DE60031226T2

DE60031226T2 - Kühlung eines Turbinenleitapparat-Segments

Info

Publication number: DE60031226T2
Application number: DE60031226T
Authority: DE
Inventors: Daniel Edward Ipswich Demers; Aureen Cyr Reading Currin; Mark Douglas Hamilton Gledhill; Gene Chen-Fu Lexington Tsai
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: DE60031226D1; EP1106787A2; EP1106787B1; EP1106787A3; ATE342431T1; JP4509325B2; JP2001152806A; US6227798B1; ES2273648T3

Description

Gegenstand der Erfindung sind Leitradsegmente für Turbinentriebwerke für Luftfahrzeuggasturbinen und spezieller die Kühlung von Bändern, zwischen denen die Leitschaufeln der Segmente montiert sind.
Bei einem typischen Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter komprimiert und mit Kraftstoff gemischt, sowie in einer Brennkammer zur Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen verbrannt. Die Gase fließen stromabwärts durch eine Hochdruckturbine (HPT) mit einer oder mehreren Stufen einschließlich einem HPT-Turbinenleitapparat und HPT-Rotorschaufeln. Die Gase strömen dann durch eine Niederdruckturbine (LPT), die typischerweise mehrere Stufen mit entsprechenden LPT-Turbinenleitapparaten und LPT-Rotorschaufeln aufweisen. Jeder LPT-Turbinenleitapparat enthält eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten stationären Leitschaufeln, die zwischen einem radial äußeren und einem radial inneren Band gehalten sind. Jede Turbinenrotorstufe enthält eine Anzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Rotorschaufeln, die sich von einer Rotorscheibe ausgehend im Wesentlichen radial nach außen erstrecken, die das während des Betriebs erzeugte Drehmoment trägt.
Die LPT-Leitapparate sind typischerweise in Form bogenförmiger Segmente ausgebildet, die jeweils eine Anzahl von Leitschaufeln umfassen, die mit entsprechenden Segmenten des äußeren und des inneren Bands integral verbunden sind. Jedes Leitapparatsegment ist an seinem radial äußeren Ende durch einen Flansch gehalten, der mit einem ringförmigen äußeren Gehäuse verschraubt ist. Jedes Leitschaufeleinheit weist eine gekühlte hohle Leitschaufel, die zwischen einem radial inneren Bandpaneel und einem äußeren Bandpaneel angeordnet ist, die das innere bzw. äußere Band bilden, einen Flanschabschnitt entlang eines mittleren Abschnitts des äußeren Bandpaneels sowie einen Kühllufteinlasskanal auf, um Kühlluft durch eine Öffnung in dem Flanschabschnitt in den hohlen Innenraum oder Kühlkreis der Leitschaufel zu leiten. Der Einlasskanal weist einen 90°-Knick zwischen einem axial vorderen Einlasskanaleingang und einem axial hinteren und radial einwärts gerichteten Einlasskanalausgang auf. Der 90°-Knick krümmt sich von der Öffnung, die in dem Flanschabschnitt ausgebildet ist, zu der hohlen Leitschaufel radial nach innen und, wenn sie sich nach hinten erstreckt, in Axialrichtung und endet an einem Einlasskanalausgang. Die Leitschaufel, der innere und der äußere Bandabschnitt, der Flanschabschnitt und der Einlasskanal werden typischerweise miteinander im Gussverfahren hergestellt, so dass jede Leitschaufeleinheit ein einzelnes Gussteil ist. Die Leitschaufeleinheiten werden miteinander entlang von Trennflächen der Flanschsegmente, der inneren Bandpaneele und der äußeren Bandpaneele hart verlötet, um ein Leitapparatsegment zu bilden. Der Einlasskanal weist ein signifikantes Maß konvektiver Kühlung auf, die er lokal auf das Band, jedoch nicht auf die Mitte des Bands zwischen den Einlasskanälen oder Leitschaufeln überträgt. Dieser Abschnitt des Bands zwischen den Kanälen wird in Betrieb signifikant heißer. Die US 3,628,880 offenbart eine Düseneinheit für ein Gasturbinentriebwerk mit Prallplatte in einem Kühleinlasskanal.
