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Die
Erfindung betrifft eine neuartige Ausführung der Statorwand einer
axial durchströmten
Gasturbine.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Anordnung der die Innenkontur des Strömungskanals bildenden
Leitschaufelplattformen, die eine verbesserte Kühlung der dem Heißgasstrom
ausgesetzten Plattformen und anderen Gehäusebauteile sowie der Deckbänder der
Laufschaufeln bewirkt und weiterhin die Verringerung der Spaltverluste
zwischen den Deckbändern
der Laufschaufeln und der Innenwand des Strömungskanals ermöglicht.
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Moderne
Gasturbinen arbeiten in Temperaturbereichen, die eine intensive
Kühlung
der dem Heißgasstrom
direkt ausgesetzten Turbinenkomponenten unumgänglich machen. Zahlreiche Lösungsvorschläge des Stands
der Technik beschäftigen
sich mit der Kühlung
der besonders beanspruchten Bauteile, wie der Lauf- und Leitschaufeln.
Zu den exponierten Schaufelbereichen gehören dabei die Deckbandelemente.
Es ist aus der
DE 19813173 bekannt, die
Deckbandelemente von Laufschaufeln durch eine Reihe paralleler Kühlbohrungen
zu kühlen,
die sich durch das gesamte Schaufelblatt bis hin zur äußeren Kante
des Deckbandelements erstrecken und dort unter Bildung eines Kühlfilms
in den Außenraum münden.
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Diese
Deckbandkühlung
beeinflusst nicht die Überströmbedingungen über das
Deckband. Da Druck und Temperatur auf der Oberseite des Deckbands
gleich bleiben, ist die Oberseite nur unzureichend gekühlt und
einer erheblichen thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Dies gilt
umso mehr für die
umlaufenden Dichtrippen. Aufgrund dieser Schwierigkeiten wird gewöhnlich die
erste Laufreihe trotz der damit einhergehenden Nachteile in Gestalt erhöhter Spaltverluste
nicht mit einem Deckband ausgeführt.
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Eine
Vorrichtung zum besseren Kühlen
und Abdichten des Deckbands wird in der
JP 57129204 offenbart. Die Dichtrippen
auf der Fläche
des Deckbands laufen gegen Blattfedern, die gegenüber auf den
Hitzeschilden angeordnet sind. Verdichterluft wirkt auf die durch
die Deckbandfläche,
die Dichtrippen und die Blattfedern gebildete Kavität. Infolgedessen übertrifft
der in der Kavität
vorherrschende statische Druck den des umgebenden Strömungskanals so
weit, dass sich die Blattfedern aufbiegen und Verdichterluft aus
der Kavität
in den Strömungskanal überströmt.
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Weitere
stark beanspruchte Bauteile stellen die Wandsegmente des Strömungskanals
dar, insbesondere die Leitschaufelplattformen sowie die im Bereich
der Laufreihen das Statorgehäuse
abschirmenden Hitzeschilde. Dabei wirkt es sich besonders nachteilig
aus, dass die an den Übergangsbereichen von
einem Wandsegment zu einem anderen gebildeten Fugen und die durch
Fertigungstoleranzen hervorgerufenen Kanten unvermindert der intensiven Kanalströmung ausgesetzt
sind (
RU 2135780 C1 ). An
den Spalten und Kanten treten Strömungsablenkungen auf, die diese
Bereiche einer besonders hohen thermischen Belastung aussetzen.
Hierbei stellt sich gleichzeitig das zusätzliche Problem, ein Eindringen
von Heißgasen
in die Zwischenräume
zwischen den Wandsegmenten und eine Beaufschlagung des Schaufelträgers, der
Innenseiten der Schaufelplattformen sowie des Statorgehäuses mit Heißgas zu
verhindern.
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In
diesem Zusammenhang ist es schon vorgeschlagen worden, diese Zwischenräume und
Hohlräume
zwischen den Plattformen und dem Statorgehäuse mittels beispielsweise
aus dem Verdichter abgezweigter Druckluft zu beaufschlagen (
US 5899660 ). Dabei tritt
allerdings durch die Fugen zwischen den Segmenten unkontrolliert
Kühlluft
in den Strömungskanal
ein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile der
Lösungen
des Stands der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll mit Hilfe der
Erfindung eine verringerte thermische Beanspruchung des Statorgehäuses und
der verbundenen Schaufelplattformen erreicht werden und die hierfür aufgewendete
Kühlluft
anschließend
so in den Strömungskanal
eingeführt
werden, dass an den Deckbändern
der Laufschaufeln die Überströmbedingungen
für die
Heißgase
erschwert und damit die Spaltverluste verringert werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Anordnung der im unabhängigen Anspruch genannten Art
gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen wieder.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, unter Verzicht auf Hitzeschilde
die Innenkontur des Strömungskanals
zumindest überwiegend
durch die Leitschaufelplattformen auszubilden und die Übergangsbereiche
zwischen den Plattformen innerhalb der von den umlaufenden Dichtrippen
des Deckbands gebildeten Kavität
anzuordnen und die abgedichtete Fuge zwischen den Plattformen mit
Durchtrittsöffnungen
für das
Ausströmen
von Kühlluft
in die Kavität
des Deckbands zu versehen. Zu diesem Zweck besitzen die Leitschaufelplattformen
beidseitige Verlängerungen
in Richtung auf die jeweils benachbarte Laufreihe und erstrecken
sich bis in den von deren Dichtrippen begrenzten Bereich.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Trennfuge zwischen den
aneinander stoßenden Plattformen
durch ein vorzugsweise metallisches Dichtband abgedichtet. Das metallische
Dichtband ist in gegenüberliegende
Schlitze der einander zugewandten Seitenflächen der Plattformen eingelegt.
