-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Gasturbinen, beispielsweise
für elektrische Stromerzeugung,
und insbesondere Kühlkreisläufe für die erste
Düsestufe
einer Turbine.
-
Der
herkömmliche
Ansatz zum Kühlen
von Turbinenschaufeln und Düsen
basiert darauf, aus einer Quelle, beispielsweise aus den intermediären und
letzten Stufen des Turbinenverdichters, unter hohem Druck stehende
Kühlluft
zu entziehen. Eine Reihe von inneren Strömungskanälen wird gewöhnlich verwendet,
um die Ziele gewünschten
Massendurchsatzes zum Kühlen
der Turbinenschaufeln zu erreichen. Im Gegensatz dazu wird eine
externe Verrohrung verwendet, um den Düsen Luft zuzuführen, wobei
gewöhnlich
Luftfilmkühlung
eingesetzt wird, und die Luft in den Heißgasstrom der Turbine austritt.
In hochentwickelten Gasturbinenkonstruktionen wurde erkannt, dass
die Temperatur des an den Turbinenkomponenten vorbeiströmenden heißen Gases
den Schmelzpunkt des Metalls übertreffen
könnte.
Es ist daher erforderlich, ein Kühlungsschema
einzurichten, um die Heißgaspfadkomponenten
während
des Betriebs sicherer zu schützen.
Es wurde nachgewiesen, das Dampf sich insbesondere im Falle von
Kraftwerken, die kombinierte Zyklen verwenden, bevorzugt als Kühlmedium
zum Kühlen
von Gasturbinendüsen
(Statorschaufeln) eignet. Siehe beispielsweise die US-Patentschrift
5 253 976. Da Dampf eine höhere
Wärmekapazität als das
Verbrennungsgas aufweist, ist es allerdings ineffizient, dem Kühldampf
zu erlauben, sich mit dem Heißgasstrom zu
mischen. Es ist daher erwünscht,
Kühldampf
innerhalb der Heißgaspfadkomponenten
in einem geschlossenen Kreislauf zu halten. Einige Bereiche der
Komponenten des Heißgaspfads
lassen sich jedoch in der Praxis nicht mit Dampf in einem geschlossenen
Kreislauf kühlen. Beispielsweise
verhindert die verhältnismäßig dünne Struktur
der Abströmkanten
(hinteren Kanten) der Düsenleitschaufeln
eine wirkungsvolle Dampfkühlung
jener Kanten. Daher ist in den Abströmkanten der Düsenleitschaufeln
möglicherweise
Luftkühlung vorgesehen.
Für eine
vollständige
Beschreibung der dampfgekühlten
Düsen mit
Luftkühlung
entlang der Abströmkante
wird auf die US-Patentschrift 5 634 766 verwiesen.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft ein Kühlsystem zum Kühlen der
heißen
Gaskomponenten einer Düsenstufe
einer Gasturbine, in der eine Kühlung,
die Dampf oder Luft in einem geschlossenen Kreislauf verwendet,
und/oder Luftkühlsysteme
mit offenem Kreislauf verwendet werden können. In dem System mit geschlossenem
Kreislauf, sind eine Anzahl Düsenleitschaufelsegmente
vorgesehen, von denen jedes eine oder mehrere Düsenleitschaufeln aufweist,
die sich zwischen inneren und äußeren Wänden erstrecken.
Die Leitschaufeln weisen in den äußeren und
inneren Wänden
eine Anzahl Kammern auf, die mit Fächern in strömungsmäßiger Verbindung
stehen, um in einem geschlossenen Kreislauf Kühlmedium zum Kühlen der äußeren und
inneren Wände
und der Leitschaufeln selbst strömen
zu lassen. Dieses Kühlsystem
mit geschlossenem Kreislauf ähnelt,
mit gewissen weiter unten vermerkten Ausnahmen, im Wesentlichen
strukturell dem Dampfkühlungssystem,
wie es in der zuvor erwähnten US-Patentschrift
5 634 766 beschrieben und veranschaulicht ist. Auf diese Weise wird
einem Sammelraum in der äußeren Wand
des Segments Kühlmedium
zugeführt,
um dieses darin zu verteilen und für eine Aufprallkühlung der
Außenwandoberfläche des Segments
durch Aufprallöffnungen
in einer Platte durchtreten zu lassen. Das verbrauchte Aufprallkühlmittel
fließt
in die vordere Kante und hinteren Kammern, die sich radial durch
die Leitschaufel erstrecken. Intermediäre Rückkehrkühlkammern erstrecken sich radial
und befinden sich zwischen der Anströmkante (vorderen Kante) und
den hinteren Kammern. Eine gesonderte Abströmkantenkammer kann ebenfalls
vorgesehen sein. Das durch die Anströmkante und die hinteren Kammern
strömende
Kühlmedium
fließt
in einen Sammelraum in der inneren Wand und durch Aufprallöffnungen
in einer Aufprallplatte, um eine Aufprallkühlung der inneren Wand des
Segments bereitzustellen. Das verbrauchte Aufprallkühlmittel
strömt
anschließend
durch die intermediären
Rückkehrkammern,
um die Leitschaufel weiter zu kühlen.
