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Die Erfindung betrifft Verfahren
zum Kühlen von
Statorleitschaufeln in einer Gasturbinenmaschine.
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Statorleitschaufelanordnungen werden
verwendet, um eine Fluidströmung,
die in Rotoranordnungen bei einer Gasturbinenmaschine gelangt oder diese
verläßt, zu lenken.
Jede Statorleitschaufelanordnung weist typischerweise eine Mehrzahl
von Statorleitschaufeln auf, die sich radial zwischen einer inneren
und einer äußeren Plattform
erstrecken. Die Temperatur der an den Statorleitschaufeln vorbei strömenden Kerngasströmung erfordert
typischerweise ein Kühlen
in den Statorleitschaufeln. Kühlmethoden,
insbesondere Filmkühlung,
erlauben eine größere Vielzahl
von Leitschaufelmaterialien und erhöhen die Leitschaufellebensdauer.
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"Kühlluft" bei einer niedrigeren
Temperatur und bei einem höheren
Druck als das Kerngas wird typischerweise in einen inneren Hohlraum
einer Leitschaufel eingebracht, wo sie Wärmeenergie absorbiert. Die
Kühlluft
verlässt
anschließend
die Leitschaufel durch Öffnungen
in den Leitschaufelwänden,
transportiert die Wärmeenergie
weg von der Leitschaufel. In Fällen,
bei denen Filmkühlen
verwendet wird, sind die Druckdifferenz über die Leitschaufelwände und
die Strömungsrate,
mit der die Kühlluft die
Leitschaufel verlässt,
kritisch, insbesondere entlang der Vorderkante, wo die Filmkühlung beginnt. Historisch
wurden interne Leitschaufelstrukturen (für Leitschaufeln, die Filmkühlen verwenden)
definiert, indem erst die minimal zulässige Druckdifferenz an jedem
Punkt entlang der Vorderkante (Innendruck zu Außendruck) etabliert wurde,
und anschließend
wurde die interne Leitschaufelstruktur entlang der gesamten Vorderkante
derart manipuliert, dass entlang der gesamten Vorderkante die minimal
zulässige Druckdifferenz
vorhanden war. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Kerngasströmung-Druckgradienten
entlang der Vorderkante einer Leitschaufel einen oder mehrere schmale
Bereiche (d. h. "spikes" oder "Spitzen") bei einem Druck
haben, der beträchtlich
höher ist
als der Restgradient entlang der Vorderkante. Das trifft insbesondere
für solche
Statorleitschaufeln zu, die hinter Rotoranordnungen angeordnet sind,
wo eine Relativbewegung zwischen den Rotorlaufschaufeln und den
Statorleitschaufeln signifikant das Kerngasströmungsprofil beeinflussen kann.
Das Erhöhen
des minimal zulässigen
Drucks zum Aufnehmen dieser Spitzen konsumiert eine exzessive Menge
an Kühlluft.
Der Fachmann wird erkennen, dass ein entscheidender Vorteil ist,
die für Kühlzwecke
erforderliche Menge an Luft zu minimieren.
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US-A-4 257 737 beschreibt eine Anordnung zum
Kühlen
einer Rotorlaufschaufel. EP-A-0 302 810 und US-A-5 498 126 beschreiben
Anordnungen zum Kühlen
von Strömungsprofilen
in Gasturbinenmaschinen.
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Benötigt wird deshalb ein Verfahren
zum Aufnehmen von Hochdruckspitzen in der der Vorderkante einer
Statorleitschaufel benachbarten Kerngasströmung.
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Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen
einer Statorleitschaufel bereitzustellen, das Hochdruckspitzen in der
Kerngasströmung
außerhalb
der Statorleitschaufelvorderkante aufnehmen kann.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen
einer Statorleitschaufel bereitzustellen, welches die Nutzlebensdauer
der Leitschaufel verlängert.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen
einer Statorleitschaufel bereitzustellen, welches die Filmkühlung über das Äußere der
Leitschaufel verbessert.
