DE60213538T2

DE60213538T2 - Konfiguration der Kühlbohrungen von Turbinenmantelsegmenten

Info

Publication number: DE60213538T2
Application number: DE60213538T
Authority: DE
Inventors: Tagir Greenville Nigmatulin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: JP4112942B2; EP1306524B1; JP2003161106A; KR100674288B1; DE60213538D1; EP1306524A3; KR20030035961A; US6554566B1; EP1306524A2; US20030082046A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Prallkühlung für eine Mantelanordnung, welche die rotierenden Komponenten im Heißgaspfad einer Gasturbine umgibt, und insbesondere das Zuführen von Spülluft in die Spalte zwischen den Innenmantelsegmenten, um die Segmente zu kühlen und das Einströmen von Heißgas in die Spalte zu verhindern.
In einer Gasturbine eingesetzte Mäntel umgeben und bilden teilweise den Heißgaspfad durch die Turbine. Mäntel sind üblicherweise durch eine Anzahl von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Mantelsegmenten gekennzeichnet, die um den Heißgaspfad herum angeordnet sind, wobei jedes Segment einen diskreten inneren und äußeren Mantelkörper aufweist. In der Regel kommen auf jeden äußeren Mantelkörper zwei oder drei innere Mantelkörper, wobei die äußeren Mantelkörper durch schwalbenschwanzartige Verbindungen an dem stationären Innengehäuse der Turbine und die inneren Mantelkörper durch ähnliche Schwalbenschwanzverbindungen an den äußeren Mantelkörpern befestigt sind. Die Innenmantelsegmente umgeben unmittelbar die rotierenden Teile der Turbine, d. h. die Reihen von Schaufeln oder Blättern tragenden Rotorlaufräder. Da die Innenmantelsegmente im Heißgaspfad heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt sind, sind häufig Systeme zum Kühlen der Innenmantelsegmente notwendig, um die Temperatur der Segmente zu senken. Dies gilt insbesondere für Innenmantelsegmente der ersten und zweiten Turbinenstufe, die wegen ihrer unmittelbaren Nähe zu den Turbinenbrennkammern sehr hohen Verbrennungsgastemperaturen ausgesetzt sind. Auf Grund der Rotation der Turbinenschaufeln sind die Wärmeübergangskoeffizienten ebenfalls sehr hoch. Zum Kühlen der Mäntel wird von dem Verdichter der Turbine üblicherweise relativ kalte Luft über Konvektionskühllöcher zugeführt, die sich durch die Segmente in die Spalte zwi schen den Segmenten erstrecken, um die Seiten der Segmente zu kühlen und das Einströmen von Heißgas in die Spalte zu verhindern. Der Bereich, der von dem aus einem einzigen Kühlloch austretenden Strom gespült und gekühlt wird, ist jedoch klein, weil die Geschwindigkeit der aus dem Kühlloch austretenden Kühlluft hoch ist und weil die Kühlluft sich wie ein Strahl verteilt und in den Heißgasströmungspfad strömt.
Frühere Konstruktionsverfahren erforderten folglich die Anordnung mehrerer Kühllöcher in unmittelbarer Nähe zueinander, die größere Kühlluftmengen von dem Verdichter (und eine zusätzliche Bearbeitung) nutzen, was wiederum den Wirkungsgrad der Turbine mindert.
Die US-Patentschrift 6,155,778 beschreibt einen Turbinenmantel, der eine Wand mit einer Innen- und einer Außenfläche aufweist, die sich zwischen sich gegenüberliegenden vorderen und hinteren Enden erstrecken. Die Wand weist an ihrer Innenfläche eine Anzahl von Aussparungen auf, die den Spitzen der Schaufeln gegenüberliegen. Die Aussparungen erstrecken sich nur teilweise in die Wand, damit der zu den Schaufelspitzen zeigende Flächenbereich verkleinert wird.
