DE60319606T2

DE60319606T2 - Abblassystem für die Statorstufe eines Verdichters

Info

Publication number: DE60319606T2
Application number: DE60319606T
Authority: DE
Inventors: Peter M. Granby Munsell; Matthew D. Glastonbury Nicolson; Bruce P. West Hartford Biederman; David P. Saco Dube
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: EP1816353A3; EP1329615A3; EP1329615A2; DE60319606D1; US6663346B2; EP1816353A2; JP2003214187A; US20030133796A1; EP1329615B1; EP1816353B1; JP3947112B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zapfsystem, insbesondere, um Turbinenkühlluft aus einer Verdichterstufe einer Turbinenmaschine abzuzapfen.
Um sicher zu stellen, dass ein ausreichender Druckunterschied vorhanden ist, um eine Zapfströmung anzutreiben, sind Zapföffnungen hinter der Hinterkante einer Leitschaufel angeordnet, wo der statische Druck, der mit der axialen Entfernung ansteigt, am höchsten ist. Jedoch hat in der Umgebung der Hinterkante der Leitschaufel die Gaspfadluft keine oder eine geringe tangentiale Geschwindigkeit. Dies bedingt, dass die Luft, welche in einen ringförmigen Hohlraum radial innen von der Leitschaufelplattform eingebracht wird, auf die Geschwindigkeit des Verdichterrads durch die Verdichterscheiben beschleunigt wird, welche axial den ringförmigen Hohlraum begrenzen. Die Beschleunigung der Luft in dem ringförmigen Hohlraum erhöht die Lufttemperatur, was vom Standpunkt der Komponentenkühlung und der Maschineneffizienz sehr unvorteilhaft ist. Zapfsysteme des Stands der Technik werden in U.S. 3,609,059 und U.S. 4,415,310 offengelegt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform, zumindest ein Zapfsystem bereitzustellen, welches die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Luft, welche von den Hinterkanten der stromaufwärts befindlichen Schaufeln kommt, nutzt, um einen Temperaturanstieg zu verhindern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform, zumindest ein Zapfsystem, wie oben beschreiben, zur Verfügung zu stellen, welches die Effizienz der Maschine verbessert.
Die vorgenannten Ziele werden durch das Zapfsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, zumindest in ihrer bevorzugten Ausführungsform, erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Zapfsystem für eine Turbinenmaschine zur Verfügung gestellt, wie in Patentanspruch 1 dargelegt.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber dem Offenbarungsgehalt von U.S. 3,609,059 gekennzeichnet.
Andere Einzelheiten des Zapfsystems der vorliegenden Erfindung und auch weitere dazugehörige Vorzüge werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Verdichterstufe, welche das Zapfsystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 ist eine Draufsicht des Zapfsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht des Zapfsystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 ist eine andere Schnittansicht des Zapfsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Mit Bezug auf die Zeichnungen, stellen die 1 und 2 einen Bereich einer Verdichterstufe einer Turbinenmaschine dar. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, weist die Verdichterstufe eine Mehrzahl von Laufschaufeln oder Leitschaufeln 10 auf, wie z. B. Statorleitschaufeln, wobei benachbarte Schaufeln 10 Kanäle 12 zwischen den Schaufeln bilden. Jede der Statorleitschaufeln 10 weist ein Strömungsprofilteil 14 und eine Plattformstruktur 16 auf. Die Schaufelplattformstrukturen 16 bilden eine innere Endwand 18 für die Kanäle 12.
Jedes Strömungsprofilteil 14 weist eine Vorderkante 20, eine Druckseite 22 und eine Saugseite 24 auf. Jeder Kanal 12 zwischen den Schaufeln ist auf einer Seite von der Saugseite 24 eines ersten Strömungsprofilteils 14 und der Druckseite 22 eines zweiten, benachbarten Strömungsprofilteils 14 begrenzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mindestens einige, wenn nicht alle, der Kanäle 12 zwischen den Schaufeln mit einem Zapfloch 30 zum Abzapfen eines Teils des Fluides ausgestattet, welches durch den Kanal zwischen den Schaufeln strömt. Jedes Zapfloch 30 kann in der Plattformstruktur 16 einer betreffenden Schaufel 10 spanend erstellt werden. Jedes Zapfloch 30 ist vorzugsweise näher an dem Strömungsprofilteil 14 angeordnet, welches die Druckseite 22 aufweist, als an dem Strömungsprofilteil 14, welches die Saugseite 24 aufweist. Durch Nutzen des Druckgradienten entlang des Kanals kann die Zapfeinrichtung Kühlluft auf einem Druckniveau liefern, welches gleich dem Druck an der Hinterkante der Leitschaufel ist. Weiterhin ist jedes Zapfloch 30 in enger Nähe der Vorderkante 20 des Strömungsprofilteils 14 angeordnet, welches die Druckseite 22 aufweist. Die Zapfeinrichtung ist axial in dem Statorkanal an der Stelle angeordnet, wo der Zapfdruck auf der Druckseite gleich dem Druck an der Hinterkante der Leitschaufel ist. Es ist wünschenswert, die Zapfeinrichtung so nahe wie möglich an der Vorderkante anzuordnen, um die höchste tangentiale Geschwindigkeit zu erreichen. Durch Positionieren jeder Zapföffnung 30 an diesem Ort ist man in der Lage, die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Fluids zu nutzen, welches von den Hinterkanten der stromaufwärts befindlichen Schaufeln (nicht gezeigt) kommt.
