Beschreibungdescription
Anordnung von Turbinenleitschau einArrangement of turbine guide
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Turbinenleitschaufeln, insbesondere Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen, mit jeweils einem radial außen angeordneten Fußbereich, einem radial innen angeordneten Kopfbereich und einem zwischen Kopfbereich und Fußbereich verlaufenden radialen Kühl- luftkanal, in den Kühlluft in eine Eintrittsöffnung im Fußbereich einleitbar und durch eine Austrittsöffnung im Kopfbereich zumindest teilweise ausleitbar ist.The invention relates to an arrangement of turbine guide vanes, in particular turbine guide vanes of the rearmost stages, each having a radially outer foot region, a radially inner head region and a radial cooling air duct running between the head region and foot region, can be introduced into the cooling air into an inlet opening in the foot region and through an outlet opening in the head area can be at least partially led out.
Ein eine Turbine antreibender Heißgasstrom wird von den sta- tionären Turbinenleitschaufeln zu den Turbinenlaufschaufeln, die auf sich um eine zentrale Turbinenachse drehenden Scheiben befestigt sind, geleitet. Eine kreisförmige Anordnung von Turbinenleitschaufeln, die mit ihren radial äußeren Fußbereichen auf einer stationären Turbinengehäusewand befestigt sind, wechselt sich dabei ab mit einer Anordnung von Turbinenlaufschaufeln auf einer sich drehenden Scheibe. Die radial inneren Kopfbereiche der Turbinenleitschaufeln grenzen an einen U-förmigen inneren Ring, der auf seiner Außenseite eine Labyrinthdichtung aufweist, die gegen Umströmung des U-Rings mit Heißgas abdichtet.A hot gas stream driving a turbine is conducted from the stationary turbine guide vanes to the turbine rotor blades, which are fastened on disks rotating about a central turbine axis. A circular arrangement of turbine guide vanes, which are fastened with their radially outer base regions to a stationary turbine housing wall, alternates with an arrangement of turbine rotor blades on a rotating disk. The radially inner head regions of the turbine guide vanes adjoin a U-shaped inner ring which has a labyrinth seal on its outside, which seals against the flow of hot gas around the U-ring.
Zur Kühlung der durch das vorbeiströmende Heißgas aufgeheizten Turbinenschaufeln wird in der Regel Kühlluft eingesetzt. Bei Turbinenleitschaufeln strömt die Kühlluft beispielsweise durch einen in der Turbinenleitschaufel angebrachten radialen Kühlluftkanal vom radial äußeren Fußbereich der Turbinenleit- schaufel bis zum radial inneren Kopfbereich/ Aus dem Kopfbereich wird die Kühlluft in den angrenzenden U-förmigen Ring eingeleitet. Dieser wird durch die vorbeiströmende Kühlluft gekühlt. Durch einen Überdruck der Kühlluft soll zudem verhindert werden, daß Heißgas in den von dem Kopfbereich der
cυ K 1V> F1 F»Cooling air is generally used to cool the turbine blades heated by the hot gas flowing past. In the case of turbine guide vanes, the cooling air flows, for example, through a radial cooling air duct arranged in the turbine guide vane, from the radially outer root region of the turbine guide vane to the radially inner head region / the cooling air is introduced from the head region into the adjacent U-shaped ring. This is cooled by the cooling air flowing past. An overpressure of the cooling air is also intended to prevent hot gas from entering the area of the head cυ K 1V> F 1 F »
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Fußbereich zurückströmt und durch die Austrittsöffnung ausströmt.Flows back foot area and flows out through the outlet opening.
