DE3428206A1

DE3428206A1 - Statoranordnung in einer gasturbine

Info

Publication number: DE3428206A1
Application number: DE3428206A
Authority: DE
Inventors: Walter J. South Glastonbury Conn. Baran jun.
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-08-01
Filing date: 1984-07-31
Publication date: 1985-02-21
Anticipated expiration: 2004-08-01
Also published as: FR2550275B1; DE3428206C2; GB8418157D0; US4525997A; GB2144492A; JPH0647922B2; GB2144492B; JPS6060202A; FR2550275A1

Description

Statoranordnun& in einer Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und betrifft insbesondere eine Statoranordnung in einer Gasturbine im Bereich des Strömungsweges eines gasförmigen Arbeitsmediums. Die Erfindung wurde bei Gasturbinen für Plugzeuge entwickelt und kann für Turbinen auf anderen Gebieten verwendet werden, bei welchen Statorschaufeln verwendet werden, um ein strömendes Arbeitsmedium zu leiten.

Ein Beispiel einer Gasturbine der erfindungsgemäßen 'Gattung ist eine Gasturbine mit einer Verdichterstufe, einer Brennstufe und einer Turbinenstufe. Ein ringförmiger Strömungsweg für das gasförmige Arbeitsmedium verläuft axial durch eine derartige Gasturbine. Eine Rotoranordnung erstreckt " sich axial durch die Verdichterstufe und die Turbinenstufe und ist von einer Statoranordnung umgrenzt. Die Statoranordnung weist ein Turbinengehäuse auf. Reihen von Rotorschaufeln erstrecken sich vom Rotor nach außen quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums sowohl in der Turbinenstufe als auch in der Verdichterstufe. Eine Anordnung von Statorschaufeln erstreckt sich vom Turbinengehäuse nach innen quer über den Strömungsxveg des Arbeitsmediums am stromab liegenden Ende der äußersten Reibea der Rotorschaufeln, um das gasförmige Arbeitsmedium zur nächsten Arbeitsstufe der Turbine zu leiten.

Beispiele für Gasturbinen mit Rotorschaufeln und Statorschaufeln innerhalb eines Außengehäuses sind in den US Patentschrift» 3 966 354, 3 992 126 und 4 011 718 gezeigt.

Wie aus diesen Patentschriften hervorgeht, wird die Brennstufe der Turbine verwendet, um Kraftstoff in der Turbine zu verbrennen und hierdurch dem gasförmigen Arbeitsmedium mehr Energie zu erteilen. Wenn das heiße, gasförmige Arbeitsmedium in der Turbinenstufe expandiert, sind die Rotor-

schaufeln und Statorschaufeln unmittelbar stromab der Brennstufe vom gasförmigen Arbeitsmedium umspült. In diesem' Bereich der Turbine wird Kühlluft innerhalb des Außengehäuses in das Innere der Statorschaufeln geführt, um die Temperatur der Statorschaufeln innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten.

An einer Stelle stromab der gekühlten- Anordnungen der Statorschaufeln wird keine Kühlluft in das Innere der Schaufeln geleitet. Ein Beispiel für eine derartige Konstruktion ist in der US-Patentschrift 3 644 057 beschrieben. Obgleich die Statorschaufeln innen nicht gekühlt werden, werden Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, daß die Statorschaufeln und die zugehörigen Teile durch das heiße, gasförmige Arbeitsmedium nicht unannehmbar erhitzt werden. Wissenschaftler und Ingenieure sind daher damit beschäftigt, eine Statoranordnung mit Statorschaufeln zu entwickeln, bei welchen ein unannehmbares Erhitzen der Statorschaufeln und der den Statorschaufeln zugeordneten Bauteile vermieden ist.

Eine Gasturbine gemäß der Erfindung mit einem Strömungsweg für das Arbeitsmedium, einem den Strömungsweg umgebenden Gehäuse und einer Anordnung von Statorschaufeln, die am Außengehäuse abgestützt sind, weist einen Kanal auf, welcher an einer Stelle mit der Anordnung der Statorschaufeln und an einer anderen Stelle mit den Statorschaufeln und dem Gehäuse in Eingriff steht und von der einen zur anderen Stelle verläuft, um die Anordnung der Statorschaufeln gegen das gasförmige Arbeitsmedium zu schützen.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Kanal durch bogenförmige Segmente gebildet, von denen jedes Segment eine auslegerartige Verlängerung aufweist, die bis in die unmittelbare Nähe eines benachbarten Statorelements reicht, um eine Kühlluftkammer im Bereich des gegenseitigen Eingriffs von Gehäuse, Schaufeln und Kanal zu schaffen. t

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Das hauptsächlichste Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Statoranordnung für eine Gasturbine. Die Statoranordnung weist einen Kanal auf, der durch eine Vielzahl von Segmenten gebildet wird, die in Umfangsrichtung verlaufen. Der Kanal hat einen axial verlaufenden -Abschnitt_} welcher den Strömungsweg des Arbeitsmediums begrenzt. Ein weiteres Merkmal ist die Anordnung der Statorschaufeln. Jede Statorschaufel hat mindestens einen Flügel, der sich quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums erstreckt. Jede Statorschaufel steht mit dem Außengehäuse in Eingriff. Der Kanal steht an einer Stelle mit den Statorschaufeln in Eingriff und ist an einer anderen Stelle zwischen den Statorschaufeln und dem Gehäuse eingeklemmt. Bei einer Ausführungsform hat der Kanal eine, auslegerartige Verlängerung. Die Verlängerung erstreckt sich axial in die unmittelbare Nähe einer benachbarten Statoranordnung, um eine Kühlluftkammer zu bilden, die sich in dem Bereich befindet, an welchem der Kanal am Gehäuse befestigt ist. Die Statorschaufeln - sind in Abstand vom Außengehäuse angeordnet, um eine zweite Kühlluftkammer zu bilden. Eine Vielzahl von Löchern erstreckt sich durch das Außengehäuse in der Nähe der Befestigungsstelle zwischen Kanal und Gehäuse, um einen Durchfluß für die Kühlluft durch die Schlitze von einer Kühlluftkammer zur anderen zu schaffen. Bei einer Ausführungsform hat jeder Flügel eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine Flügeltiefe L. Die Entfernung von der Vorderkante bis zur Befestigungsstelle zwischen Kanal und Gehäuse entspricht dem Abstand L¹ , welcher gleich oder größer als die Flügeltiefe L ist (L¹ ;> L)

