaffen, vermittels derer die Dimensionsänderungen der Laufschaufelspitzen und des Abdeckrings so gestaltet werden, daß unterschiedliche Arbeitstemperaturen der b5 Gasturbine zu praktisch keiner Dimensionsänderung der Spaltdichtung führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch in kennzeichnender Weise gelöst, daß Umfangsausnehmungen und verbindende Ausnehmungen vorgesehen sind, die zusammen mit Umfangsbarrieren ein Labyrinth bilden.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß Ausirittsöffnungen an der hinteren Barriere schräg angeordnet sind.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal erwßist es sich als zweckmäßig, daß die verbindenden Ausnehmungen sich zwischen zwei benachbarten Paaren der Umfangsausnehmungen erstrecken und versetzt um den Umfang des inneren Rings angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird das Labyrinth der Ausnehmungen in dem Abdeckring vermittels Matrizes gebildet, die in einen inneren Ring eingeschnitten sind. Jede Matrix weist eine Reihe paralleler Umfangsausneh.nungen auf, die versetzte Verbindungsausnehmungen besitzen, wodurch ein labyrinthartiger Strömungsweg ausgebildet wird. Die in den inneren Ring geschnittene Matrix wird durch den Haltering abgedeckt, und eine weitere Halterung bezüglich des Vorderkantenteils des inneren Rings wird durch einen Aufhängungsring ausgebildet, der ebenfalls mit dem Haltering und dem inneren Ring so zusammenwirkt, daß eine Eingangskammer für die unter Druck stehende Kühlluft ausgebildet wird, die von dem Kompressor der Gasturbine geliefert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch die erste Stufe einer Gasturbine mit der erfindungsgemäßen Luftkühlung eines Abdeckringes;

Fig.2 einen Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

F i g. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 nach der F i g. 2.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 weist die erste Stufe der Gasturbine das Bezugszeichen 10 auf und ist mit der Verbrennungskammer, nicht gezeigt, durch einen ringförmigen Verbrennungskammerauslaß 12 verbunden. Die Verbrennungsgase, wiedergegeben durch die Pfeile G, werden der Gasturbine zugeführt und kommen zunächst in Berührung mit den Statorschaufeln 14 der ersten Stufe, an die sich die Laufschaufeln 16 des Turbinenrotors der ersten Stufe anschließen. Jede umlaufende Laufschaufel 16 weist ein Wurzelteil 18 auf, das an der umlaufenden Anordnung der Turbine, siehe das Bezugszeichen 20, befestigt ist und weist weiterhin ein flügeiförmiges Teil 22 auf, wobei die Laufschaufelspitze das Bezugszeichen 24 trägt. Das flügeiförmige Teil kann Luftkühlungskanäle aufweisen, die durch die punktierten Linien gezeigt sind. Die Laufschaufeln 16 der ersten Stufe werden durch den Abdeckring 30, der im wesentlichen aus einem inneren Ring 32, einem äußeren Haltering 34 und einem Aufhängering 36 besteht, umgeben. Vorzugsweise ist jeder Ring 32, 34 und 36 einteilig ausgeführt und erstreckt sich um den gesamten Umfang des Turbinenrotors. Weiterhin sind vorzugsweise der innere Ring 32 und der Aufhängering 36 einstückig und aus einem einzelnen Bauteil gefertigt. Der innere Ring 32 ist allgemein zylinderförmig, wobei dessen längsseitige Achse mit der längsseitigen Achse des Turbinenrotors zusammenfällt und weiterhin weist der innere Ring 32 eine radial innere Oberfläche 40 und eine radial äußere Oberfläche 42 auf. Das Abstandsverhältnis zwischen der

radial inneren Oberfläche 40 und den Schaufelspitzen 24 wird durch den Buchstaben »i« wiedergegeben, wobei es sich hier um das lichte Abstandsverhältnis zwischen der Schaufel 16 und der ersten Stufe des Abdeckrings handelt. Wesentlicher Zweck der Erfindung ist es, das Kühlen des Abdeckrings so zu lokalisieren, daß ein praktisch einheitlicher lichter Abstand (inzwischen dem Abdeckring und dem Turbinenrotor der ersten Stufe unter allen Arbeitsbedingungen der Turbine aufrechterhalten wi:d. ίο

