DE69206556T2

DE69206556T2 - Schaufeleinsatz für die Luftkühlung von Gasturbinenschaufeln.

Info

Publication number: DE69206556T2
Application number: DE69206556T
Authority: DE
Inventors: Christopher Dean Dishman; Kent Goran Hultgren; William Edward North; Heusden Gary Scott Van
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2012-09-05
Also published as: CA2079181A1; US5145315A; JPH0776522B2; EP0534207A1; JPH05195705A; DE69206556D1; EP0534207B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen, im besonderen eine Schaufeleinsatzanordnung zur Verteilung von Kühlluft innerhalb einer Gasturbinenleitschaufel. Eine Gasturbine beinhaltet eine Vielzahl stationärer Leitschaufeln, die in ihrem Turbinenabschnitt in reihenweise in Umfangsrichtung angeordnet sind. Da diese Leitschaufeln von dem aus dem Brennkammerabschnitt ausströmenden Heißgas beaufschlagt werden, ist die Kühlung dieser Leitschaufeln von höchster Bedeutung. Typischerweise wird die Kühlung durch das Strömen von Kühlluft durch die im Leitschaufelprofil ausgebildeten Hohlräume bewirkt. Ein rohrförmiger Einsatz ist zur Verteilung der Luft innerhalb des Hohlraums in jedem dieser Hohlräume angeordnet. Zusätzlich ist eine Aufprallplatte am äußeren Deckband der Leitschaufel befestigt. Die Aufprallplatte weist eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern zur Förderung der Bildung von Kühlluftströmen auf, die auf das äußere Deckband aufprallen.
Eine Anordnung mit einem Leitschaufel-Kühllufteinsatz und einer Aufprallplatte wird in Dokument US-A-4 693 667 offenbart.
Um die auf die Schaufel gerichtete Kühlluft aufzunehmen, muß das fernliegende Ende mindestens eines Teils der Einsätze einen Eingang bilden, der über die Aufprallplatte hinaus vorsteht. In der Vergangenheit wurde dieser Eingang mittels eines aus einem einzigen Stück bestehenden Einsatzes geschaffen, der lang genug war, um über die Aufprallplatte hinaus vorzustehen. Es ist jedoch schwierig, solche langen Einsätze am äußeren Deckband zu befestigen, da das vorstehende Ende des Einsatzes den Zugang zu dem Teil des Einsatzes einschränkt, der als Deckplatte bezeichnet wird, entlang dem der insatz an das Deckband geschweißt werden muß. Dieser Zugang zum Schweißen ist besonders eingeschränkt im Bereich der hinteren Halteschiene und der hochstehenden Ränder des äußeren Deckbands. Dieser fehlende Zugang zum Schweißen erhöht nicht nur die Herstellungskosten der Leitschaufel, sondern führt oft auch zu einer Schweißnaht minderer Qualität, die fehleranfällig ist. Folglich wäre es erwünscht, einen Einsatz mit einem Eingang herzustellen, der sich über die Aufprallplatte hin erstreckt, jedoch hinreichend Zugang zum Schweißen des Einsatzes an das äußere Deckband bietet.
In der Vergangenheit wurde das Loch in der Aufprallplatte, in dem der Einsatz sitzt, durch Anlegen einer Dichtung an der Aufprallplatte abgedichtet, die gegen den Einschub drückt, d.h. die Dichtungen bildeten Öffnungen, die kleiner waren als die Öffnung des Einsatzes, so daß zwischen Einsatz und Dichtung ein Preßsitz entstand. Diese Lösung war nötig, da eine erfolgreiche Abdichtung durch direktes Anschweißen der Dichtungen sowohl an die Aufprallplatte als auch an die Einsätze mit den auf dem Stand der Technik vorhandenen Einsätzen nicht durchführbar war. Das ist so, weil die Einsätze nicht die hinreichende Flexibilität aufweisen, um den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Einsatz und der Aufprallplatte zu widerstehen. Folglich führte das Schweißen der Dichtung an beide Komponenten zu Rissen in den Dichtungen oder in den Schweißnähten. Leider geht der Preßsitz zwischen der Dichtung und dem Einsatz nach längerem Betrieb aufgrund von Verschleiß und Kriechen manchmal verloren, was zu einem Durchlecken von Kühlluft führt.
Folglich ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mit hinreichender Flexibilität zu bieten, um eine erfolgreiche Abdichtung mittels des Einbaus von Dichtungen zu ermöglichen, die sowohl an die Aufprallplatte als auch an die Einsätze geschweißt werden.
Im Hinblick auf diese Aufgabe gründet die vorliegende Erfindung in einer Gasturbine mit einer Vielzahl von Turbinenleitschaufeln, wobei jede dieser Leitschaufeln mit Kühlluft versorgt wird und einen Schaufelprofilteil aufweist, der einen Hohlraum bildet; ein Einsatz zur Richtung des Kühlluftstroms in diesem Hohlraum angeordnet ist, wobei dieser Einsatz ein erstes und ein zweites Ende hat; einen Deckbandteil, von dem aus sich der Schaufelprofilteil erstreckt, wobei der Einsatz am ersten Ende an dem Deckbandteil befestigt ist; und eine Platte aufweist, die mindestens einen Teil des Deckbands abdeckt, wobei in der Platte ein Loch ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Einsatzverlängerung durch einen Teil des Einsatzes und über das erste Ende des Einsatzes hinaus und durch das Loch in der Platte erstreckt, wobei diese Einsatzverlängerung beabstandet zu diesem Einsatz angeordnet ist, um einen ringförmigen Spalt zwischen ihnen auszubilden, und daß sich mindestens eine Dichtung zwischen der Einsatzverlängerung und dem Einsatz zum Abdichten des ringförmigen Spalts erstreckt.
