DE3544117A1 - Kuehlbare statorbaugruppe fuer eine axialstroemungsmaschine - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dipl.-lP.g- Rolf Mengea Erhardtstraße 12
MÜbgB

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UnserZeichen/Oui rel. U

Datum/Date 13.12.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Kühlbare Statorbaugruppe für eine Axialströmungsmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen mit einem Strömungsweg für Arbeitsmediumgase. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kanal als Strömungsweg für Kühlluft, der sich nahe dem Arbeitsmediumströmungsweg befindet. Die Erfindung wurde zwar während Arbeiten auf dem Gebiet der Axialgasturbinentriebwerke gemacht, sie findet jedoch auch Anwendung auf anderen Gebieten, bei denen umlaufende Maschinen benutzt werden.

Ein Axialgasturbinentriebwerk hat typisch einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Ar-

beitsmediumgase erstreckt sich axial durch diese Abschnitte des Triebwerks. Eine Stator- oder Leitradbaugruppe erstreckt sich um den ringförmigen Strömungsweg, um die Arbeitsmediumgase auf dem Strömungsweg zu leiten und auf diesen zu beschränken.

Wenn die Gase auf dem Strömungsweg strömen, werden sie in dem Verdichtungsabschnitt unter Druck gesetzt und in dem Verbrennungsabschnitt mit Brennstoff verbrannt, wodurch den Gasen Energie zugesetzt wird. Die heißen, unter Druck stehenden Gase expandieren in dem Turbinenabschnitt, um nutzbare Arbeit zu erzeugen. Ein Hauptteil dieser Arbeit wird als Ausgangsleistung benutzt, beispielsweise zum Antreiben einer Preifahrturbine oder zum Erzeugen von Schub für ein Flugzeug.

Ein verbleibender Teil der durch den Turbinenabschnitt erzeugten Arbeit wird nicht als Ausgangsleistung benutzt. Statt dessen wird dieser Teil der Arbeit in dem Verdichtungsabschnitt des Triebwerks benutzt, um die Arbeitsmediumgase zu verdichten. Das Triebwerk ist mit einer Rotor- oder Laufradbaugruppe versehen, die diese Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt überträgt. Die Rotorbaugruppe hat Kränze von Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt zum Empfangen von Arbeit aus den Arbeitsmediumgasen. Die Statorbaugruppe hat Kränze von Leitschaufeln, die sich einwärts durch den Arbeitsmediumströmungsweg zwischen den Laufschaufelkränzen erstrecken. Die Leitschaufeln richten die ankommende Strömung unter einem gewünschten Winkel auf die Laufschaufeln. Die Laufschaufeln haben Flügelprofilblätter, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken und in bezug auf die ankommende Strömung abgewinkelt sind, um Arbeit aus den Gasen zu empfangen und die Rotorbaugruppe um die Drehachse anzutreiben.

-a.

Die Statorbaugruppe weist weiter ein äußeres Gehäuse und Kränze von Wandsegmenten auf, die an dem äußeren Gehäuse abgestützt sind und sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken. Die Wandsegmente sind an dem Arbeitsmediumströmungsweg angeordnet, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Diese Wandsegmente haben radiale Flächen, die in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnet sind, so daß ein Spalt G dazwischen vorhanden ist. Der Spalt ist vorgesehen, um Änderungen im Durchmesser des Wandsegmentkranzes bei Betriebsbedingungen des Triebwerks zuzulassen, bei denen das äußere Gehäuse erhitzt wird und sich ausdehnt oder abgekühlt wird und sich zusammenzieht.

Ein Beispiel eines Wandsegmentkranzes ist der Leitschaufelkranz . Jedes Wandsegment des Leitschaufelkranzes begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg und hat eines oder mehrere der Flügelprofilblätter, die sich einwärts über den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken. Ein weiteres Beispiel eines Wandsegmentkranzes ist eine äußere Luftabdichtung, die aus umfangsmäßig benachbarten Wandsegmenten gebildet ist, welche sich um einen Kranz von Laufschaufeln in unmittelbarer Nähe der Flügelprofilblätter erstrecken, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken.

Die Wandsegmente der äußeren Luftabdichtung und der Leitschaufeln sind in innigem Kontakt mit den heißen Arbeitsmediumgasen und empfangen Wärme aus diesen Gasen. Die Segmente werden gekühlt, um die Temperatur der Segmente innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Ein Beispiel eines solchen kühlbaren Wandsegmentkranzes ist in der US-PS 3 583 824 gezeigt. Gemäß dieser US-Patentschrift wird eine äußere Luftabdichtung benutzt, die außerhalb eines Laufschaufelkranzes angeordnet ist. Kühlluft strömt auf einem PrimärStrömungsweg

in einem Hohlraum, der sich umfangsmäßig um die äußere Luftabdichtung zwischen dieser und dem Triebwerksgehäuse erstreckt. Die Kühlluft wird durch eine Prallplatte hindurchgeleitet, um die Kühlluftströmung genau zu dosieren und gegen die äußere Oberfläche des Wandsegments zu leiten. Die Luft wird in einem Prallufthohlraum gesammelt und aus diesem in den Arbeitsmediumströmungsweg abgegeben, um eine kontinuierliche Fluidströmung durch die Platte und gegen das Wandsegment zu erzeugen. Diese Kühlluft dient zur Konvektionskühlung des Randbereiches der äußeren Luftabdichtung und des benachbarten Aufbaus, wenn sie durch die äußere Luftabdichtung hindurch in den Arbeitsmedium·^· strömungsweg gelangt.

In modernen Triebwerken ist typisch ein Dichtteil zwischen zwei in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Wandsegmenten vorgesehen. Das Dichtteil überbrückt den Spalt G zwischen den Segmenten, um die Leckage der Kühlluft zwischen den Segmenten in den Arbeitsmediumströmungsweg zu blockieren. Ein Beispiel von Wandsegmenten, das dieses Merkmal zeigt, findet sich in der US-PS 3 341 172. Diese US-Patentschrift beschreibt ein Z-förmiges Dichtteil, das sich gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 6 zwischen Blöcken 55b erstreckt, um die Leckage von Kühlluft von außerhalb des Triebwerks in den Arbeitsmediumströmungsweg zu verhindern.

