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Die
vorliegende Erfindung hat die Prallkühlung einer Seitenwand eines
Gasturbinendüsenbands
zum Gegenstand, die einem hinterschnittenen Bereich eines Düsensegments
benachbart ist, sowie insbesondere die Prallkühlung der Düsenbandseitenwand mit einem
Design, bei dem die Schweißverbindung
zwischen der Düsensegmentabdeckung
und der dem Heißgasweg
ausgesetzten Düsenbandseitenwand
von der Düsenwand
fern liegt.
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Die
US 5,743,708 offenbart Turbinenstatordüsensegmente
mit kombinierten Luft- und Dampfkühlkreisen. Bei akutellen Gasturbinendesigns
werden die Düsensegmente
typischerweise in einer Ringanordnung um die Drehachse der Turbine
angeordnet. Die Gruppe der Segmente bildet äußere und innere ringförmige Bänder, wobei
sich zwischen den Bändern
viele Leitschaufeln erstrecken. Die Bänder und Düsen definieren einen Teil des
Heißgaswegs durch
die Gasturbine. Jedes Düsensegment
weist einen Außenbandabschnitt
und einen Innenbandabschnitt und ein oder mehrere Leitschaufeln auf,
die sich zwischen dem Außenbandabschnitt
und dem Innenbandabschnitt erstrecken. Bei aktuellen Gasturbinendesigns
wird zu jedem Düsensegmente in
Kühlmedium,
wie bspw. Dampf, geliefert. Um die Dampfkühlung zu ermöglichen,
enthält
jeder Bandabschnitt eine Düsenwand,
die den Heißgasweg
durch die Gasturbine teilweise begrenzt, und eine Abdeckung, die
von der Düsenwand
radial beabstandet ist und eine Kammer in dieser definiert, sowie
eine Prallplatte, die in der Kammer angeordnet ist. Die Prallplatte
begrenzt mit der Abdeckung an einer ihrer Seiten einen ersten Hohlraum
zur Aufnahme von Kühldampf
aus einem Kühldampfeinlass.
Die Prallplatte legt an ihrer gegenüberliegenden Seite zusammen
mit der Düsenwand
einen zweiten Hohlraum fest. Die Prallplatte weist eine Anzahl von Öffnungen
auf, die den Kühldampf
aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum leiten, um die Düsenwand
einer Prallkühlung
zu unterziehen. Der Kühldampf
strömt
dann durch die Hohlräume
in der Leitschaufel (den Leitschaufeln) radial nach innen von denen
spezielle Ausführungen
Einsätze
mit Öffnungen
zur Prallkühlung
der Seitenwände
der Leitschaufel haben. Der Kühldampf
tritt dann in eine Kammer in dem Innenbandabschnitt ein und kehrt
seine Flussrichtung um, um durch eine Prallplatte zur Prallkühlung der
Innenbanddüsenwand
radial nach außen
zu strömen.
Das abgegebene Kühlmedium
strömt
durch einen Hohlraum in der Düse
zu einem Auslassanschluss des Düsensegments
zurück.
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Die
sowohl an dem Innenwandabschnitt als auch an dem Außenwandabschnitt
vorgesehene Abdeckung ist vorzugsweise mit der entsprechenden Düsenseitenwand
verschweißt.
Bei früheren
Gestaltungen ist die Schweißverbindung
zwischen der Abdeckung und der Düsenwand
an einer radialen Stelle zwischen der Düsenwand und der Stegdichtung
zwischen Seitenwänden
benachbarter Düsensegmente angeordnet.