Das Dokument EP-A-0 515 130 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk, in dem zum Kühlen des Mantels im Hochdruckturbinenabschnitt des Gasturbinentriebwerks mit hohem Druck beaufschlagte Kühlluft in dosierter Strömung durch sich verjüngende, vergrößerte Dosierbohrungen zu Leithohlkammern und dann durch Perforierungen im Leitblech geleitet wird, um die Schienen und die Rückseite des Mantels prallzukühlen.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung weist ein Kühlkreis zum Einleiten von Kühlluft in die Spal te zwischen Innenmantelsegmenten Konvektionskühllöcher auf, die an ihren jeweiligen Auslassenden Diffusoren enthalten. Jeder Diffusor kann eine Auslassaussparung bzw. einen Hohlraum aufweisen, die bzw. der länglich und im Wesentlichen rechteckig geformt ist sowie einen sich von dem entsprechenden Konvektionskühlloch weg verjüngenden (d. h. sich von diesem nach außen vergrößernden) Querschnitt hat, und die bzw. der an der Fläche des Segments endet. Genauer gesagt verläuft die Konvektionskühlbohrung in einem Winkel von etwa 45° zu der Segmentfläche und öffnet sich nahe des rückseitigen oder stromaufwärts gelegenen Aussparungsendes in Richtung des Spül- oder Kühlluftstroms in die Diffusoraussparung. Die Diffusoraussparung weist einen langen, sich verjüngenden und sich in Strömungsrichtung (bzw. von dem Konvektionskühlloch nach vorn) erstreckenden Bereich sowie einen kurzen, sich verjüngenden Bereich auf, der sich in die der Strömungsrichtung entgegengesetzte Richtung erstreckt. Das Endergebnis ist, dass die Kühl- oder Spülluft sich zu verteilen beginnt, bevor sie die Fläche des Segments erreicht, wodurch die Kühlung der Segmentkanten verbessert wird. Obwohl die Kühl- oder Spülluft im Diffusor etwas an Geschwindigkeit verliert, wird genügend Druck aufrechterhalten, um die Gase im Heißgaspfad am Einströmen in die Spalte zwischen den Innenmantelsegmenten zu hindern.
Dementsprechend betrifft die Erfindung unter breiteren Aspekten eine Innenmantelanordnung für eine Turbine, aufweisend: mehrere Teilringsegmente in Kombination, um einen inneren, ringförmigen Mantel auszubilden, der dafür eingerichtet ist, rotierende Komponenten einer Turbine zu umgeben, wobei jedes Segment ein Paar von Umfangsendflächen aufweist, die nebeneinander liegende ähnliche Endflächen auf benachbarten Segmenten mit Spalten zwischen ihnen sind; wenigstens ein Konvektionskühlungsloch in dem Segment, das sich entlang wenigstens einer von dem Paar der Endflächen öffnet; wobei sich das wenigstens eine Kühlloch in eine Diffusoraussparung öffnet, die in der einen von dem Paar der Endflächen ausgebildet ist, um den Kühlluftstrom in den Spalt zu verteilen.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Segment für eine Turbinenmantelanordnung, aufweisend: einen Segmentkörper mit einer Dichtfläche und gegenüberliegenden Umfangsendflächen; und wenigstens einem Konvektionskühlloch, das sich durch den Segmentkörper erstreckt und in eine Diffusoraussparung öffnet, die in einer entsprechenden Endfläche des Segmentkörpers ausgebildet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einspülen von Kühlluft in Spalte zwischen benachbarten Teilringsegmenten, umfassend a) das Zuführen von Kühlluft durch eines oder mehrere Kühllöcher, die in jedem Segment ausgebildet sind, wobei jedes Kühlloch sich entlang einer Umfangsendfläche des Segments öffnet; und b) das Verteilen der Kühlluft bevor diese die Umfangsendfläche jedes einzelnen Segments erreicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist ein vereinfachter Teilschnitt eines zwischen einer Schaufel der ersten Stufe und einem Leitapparat der zweiten Stufe angeordneten Turbinen-Innenmantelsegments, das einen Innenmanteldiffusor gemäß der Erfindung enthält.
2 ist ein horizontaler Schnitt durch den Diffusorbereich des in 1 dargestellten Innenmantelseg ments.