Wenn man nun auf die 3 und 4 Bezug nimmt, weist das Zapfsystem gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin eine Mehrzahl von Kanälen 40 auf, welche sich innerhalb der Struktur der Endwand befinden. Jeder Kanal 40 ist in der Plattformstruktur einer betreffenden Schaufel 10 spanend erstellt. Jeder Kanal 40 steht mit einem entsprechenden Zapfloch 30 in Verbindung und endet in einem Injektionsloch 42. Wie aus 4 zu sehen ist, hat jeder Kanal 40 einen ersten Bereich 44, der abgezapftes Fluid aus dem Zapfloch 30 erhält, und einen zweiten Bereich 46, der sich zwischen dem ersten Bereich 44 und dem Injektionsloch 42 erstreckt. Der zweite Bereich 46 ist relativ zu dem ersten Bereich 44 angewinkelt, so dass das Injektionsloch 42 axial von dem Zapfloch 30 versetzt ist. Der zweite Bereich 46 ist so angewinkelt, dass Zapffluid durch das Injektionsloch 42 tangential in der Richtung der Drehung des Verdichterrotors in einen Hohlraum 50 am inneren Durchmesser geliefert wird. Das Zapffluid, üblicherweise Luft, welches so in den Hohlraum 50 eingeführt wird, kann für eine große Vielfalt von Zwecken verwendet werden, wie z. B. Luft zum Kühlen der Turbine. Durch Injizieren des Zapffluides auf diese Weise wird das injizierte Fluid in Richtung der Drehung verwirbelt, um jeglichen Temperaturanstieg zu minimieren, der anderenfalls auf das Fluid übertragen würde, wenn Verdichterscheiben die Luft auf die Scheibengeschwindigkeit innen von dem Strömungspfad des Verdichters beschleunigen.
Das Zapfsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es einem Maschinenkonstrukteur, weniger Kühlluft zu verwenden, was die Maschineneffizienz verbessert, oder heißer zu fahren, ohne die Haltbarkeit und Lebensdauer der Komponenten zu opfern.
Es ist deutlich, dass oben ein Zapfsystem am inneren Durchmesser der Plattform der Verdichterleitschaufeln beschrieben wurde, welches die vorgenannten Ziele, Einrichtungen und Vorzüge vollumfänglich erfüllt. Obgleich die vorliegende Erfindung im Zusammenhang von spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden andere Alternativen, Modifikationen und Variationen Fachleuten klar, nachdem sie die vorausgegangene Beschreibung gelesen haben. Demgemäß sollen diese Alternativen, Modifikationen und Variationen eingeschlossen sein, soweit sie innerhalb des breiten Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Zapfsystem für eine Turbinenmaschine, aufweisend: eine Stufe, welche eine Mehrzahl von Kanälen (12) zwischen den Schaufeln aufweist, durch welche ein Fluid strömt; wobei jeder der Kanäle durch ein Paar benachbarter Strömungsprofilteile (14) und eine innere Endwand (18) gebildet wird; und wobei jeder der Kanäle ein Zapfloch (30) aufweist, welches zwischen dem Paar benachbarter Strömungsprofilteile (14) und in der inneren Endwand (18) angeordnet ist, um einen Teil des Fluides abzuzapfen, welches hindurchströmt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (40), um Fluid, welches über die Zapflöcher (30) abgezapft wird, tangential in Richtung der Rotation zu injizieren.
Zapfsystem nach Anspruch 1, wobei jedes Zapfloch (30) näher an einem ersten des Paares von Strömungsprofilteilen (14) angeordnet ist als an einem zweiten des Paares von Strömungsprofilteilen.
Zapfsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Zapfloch (30) weiterhin in enger Nähe zu einer Vorderkante des ersten des Paares von Strömungsprofilteilen (14) angeordnet ist.
Zapfsystem nach Anspruch 1, 2, oder 3, wobei die Injektionseinrichtung (40) eine Mehrzahl von inneren Kanälen (40) aufweist, die in Verbindung mit den Zapflöchern (30) stehen, und jedes Zapfloch (30) in Verbindung mit einem zugehörigen inneren Kanal (40) steht.
Zapfsystem nach Anspruch 4, wobei jeder innere Kanal (40) in einem Injektionsloch (42) endet, und jedes Injektionsloch (42) axial von dem Zapfloch (30) versetzt ist, welches in Verbindung mit dem inneren Kanal (40) steht.