Häufig werden Niederdruckturbinenleitapparatbänder nicht gekühlt, jedoch arbeiten fortgeschrittene Triebwerkskonzepte mit erhöhtem Schub/Gewichts-Verhältnissen bei höheren Turbineneinlasstemperaturen, die mehr Kühlung erfordern. Kühlkon zepte, die Kühlluft aus dem Verdichter nutzen, verbessern die Bandkühlung für eine gegebene Größe des Kühlstroms, jedoch haben sie signifikant negative Effekte auf die Triebwerksleistung. Prallkühlung, Filmkühlungslöcher, Pin-Banks und Abströmkantenlöcher sind alles Kühlmerkmale, die bei der Herstellung von Triebwerken zur Kühlung von HPT-Leitapparatbändern genutzt worden sind. Sich durch den Flansch erstreckende Kühllöcher sind dazu genutzt worden, Kühlluft aus einem Kühlluftraum auf die Hartlotverbindung entlang der Trennfläche zwischen den Außenbandpaneelen der Flanschabschnitte eines LPT-Düsenbands zu leiten. Die Anordnung der Kühllöcher, die sich durch den Flansch erstreckend angeordnet sind, enthält die Vermeidung von Obstruktionen durch Schraubenköpfe in einer Flanschverbindung mit dem Triebwerksgehäuse und der Kühlluftstrom aus den Löchern strömt, lange bevor er auf das Band auf hochbelasteten Bereichen auftrifft, von dem Flansch weiter nach hinten.
Es ist stark zu wünschen, die LPT-Bandkühlung zu verbessern während dabei die Größe des Kühlluftstroms minimiert werden soll. Es ist außerdem in hohem Maße zu wünschen, die LPT-Bandkühlung zu verbessern, um Rissbildung entlang von Hartlotverbindungen zu verhindern, um die Lebensdauer der Teile und die Zeit zwischen den Reparaturen der Leitapparatsegmente und Leitschaufeleinheiten zu verlängern. Es ist zu wünschen, einen Prallstrahl zu haben, der das Band weiter hinten als es gegenwärtig möglich ist trifft, ohne die Strecke zu vergrößern, die der Strahl bis zum Aufprall durchläuft, so dass die Strahlgeschwindigkeitsverlangsamung minimiert und die Konvektion des Bandes durch den Strahl vergrößert wird. Es ist außerdem zu wünschen, über mehr Flexibilität in der Auswahl der Aufprallstelle des Strahls, der Orien tierung und des Winkels zu Bandoberfläche zu verfügen, so dass eine Maximierung des Kühleffekts ermöglicht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Gasturbinenleitapparatsegment wenigstens zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Düsen- oder Leitschaufeleinheiten, die entlang einer Trennfläche zwischen den Leitschaufeleinheiten miteinander verbunden sind. Jede der Leitschaufeleinheiten weist eine hohle Leitschaufel auf, die zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Bandpaneel angeordnet sind, sowie einen Kühllufteinlasskanal, der zu einem hohlen Innenraum der Leitschaufel führt, um Kühlluft in den hohlen Innenraum zu leiten. Der Einlasskanal weist eine Kanalwand auf, die sich von dem äußeren Bandpaneel radial nach außen erstreckt, sowie wenigstens ein Prallkühlungsloch, das sich durch die Einlasskanalwand erstreckt und in Umfangsrichtung und radial nach innen geneigt ist.
Es erstreckt sich ein Flanschabschnitt in Umfangsrichtung entlang eines Mittelabschnitts des äußeren Bandpaneels und es steht eine Öffnung in dem Flanschabschnitt in Fluidverbindung mit dem Einlasskanal. Die hohle Leitschaufel, radial innere und äußere Bandpaneele, die Einlasskanalwand und Flanschabschnitte sind einstückig ausgebildet und vorzugsweise einstückig gegossen, so dass die Leitschaufeleinheit eine integral gegossene Leitschaufeleinheit ist.
Die Erfindung wird gemeinsam mit weiteren ihrer Aufgaben und Vorzüge in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht von Hoch- und Niederdruckturbinenabschnitten eines Gasturbinentriebwerks mit einer exemplarischen Ausführungsform einer Niederdruckturbinenleitschaufelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
2 eine perspektivische Veranschaulichung eines Leitapparatsegments der Leitapparatanordnung nach 1 von einem radial innen liegenden Punkt aus radial nach außen und axial nach hinten gesehen ist,
3 eine Perspektivansicht eines radial äußeren Bands des Leitapparatsegments nach 2 ist,
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Prallkühllochs durch eine Wand eines Einlasskanals, geschnitten entlang der Linien 4-4 eines radial äußeren Abschnitts des Leitapparatsegments nach 3 ist und
5 eine aufgeschnittene Perspektivansicht des Einlasskanals nach den 1 und 4 ist.