Der hauptsächliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Dauerfestigkeit und der Dauerdehngrenze der Statoranordnung an der Befestigungsstelle von Statorschaufel und Gehäuse. Der Vorteil beruht darauf, daß die Wärmeübertragung vom gasförmigen Arbeitsmedium durch die

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Flügel der Schaufeln zum Gehäuse unterbunden wird. Ein anderer Vorteil ist der aerodynamische Wirkungsgrad, der darauf beruht, .daß der Strömungsweg des Arbeitsmediums von einem axial verlaufenden Kanal begrenzt wird. Ein weiterer Vorteil ist die gegenseitige Austauschbarkeit der Hochdruckturbine gegen die Niederdruckturbine, die auf einem Kanal beruht, der leicht gegen einen anderen Kanal mit einer anderen Kontur ausgetauscht werden kann, aber in der Lage ist, die Statorschaufeln der Niederdruckturbine und das Gehäuse in der gleichen Weise derart zu erfassen, daß dör ausgetauschte Kanal mit den Statorschaufeln und dem Gehäuse in Eingriff steht.

Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile der vor liegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der besten Art und Weise zur Durchführung der Erfindung und anhand der anliegenden Zeichnungen weiter verdeutlicht. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Seitenansicht einer axial durchströmten Gasturbine, bei welcher ein Teil des Außengehäuses zur besseren Darstellung weggebrochen ist,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Turbinenstufen,

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht der Turbinenstufe, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Abwandlungsform

eines in Fig. 2 gezeigten Befestigungsflansches.

Fig. 1 zeigt eine axial durchströmte Gasturbine 1o, die eine Drehachse R aufweist. Ein Teil der Turbine ist aus Gründen der Klarheit weggebrochen. Die Gasturbine hat eine Verdichterstufe 12, eine Brennstufe 14 und eine Turbinenstufe 16. Ein ringförmiger Strömungsweg 18 für das gasförmige Arbeitsmedium erstreckt sich in axialer Richtung durch die Stufen der Gasturbine. Eine Stator-

anordnung 20 erstreckt sich in axialer Richtung durch diese Stufen, um den Ströraungsweg des Arbeitsmediums zu begrenzen. Die Statoranordnung weist ein Außengehäuse 22 auf, das sich in Umfangsrichtung um den Strömungsweg des Arbeitsmediums erstreckt.

Eine Vielzahl von Kühlluftrohren 24 erstreckt sich in Umfangsrichtung um das Außengehäuse 22 in der Turbinenstufe 16. Die Kühlluftrohre 24 stehen mit einer Kühlluftquelle, wie beispielsweise mit der Verdichterstufe 12 in Fließverbindung. Die Kühlluftrohre können bei vorbestimmten Betriebsbedingungen der Gasturbine Kühlluft auf das Außengehäuse auftreffen lassen, um ein inneres Betriebs3piel in der Turbinenstufe auszugleichen .

Die Turbinenstufe-16 weist eine Hochdruckturbine 26 und eine Niederdruckturbine 28 auf. Eine durch eine einzige Rotorschaufel 30 wiedergegebene Anordnung von Rotorschaufeln in der Hochdruckturbine erstreckt sich nach außen quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums. Eine äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung ist in radialem Abstand von der Anordnung der Rotorschaufeln angeordnet und am Außengehäuse 22 befestigt. In der Niederdruckturbine weist eine durch eine einzige Statorschaufel 32 wiedergegebene Statoranordnung eine Reihe von Statorschaufeln auf. Ein Kanal ist durch eine Vielzahl von bogenförmigen Segmenten gebildet. Der Kanal ist durch ein einziges, bogenförmiges Segment wiedergegeben. Der Kanal erstreckt sich zwischen den Statorschaufeln der Niederdruckturbine und der äußeren Anordnung zur Luftabdichtung der Hochdruckturbine. Der Kanal ist in einem radialen Abstand vom Außengehäuse angeordnet und läßt eine erste Kühlluftkammer 36 dazwischen frei. Der ringförmige Strömungsweg 18 innerhalb des Kanals weist einen ringförmigen Übergangsbereich 37 auf, der sich von den Rotorschaufeln der Hochdruckturbine zu den Statorschaufeln der Niederdruckturbine erstreckt.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der in Pig. 1 gezeigten Gasturbine. In Fig. 2 sind Teile der Statoranordnung 20, wie beispielsweise das Außengehäuse 22, die äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung, die Anordnung der Statorschaufeln 32 und der Kanal 34 genauer dargestellt.

Das Außengehäuse 22 hat ein erstes Statorelement in Form eines ersten Flansches 38. Der Flansch 38 erstreckt sich vom Außengehäuse nach innen. Der Flansch 38 ist aufgrund einer Nut 40 an einer ersten axialen Stelle A 1 in der Lage", die Anordnung der Statorschaufeln 32 und den Kanal 34 zu erfassen. Ein zweites Statorelement in der Form eines zweiten Flansches 42, der sich vom Außengehäuse nach innen erstreckt. Der zweite Flansch 42 liegt an einer zweiten axialen Stelle A 2, die- von der ersten axialen Stelle A 1 in axialem Abstand liegt. Ein drittes Statorelement in Form der äußeren Anordnung 31 zur Luftabdichtung ist in axialem Abstand vom ersten Flansch 38 angeordnet. Die äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung weist eine Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten 44 auf, die von den Rotorschaufeln in radialem Abstand angeordnet sind. Eine Vielzahl von bogenförmigen Ringen 46 erstreckt sich vom Außengehäuse radial nach innen zu den bogenförmigen Dichtungssegmenten, um das stromab liegende Ende der bogenförmigen Dichtungssegmente am Außengehäuse abzustützen.