3 ist ein zu 2 ähnlicher horizontaler Schnitt, der jedoch die Anordnung eines Diffusorpaars in benachbarten Mantelsegmenten darstellt.
In 1 sind Bereiche eines Mantelsystems 10 dargestellt, das die rotierenden Komponenten in dem Heißgaspfad einer Gasturbine umgibt. Das Mantelsystem 10 ist an einer stationären Innenschale des Turbinengehäuses 12 befestigt und umgibt die rotierenden Schaufeln oder Blätter 14, die in dem Heißgaspfad angeordnet sind. Die Bereiche des in 1 dargestellten Mantelsystems 10 gehören zur ersten Stufe der Turbine, und die Strömungsrichtung des Heißgases wird durch den Pfeil 16 angezeigt. Das Mantelsystem 10 enthält Innen- und Außenmantelsegmente 20 bzw. 22. Es ist nachvollziehbar, dass das Mantelsystem mehrere dieser Segmente enthält, die in Umfangsrichtung relativ zueinander angeordnet sind, wobei zwei oder drei Innenmantelsegmente 22 mit jeweils einem der Außenmantelsegmente 20 verbunden sind. Beispielsweise kann es zweiundvierzig in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Außenmantelsegmente und vierundachtzig in Umfangsrichtung benachbart angeordnete, an einem Außenmantelsegment befestigte Innenmantelsegmente geben, wobei zwischen benachbarten Innensegmenten Spalte bestehen. Die einzelnen Innenmantelsegmente, die in diesem Dokument von Interesse sind, sind im Wesentlichen identisch, und folglich muss nur eines im Detail beschrieben werden.
Das Segment 22 weist einen Segmentkörper 24 mit einer radialen Innenfläche 26 auf, an der mehrere Labyrinthdichtungszähne oder eine Kombination von Labyrinthdichtungszähnen, Bürsten- und/oder Textildichtungen (nicht dargestellt) montiert sind. Jeder Segmentkörper wird aus im Wesentlichen identischen Umfangsendflächen gebildet, von denen eine durch die Nummer 28 dargestellt ist. Das Segment 22 ist durch eine konventionelle Anordnung aus Haken und C-Clip bei Nummer 32 an ein Außenmantelsegment montiert.
Kühlluft aus dem Verdichter der Turbine wird über den Prallkühlungshohlraum 34, der die Kühlluft durch ein Prallkühlblech 35 aufnimmt, wenigstens einem Konvektionskühlloch 36 (eines dargestellt) zugeführt, das durch das Segment 22 gebohrt ist und sich in eine Diffusoraussparung 38 an dem Umfangende 28 des Segments öffnet. Insbesondere aus 2 geht hervor, dass die Diffusoraussparung eine erweiterte Verjüngung 40 in der Stromabwärts- oder Strömungspfadrichtung und eine kürzere Verjüngung 42 mit einem spitzeren Winkel in der Stromaufwärts- oder Gegenstromrichtung aufweist, wobei sich das Loch 36 in den rückwärtigen Bereich der Aussparung öffnet, in dem sich die Verjüngungen 40 und 42 schneiden. Durch diese Anordnung wird durch das Loch 36 strömende Kühlluft schnell in dem größeren stromabwärts liegenden Bereich der Aussparung 38 und dann in den in Umfangsrichtung ausgebildeten Spalt zwischen benachbarten Segmenten verteilt. Die verteilte Kühlluft kühlt folglich einen größeren Bereich des Segments durch Konvektion und prallkühlt einen größeren Bereich des benachbarten Segments. Gleichzeitig wird genügend Druck aufrechterhalten, um jedes Einströmen von Gasen aus dem Heißgaspfad in den Spalt zwischen benachbarten Segmenten zu verhindern.
3 veranschaulicht, wie benachbarte Konvektionskühllöcher 44 und 46 und die zugehörigen entsprechenden Diffusoraussparungen 48 und 50 an benachbarten Segmentflächen 52 und 54 nebeneinander liegen und Kühlluft in den Spalt 56 zwischen den Segmenten leiten. Diese Anordnung wird über die gesamte ringförmige Gruppierung von Innenmantelsegmenten wiederholt.
