DE4238659C2 - Verbesserte Deckbandkonstruktion - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen. Genauer ge­ sagt betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Deckbandkonstruktion zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Wärmeaustauschs zwischen dem Deckbandelement und der zur Beibehaltung der Betriebstemperatur des Deckbands genutzten Kühlluft.

Der Betrieb von Gasturbinen ist wohlbekannt. Kürzlich wurde die Betriebstemperatur der Turbine zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Triebwerks und zur Optimierung des Kraft­ stoffverbrauchs erhöht. Die Temperatur der Turbine ist jedoch aufgrund der Werkstoffe, die in den verschiedenen Turbinen­ bereichen eingesetzt und den heißen Verbrennungsgasen aus­ gesetzt sind, begrenzt.

Ein Teil des ringförmigen Gasstromwegs im Turbinenbereich einer Gasturbine wird durch eine Vielzahl von ringförmig um den Rotor angeordneten Leitschaufelsegmenten gebildet. Jedes Leitschaufelsegment ist von einer Deckbandgruppe begrenzt, die normalerweise aus zwei Deckbändern besteht, einem inneren und einem äußeren Deckband. Da Leitschaufel und Deckband­ gruppe direkt den Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, müssen sie gekühlt werden, üblicherweise mit Kühlluft, die aus einem anderen Bereich der Turbine abgezapft wird.

In der Vergangenheit waren Konstruktionsbemühungen darauf gerichtet, Kühlluftwege zur Maximierung der Kühlluftnutzung durch die Deckbänder und Leitschaufeln zu konstruieren. Diese Bemühungen schlossen Hohlleitschaufel-Konstruktionen ein, wie im US-Patent 3,628,880 für Smuland et al., und Konstruktionen zur Rückleitung des Luftstroms innerhalb der Deckbandeinheit wie im US-Patent 4,573,865 für Hsie et al. und US-Patent 4,902,198 für North besprochen.

Eine typische Kühlkonstruktion für die Deckbandeinheit be­ inhaltet Pralluft-Kühltechniken. Bei der Pralluftkühlung wird die Kühlluft zur äußeren Fläche des Deckbands geleitet, d. h. die Fläche, die der von den heißen Verbrennungsgasen beauf­ schlagten Fläche gegenüber liegt. Die Kühlluft wird gewöhn­ lich aus dem Verdichter geliefert, und in derzeitigen Prall­ luftkonstruktionen ist ein verhältnismäßig hohes Volumen solcher Kühlluft zum geeigneten Halten der Oberflächen­ temperaturen notwendig. Daher muß der Verdichter mit einer höheren Ausstoßrate arbeiten, um diese zusätzliche Kühlluft liefern zu können, was den allgemeinen Triebwerkswirkungsgrad erniedrigt.

Während die obigen Konstruktionsüberlegungen Verbesserungen in der Kühlkonstruktion erzielt haben, ist der Wirkungsgrad des Betriebs von einer Maximierung weit entfernt. Ein Bereich, der vom bisherigen Stand der Technik noch nicht erfüllt wurde, ist die Konstruktion der Deckbandoberfläche als solche, zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Deckband und Kühlluft. Z. B. bietet der bisherige Stand der Technik allge­ mein glatte äußere Deckbandflächen, über die die Kühlluft strömt.

Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Deckbandkonstruktion zu bieten, die den Wirkungsgrad der Pralluftkühlung erhöht.

Unter Berücksichtigung dieser Aufgabe betrifft die vor­ liegende Erfindung eine Gasturbine mit a) einem Verdichter­ abschnitt zur Produktion von Heißgas; b) einen Turbinen­ abschnitt mit einer Vielzahl von Leitschaufeln, verbunden durch ein darin angeordnetes Deckband, wobei jedes Deckband eine äußere und eine innere Fläche hat, und der Turbinenteil Mittel zur Leitung des Heißgasstroms über mindestens eine der inneren Flächen und Mittel zur Leitung von Prallkühlluft über mindestens eine der äußeren Flächen; und c) einem Gitter­ muster aus Rauhtiefenelementen auf mindestens einer der Außenflächen mit einem Abstand-Höhe-Verhältnis zwischen 1 und 30, wobei die Höhe der Elemente zwischen 0,04 und 0,3 cm beträgt.