-
Aufprallkühlung ist
auch in den vorderen und hinteren Kammern der Düsenleitschaufel der ersten Stufe,
sowie in den intermediären
Rückkehrkammern der
Leitschaufel vorgesehen. Einschübe
in den führenden
und hinteren Kammern weisen Hülsen
auf, die an deren Einlassenden mit einem Kragen ausgebildet sind,
um sich mit in der äußeren wand
der Kammern einstückig
gegossenen Flanschen verbinden zu lassen, und erstrecken sich von
den Wänden der
Kammern beabstandet durch diese hindurch. Diese Einschübe weisen
den Wänden
der Kammer gegenüberliegend
angeordnete Aufprallöffnungen auf,
wobei in die Einsatzelemente strömender
Dampf durch die Aufprallöffnungen
nach außen
gelangt, um die Leitschaufelwände
durch Aufprall zu kühlen.
Entlang der Einsatzelemente sind Rückkehr- oder Auslasskanäle vorgesehen,
um den verbrauchten Aufprallkühlungsdampf
zu kanalisieren. In ähnlicher Weise
weisen Einschübe
in den intermediären
Rückkehrkammern
Aufprallöffnungen
auf, um Aufprallkühlmedium
gegen die Seitenwände
der Leitschaufel strömen
zu lassen. Diese Einschübe
weisen ebenfalls Rückkehr-
oder Auslasskanäle
auf, um den verbrauchten Aufprallkühlungsdampf zu sammeln und zu
dem Dampfauslass zu leiten.
-
Während ein
Nach-Aufpralldampfstrom aus den hinteren Kammern austritt, hat dieser
nach herkömmlicher
Weise eine Expansion in der durch die Oberfläche der Aufprallplatte der
inneren Wand definierten sammelraumartigen Kammer der inneren Wand
erfahren. Die Aufprallplatte ist gekrümmt, um im Wesentlichen parallel
zu der Hohlkehlenregion der Strömungsfläche zu verlaufen.
Auf diese Weise sind die Aufprallöffnungen der Aufprallplatte
in diesem Bereich der Strömungsflächenhohlkehle
so ausgerichtet, dass ihre Mittellinien senkrecht zu der Oberfläche der
Hohlkehle verlaufen. Allerdings ordnet dies auch viele dieser Löcher im
Wesentlichen senkrecht zu dem Strom an, der aus den hinteren Kammern
herausführt.
Dementsprechend besteht das Problem, dass das aus den hinteren Kammern
austretende Kühlmedium,
z.B. Dampfstrom, sich nachteilig auf die Effizienz der Dampfkühlungsaufprallöffnungen
in diesem Bereich auswirken kann, indem es eine instabile, niedrigen
statischen Druck aufweisende Dampfzufuhr zu jenen Löchern hin
hervorruft.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde insbesondere entwickelt, um in dem Bereich
der Strömungsflächenhohlkehle
der Stufe einer Düse
eine stabile Dampfkühlung
zu schaffen.
-
Die
Erfindung ist daher in Form von Strukturen verwirklicht, die es
erlauben, den Dampfstrom geeignet aus den hinteren Kammern auszutreten
zu lassen, so dass er von den Aufprallöffnungen in der Nähe des Auslasses
dieser Kammern weitgehend isoliert ist. Dies verhindert, dass die
innere Wand und die Aufprallöffnungen
der Wand und die Aufprallöffnungen
der Strömungsflächenhohlkehlen
eine unbestimmbare Dampfzufuhr von der hinteren Kammern empfangen.