Die Anordnung der Statorschaufeln 32 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den ringförmigen Strömungsweg 18 des gasförmigen Arbeitsmediums. Jede Statorsehaufel ist in Umfangsrichtung von der benachbarten Schaufel und in radialer Richtung vom Außengehäuse 22 in Abstand angeordnet, wodurch eine zweite Kühlluftkaramer 48 dazwischen frei bleibt. Jede Statorschaufel hat eine Plattform 50 und mindestens einen Flügel 52, der sich von der Plattform nach innen

quer über den Strömungsweg des .Arbeitsmediums erstreckt. Der Flügel hat eine Vorderkante 54, eine Hinterkante 56 und eine Flügeltiefe L, die sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante erstreckt. Die Flügeltiefe L wird an einer Stelle in der Nähe der Plattform in einer Richtung gemessen, die im rechten Winkel zur Vorder- und Hinterkante verläuft. Jede Statorschaufel hat einen ersten Fuß 58, der sich über eine Strecke L¹ von der Vorderkante des Flügels 52 erstreckt. Die Strecke L ' ist gleich oder größer als die Flügeltiefe L (L¹ £ L).

Der erste Fuß 58 der Statorschaufel erstreckt sich in axialer Richtung über die erate und zweite Kühlluftkammer zum Außengehäuse. Der erste Fuß 58 wird vom ersten Flansch 38 des Außengehäuses erfaßt. Die Statörschaufel hat einen zweiten Fuß 60, der neben dem zweiten Flansch 42 des Außengehäuses liegt. Jeder zweite Fuß hat ein Loch 62. Der zweite Flansch 42 hat eine Vielzahl von Löchern 64 zur Aufnahme von Schraubenbolzen. Jedes Loch 64 ist in Umfangsrichtung von einem benachbarten Loch in einem solchen Abstand angeordnet, daß das Loch 62 in der Schaufel mit einem zugehörigen Loch im zweiten flansch ausgerichtet ist. Diese Löcher machen es dem Flansch und der Schaufel möglich, eine Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise eine Kombination 66 aus Schraubenbolzen und Mutter, aufzunehmen, um die Schaufel am zweiten Flansch zu befestigen. Die Statorschaufel weist auch eine Nut 68 auf, die von der Plattform 50 und dem ersten Fuß der Statorschaufel begrenzt ist. Die Nut 68 erstreckt sich in Umfangsrichtung in der Anordnung der Statorschaufeln an einer dritten axialen Stelle A 3, die axial zwischen der ersten axialen Stelle A 1 und der zweiten axialen Stelle A 2 liegt.

Jedes bogenförmige Kanalsegment 34 hat eine Achse RI, die mit der Drehachse R zusammenfällt. Das Kanalsegment hat eine konkave Seite 70» welche den Ubergangsbereich

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des Strömungsweges begrenzt. Das Kanalsegment 34 weist ferner eine konvexe Seite 72 auf, die in radialem Abstand vom Außengehäuse liegt, um die erste in Umfangsrichtung verlaufende Kammer 36 für die Kühlluft zu bilden. Das Kanalsegment 34 hat einen ersten Fuß 74 an einem ersten Ende 75· Der erste Fuß 74 ist radial' zur Achse R ausgerichtet. Der erste Fuß 74 erstreckt sich quer über die erste Kühlluftkammer 36, radial nach außen zum Außengehäuse 22. Der erste Fuß 74 eines jeden Kanalsegments 34 wird zwischen einer zugehörigen Statorschaufel 32 und dem ersten Flansch 38 des Außengehäuses an der ersten axialen Stelle A 1 aufgenommen. Ein zweiter Fuß 76 an einem zweiten Ende 77 ist radial mit der Achse R ausgerichtet und liegt vom ersten Fuß in einem axialen Abstand D 1. Der zweite Fuß 76 an einem jeden Kanalsegment 34 greift in die Nut 68 der Statorschaufel ein und wird· von der Statorschaufel an der dritten Stelle A 3 aufgenommen. Ein Übergangsstück 78 ist radial innerhalb des ersten Fußes angeordnet. Das Übergangsstück 7^> verläuft in einem Winkel zur Achse R 1 und erstreckt sich in axialer Richtung zwischen dem ersten Fuß und dem zweiten Fuß des Kanalsegments 34. Das Übergangsstück hat eine Verlängerung 80, die sich vom ersten Fuß bis in die unmittelbare Nähe der äußeren An- Ordnung 31 zur Luftabdichtung über einen zweiten Abstand D 2 in der Art eines Auslegers erstreckt. Der zweite Abstand D 2 ist gleich oder größer als der erste Abstand D 1. Die Verlängerung 80 hat eine gekrümmte Nase 82, die sich in axialer Richtung über die äußere Anordnung zur Luftabdichtung erstreckt. Die gestrichelten Linien zeigen die Beziehung zwischen der äußeren Anordnung 31 zur Luftabdichtung und dem Kanalsegment, bevor die Gasturbine in Betrieb genommen wird.

Eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 78a im ersten Flansch

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38 des Außengehäuses 22 verbindet die erste Kühlluftkammer 36 (zwischen dem Kanalsegment 34 und dem Außengehäuse 22) mit der zweiten Kühlluftkammer 48 (zwischen den Statorschaufeln 32 und dem Außengehäuse). Die erste Kühlluftkammer ist durch den ersten Fuß des Kanalsegments 34 in eine stromauf liegende Kammer 36 u und eine stromab liegende Kammer 36 d unterteilt. Die stromauf liegende Kammer ist durch den ersten Fuß des Kanalsegments 34, die Verlängerung 80 des Kanalsegmentes 34, das Außengehäuse und die äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung begrenzt, um eine kleinere Kammer zu bilden, die dem ersten Statorelement benachbart ist. Eine Vielzahl von Löchern 84 in der äußeren Anordnung 31 zur Luftabdichtung verbindet die stromauf liegende Kammer mit einer unter hohem Druck stehenden Kühlluftquelle, wie beispielsweise mit der Verdichterstufe 12. Ein Abdichtelement 86 verläuft in Umfangsrichtung in der zweiten Kühlluftkammer und erstreckt sich in axialer Richtung vom ersten Flansch an der ersten axialen Stelle A 1 zum zweiten Flansch 42 an der zweiten axialen Stelle A 2, um eine Abdichtung für die Kühlluftkammer zwischen der Statorschaufel und dem Außengehäuse zu schaffen. Eine innere Kühlluftkammer 48 i wird zwischen den Statorschaufeln und dem Abdichtelement 86 gebildet.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Außengehäuses, der Anordnung der Statorschaufeln 52 und der -Anordnung der in Fig. 2 gezeigten, bogenförmigen Kanalsegmente 34. Das Abdichtelement 86 und der zweite Flansch 42 sind weggebrochen, um die Beziehung zwischen dem zweiten Flansch und dem zweiten Fuß 60 der Statorschaufeln besser sichtbar zu machen. Bei dieser Ausführungsform weist jede Statorschaufel drei Flügel auf, die sich quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums nach innen erstrecken. Jedes Kanalsegment ist in Umfangsrichtung vom benachbarten Kanalsegment in Abstand angeordnet und durch eine Nut in die

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Lage versetzt, eine Federdichtung 7& b aufzunehmen. Der erste Fuß eines jeden Kanalsegments hat mindestens einen Schlitz 90 und eine in Umfangsrichtung verlaufende Öffnung 92, um die Umfangsfestigkeit des Kanalsegments herabzusetzen. Die Kühlluft aus der stromauf liegenden Kammer 36 u steht über die Schlitze 90 und die Öffnung 92 mit der stromab liegenden Kammer 36 d in Fließverbindung. Eine kleine Menge der Kühlluft fließt in die stromab liegende Kammer und durch den Spalt zwischen den benachbarten Statorschaufeln in die innere Kühlluftkammer 48 i, die sich zwischen dem in Umfangsrichtung verlaufenden Abdichtelement und der Anordnung der Statorschaufeln befindet. Der erste Fuß der ßtatorschaufel und der erste Gtotorflannch werden auf diese Weise von allen Seiten mit Kühlluft bespült. -

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten, ersten Flansches 38. In Fig. 2 bestehen der Flansch 38 und das Außengehäuse 22 aus einem Stück. Bei der in Fig. 4 gezeigten Abwandlungsform weist der Flansch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Ring 94 auf, der am Außengehäuse befestigt ist.

Während des Betriebes der Gasturbine fließt das gasförmige Arbeitsmedium längs des ringförmigen Strömungsweges 18, der sich axial durch die Gasturbine erstreckt. Die Gase werden in der Verdichterstufe 12 verdichtet und in der Brennstufe I4 mit Kraftstoff gemischt. Die Gases und der Kraftstoff werden zusammen verbrannt, um den Gasen mehr Energie zu geben. Die heißen, unter hohem Druck stehenden Gase fließen von äer Brennstufe zur Turbinenstufe Die Gase expandieren in der Turbinenstufe über die Rotorschaufeln 30 und Statorschaufeln 32, wobei den Gasen Nutzarbeit entzogen wird.

Wenn die Gase aus den Rotorschaufeln 30 am stromab liegenden Ende der Hochdruckturbine 26 austreten, fließen die Gase durch den Übergangsbereich 37. Die Gase erfahren eine plötzliche Expansion im Übergangsbereich, bevor sie in die Niederdruckturbine 28 eintreten. Aufgrund der plötzlichen Expansion der Gase nimmt die Geschwindigkeit der heißen Gase ab, während der statische Druck zunimmt, wodurch ein beachtlicher Störmungsverlust entstehen kann, wenn der Strömungsweg nicht eine Kontur erhält, welche diese Verluste vermeidet.

Das Übergangsstück 78 des Kanalsegments 34 erhält daher eine aerodynamische Kontur, um die mit dor plötzlichen Expansion verbundenen Strömungsverluste auf ein Minimum herabzusetzen. Ein Beispiel für eine derartige Kontur ist die Nase 82 des Übergangsstückes, das abgerundet ist, um einen glatten Übergang zwischen der Kontur C des Strömungsweges am stromab liegenden Ende der Rotorschaufel 3o und der Kontur G¹ des Strömungsweges längs des Kanalsegments 34 und der .-Plattform 50 der Statorschaufel zu erzielen.

Eine neu entworfene Niederdruckturbine mit einem anderen Expansionsgrad oder eine Plattform 5>O einer Statorschaufel mit einer neuen Kontur am Eingang in die Niederdruckturbine kann anstelle der in Fig. 2 gezeigten Niederdruckturbine verwendet werden. Die Kanalsegmente machen derartige Änderungen oder Neuentwürfe leichter, indem ein getrenntes Element für die Statoranordnung vorgesehen wird, das leicht entfernt und gegen ein Kanalsegment mit einer neuen Kontur ausgetauscht werden kann, um einen gewohnten Übergangsbereich zu schaffen, welcher die alte Hochdruckturbine mit der neuen Niederdruckturbine verbindet. In gleicher Weise kann eine neue Hochdruckturbine mit einer alten Niederdruckturbine verbunden werden. .

