DE68906334T2

DE68906334T2 - Gasturbine mit einem gekuehlten leitschaufeldeckring.

Info

Publication number: DE68906334T2
Application number: DE8989114666T
Authority: DE
Inventors: William Edward North
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1988-08-31
Filing date: 1989-08-08
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2009-08-09
Also published as: JP2835382B2; MX164477B; AR240712A1; CA1309597C; EP0357984B1; US4902198A; DE68906334D1; EP0357984A1; JPH02104902A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen im allgemeinen. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Luftschleierkühlung der Innendeckbänder von Turbinen-Leitschaufeln.
Zur Erreichung maximaler Turbinenleistung ist es erwünscht, mit höchstmöglicher Gastemperatur zu arbeiten. Die Gastemperaturen moderner Gasturbinen sind so hoch, daß ohne ausreichende Kühlung die Metalltemperatur der Bauteile im Strömungsbereich die im Hinblick auf die ausreichende Haltbarkeit der Bauteile zulässige Temperatur übersteigen würde. Daher ist die Zufuhr von Kühlluft auf diese Bestandteile wichtig. Um effektiv zu sein, muß diese Kühlluft unter Druck stehen. Sie wird üblicherweise der Verdichterabblasluft entnommen und umgeht so den Verbrennungsvorgang. Daher kann die für das Verdichten der Kühlluft aufgewendete Arbeit nicht aus dem Verbrennungs- und Ausdehnungsvorgang rückgewonnen werden. Es ist daher erwünscht, die Benutzung von Kühlluft zur Erlangung einer maximalen thermodynamischen Leistung zu minimieren, und die effektive Nutzung der Kühlluft ist ein Schlüsselfaktor bei der Weiterentwicklung der Gasturbinentechnologie. Die vorliegende Erfindung betrifft die Zufuhr und Steuerung eines Kühlluftschleiers auf das Innendeckband der Turbinenleitschaufeln.
Der Heißgasströmungsweg im Turbinenbereich einer Gasturbine besteht aus einer ringförmigen Kammer, die sich in einem Zylinder befindet und eine mittig ausgerichtete Drehwelle umgibt. Innerhalb der ringförmigen Kammer befinden sich abwechselnd Reihen stehender Leitschaufeln und umlaufender Laufschaufeln. Die Leitschaufeln und Laufschaufeln jeder Reihe sind ringförmig um den Ringraum angeordnet. Jede Leitschaufel besteht aus einem Schaufelprofil und einem inneren und einem äußeren Deckband. Das Schaufelprofil dient zur richtigen Leitung des Gasstroms auf die in Strömungsrichtung nachgeordneten, umlaufenden Laufschaufeln. Die inneren und die äußeren Deckbänder der einzelnen Leitschaufeln liegen nahezu an diejenigen der angrenzenden Leitschaufel an, so daß die Deckbänder, wenn die ganze Reihe zusammengesetzt ist, einen kurzen, axialen Abschnitt des Gasstromringraums bilden. Es besteht jedoch ein kleiner, ringförmiger Spalt zwischen den einzelnen Deckbändern.
Normalerweise herrscht in dem durch die inneren Flächen der Innendeckbänder gebildeten ringförmigen Hohlraum Lufthochdruck. Das ist so in der ersten Leitschaufelreihe, weil diese als Eingang in den Turbinenbereich dient und daher unmittelbar mit einer Verdichtervorkammer verbunden ist, die Verdichterausgangsluft enthält, die darauf wartet, in das Verbrennungssystem eingeführt zu werden. Als Folge dieser Anordnung füllt Verdichterausgangsluft unter Hochdruck den Hohlraum, der zwischen den Innendeckbändern der ersten Leitschaufelreihe und der äußeren Fläche des Gehäuses ausgebildet ist, das in dieser Nachbarschaft die Welle umgibt. In den Leitschaufelreihen in Strömungsrichtung nach der ersten Reihe herrscht eine etwas andere Situation. Zur Kühlung der umlaufenden Scheiben der in Strömungsrichtung unmittelbar vor und hinter der Leitschaufelreihe umlaufenden Laufschaufelreihen wird Kühlluft in den durch die Innendeckbänder und die Flächen der angrenzenden Scheiben gebildeten Hohlraum eingeführt.