-
Die
Erfindung betrifft insbesondere die Konfiguration des Kammereinsatzes
und die Gratrippenkonfiguration an dem radialen inneren Ende der
Düse der
ersten Stufe. Insbesondere ist die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
in einem sich erstreckenden Flansch oder Randwulst verwirklicht, um
einen von dem entsprechenden Einsatz ausgehenden Auslassstrom zu
kanalisieren, um diesen von in der Nähe der Kammerauslassenden befindlichen Aufprallöffnungen
zu isolieren. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist um den Umfang
wenigstens einer der hinteren Kammern eine Gratrippennabe definiert,
und ein Flansch oder Randwulst erstreckt sich von dem Wulst aus
radial nach innen. Der Randwulst, der sich von dem Aufprallwulst
aus erstreckt, kanalisiert den von der entsprechenden Kammer der
hinteren Leitschaufel austretenden, in den Sammelraum der Aufprallplatte
radial nach innen fließenden
Strom, während
er die in der Nähe
jener Leitschaufelkammer befindlichen Aufprallöffnungen vor einem nachteiligen
Einfluss des austretenden Dampfstroms abschirmt.
-
In
einem zweiten, alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, ist die Rippe des Kammereinsatzes für mindestens
eine der hinteren Kammern in Längsrichtung
des Einsatzelements in einer radialen Richtung länglich ausgebildet, um einen
Flansch zu definieren, der dazu dient, den Auslassstrom im Wesentlichen
zu einen über
die Hohlkehlenregion hinaus reichenden Bereich zu kanalisieren,
und dadurch eine nachteilige Wirkung auf die Aufprallkühlung in der
Nähe der
Kammer weitgehend auszuschließen. Daher
sind in diesem Ausführungsbeispiel
die Rippen des Kammereinsatzes verlängert, um als Strömungslenkwulste
zu wirken, die Aufprallöffnungen abzuschirmen,
die zu der Kammer und der innenliegenden Seitenwand der Düse benachbart
sind.
-
Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Konfiguration des Zwischenraums
zwischen dem Kammereinsatz und der Gratrippennabe an dem radial
inneren Ende der Düse
der ersten Stufe. Insbesondere wird entsprechend einem zweiten Aspekt der
Erfindung ein an der Verbindungsstelle der Aufprallplatte und der
Gratrippe zwischen einem Gratrippen- oder Aufprallwulst und dem Kammereinsatz
vorgesehener Spalt gesteuert, um einen dazwischen vorhandenen Strom
auf ein Minimum zu reduzieren, so dass ein aus den Kammern fließender Strom
im Wesentlichen auf den Strom beschränkt ist, der aus dem einen
(oder mehreren) Rückkehr-
oder Auslasskanälen
austritt, wo dieser eine geringere Wirkung auf die Aufprallkühlung des
Strömungsflächenhohlkehlenbereichs
aufweist. In einem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
definiert der Einsatzelementkörper
unabhängig
von dem Ort des Flansches oder der randwulstartigen Verlängerungsstruktur
einen kontrollierten Spalt mit der Gratrippennabe. Der Spalt ist
am meisten bevorzugt auf etwa 0,02 Zoll geregelt/gesteuert.
-
Diese
sowie andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden klarer
und verständlicher nach
sorgfältigem
Lesen der folgenden detaillierteren Beschreibung der hier bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren:
-
1 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer Düsenleitschaufel der ersten
Stufe, in der eine Konstrukti on eines die Erfindung verwendenden Kühlmediumauslassstromrandwulsts
vorgesehen sein kann;
-
2 zeigt
eine benachbart zu dem radial außen angeordneten Ende genommene
schematische Schnittansicht der Düsenleitschaufel der ersten Stufe;
-
3 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht, die jener in 2 ähnelt, die
Konfiguration der Kammereinsätze
auf halber Spannweite der Leitschaufel;
-
4 zeigt
in einer 2 und 3 ähnelnden
schematischen Schnittansicht exemplarische Einsatzkonfigurationen,
benachbart zu dem radial inneren Ende der Leitschaufel;
-
5 zeigt
in einer von dem radial inneren Ende des Schaufelsegments aus genommenen schematischen
perspektivischen Ansicht ein Segment einer Düsenleitschaufel der ersten
Stufe;
-
6 veranschaulicht
in einer längs
der Schnittlinie A-A nach 5 genommenen
schematischen Schnittansicht ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