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In
zweckmäßiger Ergänzung besitzt
das Statorgehäuse
eine Anzahl von Kanälen
zur Versorgung der Wandhohlräume
mit Druckluft. Vorzugsweise ist diese Druckluft an dem der Gasturbine
vorgeschalteten Verdichter abgezweigt.
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Aus
einzelnen der vorstehend erläuterten Maßnahmen
oder einer Kombination derselben resultiert eine Reihe von Vorteilen.
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So
sind die besonders gefährdeten Übergangsbereiche
zwischen den Wandsegmenten in einen weniger exponierten Bereich
verlegt und damit der unmittelbaren Einwirkung der heißen Kanalströmung entzogen.
Dies erhöht
deren Lebensdauer und erschwert das Eindringen der Heißgase in
die Zwischenräume
zwischen den Wandsegmenten. Die Leitschaufelträger, einschließlich Plattformen,
und das Statorgehäuse
unterliegen daher einer geringeren thermischen Belastung. Durch
die Verlängerung der
Plattformen der Leitschaufeln über
den Schaufelträger
hinaus entfällt
die Notwendigkeit der Anordnung von Hitzeschutzschilden. Damit wird
die Anzahl der Wandsegmente in dem Strömungskanal und damit zwangsläufig auch
die Anzahl der Trennungsfugen drastisch reduziert. Die Gefahr unkontrollierter Kühlluftverluste
und des Eindringens von Heißgasen durch
die Fugen zwischen den Wandsegmenten ist allein schon durch die
verringerte Anzahl von Wandsegmenten vermindert.
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Dieser
positive Effekt wird noch verstärkt durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
des Schaufelträgers
als Hohlprofil. Die entstehenden gasgefüllten Wandhohlräume vermindern
zum einen den Wärmeübergang
aufgrund der isolierenden Wirkung der Gaspolster, zum anderen können die
Wandhohlräume
gezielt mit Kühlluft
beaufschlagt werden, um die eingetragene Wärme von den heißen Bauteilen
abzuführen.
Indem die durch die Wandhohlräume
geführte
Kühlluft
nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung über Durchtrittsöffnungen
innerhalb der Fuge zwischen benachbarten Wandsegmenten in die Kavität zwischen
den Dichtrippen des Deckbands eingeleitet wird, führt dies
zu einem Druckaufbau innerhalb der Kavität, in dessen Folge das Eindringen
von Heißgasen
vermindert wird. Daraus resultiert zum einen eine verbesserte Kühlung des
Deckbands, insbesondere der Dichtrippen, und darüber hinaus werden die durch überströmende Heißgase verursachten
Spaltverluste verringert.
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Im
Unterschied zu den Lösungen
des Stands der Technik wird nach der Erfindung die aufgewendete
Kühlluft
mehrfach genutzt, sowohl zur Kühlung
des Statorgehäuses
und der Plattformen, als auch zur Kühlung des Deckbands und schließlich zur
Verminderung der Spaltverluste. Dies wirkt sich günstig auf den
Gesamtwirkungsgrad aus.
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In
der Zeichnung ist eine Ausführungsform der
Erfindung stark schematisch wiedergegeben. Es sind nur die für das Verständnis der
Erfindung wesentlichen Merkmale enthalten. Gleiche oder einander
entsprechende Elemente tragen dasselbe Bezugszeichen.
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In
der Zeichnung ist ein Abschnitt einer Gasturbine mit zwei Leitreihen
und einer Laufreihe dargestellt.
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In
ringförmige
Ausnehmungen des Statorgehäuses 5 sind
Schaufelträger 14 und 15 der
Leitschaufeln 6 und 7 auf an sich bekannte Weise
formschlüssig
eingesetzt. Zwischen den Leitschaufeln 6 und 7 befindet
sich die mit der nicht dargestellten Rotorwelle verbundene Laufschaufel 1.
Zur Verringerung von Spaltverlusten ist die Spitze der Laufschaufel 1 mit
einem Deckbandelement 2 versehen, welches zusammen mit
den Deckbandelementen der anderen Laufschaufeln dieser Reihe ein
durchgehendes mechanisch stabilisiertes Deckband bildet. Auf seiner
Oberseite weist das Deckbandelement 2 parallel zur Drehrichtung
der Laufschaufel 1 gerichtete Dichtrippen 3 und 4 auf,
die gegen Dichtstreifen an der Kanalinnenwand laufen.