Bei dieser Anordnung ist die Schweißverbindung den heißen Gasen
in dem Heißgasflußweg ausgesetzt
gewesen und die Seitenwand war sehr schwer zu kühlen. Somit war die Lebenserwartung
der Schweißverbindung
wegen ihrer Nähe
zu dem Heißgaspfad
wesentlich reduziert. Außerdem war
die Anordnung der Schweißstelle
für die
Fertigungssicherheit nicht optimal, sondern vielmehr sehr empfindlich
auf Fertigungstoleranzen. Die Schweißverbindung war durch unterschiedliche
Wanddicken charakterisiert, was die Spannungen an der Verbindung
erhöht,
die Kurzzeitermüdungsfestigkeit
vermindert und die Lebensdauer der Teile begrenzt. Außerdem war
die Wanddicke an der Schweißstelle nach
der Bearbeitung ebenfalls variabel, was beim Herstellungsprozess
nicht toleriert werden konnte.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist ein Kühlsystem
mit einem Düsensegmentdesign
geschaffen, bei dem die Schweißverbindung
zwischen der Abdeckung und der Düsenseitenwand
an einer Seite der Stegdichtung von der Düsenwand entfernt angeordnet
ist, die dem Heißgasweg
ausgesetzt ist. Dies bedeutet, dass die Schweißverbindung zwischen der Abdeckung
und der Düsenseitenwand
des Außenbands
radial zu der Stegdichtung zwischen benachbarten Seitenbändern nach außen versetzt
ist, während
die Schweißverbindung zwischen
der Abdeckung und der Düsenseitenwand des
Innenbands zu der Stegdichtung zwischen den Innenbändern radial
nach innen versetzt ist. Dies reduziert die Temperatur der Schweißverbindung
bei dem Betrieb der Turbine, reduziert die Spannungen, um die Verbindungen
sowohl in thermischer als auch mechanischer Hinsicht und eliminiert
jedes Erfordernis zur Schweißnachbearbeitung
und ergibt Verbindungen konstanter Dicke und höherer Ermüdungsfestigkeit. Die Anordnung
führt außerdem zu
einer verbesserten Bearbeitbarkeit und Toleranz hinsichtlich Schweißeffekten.
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Um
die Bereiche zum Schweißen
zu schaffen, sind zu den Seitenwänden
jedes Düsensegmentbands
benachbart hinterschnittene Bereiche ausgebildet. Insbesondere enthält jeder
hinterschnittene Bereich einer Seitenwand oder Kante eines Düsensegments
und einen nach innen weisenden Flansch, der sich von der Düsenwand
weg nach innen und im Wesentlichen parallel zu dieser Düsenwand
(im Heißgasweg)
und von der Düsenwand
beabstandet erstreckt. Das Kühlen
der Düsensei tenwand
oder Kante ist jedoch im Hinblick auf den hinterschnittenen Bereich
relativ schwierig, der die Seitenwand oder Kante um ein erhebliches
Maß von
der nächsten Öffnung der
Prallplatte beabstandet. Dieser wesentliche Abstand von dem Prallkühlfluss
reduziert die Effizienz der Kühlung
der Düsenseitenwand. Es
ist deshalb sehr wichtig, den Prallabstand, d.h. den Abstand zwischen
den durch die Prallplatte führenden Öffnungen
und der zu kühlenden
Oberfläche, zu
minimieren. Es ist außerdem
notwendig, diesen Abstand in einem herstellbaren Seriendüsensegment zu
minimieren.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Seitenwandherstellung
und Kühlung.
Insbesondere ist durch Anordnung der Schweißverbindung zwischen der Abdeckung
und der Düsenseitenwand
fern von dem Heißgaspfad,
der durch die Turbine führt,
die Kühlung
verbessert, indem der nach innen weisende Flansch der Düsenseitenwand
mit einer Anzahl von Öffnungen
versehen ist, in denen gelochte Kühlplatten aufgenommen sind.