7 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel
in einer längs
der Schnittlinie B-B nach 5 genommenen
schematischen Schnittansicht;
-
8 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einer schematischen Schnittansicht längs der
Schnittlinie C-C nach 5;
-
9 veranschaulicht
in einer längs
der Schnittlinie A-A nach 5 genommenen
schematischen Schnittansicht ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
10 zeigt
das zweite Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einer schematischen Schnittansicht längs der
Schnittlinie B-B nach 5; und
-
11 zeigt
das zweite Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einer schematischen Schnittansicht längs der
Schnittlinie C-C nach 5;
-
Wie
zuvor erörtert,
betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere Kühlkreisläufe für die Düsen der
ersten Stufe einer Turbine, wobei Bezug genommen wird auf die zuvor
identifizierten Patente für
Offenbarungen vielfältiger
anderer Aspekte der Turbine, deren Konstruktion und Verfahren des
Betriebs. Mit Bezugnahme auf 1 ist in
schematischer Darstellung im Querschnitt eine Leitschaufel 10 veranschaulicht,
die eine der vielen um den Umfang herum angeordneten Segmente der
Düse der
ersten Stufe aufweist. Es ist einsichtig, dass die Segmente miteinander
verbunden sind, um eine ringförmige
Reihe von Segmente zu bilden, die den durch die Düse der ersten
Stufe der Turbine verlaufenden Heißgaspfad definieren. Jedes
Segment weist radial beabstandete äußere und innere Wände 12 bzw. 14 auf,
wobei eine oder mehrere der Düsenleitschaufeln 10 sich
zwischen den äußeren und
inneren Wänden
erstrecken. Die Segmente sind um die (nicht gezeigte) innenliegende
Schale der Turbine herum abgestützt,
wobei benachbarte Segmente gegeneinander abgedichtet sind. Es wird
daher als Vorteil angesehen werden, dass die äußeren und inneren Wände und
die sich dazwischen erstreckenden Leitschaufeln völlig durch die
innenliegende Schale der Turbine getragen werden und sich bei Entfernung
der äußeren Schale,
wie in der US-Patentschrift 5 685 693 dargelegt, mit den innenliegenden
Schalenhälften
der Turbine abnehmen lassen. Für
Zwecke dieser Beschreibung wird die Leitschaufel 10 als
die alleinige Leitschaufel eines Segments bildend beschrieben.
-
Wie
in der schematischen Darstellung nach 1 gezeigt,
weist die Leitschaufel eine Anströmkante 18, eine Abströmkante 20 und
einen zu der äußeren Wand 12 führenden
Kühldampfeinlass 22 auf. Ferner
befindet sich ein Rückkehrdampfauslass 24 in strömungsmäßiger Verbindung
mit dem Düsensegment.
Die äußere Wand 12 enthält Außenseitenbrüstungen 26,
eine vordere Brüstung 28 und
eine hintere Brüstung 30,
die einen Sammelraum 32 definieren, wobei die äußere Abdeckplatte 34 und
eine Aufprallplatte 36 in der äußeren Wand 12 angeordnet
sind. (Die Begriffe nach außen
und nach innen, oder äußere und
innere beziehen sich auf eine im Wesentlichen radiale Richtung).
Zwischen der Aufprallplatte 36 und der inneren Oberfläche 38 der äußeren Wand 12 sind eine
Anzahl struktureller Rippen 40 angeordnet, die sich zwischen
den Seitenwänden 26,
der vorderen Wand 28 und der hinteren Wand 30 erstrecken.
Die Aufprallplatte 36 bedeckt die strukturellen Rippen 40 über den
vollen Umfang des Sammelraums 32 hinweg. Folglich durchquert
ein durch einen Einlasskanal 22 in den Sammelraum 32 eintretender
Dampf die Öffnungen
in der Aufprallplatte 36, um die innere Oberfläche 38 der äußeren Wand 12 durch
Aufprall zu kühlen.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
weist die Düsenleitschaufel
der ersten Stufe 10 eine Anzahl Kammern auf, bei spielsweise
eine Anströmkantenkammer 42,
zwei hintere Kammern 52, 54, vier intermediäre Rückkehrkammern 44, 46, 48 und 50,
und auch eine Abströmkantenkammer 56.
-
Wie
in 1 zu sehen, strömt der Nach-Aufprallkühlungsdampf
in einen Sammelraum 73, der von der inneren Wand 14 und
einer unteren Abdeckplatte 76 gebildet wird. Strukturelle
Rippen 75 sind einstückig
mit der inneren Wand 14 gegossen. Radial innerhalb der
strukturellen Rippen 75 befindet sich eine Aufprallplatte 74.
