EP2310635A1 - Mantelringdichtung in einer gasturbine - Google Patents

Mantelringdichtung in einer gasturbine

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EP2310635A1
EP2310635A1 EP09800032A EP09800032A EP2310635A1 EP 2310635 A1 EP2310635 A1 EP 2310635A1 EP 09800032 A EP09800032 A EP 09800032A EP 09800032 A EP09800032 A EP 09800032A EP 2310635 A1 EP2310635 A1 EP 2310635A1
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EP
European Patent Office
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cooling
gas turbine
heat
turbine according
segment
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EP09800032A
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English (en)
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Tanguy Arzel
Thomas Heinz-Schwarzmaier
Martin Schnieder
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Ansaldo Energia IP UK Ltd
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Alstom Technology AG
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    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal machines. It relates to a gas turbine according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbines as described, for example, in the document DE-A1-196 19 438, have in the turbine part a rotor blade provided with rows of blades, which is surrounded concentrically at a distance from a housing. On the housing rings are formed, carrying vanes, which - as well as the blades on the rotor - extend into the hot gas channel formed between the rotor and housing. In the axial direction or in the direction of the hot gas flow, vanes and blade rows alternate. Between adjacent guide blade rows are distributed over the periphery to the outer boundary of the hot gas channel
  • Heat damper segments arranged at which the blades with their blade tips move past, and which are supplied from a surrounding the heat shield segments annular space (ring cavity) with cooling air or other cooling medium.
  • a baffle cooling method is used, in which the cooling medium through variously mounted openings in an impingement cooling plate passes through the inside of the hot gas channel limiting wall of the heat exchanger segment.
  • the heat shields behind the turbine's front stage vanes are exposed to high heat flux loads, high heat flux loads occur in the area where the blades rotate past, and high heat flux loads also occur in the area of the stator blade wake Caster pressure waves (31 in Fig. 1 1) reduce the pressure margin (Back Flow Margin BFM), ie the available pressure difference between the hot gas duct and annular cavity, against a hot gas.
  • Back Flow Margin BFM Back Flow Margin BFM
  • a "failsafe design" over rubbing cracks, inter heat shield feather seals, partload, environmental conditions (off-ISO design), impact damage (FOD) and manufacturing tolerances require a significant margin on BFM. which has a negative impact on performance under full load ISO conditions.
  • the number of vanes in the ring in conventional solutions is independent of the number of associated heat shield segments. If possible, the number of parts is minimized. As the thermal and mechanical loads on the vanes are higher, a larger number of vanes is needed compared to the number of heat shield segments.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate, in a simplified representation, various impingement cooling schemes in a gas turbine 10 on the basis of the heat accumulation segments 1 1 arranged between the first guide vanes V1 and the second guide vanes V2 in relation to the first moving blades B1.
  • hot gas flows with a mass flow density m HG from right to left, wherein at the leading edge (Leading Edge LE) of the blade B1, a pressure P SILE and at the trailing edge (Trailing Edge TE) there is a pressure P SiTE .
  • the hot gas duct 29 is bounded in the region of the blade B1 on the outside by the heat spreader segment 11, which is fastened by means of hook-shaped fastening elements 12, 13, 14 to a housing (not shown).
  • the heat shield segment 1 1 is externally surrounded by a ring cavity 30 from which a standing under pressure P 1 or P 2 cooling medium, usually cooling air, via perforated
  • Impingement cooling plates 15, 16 flows into two corresponding impingement cooling cavities 17, 18, there cools the heat discharge segment by impingement cooling and then exits through cooling holes 19, 20 in the hot gas channel 29.
  • Pi P 2 , so that the cooling medium with the same mass flow density m c flows into the two impingement cooling cavities.
  • the invention aims to remedy this situation. It is therefore an object of the invention to provide a gas turbine with impingement-cooled heat accumulation segments, which avoids the disadvantages of known solutions and is characterized in particular by a reduction of the cooling medium consumption.
  • Heat dam segments and adjacent vanes in the rings is the same. As a result, maximum loads occurring locally, ie local cooling, are addressed. Margins and total Coolant consumption can be reduced considerably. This allows higher temperatures and lower cooling medium requirements for better performance and flatter temperature profiles for smaller emissions.