Auslecken der Hochdruckluft in diesen Hohlräumen in den heißen Gasstrom führt zu einem Verlust thermodynamischer Leistung. Daher werden Mittel zur Begrenzung dieser Leckverluste eingesetzt. Da der Druck des heißen Gasstroms beim Durchströmen jeder der aufeinanderfolgenden Reihen in Strömungsrichtung in der Turbine sinkt, ist die Hochdruckluft in diesen Hohlräumen bestrebt, durch Strömen durch den axialen Spalt zwischen der Austrittskante des Innendeckbands und dem Rand der angrenzenden umlaufenden Scheibe aus dem Hohlraum auszulecken. Das wird durch eine radiale Sperre verhindert, die den ringförmigen Hohlraum umfangsmäßig umgibt. In der ersten Leitschaufelreihe beinhaltet diese Sperre eine sich von der Innenfläche des Innendeckbands radial nach innen erstreckende Stützschiene, die zur Abstützung der Leitschaufel gegen das die Welle umgebende Gehäuse dient. Zwar kann in der Stützschiene ein Loch vorhanden sein, durch das die Hochdruckluft hindurchströmen kann, jedoch verhindert ein an der Innenfläche des Innendeckbands befestigter Sicherheitsdeckel daß die Hochdruckluft in den Deckbandhohlraum in Strömungsrichtung hinter der Sperre strömt. In Reihen in Strömungsrichtung hinter der ersten Reihe enthält die Sperre eine ähnliche Stützschiene, die an einem Zwischenstufendichtring befestigt ist.
Ein zweiter möglicher Verlustweg der Hochdruckluft im Deckbandhohlraum führt durch die in Umfangsrichtung zwischen den aneinandergrenzenden Innendeckbändern liegenden Spalte. In der Vergangenheit wurde dieser Verlust durch Dichtstreifen verhindert, die in den Schlitzen an den Kanten der Innendeckbänder eingesetzt waren, die diese Spalte bildeten. In früheren Turbinenkonstruktionen führte das Auslecken an diesen Dichtungen vorbei zur Ausbildung eines dünnen Kühlluftschleiers, der über die Außenflächen der Innendeckbänder strömte. Dieser Kühlluftschleier war ausreichend zur Verhinderung einer Überhitzung der Innendeckbänder. Da jedoch der Fortschritt in der Gasturbinentechnologie laufend höhere Gastemperaturen gestattet, ist es vorauszusehen, daß das Auslecken an den Dichtungen vorbei nicht mehr ausreichen wird, besonders im Deckbandbereich in Strömungsrichtung hinter der radialen Sperre, wo der Luftdruck, und somit die Leckrate, niedriger ist. In solchen fortgeschrittenen Turbinen kann es in der ersten Leitschaufelreihe im Bereich des Innendeckbands in Strömungsrichtung hinter der radialen Sperre zur Überhitzung kommen, wenn keine ausreichende Kühlung vorgesehen ist. Da eine Überhitzung des Deckbands eine Schädigung durch Korrosion und Risse verursacht, müssen die Leitschaufeln häufiger ausgetauscht werden, eine Situation, die kostenintensiv ist und die Turbine für beträchtliche Zeiträume betriebsunfähig macht.
In den Dokumenten GB-A-2 195 403 und FR-A-2 359 976 werden Schleierkühlverfahren geoffenbart, die auf Turbinenleitschaufel-Deckbänder anwendbar sind. Jedoch sind die Strömungsbedingungen je nach Umgebung und eingesetzten Teilen sehr kritisch. Es ist daher notwendig, das technische Wissen um Kühltechniken zu verbessern.
Die Problemstellung der Erfindung ist, eine neue Vorrichtung und Methode zur Erreichung einer ausreichenden Schleierkühlung der Innendeckbänder in Bereichen wie z.B. in Strömungsrichtung hinter der radialen Sperre vorzusehen, wo der Luftdruck innerhalb des Deckbandhohlraums niedrig ist.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Sicherstellung einer ausreichenden Schleierkühlung des Innendeckbands vorzusehen, dem keine Hochdruckkühlluft in geregelter Weise zugeführt wird.