Aus diesem Grund wird es als Vorteil angesehen werden, dass der
aus den Kammern 42, 52 und 54 strömende verbrauchte
Aufprallkühlungsdampf
in den Sammelraum 73 fließt, um durch die Aufprallöffnungen
der Aufprallplatte 74 zu strömen, um die innere Wand 14 durch
Aufprall zu kühlen.
Der verbrauchte Kühldampf
strömt
gelenkt durch die Rippen 75 gegen die (im Einzelnen nicht dargestellten) Öffnungen,
um durch die Kammern 44, 46, 48 bzw. 50 zu
dem Dampfauslass 24 zurückkehren.
Einsatzhülsen 64, 66, 68 und 70 sind
in den Kammern 44, 46, 48 und 50 in
beabstandeter Beziehung gegenüber
den die entsprechenden Kammern definierenden Seitenwänden 88, 90 und
Abteilwänden 72, 78, 80, 82, 84 angeordnet.
Die Aufprallöffnungen
befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Hülsen, um das Kühlmedium,
z.B. Dampf, aus dem Innern der Einsatzhülsen durch die Aufprallöffnungen
strömen
zu lassen, um die Seitenwände 88, 90 der
Leitschaufel, wie weiter oben allgemein erörtert, durch Aufprall zu kühlen. Der
verbrauchte Kühldampf
strömt
anschließend
aus den Spalten zwischen den Einsatzhülsen und den Wänden der
intermediären
Kammern zu dem Auslass 24, um zu der z.B. durch Dampf gebildeten
Kühlfluidquelle
zurückkehren.
-
Der
Luftkühlkreislauf
der Abströmkantenkammer 56 des
kombinierten Dampf- und Luftkühlkreislaufs
der in 1 veranschaulichten Leitschaufel entspricht im
Allgemeinen demjenigen des '766-Patents,
und es wird daher hier auf eine detaillierte Erörterung desselben verzichtet.
-
Unter
Bezugnahme auf die Konstruktion der in 2–4 gezeigten
Düsenleitschaufel
sind in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sieben Kammern
für einen
Kühldampfstrom
vorgesehen. Die erste Kammer, nämlich
die Anströmkantenkammer 42 und
die hinteren, nämlich
die sechste und siebte Kammer 52, 54, sind in
diesem Ausführungsbeispiel
Abwärtsströmungskammern.
Die zweite bis fünfte
Kammer 44, 46, 48, 50 sind andererseits
intermediäre
Aufwärtströmungsdampfrückkehrkammern. Wie
oben erwähnt,
ist jede der Dampfstromkammern in diesem Ausführungsbeispiel mit einem entsprechenden
Kammereinsatz versehen. Dementsprechend besitzen die Anströmkantenkammer 42 und die
hinteren Kammern 52, 54 jeweils eine Einsatzhülse, 58, 60 bzw. 62,
während
jede der intermediären Kammern 44, 46, 48 und 50 ähnliche
Einsatzhülsen 64, 66, 68 bzw. 70 aufweisen,
wobei sämtliche
derartigen Einsatzhülsen
im Wesentlichen in Form von hohlen Hülsen, mit Perforationen ausgebildet
sind, wie sie weiter unten eingehender beschrieben sind. Die Einsatzhülsen sind
vorzugsweise entsprechend der Gestalt der speziellen Kammer geformt,
in die die Einsatzhülse
einzusetzen ist, und Seiten der Hülsen sind entlang von Abschnitten
der Einsatzhülse,
die sich gegenüberliegend
zu den Wänden
der durch Aufprall zu kühlenden
Kammer befinden, mit einer Anzahl Aufprallkühlungsöffnungen ausgebildet. Beispielsweise
würde die
Vorderkante der Einsatzhülse 58,
wie in 2 gezeigt, in der Anströmkantenkammer 42 bogenförmig sein,
und die Gestalt der Seitenwände
würde im
Wesentlichen derjenigen der Seitenwände der Kammer 42 entsprechen,
wobei derartige Wände
der Einsatzhülsen über deren
Länge hinweg Aufprallöffnungen
aufweisen würden.