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Die
Plattformen 9 und 10 der Leitschaufeln 6 und 7 besitzen
parallel zur Strömungsrichtung
beidseitig in Richtung auf die benachbarte Laufreihe 1 verlängerte Abschnitte 9' und 10', die in dem
von den Dichtrippen 3 und 4 begrenzten Bereich
enden. Die Dichtrippen 3 und 4 bilden zwischen
Deckband 2 und Kanalinnenwand in Gestalt der verlängerten
Plattformabschnitte 9' und 10' eine Kavität 12 aus. Über Spalte
zwischen den Rippen 3 und 4 und der Kanalinnenwand
erfolgt der Gasaustausch mit dem Strömungskanal 13.
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Die
Fuge 16 zwischen den aneinander stoßenden Plattformen 9' und 10' ist mit einem
metallischen Dichtband 8, das in gegenüberliegende Schlitze der Seitenflächen der
Plattformen 9, 10 eingelegt ist, verbunden, um
Heißgasen
den Zutritt durch die Fuge 16 zum Statorgehäuse 5 zu
verwehren.
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Die
Leitschaufelträger 14 und 15 sind
als Hohlprofil ausgebildet, bestehend aus den die Innenkontur des
Strömungskanals 13 bildenden
Plattformen 9 und 10 und radial nach außen weisenden
Seitenwänden,
deren Füße mit Vorsprüngen in
Ausnehmungen des Statorgehäuses 5 geführt sind.
Entsprechend der Länge
der Seitenwände
sind die Plattformen 9 oder 10 von dem Statorgehäuse 5 beabstandet.
Der vom Hohlprofil des Schaufelträgers 14, 15 und
dem Statorgehäuse 5 eingeschlossene
Hohlraum 17, 19 wirkt hermetisch isolierend und
schützt das
Statorgehäuse 5 vor
Erwärmung.
Neben diesen Hohlräumen 17 bzw. 19 bildet
sich zwischen den verlängerten
Plattformen 9' und 10' und dem Statorgehäuse 5 ein
weiterer Hohlraum 18 aus, der ebenfalls das Statorgehäuse 5 vor
Wärmeeinwirkung
aus dem Strömungskanal 13 bewahrt,
analog der Funktion der an sich bekannten Schutzschilde.
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Zusätzlich kann
zumindest ein Teil dieser Hohlräume 17, 18, 19 von
außen
mit Kühlluft
beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck besitzt das Statorgehäuse 5 vorzugsweise
eine Anzahl über
den Umfang verteilter Kühlluftkanäle 11 zur
Zuführung
von Druckluft, die beispielsweise aus dem Verdichter der Gasturbine
abgezweigt sein kann. Die Kühlluft
durchströmt
die ringförmigen
Hohlräume 17, 18 und
führt die
eingetragene Wärme
ab. Der statische Druck in den beaufschlagten Hohlräumen 17, 18 liegt über demjenigen
im Strömungskanal 13,
um einen Übertritt
von Heißgasen
auszuschließen.
Im Bereich der mit einem Dichtband 8 abgedichteten Fuge 16 zwischen
den aneinander stoßenden
Plattformen 9' und 10' befinden sich
Austrittsöffnungen
zum Übertritt
der Kühlluft
zumindest aus dem angrenzenden Hohlraum 18 in die Kavität 12.
Die übertretende
Kühlluft
füllt die Kavität 12 mit
Kühlluft.
Dies führt
zu einer Erhöhung des
Druckes in der Kavität 12 und übt damit
eine gewisse Sperrwirkung aus, die zu einer Verringerung des eindringenden
Massenstromes an Heißgas
aus dem Strömungskanal 13 beiträgt. Gleichzeitig
werden die Deckbandoberseite und die Dichtrippen 3 und 4 wirksam
gekühlt.
Die Kühlluft
tritt beidseitig über
die Spalte in den Strömungskanal 13 aus
und erzeugt in Strömungsrichtung
einen Bereich mit Filmkühlung.
Entgegen der Strömungsrichtung
wird im Umfeld der Vorderkante des Deckbands 2 und der Laufschaufel 1 durch
Absenkung der Mischtemperatur die thermische Belastung der Bauteile
verringert.
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- 1
- Laufschaufel
- 2
- Deckband
- 3
- Dichtrippe
- 4
- Dichtrippe
- 5
- Statorgehäuse
- 6
- Leitschaufel
- 7
- Leitschaufel
- 8
- Dichtband
- 9
- Plattform
- 9'
- Plattformverlängerung
- 10
- Plattform
- 10'
- Plattformverlängerung
- 11
- Kühlluftkanal
- 12
- Kavität
- 13
- Strömungskanal
- 14
- Leitschaufelträger
- 15
- Leitschaufelträger
- 16
- Fuge
zwischen aneinander stoßenden
Plattformen
- 17
- Wandhohlraum
- 18
- Wandhohlraum
- 19
- Wandhohlraum