Unter Berücksichtigung dieser Aufgabe betrifft die Erfindung eine Gasturbine eines Typs mit einem Turbinenzylinder, der abwechselnd Reihen stationärer Leitschaufeln und umlaufender Laufschaufeln enthält, die in einem ringförmigen Strömungsweg angeordnet sind, wobei jede dieser Leitschaufeln ein in Radialrichtung innen liegendes Ende mit einem Innendeckband an jedem dieser in Radialrichtung innen liegenden Enden aufweist, wobei jedes dieser Innendeckbänder erste und zweite Kanten an ihren umfangsmäßigen Enden aufweist, diese Kanten jedes aneinanderstoßenden Paares Innendeckbänder einen in Umfangsrichtung liegenden Spalt bilden; mit einer radialen Sperre, die sich umfangsmäßig um dieses Deckband erstreckt und von diesem Deckband aus nach innen vorsteht, um auf diese Weise einen Deckbandhohlraum zu bilden, und wobei diese radiale Sperre den Strom der zu diesem Deckbandhohlraum geleiteten Hochdruckluft einschränkt, und jeweils ein hantelförmiger Dichtstreifen zwischen aneinanderliegenden Deckbändern angeordnet ist, deren jeder zwei zylindrische Längskanten mit entlang diesen Längskanten ausgebildeten Dichtflächen aufweist, die in die in diesen aneinander anliegenden Innendeckbändern ausgebildeten Aussparungen eingesetzt sind, so daß dieser in Umfangsrichtung verlaufender Spalt umspannt wird; gekennzeichnet durch eine Vielzahl intermittierender Vorsprünge, die in jeder dieser zylindrischen Kanten ausgebildet sind, wobei Größe und Anzahl derselben in Abhängigkeit vom gewünschten Leckagestrom gewählt werden, durch eine Vielzahl Löcher, die in jedem dieser Innendeckbänder vorgesehen sind und sich von der Innenfläche des Innendeckbands zu diesem Schlitz in der einem dieser Kanten bzw. von dieser Innenfläche des Innendeckbands zu diesem Schlitz in der anderen dieser Kanten erstreckt; daß Löcher in dieser radialen Sperre sich von dieser vorderen zu dieser hinteren Seite dieser Sperre erstrecken; und daß jedes dieser Innendeckbänder eine Verteilerleitung hat, die zur Verbindung dieser Löcher in dieser radialen Sperre mit diesen Löchern in dem jeweiligen Innendeckband dient.
Die Erfindung wird offensichtlicher aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, dargestellt anhand nur eines Beispiels in den begleitenden Zeichnungen, wobei:
Fig. 1 ein Längsschnitt des Turbinenbereichs einer Gasturbine ist;
Fig. 2 einen Teil des Längsschnitts aus Fig. 1 in der Nähe der ersten Leitschaufelreihe darstellt;
Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 zur Darstellung der Innendeckbänder zweier aneinanderliegender Leitschaufeln ist;
Fig. 4 ein Querschnitt durch das Innendeckband entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Dichtstreifens ist.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen jeweils gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist in Fig. 1 ein Längsschnitt durch den Turbinenbereich einer Gasturbine dargestellt, der den Turbinenzylinder 48 zeigt, in dem abwechselnd Reihen stationärer Leitschaufeln und umlaufender Laufschaufeln enthalten sind. Die Pfeile bezeichnen den Heißgasstrom durch die Turbine. Wie dargestellt, bilden die Leitschaufeln 10 den Eintrittsleitkranz in die Turbine. Ebenso dargestellt sind Bereiche der Kammer 32, die das Verbrennungssystem und den Kanal 22 enthalten, der den Heißgasstrom aus dem Verbrennungssystem zum Turbineneingang leitet. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Turbinenbereichs in der Nähe der ersten Leitschaufelreihe 10. Wie dargestellt, betrifft die Erfindung vorzugsweise die Kühlung der ersten Deckbandreihe, kann aber ebenso auf die anderen Reihen angewandt werden. Am radial äußeren Ende jeder Leitschaufel befindet sich ein äußeres Deckband 11, am inneren Ende befindet sich eine inneres Deckband 12. Jedes Innendeckband weist zwei annähernd axial verlaufende Kanten 50 und eine vordere und eine hintere in Umfangsrichtung verlaufende Kante auf. Um den ringförmigen Strömungsbereich der Turbine herum sind eine Vielzahl von Leitschaufeln 10 angeordnet. Das innere und das äußere Deckband jeder Leitschaufel liegen fast an das der benachbarten Leitschaufel an, so daß die Deckbänder ein kurzes Stück des Gasstromringraums in axialer Richtung bilden, sobald sie über die ganze Reihe zusammengefügt sind. Es existieren jedoch noch kleine Spalte 44 in Umfangsrichtung zwischen den annähernd axial ausgerichteten Kanten 50 jedes Innendeckbands und den Kanten der angrenzenden Innendeckbänder, wie in Fig. 4 dargestellt. Ein Gehäuse 20 umgibt die Drehwelle in der Nähe der ersten Leitschaufelreihe. Von jedem Innendeckband radial nach innen vorstehende Stützschienen stützen die Leitschaufel gegen dieses Gehäuse ab.