Die Rückseite der
Hülse oder
Einsatzhülse 58,
die gegenüberliegend
zu der Abteilwand 72 angeordnet ist, die die Kammer 42 von
der Kammer 44 trennt, würde
jedoch keine Aufprallöffnungen
aufweisen. In ähnlicher
Weise sind in den hinteren Kammern 52, 54 die
Seitenwände
der Einsatzhülsen 60 und 62 über deren
Länge mit
Aufprallöffnungen
ausgebildet, wohingegen die vorderen und hinteren Wände der
Einsatzhülsen 60 und 62,
die der Kammer gegenüberliegen,
die Abteilwände 84 und 86 definiert,
beispielsweise aus einem massiven nicht perforierten Material gefertigt.
-
Es
ist einsichtig, dass die in den Kammern 42, 44, 46, 48, 50, 52 und 54 aufgenommenen
Einsatzhülsen
von den Wänden
der Kammern beabstandet sind, um Kühlmedium, z.B. Dampf, den Durchtritt
zu den Aufprallöffnungen
zu ermöglichen, so
dass das Kühlmedium
auf die Innenwandoberflächen
der Kammern aufprallt und somit die Wandoberflächen kühlt. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
sind die Einsatzelemente von den Wänden der Kammern mittels Kammerrippen
beabstandet, die bei den Bezugszeichen 42a, 44a, 46a, 50a, 52a und 54a schematisch
veranschaulicht sind. Um einen Verfall des Aufprallkühlungsstroms
stromabwärts
zu minimieren, lenken die Kammerrippen den Dampf ferner zu dem einen
(oder mehreren) Rückkehr-
oder Auslasskanal (-kanälen) 58a, 60b, 60a, 62b, 64b, 64a, 66b, 66a, 68b, 68a, 70b, 70a,
die in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel zwischen den
nicht perforierten Wänden
der Einsatzelemente und den entsprechenden Kammerwänden 72, 84, 86, 78, 80, 82 definiert
sind.
-
Um
das ständige
Ansteigen des Volumens des Stroms nach dem Aufprallen aufzufangen,
weisen die Einsatzelemente eine Übergangs-
oder Profilveränderungskonfiguration
auf. Dementsprechend ist mit Bezug auf die Anströmkantenkammer beispielsweise
der Kammereinsatz an dem radialen äußeren Ende der Leitschaufel,
wo das Kühlmedium zuerst
in diese Kammer eintritt (2), im Wesentlichen
D-förmig
gestaltet. Das Kühlmedium
strömt durch
(in dieser Ansicht nicht gezeigte) Aufprallöffnungen, um auf die äußeren Wände von
Leitschaufeln zu prallen, so dass diese durch Aufprall gekühlt werden.
Die an beabstandeten Orten über
die Länge der
Kammer 42 definierten Kammerrippen 42a, begünstigen,
dass dieser verbrauchte Kühldampf
in einer Profilsehnenrichtung strömt, um an dem hinteren Ablasskanal 58a des
Anströmkantenkammereinsatzes,
wie in 3 und 4 gezeigt, gesammelt zu werden.
Wie zu sehen, wächst
die Abmessung des hinteren Ablasskanals 58a dieses Einsatzes 58 entlang
der Leitschaufel radial nach innen fortschreitend an, während das
Volumen des verbrauchten Kühlmediumstroms
im Verhältnis
zu demjenigen des übrigen Kühlstroms,
der noch durch die Aufprallöffnungen
in das Einsatzelement strömen
soll, wächst.
Dementsprechend ändert
das Einsatzelement 58 der Anströmkantenkammer 42 über die
Länge der
Leitschaufel hinweg sein Profil von einer im Allgemeinen D-förmigen Gestalt
in eine im Wesentlichen C-förmige
Gestalt. Die hinteren Abwärtsstromkammern 52, 54 definieren
in ähnlicher
Weise eine Konfiguration eines allmählichen Übergangs in Richtung der Strömung, wie
anhand eines Vergleich von 2, 3 und 4 veranschaulicht.
In diesem Beispiel geht das Einsatzelement 60 in der hinteren
Kammer 52 von einem im Allgemeinen rechteckigen Profil
in ein H-förmiges
Profil über,
und das Einsatzelement 62 in der hinteren Kammer 54 geht
von einem im Allgemeinen dreieckigen oder schmalkantigen rechteckigen Profil
in ein im Allgemeinen V-förmiges
Profil über.
-
In ähnlicher
Weise definieren die Aufwärtsströmungskammern
eine maximale Abmessung eines Einsatzes an dem radial inneren Ende
der Leitschaufel (4) und definieren Querschnittskonfigurationen,
die sich fortschreitend ändern.