Wenn die heißen Gase durch den Ubergangsbereich 37 fließen, verlieren die Gase Wärme an die Statoranordnung 20. Die ungekühlten Flügel 52 der Statorschaufeln 32 sind allseitig von den heißen Gasen umgeben. Ein Teil der an die Flügel übergegangenen Wärme wird durch die Schaufeln an das Außengehäuse an den Verbindungsstellen der Schaufeln mit dem Gehäuse abgegeben.

Die Verbindungsstelle am ersten Flansch 38 ist besonders empfindlich gegen das Kriechen, weil die Wärme durch die Schaufeln zum Außengehäuse beim Flansch übertragen wird und weil die Kräfte, die von den Gasen auf die Flügel ausgeübt werden, beim ersten Flansch zum Außengehäuse übertragen werden. Es sind daher einige Bauelemente der Statoranordnung vorgesehen, um den Wärmeübergang vom gasförmigen Arbeitsmedium auf·den ersten Flansch des Gehäuses zu begrenzen, wodurch gleichzeitig die Betriebstemperatur dieses Teils des Gehäuses begrenzt und die Dauerdehngrenze verbessert wird. Das Kanalsegment 34 ist ein Schlüsselelement dieser Bauform.

Die Temperatur des gasförmigen Arbeitsmediums ist am Eintrittsende des Übergangsbereichs 37 am größten und nimmt in axialer Richtung ab, wenn das Gas expandiert. Wenn das Gas durch den Übergangsbereich fließt, erstreckt sich die Verlängerung 80 des Übergangstückes 78 des Kanalsegments 34 stromauf des ersten Flansches 38, um den ersten Flansch 38 gegen die heißen Gase zu schützen und eine Berührung zwischen den Gasen und dem Flansch zu verhindern.

Die Wärme wird durch Konvektion und Strahlung von den Gasen auf das Übergangsstück 78 übertragen. Der Temperaturgradient im Übergangsstück, der auf diesem Wärmeübergang beruht, folgt im allgemeinen dem Temperaturgradienten der Gase und nimmt nach hinten in axialer Richtung ab. Der erste Fuß 74 des Kanalsegments 34 hat aufgrund der Verlängerung 8t) einen

Abstand zum heißen, stromauf liegenden Teil des Übergangsstückes. Dies verringert den radialen Temperaturgradienten im ersten Fuß im Vergleich zu-den Konstruktionen, bei welchen der erste Fuß am heißen Teil des Übergangsstückes befestigt ist. In gleicher Weise nimmt die radiale Wärmeleitung vom Übergangsstück nach außen zum ersten Flansch 38 ab. Darüberhinaus hat der erste Fuß langgestreckte öffnungen 92, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, um den Bereich zu verringern, durch welchen die Wärme in radialer Richtung fließen kann, wodurch der thermische Widerstand des Fußes gegen den Wärmefluß erhöht wird.

Die Wärme, die durch die Plügol 52 zum Boroioh dor Vordorkante 54 der Plattform der Statorschaufel übertragen wird, wird durch den ersten Fuß 58 zum ersten Flansch 38 geleitet. Die Länge des ersten Fußes der Statorschaufel erhöht den thermischen Widerstand der Schaufel im Vergleich mit den Konstruktionen, bei welchen der erste Fuß eine kürzere Länge hat. Im Vergleich mit derartigen Konstruktionen verringert dieser thermische Widerstand die Menge der Wärme, die vom Bereich der Vorderkante der Statorschaufel zum ersten Flansch übertragen wird. Der erste Fuß 74 des Kanalsegments 34 und der erste Fuß 58 der Schaufel v/erden von der Kühlluft in den stromauf und stromab liegenden Kammern 36 u und 36 d der ersten Kühlluftkammer 36 und in der inneren Kammer 48 i der zweiten Kühlluftkammer 48 umspult. Schließlich schaffen die Kühlluftlöcher 84, welche die erste Kühlluftkammer mit der zweiten Kühlluftkammer verbinden, eine Vielzahl von Kühlleitungen zum Kühlen der Basis des ersten Flansches.

Der erste Flansch 38 und der Bereich um den ersten Flansch am Außengehäuse 22 arbeiten aufgrund dieser Maßnahmen bei einer viel tieferen Temperatur als dies bei einem ähnlichen Gehäuse der Fall ist, bei welchem diese Maßnahmen .nicht getroffen sind, wie beispielsweise das Abschirmen des ersten

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Flansches, das Erhöhen des thermischen Widerstandes gegen Wärmeleitung der mit dem ersten Flansch in Berührung stehenden Elemente,. wie der erste Fuß 74 des Kanalsegments 34 und der erste Fuß 58 der Statorschaufel, das direkte Kühlen des ersten Flansches mit Hilfe der Löcher 84, die sich durch den ersten Flansch erstrecken, und das Kühlen des Außengehäuses 22 und der die Wärme zum Außengehäuse leitenden Elemente 58, 74 durch die erste Kühlkammer 36 und die zweite Kühlkammer 48. Da das Kriechen direkt proportional zur Temperatur ist, erhöht die niedrigere Temperatur die Dauerdehngrenze des Außengehäuses um den ersten Flansch vergleichen mit den Konstruktionen, die nicht abgeschirmt und durch Kühlkammern und Kühlluftlöcher nicht gekühlt sind.