Die Anordnung der vorliegenden Erfindung bietet ein Gitter­ muster aus Rauhtiefenelementen auf mindestens einer der äußeren Flächen der Deckbänder, wobei das rauhe Gittermuster so konstruiert ist, daß die Wechselwirkung zwischen Kühlluft und der Deckbandoberfläche erhöht, und somit der Wärmeaus­ tausch zwischen Deckband und Kühlluft gefördert wird. Typi­ sche Formen für die Rauhtiefenelemente, die zur Bildung des Gittermusters eingesetzt werden können, sind Rechtecke, Pyra­ miden und Kugelformen.

Die Erfindung wird leichter verständlich aus der nachstehen­ den Beschreibung einer beispielhaften, bevorzugten Aus­ führungsform anhand der begleitenden Zeichnungen, in denen

Fig. 1 ein isometrischer Teilschnitt durch eine Gasturbine ist;

Fig. 2 ein Querschnitt durch einen Teil des Turbinenbereichs der Gasturbine in der Nähe der ersten Leitschaufelreihe ist;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das äußere Deckband und die Leit­ schaufelbaugruppe entlang der Linie 2-3 in Fig. 2 ist;

Fig. 4 ein Querschnitt durch einen Teil des Deckbandes ent­ lang der Linie 4-4 in Fig. 3 zur Darstellung der ent­ sprechenden erfindungsgemäßen Flächen des Deckbandes ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Hauptbestandteile der Gasturbine der Lufteintrittsabschnitt 32, durch den Luft in die Gastrubine eintritt; ein Verdichterabschnitt 33, in dem die eintretende Luft verdichtet wird; ein Verbrennungs­ abschnitt 34, in dem die verdichtete Luft aus dem Verdichter­ abschnitt durch Verbrennen des Kraftstoffs in Brennkammern 38 erhitzt wird; ein Turbinenabschnitt 35, in dem sich das ver­ dichtete Heißgas aus dem Verbrennungsabschnitt ausdehnt und dadurch Wellenleistung erzeugt; und ein Abgasabschnitt 37, durch den der dort befindliche Läufer 36 durch die Gasturbine erstreckt.

Der Turbinenabschnitt 35 der Gasturbine besteht aus abwech­ selnden Reihen stationärer Leitschaufeln und umlaufender Laufschaufeln. Jede Leitschaufelreihe ist umfangmäßig um den Läufer 36 angeordnet. Fig. 2 zeigt einen Teil des Turbinen­ abschnitts in der Nähe der ersten Leitschaufelanordnung. Typischerweise besteht die Leitschaufelanordnung aus einer Anzahl von Leitschaufelsegmenten 1. Jedes Leitschaufelsegment 1 besteht aus einer Leitschaufel 43 mit einem inneren Deck­ band 3 und einem äußeren Deckband 2, die an ihrem inneren Rand ausgebildet sind. Alternativ kann jedes Leitschaufel­ segment 1 aus zwei oder mehr Schaufelprofilen mit gemeinsamen inneren und äußeren Deckbändern bestehen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Leitschaufelsegmente 1 von einem Zylinder 16 umgeben, der als Schaufelkranz bezeich­ net wird. Ebenso umgeben die Leitschaufelsegmente 1 eine innere Zylinderstruktur 48. Die innere Zylinderstruktur 48 ist durch einen Ring 21 mit dem inneren Deckband 3 verbunden. Die Leitschaufelsegmente 1 sind am äußeren Deckband 2 durch die Anordnung 7 mit dem Zylinder 16 verbunden. Der Zylinder 16 ist seinerseits mit dem äußeren Turbinenzylinder 22 ver­ bunden. Die Laufschaufeln 64 sind durch den Scheibenteil 63 mit dem Läufer 36 verbunden.

Während des Betriebs wird verdichtetes Heißgas 26 durch den Kanal 58 aus dem Verbrennungsabschnitt in den Turbinen­ abschnitt geleitet. Der Heißgasstrom 26 wird zwischen dem äußeren Deckband 2 und dem inneren Deckband 3 geführt und prallt auf die inneren Flächen 6 der Deckbänder.