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Gemäß einem ersten Aspekt liefert
die Erfindung ein Verfahren zum Erzielen einer verbesserten Kühlung einer
Statorleitschaufel in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend die
folgenden Schritte: (a) Bestimmen für eine Statorleitschaufelposition
einen Gasströmungsdruckgradienten
in der bei Betrieb auf die Statorleitschaufel gerichteten Gasströmung, einschließlich der
Größe des Gradienten
und der Position relativ zu der Statorleitschaufel; (b) Bereitstellen einer
Statorleitschaufel an dieser Position, die ein hohles Strömungsprofil
hat mit ei ner Vorderkante und einer Hinterkante, einer Hochdruckkammer,
die in dem hohlen Strömungsprofil
der Vorderkante benachbart angeordnet ist, einer Standarddruckkammer,
die in dem hohlen Strömungsprofil
der Vorderkante benachbart angeordnet ist, eine Versorgungskammer,
die in dem hohlen Strömungsprofil
hinter der Hochdruck- und der Standardruckkammer und vor der Hinterkante
angeordnet ist, zum Aufnehmen von Kühlluft, eine Mehrzahl von ersten
Einlassöffnungen,
die sich zwischen der Hochdruckkammer und der Versorgungskammer
erstrecken, wobei die ersten Einlassöffnungen eine erste Querschnittsfläche haben,
eine Mehrzahl von zweiten Einlassöffnungen, die sich zwischen
der Standarddruckkammer und der Versorgungskammer erstrecken, wobei
die zweiten Einlassöffnungen
eine zweite Querschnittsfläche
haben, eine Mehrzahl von ersten Austrittsöffnungen, die sich von der
Hochdruckkammer zur Außenseite
des Strömungsprofils
erstrecken, wobei diese eine dritte Querschnittsfläche haben,
und eine Mehrzahl von zweiten Austrittsöffnungen, die sich von der
Standarddruckkammer zur Außenseite
des Strömungsprofils
erstrecken, wobei diese eine vierte Querschnittsfläche haben,
wobei die Hochdruckkammer entlang der Vorderkante positioniert ist,
um einem Hochdruckbereich in dem Gasströmungsdruckgradienten gegenüber zu liegen,
und wobei die ersten und die zweiten Einlass- und Austrittsöffnungen
derart sind, dass für
einen vorgegebenen Druck in der Versorgungskammer der Druck in der
Hochdruckkammer größer ist
als der Druck in der Standarddruckkammer.
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Somit ist gemäß der Erfindung eine Hochdruckkammer
der Statorleitschaufel angeordnet, dass sie einem auf das Strömungsprofil
wirkenden äußeren Hochdruckbereich
oder einer Druckspitze gegenüber
liegend positioniert ist. Der Druck in der Hochdruckkammer wird
erzielt, indem die Einlassöffnungen
oder sowohl die Einlass- als auch die Auslassöffnungen derart manipuliert
sind, dass für
einen vorgegebenen Druck in der Versorgungskammer der Druck in der
Hochdruckkammer größer ist
als der Druck in der Standarddruckkammer.
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Eine derartige Anordnung hat den
Vorteil, dass es möglich
ist, der Leitschaufelvorderkante benachbart Hochdruckspitzen in
der Kerngasströmung aufzunehmen.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass ein Verfahren bereitgestellt wird, welches die
Verwendung von Kühlluft
minimiert. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die Vorderkantenkühlung an
den auf die Statorleitschaufel gerichteten Druckgradienten maßzuschneidern.
Als Folge kann entlang der Vorderkante Kühlluft mit höherem Druck bereitgestellt
werden, um äußeren Hochdruckbereichen
von Heißgas
gegenüber
zu liegen.
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Eine weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass die Nutzlebensdauer einer Statorleitschaufel
erhöht
sein kann. Die vorliegende Erfindung liefert einen hohen Innendruck
entlang der Vorderkante gegenüber
von äußeren Heißgas-Hochdruckbereichen.
Als Folge ist ein unerwünschtes
Einströmen
von Heißgas
und eine anschließende
Beschädigung
vermieden und so die Nutzlebensdauer der Leitschaufel erhöht.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist, dass sie ein Verfahren bereitstellt zum präziseren
Kontrollieren der Druckdifferenz über die Vorderkante, was wiederum
ein Optimieren der Filmkühlung über das Äußere der
Leitschaufel ermöglicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, für die
gilt:
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1 ist
eine schematische Ansicht einer geschnittenen Statorleitschaufel,
die mit einem auf die Vorderkante gerichteten Druckgradienten gezeigt ist.