Ein weiteres Beispiel eines Wandsegmentkranzes, der mit Dichtteilen versehen ist, ist in der US-PS 3 752 598 gezeigt. Diese US-Patentschrift zeigt in den Fig. 1 und 2 einen Leitschaufelkranz, der sich in Umfangsrichtung erstreckende Dichtteile hat, welche sich zwischen benachbarten Leitschaufeln erstrecken. Ein Primärströmungsweg für Kühlluft in Form der Strömungswege 36 und 38 versorgt das Innere der Leitschaufeln über öffnungen in den Enden der Leitschaufeln mit Kühlluft. Das Dichtteil

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ist eine Dichtplatte 50, die in einander zugewandten Nuten zwischen benachbarten Segmenten angeordnet ist. Die Dichtplatte überbrückt den Spalt zwischen den Segmenten, um die Leckage von Kühlluft auf einem Leckweg zwischen den Segmenten zu blockieren, der sich von dem Primärströmungsweg zu dem Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt. Diese Dichtplatten sind zwar hinsichtlich der Blockierung der Leckage von Arbeitsmediumgasen längs des Strömungsweges wirksam, sie bilden jedoch keine lecksichere Dichtung. Diese Leckage ist zulässig, weil sie für die Kühlung von Teilen der Wandsegmente sorgt, die sich nahe dem Spalt G befinden und durch die Arbeitsmediumgase sowohl an einer radialen Fläche als auch an einer Umfangsflache erhitzt werden.

Die Benutzung von Kühlluft wird zwar akzeptiert, weil sie die Lebensdauer der Wandsegmente und der Flügelprofilblätter im Vergleich zu ungekühlten Wandsegmenten und ungekühlten Flügelprofilblättern verlängert, die Benutzung von Kühlluft verringert jedoch den Betriebswirkungsgrad des Triebswerks. Zu dieser Verringerung kommt es, weil ein Teil der nutzbaren Arbeit des Triebwerks benutzt wird, um die Kühlluft in dem Verdichtungsabschnitt unter Druck zu setzen, wodurch die Menge an nutzbarer Arbeit, die für die Ausgangsleistung zur Verfügung steht, verringert wird. Eine Möglichkeit zum Steigern des Betriebswirkungsgrades besteht darin, die Leckage von Kühlluft aus den Kühlluftströmungswegen in dem Triebwerk zu verringern. Eine weitere Möglichkeit zum Steigern des Betriebswirkungsgrades besteht darin, die Kühlluft wirksam auszunutzen, so daß eine stärkere Kühlung mit derselben Menge an Kühlluft erreicht wird oder daß dasselbe Ausmaß an Kühlung mit einer geringeren Kühlluftmenge erreicht wird.

Demgemäß suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach einer wirksameren Kühlluftversorguny von Komponenten, wie beispielsweise Wandsegmenten, und zwar sowohl durch Verbessern des Dichtungs-

aufbaus als auch durch wirksameres Ausnutzen der den Komponenten zugeführten Kühlluft.

Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß Kühl^ft, die in den Arbeitsmediumströmungsweg abgegeben wird, nachdem sie ein Wandsegment gekühlt hat, noch eine Menge an abgegebener Kühlluft beinhaltet, die davon abgehalten werden könnte, direkt in den Arbeitsmediumströmungsweg zu strömen, und in einen anderen Bereich des Triebwerks geleitet werden könnte, wenn ein Kanal für die Luft geschaffen werden könnte.

Gemäß der Erfindung hat eine umlaufende Maschine mit einem Arbeitsmediumströmungsweg ein Paar gegenseitigen Umfangsabstand aufweisender, benachbarter Wandsegmente und ein Paar Dichtteile, die sich axial zwischen den Segmenten erstrecken, um einen Kanal zu schaffen, durch den Kühlluft nahe dem Arbeitsmediumströmungsweg strömen kann.

Die Erfindung basiert weiter zum Teil auf der Erkenntnis, daß erstens die Leckage von Kühlluft zwischen gewissen Wandsegmenten in direkter Beziehung zu der Druckdifferenz zwischen einem Hochdruckströmungsweg außerhalb der Segmente und den Arbeitsmediumgasen steht und daß zweitens die Auswirkung dieser Druckdifferenz auf die Kühlluftleckage reduziert wird, indem ein Kanal zwischen den Segmenten geschaffen wird, der auf einem Zwischendruck arbeitet und dem Kühlluft aus einem anderen Bereich niedrigeren Druckes des Triebwerks zugeführt wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (1) trennt das Wandsegmentpaar einen Arbeitsmediumströmungsweg von einem Strömungsweg für Hochdruckkühlluft, und (2) wird der Kanal zwischen den Wandsegmenten mit Kühlluft unter Druck gesetzt, die mit