Das äußere Deckband 2, das innere Deckband 3, die Leit­ schaufel 43 und die Laufschaufeln 64 sind während des Turbinenbetriebs extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher müssen diese Komponenten gekühlt werden, so daß ihre Festig­ keit nicht durch die hohen Temperaturen und die daraus resul­ tierende Wärmedehnung beeinträchtigt wird. Der Vorgang der Temperaturreduzierung dieser Turbinenkomponenten beinhaltet normalerweise die Führung von Kühlluft 10, z. B. aus dem Ver­ dichterabschnitt, von der ein Teil 11 durch einen Spalt 5 auf die Komponenten geleitet wird. Der Abstand zwischen dem Kühlluftstrom, definiert durch das untere Ende des Spalts 5, zur äußeren Fläche 4 der Deckbänder beträgt zwischen etwa 2,5 cm (1 Zoll) bis etwa 5 cm (2 Zoll). Der Kühlluftteil 11 prallt auf die äußere Fläche 4 des äußeren Deckbands 2. Die Kühlluft 10 wird auch zum Aufprall auf die äußere Fläche 4 des inneren Deckbands 3 geleitet. Nach dem Strömen der Kühl­ luft 10 über die äußeren Flächen 4 wird sie normalerweise durch die Hohlräume 9 in der Leitschaufel 43 als Leit­ schaufel-Kühlluft 8 gelenkt. Es existieren verschiedene Kon­ struktionen des Hohlraums 9 zur Rückleitung des Kühlluft­ stroms durch den Leitschafelsegmentbereich 1 zur Optimierung des Kühlvorgangs. Die Konstruktion des Hohlraums 9 ist nicht Teil der Erfindung, da die Erfindung auf die Konstruktion der äußeren Flächen 4 auf dem äußeren Teil der inneren und äußeren Deckbänder abzielt.

In einer normalen Betriebsumgebung einer Turbine beträgt die Temperatur des über die Deckbänder strömenden Heißgases in etwa 900°C (1650°F). Kühlluft 10, 11, für die eine Temperatur von etwa 400°C (750°F) typisch ist, prallt auf die äußeren Flächen 4, deren Flächen den inneren, vom Heißgas 26 beauf­ schlagten Flächen gegenüber liegen. Als Ergebnis hieraus be­ trägt die Durchschnittstemperatur der Deckbänder selbst etwa 700°C (1300°F).

Es gibt verschiedene Konstruktionen zur Steuerung und Um­ leitung des Kühlluftstroms durch das äußere Deckband 2, das innere Deckband 3 und die Leitschaufel 4. Patente wie US- Patent 4,573,865 für Hsia et al., US-Patent 4,902,198 für North und US-Patent 3,628,880 für Smuland et al. betreffen alle die Technik der Kühlluftstromleitung zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Kühlvorgangs. Diese Konstruktionen sehen alle eine glatte Außenfläche für das Deckband vor.

In Fig. 3 ist die äußere Fläche 4 eines Deckbands, in diesem Fall des äußeren Deckbands 2, dargestellt. Das äußere Deck­ band 2 umgibt die Leitschaufel 43, die in diesem Fall mit einer typischen Doppelhohlraum-Konstruktion dargestellt ist, wie unter Bezugsziffer 9 gezeigt. Die äußere Fläche 4 des Deckbands ist typisch als glatte Oberfläche gefertigt. Er­ findungsgemäß ist die äußere Fläche 4 des Deckbands gekenn­ zeichnet durch ein auf der äußeren Fläche 4 angeordnetes Gitter 12. Zwar wird das Gitter 12 auf der äußeren Fläche 4 des äußeren Deckbands 2 in Fig. 3 dargestellt, es kann jedoch auch auf der äußeren Fläche 4 des inneren Deckbands 3 ange­ ordnet sein, obwohl die erhöhte Kühlleistung möglicherweise nicht so hoch wie bei dem äußeren Deckband 2 ist. Die An­ wendung eines solchen Gitters 12 kann auf einer äußeren Deckbandfläche selbst oder auf der Fläche einer auf der äußeren Fläche des Deckbands angeordneten Kühlluft-Ableit­ vorrichtung erfolgen.