Wie in den F i g. 1 bis 3 gezeigt, ist eine Matrix von Ausnehmungen in die äußere radiale Oberfläche 42 des inneren Rings 32 geschnitten und bildet einen Teil eines Labyrinths der Kanäle für das Kühlen des Abdeckrings. Die Matrix weist Umfangsausnehmungen 52,54,56 und 58 auf, die parallel zueinander vorliegen und sich um den gesamten Umfang des inneren Rings 32 erstrecken, der allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse angeordnet ist An die Ausnehmungen grenzen Umfangsbarrieren 51, 53, 55, 57 und 59 an, wobei die vordere Kante der Matrix durch die Barriere 51 begrenzt wird, während die hintere Kante der Matrix durch die Barriere 59 begrenzt ist. Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, kann die Breite und Tiefe jeder Ausnehmung 52 — 58 so vorgesehen werden, daß die Querschnittsflächen der Umfangsausnehmungen praktisch gleich sind; durch die Anordnung der Barrieren 51,53,55,57 und 59 verläuft die Strömung der unter Druck stehenden Kühlluft durch die Matrix praktisch einheitlich.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 besitzt die Barriere 5t an der vorderen Kante eine Mehrzahl an Öffnungen 60, die vorzugsweise im einheitlichen Abstandsverhältnis um den gesamten Umfang des inneren Rings 32 herum angeordnet sind, wobei diese Öffnungen 60 eine Verbindung zwischen der ersten Umfangsausnehmung 52 und dem Einlaßweg 70 darstellen. Der letztere wird durch den äußeren Haltering34, den inneren Ring 32 und den Aufhängering 36 begrenzt. Der Eingangsweg 70 weist eine Kammer 72 auf, die in Verbindung mit der Öffnung 60 steht und es ist weiterhin eine Einlaßkammer 74 in Verbindung mit der Kammer 72 über die Öffnung 76 vorgesehen. Die von dem Kompressor der Gasturbine gelieferte Kühlluft wird der Einlaßkammer 74 über die Öffnung 80, siehe die Fig. 2, zugeführt. Die von dem Kompressor kommende Kühlluft kann ebenfalls über die Öffnung 80 einer zweiten Öffnung 82 zugeführt werden, die in Verbindung mit dem Strömungsweg des Verbrennungsgases steht. Der Strömungsweg der Kühlluft wird durch den Buchstaben »A< wiedergegeben und dient dazu, stromauf von dem inneren Ring 32 vorliegende heiße Gase zu entfernen und liefert weiterhin einen kühlenden Luftfilm für das Gebiet des lichten Abstands »f« zwischen der radial inneren Oberfläche 40 des inneren Rings 32 und den Laufschaufeln 16. «