  • An embodiment of the invention is characterized in that two impact cooling cavities, in which the cooling medium flows from the annular cavity, are arranged in the heat accumulation segment in each case in the axial direction, that the downstream impingement cooling cavity is separated from the annular cavity and both annular cavities with the cooling medium at the same pressure
  • the heat accumulation segments each have a central, hook-shaped fastening element, the two impingement cooling cavities are separated from one another by the middle fastening element, and the downstream impingement cooling cavity is separated from the annular cavity by a cover plate arranged between impingement cooling cavity and annular cavity.
  • Another embodiment is characterized in that in the impingement cooling cavities to increase the heat transfer, a plurality of posts is arranged distributed, wherein the plurality of posts spacers for the impingement cooling plates and cooling pins for increasing the heat transfer between the cooling medium and heat shield segment comprises, and wherein the posts in the Impeller cooling cavities are housed in at least partially regular arrangements, and the spacers and cooling pins are arranged offset to one another.
  • a further embodiment is characterized in that the heat accumulation segments in relation to the flow of the hot gas each have a leading edge, a trailing edge and two side regions, and that cooling holes are provided for film cooling of the edges and side portions of the heat termination, which starting from the impingement cooling cavities, the heat rejection segment enforce on all sides and end in the outside space.
  • the cooling bores ending at the opposite side regions of the heat termination segment are thus in this case arranged offset to each other that the exiting cooling medium does not prevent each other at the exit in adjoining michstausegmenten.
  • the coolant holes at the leading edge and in the side regions set back in a recess end for unimpeded leakage of the cooling medium, and when the cooling holes are formed spread in the corners of the heat shield segment for improved cooling of the edge regions.
  • each heat shield segment and the associated upstream vane are positioned relative to one another in the circumferential direction so that the wake pressure wave generated by the vane can be compensated by a corresponding arrangement and supply of the affected cooling holes, preferably those in Open the region of the trailing pressure wave cooling holes above the impingement cooling plates in the impingement cooling cavities.
  • Fig. 1 -3 in a simplified representation in longitudinal section the detail of a gas turbine with a arranged between the first and second row of guide vanes heat accumulation segments, which by means of a simple (Figure 1) of a sequential ( Figure 2) and a countercurrent impingement cooling scheme cooled become; Fig. 4 in a to Fig. 1 -3 comparable representation
  • Impingement cooling scheme according to an embodiment of the invention
  • Fig. 5 is a suitable for the arrangement of Figure 4 heat recovery segment with the arrangement of the various cooling holes and recesses in the plan view from the outside.
  • FIG. 6 in a representation comparable to FIG. 4, the built-in thermal segment according to FIG. 5;
  • Fig. 7 shows the arrangement of posts in the impingement cooling cavities of
  • FIG. 9 in longitudinal section another of the possible posts of Figure 7, which is provided as a cooling pin with additional heat transfer surface.
  • Fig. 10 shows a preferred distribution of the posts of Fig. 8 and 9 in the
  • Fig. 1 1 seen in the radial direction, the important for the pressure margin relative positioning of the vane and heat recovery segment in the circumferential direction and
  • Fig. 12 shows an example of the local reduction of the wall thickness by means of a groove where the cooling holes open into the impingement cooling cavities. Ways to carry out the invention
  • FIG. 4 An embodiment of the invention is shown in FIG. 4 in a representation comparable to FIGS. 1 to 3: assuming the same number of parts in the ring for the guide vanes V1 and the heat accumulation segments 1 1.
  • the heat staging segment 1 1 has two impingement cooling cavities 17 and 18 on, which are separated from each other by the middle hook-shaped fastening element 13 and operated at the same pressure P 1 .
  • the second impingement cooling cavity 17 positioned downstream is isolated from the annular cavity 30 by a cover plate 21.
  • the pressure margin for the impingement cooling and pressure margin for the spring seals between adjacent segments can be adjusted independently of each other. A loss of seal no longer causes the cooling medium pressure to drop.
  • the margin of the cooling medium pressure can be reduced.
  • the pressure above the cover plate 21 (P 2 ) can be adjusted so that the passing of the
  • Blade B1 causes no vibration of the seal and thus no seal failure occurs.
  • a film cooling is preferably provided for the front edge LE, the trailing edge TE and the side regions SW according to FIGS. 5 and 6. Lead to this
  • Cooling bores 19, 19 ', 20, 20', 25 and 26 from the impingement cooling cavities 17, 18 to the outside and open into the outside space.