Die Öffnungen
durch die Platten erstrecken sich zwischen einander gegenüberliegenden
Kanten der Platte. Folglich kommt durch Einsetzen der Platte in Öffnungen entlang
des einwärts
gewendeten Flansches der Seitenwand eine Kante der Platte in Verbindung
mit dem ersten Hohlraum zu liegen, während die gegenüberliegende
Kante in Verbindung zu dem zweiten Hohlraum liegt. Am wichtigsten
ist jedoch, dass die Enden der Kühlstromauslassöffnungen
sehr dicht an der Seitenwand liegen. Folglich verlässt Kühlmedium, das
von dem ersten Hohlraum durch die Öffnungen in den zweiten Hohlraum
fließt,
die Öffnungen
an Stellen, die der Seitenwand der zu kühlenden Düse direkt benachbart liegen.
Deshalb strömt
das Kühlmedium lediglich
eine beschränkte
Distanz, die für
die die Öffnungen
verlassende Strömung
nicht ausreichend ist, um sich zu zerstreuen. Weil die Öff nungen
außerdem länglich sind,
d.h. sich zwischen einander gegenüberliegenden Kanten der Platten
erstrecken, fließt das
Kühlmedium
aus den Öffnungen
in einer stärker gerichteten
und fokussierten Weise auf die Seitenwand, so dass die Kühleffizienz
verbessert ist.
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Bei
einer der vorliegenden Erfindung entsprechenden bevorzugten Ausführungsform
ist zur Verwendung in einer Gasturbine ein Düsensegment geschaffen, das
einen äußeren und
einen inneren Bandabschnitt aufweist und bei dem wenigstens eine sich
zwischen den Bandabschnitten erstreckende Leitschaufel vorgesehen
ist, wobei wenigstens einer der Bandabschnitte eine Düsenwand
aufweist, die einen Teil des durch die Turbine führenden Heißgaspfads begrenzt, wobei von
der Düsenwand
unter Festlegung eines Hohlraums dazwischen eine Abdeckung beabstandet
und in der Kammer eine Prallplatte angeordnet ist, die mit der Abdeckung
an einer ihrer Seiten einen ersten Hohlraum zur Aufnahme eines Kühlmediums
bildet und wobei die Prallplatte an ihre gegenüberliegenden Seite mit der
Düsenwand einen
zweiten Hohlraum bildet, wobei die Prallplatte eine Vielzahl von
durch sie hindurchführenden Öffnungen
aufweist, um Kühlmedium
aus dem Hohlraum zum Prallkühlen
der Düsenwand
in dem zweiten Hohlraum zu leiten, wobei das Düsensegment eine Seitenwand
beinhaltet, die sich zwischen der Düsenwand und der Abdeckung im
Wesentlichen radial erstreckt, wobei von dem Düsensegment Mittel getragen
sind, die eine Anzahl von durch sie hindurchführenden Öffnungen aufweisen, um das
Kühlmedium
aus dem ersten Hohlraum zum Prallkühlen der Seitenwand des Düsensegments
zu leiten.
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Bei
einer weiteren bevorzugten, der vorliegenden Erfindung entsprechenden
Ausführungsform ist
zur Verwendung in einer Gastrubine ein Düsensegment mit einem Außenbandabschnitt
und einem Innenbandabschnitt und wenigstens einer sich zwischen
den Bandabschnitten erstreckenden Leitschaufel geschaffen, wobei
wenigstens einer der Bandabschnitte eine Düsenwand beinhaltet, die einen
Teil eines durch die Turbine führenden
Heißgaswegs
begrenzt, wobei eine von der Düsenwand
radial beabstandete mit ihr eine Kammer festlegender Abdeckung vorgesehen
und in der Kammer eine Prallplatte angeordnet ist, die mit einer
ihrer Seite und der Abdeckung einen ersten Hohlraum zur Aufnahme
eines Kühlmediums
definiert, wobei die Prallplatte mit ihrer gegenüberliegenden Seite und der
Düsenwand einen
zweiten Hohlraum definiert, wobei die Prallplatte eine Vielzahl
von durch sie hindurch führenden Öffnungen
aufweist, um Kühlmedium
aus dem ersten Hohlraum zum Prallkühlen der Düsenwand in den zweiten Hohlraum
zu leiten, wobei das Düsensegment
eine Seitenwand aufweist, die sich zwischen der Düsenwand
und der Abdeckung im Wesentlichen radial erstreckt und einen einwärts gerichteten Flansch
aufweisen, der einen Hinterschnittbereich definiert, der der Seitenwand
benachbart ist, wobei die Prallpaltte mit einer Kante an dem einwärts gerichteten
Flansch gesichert ist, wobei der einwärts gerichtete Flansch wesentlich
einen durch ihn hindurch führenden
Schlitz zwischen der ersten Kammer und dem hinterschnittenen Bereich
aufweist, die Platte in dem Schlitz angeordnet ist und sich in den hinterschnittenen
Bereich erstreckt und eine Anzahl von Öffnungen durch die Platte hindurch
führen,
um Kühlmedium
aus der ersten Kammer zur Prallkühlung
der Seitenwand in das Düsensegments
in den hinterschnittenen Bereich zu leiten.
