DE3428206C2 - Statoranordnung in einer Gasturbine - Google Patents

Description

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 Flugzeuge entwickelt und kann für Turbinen auf anderen Gebieten verwendet wer­ den, 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 Brenn­ stufe und einer Turbinenstufe. Ein ringförmiger Strömungs­ weg 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 Statoran­ ordnung weist ein Turbinengehäuse auf. Reihen von Rotor­ schaufeln erstrecken sich vom Rotor nach außen quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums sowohl in der Turbinenstufe als auch in der Verdichterstufe. Eine Anordnung von Stator­ schaufeln erstreckt sich vom Turbinengehäuse nach innen quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums am stromab liegen­ den Ende der äußersten Reihen der Rotorschaufeln, um das gasförmige Arbeitsmedium zur nächsten Arbeitsstufe der Tur­ bine zu leiten.

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

Wie aus diesen Patentschriften hervorgeht, wird die Brenn­ stufe der Turbine verwendet, um Kraftstoff in der Turbine zu verbrennen und hierdurch dem gasförmigen Arbeitsmedium mehr Energie zu erteilen. Wenn das heiße, gasförmige Arbeits­ medium 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.

Es ist eine Statoranordnung mit Statorschaufeln zu entwickeln, bei welchen ein unannehmbares Erhitzen der Statorschaufeln und der den Statorschaufeln zugeordneten Bauteile zu vermeiden ist.

In der Offenlegungsschrift DE 29 13 987 A1 wird ein Kühlsystem in einer Hochleistungs-Gasturbine beschrieben, welches die Kühlung der den hohen Temperaturen ausgesetzten Komponenten einer Gasturbine gewährleisten soll. Hierzu wird eine Gasturbine vorgestellt, bei der die Kühlung durch hohle Strahlduschen erreicht wird, die in einem ringförmigen Hohlraum angeordnet sind, der hinter den Wandringsektoren angeordnet ist, die den Strömungskanal umgeben. Die Kühlluft wird dabei in die selbsttragenden Strahlduschen geleitet und von diesen durch Perforationen abgegeben und trifft auf die Rückseite der Wandsektoren nach Art der Strahlen einer Brause.

In der Schrift GB 2 116 639 wird eine Turbinenanordnung beschrieben, die ein in bogenförmige Segmente unterteiltes Wandstück des Außengehäuses aufweist, das an einem Ende einen ersten Fuß aufweist, der in der Nähe einer Laufschaufel zusammen mit einem Fuß der Leitschaufel in einer Gehäusenut festgehalten ist, und an seinem gegenüberliegenden Ende einen zweiten Fuß aufweist, der in eine andere Gehäusenut eingreift. Beim Betrieb der Statoranordnung in einer Gasturbine werden die Statorschaufeln von einem heißen, gasförmigen Arbeitsmedium umströmt. Ein Teil der Wärme wird durch die Statorschaufel und den ersten Fuß auf das Außengehäuse übertragen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung für eine Gasturbine eine Statoranordnung mit Statorschaufeln zu entwickeln, wobei sich die Statorschaufeln und die den Statorschaufeln zugeordneten Bauteile im Betrieb nur bis zu einem zulässigen Maße erhitzen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die weiteren Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Anmeldegegenstandes im Sinne der Aufgabe.

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.

Das hauptsächlichste Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Statoranordnung für eine Gasturbine. Die Stator­ anordnung weist einen Kanal auf, der durch eine Vielzahl von Segmenten gebildet wird, die in Umfangsrichtung ver­ laufen. Der Kanal hat einen axial verlaufenden Abschnitt, welcher den Strömungsweg des Arbeitsmediums begrenzt. Ein weiteres Merkmal ist die Anordnung der Statorschau­ feln. Jede Statorschaufel hat mindestens einen Flügel, der sich quer über den Strömungsweg des Arbeitsmediums erstreckt. Jede Staturschaufel 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 ange­ ordnet, um eine zweite Kühlluftkammer zu bilden. Eine Viel­ zahl 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 Vorder­ kante, eine Hinterkante und eine Flügeltiefe L. Die Ent­ fernung von der Vorderkante bis zur Befestigungsstelle zwischen Kanal und Gehäuse entspricht dem Abstand L′, welcher gleich oder größer als die Flügeltiefe L ist (L′<L).

Der hauptsächliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Dauerfestigkeit und der Dauerdehngrenze der Statoranordnung an der Befestigungsstelle von Stator­ schaufel und Gehäuse. Der Vorteil beruht darauf, daß die Wärmeübertragung vom gasförmigen Arbeitsmedium durch die 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 Nieder­ druckturbine und das Gehäuse in der gleichen Weise der­ art zu erfassen, daß der ausgetauschte Kanal mit den Sta­ torschaufeln und dem Gehäuse in Eingriff steht.