einem Zwischendruck über einen benachbarten Wandsegmentkranz abgegeben wird, um einen Leckweg zwischen den Segmenten zu blockieren, der sich von dem Strömungsweg für Kühlluft zu dem Arbeitssmediumströmungsweg erstreckt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Kanal durch sich in Umfangsrichtung zugewandte Seiten der Wandsegmente und durch zwei in gegenseitigem Radialabstand angeordnete Dichtplatten gebildet, die sich über die gesamte axiale Länge der Seiten der Wandsegmente erstrecken.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist ein Kranz von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wandsegmenten. Jedes Wandsegment ist mit Umfangsabstand von einem benachbarten Dichtsegment angeordnet, so daß dazwischen ein Spalt G vorhanden ist. Ein weiteres Merkmal ist ein Paar sich axial und umfangsmäßig erstreckender Dichtteile, die in dem Spalt G angeordnet sind und radialen Abstand voneinander haben, so daß sie einen Kanal für Kühlluft bilden, der sich von einem Ende des Dichtsegments zum anderen erstreckt. In einer Ausführungsform hat das Paar benachbarter Dichtsegmente zugewandte Seiten, die in einem inneren Paar Nuten und einem äußeren Paar Nuten Dichtplatten aufnehmen, welche sich von einem Ende des Wandsegments zum anderen erstrecken. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Sekundärströmungsweg für Kühlluft radial einwärts zu dem Arbeitsmediumströmungsweg und ist mit dem Kanal in Strömungsverbindung, um den Kanal unter Druck zu setzen. Der Umfangsspalt G zwischen den benachbarten Wandsegmenten ist in Strömungsverbindung mit einem Primärströmungsweg für Kühlluft, der sich radial außerhalb des Kanals befindet.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad, der sich aus dem wirksamen Ausnutzen der Kühlluft durch Schaffen eines Kanals für einen Kühlluftströmungsweg ergibt, welcher dem

- Jar -

Arbeitsmediumströmungsweg benachbart ist. Ein weiterer Vorteil ist der Triebwerkswirkungsgrad, der aus dem wirksamen Ausnutzen der Kühlluft durch Umleiten eines Teils der Kühlluft aus einem Strömungsweg, welcher zu dem Arbeitsmediumströmungsweg führt, zu einem Strömungsweg resultiert, in welchem die Kühlluft zum Kühlen an einer weiteren Stelle benutzt wird, bevor sie in den Arbeitsmediumströmungsweg gelangt. Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der Triebwerkswirkungsgrad, der daraus resultiert, daß ein Kanal mit Kühlluft unter Druck gesetzt wird, die durch einen benachbarten Kranz von Wandsegmenten hindurch zu dem Arbeitsmediumströmungsweg geleitet wird. Der Kanal blockiert einen Leckweg zwischen dem Segmentpaar, der sich von einem Hochdruckströmungsweg für Kühlluft in den Arbeitsmediumströmungsweg erstreckt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Axialgas

turbinentriebwerks, die einen Teil des Turbinenabschnitts 12 und eine Drehachse A des Triebwerks zeigt,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht von

zwei benachbarten Wandsegmenten, wobei der Übersichtlichkeit halber Teile der Wandsegmente weggebrochen worden sind,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht eines

Wandsegments eines Wandsegmentkranzes, der weggebrochen worden ist, um zwei sich axial erstreckende Dichtplatten sichtbar zu machen, die in das Wandsegment verschiebbar einfassen,

-/sr-

4 eine Querschnittansicht von zwei Wandsegmen-

ten der in Fig. 3 dargestellten Art, die eine

weitere Ausführungsform zeigt, bei der ein Dichtteil benutzt wird, das an einem der Wandsegmente angeformt ist.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Axialgasturbinentriebwerks 10, die einen Teil eines Turbinenabschnitts 12 und eine Drehachse A des Triebwerks zeigt. Der Turbinenabschnitt 12 enthält einen ringförmigen Strömungsweg 14 für Arbeitsmediumgase, der um die Drehachse A angeordnet ist. Eine Rotorbaugruppe 16 erstreckt sich um die Drehachse A axial durch das Triebwerk. Eine Statorbaugruppe 18 erstreckt sich um die Rotorbaugruppe axial durch das Triebwerk.

In dem Turbinenabschnitt 12 weist die Rotorbaugruppe 16 Kränze von Laufschaufeln auf, die durch eine einzelne Laufschaufel 22 bzw. eine einzelne Laufschaufel 24 dargestellt sind. Die Laufschaufeln erstrecken sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg 14. Die Statorbaugruppe 18 hat ein Triebwerksgehäuse 26, das sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg 14 erstreckt, und eine Wand 28, die mit Abstand einwärts von dem Triebwerksgehäuse 26 angeordnet ist. Wenigstens ein Primärströmungsweg für Kühlluft, der durch den Strömungsweg 32 dargestellt ist, erstreckt sich axial durch das Triebwerk zwischen der Wand 28 und dem Triebwerksgehäuse 26.

Die Wand 28 erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Arbeitsmediumströmungsweg 14 in unmittelbarer Nähe der Laufschaufeln 22 und der Laufschaufeln 24, um den Arbeitsmediumströmungsweg außen zu begrenzen. Die Wand weist drei Kränze von bogenförmigen Wandsegmenten auf, die durch das einzelne Wandsegment 34,

das einzelne Wandsegment 36 und das einzelne Wandsegment dargestellt sind. Die Wandsegmentkränze sind axial benachbart zueinander und haben Enden, die sich in unmittelbarer Nähe eines zugeordneten Endes an dem benachbarten Wandsegmentkranz befinden. Der erste Kranz von Wandsegmenten 34 hat ein stromaufwärtiges Ende 42 und ein stromabwärtiges Ende 44. Der zweite Kranz von Wandsegmenten 36 hat ein stromaufwärtiges Ende 46 und ein stromabwärtiges Ende 48. Der dritte Kranz von Wandsegmenten hat ein stromaufwärtiges Ende 52 und ein stromabwärtiges Ende 54. Das stromabwärtige Ende 44 des ersten Wandsegmentkranzes ist an dem stromaufwärtigen Ende 46 des zweiten Wandsegmentkranzes. Das stromabwärtige Ende 48 des zweiten Wandsegmentkranzes hat axialen Abstand von dem stromaufwärtigen Ende 52 des dritten Wandsegmentkranzes, so daß ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 56 zwischen ihnen verbleibt.

Der erste Kranz von Wandsegmenten 34 bildet eine äußere Luftabdichtung 58, die sich umfangsmäßig um die Laufschaufeln 22 erstreckt. Der zweite Kranz von Wandsegmenten 36 hat ein oder mehrere Flügelprofilblätter 6 2 an jedem Wandsegment, die sich einwärts über den Arbeitsmediumströmungsweg 14 erstrecken und einen Kranz von Leitschaufeln 64 bilden. Der dritte Kranz von Wandsegmenten 38 bildet eine äußere Luftabdichtung 66, die sich umfangsmäßig um die Laufschaufeln erstreckt.