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 weist die Matrix 50 ebenfalls eine Mehrzahl an verbindenden Ausnehmungen 62, 64 und 66 auf, die sich allgemein parallel zu der iängsseitigen Achse des inneren Rings 32 erstrecken, wobei jede schneidende Ausnehmung sich durch eine to Barriere hin erstreckt zwecks Ausbilden einer Verbindung zwischen benachbarten Umfangsausnehmungen. Wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die Anordnung der sich schneidenden Ausnehmungen in jeder Barriere versetzt zu der Anordnung der miteinander in Verbindung stellenden Ausnehmungen in den benachbarten Barrieren angeordnet. Somit sind die sich schneidenden und in Verbindung stehenden Ausnehmungen 62 und 66 in den Barrieren 53 und 57 ausgerichtet, jedoch versetzt bezüglich der zwischengeordneten Verbindungsausnehmungen angeordnet Wie in dem Fall der Öffnungen 60 der Barriere 51 der vorderen Kante liegen die verbindenden Ausnehmungen 62, 64 und 66 in Abständen um den gesamten Umfang des inneren Rings 32 vor, d. h. zwölf miteinander in Verbindung stehende Ausnehmungen liegen im Abftandsvcrhältnis von 30° vor. Die miteinander in Verbindung stehenden Ausnehmungen 68 sind in der hinteren Kantenbarriere 59 ausgebildet und können mit einem Winkel bezüglich der längsseitigen Achse des inneren Rings angeordnet sein. Aufgrund dieser Anordnung wird der aus der hinteren Kante der Matrix austretenden Kühlluft ein Wirbel vermittelt, so daß sich praktisch gleiche Bedingungen bezüglich des Stiömurigswegs der heißen Verbrennungsgase stromab zu den Schaufeln 16 ergeben. Wie anhand der F i g. 1 und 2 gezeigt, liegt der äußere Haltering 34 in einer Linie-an-Linie-Berührung mit dem inneren Ring 32 vor und deckt die Matrix der Ausnehmung 50 ab unter Ausbilden eines Labyrinths von Luftkühlungskanälen in dem Abdeckring 30. Die hintere Kante des Halterings 34 kann einen Unterschnitt 35 aufweisen, wodurch sichergestellt wird, daß die verbindenden Ausnehmungen 68 eine ausreichende Querschnittsfläche aufweisen zwecks Verhindern eines Druckaufbaues im Inneren des Labyrinths der Kanäle. Bei dem Betrieb wird von dem Kompressor der Turbine kommende, unter Druck stehende Kühlluft der Öffnung 80 und sodann der Kammer 72 zwecks Verteilen durch die Anordnung der Öffnungen 60 in dem Labyrinth der Kanäle zugeführt. Sobald die Kühlluft durch jede Verbindungsausnehmung 60, siehe Fig. 3, tritt, trifft dieselbe auf die Barriere 53 und wird so aufgespalten, daß eine Strömung in zwei gegenüberliegenden seitlichen Richtungen und längs der Umfangsausnehmung 52 erfolgt. Jeder Strömung trifft sodann auf eine der Anordnungen der Verbindungsausnehmung 62 in der zweiten Barriere 53 und trifft somit durch die Ausnehmung 62 in die Umfangsausnehmung 54. In den Umfangsausnehmungen 54 wiederholt sich dann dieser Zyklus des Luftströmens. Aufgrund dieser Anordnung wird unter Druck stehende Kühlluft wirksam über den gesamten Umfang des inneren Rings 32 verteilt, wodurch eine Konvektionskühlung des Abdeckrings 30 bewirkt wird. Die unter Druck stehende Kühlluft wird aus dem Labyrinth der Kanäle durch die winkelförmigen Verbindungsausnehmungen 68 abgegeben, die in der hinteren Kante des Abdeckrings 30 angeordnet sind. Aufgrund dieser Anordnung wird durch Konvektionskühlung des Abdeckrings und durch die Belastungsreaktion des inneren gekühlten Rings 32 und des äußeren Haltcrings 34, die in einer Linie-an-L'nie-Berührung vorliegen, eine Steuerung des Abstandsverhältnisses zwischen dem Abdeckring und den umlaufenden Schaufeln 16 erreicht. Zusätzlich zu dieser Steuerung vermag der gekühlte Abdeckring erhöhte Turbineneinlaßtemperaturen zu ertragen, was ansonsten mit einem nicht gekühlten Abdeckring nicht möglich wäre. Die Konvektionslösung des Abdeckrings verringert den Wert und Gradienten der Metalltemperaturen in dem Abdeckring und verringert in wirksamer Weise die Wärmeverzerrung des Abdeckrings bedingt durch heiße Stellen an der Verbrennungskammer. Der gekühlte Abdeckring ist somit in der Lage, bei höheren Gastemperaturen. die sich durch unterschiedliche Arbeitsbedingungen der Gasturbine ergeben, einwandfrei zu arbeiten.

Erfindungsgemäß wird das Labyrinth der Ausnehmungen in dem Abdeckring vermittels Matrizes gebildet, die in einen inneren Ring eingeschnitten sind. Jede Matrix weist eine Reihe paralleler Umfangsausnehmungen auf, die versetzte Verbindungsausnehmungen besitzen, wodurch ein labyrinthartiger Strömungsweg ausgebildet wird. Die in den inneren Ring geschnittene Matrix wird durch den Haltering abgedeckt, und eine weitere Halterung bezüglich des Vorderkantenteils des inneren Rings wird durch einen Aufhängering ausgebildet, der ebenfalls mit dem Haltering und dem inneren Ring so zusammenwirkt, daß eine Eingangskammer für die unter Druck stehende Kühlluft ausgebildet wird, die von dem Kompressor der Gasturbine geliefert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   ·. Luftkühlung eines Abdeckringes einer Spaltdichtung radial außerhalb der Laufschaufelspitzen einer Gasturbine, wobei der Abdeckring aus einem inneren Ring mit parallelen Ausnehmungen und einem dieselben bedeckenden äußeren Haltering besteht, mit einem Aufhängering zwischen dem inneren und dem äußeren Ring unter Ausbilden einer Kammer für die Kühlluftzuführung zu den Ausnehmungen, dadurch gekennzeichnet, daß Umfangsausnehmungen (52, 54, 56, 58) und verbindende Ausnehmungen (62,64,66) vorgesehen sind, die zusammen mit Umfangsbarrieren (51, 53, 55,57,59) ein Labyrinth bilden.
2. 2. Luftkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Austrittsöffnungen (68) an der hinteren Barriere (59) schräg angeordnet sind.
3. 3. Luftkühlung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Ausnehmungen (62, 64, 66) sich zwischen zwei benachbarten Paaren der Umfangsausnehmungen (52, 54, 56, 58) erstrecken und versetzt um den Umfang des inneren Rings (32) angeordnet sind.