Auf diese Weise sind diese Einschübe 64, 66, 68, 70 an
dem radial innenliegenden Ende der Leitschaufel im Allgemeinen rechteckig.
Während
jedoch die Abmessung der hinteren und vorderen Abfuhrkanäle 64a, 64b; 66a, 66b; 68a, 68b; 70a, 70b entlang
der Strömungsrichtung
des Kühlmediums
allmählich
anwächst,
nehmen die Kammern eine Gestalt an, welche als ein H- oder I-förmiges Balkenprofil
charakterisiert sein könnte.
Auch in diesen Kammern sind an beabstandeten Orten über die
Länge der
entsprechenden Kammer hinweg Kammerrippen 44a, 46a, 48a, 50a definiert,
um die Einsatzelemente von der Leitschaufelwand zu beabstanden und
zu begünstigen,
dass verbrauchtes Kühlmedium
in einer Profilsehnenrichtung zu den vorderen und hinteren Abfuhrkanälen strömt.
-
Wie
oben erwähnt,
wurde die vorliegende Erfindung insbesondere entwickelt, um in den
Bereich der Strömungsflächenhohlkehle
der Düsenleitschaufeln
der Stufe Eins Stabilität
für die
Dampfkühlung
zu erreichen. Somit betrifft die Erfindung insbesondere die Konfiguration
des Kammereinsatzes und die Konfiguration der Gratrippe an dem radial
inneren Eide der Leitschaufeln der Düse der ersten Stufe. 5 zeigt
eine perspektivische Ansicht des radial inneren Endes des Düsenleitschaufelsegments,
wobei Einzelheiten der intermediären
Rückkehrkammern
und Einschübe
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
weggelassen sind. Wie im Einzelnen weiter unten beschrieben, ist
die Erfindung in einer Verlängerung
verwirklicht, die insbesondere an dem radial inneren Ende der sechsten
und siebten Kammer definiert ist, um die von den entsprechenden
Einschüben
ausgehende Auslassströmung
zu kanalisieren, so dass die Dampfkühlungsaufprallöffnungen,
die der inneren Wand des Strömungsflächenhohlkehlenbereichs 92 der
Düse benachbart
sind, vor dem aus diesen hinteren Düsenkammern 52, 54 austretenden
Dampfstrom abgeschirmt sind.
-
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Rippen- oder Randwulstverlängerung,
die die Erfindung verwirklicht, ist in den Schnittansichten nach 6, 7 und 8 gezeigt.
Wie gezeigt, weist das radial innere Ende des sechsten Kammereinsatzes 60 und
des siebten Kammereinsatzes 62 jeweils eine entsprechende
Rippe 94, 96 auf, die dazu dienen, Strömung in
den an dem radial inneren Ende der Leitschaufel 10 angeordneten
Sammelraum 73 zu lenken. Zumindest teilweise ist bei dem
Zwischenraum der Aufprallplatte 74 und der Gratrippe 100 an
dem radial inneren Ende der Leitschaufel um den Umfang der Öffnung herum
eine Gratrippennabe 98 definiert. Um die Aufprallöffnungen 102 in
dem Strömungsflächenhohlkehlenbereich 92 vor
dem Auslassstrom abzuschirmen, erstreckt sich in dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung radial aus der Gratrippennabe 98 ein Flansch
oder Randwulst 104.
-
Die
Konfiguration der Konstruktion von Gratrippe/Aufprallwulst und Randwulst
für die
sechste und siebte Kammer lässt
sich am besten in 7 bzw. 8 erkennen,
in denen auch die Beziehung des Wulstes/Randwulstes 98, 104 zu
der Aufprallplatte 74 veranschaulicht ist.
-
Mit
Bezug auf 7 sind der Aufprallwulst und
der Randwulst an der Gratrippe 100 der Düse angebracht,
und der Randwulst 104 erstreckt sich von der Leitschaufel
radial nach innen, um die von dem entsprechenden Einsatz 60, 62 ausgehende Auslassströmung zu
kanalisieren, um dieselbe von den Aufprallöffnungen 102 in der
Nähe der
Kammerauslassenden zu isolieren. Als ein Ausführungsbeispiel des zweiten
Aspekts der Erfindung definiert die Gratrippennabe 98 zusammen
mit den benachbarten Rippen 94, 96 des Einsatzelements
einen vorgeschriebenen Spalt G. Der Spalt G ist vorzugsweise in
der Größenordnung
von etwa 0,02 Zoll eingestellt. Dieser kontrollierte Spalt minimiert
zwischen der Kammerrippe 94 und der Gratrippe 100 den
Strom von aus der Kammer 52 stammenden Nach-Aufpralldampf,
so dass der Auslassstrom im Wesentlichen darauf beschränkt ist, über die
Auslasskanäle 60b, 60a zu
strömen.