Die kühlbare Statorbaugruppe weist Einrichtungen zum Abstützen jedes Wandsegmentkranzes an dem äußeren Gehäuse auf. Die Einrichtung zum Absützen der äußeren Luftabdichtung 58 weist einen stromaufwärtigen Halter 68 und einen stromabwärtigen Halter 72 auf. Die Halter 68, 72 sind an dem Triebwerksgehäuse 26 befestigt, um die äußere Luftabdichtung in radialer

Richtung um die Laufschaufeln 22 zu halten und zu positionieren. Die Halter 68, 72 erstrecken sind einwärts von dem Triebwerksgehäuse 26 zu dem stromaufwartigen Ende 42 und dem stromabwärtigen Ende 44 der Wandsegmente 34. Jedes Wandsegment 34 erfaßt'die Halter 68, 72 mit einem stromaufwärtigen Haken bzw. einem stromabwärtigen Haken 76. Die äußere Luftabdichtung 66 ist auf dieselbe Weise an dem Triebwerksgehäuse durch einen stromaufwärtigen Halter 78, einen stromabwärtigen Halter 82 und Haken 84, 86 abgestützt. Jedes Wandsegment 36 des zweiten Leitschaufelkranzes hat eine Plattform 88, die ein oder mehrere Plügelprofilblätter 62 trägt. Ein stromaufwärtiger Halter 89 und ein stromabwärtiger Halter 90 sind an der Plattform 88 befestigt und erstrecken sich außerhalb der Plattform, um das Triebwerksgehäuse 26 zur Abstützung zu erfassen.

Die äußere Luftabdichtung 58, der Kranz von Leitschaufeln 64 und die äußere Luftabdichtung 66 sind mit Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 26 angeordnet, so daß dazwischen Hohlräume 92, 94 bzw. 96 vorhanden sind. Jedes Wandsegment begrenzt diese Hohlräume durch eine nach außen weisende Oberfläche 92a, 94, 94a und 96a. Prallplatten 98 und 102, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, sind im Abstand außerhalb von der äußeren Luftabdichtung 58 bzw. der äußeren Luftabdichtung 66 und einwärts von dem Triebwerksgehäuse 26 angeordnet. Die Prallplatte 98 unterteilt den Hohlraum 92 in einen inneren Hohlraum 104 und in einen äußeren Hohlraum 106. Die Prallplatte 102 unterteilt den Hohlraum 96 auf dieselbe Weise in einen inneren Hohlraum 108 und in einen äußeren Hohlraum 112.

Der Primär- oder erste Strömungsweg 32 für Kühlluft erstreckt sich axial durch das Triebwerk und außerhalb des Arbeitsmediumströmungsweges 14 durch öffnungen (nicht gezeigt)

in den äußeren Hohlraum 106. Der Strömungsweg erstreckt sich von dem äußeren Hohlraum 106 in den Hohlraum 94 durch öffnungen in den Haltern 72, 89 und dem Triebwerksgehäuse 26 (nicht gezeigt) und von da aus durch nicht gezeigte öffnun gen in den Haltern 90, 78 und dem Triebwerksgehäuse 26 zu dem äußeren Hohlraum 112. Statt dessen kann Kühlluft auf einem zweiten Primärströmungsweg geliefert werden, der sich durch das Triebwerksgehäuse 26 zu dem Hohlraum 94 und dann zu dem Hohlraum 96 erstreckt. In dem äußeren Hohlraum 106 erstreckt sich der Primärströmungsweg 32 radial einwärts zu der Prallplatte 98. Ein zweiter Strömungsweg, der Sekundärströmungsweg 114 für Kühlluft, erstreckt sich axial und umfangsmäßig in dem inneren Hohlraum 104 und außerhalb der äußeren Luftabdichtung 58. Mehrere Prallöcher 116 in der Prallplatte stellen eine Verbindung zwischen dem Primärströmungsweg 32 und dem Sekundärströmungsweg 114 her. Die Prallöcher 116 sind so bemessen, daß sie die Kühlluftströmung aus dem äußeren Hohlraum dosieren und die Kühlluftströmung gegen die äußere Luftabdichtung 58 leiten. Jedes Wandsegment hat ein sich umfangsmäßig erstreckendes Substrat 118, von welchem aus der stromauf wärt i>jc Haken 74 und der stromabwärtige Haken 76 vorstehen. Jeder dieser Haken hat Schlitze, und zwar die Schlitze 122 in dem stromaufwärtigen Haken und die Schlitze 124 in dem stromabwärtigen Haken, zum Belüften des inneren Hohlraums 104 außerhalb der äußeren Luft abdichtung 58. Wie dargestellt prallt Kühlluft aus dem Sekundärströmungsweg 114 gegen die äußere Oberfläche 92a der äußeren Luftabdichtung 58, strömt nach hinten durch die Segmente durch die Schlitze 124 in dem stromabwärtigen Haken der äußeren Luftabdichtung 58 zu einem ersten Punkt 126 und von da aus zwischen den benachbarten Substraten 118 und zwischen den Substraten und den Leitschaufeln in den Arbeitsmediumsweg 1 4 .

Jedes Wandsegment 36 des benachbarten Kranzes von Wandsegmenten, die den Kranz von L^itschaufein 64 bilden, hat eine innere Nut 128 und eine äußere Nut 132. In diesen Nuten nimmt

BAD ORiGINAL

das Wandsegment innere und äußere Dichtteile auf, nämlich eine innere Dichtplatte 134 und eine äußere Dichtplatte 136, die in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt sind. Ein dritter Strömungsweg 138 für Kühlluft erstreckt sich axial nach hinten zwischen den benachbarten Leitschaufelwandsegmenten und zwischen den Dichtplatten von dem stromaufwärtigen Ende 46 zu dem stromabwärtigen Ende 48 der Leitschaufel und dann in Gasverbindung mit dem Hohlraum 56 zwischen den Leitschaufeln und der äußeren Luftabdichtung 66. Der dritte Strömungsweg 138 für Kühlluft steht in Gasverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 114 an einem Punkt 142 auf dem zweiten Strömungsweg, der sich zwischen dem ersten Punkt 126 und dem Arbeitsmediumströmungsweg 14 befindet.

Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht von zwei benachbarten Wandsegmenten 36 (d.h. 36a und 36b), wobei der Übersichtlichkeit halber Teile der Wandsegmente weggebrochen worden sind. Jedes Wandsegment hat eine erste Seite 144, die in eine erste Umfangsrichtung weist, und eine zweite Seite 146, die in eine zweite, entgegengesetzte Umfangsrichtung weist. Jede erste Seite 144 des Wandsegmentpaares ist der zweiten Seite 146 des benachbarten Wandsegments zugewandt. Die Seiten 144, 146 haben gegenseitigen Umfangsabstand, so daß zwischen ihnen ein Spalt G vorhanden ist. Jede Seite hat eine innere Nut 128, die sich von dem stromaufwärtigen (ersten) Ende 46 zu dem stromabwärtigen (zweiten) Ende 48 des Wandsegments erstreckt und der inneren Nut 128 in der zugewandten Seite des anderen Wandsegments zugewandt ist. Jede Seite 144, 146 hat eine äußere Nut 132, die mit Abstand radial außerhalb von der inneren Nut angeordnet ist, sich von dem stromaufwärtigen Ende 46 des Wandsegments zu dem stromabwärtigen Ende 48 des Wandsegments erstreckt und der äußeren Nut 132 in der zugewandten Seite des anderen Wandsegments zugewandt ist. Die innere Dichtplatte 134 ist in den inneren Nuten 128 angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung über den Spalt G und axial von dem ersten

BAD ORIGINAL

Ende 46 zu dem zweiten Ende 48. Die äußere Dichtplatte 136 ist ebenso in den äußeren Nuten 132 angeordnet und erstreckt sich umfangsmäßig über den Spalt G und axial von dem ersten Ende 46 des Wandsegments zu dem zweiten Ende 48 des Wandsegments. 'Die beiden Dichtplatten 134, 136 und die Seiten 144, 146 der Wandsegmente, die sich zwischen den Nuten 128, 132 erstrecken, begrenzen einen Kanal 148 für Kühlluft, der in Gasverbindung mit dem SekundärStrömungsweg 114 ist.

Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht des Wandsegments 36 des Kranzes von Leitschaufeln 64. Jede Leitschaufel 64 hat eine öffnung 152 in jedem Flügelprofilblatt, welches das Innere des Flügelprofilblattes mit dem PrimärStrömungsweg für Kühlluft in Strömungsverbindung bringt. Der Primärströmungsweg 32 erstreckt sich axial in den Hohlraum 94 unterhalb der Leitschaufel 64 und von da aus durch die öffnung 154 in dem stromabwärtigen Halter 90 in den Hohlraum 96 außerhalb der zweiten äußeren Luftabdichtung 66. Ein Teil der Kühlluft aus dem PrimärStrömungsweg 32 strömt auf dem Primärströmungsweg 32' für Kühlluft in die öffnung 152 in dem Flügelprofilblatt. Ein weiterer Teil der Kühlluft aus dem Primärströmungsweg nimmt einen Leckweg 32'" , der sich von dem Primärströmungsweg 32 aus zu dem Arbeitsmediumströmungsweg 14 erstreckt. Dieser Leckweg 32'' ist durch die innere Dichtplatte 134, die äußere Dichtplatte 136 und die Druckluft in dem Kanal 148 unterbrochen.

Fig. 4 ist eine Querschnittansicht des Kanalbereichs eines Wandsegments des in Fig. 3 gezeigten Typs, die eine weitere Ausführungsform zeigt, bei der der Kanal 148 durch überlappende Schultern an den benachbarten Seiten der Wandsegmente gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform hat das erste Wandsegment 36a eine sich axial erstreckende Schulter, die eine Oberfläche 156 hat, welche nach innen zu dem Arbeitsmediumströmungsweg 14 gewandt ist. Eines der Dichtteile ist

BAD ORIGINAL

in Form eines Vorsprungs 158 an dem zweiten Wandsegment 36b angeformt und hat eine nach außen gewandte Oberfläche 162, die die Oberfläche 156 an der Schulter des ersten Wandsegments 36a überlappt. Dieser Aufbau könnte zusammen mit einer Konstruktion aus einer zweiten Schulter und einem zweiten Vorsprung 158' (mit Oberflächen 156' bzw. 162') oder mit einer Dichtplatte 134', die strichpunktiert dargestellt ist, benutzt werden. Statt dessen könnten diese beiden Schultern und Vorsprünge an den benachbarten Wandsegmenten in Kombination mit einer einzelnen Dichtplatte 134' oder mit zwei in radiale Richtung weisenden Dichtplatten benutzt werden, wie es durch die Dichtplatten 134' und 136' strichpunktiert dargestellt ist.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 strömt Kühlluft auf dem PrimärStrömungsweg 32, und heiße Arbeitsmediumgase strömen auf dem ringförmigen Strömungsweg 14 in den Turbinenabschnitt 12 des Triebwerks. Die Teile des Turbinenabschnitts werden durch Wärme erhitzt, die sie aus den Arbeitsmediumgasen empfangen, und durch Wärmeübertragung auf die Kühlluft gekühlt. Diese Teile sind: das Triebwerksgehäuse 26; die Wandsegmente der äußeren Luftabdichtung 58, die Wandsegmente des Kranzes von Leitschaufeln 64, die Wandsegmente der äußeren Luftabdichtung 66; und die Halter für diese Wandsegmente, d.h. die Halter 68, 72, 89, 90, 78,82.