Der Gradient weist eine der äußeren Plattform
der Leitschaufel benachbarte einzelne Spitze auf;
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2 ist
eine schematische Ansicht einer geschnittenen Statorleitschaufel,
die mit einem auf die Vorderkante der Leitschaufel gerichteten Druckgradienten
gezeigt ist. Der Gradient weist eine dem radialen Mittelpunkt der
Leitschaufel benachbarte einzelne Spitze auf;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer geschnittenen Statorleitschaufel,
die mit einem auf die Vorderkante der Leitschaufel gerichteten Druckgradienten
gezeigt ist. Der Gradient weist ein Spitzenpaar auf.
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Es wird auf die 1 bis 3 Bezug
genommen. Eine Turbinenstatorleitschaufel 10 weist eine äußere Plattform 12,
eine innere Plattform 14 und ein sich dazwischen erstreckendes
Strömungsprofil 16 auf.
Das hohle Strömungsprofil 16 weist
eine vordere Kante oder "vorangehende" Kante 18 und
eine hintere oder "nachlaufende" Kante 20 auf.
Das hohle Strömungsprofil 16 weist
ferner eine Hochdruckkammer 22, eine Standarddruckkammer 24 und
einer Versorgungskammer 26 auf. Die Hochdruckkammer 22 und die
Standarddruckkammer 24 sind in dem hohlen Strömungsprofil 16 der
Vorderkante 18 benachbart angeordnet. Die Versorgungskammer 26 ist
hinter der Hochdruckkammer 22 und der Standarddruckkammer 24 und
vor der Hinterkante 20 angeordnet. Die in den 1 bis 3 gezeigten Anordnungen weisen ferner
eine Serpentinenkammer 28 auf, die zwischen der Versorgungskammer 26 und
der Hinterkante 20 angeordnet ist. Eine erste Passage 30 erstreckt
sich von der Versorgungskammer 26 durch die äußere Plattform 12 zu
dem Äußeren der äußeren Plattform 12. Ähnlich erstreckt
sich eine zweite Passage 32 von der Serpentinenkammer 28 durch die äußere Plattform 12 zu
dem Äußeren der äußeren Plattform 12.
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Eine Mehrzahl von ersten Einlassöffnungen 34 erstreckt
sich zwischen der Versorgungskammer 26 und der Hochdruckkammer 22,
und eine Mehrzahl von ersten Austrittsöffnungen 36 erstreckt
sich zwischen der Hochdruckkammer 22 und dem Äußeren des
Strömungsprofils 16. Ähnlich erstreckt
sich eine Mehrzahl von zweiten Einlassöffnungen 38 zwischen der
Versorgungskammer 26 und der Standarddruckkammer 24,
und eine Mehrzahl von zweiten Austrittsöffnungen 40 erstreckt
sich zwischen der Standarddruckkammer 24 und dem Äußeren des
Strömungsprofils 16.
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Bei dem Betrieb der Gasturbinenmaschine wirkt
eine heiße
Kerngasströmung
auf das Strömungsprofil 16 einer
Statorleitschaufel 10 auf eine unsymmetrische Weise. Das
trifft insbesondere für Statorleitschaufeln 10 zu,
die hinter Rotor anordnungen (nicht gezeigt) angeordnet sind. Die
unsymmetrische Kerngasströmung
kann grafisch als ein Druckgradient 42 dargestellt werden,
und zeigt den Druck in der Kerngasströmung entlang der Vorderkante. 1 zeigt ein Beispiel eines
Druckgradienten 42, der eine einzelne Spitze 44 (d.
h. ein Hochdruckbereich) aufweist, der der äußeren Plattform 12 der äußeren Leitschaufel 10 benachbart
positioniert ist. 2 zeigt
ein Beispiel eines Druckgradienten 42 mit einer einzelnen
Spitze 44, die dem radialen Mittelpunkt der Leitschaufel 10 benachbart
positioniert ist. 3 zeigt
ein Beispiel eines Druckgradienten 42, der ein Spitzenpaar 44 aufweist.