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

Fig. 1 eine Seitenansicht einer axial durchströmten Gasturbine, bei welcher ein Teil des Außen­ gehäuses zur besseren Darstellung weggebrochen ist,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der in Fig. 1 ge­ zeigten Turbinenstufen,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Turbinen­ stufe, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Abwandlungsform eines in Fig. 2 gezeigten Befestigungsflansches.

Fig. 1 zeigt eine axial durchströmte Gasturbine 10, 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 Strömungsweg des Arbeitsmediums zu begrenzen. Die Statoranordnung weist ein Außengehäuse 22 auf, das sich in Umfangsrichtung um den Strömungsweg des Arbeits­ mediums erstreckt.

Eine Vielzahl von Kühlluftrohren 24 erstreckt sich in Um­ fangsrichtung um das Außengehäuse 22 in der Turbinenstufe 16. Die Kühlluftrohre 24 stehen mit einer Kühlluftquelle, wie beispielsweise mit der Verdichterstufe 12 in Fließver­ bindung. Die Kühlluftrohre können bei vorbestimmten Betriebs­ bedingungen der Gasturbine Kühlluft auf das Außengehäuse auftreffen lassen, um ein inneres Betriebsspiel in der Tur­ binenstufe auszugleichen.

Die Turbinenstufe 16 weist eine Hochdruckturbine 26 und eine Niederdruckturbine 28 auf. Eine durch eine einzige Schaufel 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 An­ ordnung der Rotorschaufeln angeordnet und am Außengehäuse 22 befestigt. In der Niederdruckturbine weist eine durch eine einzige Statorschaufel 32 wiedergegebene Statoran­ ordnung eine Reihe von Statorschaufeln auf. Ein Kanal ist durch eine Vielzahl von bogenförmigen Segmenten gebildet. Der Kanal ist durch ein einziges, bogenförmiges Segment 34 widergegeben. Der Kanal erstreckt sich zwischen den Sta­ torschaufeln der Niederdruckturbine und der äußeren An­ ordnung 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 Statorschau­ feln der Niederdruckturbine erstreckt.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Gasturbine. In Fig. 2 sind Teile der Statoranordnung 20, wie beispielsweise das Außenge­ häuse 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 A1 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 A2, die von der ersten axialen Stelle A1 in axialem Abstand liegt. Ein benachbartes Statorelement 44, 46 in Form der äußeren Anordnung 31 zur Luft­ abdichtung ist in axialem Abstand vom ersten Flansch 38 angeordnet. Die äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung weist eine Vielzahl von bogenförmigen Dichtungssegmenten 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 lie­ gende Ende der bogenförmigen Dichtungssegmente am Außen­ gehäuse abzustützen.

Die Anordnung der Statorschaufeln 32 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den ringförmigen Strömungsweg 18. des gasförmigen Arbeitsmediums. Jede Statorschaufel ist in Umfangsrichtung von der benachbarten Schaufel und in radialer Richtung vom Außengehäuse 22 in Abstand angeordnet, wodurch eine zweite Kühlluftkammer 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 Rich­ tung gemessen, die im rechten Winkel zur Vorder- und Hinter­ kante verläuft. Jede Statorschaufel hat einen ersten Fuß 58, der sich über eine Strecke L′ von der Vorderkante des Flügels 52 erstreckt. Die Strecke L′ ist gleich oder größer als die Flügeltiefe L (L′ ≧ L).

Der erste Fuß 58 der Statorschaufel erstreckt sich in axialer Richtung über die erste und zweite Kühlluftkammer zum Außengehäuse. Der erste Fuß 58 wird vom ersten Flansch 38 des Außengehäuses erfaßt. Die Statorschaufel 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, aufzu­ nehmen, 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 be­ grenzt ist. Die Nut 68 erstreckt sich in Umfangsrichtung in der Anordnung der Statorschaufeln an einer dritten axialen Stelle A3, die axial zwischen der ersten axialen Stelle A1 und der zweiten axialen Stelle A2 liegt.