Die äußere Fläche 4 hat vorzugsweise eine unterschiedliche Dicke, die an den Deckbandkanten und in der Nähe der Leit­ schaufel 43 breiter, und in dem von der Leitschaufel 43 um­ gebenen Bereich und den Deckbandkanten schmäler ist. Diese unterschiedlich dicke Konstruktion verbessert die Kühlung des Deckbands und stellt dabei die strukturelle Stabilität des Deckbands sicher. Die aufprallende Kühlluft wird gewöhnlich zu den schmäleren Deckbandbereichen geleitet. Das Gitter 12 umfaßt vorzugsweise den Bereich der äußeren Fläche 4, die direkt der aufprallenden Kühlluft ausgesetzt ist, d. h. den schmäleren Bereich des Deckbands. Aus Gründen der struktu­ rellen Stabilität der Leitschaufel erstreckt sich das Gitter 12 vorzugsweise bis etwa zwischen 0,6 cm (0,25 Zoll) und etwa 1,2 cm (0,5 Zoll) an den Leitschaufelrand. Ebenso aus Grün­ den der strukturellen Stabilität des Deckbands erstreckt sich das Gitter 12 vorzugsweise bis zwischen etwa 0,6 cm (0,25 Zoll) und etwa 1,2 cm (0,5 Zoll) an die Deckbandkanten heran.

Das Gitter 12 kann einen strukturierten Musterrapport oder ein zufällig geformtes Muster haben, die sich als Rauhtiefen­ elemente 14 darstellen. Das Gitter 12 stellt sich allgemein als eine Reihe von Rauhtiefenelementen 14 dar, die den ge­ meinsamen Aspekt haben, die äußere Fläche 4 mit unterschied­ licher Oberflächenhöhe zu versehen. Das Gitter 12 ist vor­ zugsweise so konstruiert, daß die aufprallende Luft nicht als direktes, ununterbrochenes Fließmuster zum Hohlraum 9 in der Leitschaufel 43 geleitet wird. Das Gitter 12 kann auch eine Anzahl von Reihen gegenüber einzelnen Elementen sein, wobei die Reihen vorzugsweise so ausgerichtet sind, daß sie par­ allel zur Länge der Leitschaufel 43 verlaufen, so daß die aufprallende Luft von dem Hohlraum 9 weggeleitet wird. Das Gitter 12 verbessert daher die thermischen Wärmeübergangs­ eigenschaften des Deckbands. Gegenüber einer glatten äußeren Fläche 4 bietet das Gitter 12 eine vergrößerte Oberfläche zwischen der Kühlluft und der äußeren Fläche 4. Diese Ober­ flächenvergrößerung ergibt eine erhöhte Kühlrate der äußeren Fläche 4 (und somit des Deckbands).

Das Gitter 12 vergrößert nicht nur die Oberfläche der äußeren Fläche 4, sondern auch das Turbulenzniveau des aufprallenden Kühlluftstroms, der auf die äußere Fläche 4 trifft. Die er­ höhte Turbulenz wirkt sich positiv auf den Wärmeübergang von der äußeren Fläche 4 auf die auf die äußere Fläche 4 auf­ prallende Kühlluft aus.

Das Gitter 12 ist entweder maschinell angebracht, einge­ gossen, oder in die äußere Fläche 4 gespannt. Vorzugsweise besteht das Gitter 12 aus dem selben Material wie das Deck­ band. Die Wärmeleitfähigkeit des Gitters 12 sollte mindestens so hoch oder höher als die des Deckbands sein.

Ein Beispiel eines repräsentativen Gittermusters 12 wird in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt ein Gittermuster 12, das aus einem gleichförmigen, rechteckigen Muster aus auf dem Deck­ band angeordneten Rauhtiefenelementen 14 besteht, das als äußeres Deckband 2 dargestellt wird. Das Gitter 12 kann auch pyramidenförmige, sphärische oder andere geometrische Formen enthalten.