In 1 ist ein Abschnitt eines heißen Bereichs eines Luftfahrzeuggasturbinentriebwerks veranschaulicht, der allgemein mit 2 bezeichnet ist, mit einer sich axial erstreckenden Mittellinie 6, um die durch eine Brennkammer 10, eine Hochdruckturbine (HPT) 12 und eine erste Stufe einer Niederdruckturbine (LPT) 14 laufen. Um die Mittellinie 6 herum erstreckt sich ein Hochdruckgehäuse 15, das sich um die Brennkammer 10 und die Hochdruckturbine 12 erstreckt, sowie ein Niederdruckgehäuse 17, das sich um die LPT 14 erstreckt. In einem (nicht veranschaulichten) Verdichter wird Luft komprimiert und in der Brennkammer 10 mit Brennstoff vermischt, um einen hochenergetischen heißen Gasstrom 11 zu erzeugen. Hinter der Brennkammer 10 liegt ein HPT-Leitapparat 18, der den Heißgasstrom 11 aus der Brennkammer auf die HPT-Schaufeln 20 leitet, die um eine HPT-Scheibe 26 an einem ersten Umfang 22 montiert sind. Der Heißgasstrom 11 strömt dann durch eine LPT-Leitapparatanordnung 30, die eine Anordnung aus bogenförmigen LPT-Leitapparatsegmenten 32 umfasst, was eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, der den Heißgasstrom auf die LPT-Schaufeln 27 leitet, die an einem zweiten Umfang 28 um eine LPT-Scheibe 29 herum angeordnet sind.
In 2 ist eines der in Umfangsrichtung aneinander anschließenden Leitapparatsegmente 32 veranschaulicht. Jedes der Leitapparatsegmente 32 enthält zwei oder mehrere, in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeleinheiten 34, beispielsweise zwei, die eine hohle Leitschaufel 40 umfassen, die sich radial zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Band 36 bzw. 38 erstreckt, und mit diesen einstückig ausgebildet ist. Die hohlen Leitschaufeln 40 weisen jeweils einen hohlen Innenraum 42 (in 1 veranschaulicht) zur Aufnahme von Kühlluft 44 zur Kühlung der Leitschaufeln 40 sowie der HPT- und LPT-Schaufeln 20 und 27 und der HPT- und LPT-Schaufeln 26 bzw. 29 auf. Der hohle Innenraum 42 ist in 1 schematisch als Kühlluftkreislauf 45 veranschaulicht.
Es wird auf die 2 und 3 verwiesen, wobei jede der Leitschaufeleinheiten 34 eine der hohlen Leitschaufeln 40 aufweist, die zwischen dem radial inneren und dem radial äußeren Bandpaneel 52 und 54 angeordnet sind. Die in Umfangsrichtung benachbarten inneren und äußeren Bandpaneele 52 und 54 bilden entsprechende innere und äußere bogenförmige Bänder 36 und 38. Benachbarte Leitschaufeleinheiten 34 sind in den Leitapparatsegmenten 32 entlang einer Grenzfläche 39 miteinander typischerweise durch Hartlöten in Form einer Hartlotverbindung 41 verbunden. Ein Lufteinlasskanal 58 führt in den hohlen Innenraum 42 der Leitschaufel 40, um Kühlluft in den hohlen Innenraum und spezieller in den Kühlluftkreis 45 zu leiten. Der Einlasskanal 58 weist eine Kanalwand 60 auf, die von dem äußeren Bandpaneel 54 radial nach außen vorsteht.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Kühlluftaufprallmittel, um Kühlluft 44 aus dem Einlasskanal 58 zum Aufprall auf das Außenband 38 an der Hartlotverbindung 41 zwischen benachbarten Außenbandpaneelen 54 zu leiten, wie in den 3 und 4 veranschaulicht ist. Das Kühlluftaufprallmittel ist dazu eingerichtet, die Kühlluft mit einer in Umfangsrichtung und radial nach innen gerichteten Geschwindigkeit V auf das Außenband 38 aufprallen zu lassen, um eine Kühlung der Hartlotverbindung 41 und das Außenbandpaneel 54 an einer betriebsmäßig durch Hitze belasteten Stelle aufprallen zu lassen. Diese Stelle ist vorzugsweise eine solche, an der maximale wärmeinduzierte Spannungen