Jedes bogenförmige Kanalsegment 34 hat eine Achse R1, die mit der Drehachse R zusammenfällt. Das Kanalsegment hat eine konkave Seite 70, welche den Übergangsbereich des Strömungsweges begrenzt. Das Kanalsegment 34 weist ferner eine konvexe Seite 72 auf, die in radialem Ab­ stand vom Außengehäuse liegt, um die erste in Umfangs­ richtung verlaufende Kammer 36 für die Kühlluft zu bil­ den. 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 je­ den Kanalsegments 34 wird zwischen einer zugehörigen Statorschaufel 32 und dem ersten Flansch 38 des Außen­ gehäuses an der ersten axialen Stelle A1 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 D1. 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 A3 aufgenommen. Ein Übergangsstück 78 ist radial innerhalb des ersten Fußes angeordnet. Das Übergangsstück 78 verläuft in einem Winkel zur Achse R1 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 D2 in der Art eines Auslegers erstreckt. Der zweite Ab­ stand D2 ist gleich oder größer als der erste Abstand D1. Die Verlängerung 80 hat eine gekrümmte Nase 82, die sich in axialer Richtung über die äußere Anordnung 31 zur Luftabdichtung erstreckt. Die gestrichelten Linien zeigen die Beziehung zwischen der äußeren Anordnung 31 zur Luftabdichtung und dem Kanalsegment, bevor die Gas­ turbine in Betrieb genommen wird.

Eine Vielzahl von Kühlluftlöchern 78a im ersten Flansch 38 des Außengehäuses 22 verbindet die erste Kühl­ luftkammer 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 36u und eine stromab liegende Kammer 36d unterteilt. Die stromaufliegende Kammer ist durch den ersten Fuß des Kanalsegments 34, die Verlängerung 80 des Kanalsegmentes 34, das Außengehäuse und die äußere Anordnung 31 zur Luft­ abdichtung 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 ver­ läuft in Umfangsrichtung in der zweiten Kühlluftkammer und erstreckt sich in axialer Richtung vom ersten Flansch an der ersten axialen Stelle A1 zum zweiten Flansch 42 an der zweiten axialen Stelle A2, um eine Abdichtung für die Kühlluftkammer zwischen der Statorschaufel und dem Außengehäuse zu schaffen. Eine innere Kühlluftkammer 48i wird zwischen den Statorschaufeln und dem Abdichtelement 86 gebildet.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht des Außen­ gehäuses, der Anordnung der Statorschaufeln 52 und der Anordnung der in Fig. 2 gezeigten, bogenförmigen Kanalseg­ mente 34. Das Abdichtelement 86 und der zweite Flansch 42 sind weggebrochen, um die Beziehung zwischen dein 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. Je­ des Kanalsegment ist in Umfangsrichtung vom benachbarten Kanalsegment in Abstand angeordnet und durch eine Nut in die Lage versetzt, eine Federdichtung 78b aufzunehmen. Der erste Fuß eines jeden Kanalsegments hat mindestens einen Schlitz 90 und eine in Umfangsrichtung verlaufende Öff­ nung 92, um die Umfangsfestigkeit des Kanalsegments herab­ zusetzen. Die Kühlluft aus der stromauf liegenden Kammer 36u steht über die Schlitze 90 und die Öffnung 92 mit der strom­ ab liegenden Kammer 36d in Fließverbindung. Eine kleine Menge der Kühlluft fließt in die stromab liegende Kammer und durch den Spalt zwischen den benachbarten Stator­ schaufeln in die innere Kühlluftkammer 48i, die sich zwischen dem in Umfangsrichtung verlaufenden Abdichtele­ ment und der Anordnung der Statorschaufeln befindet. Der erste Fuß der Statorschaufel und der erste Statorflansch werden auf diese Weise von allen Seiten mit Kühlluft be­ spült.

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 gasför­ mige 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 14 mit Kraftstoff gemischt. Die Gases und der Kraftstoff werden zusammen verbrannt, um den Gasen mehr Energie zu geben. Die heißen, unter hohem Druck stehen­ den Gase fließen von der Brennstufe zur Turbinenstufe 16. Die Gase expandieren in der Turbinenstufe über die Rotor­ schaufeln 30 und Statorschaufeln 32, wobei den Gasen Nutz­ arbeit entzogen wird.

Wenn die Gase aus den Rotorschaufeln 30 am stromab lie­ genden Ende der Hochdruckturbine 26 austreten, fließen die Gase durch den Übergangsbereich 37. Die Gase er­ fahren eine plötzliche Expansion im Übergangsbereich, bevor sie in die Niederdruckturbine 28 eintreten. Auf­ grund der plötzlichen Expansion der Gase nimmt die Ge­ schwindigkeit der heißen Gase ab, während der statische Druck zunimmt, wodurch ein beachtlicher Strömungsverlust 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 der 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 Rotor­ schaufel 30 und der Kontur C′ des Strömungsweges längs des Kanalsegments 34 und der Plattform 50 der Stator­ schaufel zu erzielen.