Kühlluft strömt auf dem PrimärStrömungsweg 32 in den äußeren Hohlraum 106, von da aus zu dem Hohlraum 94 außerhalb der Leitschaufeln 64 und von da aus zu dem äußeren Hohlraum 112 außerhalb der äußeren Luftabdichtung 66. Wegen der Kühlluftströmung und der Strömung von heißen Arbeitsmediumgasen sind relative Druckdifferenzen zwischen dem Primärströmungsweg 32 für Kühlluft und dem Strömungsweg 14 für Arbeitsmediumgase vorhanden. Diese Druckdifferenzen sind zum Teil von Änderungen im Druckwert längs des ringförmigen Strömungsweges 14 und von Änderungen im Druckwert abhängig, die durch Strömungs-

Verluste und durch das Ableiten eines Teils der Kühlluft aus dem PrimärStrömungsweg 32 als Kühlluft zu dem Sekundärströmungsweg 114 verursacht werden. Die an den verschiedenen Stellen in Fig. 1 gezeigten Drücke sind:

' P₁, der Druck in dem äußeren Hohlraum 106; P„, der Druck in dem inneren Hohlraum 104;

P₁-, der Druck längs des Sekundärströmungsweges 114 in dem Bereich zwischen dem ersten Punkt 126 und dem zweiten Punkt 142;

P^, der Druck in dem Hohlraum 94 außerhalb der Leitschaufeln; und

P-, der Druck in dem äußeren Hohlraum 112 außerhalb der äußeren Luftabdichtung 66.

Die Drücke an verschiedenen Stellen längs des ringförmigen Strömungsweges sind folgende:

P.,, der Druck an dem stromaufwärtigen Ende 42 des ersten Kranzes von Wandsegmenten 34;

P,-, der Druck an dem stromabwärtigen Ende 44 des ersten Kranzes von Wandsegmenten 34 und an dem stromaufwärtigen Ende 46 des zweiten Kranzes von Wandsegmenten 36 an der Stelle, wo der Sekundärströmungsweg 114 in den Arbeitsmediumströmungsweg 14 eintritt; und

Po, der Druck in dem Hohlraum 56 zwischen dem stromabwärtigen Ende 48 des zweiten Kranzes von Wandsegmenten 36 und dem stromaufwärtigen Ende 52 des dritten Kranzes von Wandsegmenten 38.

Die relativen Größen der Drücke sind folgende: P₁ ist etwas größer als P₃,
P₂ ist größer als P₃,
P_ ist größer als P₄,
P₄ ist größer als P₅,
Pr- ist größer als P₂-,

J D

P₆ ist größer als P₇, und

P- ist größer als Polin Betrieb bewirkt die Druckdifferenz zwischen dem Kanal 148 und dem Arbeitsmediumströmungsweg 14, daß die innere Dichtplatte 134 nach innen gegen die Wandsegmente 36a, 36b gedrückt wird, und die Druckdifferenz zwischen dem Primärströmungsweg 32 und dem Kanal 148 bewirkt, daß die äußere Dichtplatte 136 nach innen gegen die Wandsegmente in abdichtende Berührung mit den Wandsegmenten gedrückt wird. Wenn Kühlluft auf dem Strömungsweg 32 in den Hohlraum 94 strömt, bewirkt die Druckdifferenz zwischen dem Druck P₄ des Hohlraums 94 und dem Druck P, des Kanals 148, daß sich ein Leckweg 32¹' bildet, der sich aus dem Primärströmungsweg in den Kanal 148 erstreckt. Der Kanal 148 wird durch Kühlluft unter Druck gesetzt, die auf dem Sekundärströmungsweg 114 von dem zweiten Punkt 142 aus strömt, wobei der Sekundärstromungsweg ungefähr auf einem Druck Pr und in Gasverbindung mit dem Kanal 148 ist. Diese Kühlluft setzt den Kanal unter Druck und reduziert die Leckage aus dem Primärströmungsweg 32 in dem Hohlraum 94 im Vergleich zu Konstruktionen, bei denen die Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum 94 und dem Arbeitsmediumströmungsweg nicht durch einen Zwischendruck unterbrochen ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß Kühlluft für den Kanal 148 in Form von Kühlluft von dem zweiten Punkt 142 aus zugeführt wird (Druck P,-J , die durch die Wandsegmente 34 auf dem Sekundärstromungsweg 114 abgegeben wurde. Weil der Sekundärstromungsweg 114 überschüssige Kühlluft enthält, die sonst in dem Arbeitsmediumströmungsweg 14 vergeudet werden könnte,

bringt das Unter-Druck-setzen des Kanals 148 keine Leistungseinbuße des Triebwerks mit sich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Kühlluft, die durch den Kanal 148 geströmt ist, die Seiten der Leitschaufeln 64 an der kritischen Stelle nahe dem Strömungsweg kühlt und in den Hohlraum 56 abgegeben wird. Diese Kühlluft sorgt für eine weitere Kühlung der Teile, die mit dem Hohlraum 56 in Strömungsverbindung sind, wie beispielsweise dem stromaufwärtigen Ende 52 des dritten Kranzes von Wandsegmenten 38. In gewissem Sinne wird die Kühlluft aus dem Sekundärströmungsweg 114 dreimal benutzt: erstens zum Kühlen der äußeren Luftabdichtung 58; zweitens dann, wenn sie benutzt wird, um den Kanal 148 unter Druck zu setzen und so die Leckage aus dem Primärströmungsweg 32 für Kühlluft in dem Hohlraum 94 zu reduzieren; und drittens dann, wenn die Kühlluft durch den Kanal 148 hindurchgeleitet und aus dem Kanal abgegeben wird, um die Leitschaufeln 64 und das stromaufwärtige Ende des Hohlraums 56 zu kühlen.