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Die
Erfindung wird nun als Beispiel detaillierter beschrieben, wobei
auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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1 eine
Explosionsansicht und schematische Darstellung eines gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Düsensegments veranschaulicht,
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2 eine
ausschnittsweise vergrößerte Querschnittsansicht
ist, die eine Verbindung zwischen Seitenwänden benachbarter Düsensegmente und
darüber
hinaus die Anordnung der Abdeckung-/Düsengussstück-Schweißverbindung und der Prallkühlung der
bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht,
und
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3 eine
Perspektivansicht der mit Öffnungen
versehenen Platte für
die Düsenseitenwandkühlung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen, in der ein
im Ganzen mit 10 bezeichnetes Düsensegment veranschaulicht
ist, das Teil einer ringförmigen
Anordnung von Segmenten ist, die um eine Gasturbinenachse herum
angeordnet sind. Das Düsensegment
enthält
ein Außenband 12,
ein Innenband 14 und ein oder mehrere sich zwischen diesen
erstreckende Leitschaufeln. Wenn die Düsensegmente in der ringförmigen Baugruppe
angeordnet sind, definieren die Außen- und Innenbänder 12 und 14,
sowie Leitschaufeln 16 in herkömmlicher Weise einen ringförmigen Heißgaspfad
durch die Gasturbine.
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Die
Außen-
und Innenbänder
der Düsen
werden durch Beblasen mit einem Kühlmedium, bspw. Dampf, durch
eine Kammer in dem Außenband
radial nach innen durch Hohlräume
der Leitschaufeln, durch eine Kammer in dem Innenband 14 und
radial nach außen
durch die Leitschaufeln zurückführen des
Kühlmediums
an einen Auslassport entlang des Außenbands gekühlt. Spezieller
und mit Beispielsverweis auf 1 enthält das Außenband 12 eine Düsenaußenwand 18,
eine äußere Abdeckung 20, die über der
Außenwand 18 angeordnet
und mit dieser verschweißt
ist, um mit ihr eine Kammer 21 (2) zu definieren,
sowie eine Prallplatte 22 auf, die in der Kammer 21 angeordnet
ist. Die Prallplatte 22 definiert mit der Düsensegmentabdeckung 20 eine
erste Kammer 24 und an einer gegenüberliegenden Seite mit der
Düsenwand 18 eine
zweite Kammer 26. Durch die Abdeckung hindurchführend sind ein
Kühlmediumeinlassanschluss 25 bzw.