auftreten. Die Aufprallkühlluft erbringt, nachdem sie auf das Außenband aufgetroffen ist, eine zusätzliche konvektive Kühlung des Außenbands 38. Das Kühlluftaufprallmittel, das bei der exemplarischen Ausführungsform genutzt wird, enthält wenigstens ein Aufprallkühlloch 64, das sich durch die Einlasskanalwand 60 erstreckend angeordnet ist und das in Umfangsrichtung und radial nach innen mit einem Winkel A geneigt ist und allgemein einen Kühlaufprallluftstrahl 67 auf das Außenbandpaneel 54, die Grenzfläche 39 und spezieller auf die Hartlotverbindung 41 nahe der spannungsbelasteten Stelle leitet. Weitere Kühlluftaufprallmittel zur Leitung von Kühlluft 44 aus dem Einlasskanal 58 auf das Außenband 38 umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein oder mehrere Aufprallkühllöcher 64, die sich durch eine oder mehrere der Einlasskanalwände 60 der Außenbandpaneele 54 des LPT-Leitapparatsegments 32 erstrecken. Es können außerdem auch andere Öffnungen als die Aufprallkühllöcher 64, wie beispielsweise Schlitze oder Spalte genutzt werden.
Es erstreckt sich ein Flanschabschnitt 66 in Umfangsrichtung entlang eines axial mittleren Abschnitts 68 des Außenbandpaneels 54 und es steht eine Öffnung 70 in dem Flanschabschnitt in Fluidverbindung mit dem Einlasskanal 58. Weiter auf 5 verweisend – der Einlasskanal 58 weist eine 90°-Biegung 71 zwischen einem axial vorderen Einlasskanaleingang 75 und einem axial hinteren und radial innen liegenden Einlasskanalausgang 77 auf. Der 90°-Knick biegt von der Öffnung 70 in dem Flanschabschnitt radial nach innen zu der hohlen Leitschaufel und axial ab, wenn er sich nach hinten erstreckt und endet an dem Einlasskanalausgang 77 an dem Außenbandpaneel 54. Der Einlasskanal 58 ändert seine Querschnittsform zwischen dem Einlasskanaleisgang 75 zu dem Einlasskanalausgang 77 hin. Der Einlasskanal 58 ändert seine Querschnittsform von einem ersten Querschnitt, der rund ist, zu einem zweiten Querschnitt des Einlasskanalausgangs 77, der, obwohl er nicht kreisförmig ist, gerundet sein kann und der Kühlluft erleichtert, in einen Kühleingang 73 der Leitschaufeleinheit einzutreten. Die Kühlluft 44 betritt den hohlen Innenraum 42 und den Kühlluftkreis 45 durch den Leitschaufelkühleingang 73, der mit dem Einlasskanalausgang 77 in Übereinstimmung steht.
Die hohle Leitschaufel 40, das radial innere und das radial äußere Bandpaneel 52 und 54, die Einlasskanalwand 60 und die der Flanschabschnitt sind einstückig ausgebildet und vorzugsweise integral gegossen, so dass die Leitschaufeleinheit 34 eine integral gegossene, einstückige Leitschaufeleinheit ist. Der Flanschabschnitt 66 enthält Bolzenlöcher 74, durch die der Flanschabschnitt mit einem Träger 92 zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckgehäuse 15 und 17 verschraubt ist, wie in 1 dargestellt ist. Radial außerhalb der HPT 12 und axial zwischen der Brennkammer 10 und der LPT 14 ist ein Kühlluftraum 80 angeordnet. Kühlluft 44 aus einer Stufe des Verdichters, wie beispielsweise der vierten Stufen eine GE 404 Triebwerks, wird in den Raum 80 zur Kühlung des heißen Abschnitts 2 des Triebwerks geleitet. Die unter Druck stehende Kühlluft 44 strömt durch Kühlluftlöcher 68 in einem Hitzeschild 82 zu der und durch die Öffnung 70 und in den Einlasskanal 58 und liefert somit Kühlluft an den Kühlluftkreis 45 und das Prallkühlloch 64. Alternativ kann ein Satz von zweiten Prallkühllöchern 90 sich durch den Flanschabschnitt 66 erstreckend angeordnet sein, wie es im Stand der Technik der Fall ist.