Der Fachmann wird erkennen, dass eine Statorleitschaufel 10 einer
unbegrenzten Anzahl von unterschiedlichen Druckgradienten ausgesetzt
sein kann, abhängig
von den Strömungsbedingungen
strömungsaufwärts der
Statorleitschaufel 10. Kühlluft 46 bei einer
Temperatur, die niedriger ist und einem Druck, der höher ist
als die Kerngasströmung,
wird in die Statorleitschaufel 10 durch die Passagen 30, 32 in
der äußeren Plattform 12 gelenkt.
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Der Druckgradient 42 gegenüber der
Statorleitschaufel 10 wird nach Größe und Position relativ zu
der Statorleitschaufel 10 evaluiert. Sobald die Größe des Druckgradienten 42 bekannt
ist, werden die Einlassöffnungen 34 und
die Austrittsöffnungen 36 der
Hochdruckkammer 22 manipuliert, um einen Druck (PH) in der Hochdruckkammer 22 zu
erzeugen, der den Kerngasdruck außerhalb der Leitschaufel (PCORE SPIKE) der Hochdruckkammer 22 benachbart
für einen
vorgegebenen Druck der Versorgungskammer 26 (PSUP) überschreitet. Ähnlich werden
die Einlassöffnung 38 und
die Austrittsöffnung 40 der
Standarddruckkammer 24 manipuliert, um einen Druck (PST) in der Standarddruckkammer 24 zu
erzeugen, der den Kerngasdruck außerhalb der Leitschaufel (PCORE AVG) der Standarddruckkammer 24 benachbart
für einen vorgegebenen
Druck der Versorgungskammer 26 (PSUP) überschreitet.
Relativ gesehen ist der Druck in der Versorgungskammer 26 größer als
in der Hochdruckkammer 22, der wiederum größer ist
als in der Standardkammer 24 (PSUP > PH > PST).
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In den meisten Fällen kann die Druckdifferenz
zwischen der Hochdruckkammer 22 und der Standarddruckkammer 24 erzeugt
werden, indem die Durchmesser der ersten Einlassöffnungen 34 die der zweiten
Einlassöffnungen 38 über schreiten,
d. h. ein geringerer Druckabfall zwischen der Versorgungskammer 26 und
der Hochdruckkammer 22 als er zwischen der Versorgungskammer 26 und
der Standarddruckkammer 24 vorherrscht. In anderen Fällen, wo Herstellungseinschränkungen
den Durchmesser der Öffnungen
beschränken,
kann die Anzahl von ersten Einlassöffnungen 34 und zweiten
Einlassöffnungen 38 manipuliert
werden für
einen ähnlichen
Effekt an Stelle von oder zusätzlich
zu dem Variieren des Durchmessers. Die ersten Austrittsöffnungen 36 und die
zweiten Austrittsöffnungen 40 können ebenso
in entsprechender Weise manipuliert werden, um die Drücke in der
Hochdruckkammer 22 und der Standarddruckkammer 24 zu
beeinflussen. Tatsächlich gleicht
auf einer Basis pro Öffnung
bei der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die die ersten Öffnungen 36 verlassende
Strömungsrate der
die zweite Austrittsöffnung 40 Verlassenden. Strömungsratengleichförmigkeit über die
Vorderkante 18 wird erzielt, indem man die Durchmesser
der ersten Austrittsöffnungen 36 kleiner
als die der zweiten Austrittsöffnungen 40 macht.
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Sobald die Position des Druckgradienten 42 relativ
zu der Statorleitschaufel 10 bekannt ist, wird die Hochdruckkammer 22 in
der Vorderkante 18 der Statorfeitschaufel 10 den
Druckspitzen 44 gegenüber positioniert.
Beispielsweise weist in der 1 die Statorleitschaufel 10 eine
einzelne Hochdruckkammer 22 auf, die der der äußeren Plattform 12 benachbarten
Druckspitze 44 gegenüber
positioniert ist. 2 zeigt
eine Hochdruckkammer 22, die der dem radialen Mittelpunkt
der Leitschaufel 10 benachbarten Druckspitze 44 gegenüber positioniert
ist. 3 zeigt jeder Druckspitze 44 gegenüber positioniert eine
Hochdruckkammer 22. In allen drei Beispielen erstreckt
sich eine oder mehrere Standarddruckkammer 24 entlang dem
Rest der Vorderkante 18.
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Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme
auf detaillierte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass
verschiedene Änderungen
in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
Erfindung, wie durch die Ansprüche
definiert, abzuweichen.