  • the cooling bores 20, 20 'and 25, 26 are arranged offset back by corresponding recesses 22, 23 and 24 on the end faces, so that when touching the component with the adjacent component, the air can still escape unhindered .
  • the cooling holes 19 ', 20' are spread in the region of the corners of the heat spreader segment 1 1 (flared cooling holes) in order to optimally cool the edge regions.
  • the impingement cooling can be further improved if, according to FIG. 7, additional cone-shaped posts 28 are provided in the impingement cooling cavities 17, 18, which are arranged so as to be distributed with the holes 27 in the impingement cooling plates.
  • One type of post ( Figure 8) is formed as a spacer 28a for the impingement cooling plates 15, 16.
  • the other type of post ( Figure 9) serves as a cooling pin 28b to increase turbulence, heat flow and heat transfer area.
  • Both types of posts, the spacers 28a and the cooling pins 28b may be arranged offset to increase the heat transfer according to FIG.
  • the trailing pressure wave 31 is positioned by projecting or resting the components 1 1, V1 in the parting plane relative to each other on the heat spreader segment 11 (displacement arrows in FIG. 11), that the pressure margin of the cooling bores in the leading edges and in the side region, and the annular gap and the total cooling air consumption are optimally adjusted.
  • the size of the impingement cooling cavities 17, 18 is chosen so that optimum cooling occurs.
  • the thermal damper segment 1 1 is preferably provided with a thermal barrier coating (TBC), wherein different thicknesses and tolerances are selected in the regions upstream of the forward rotation of the blade B1 and at the location where the blade B1 passes.
  • TBC thermal barrier coating
  • the cooling bores 19, 19 ', 20, 20', 25, 26 are positioned as close as possible to the hot gas in the hot gas duct 29. Manufacturing tolerances, global wall thicknesses for rubbing and oxidation are subject to minimal criteria. Therefore, locally, where the cooling holes open into the impingement cooling cavities, the wall thickness is preferably reduced by means of a groove 32 (FIG. 12).

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine Gasturbine (10) umfasst einen um eine Achse drehbaren, mit Laufschaufeln (B1) ausgestatteten Rotor, welcher unter Ausbildung eines ringförmigen Heissgaskanals (29) von einem mit Leitschaufeln (V1, V2) ausgestatteten Gehäuse mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei Ringe mit Leitschaufeln (V1, V2) und Laufschaufeln (B1) in axialer Richtung abwechselnd angeordnet sind und zwischen benachbarten Leitschaufeln (V1, V2) Wärmestausegmente (11) vorgesehen sind, welche den Heissgaskanal (29) im Bereich der Laufschaufeln (B1) nach aussen begrenzen und durch eine Prallkühlung gekühlt werden, bei der aus einer äusseren Ringkavität (30) ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in das Wärmestausegment (11) einströmt. Bei einer solchen Gasturbine (10) wird eine effektivere Kühlung dadurch ermöglicht, dass die Anzahl der Wärmestausegmente (11) und benachbarten Leitschaufeln (V1, V2) in den Ringen gleich ist.

Description

MANTELRINGDICHTUNG IN EINER GASTURBINE
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Gasturbinen, wie sie beispielsweise in der Druckschrift DE-A1 -196 19 438 beschrieben sind, weisen im Turbinenteil einen mit Laufschaufelreihen versehenen Rotor auf, der mit Abstand von einem Gehäuse konzentrisch umgeben ist. Am Gehäuse sind Ringe ausgebildet, die Leitschaufeln tragen, welche sich - ebenso wie die Laufschaufeln am Rotor - in den zwischen Rotor und Gehäuse gebildeten Heissgaskanal hinein erstrecken. In axialer Richtung bzw. in Richtung der Heissgasströmung wechseln sich Leitschaufel- und Laufschaufelreihen ab. Zwischen benachbarten Leitschaufelreihen sind zur äusseren Begrenzung des Heissgaskanals über den Umfang verteilt
Wärmestausegmente angeordnet, an denen sich die Laufschaufeln mit ihren Schaufelspitzen vorbei bewegen, und die aus einem die Wärmestausegmente umgebenden Ringraum (Ringkavität) mit Kühlluft oder einem anderen Kühlmedium versorgt werden. Zur Kühlung wird beispielsweise ein Prallkühlungsverfahren eingesetzt, bei welchem das Kühlmedium durch verschiedentlich angebrachten Öffnungen in einem Prallkühlblech hindurch auf die Innenseite der den Heissgaskanal begrenzenden Wand des Wärmestausegments trifft.