Die Erfindung wird leichter verständlich anhand der folgenden Beschreibung einer als Beispiel dargestellten bevorzugten Ausführungsform und der begleitenden Zeichnungen, wobei:
Figur 1 eine Aufrißansicht einer Turbinenleitschaufel ist.
Figur 2 ist eine isometrische Ansicht des in Figur 1 dargestellten äußeren Deckbandteils vor Einbau der Einsätze.
Figur 3 ist eine isometrische Ansicht der Aufprallplatte.
Figur 4 ist eine Ansicht ähnlich der aus Figur 2, nach dem Einbau der Kühllufteinsätze.
Figur 5 ist eine isometrische Ansicht eines der in Figur 4 dargestellten Einsätze.
Figur 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Figur 10.
FIgur 7 ist ein Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in Figur 4.
Figur 8 ist eine ähnliche Ansicht wie Figur 4, nach Einbau der Kühllufteinsatzverlängerungen.
Figur 9 ist eine isometrische Ansicht einer der in Figur 8 dargestellten Einsatzverlängerungen.
Figur 10 ist ähnliche Ansicht wie Figur 8, nach Einbau der Aufprallplatte.
In Figur 1 wird eine Gasturbinenleitschaufel 1 dargestellt. Eine Vielzahl solcher Schaufeln sind reihenweise umfangsmäßig im Turbinenabschnitt der Gasturbine angeordnet und dienen zur richtigen Führung des Heißgasstroms aus dem Brennkammerabschnitt zu den umlaufenden Laufschaufeln. Die in Figur 1 dargestellte Leitschaufel 1 ist eine Leitschaufel in der ersten Reihe und wird daher direkt von dem aus dem Brennkammerabschnitt austretenden Heißgas beaufschlagt. Daher ist die Kühlung dieser Schaufeln von höchster Bedeutung. Die Leitschaufel 1 besteht aus einem zwischen dem inneren und dem äußeren Deckband 2 bzw. 3 angeordneten Schaufelprofil 7. Halteschienen 4 und 5 werden zur Befestigung der Leitschaufel 1 an einem (nicht dargestellten) Innenzylinder eingesetzt, der als Schaufelkranz bezeichnet wird.
Wie in Figur 1 gezeigt, wird Kühlluft 6, die von der Austrittsluft des Verdichterabschnitts genommen werden kann, auf das äußere Deckband 2 der Leitschaufel geführt. Wie in Figur 2 gezeigt wird, bilden die Wände des Schaufelprofils 7 jeweils hohle Räume 11, 12 und 13 im Eintrittskantenbereich, im mittleren Abschnitt und im Austrittskantenbereich der Leitschaufel 1. Wie in Figur 4 gezeigt wird, sind Einsätze 14, 15 und 16 in diesen Hohlräumen angeordnet. Wie in Figur 5 dargestellt wird, die nur Einsatz 14 zeigt, aber beispielhaft auch für die Einsätze 15 und 16 ist, sind die Einsätze rohrförmige Glieder, die eine Vielzahl von Löchern zur Verteilung der Kühlluft 6 innerhalb der Hohlräume aufweisen und so eine einheitliche Kühlung der Leitschaufel 1 gewährleisten.
Wie in Figur 4 dargestellt wird, erstrecken sich Abdeckplatten 17, 18 und 19 jeweils kurz unter dem oberen Ende um die einzelnen Einsätze 14, 15, und 16 und bilden Flansche zur Befestigung der Einsätze am äußeren Deckband 2. Eine im äußeren Deckband 2 ausgebildete, radial nach außen zeigende Fläche 10 dient als Befestigungsfläche für die Einsatzabdeckplatten. Die nach außen zeigende Fläche 10 erstreckt sich von einer im äußeren Deckband 2 ausgebildeten Aussparung 9 nach oben.
Die Einsätze 14, 15 und 16 werden durch Schweißen, z.B. WIG- Schweißen, der Abdeckplatten 17, 18 und 19 an der Befestigungsfläche 10 am äußeren Deckband befestigt. Erfindungsgemäß stehen die Einsätze 14, 15 und 16 nur wenig, in Figur 6 als Maß A dargestellt, über die Befestigungsfläche hinaus vor. Zwar kann sich die bevorzugte Länge des Maßes A mit der Größe der Schaufel verändern, jedoch ist das Maß A in der bevorzugten Ausführungsform einer Leitschaufel einer großen Industrie-Gasturbine, wie sie in Figur 1 dargestellt wird, kleiner als etwa 0,25 cm (0,1 Zoll). So besteht hinreichend Zugang zur Abdeckplatten/Befestigungsflächen-Schnittstelle zur korrekten Anbringung der Schweißnaht, auch in der Nähe der hochstehenden Ränder 31 des äußeren Deckbands 2, die sich angrenzend an die Befestigungsfläche 10 radial nach außen erstrecken, wie in Figur 7 gezeigt wird.