Nichtsdestoweniger wird der durch den Spalt G tretenden minimale
Strom von den Aufprallöffnungen 102 in
der Hohlkehlenregion 92 durch den Randwulst 104 der
Gratrippennabe 98 abgeschirmt sein. In der Tat kanalisiert
der Randwulst, der sich von der Gratrippennabe ausgehend erstreckt,
einen derartigen Spaltstrom, wobei der Strom, wie durch Pfeil A
angedeutet, aus der Leitschaufelkammer austritt und in den im Allgemeinen
radial innerhalb der Aufprallplatte 74 angeordneten Sammelraum
eintritt, während
die Aufprallöffnungen 102 in der
Nähe der
Leitschaufelkammer von einem nachteiligen Einfluss des Dampfstroms
abgeschirmt sind.
-
8 veranschaulicht
in ähnlicher
Weise das Vorsehen einer Gratrippennabe und eines Randwulstes, um
die durch die siebte Kammer verlaufende Strömung zu kanalisieren, so dass
die Aufprallöffnungen 102 in
der Nähe
jener Kammer vor einem nachteiligen Einfluss des mit einem Pfeil B
angedeuteten austretenden Stroms weitgehend abgeschirmt sind. Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
weist das Einsatzelement 62 der siebten Kammer eine Rippe 96 auf,
die in einer herkömmlichen
Weise in der Nähe der
Gratrippe 100 endet. Die Gratrippennabe 98 ist ferner
in diesem Ausführungsbeispiel
vorgesehen, um einen schmalen, gesteuerten Spalt G gegenüber der
Rippe 96 des Einsatzelements zu definieren. In dem gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist
ein Spalt von 0,02 Zoll vorgesehen. Der die Strömung kanalisierende Randwulst 104,
der sich von der Gratrippennabe 98 radial nach innen erstreckt, schirmt
auch hier die Aufprallöffnungen 102 in
der Aufprallplatte 74, die der inneren Seitenwand der Düse benachbart
sind, vor einem nachteiligen Einfluss ab, der von der aus dem Auslasskanal 62b des Einsatzelements
austretenden Strömung
und/oder der Strömung
zwischen der Rippe 96 und der Gratrippennabe 98,
ausgeht.
-
In Übereinstimmung
mit einem in 9–11 gezeigten
zweiten, alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, sind die Rippen 194, 196 der Kammereinsätze für die sechste
und siebte Kammer in Längsrichtung
des Einsatzelements in einer radialen Richtung verlängert, um
Flansche zu definieren, die dazu dienen, einen Auslassstrom über die
Hohlkehlenregion 92 hinaus zu kanalisieren und dadurch
die nachteilige Wirkung des Auslassstroms auf die Aufprallöffnungen 102 in
der Nähe
der Kammer zu minimieren. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Rippen
des Kammereinsatzes somit verlängert,
um als Strömungslenkungsflansche
oder -randwulste 194, 196 zu wirken, die die der
Kammer und inneren Wand 14 der Düse benachbarten Aufprallöffnungen
abschirmen. In diesem Ausführungsbeispiel ist
ebenfalls eine Gratrippennabe 198 an der Gratrippe 100 vorgesehen,
um den Spalt zwischen den Einsatzelementrippen, die in diesem Ausführungsbeispiel
als Flansche oder Randwulste bezeichnet sind auf etwa 0,02 Zoll
in dem gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiel
zu begrenzen. Dieser kontrollierte Spalt minimiert den Strom eines
Nach-Aufpralldampfes aus den Kammern 52, 54, zwischen
den Einsatzelementflansch 194, 196 und der Gratrippennabe 98,
so dass der Auslassstrom im Wesentlichen darauf beschränkt ist, über die
Auslasskanäle 60b, 60a, 62b zu
strömen,
wo die Einsatzelementflansche 194, 196 in der
Lage sind, ihn unmittelbar in den jenseits der Hohlkehlenregion
angeordneten Sammelraum 92 zu lenken.