Die Wärmestausegmente („heat shields") hinter den Frontstufen- Leitschaufeln der Turbine sind hohen Wärmestromlasten ausgesetzt. Im Bereich, wo die Laufschaufeln vorbei drehen, treten hohe Wärmestromlasten auf. Auch im Bereich des Leitschaufelnachlaufes treten hohe Wärmestromlasten auf. Die mit dem Nachlauf verbundenen Nachlaufdruckwellen (31 in Fig. 1 1 ) reduzieren die Druckmarge (Back Flow Margin BFM), d.h. die zur Verfügung stehende Druckdifferenz zwischen Heissgaskanal und Ringkavität, gegenüber einem Heissgaseinbruch.
Ein „Failsafe Design" gegenüber Reiben (rubbing cracks), Dichtungsverlust (inter heat shield feather seals), Teillast (partload), Umgebungsbedingungen (off-ISO design), Beschädigung durch Aufschlag (FOD) und Fertigungstoleranzen erfordern eine beträchtliche Marge bzgl. BFM, welche sich bei ISO-Vollast-Bedingungen negativ auf die Performance auswirkt.
Die Anzahl der Leitschaufeln im Ring ist bei herkömmlichen Lösungen unabhängig von der Anzahl der zugehörigen Wärmestausegmente. Es wird möglichst die Anzahl der Teile minimiert. Da die thermischen und mechanischen Belastungen der Leitschaufeln höher sind, wird eine grossere Anzahl Leitschaufeln im Vergleich zur Anzahl der Wärmestausegmente benötigt.
In den Fig. 1 bis 3 sind in vereinfachter Darstellung verschiedene Prallkühlungsschemata in einer Gasturbine 10 anhand der zwischen den ersten Leitschaufeln V1 und den zweiten Leitschaufeln V2 gegenüber den ersten Laufschaufeln B1 angeordneten Wärmestausegmenten 1 1 erläutert. Im Heissgaskanal 29 strömt Heissgas mit einer Massenstromdichte mHG von rechts nach links, wobei an der Vorderkante (Leading Edge LE) der Laufschaufel B1 ein Druck PSILE und an der Hinterkante (Trailing Edge TE) ein Druck PSiTE herrscht. Der Heissgaskanal 29 wird im Bereich der Laufschaufel B1 aussen von dem Wärmestausegment 11 begrenzt, das mittels hakenförmigen Befestigungselementen 12, 13, 14 an einem (nicht dargestellten) Gehäuse befestigt ist. Das Wärmestausegment 1 1 ist aussen von einer Ringkavität 30 umgeben, aus der ein unter Druck P1 bzw. P2 stehendes Kühlmedium, in der Regel Kühlluft, über gelochte
Prallkühlungsbleche 15, 16 in zwei entsprechende Prallkühlungskavitäten 17, 18 einströmt, dort das Wärmestausegment durch Prallkühlung kühlt und dann durch Kühlbohrungen 19, 20 in den Heissgaskanal 29 austritt. Im einfachen Fall der Fig. 1 ist Pi = P2, so dass das Kühlmedium mit derselben Massenstromdichte mc in die beiden Prallkühlungskavitäten einströmt. Um bei den unterschiedlichen Drücken im Heissgaskanal die notwendige Druckmarge aufrecht zu erhalten, muss mit einer sehr hohen Druckdifferenz über die gesamte Länge des Wärmestausegmentes 1 1 gearbeitet werden. Die Leckageverluste sind deshalb hoch.
Beim sequentiellen Prallkühlungsschema der Fig. 2 wird dieser Nachteil korrigiert, indem P1 > P2 gewählt wird. Jedoch wird das System durch mögliche Querströmungen zwischen den Prallkühlungskavitäten 15, 16 (oberer breiter Pfeil in Fig. 2) sensitiv gegenüber den (nicht gezeigten) Dichtungen, die an der Stirnseite des Befestigungselements 13 zur Abdichtung der Spalte zwischen benachbarten Wärmestausegmenten vorgesehen sind.