Nach Einbau der Einsätze 14, 15 und 16 und Anschweißen der Abdeckplatten 17, 18 und 19 werden Einsatzverlängerungen 20 und 21 jeweils in die Enden der Einsätze 17 und 18 eingesetzt, wie in Figur 8 gezeigt wird. Wie in Figur 9 gezeigt wird, die nur die Einsatzverlängerung 20 darstellt, aber auch beispielhaft für die Einsatzverlängerung 21 ist, sind die Einsatzverlängerungen kurze, rohrförmige Abschnitte. Wie in Figur 6 gezeigt wlrd, sind die äußeren Querschnittsebmessungen der Einschubverlängerungen etwas geringer als die Innenquerschnittsabmessungen der Einsätze 14 und 15, so daß ein ringförmiger Spalt zwischen den Einsätzen und den Einsatzverlängerungen gebildet wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der ringförmige Spalt 30 etwa 0,25 mm (0,10 Zoll) breit.
Wie in Figur 6 dargestellt wird, werden Krägen 22 und 23 entlang dem oberen Rand jeweils an die Einsatzverlängerungen 20 und 21 geschweißt, vorzugsweise vor Einsetzen der Verlängerungen in die Einsätze. Die Einsatzverlängerungen 20 und 21 werden dann durch Schweißen der Krägen 22 und 23 jeweils entlang der unteren Kante der Abdeckplatten 17 und 18 an den Einsätzen 14 und 15 befestigt. So bilden die Krägen ringförmige Dichtungen, die sich zwischen den Einsatzverlängerungen und den Einsätzen erstrecken und verhindern, daß Kühlluft aus den Einsätzen ausleckt. Da in der bevorzugten Ausführungsform die Dichtungskrägen 22 und 23 sehr dünn sind, vorzugsweise 0,13 - 0,25 mm (5 - 10 mils), können sie durch Punktschweißen an die Krägen 17 und 18 geschweißt werden, so daß der Zugang zur Schweißstelle nach Einbau der Einsatzverlängerungen 20 und 21 kein Problem ist, wie es beim WIG- Schweißen der Krägen 22 und 23 an das äußere Deckband der Fall ist.
Nach Einbau der Einsatzverlängerungen 20 und 21 wird eine Aufprallplatte 24, dargestellt in Figur 3, über das äußere Deckband 2 gesetzt, so daß sie die Aussparung 9 mit der Fläche 10 abdeckt, wie in Figur 10 dargestellt wird. Eine Vielzahl kleiner Löcher 25 ist in der Aufprallplatte 24 ausgebildet, so daß ein Teil der zum äußeren Deckband geführten Kühlluft 6 in Luftströme umgewandelt wird, die mit hoher Geschwindigkeit auf die Deckbandfläche aufprallen und eine starke Kühlung bewirken. Wie in Figur 6 dargestellt wird, sind die Einsatzverlängerungen 20 und 21 lang genug, um sich durch die großen Löcher in der Aufprallplatte zu erstrecken. So bilden die Einsatzverlängerungen 20 und 21 Eingänge für die Kühlluft 6 für die Einsätze 14 und 15.
Die Einsatzverlängerungen 20 und 21 erstrecken sich um eine Strecke, die in Figur 6 als Abstand B bezeichneten wird, über die Befestigungsfläche 10 hinaus. In der bevorzugten Ausführungsform, die in großen Industrie-Gastrubinen eingesetzt wird, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, beträgt der Abstand B mindestens etwa 1,25 cm (0,5 Zoll). Während der Herstellung der Leitschaufel wird die Aufprallplatte 24 entlang ihres Umfangs an das äußere Deckband 2 geschweißt. Als nächstes werden, wie in Figur 6 dargestellt ist, Dichtungskrägen 26 und 27, ähnlich den Dichtungskrägen 22 und 23, jeweils entlang ihrer oberen und unteren Kanten an die Einsatzverlängerungen und die Aufprallplatte geschweißt und bilden so ringförmige Dichtungen, die das Auslecken von Kühlluft verhindern.
So sieht die erfindungsgemäße Kühllufteinsatzanordnung, anders als bisher bekannte Anordnungen, Kühllufteinsätze für die Einsätze 14 und 15 vor, die sich über die Aufprallplatte 24 hinaus erstrecken und doch ausreichenden Zugang für das WIG-Schweißen der Einsatzabdeckplatten 17 und 18 an das äußere Deckband 2 ermöglichen. Dies wird erreicht durch den Gebrauch der Einsatzverlängerungen 20 und 21, die erst nach dem Anschweißen der Einsätze an das äußere Deckband eingebaut werden. Die Einsatzverlängerungs-Dichtungskrägen 22 und 23 sind dünn genug, um durch Punktschweißen an den Einsatzabdeckplatten 17 und 18 befestigt zu werden, so daß der begrenzte Zugang zu den Einsatzkrägen nach dem Einbau der Einsatzverlängerungen kein Problem darstellt.
Darüber hinaus weist die Anordnung eine bemerkenswerte Flexibilität auf durch (i) Vorhandensein des Spalts 30 zwischen den Einsätzen und den Einsatzverlängerungen, und (ii) Einsatz der dünnen, flexiblen Dichtungskrägen 22, 23, 26 und 27 zur Befestigung der Einsatzverlängerungen an den Einsätzen und an der Aufprallplatte. Folglich schließt die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen der Aufprallplatte 24 und den Einsätzen 14 und 15 ein Schweißen der vorgenannten Dichtungskrägen entlang ihren oberen und unteren Kanten an diese Komponenten nicht aus, so daß wirksame Dichtungen zwischen den Einsatzverlängerungen und den Einsätzen und zwischen den Einsatzverlängerungen und der Aufprallplatte gebildet werden.