Claims

Gasturbinentriebwerksdüse (34) mit: einem hohlen Schaufelblattabschnitt (40), der zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Bandabschnitt (52, 54) angeordnet ist, einem Kühllufteinlasskanal (58), der in einen hohlen Innenraum (42) des Schaufelblattabschnitts (40) führt, wobei der Einlasskanal (58) eine Kanalwand (60) aufweist, die von dem äußeren Bandabschnitt (54) radial nach außen absteht, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Prallluftkühleinrichtung (64) aufweist, die sich durch die Einlasskanalwand (60) erstreckt, um Kühlluft (44) mit einer in Umfangsrichtung und Radialrichtung einwärts geneigten Geschwindigkeit (V) auf den Außenbandabschnitt auftreffend zu leiten.
Düse (34) nach Anspruch 1, bei der die Prallluftkühleinrichtung ein Prallkühlungsloch (64) umfasst, das sich durch die Einlasskanalwand (60) erstreckend und bezüglich der Umfangsrichtung und der Radialrichtung nach innen geneigt angeordnet ist.
Düse (34) nach Anspruch 2, bei der der Einlasskanal (58) aufweist: einen Einlasskanaleingang (75), der in Fluidverbindung mit der Öffnung (70) steht, einen Einlasskanalauslass (77), der in Fluidverbindung mit dem hohlen Innenraum (42) des Schaufelblattabschnitts (40) steht und eine Biegung (71) zwischen dem Einlasskanaleingang (75) und dem Einlasskanalausgang (77).
Düse (34) nach Anspruch 3, bei der der Einlasskanal (58) seine Querschnittsform von einer ersten Querschnittsform des Einlasskanaleingangs (75) zu einer zweiten Querschnittsform des Einlasskanalausgangs (77) ändert.
Düse (34) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Flanschabschnitt (66), der sich in Umfangsrichtung entlang des äußeren Bandabschnitts (54) erstreckt und mit einer Öffnung (70) in dem Flanschabschnitt (66), wobei die Öffnung (70) mit dem Einlasskanal (58) in Fluidverbindung steht.
Düse (34) nach Anspruch 5, wobei der Flanschabschnitt (66) mit der Einlasskanalwand (60) einstückig ausgebildet ist und die Öffnung (70) ein durch den Flanschabschnitt (66) in den Einlasskanal (58) führender Eingang ist.
Düse (34) nach Anspruch 6, bei der die hohle Schaufel (40), der radial innere und der radial äußere Bandabschnitt (52, 54), die Einlasskanalwand (60) und der Flanschabschnitt (66) einstückig ausgebildet sind.
Düse (34) nach Anspruch 6, bei der der hohle Schaufelblattabschnitt (40), der innere und der äußere Bandab schnitt (52, 54), die Einlasskanalwand (60) und der Flanschabschnitt (66) einstückig gegossen sind, so dass die Düse (34) eine integral einstückig gegossene Düse ist.
Gasturbinentriebwerksdüsensegment (32) mit: wenigstens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Düsen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, verbunden entlang einer Grenzfläche (39) zwischen den Düsen.
Gasturbinentriebwerksdüsensegment (32) nach Anspruch 9, wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Düsen an der Grenzfläche (39) zwischen den Düsen hartverlötet sind und wobei das erste Prallkühlungsloch (64) an der Grenzfläche (39) angeordnet ist.
Gasturbinentriebwerksdüsensegment (32) nach Anspruch 10, bei dem das Prallkühlungsloch (64) an einem Ort angeordnet ist, an dem im Wesentlichen die maximalen wärmeinduzierten Spannungen auftreten.
Gasturbinentriebwerksdüsensegment (32) nach Anspruch 10, außerdem versehen mit einem zweiten Prallkühlungsloch (90), das sich durch die Einlasskanalwand (60) der anderen der wenigstens zwei in Umfangsrichtung benachbarten Düsen erstreckt, wobei das zweite Prallkühlungsloch (90) in Umfangsrichtung und Radialrichtung nach innen geneigt und an der Grenzfläche (39) angeordnet ist.