Noch ein weiterer Vorteil ergibt sich während des Zusammenbaus durch die Verwendung der Nuten für die Dichtplatten, nämlich der inneren Nut 128 und der äußeren Nut 132, die sich von dem stromaufwärtigen Ende 46 zu dem stromabwärtigen Ende 48 der Wandsegmente 36 erstrecken. Die Nuten 128, 132 werden einfach hergestellt, indem eine Nut von einem Ende des Wandsegments zum anderen geschliffen wird, und zwar ohne Rücksicht auf die Abdichtung des Endes der Nuten. Darüber hinaus kann jede Dichtplatte 134, 136 leicht von der Rückseite des Kranzes von Leitschaufeln 64 her eingebaut werden, nachdem die Leitschaufeln in das Triebwerksgehäuse 26 eingebaut worden sind. Das erleichtert das Zusammenbauen und die Inspektion, da es die visuelle überprüfung des Endes der Dichtnuten gestattet, durch die festgestellt werden kann, ob sämtliche Dichtplatten eingesetzt worden sind. Nachdem der Zusammenbau abgeschlossen ist, sind die Dichtplatten in

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- AS.

axialer Richtung durch den stromabwärtigen Halter 72 und den ersten Kranz von Wandsegmenten 34 und in axialer stromabwärtiger Richtung durch den stromaufwärtigen Halter 78 für die äußere Luftabdichtung 66 eingespannt. Toleranzveränderungen werden die Leckage von Kühlluft in den Hohlraum 56 an dem stromabwärtigen Ende des Kranzes von Leitschaufeln 64 gestatten. Statt dessen könnten Kühlluftlöcher, die in Strömungsverbindung mit dem Kanal 148 sind, über den stromabwärtigen Halter 72 versorgt werden.

Claims (8)

1. Patentanwalt
   Dipl.-Ing. Rolf Menges

   BhardtstraQe 12
   D-8000 München 5

   IhrZeiclien/Yuurrel Unsei Zeichen/Ouf ref Dalum/Dale

   U 901 13.12.1985

   United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

   Patentansprüche :

   Statorbaugruppe für eine Axialströmungsmaschine (10) mit einem sich axial erstreckenden, ringförmigen Strömungsweg (14) für Arbeitsmediumgase, mit einem sich axial erstreckenden Strömungsweg (114) für Kühlluft und mit einem Kranz von umfangsmäßig benachbarten Wandsegmenten (36), die den Arbeitsmediumströmungsweg begrenzen und ein Paar umfangsmäßig benachbarter Wandsegmente (36a, 36b) umfassen, die zugewandte Seiten (144, 146) in gegenseitigem Umfangsabstand haben, so daß zwischen ihnen ein Spalt (G) vorhanden ist, der sich unter den Betriebsbedingungen des Triebwerks verändert, gekennzeichnet durch: eine kühlbare Statorbaugruppe (18) mit einem Paar Dichtteilen (134, 136), welche radialen Abstand voneinander haben und sich axial und umfangsmäßig zwischen den Seiten (144, 146) des Paares von Wandsegmenten (36a, 36b) und über den Spalt (G) erstrecken, wobei die Dichtteile (134, 136) und die einander zugewandten Seiten (144, 146) der Wandsegmente (36a, 36b) einen Kanal (148) für den Kühlluftströmungsweg (1.14) bilden und wobei der Kanal durch die Dichtteile (134, 136) in radial äußerer Richtung und radial

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   innerer Richtung und durch die Seiten (144, 146) der Wandsegmente (36a, 36b) in jeder Umfangsrichtung begrenzt ist.
2. 2. Statorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Dichtteile (134, 136) des Paares eine Dichtplatte (134) ist, daß jede der einander zugewandten Seiten (144, 146) des Wandsegmentpaares eine Nut (128) hat, die der Nut (128) in dem anderen Wandsegment zugewandt ist und die Dichtplatte aufnimmt,und daß sich die Dichtplatte (134) in die Nuten (128) erstreckt und durch die Nuten radial eingespannt ist.
3. 3. Statorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar gekrümmter Wandsegmente (36a, 36b) ein erstes Wandsegment (36a) und ein zweites Wandsegment (36b) aufweist, wobei das erste Wandsegment eine sich axial erstreckende Schulter hat, die eine Oberfläche (156) aufweist, welche nach innen gewandt ist, und wobei eines der Dichtteile an dem zweiten Wandsegment (36b) angeformt ist und einen Vorsprung (158) an dem Wandsegment bildet, der eine nach außen gewandte Oberfläche (162) hat, die die Oberfläche (156) an der Schulter des ersten Wandsegments (36a) überlappt.
4. 4. Statorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Wandsegmente (36) jeweils ein Flügelprofilblatt (62) haben, das sich einwärts über den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt, um die Arbeitsmediumgase zu richten.
5. 5. Statorbaugruppe für eine umlaufende Maschine mit einem ringförmigen Strömungsweg (14) für Arbeitsmediumgase, mit einem ersten Strömungsweg (32) für Kühlluft außerhalb des Strömungsweges (14) für Arbeitsmediumgase, mit einem ersten Kranz von sich urnfangsmäßig erstreckenden Wandsegmenten (34), die den Arbeitsmediumströmungsweg (14) außen