Eine neu entworfene Niederdruckturbine mit einem anderen Expansionsgrad oder eine Plattform 50 einer Statorschau­ fel mit einer neuen Kontur am Eingang in die Nieder­ druckturbine kann anstelle der in Fig. 2 gezeigten Nie­ derdruckturbine 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 Hochdruck­ turbine mit der neuen Niederdruckturbine verbindet. In gleicher Weise kann eine neue Hochdruckturbine mit einer alten Niederdruckturbine verbunden werden.

Wenn die heißen Gase durch den Übergangsbereich 37 fließen, verlieren die Gase Wärme an die Statoranordnung 20. Die ungekühlten Flügel 52 der Statorschaufeln 32 sind allsei­ tig 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 aus­ geübt werden, beim ersten Flansch zum Außengehäuse über­ tragen werden. Es sind daher einige Bauelemente der Stator­ anordnung vorgesehen, um den Wärmeübergang vom gasförmigen Arbeitsmedium auf den ersten Flansch des Gehäuses zu be­ grenzen, wodurch gleichzeitig die Betriebstemperatur dieses Teils des Gehäuses begrenzt und die Dauerdehngrenze ver­ bessert wird. Das Kanalsegment 34 ist ein Schlüsselelement dieser Bauform.

Die Temperatur des gasförmigen Arbeitsmediums ist am Ein­ trittsende 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 80 einen Abstand zum heißen, stromauf liegenden Teil des Übergangs­ stückes. Dies verringert den radialen Temperaturgradienten im ersten Fuß im Vergleich zu den Konstruktionen, bei wel­ chen der erste Fuß am heißen Teil des Übergangsstückes be­ festigt ist. In gleicher Weise nimmt die radiale Wärme­ leitung 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 Be­ reich 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 Flügel 52 zum Bereich der Vorder­ kante 54 der Plattform der Statorschaufel übertragen wird, wird durch den ersten Fuß 58 zum ersten Flansch 38 gelei­ tet. 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 werden von der Kühlluft in den stromauf und stromab liegenden Kam­ mern 36u und 36d der ersten Kühlluftkammer 36 und in der inneren Kammer 48i der zweiten Kühlluftkammer 48 umspült. Schließlich schaffen die Kühlluftlöcher 84, welche die erste Kühlluftkammer mit der zweiten Kühlluftkammer ver­ binden, 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 ge­ troffen sind, wie beispielsweise das Abschirmen des ersten Flansches, das Erhöhen des thermischen Widerstandes gegen Wärmeleitung der mit dem ersten Flansch in Berührung stehen­ den Elemente, die 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 leiten­ den 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 Un­ terschied in der radialen Zunahme ist die Ursache dafür, daß sich die Statorschaufel 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 eben­ falls 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 Ge­ samtlänge wird durch den langen ersten Fuß der Stator­ schaufel verlängert, die über eine Strecke reicht, die min­ destens gleich der Flügeltiefe ist. Diese längere Gesamt­ länge verringert die Neigung des Flügels 52 bei einer gegebenen Toleranzabweichung oder bei einem gegebenen Unter­ schied in der radialen Zunahme im Vergleich mit Stator­ schaufeln, die eine kürzere Gesamtlänge haben. Strömungsver­ luste, die durch eine Neigung des Flügels entstehen, wer­ den 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.

Claims (15)

1. Statoranordnung in einer Gasturbine mit einem ringförmi­ gen, axial durch die Gasturbine verlaufenden Strömungs­ weg (18) für das gasförmige Arbeitsmedium, wobei
die Statoranordnung (20) mit einem Außengehäuse (22) in Umfangsrichtung verläuft, mit einer Reihe von Stator­ schaufeln (37), von denen jede Statorschaufel (32)
einen Flügelprofilteil (52) und einen ersten Schaufelfuß (58) aufweist, der am Außengehäuse (22) befestigt ist, sowie
mit einem Kanalsegment (34) versehen ist, welches den Strömungsweg (18) für das Arbeitsmedium be­ grenzt, wobei
das Kanalsegment (34) durch eine Vielzahl von bogen­ förmigen Segmenten gebildet ist, und jedes bogenförmige Segment
einen ersten Fuß (74) hat, der an einer ersten axialen-Stelle A₁ zwischen einem ersten Flansch (38) des Außengehäuses (22) und dem ersten Schaufel­ fuß (58) aufgenommen ist, und
einen zweiten Fuß (76) aufweist, der axial vom ersten Fuß (74) beabstandet ist, und
wobei jedes bogenförmige Segment desweiteren ein Über­ gangsstück (78) zwischen den Füßen (74, 76) aufweist, das den Strömungsweg (18) begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Fuß (76) des bogenförmigen Segmentes näher am Flügelprofilteil (52) der Statorschaufel (32) liegt als der erste Fuß (74) des bogenförmigen Segmentes und in einem ersten axialen Abstand D₁ vom ersten Fuß (74) des bogenförmigen Segmentes in eine Nut (68) der Stator­ schaufel (32), eingreift, und daß
der erste Schaufelfuß (58) eine axiale Verlängerung auf­ weist, die auf ihrer dem Strömungsweg (18) zugewandten Seite vom Übergangsstück (78) des bogenförmigen Segmentes längs dem axialen Abstand D₁ zwischen den beiden Füßen (74, 76) überlappt ist.

2. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kanalsegment (34) eine Verlängerung (80) hat, die auf der dem Übergangsstück (78) gegenüberliegenden Seite des ersten Fußes (74) des bogenförmigen Segmentes bis in die unmittelbare Nähe eines benachbarten Statorel­ ementes (44, 46) verläuft, das in axialem Abstand vom ersten Flansch (38) auf der der Schaufel abgewandten Seite desselben angeordnet ist.

3. Statoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (78) und die Verlängerung (80) in entgegengesetzten axialen Richtungen vom ersten Fuß (74) des Kanalsegmentes (34) in der Art eines Auslegers abstehen.

4. Statoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaufelfuß (58) der Statorschaufel (32), das Übergangsstück (78) und die Verlängerung (80) des Kanal­ segmentes (34), das Außengehäuse (22) und das benachbarte Statorelement (44, 46) eine erste Kühlkammer (36) bilden, die in unmittelbarer Nähe des ersten Flansches (38) liegt und mit einer Kühlluftquelle in Fließverbindung steht.

5. Statoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Kühlkammer (36) einen stromaufliegenden Teil (36u) und einen stromabliegenden Teil (36d) beidseitig des ersten Fußes (74) des Kanalsegmentes (34) aufweist, wobei
beide Teile (36u, 36d) der ersten Kühlkammer (36) über Schlitze (90) zwischen den Kanalsegmenten (34) und Aus­ schnitte (92) in dem ersten Fuß (74) der Kanal­ segmente (34) in Verbindung miteinander stehen.

6. Statoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Statorschaufel (32) 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 (78a) längs des Umfanges in gegenseitigem Abstand angeordnet sind und durch den ersten Flansch (38) hindurchgreifen, um die zweite Kühl­ kammer (48) mit der ersten Kühlkammer (36) in Fließ­ verbindung zu bringen.

7. Statoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abdichtelement (86) in Umfangsrichtung im Inneren des Außengehäuses (22) verläuft.

8. Statoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Flügelprofilteil (52) eine Vorderkante (54), eine Hinterkante (56) und eine Flügeltiefe (L) aufweist, und daß
die Entfernung von der Vorderkante (54) zum Ende des ersten Schaufelfußes (58) der Statorschaufel (32) einen Abstand (L′) entspricht, der gleich oder größer als die Flügeltiefe (L) (L′ ≧ L) ist.

9. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Außengehäuse (22) einen zweiten Flansch (42) an einer zweiten axialen Stelle A₂ aufweist, der vom Außengehäuse (22) nach innen verläuft und
die Statorschaufel (32) einen zweiten Schaufelfuß (60) aufweist, der an dem zweiten Flansch (42) befestigt ist.

10. Statoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fuß (76) des bogenförmigen Übergangsstückes an einer dritten axialen Stelle A₃ axial zwischen dem ersten Flansch (38) und dem zweiten Flansch (42) liegt.

11. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (68) der Statorschaufel (32) zwischen dem ersten Schaufelfuß (58) und einer Schaufelplattform (50) liegt.

12. Statoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (80) sich vom ersten Fuß (74) des Kanal­ segmentes (34) über einen zweiten axialen Abstand (D₂) erstreckt, der gleich, oder größer als der erste Abstand (D₁) ist.

13. Statoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das benachbarte Statorelement (44, 46) ein, eine Rotor­ schaufel (30) umgebendes, bogenförmiges Dichtungs­ segment (44) ist.

14. Statoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung (80) eines jeden Kanalsegmentes (34) an seinem freien Ende eine gekrümmte Nase (82) aufweist, die sich axial über das benachbarte Statorelement (44, 46) erstreckt.

15. Statoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flansch (38) und der zweite Flansch (42) ein­ stückig mit dem Außengehäuse (22) ausgebildet sind.