Durch die Aufteilung des Kühlluftkanals in Innen- und Außen- kanal wird erreicht, daß die Kühlluft zuerst durch den Innenkanal strömt, und am Fußbereich teilweise zur Kühlung des U- förmigen Rings ausströmt und teilweise wieder nach dem Umleiten durch den Außenkanal zurückströmt. Der Innenkanal wird von der Gesamtkühlluftmenge durchströmt und von einer gerin- geren Kühlluftmenge in Form einer Gegenströmung umströmt. Der Kühlluftstrom im den Innenkanal umgebenden Außenkanal ist dabei sehr schnell. Somit liefert er eine gute Kühlung der umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel aufgrund der erhöhten Kühlleistung eines schnelles Kühlluftflusses. Die in einem schnellen Strom zurückströmende Kühlluft isoliert einerseits den Innenkanal und ermöglicht, daß die Kühlluft an der Ausströmstelle in den U-Ring am Kopfbereich eine niedrige Temperatur aufweist, ohne daß große Mengen Kühlluft eingesetzt werden müßten. Zugleich kühlt die zurückströmende Kühl- luft die Seitenwände des Kühlluftkanals und somit die umgebenden Bereiche der Turbinenleitschaufel, die die lasttragenden Bereiche der Turbinenleitschaufel sind. Die Wände der Turbinenschaufel, die den Kühlluftkanal umgeben, sind erfindungsgemäß dicker ausgebildet als im Stand der Technik und somit stabiler. Durch die Umleitung eines Teils des Kühlluftstroms durch den Außenkanal und die schnellere Leitung der Kühlluft im Außenkanal wird somit die Gesamtkühlluftmenge reduziert und zugleich die Temperatur der im Kopfbereich aus der Turbinenleitschaufel zur Kühlung des U-Rings austretenden Kühlluft herabgesetzt. Die Erfindung bietet somit den Vorteil, daß mit geringen Kühlluftmengen sowohl die Turbinenleitschaufel als auch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden.The division of the cooling air duct into the inner and outer duct ensures that the cooling air first flows through the inner duct, and flows out at the foot region partly for cooling the U-shaped ring and partly flows back again after being diverted through the outer duct. The total amount of cooling air flows through the inner duct and a smaller amount of cooling air flows around it in the form of a counterflow. The cooling air flow in the outer duct surrounding the inner duct is very fast. It therefore provides good cooling of the surrounding areas of the turbine guide vane due to the increased cooling capacity of a fast cooling air flow. The cooling air flowing back in a rapid flow isolates the inner channel on the one hand and enables the cooling air at the outflow point into the U-ring at the head region to have a low temperature without large amounts of cooling air having to be used. At the same time, the cooling air flowing back cools the side walls of the cooling air duct and thus the surrounding areas of the turbine guide vane, which are the load-bearing areas of the turbine guide vane. According to the invention, the walls of the turbine blade, which surround the cooling air duct, are thicker than in the prior art and thus more stable. By redirecting part of the cooling air flow through the outer duct and the faster ducting of the cooling air in the outer duct, the total quantity of cooling air is thus reduced and at the same time the temperature of the cooling air emerging from the turbine guide vane for cooling the U-ring is reduced. The invention thus offers the advantage that both the turbine guide vane and the U-shaped ring are sufficiently cooled with small amounts of cooling air.
Wenn die Turbinenleitschaufeln Turbinenleitschaufeln der hintersten Stufen sind, ist gegenüber der Verwendung üblicher Kühlluftkanäle eine verhältnismäßig große Einsparung von
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menge aus. Die Kühlung der Turbinenleitschaufel ist bei den relativ geringen Temperaturen insbesondere in den hinteren Stufen ausreichend.crowd out. The cooling of the turbine guide vane is sufficient at the relatively low temperatures, especially in the rear stages.
Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben werden. Es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is to be given on the basis of the figures. Show it:
Fig. 1 eine Turbinenleitschaufel der hintersten Stufen,1 is a turbine guide vane of the rearmost stages,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Turbinenleitschaufel nach Fig.l undFig. 2 shows a longitudinal section through a turbine guide vane according to Fig.l and
Fig.3 eine schematische Darstellung der Temperaturentwicklung der Kühlluftmassenströ e.3 shows a schematic representation of the temperature development of the cooling air mass flows.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Turbinenleitschaufel 1 der hintersten Stufen. Mit Hilfe des Fußbereichs 2, der Haltevorsprünge 24 aufweist, wird die Turbinenleitschaufel 1 an einer nicht dargestellten Innenwand eines zylinderförmigen Turbinengehäuses befestigt. Von dort aus erstreckt sich die Turbinenleitschaufel 1 mit ihrem Schaufelblatt 18 radial in Richtung einer zentralen Turbinenachse 30 des Turbinengehäuses. Den radial inneren Abschluß der Turbinenleitschaufel 1 bildet der Kopfbereich 3, der ein Plateau 25 und eine bezogen auf die Turbinenachse 30 radial innere bogenförmige Ausnehmung 26 aufweist. An diesen Kopfbereich 3 ist mittels schienenartiger Haltevorsprünge 27 ein U-förmiger Ring 19 angekoppelt. Die Haltevorsprünge 27 greifen dabei in Haltenuten 28 des Uförmigen Rings 19 ein. Die bogenförmige Ausnehmung 26 des Kopfbereichs 3 begrenzt zusammen mit dem U- förmigen Ring 19 einen Hohlraum 20, dessen Längsrichtung 29 quer zur Turbinenachse 30 und zu einer Schaufelachse 31 verläuft. Radial innen am U-förmigen Ring 19 befindet sich eine Labyrinthdichtung 21. Diese dichtet die sich bei Betrieb der Turbine um die zentrale Turbinenachse 31 drehende, angrenzend darunterliegende Turbinenlaufschaufelscheibe 22, die mit
nicht dargestellten Turbinenlaufschaufeln besetzt ist, gegen ein direktes Durchströmen von Heißgas 17 ab.Fig. 1 shows a perspective view of a turbine guide vane 1 of the rearmost stages. With the help of the foot region 2, which has holding projections 24, the turbine guide vane 1 is fastened to an inner wall, not shown, of a cylindrical turbine housing. From there, the turbine guide vane 1 extends with its blade 18 radially in the direction of a central turbine axis 30 of the turbine housing. The radially inner end of the turbine guide vane 1 is formed by the head region 3, which has a plateau 25 and an arcuate recess 26 which is radially inner with respect to the turbine axis 30. A U-shaped ring 19 is coupled to this head region 3 by means of rail-like holding projections 27. The holding projections 27 engage in holding grooves 28 of the U-shaped ring 19. The arcuate recess 26 of the head region 3, together with the U-shaped ring 19, delimits a cavity 20, the longitudinal direction 29 of which extends transversely to the turbine axis 30 and to a blade axis 31. A labyrinth seal 21 is located radially on the inside of the U-shaped ring 19. This seals the turbine rotor blade disk 22, which is located underneath and rotates around the central turbine axis 31 when the turbine is in operation Turbine blades, not shown, is occupied, against a direct flow of hot gas 17.
Das Schaufelblatt 18 weist einen radialen, zylinderförmigen Kühlluftkanal 4 auf, der durchgehend von einer Eintrittsöffnung 36 der Kühlluft 23 im Fußbereich 2 der Turbinenleitschaufel 1 bis zu seiner Austrittsöffnung 35 der Kühlluft im Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 verläuft. Er hat eine Querschnittskontur 34, die im Bereich des Schaufelblatts 18 und des Fußbereichs 2 der Außenkontur 16 des Schaufelblatts 18 ähnelt. Die Querschnittskontur 34 des Kühlluftkanals 4 bleibt bei Betrachtung vom Fußbereich 2 bis vor den Kopfbereich 3 in ihrer Form im wesentlichen erhalten, kann jedoch in der Größe abnehmen. Bei Eintritt des Kühlluftkanals 4 in den Kopfbereich 3 verengt sich der Querschnitt 34 inThe airfoil 18 has a radial, cylindrical cooling air channel 4 which runs continuously from an inlet opening 36 of the cooling air 23 in the foot region 2 of the turbine guide vane 1 to its outlet opening 35 of the cooling air in the head region 3 of the turbine guide vane 1. It has a cross-sectional contour 34 which in the area of the airfoil 18 and the foot area 2 is similar to the outer contour 16 of the airfoil 18. When viewed from the foot area 2 to in front of the head area 3, the shape of the cross-sectional contour 34 of the cooling air duct 4 remains essentially the same, but may decrease in size. When the cooling air duct 4 enters the head region 3, the cross section 34 in narrows