Diese Maßnahmen zur Herabsetzung der Gehäusetemperatur im Bereich des ersten Flansches 38 sind so wirksam, daß die Temperatur im Bereich um den ersten Flansch oft kleiner als die Gehäusetemperatur im Bereich um den zweiten Flansch 42 ist. Aufgrund der Temperaturunterschiede treten auch Unterschiede in der radialen Zunahme auf. Dieser Unterschied in der radialen Zunahme ist die Ursache dafür, daß sich die Stätorschaufel leicht um den zweiten Flansch in axialer Richtung dreht, wodurch der Flügel leicht nach hinten gekippt wird. Toleranzabweichungen in der radialen Höhe des ersten Fußes· 58 der Statorschaufel und des ersten Fußes 74 des Kanalsegments 34 verursachen ebenfalls eine kleine Drehung der Statorschaufeln.

Die Neigung des Flügels aufgrund der Schaufeldrehung ist proportional dem Radius der Drehung des Flügels, der vom Drehpunkt beim zweiten Flansch zum ersten Flansch reicht, welcher der Drehung der Statorschaufel entgegenwirkt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Radius der Drehung gleich der Gesamtlänge der Statorschaufel. Die Gesamtlänge wird durch den langen ersten Fuß der Stator-

schaufel verlängert, die über eine Strecke reicht, die mindestens gleich der Flügeltiefe ist. Diese längere Gesamtlänge verringert die Neigung des Flügels 52 bei einer gegebenen Toleranzabweichung oder bei einem gegebenen Unterschied in der radialen Zuniahme im Vergleich mit Statorschaufeln, die eine küicaas Gesamtlänge haben. Strömungsverluste, die durch eine Neigung des Flügels entstehen, werden daher herabgesetzt und der aerodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine wird verbessert.

Obgleich die Erfindung anhand von genauen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann einleuchtend, daß verschiedene Änderungen in der Form und in Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

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Claims

3428208 Dipl.-Chem. Dr. Stefren ANOlAE Dipl.-Phys. Dieter FLACH Dipl.-lng. Dietmar HAUG 31. JUÜ Dipl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL PATENTANWÄLTE Stelnstr. 44, D-8000 München 80 -Anm.: United Technologies Corporation AZ: 221 Zi/Ül Hartford, Ct. Y.St.A. Statoranordnung-ίϊή einer Gasturbine Patentansprüche 1. Statoranordnung in einer Gasturbine mit einem ring- örmigen, axial durch die Gasturbine verlaufenden Strömungsweg für das gasförmige Arbeitsmedium, wobei die Statoranordnung in tlmfangsrichtung verläuft , um den Strömungsweg zu begrenzen^und ein Außengehäuse aufweist, das in Umfangsrichtung um den Strömungsweg verläuft, sowie eine Reihe von Statorschaufeln besitzt, von denen jede Statorschaufel mit einem Statorelement in Eingriff steht, das vom Außengehäuse nach innen verläuft, gekennzeichnet durch einen Kanal (34), welcher den Strömungsweg(18) für das Arbeitsmedium begrenzt, wobei der Kanal (34) durch eine Vielzahl von bogenförmigen Segmenten gebildet wird, von denen jedes EPO COPY Segment ein erstes Ende hat, das zwischen einer Statorschaufel (32) und dem Statorelement aufgenommen ist, das vom Außengehäuse (22) nach innen verläuft, wobei jedes bogenförmige Segment ein zweites Ende besitzt, welches mindestens mit einer Statorschaufel in Eingriff steht, wobei der Kanal innerhalb der Statorschaufel verläuft, um einen Teil der Statorschaufel gegen die Wärme zu schützen, und wobei das gasförmige Arbeitsmedium des Strömungsweges den Wärmeübergang von den Gasen zum Außengehäuse (22) unterbindet. 2. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorelement ein erstes Statorelement ist, daß die Gasturbine ein benachbartes Statorelement aufweist, das vom ersten Statorelement in axialem Abstand angeordnet ist, und daß der Kanal (34) eine Verlängerung (80) hat, die' jenseits des ersten Endes (75) bis in die unmittelbare Nähe des benachbarten Statorelementes verläuft, um das erste Statorelement gegen das gasförmige Arbeitsmedium abzuschirmen. 3. Statoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende (75) eines jeden Kanalsegments (34) einen Fuß aufweist, der radial nach innen verläuft und zwischen dem ersten Statorelement und der Statorschaufel aufgenommen wird und daß jedes Kanalsegment (34) ein Übergangsstück (37) aufweist, das in axialer Richtung über das erste Ende (75) hinausreicht und vom ersten Ende (75) in der Art eines Auslegers absteht. 4. Statoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Statorelement am Außengehäuse (22) befestigt ist. 5. Statoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Statorelement und das Außengehäuse (22) einstückig ausgebildet sind. 6. Statoranordnung für eine Gasturbine, die einen axial verlaufenden Strömungsweg für das heiße, gasförmige Arbeitsmedium aufweist, wobei die Statoranordnung den Strömungsweg für das Arbeitsmedium begrenzt und ein Außengehäuse aufweist, das in Umfangsrichtung um den Strömungsweg verläuft, gekennzeichnet durch

1. ein erstes Statorelement, das vom Außengehäuse nach innen verläuft,

2. ein zweites Statorelement, das vom Außengehäuse nach innen verläuft und vom ersten Statorelement in axialem Abstand angeordnet ist,

3. ein drittes Statorelement, das vom ersten Statorelement in axialem Abstand angeordnet ist,

4. eine Reihe von Statorschaufeln, die in Umfangsrichtung um den Strömungsweg verlaufen, wobei mindestens eine der Statorschaufeln mit dem ersten Statorelement (38) an einer ersten axialen Stelle (A 1) und mit dem zweiten Statorelement (42) an. einer zweiten axialen Stelle (A 2) in Eingriff steht, wobei die Statorschaufel mit einem Kanal (34) an einer dritten Stelle (A 3) in Eingriff steht, die axial zwischen der ersten Stelle (A 1) und der zweiten Stelle (A 2) liegt,