Hochdruckluft aus dem Verdichteraustritt strömt vor ihrem Einleiten in das Verbrennungssystem durch die Kammer 32. Diese Hochdruckluft strömt frei durch einen zwischen der Innenfläche des Innendeckbands 12 und dem Wellengehäuse 20 gebildeten Deckbandhohlraum 24. Auf einer neben den Leitschaufeln drehenden Laufscheibe 30 sind umlaufende Laufschaufeln 28 befestigt. Zwischen der Austrittskante des Deckbands 12 und der Fläche der angrenzenden Laufscheibe 30 ist ein Spalt 46 ausgebildet. Die Stützschienen 16 bilden eine radiale Sperre gegen das Auslecken von Hochdruckluft im in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Bereich, indem sie ein Strömen durch den Deckbandhohlraum 24 und in den Heißgasstrom durch den Spalt 46 verhindern.
Aus den Fig. 2 - 5 wird ersichtlich, daß Heißgas 26 aus dem Verbrennungssystem über die äußeren Flächen der Innendeckbänder strömt. Ein Durchlecken von Hochdruckluft in diesen Heißgasstrom durch die Spalte 44 zwischen den Deckbändern wird verhindert mittels hantelförmiger Dichtstreifen 34, dargestellt in Fig. 4 und 5. Für jeden Spalt ist ein Dichtstreifen vorgesehen, wobei die Dichtung den Spalt überdeckt und in die zwei Schlitze entlang der Kanten der den Spalt bildenden aneinanderliegenden Deckbändern eingesetzt ist. Die zylindrischen Teile 40 der Hantelform laufen entlang den beiden Längskanten der Dichtung und sitzen in den Schlitzen 38. Da der Durchmesser der zylindrischen Teile nur wenig kleiner als die Breite der Schlitze ist, wirken sie als Dichtfläche.
In der Stützschiene 16 sind Öffnungen 18 jeweils eine für jedes Innendeckband vorgesehen. Die Öffnungen erstrecken sich von der vorderen zur hinteren Fläche der Schiene und sind gleichmäßig beabstandet in Umfangsrichtung um die Schiene herum angeordnet. Ein an der Innenfläche des Innendeckbands befestigter Sicherheitsdeckel 14 läßt Hochdruckluft durch diese Öffnungen in der Stützschiene und in das Leitschaufelprofil durch eine Öffnung 15 im Innendeckband strömen. Dieser Sicherheitsdeckel erstreckt sich axial von der hinteren Fläche der Stützschiene bis in die Nähe der hinteren, im Umfangsrichtung ausgerichteten Kante des Deckbands und überspannt in Umfangsrichtung in etwa die beiden Kanten, die den Spalt bilden, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Der Teil des Deckbandhohlraums 25 in Strömungsrichtung nach der Stützschiene 16 wird als Ergebnis der Abdichtung gegen die Kammer 32 durch die Stützschiene 16 nicht mit Hochdruckluft aus dem Verdichter versorgt. Daher kann beim bisherigen Stand der Technik nur sehr wenig Kühlluft am Dichtstreifen 34 vorbei austreten und den Teil des Innendeckbands in Strömungsrichtung hinter der Stützschiene kühlen. Erfindungsgemäß ist ein Mittel zur Verteilung der Hochdruckluft auf den Spalt in Strömungsrichtung hinter der Stützschiene vorgesehen durch Anbringen einer Vielzahl von Öffnungen 36, die sich von den Schlitzen 38 der Innenfläche des vom Schutzdeckel 15 umfaßten Innendeckbands aus erstrecken, wie in Fig. 4 dargestellt wird. Diese Öffnungen bewirken, daß der Schutzdeckel als Verteilerleitung fungiert, so daß die Öffnungen 18 in der Stützschiene 16 Hochdruckluft in die Schlitze mit der Dichtung 34 leiten können. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Mittel zum Regeln und Verteilen der Leckage durch die Dichtung durch Anbringen intermittierender Vorsprünge 42 in den zylindrischen Teilen 40 der Dichtung 34 in Strömungsrichtung nach der radialen Sperre vorgesehen, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei deren Größe und Anzahl die Leckagemenge bestimmt. Die auf diese Weise austretende Menge der Leckageströmung kann auch durch Verändern der Größe der Öffnungen 18 in den Stützschienen 16 gesteuert werden. Diese Leckage von Hochdruckluft an den Dichtungen vorbei und durch den in Umfangsrichtung liegenden Spalt zwischen den Innendeckbändern liefert einen Luftschleier, der über die äußere Fläche des Innendeckbands strömt und einen Kühlluftschleier erzeugt, der über die Außenfläche des Innendeckbands strömt und es dabei kühlt.