ein Auslassanschluss 27 vorgesehen, um Kühlmedium
z.B. Dampf zu dem Düsensegment
zu führen
und von dem Segment abgegebenen Kühldampf abzuleiten. Der Kühldampf
wird zu der ersten Kammer 24 geleitet, um durch eine Vielzahl
von Öffnungen 30,
die in der Prallplatte 22 vorgesehen sind, zur Prallkühlung auf
die Düsenwand 18 geleitet
zu werden. Der Prallkühlungsdampf
strömt
von der zweiten Kammer 26 in ein oder mehrere (nicht veranschaulichte)
Einsätze
in Kammern, die sich durch die Leitschaufel zwischen dem äußeren und
dem inneren Band erstrecken. Die Leitschaufeleinsätze enthalten
eine Vielzahl von Öffnungen
zur Prallkühlung
der Seitenwände
der Düse. Der
Kühldampf
strömt
dann in die Kammer des inneren Bands 14 und insbesondere
in die radial innenliegende Kammer, um durch Öffnungen einer Prallplatte in
dem inneren Band zu strömen
und auf die Seitenwand des Innenbands aufprallend diese zu kühlen. Der
abgegebene Kühldampf
strömt
dann durch eine Kammer in der Leitschaufel und durch den Auslassport
des außenbands.
Zur vollständigen
Beschreibung eine Ausführungsform
des vorstehend beschriebenen Kühlkrei ses
wird auf die US-Patentschrift Nr. 5,634,766 des gleichen Anmelders
verwiesen, deren Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen ist.
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Es
wird nun auf 2 verwiesen, in der eine Verbindung
zwischen benachbarten Düsensegmenten
veranschaulicht ist. Es wird ersichtlich, dass während die folgende Beschreibung
mit Bezug auf das Außenband 12 spezifisch
ist, sie gleichermaßen
auf das Innenband 14 anwendbar ist. Somit enthält jedes Düsenband
(sowohl das Innenband als auch das Außenband) eine Düsenseitenwand
oder Kante 40, die sich zwischen der Düsenwand 18 und der
Abdeckung 20 im Wesentlichen in Radialrichtung erstreckt.
Das Band weist außerdem
einen einwärts
gekehrten Flansch 42 auf, der von der Düsenwand 18 beabstandet
ist und mit der Wand 18 und der Seitenwand oder Kante 40 einen
Hinterschnittbereich 44 definiert. Der einwärts gekehrte
Flansch 42 enthält außerdem einen
sich in Umfangsrichtung öffnenden Schlitz 46 zur
Aufnahme einer Kante einer Stegdichtung 48, die eine Dichtung
zwischen benachbarten Düsensegmenten
bildet.
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Wie
in 2 veranschaulicht, sind die Abdeckungen 20 mit
den einwärts
gekehrten Flanschen 42 entlang einander gegenüberliegender
Kanten des Düsenbands
verschweißt.
Außerdem
liegt die Schweißverbindung 50 an
der Seite der Stegdichtung 48 von der Düsenwand 18 entfernt.
Durch Anordnung der Schweißverbindung 50 im
Abstand zu dem Heißgaspfad,
der durch die Düsenwand 18 teilweise
begrenzt ist, ist die Schweißverbindung 50 einer
viel niedrigeren Temperatur ausgesetzt, als es der Fall wäre, wenn
diese im Heißgaspfad
näher läge. Außerdem ist
in 2 die Prallplatte 22 veranschaulicht,
die einen entlang gegenüberliegender Ränder nach
innen gekehrten Flansch 52 aufweist. Der Flansch 52 ist
mit der Innenseite der einwärts
gekehrten Flansch 42 verlötet oder verschweißt. Während die Öffnungen 30 in
jedem gebogenen Flansch 52 der Prallplatte angeordnet sind,
versteht es sich, dass ein erheblicher Abstand zwischen der nächsten Öffnung 30 und
der Seitenwand oder Kante 40 des hinterschnittenen Bereichs 44 vorhanden
ist. Dieser große
Abstand vermindert die Effizienz der Prallkühlung.