5. einen Kanal (34) der aus einer Vielzahl von Kanalsegmenten besteht, von denen mindestens ein Kanalsegment mit der Statorschaufel an einer dritten Stelle (A 3) in Eingriff steht und zwischen einer Statorschaufel und dem ersten Statorelement (38) an der ersten Stelle (A 1) aufgenommen ist, wobei der Kanal ein Übergangsstück aufweist, das zwischen der ersten Stelle (A 1) und der zweiten Stelle (A 2)

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und radial innerhalb von einem Abschnitt der Statorschaufel verläuft, um die Statorschaufel gegen den Strömungsweg des Arbeitsmediums abzuschirmen, wobei das Übergangsstück (37) e,ine Verlängerung aufweist, die in der Art eines Auslegers in die unmittelbare Nähe des dritten Statorelements reicht, um das erste Statorelement (38) gegen das heiße, gasförmige Arbeitsmedium abzuschirmen.

7. Statoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Statorelement (38) und das zweite Statorelement (42) Plansche sind, die am Außengehäuse (22) angebracht sind.

8. Statoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (34) einen Fuß (74) aufweist, der radial ausgerichtet ist, und radial nach außen verläuft, um mit der Statorschaufel und dem Gehäuse an der ersten Stelle (A 1) in Eingriff zu gelangen, und daß der Fuß (74) des Kanals (34), die Verlängerung (80) des Kanals (34), das Außengehäuse (22) und das dritte Statorelement eine Kühlkammer bilden, die in unmittelbarer Nähe des ersten Statorelements liegt und mit einer Kühlluftquelle in Fließverbindung steht.

9. Statoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufel in einem radial nach innen gerichteten Abstand vom Außengehäuse (22) angeordnet ist, wobei eine zweite Kühlkammer (48) dazwischen frei bleibt, die durch das Außengehäuse (22) begrenzt ist, und daß eine Vielzahl von Löchern (78 a), die längs des Umfanges in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, durch das erste Statorelement (38) hindurchgreifen, um die zweite Kühlkammer (48) mit der ersten Kühlkammer (36) in Fließverbiqdung zu bringen.

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10. Statoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine(10) eine Hochdruckturbine (26) und eine Niederdruckturbine (28) aufweist, daß der Kanal (34) zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine verläuft,und daß das Übergangsstück (37) eine Innenfläche hat, die aus aerodynamischen Gründen mit einer Kontur versehen ist, um einen übergang zum angrenzenden Strömungsweg zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine zu schaffen.

11. Statoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufel einen Fuß hat, welcher den Fuß des Kanals (34) erfaßt, und daß die Statorschaufel (32) ferner einen Flügel (52) mit einer Vorderkante (54), einer Hinterkante (56) und einer Flügeltiefe (L) aufweist, die zwischen der Vorderkante und Hinterkante verläuft, daß die Entfernung von der Flügelkante zum Ende des Fußes der Statorschaufel einem Abstand (L¹) entspricht, der gleich oder größer als die Flügeltiefe (L) (L¹ ^ L) ist, daß der Abstand L¹ im Vergleich zu kürzeren Abständen den Widerstand gegen den Wärmefluß vom Kantenbereich der Statorschaufel zum Außengehäuse beim ersten Statorelement erhöht, und daß die Gesamtlänge der Statorschaufel im Vergleich mit kürzeren Gesamtlängen den Abstand zwischen der ersten Stelle (A 1) und der zweiten Stelle (A 2) vergrößert, um die Wirkung herabzusetzen, daß Unterschiede in der radialen Zunahme des Gehäuses zwischen der ersten Stelle (A 1) und der zweiten Stelle (A 2) sowie Toleranzabweichungen in der radialen Höhe des ersten Fußes der Statorschaufel und in der radialen Höhe des ersten Fußes des Kanals (34) bei der Drehung des Flügels (52) der Statorschaufel (32) in axialer Richtung um die zweite Stelle vorhanden sind. - .

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12. Statoranordnung für eine Gasturbine mit einer Hochdruckturbine, die eine Reihe von Rotorschaufeln am stromabliegenden Ende der Turbine aufweist, mit einer Niederdruckturbine, die von der Hochdruckturbine in axialem Abstand angeordnet ist, und einem ringförmigen, axial durch die Gasturbine verlaufenden Strömungsweg für das gasförmige Arbeitsmedium, wobei der Strömungweg einen Übergangsbereich einschließt, der von der Hochdruckturbine zur Niederdruckturbine reicht, und wobei die Statoranordnung den Strömungsweg des -Arbeitsmediums begrenzt,gekennzeichnet durch

I. ein Außengehäuse (22), das in Umfangsrichtung um den Strömungsweg für das Arbeitsmedium verläuft, wobei der Strömungsweg versehen ist mit 1a. einem ersten Plansch an einer ersten axialen Stelle (A 1), wobei der erste Flansch vom Außengehäuse nach innen verläuft und eine Nut aufweist, welche einen Fuß einer Statorschaufel und einen Fuß eines Kanalsegments erfaßt, wobei der erste Flansch eine Vielzahl von Kühlluftschlitzen aufweist, die durch den Flansch hindurchgreifen,

1b.einem zweiten Flansch an einer zweiten axialen Stelle, wobei der zweite Flansch vom Außengehäuse nach innen verläuft und vom ersten Flansch in axialem Abstand angeordnet ist, wobei der zweite Flansch eine Vielzahl von Löchern für Schraubenbolzen aufweist, von denen jedes Loch längs des Umfanges in Abstand angeordnet ist;

II. eine äußere Anordnung (31) zur Luftabdichtung, die vom ersten Flansch in axialem Abstand angeordnet ist und versehen ist mit

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2a. einer Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten (44), die von den Rotorschaufeln (30) in radialem Abstand angeordnet sind, und