Claims

1. Eine Gasturbine eines Typs mit einem Turbinenzylinder (48), der abwechselnd Reihen stationärer Leitschaufeln (10) und umlaufender Laufschaufeln (28) enthält, die in einem ringförmigen Strömungsweg angeordnet sind, wobei jede dieser Leitschaufeln (10) ein in Radialrichtung innen liegendes Ende mit einem Innendeckbandteil (12) an jedem dieser in Radialrichtung innen liegenden Enden aufweist, wobei jedes dieser Innendeckbänder (12) erste und zweite Kanten (50) an ihren umfangsmäßigen Enden aufweist, diese Kanten (50) jedes aneinanderstoßenden Paares Innendeckbänder einen in Umfangsrichtung liegenden Spalt (44) bilden; mit einer radialen Sperre (16), die sich umfangsmäßig um dieses Deckband erstreckt und von diesem Deckband aus nach innen vorsteht, um auf diese Weise einen Deckbandhohlraum (24) zu bilden, und wobei diese radiale Sperre (16) den Strom der zu diesem Deckbandhohlraum (24) geleiteten Hochdruckluft einschränkt, und jeweils ein hantelförmiger Dichtstreifen (34) zwischen aneinanderliegenden Deckbändern angeordnet ist, deren jeder zwei zylindrische Längskanten mit entlang diesen Längskanten ausgebildeten Dichtflächen aufweist, die in die in diesen aneinander anliegenden Innendeckbändern (12) ausgebildeten Aussparungen (38) eingesetzt sind, so daß dieser in Umfangsrichtung verlaufender Spalt (44) umspannt wird; dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl intermittierender Vorsprünge (42) in jeder dieser zylindrischen Kanten ausgebildet sind, wobei Größe und Anzahl derselben in Abhängigkeit vom gewünschten Leckagestrom gewählt werden, daß Löcher (36) in jedem dieser Innendeckbänder (12) vorgesehen sind, die sich von der Innenfläche des Deckbands zu diesem Schlitz (38) in einer dieser Kanten (50) und von dieser Innenfläche des Deckbands (12) zu diesem Schlitz in der anderen dieser Kanten (50) erstreckt; daß Löcher (18) in dieser radialen Sperre (16) sich von dieser vorderen zu dieser hinteren Seite dieser Sperre (16) erstrecken; und daß jedes dieser Innendeckbänder (12) eine Verteilerleitung (14) hat, die zur Verbindung zwischen diesen Löchern (18) in dieser radialen Sperre (16) und dieser Löchern (36) in dem jeweiligen Innendeckband (12) dient.

2. Eine Gasturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Dichtstreifen (34) einen hantelförmigen Querschnitt aufweist und zylinderförmige Teile (40) hat, wobei sich jeder dieser zylinderförmigen Teile (40) entlang der Länge des jeweiligen Dichtstreifens (34) erstreckt und der Durchmesser dieser zylindrischen Teile (40) ungefähr gleich ist der Breite dieser Schlitze (38), und auf diese Weise diese Dichtflächen ausgebildet sind.