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Um
den Prallabstand, d.h. den Abstand zwischen dem Strömungsaustritt
der Prallkühlungsöffnung,
die der zu kühlenden
Oberfläche
am nächsten liegt,
zu minimieren, weisen von dem Düsensegment getragenen
Mittel eine Anzahl von durch sie hindurch führenden Öffnungen auf, um Kühlmedium
aus der ersten Kammer 24 zur Prallkühlung der Seitenwand 40 des
Segments zu leiten. Ein solches Mittel kann eine Serie gesonderter
Kanäle
aufweisen, die das Kühlmedium
führen
und vorzugsweise ein oder mehrere Platten 589 umfassen,
die in Schlitzen 60 angeordnet sind, die in dem nach einwärts gewandten Flansch 42 der
Düsenseitenwand 40 ausgebildet sind.
Die Schlitze 60 sind in einem auf die Seitenwand 40 gerichteten
Winkel ausgebildet. In jedem der Schlitze 60 ist eine Kühlplatte 58 angeordnet.
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht,
weist jede Platte 59 eine Vielzahl von Öffnungen 64 auf, die
sich zwischen einander gegenüberliegenden
Kanten durch die Platte erstrecken. Somit ist die in 3 veranschaulichte
Platte im Wesentlichen rechteckig mit Längen-, Breiten- und Tiefendimensionen
ausgebildet und weist Öffnungen 64 auf,
die in der Platte zwischen einander gegenüberliegenden langen Kanten derselben
und in einer Ebene ausgebildet sind, die durch die Längenund
Breitendimensionen definiert sind. Wie am besten in 2 dargestellt
ist, liegen die Öffnungen 64 an
einem Ende in Verbindung mit dem Kühlmedium in der ersten Kammer 24.
Die Öffnungen
entlang der zweiten Seite der Platte öffnen sich in die zweite Kammer 26.
Somit fließt
das Kühlmedium
durch die Öffnungen 64 von
der ersten Kammer 24 in die zweite Kammer 26.
Weil die Schlitze 60 zu der Seitenwand 40 im Winkel
stehen und die Platten in den Schlitzen in der gleichen Winkelneigung angeordnet
sind, wird klar, dass der Kühlmittelfluss die Öffnungen 64 in
der zweiten Kammer nahe der Seitenwand 40 verlässt. Weil
das Kühlmedium
außerdem entlang
der Länge
der Öffnungen
fließt
und deren Längen
zu durchmesserverhältnis
ansehnlich ist, wird der Fluss auf die Seitenwand fokussiert und gerichtet
und divergiert beim Fluss durch die Öffnungen nicht wesentlich.
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Zur
Herstellung des verbesserten Seitenwandkühlsystems werden die Schlitze
in dem einwärts
gewandten Flansch 42 beim Gießen des Düsensegments 10 eingebracht.
Alternativ können
die Schlitze 60 in den einwärts gewandten Flansch 42 eingearbeitet
werden. Nach Ausbildung der Schlitze 40 wird die Prallplatte 22 mit
ihren gebogenen Flanschen 52 in dem Düsensegment platziert und in
Position geheftet. Dann wird die Prallplatte 22 mit der Düse verschweißt. Wenn
die Prallplatte in die Düse zu
löten wäre könnten die
Lochplatten 58 zu diesem Zeitpunkt hinzugegeben und zusammen
mit der Prallplatte 22 mit dem Segment verlötet werden.
Die Schlitze für
die gelochten Platten werden bspw. durch EDM in Position verarbeitet,
bevor oder nachdem die Prallplatte an ihrem Platz ist, was davon
abhängt, welches
Verfahren zur Verbindung der Prallplatte mit dem Düsensegment
benutzt wird. Die Öffnungen durch
die gelochten Platten werden vorzugsweise eingebracht bevor die
Platten in dem einwärts
gewandten Flansch 52 gesichert werden. Es ist ersichtlich,
dass das beschriebene Kühlsystem
für die
Seitenwand der Düsensegmente
sowohl für
die äußeren als
auch die inneren Bänder
der Düsensegmente
anwendbar ist.