Claims

1. Eine Gasturbine mit einer Vielzahl von Turbinenleitschaufeln (1), wobei jede dieser Leitschaufeln (1) mit Kühlluft (6) versorgt wird und einen Schaufelprofilteil (7) aufweist, der einen Hohlraum (11) bildet; ein Einsatz (14) zur Richtung des Kühlluftstroms (6) in diesem Hohlraum (11) angeordnet ist, wobei dieser Einsatz (14) ein erstes und ein zweites Ende hat; einen Deckbandteil (2), von dem aus sich der Schaufelprofilteil (7) erstreckt, wobei der Einsatz (14) am ersten Ende an dem Deckbandteil (2) befestigt ist; und eine Platte (24) aufweist, die mindestens einen Teil des Deckbands (2) abdeckt, wobei in der Platte (24) ein Loch (28) ausgebildet ist; dadurch gekennzelchnet, daß sich eine Einsatzverlängerung (20) durch einen Teil des Einsatzes (14) und über das erste Ende des Einsatzes (14) hinaus und durch das Loch (28) in der Platte (24) erstreckt, wobei diese Einsatzverlängerung beabstandet zu diesem Einsatz (14) angeordnet ist, um einen ringförmigen Spalt (30) zwischen ihnen auszubilden, und daß sich mindestens eine Dichtung (22) zwischen der Einsatzverlängerung (20) und dem Einsatz (14) zum Abdichten des ringförmigen Spalts (30) erstreckt.

2. Eine Gasturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtung (22) sowohl an den Einsatz (14) als auch an die Einsatzverlängerung (20) geschweißt wird.

3. Eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenneichnet, daß jede Schaufel (1) eine zweite Dichtung (26) beinhaltet, die sich zwischen der Einsatzverlängerung (20) und der Platte (24) erstreckt, wobei die zweite Dichtung (26) sowohl an den Einsatz (14) als auch an die Platte (24) geschweißt wird.