Die Ausmaße der Rauhtiefenelemente 14 können entsprechend der Luftstromgeschwindigkeit, Luftstromtemperatur, dem Abstand zwischen Luftstrom und den Elementen und anderen Betriebs­ parametern variieren. Typischerweise sind die Elemente in einem regelmäßig wiederholenden Reihenmuster angelegt, das einem Abstand-(d)-zu-Spitze-(h)-Verhältnis entsprechend kon­ struiert ist. Dieses Verhältnis ist definiert als der Abstand zwischen den Mittelpunkten jeder angrenzenden Reihe von Ele­ menten geteilt durch die Durchschnittshöhe der Elemente. Bevorzugte Verhältnisse liegen zwischen 1 und 30, wobei die Höhe von 0,04 cm (0,015 Zoll) und 0,3 cm (0,13 Zoll) liegt. Die Elemente können auch in einem kreisförmigen Muster gegen­ über einem Reihenmuster angeordnet sein. Weiterhin können die Elemente in einem ungleichmäßigen, zufälligen Muster ange­ ordnet sein. Wenn das Gittermuster 12 keinem gleichmäßigen Reihenmuster folgt, wird der Abstand (d) definiert als der durchschnittliche Abstand zwischen zwei angrenzenden Ele­ menten. Dieser kann z. B. festgelegt werden durch Auswahl von etwa zehn Elementen und Bilden des Durchschnittsabstands zwischen diesen Elementen und dem jeweils nächsten, an­ grenzenden Element. Die Höhe kann auf die gleiche Weise durchschnittlich festgelegt werden, wenn keine einheitlich hohen Elemente verwendet werden. Die Breite (w) der Elemente kann variieren und ist vorzugsweise kleiner als die Höhe der Elemente. Die Länge (1) der Elemente kann variieren. Die Länge kann bei Einsatz eines Reihenmusters so lang sein wie die Länge der Leitschaufel 43, und reicht im allgemeinen von etwa 10 cm (4 Zoll) bis zu etwa 15 cm (6 Zoll). Bevorzugte Maße für die Breite liegen zwischen etwa 0,04 cm (0,015 Zoll) und etwa 0,3 cm (0,13 Zoll). Bevorzugte Maße für die Länge liegen zwischen 0,04 cm (0,015 Zoll) und etwa 5 cm (2 in.), am stärksten bevorzugt zwischen 0,04 cm (0,015 Zoll) und 0,3 cm (0,13 Zoll).

Claims (6)

1. Eine Gasturbine mit

• a) einem Verbrennungsabschnitt (34) mit Mitteln zur Erzeugung von Heißgas (38);
• b) einem Turbinenabschnitt (35) mit einer Vielzahl von Leitschaufeln (43), verbunden durch ein darin angeordnetes Deckband (2, 3), wobei jedes Deckband eine äußere (4) und eine innere (6) Fläche aufweist, und der Turbinenabschnitt (35) ein Mittel zur Leitung von Heißgas (58) über mindestens eine der inneren Flächen (6) und Mittel (5) zur Leitung der aufprallenden Kühlluft (11) über mindestens eine der äußeren Flächen (4) hat; und
• c) einem Gittermuster (12) aus Rauhtiefeelementen (14) auf mindestens einer der äußeren Flächen (4), wobei die Elemente ein Abstand-zu-Spitze-Verhältnis zwischen 1 und 30 haben, und wobei die Höhe der Elemente zwischen 0,04 cm und 0,3 cm beträgt.

2. Eine Turbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (14) rechteckige, sphärische oder pyramiden­ förmige Formen aufweisen.

3. Eine Turbine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Deckband ein äußeres Deckband (2) ist und der Abstand zwischen den Mitteln zur Leitung der auf das äußere Deckband aufprallenden Kühlluft (11) zwischen 2,5 cm und 5 cm liegt.

4. Eine Turbine gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elemente (14) in einem Abstand von minde­ stens 1,2 cm von der Vorderkante der Leitschaufel (1) angeordnet sind.

5. Eine Turbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem Gittermuster befestigt sind das sich direkt im Strömungsweg des auf­ prallenden Kühlluftstroms (11) befindet.

6. Eine Turbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und Länge der Elemente zwischen 0,04 cm und 0,3 cm liegt.