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   -3- 35U117

   begrenzen und einen zweiten Strömungsweg (114)für Kühlluft haben, der sich radial einwärts durch die Wandsegmente (34) zu einem ersten Punkt (126) erstreckt und von dem ersten Punkt zu dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) führt, und mit einem zweiten Kranz von sich umfangsmäßig erstreckenden Wandsegmenten (36), die den Arbeitsmediumströmungsweg (14) außen' begrenzen und den ersten Strömungsweg (32) für Kühlluft innen begrenzen, wobei die Wandsegmente (36) einen nach außen gewandten, sich umfangsmäßig erstreckenden Hohlraum (92) begrenzen, durch den sich der erste Strömungsweg (32) für Kühlluft erstreckt, und wobei der zweite Kranz von Wandsegmenten (36) ein Paar umfangsmäßig benachbarter Wandsegmente (36a, 36b) hat, die einander zugewandte Seiten (144, 146) aufweisen, welche Umfangsabstand voneinander haben, so daß zwischen ihnen ein Spalt (G) vorhanden ist, der sich unter den Betriebsbedingungen des Triebwerks ändert und durch den sich ein Leckweg (32¹¹) von dem ersten Strömungsweg (34) zu dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt, gekennzeichnet durch:

   eine kühlbare Statorbaugruppe (18) mit einem Paar Dichtteilen (134, 136), die radialen Abstand voneinander haben und sich axial und umfangsmäßig zwischen den Seiten (144, 146) des Wandsegmentpaares (36a, 36b) und über den Spalt (G) erstrekken, um die Strömung von Kühlluft längs des Leckweges (32*') zu blockieren;

   wobei die Dichtteile (134, 136) und die einander zugewandten Seiten (144, 146) der Wandsegmente (36) einen Kanal (148) für einen Kühlluftströmungsweg bilden, wobei der Kanal durch die Dichtteile in der radial äußeren Richtung und in der radial inneren Richtung und durch die Seiten der Wandsegmente in jeder Umfangsrichtung begrenzt ist und mit dem zweiten Strömungsweg (114) für Kühlluft an einem Punkt (142) auf dem Strömungsweg in Strömungsverbindung ist, der sich zwischen dem ersten Punkt (126) und dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) befindet, um den Kanal (148) unter Betriebsbedingungen des Triebwerks (10) mit Kühlluft aus dem zweiten Strömungs-

   weg (114) unter Druck zu setzen.
6. 6. Kühlbare Statorbaugruppe für eine Axialströmungsmaschine, mit einem ringförmigen Strömungsweg (14) für Arbeitsmediumgase und mit wenigstens einem Primärströmungsweg (32) für Kühlluft radial außerhalb des Arbeitsmediumstromungsweges,

   gekennzeichnet durch:

   einen ersten Kranz von Wandsegmenten (34), die sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstrecken, um den Arbeitsmediumströmungsweg zu begrenzen, und sich einwärts des Primärströmungsweges (32) für Kühlluft erstrecken, wobei die Wandsegmente (34) ein erstes Ende (42), ein zweites Ende (44) in axialem Abstand von dem ersten Ende und einen Sekundärströmungsweg (114) für Kühlluft haben, der in Gasverbindung mit dem Primärströmungsweg (32) ist und sich radial einwärts vorbei an dem zweiten Ende der Wandsegmente in den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt; einen zweiten Kranz von Wandsegmenten (36), die sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstrecken, um den Arbeitsmediumströmungsweg zu begrenzen, und einwärts des Primärströmungsweges (32) für Kühlluft, um den Primärströmungsweg für Kühlluft zu begrenzen, wobei die Wandsegmente (36) ein erstes Ende (46), das axial an dem zweiten Ende (44) des ersten Kranzes von Wandsegmenten (34) angeordnet ist, haben und wenigstens ein Paar Wandsegmente (36a, 36b) umfassen, die Seiten (144, 146) haben, welche einander zugewandt sind und gegenseitigen Umfangsabstand haben, so daß zwischen ihnen ein Spalt (G) vorhanden ist, was einen Leckweg (32'') für Kühlluft zwischen den Wandsegmenten ergibt, der sich von dem Primärströmungsweg (32) für Kühlluft aus erstreckt, wobei die Wandsegmentpaare weiter aufweisen

   eine innere Nut (128) in der Seite jedes Wandsegments, die sich von dem ersten Ende (46) des Wandsegments zu dem zweiten Ende (48) des Wandsegments erstreckt und der Nut (128) in dem anderen Wandsegment zugewandt ist, und

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   eine äußere Nut (132) in der Seite jedes Wandsegments, die mit Abstand radial außerhalb von der inneren Nut (128) angeordnet ist und sich von dem ersten Ende (46) zu dem zweiten Ende (48) des Wandsegments erstreckt und der äußeren Nut (132) in dem anderen Wandsegment zugewandt ist_r; und

   eine innere Dichtplatte (134), die in den inneren Nuten (128) angeordnet ist, sich umfangsmäßig über den Spalt (G) und axial von dem ersten Ende (46) zu dem zweiten Ende (48) der Wandsegmente erstreckt;

   eine äußere Dichtplatte (136), die in den äußeren Nuten (132) angeordnet ist, sich umfangsmäßig über den Spalt (G) und axial von dem ersten Ende (46) zu dem zweiten Ende (48) der Wandsegmente erstreckt;

   wobei die innere Dichtplatte (134), die äußere Dichtplatte (136) und die Seiten (144, 146) der Wandsegmentpaare zwischen den Dichtplatten einen Kanal (148) für Kühlluft begrenzen, der in Gasverbindung mit dem Sekundärströmungsweg (114) für Kühlluft ist, um das Umleiten eines Teils der Kühlluft aus dem Sekundärströmungsweg zu dem Kanal (148) zu ermöglichen, um den Kanal unter Druck zu setzen und die Strömung von Kühlluft längs des Leckweges (32¹¹) für Kühlluft zwischen dem Paar Segmenten, der sich von dem Primärströmungsweg (32) zu dem Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt, zu blockieren .
7. 7. Statorbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kranz von Wandsegmenten (34) ein Kranz von bogenförmigen Dichtsegmenten ist und daß der zweite Kranz von Wandsegmenten (36) ein Kranz von Leitschaufeln (64) ist.
8. 8. Statorbaugruppe nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen dritten Kranz von Wandsegmenten (38), die ein Ende

   (52) in axialem Abstand von dem zweiten Ende (48) des zweiten Kranzes von Wandsegmenten (36) haben, so daß ein Hohlraum (56) zwischen ihnen vorhanden ist, wobei der Kanal (148) in Gasverbindung mit dem Hohlraum des dritten Kranzes von Wandseg-

   menten ist, bevor die Kühlluft den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erreicht.