Form einer umlaufenden Stufe 33. Dieser verengte Querschnitt 34 wird dann bis zur Ausnehmung 26 im Kopfbereich 3, in der die Austrittsöffnung 35 des Kühlkanals 4 in den Hohlraum 20 liegt, annähernd beibehalten. In den Kühlluftkanal 4 ist ein zylindrisches Kühlluftleitrohr 13 annähernd mittig eingesetzt. Das Kühlluftleitrohr 13 weist einen nahezu gleichbleibend elliptischen Querschnitt 15 auf. Gehalten wird das Kühlluftleitrohr 13 am Kopfbereich 3 der Turbinenleitschaufel 1 im wesentlichen dadurch, daß es bis an die umlaufende Stufe 33 mit einem an den Übergang angepaßten Querschnitt 15 reicht oder sogar in dem Kopfbereich 3 in den verengten Querschnitt 34 des Kühlluftkanals 4 eingesetzt ist. Im Fußbereich 2 wird das Kühlluftleitrohr 13 beispielsweise durch an Seitenwände 8 des Kühlluftkanals 4 angebrachte Abstandsstege 37 mittig ge- halten. Der Kühlluftkanal 4 kann beim Gießen der Turbinenschaufel 1 durch Einsetzen eines Gießkerns direkt mitgegossen werden. Das Kühlluftleitrohr 13 wird nach dem Guß in den Kühlluftkanal 4 eingesetzt.Form of a circumferential step 33. This narrowed cross section 34 is then approximately maintained up to the recess 26 in the head region 3, in which the outlet opening 35 of the cooling channel 4 lies in the cavity 20. A cylindrical cooling air guide tube 13 is inserted approximately centrally in the cooling air duct 4. The cooling air guide tube 13 has an almost constant elliptical cross section 15. The cooling air guide tube 13 is held at the head region 3 of the turbine guide vane 1 essentially in that it extends to the circumferential step 33 with a cross section 15 adapted to the transition, or is even inserted into the narrowed cross section 34 of the cooling air duct 4 in the head region 3. In the foot region 2, the cooling air guide tube 13 is held in the center, for example, by spacing webs 37 attached to side walls 8 of the cooling air duct 4. The cooling air duct 4 can be cast directly during the casting of the turbine blade 1 by inserting a casting core. The cooling air guide tube 13 is inserted into the cooling air duct 4 after the casting.
Im Fußbereich 2 wird die Kühlluft 23 in die Eintrittsöffnung 36 des Kühlluftleitrohrs 13, das bis zu einer Oberseite 32 des Fußbereichs 2 der Turbinenleitschaufel 1 reicht, einge-
Cυ cυ t 10 F» F1 In the foot area 2, the cooling air 23 is introduced into the inlet opening 36 of the cooling air guide tube 13, which extends to an upper side 32 of the foot area 2 of the turbine guide vane 1. Cυ cυ t 10 F » F 1
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in Längsrichtung 31 bis zu einer Endlänge 1 des Kühlluftkanals 4 durchströmen. Die maximale Temperatur Tmax wird vom durchgehenden Strom 42 nicht erreicht, wodurch der U-förmige Ring ausreichend gekühlt werden kann. Der andere Kühlluftanteil 41 nimmt hingegen den größeren Teil der Wärme mit und befördert ihn aus der Turbinenschaufel, ohne daß die Wärme die temperaturempfindlichen Bereiche schädigen kann. Die gesamte Kühlluftmenge 23, die Summe aus beiden Stromanteilen 41, 42 ist wesentlich niedriger als im Stand der Technik.
Flow in the longitudinal direction 31 up to an end length 1 of the cooling air duct 4. The maximum temperature Tmax is not reached by the continuous current 42, as a result of which the U-shaped ring can be cooled sufficiently. The other cooling air portion 41, however, takes the greater part of the heat and transports it out of the turbine blade without the heat being able to damage the temperature-sensitive areas. The total amount of cooling air 23, the sum of the two power components 41, 42 is significantly lower than in the prior art.