Beim Gegenstrom-Prallkühlungsschema der Fig. 3 wird auch dies korrigiert, indem P1 < P2 gewählt wird. Jedoch erweist sich dabei das Einstellen der Druckmarge gegenüber dem Nachlaufmaximum des Druckes (vgl. 31 in Fig. 1 1 ) als kritisch.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbine mit prallgekühlten Wärmestausegmenten zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Lösungen vermeidet und sich insbesondere durch eine Verringerung des Kühlmediumsverbrauchs auszeichnet.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, dass die Anzahl der
Wärmestausegmente und benachbarten Leitschaufeln in den Ringen gleich ist. Hierdurch können maximal auftretende Belastungen lokal, d.h. mittels lokaler Kühlung, adressiert werden. Margen und Gesamt- Kühlmediumsverbrauch können beträchtlich reduziert werden. Dies erlaubt höhere Temperaturen und einen niedrigeren Kühlmediumsbedarf für eine bessere Performance sowie flachere Temperaturprofile für kleinere Emissionen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Wärmestausegment jeweils in axialer Richtung hintereinander zwei Prallkühlungskavitäten angeordnet sind, in welche das Kühlmedium aus der Ringkavität einströmt, dass die stromabwärts liegende Prallkühlungskavität von der Ringkavität abgetrennt ist und beide Ringkavitäten mit dem Kühlmedium bei gleichem Druck beaufschlagt werden, wobei die Wärmestausegmente jeweils ein mittleres, hakenförmiges Befestigungselement aufweisen, die beiden Prallkühlungskavitäten durch das mittlere Befestigungselement voneinander getrennt sind, und die stromabwärts liegende Prallkühlungskavität von der Ringkavität durch eine zwischen Prallkühlungskavität und Ringkavität angeordnete Abdeckplatte abgetrennt ist.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Prallkühlungskavitäten zur Erhöhung des Wärmeübergangs eine Vielzahl von Pfosten verteilt angeordnet ist, wobei die Vielzahl der Pfosten Abstandshalter für die Prallkühlungsbleche und Kühlpins zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Kühlmedium und Wärmestausegment umfasst, und wobei die Pfosten in den Prallkühlungskavitäten in zumindest bereichsweise regelmässigen Anordnungen untergebracht sind, und die Abstandshalter und Kühlpins zueinander versetzt angeordnet sind.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmestausegmente im Bezug auf die Strömung des Heissgases jeweils eine Vorderkante, eine Hinterkante und zwei Seitenbereiche aufweisen, und dass zur Filmkühlung der Kanten und Seitenbereiche des Wärmestausegments Kühlbohrungen vorgesehen sind, welche von den Prallkühlungskavitäten ausgehend das Wärmestausegment zu allen Seiten hin durchsetzen und im Aussenraum enden. Insbesondere sind dabei die an den gegenüberliegenden Seitenbereichen des Wärmestausegments endenden Kühlbohrungen so zueinander versetzt angeordnet, dass das austretende Kühlmedium in aneinander grenzenden Wärmestausegmenten sich nicht gegenseitig am Austritt hindert.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zum ungehinderten Austreten des Kühlmediums die Kühlbohrungen an der Vorderkante und in den Seitenbereichen zurückversetzt in einer Ausnehmung enden, und wenn die Kühlbohrungen im Bereich der Ecken des Wärmestausegments zur verbesserten Kühlung der Kantenbereiche gespreizt ausgebildet sind.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmestausegment und die zugehörige stromaufwärts angeordnete Leitschaufel im Umfangsrichtung relativ zueinander so positioniert sind, dass die von der Leitschaufel erzeugte Nachlaufdruckwelle durch eine entsprechende Anordnung und Versorgung der betroffenen Kühlbohrungen kompensiert werden kann, wobei vorzugsweise die im Bereich der Nachlaufdruckwelle liegenden Kühlbohrungen oberhalb der Prallkühlungsbleche in die Prallkühlungskavitäten münden.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen
Fig. 1 -3 in einer vereinfachten Darstellung im Längsschnitt den Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einem zwischen der ersten und zweiten Leitschaufelreihe angeordneten Wärmestausegmenten, die mittels eines einfachen (Fig. 1 ) eines sequentiellen (Fig. 2) und eines mit Gegenstrom arbeitenden Prallkühlungsschemas gekühlt werden; Fig. 4 in einer zu Fig. 1 -3 vergleichbaren Darstellung ein