2b. einer Vielzahl von bogenförmigen Ringen (46), die vom Außengehäuse (22) zu den bogenförmigen Dichtungssegmenten (44) radial nach innen verlaufen, um die Dichtungssegmente (44) am Außengehäuse (22) abzustützen;

III. eine Reihe von Statorschaufeln, die in Umfangsrichtung um den Strömungsweg verlaufen, von denen jede Statorschaufel vom Außengehäuse (22) in radialem Abstand angeordnet ist, wobei eine in Umfangsrichtung verlaufende Kammer für die Kühlluft dazwischen frei bleibt und jede Statorschaufel versehen ist mit

3a. einer Plattform (50)

3b. mindestens einem Flügel (52), der von der Plattform nach innen quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums verläuft und eine Vorderkante (54), Hinterkante (56) sowie eine Flügeltiefe (L) aufweist, die zwischen der Vorderkante und der Hinterkante liegt,

3c. einem ersten Fuß, der vom ersten Flansch am Außengehäuse erfaßt ist und von der Vorderkante des Flügels (52) über eine Strecke L' verläuft, die gleich oder größer als die Flügeltiefe (L) ist (L' ^ L),

3d. einem zweiten Fuß, welcher dem zweiten Flansch benachbart ist, und ein Loch aufweist, das mit einem zugehörigen Loch im zweiten Flansch ausgerichtet ist, so dass der Flansch und die Statorschaufel eine Befestigungseinrichtung aufnehmen können, um die Statorschaufel am zweiten Flansch zu befestigen, und

3e. einer Nut, die in Umfangsrichtung in der Statorschaufel an einer dritten Stelle verläuft, die

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axial zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle liegt, wobei die Nut von der Plattform und vom ersten Fuß begrenzt ist;.

IV. eine Vielzahlvon Befestigungseinrichtungen, von denen jede Befestigungseinrichtung durch ein zugehöriges Loch im Flansch und in der Statorschaufel hindurchgreift, um den zweiten Fuß der Statorschaufel am zweiten Flansch zu befestigen;

V. einen Kanal (34), der durch eine Vielzahl von Kanalsegmenten gebildet ist, die in radialem Abstand vom Außengehäuse (22) angeordnet sind, um eine in Umfangsrichtung verlaufende Kammer für die Kühlluft zu bilden, wobei jedes Kanalsegment versehen ist mit

5a. einem ersten Fuß, der zwischen einer zugehörigen Statorschaufel und dem ersten Flansch des Außengehäuses (22) an der ersten axialen Stelle aufgenommen ist,

5b. einem zweiten Fuß, der in die Nut der Statorschaufel eingreift und von der Statorschaufel an der dritten axialen Stelle aufgenommen ist,

5c einem Übergangsstück (37) radial innerhalb des ersten Fußes der Statorschaufel, wobei das Übergangsstück axial zwischen dem ersten Fuß des Kanals und dem zweiten Fuß des Kanals verläuft und eine Verlängerung (80) aufweist, die in der Art eines Auslegers vom ersten Fuß in unmittelbarer Nähe der äußeren Anordnung (31) zur Luftabdichtung reicht und eine gekrümmte Nase (82) aufweist, die sich axial über ein benachbartes Dichtungssegment (44) erstreckt;

wobei das Übergangsstück (37) den ersten Fuß der Statorschaufel gegen das heiße, gasförmige Arbeitsmedium abschirmt und die Strecke (L¹) des ersten Fußes einen

Widerstand im Fuß gegen den Wärmefluß von der Vorderkante des Flügels zum ersten Flansch bildet,wobei die Verlängerung des Übergangsstückes den ersten Flansch gegen das heiße, gasförmige Arbeitsmedium abschirmt, und wobei der erste Flansch eine Vielzahl von Löchern aufweist, welche die Kühlluftkammer zwischen dem Außengehäuse und dem Kanal xmit der Kühlluftkammer zwischen dem Außengehäuse und den Statorschaufeln verbinden, so daß die durch den ersten Flansch hindurchfließende Kühlluft den Flansch kühlt, und wobei die Gesamtlänge der Statorschaufel den Abstand zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle vergrößert, um im Vergleich mit einer eine kleinere Gesamtlänge aufweisenden Statorschaufel die Wirkung herabzusetzen, daß Unterschiede in der radialen Zunahme des Gehäuses zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle und daß die Toleranzabweichungen in der radialen Höhe des ersten Fußes der Statorschaufel und des Kanals bei der Drehung des Flügels der Statorschaufel ^ in axialer Richtung um die zweite Stelle vorhanden sind.

15· Statoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abaichtelement (86) in Umfangsrichtung im Inneren der Gasturbine und in axialer Richtung von der ersten Stelle zur zweiten Stelle verläuft, um eine Abdichtung für die Kühlluftkammer zwischen der Statorschaufel und dem Außengehäuse zu schaffen.

14. Statoranordnung mit einem bogenförmigen Kanalsegment für eine axial durchströmte Gasturbine, wobei das Kanalsegment eine Achse (R 1) sowie eine konkave und eine konvexe Seite aufweist, die um die Achse (R 1) angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen ersten Fuß, der radial zur Achse (R 1) ausgerichtet ist;

einen zweiten Fuß, der radial zur Achse (R 1) ausgerichtet und in einem ersten axialen Abstand (D 1) angeordnet ist;

ein Übergangsstück (37) das gegen die Achse (R 1) geneigt ist und eine Spannweite hat, die vom ersten Fuß zum zweiten Fuß reicht, um den ersten Fuß mit dem zweiten Fuß zu verbinden, wobei das Übergangsstück eine Verlängerung (80) besitzt, die in der Art eines Auslegers vom ersten Fuß ausgeht und sich vom ersten Fuß über einen zweiten Abstand (D 2) erstreckt, welcher gleich oder größer als der erste Abstand (D 1) ist.