Obwohl die Diffusoraussparungen mit einer länglichen Form dargestellt sind, ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Form beschränkt, solange die Kühlluft genügend verteilt wird.
Durch das Verteilen der Kühlluft, bevor die Kühlluft die Segmentendfläche erreicht, und da die Kühlluft in den Spalt zwischen benachbarten Segmenten abgegeben wird, wird die Wirkung der Konvektionskühllöcher verbessert.
Die Erfindung wurde zwar primär in Bezug auf Innenmantelsegmente in der ersten und zweiten Stufe einer Gasturbine beschrieben, aber die Erfindung ist anwendbar auf jeden segmentierten Mantel bzw. jede segmentierte Dichtung, bei dem bzw. der Kühl- und/oder Spülluft in Spalte zwischen den Segmenten geleitet wird.

Claims

Innenmantelanordnung (10) für eine Turbine, aufweisend: mehrere Teilringsegmente (22) in Kombination, um einen inneren, ringförmigen Mantel auszubilden, der dafür eingerichtet ist, rotierende Komponenten (14) einer Turbine zu umgeben, wobei jedes Segment ein Paar von Umfangsendflächen (28) aufweist, die nebeneinander liegende ähnliche Endflächen auf benachbarten Segmenten mit Spalten zwischen ihnen sind; wenigstens ein Konvektionskühlloch (36) in dem Segment, dass sich entlang wenigstens einer von den Paar der Endflächen öffnet; wobei sich das wenigstens eine Kühlloch (36) in eine Diffusoraussparung (38) öffnet, die in der einen von dem Paar der Endflächen ausgebildet ist, um den Kühlluftstrom in den Spalt zu verteilen.
Innenmantel nach Anspruch 1, wobei die Diffusoraussparung (38) im Wesentlichen eine längliche Form aufweist, wobei sich Längsflächen (40, 42) auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Kühlloches sich nach innen zu dem Kühlloch hin verjüngen.
Innenmantel nach Anspruch 2, wobei sich eine größere (40) von den Längsflächen stromabwärts von dem wenigstens einen Kühlloch (36) erstreckt.
Innenmantel nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Konvektionskühlloch (36) einen Durchmesser hat, der im Wesentlichen gleich einer Breitenabmessung der Diffusoraussparung ist.
Innenmantel nach Anspruch 1, wobei sich wenigstens ein zusätzliches Kühlloch (36) entlang der anderen Endfläche des Paares öffnet.
Segment (22) für eine Turbinenmantelanordnung, aufweisend: einen Segmentkörper mit einer Dichtfläche (26) und gegenüberliegenden Umfangsendflächen (28); und wenigstens einem Konvektionskühlloch (36), das sich durch den Segmentkörper erstreckt und in eine Diffusoraussparung (38) öffnet, die in einer entsprechenden Endfläche (28) des Segmentkörpers ausgebildet ist.
Segment nach Anspruch 6, wobei die Diffusoraussparung (38) im Wesentlichen eine längliche Form aufweist, wobei sich Längsflächen (40, 42) auf gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen Kühlloches sich nach innen zu dem Kühlloch hin verjüngen.
Segment nach Anspruch 7, wobei sich eine größere (40) von den Längsflächen stromabwärts von dem wenigstens einen Kühlloch (36) erstreckt.
Segment nach Anspruch 7, wobei das wenigstens eine Konvektionskühlloch (36) einen Durchmesser hat, der im Wesentlichen gleich einer Breitenabmessung der Diffusoraussparung ist.
Verfahren zum Einspülen von Kühlluft in Spalte (56) zwischen benachbarten Teilringsegmenten (22), in einer Turbinenmantelanordung mit den Schritten: (a) Zuführen von Kühlluft durch eines oder mehrere Kühllöcher (44, 46), die in jedem Segment ausgebildet sind, wobei sich jedes Kühlloch entlang einer Umfangsendfläche des Segmentes öffnet; und (b) Verteilen der Kühlluft bevor diese die Umfangsendenfläche (52 oder 54) jedes einzelnen Segmentes erreicht.