Prallkühlungsschema gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 ein für die Anordnung nach Fig. 4 geeignetes Wärmestausegment mit der Anordnung der verschiedenen Kühlbohrungen und Ausnehmungen in der Draufsicht von aussen;
Fig. 6 in einer zu Fig. 4 vergleichbaren Darstellung das eingebaute Wärmestausegment gemäss Fig. 5;
Fig. 7 die Anordnung von Pfosten in den Prallkühlungskavitäten des
Wärmestausegments, gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 im Längsschnitt einen der möglichen Pfosten aus Fig. 7, der als
Abstandshalter für die Prallkühlungsbleche vorgesehen ist;
Fig. 9 im Längsschnitt einen anderen der möglichen Pfosten aus Fig. 7, der als Kühlpin mit zusätzlicher Wärmeübergangsfläche vorgesehen ist;
Fig. 10 eine bevorzugte Verteilung der Pfosten aus Fig. 8 und 9 in den
Prallkühlungskavitäten
Fig. 1 1 in radialer Richtung gesehen die für die Druckmarge wichtige relative Positionierung von Leitschaufel und Wärmestausegment in Umfangsrichtung und
Fig. 12 ein Beispiel für die lokale Verringerung der Wandstärke mittels einer Nut dort, wo die Kühlbohrungen in die Prallkühlungskavitäten münden. Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 4 ist in einer zu Fig. 1 bis 3 vergleichbaren Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben: Vorausgesetzt wird dabei die gleiche Anzahl Teile im Ring für die Leitschaufeln V1 und die Wärmestausegmente 1 1. Das Wärmestausegment 1 1 weist zwei Prallkühlungskavitäten 17 und 18 auf, die durch das mittlere hakenförmige Befestigungselement 13 voneinander getrennt sind und mit dem gleichen Druck P1 betrieben werden. Die zweite, stromab positionierte Prallkühlungskavität 17 wird durch eine Abdeckplatte 21 von der Ringkavität 30 isoliert. Die Druckmarge für die Prallkühlung und Druckmarge für die Federdichtungen zwischen benachbarten Segmenten können unabhängig voneinander eingestellt werden. Ein Dichtungsverlust führt nicht mehr zum Absinken des Kühlmediumsdruckes. Die Marge des Kühlmediumsdruckes kann reduziert werden. Der Druck oberhalb der Abdeckplatte 21 (P2) kann so eingestellt werden, dass das Vorbeilaufen der
Laufschaufel B1 keine Schwingung der Dichtung verursacht und damit auch kein Dichtungsversagen auftritt.
Zur Verbesserung der Kühlung des Wärmestausegments 1 1 ist vorzugsweise eine Filmkühlung für die Vorderkante LE, die Hinterkante TE und die Seitenbereiche SW gemäss Fig. 5 und 6 vorgesehen. Hierzu führen
Kühlbohrungen 19, 19', 20, 20', 25 und 26 von den Prallkühlungskavitäten 17, 18 nach aussen und münden in den Aussenraum. Die Kühlbohrungen 25 und 26 in den Seitenbereichen SW sind (in Umfangsrichtung gesehen) zueinander versetzt (staggered) angeordnet, so dass die austretende Luft in den aneinander angrenzenden Wärmestausegmenten 1 1 sich nicht gegenseitig am Austritt behindert.
Im Vorderkantenbereich LE und im Seitenbereich SW sind die Kühlbohrungen 20, 20' und 25, 26 durch entsprechende Ausnehmungen 22, 23 und 24 an den Stirnseiten zurückversetzt angeordnet, so dass beim Berühren des Bauteiles mit dem benachbarten Bauteil die Luft nach wie vor ungehindert austreten kann. Die Kühlbohrungen 19', 20' werden im Bereich der Ecken des Wärmestausegmentes 1 1 gespreizt (flared cooling holes), um die Kantenbereiche optimal zu kühlen. Die Prallkühlung lässt sich weiter verbessern, wenn gemäss Fig. 7 in den Prallkühlungskavitäten 17, 18 zusätzliche kegelförmige Pfosten 28 vorgesehen werden, die auf Lücke mit den Löchern 27 in den Prallkühlungsblechen verteilt angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist die Kombination der Prallkühlung mit zwei Arten von kegelförmigen Pfosten 28 (Fig. 8-10): Eine Art von Pfosten (Fig. 8) ist als Abstandshalter 28a für die Prallkühlungsbleche 15, 16 ausgebildet. Die andere Art von Pfosten (Fig. 9) dient als Kühlpin 28b der Erhöhung der Turbulenz, des Wärmestroms und der Wärmeübergangsfläche. Beide Arten von Pfosten, die Abstandshalter 28a und die Kühlpins 28b, können zur Erhöhung des Wärmeübergangs gemäss Fig. 10 versetzt angeordnet sein.
Im Bereich hinter der vorgängigen Leitschaufel V1 , wo der Nachlauf in Form einer Nachlaufdruckwelle 31 über das Wärmestausegment 1 1 läuft, und zwar die Vorderkante LE und die Seitenkante SW (Fig. 1 1 ), werden die entsprechenden Kühlbohrungen 20" (gepunktet in Fig. 4, 1 1 ) mit Kühlmedium (Luft) höheren Druckes von oberhalb des Prallkühlungsbleches 16 gespeist, um die Druckmarge zu erhöhen. Da nicht die Druckmarge aller Kühlbohrungen erhöht werden muss, ergibt sich ein beträchtlicher Performancevorteil.
Insbesondere wird die Nachlaufdruckwelle 31 durch Hervorstehen bzw. Zurückstehen der Komponenten 1 1 , V1 in der Trennebene zueinander so auf dem Wärmestausegment 11 positioniert (Verschiebungspfeile in Fig. 1 1 ), dass die Druckmarge der Kühlbohrungen in den Vorderkanten und im Seitenbereich, und des Ringspaltes sowie der Kühlluftverbrauch insgesamt optimal eingestellt sind.
Die Grosse der Prallkühlungskavitäten 17, 18 ist so gewählt, dass eine optimale Kühlung eintritt. Das Wärmestausegment 1 1 ist vorzugsweise mit einer Keramikschutzschicht (Thermal Barrier Coating TBC) versehen, wobei in den Bereichen stromauf des Vorbeidrehens der Laufschaufel B1 und am Ort, wo die Laufschaufel B1 vorbeiläuft, unterschiedliche Dicken und Toleranzen gewählt werden. Für den Bereich stromauf des Vorbeidrehens der Laufschaufel B1 werden grosse Dicken der Schutzschicht gewählt, um den Nachlaufeffekt zu reduzieren, für den Bereich am Ort, wo die Laufschaufel B1 vorbeiläuft, dagegen kleine Fertigungstoleranzen, um Performanceverluste zu minimieren.
Die Kühlbohrungen 19, 19', 20, 20', 25, 26 werden so nah wie möglich zum Heissgas im Heissgaskanal 29 positioniert. Fertigungstoleranzen, globale Wandstärken für das Reiben und Oxidation unterliegen minimalen Kriterien. Deshalb wird lokal, wo die Kühlbohrungen in die Prallkühlungskavitäten münden, die Wandstärke vorzugsweise mittels einer Nut 32 verringert (Fig. 12).
Bezugszeichenliste
10 Gasturbine
1 1 Wärmestausegment
12, 13, 14 Befestigungselement
15, 16 Prallkühlungsblech
17, 18 Prallkühlungskavität
19, 19' Kühlbohrung
20, 20', 20" Kühlbohrung
21 Abdeckplatte
22, 23, 24 Ausnehmung
25, 26 Kühlbohrung
27 Loch
28 Pfosten
28a Abstandshalter
28b Kühlpin
29 Heissgaskanal
30 Ringkavität
31 Nachlaufdruckwelle
32 Nut
B1 Laufschaufel
LE Vorderkante
TE Hinterkante
SW Seitenbereich mc Massenstromdichte (Kühlluft)
Massenstromdichte (Heissgas)
Pi,P2 Druck (Kühlluft)
Ps1TE Druck (Hinterkante)
Ps1LE Druck (Vorderkante)
V1 ,V2 Leitschaufel

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbine (10), umfassend einen um eine Achse drehbaren, mit Laufschaufeln (B1 ) ausgestatteten Rotor, welcher unter Ausbildung eines ringförmigen Heissgaskanals (29) von einem mit Leitschaufeln (V1 , V2) ausgestatteten Gehäuse mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei Ringe mit Leitschaufeln (V1 , V2) und Laufschaufeln (B1 ) in axialer Richtung abwechselnd angeordnet sind und zwischen benachbarten Leitschaufeln (V1 , V2) Wärmestausegmente (1 1 ) vorgesehen sind, welche den
Heissgaskanal (29) im Bereich der Laufschaufeln (B1 ) nach aussen begrenzen und durch eine Prallkühlung gekühlt werden, bei der aus einer äusseren Ringkavität (30) ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in das Wärmestausegment (1 1 ) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wärmestausegmente (1 1 ) und benachbarten Leitschaufeln (V1 ,
V2) in den Ringen gleich ist.
2. Gasturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmestausegment (1 1 ) jeweils in axialer Richtung hintereinander zwei Prallkühlungskavitäten (17, 18) angeordnet sind, in welche das Kühlmedium aus der Ringkavität (30) einströmt.
3. Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärts liegende Prallkühlungskavität (17) von der Ringkavität (30) abgetrennt ist und beide Ringkavitäten (17, 18) mit dem Kühlmedium bei gleichem Druck beaufschlagbar sind.
4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestausegmente (1 1 ) jeweils ein mittleres, hakenförmiges Befestigungselement (13) aufweisen, dass die beiden
Prallkühlungskavitäten (17, 18) durch das mittlere Befestigungselement (13) voneinander getrennt sind, und dass die stromabwärts liegende Prallkühlungskavität (17) von der Ringkavität (30) durch eine zwischen Prallkühlungskavität (17) und Ringkavität (30) angeordnete Abdeckplatte (21 ) abgetrennt ist.
5. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Prallkühlungskavitäten (17, 18) zur Erhöhung des
Wärmeübergangs eine Vielzahl von Pfosten (28; 28a,b) verteilt angeordnet ist.
6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Pfosten (28) Abstandshalter (28a) für die Prallkühlungsbleche (15, 16) und Kühlpins (28b) zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Kühlmedium und Wärmestausegment (1 1 ) umfasst.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfosten (28; 28a,b) in den Prallkühlungskavitäten (17, 18) in zumindest bereichsweise regelmässigen Anordnungen untergebracht sind, und dass die Abstandshalter (28a) und Kühlpins (28b) zueinander versetzt angeordnet sind.
8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestausegmente (1 1 ) im Bezug auf die Strömung des Heissgases jeweils eine Vorderkante (LE), eine Hinterkante (TE) und zwei Seitenbereiche (SW) aufweisen, und dass zur Filmkühlung der Kanten (LE, TE) und Seitenbereiche (SW) des Wärmestausegments (1 1 ) Kühlbohrungen (19, 19'; 20, 20'; 25, 26) vorgesehen sind, welche von den
Prallkühlungskavitäten (17, 18) ausgehend das Wärmestausegment (1 1 ) zu allen Seiten (LE, TE, SW) hin durchsetzen und im Aussenraum enden.
9. Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an den gegenüberliegenden Seitenbereichen (SW) des Wärmestausegments (1 1 ) endenden Kühlbohrungen (25, 26) so zueinander versetzt angeordnet sind, dass das austretende Kühlmedium in aneinander grenzenden Wärmestausegmenten (1 1 ) sich nicht gegenseitig am Austritt hindert.
10. Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum ungehinderten Austreten des Kühlmediums die Kühlbohrungen (20, 20'; 25, 26) an der Vorderkante (LE) und in den Seitenbereichen (SW) zurückversetzt in einer Ausnehmung (22, 23, 24) enden.
1 1. Gasturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlbohrungen (19', 20', 20") im Bereich der Ecken des Wärmestausegments (1 1 ) zur verbesserten Kühlung der Kantenbereiche gespreizt ausgebildet sind.
12. Gasturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmestausegment (1 1 ) und die zugehörige stromaufwärts angeordnete Leitschaufel (V1 ) im Umfangsrichtung relativ zueinander so positioniert sind, dass die von der Leitschaufel (V1 ) erzeugte Nachlaufdruckwelle (31 ) durch eine entsprechende Anordnung und
Versorgung der betroffenen Kühlbohrungen (20") kompensiert werden kann.
13. Gasturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Nachlaufdruckwelle (31 ) liegenden Kühlbohrungen (20") oberhalb der Prallkühlungsbleche (5, 16) in die Prallkühlungskavitäten (17, 18) münden.
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