EP2808492A1 - Turbinenstufe mit einer Ausblasanordnung und Verfahren zum Ausblasen einer Sperrgasströmung - Google Patents

Turbinenstufe mit einer Ausblasanordnung und Verfahren zum Ausblasen einer Sperrgasströmung Download PDF

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EP2808492A1
EP2808492A1 EP14168204.7A EP14168204A EP2808492A1 EP 2808492 A1 EP2808492 A1 EP 2808492A1 EP 14168204 A EP14168204 A EP 14168204A EP 2808492 A1 EP2808492 A1 EP 2808492A1
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EP
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turbine stage
seal
stage according
cavity
gas
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Alexander Böck
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MTU Aero Engines AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/10—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using sealing fluid, e.g. steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates

Definitions

  • the present invention relates to a turbine stage of a gas turbine with a blow-out arrangement for blowing a barrier gas flow into a cavity, a method for operating such a turbine stage and a gas turbine with such a turbine stage.
  • a turbine stage has a gas channel, in which a plurality of guide and play grids are usually arranged in order to convert energy of a gas gas flowing through the gas channel into torques of a rotor of the gas turbine.
  • Cavities for example radial recesses in the rotor, in which radially inner blade tips or inner shrouds of guide grids intervene communicate with the gas channel.
  • these can be limited by one or more seals.
  • a seal can delimit an upstream against a downstream cavity in order to avoid undesirable undercurrents of a guide grid.
  • An object of an embodiment of the present invention is to improve operation of a gas turbine.
  • a turbine stage has a gas channel, in which one or more playpens are arranged and in the operation of a working gas, in particular an exhaust gas from an upstream combustion chamber, flows through.
  • a guide grid may be arranged before and / or after at least one playpens.
  • the running channel can diverge in the direction of flow, at least in sections.
  • At least one cavity which is delimited by an end face of a one-part or multi-part rotor element and by a rotor element-proof seal, communicates with the gas channel.
  • the rotor element may comprise a blade assembly having one or more blades of a turbine stage runner which may be detachably or fixedly connected, in particular integrally, to a rotor of the turbine stage.
  • the end face limits the cavity axially or forms an end wall, in particular downstream, of the cavity.
  • the seal likewise axially delimits the cavity or forms an end wall, in particular upstream, of the cavity.
  • the cavity may be limited in one embodiment by a further rotorelementfeste seal through which the cavity communicates with the gas channel, in particular a labyrinth seal with one or more axial flanges, which may face one or more fixed axial flanges of the turbine stage.
  • Radially inside the cavity may be limited in one embodiment by an axial projection of the rotor element end face, in particular a seal carrier on which the rotorelementfeste seal is arranged.
  • the cavity may be a chamber between a blade disk and an inner shroud of a, in particular upstream, guide rail.
  • the rotor element-proof seal can in particular be a labyrinth seal with one or more radial sealing flanges, in particular radial sealing tips, be radially opposite to the counter-seal, in particular a honeycomb seal.
  • the rotorelementfeste seal limit the cavity against another, upstream cavity.
  • the turbine stage has a blow-out arrangement with one or more, over the circumference, preferably equidistantly, distributed gas passages for blowing a sealing gas flow, in particular a blocking air flow, in the cavity.
  • one or more, preferably all gas passages of the blow-out arrangement are formed for blowing out the barrier gas flow with a swirl in the circumferential direction, which in one embodiment is in the same direction with a rotational direction of the turbine stage.
  • a circumferential spin-flow blocking flow can be injected, so that a shear flows due to the peripheral speed of the rotor can be reduced or avoided and thus in particular an efficiency and thus the operation of the turbine stage can be improved.
  • a leakage flow into the cavity can occur via the rotor element-fixed seal. This may be desirable, in particular in order to cool the rotor element, in particular its end face, by the leakage flow. However, if the preferably drainage-free leakage flow strikes directly on the swirling purging gas flow, mixing thereof can reduce the circumferential swirl of the purging gas flow.
  • an outlet opening of one or more, preferably all gas passages of the blow-out arrangement is offset radially outward from the rotor element-fixed seal.
  • the sealing gas flow is, so to speak through the blow-out radially guided by a leakage flow over the rotorelementfeste seal away and only radially outwardly blown with swirl, so that a disturbance by the leakage flow is reduced, in particular at least substantially prevented.
  • the purge gas flow is accordingly blown out through the exhaust assembly with a swirl in the circumferential direction radially outward of the rotor element fixed seal in this cavity.
  • a gas passage may be curved in the circumferential direction.
  • one or more deflecting elements or surfaces can be arranged in a gas passage in order to impose a velocity component in the circumferential direction on the sealing gas flow flowing through them.
  • a gas passage is formed as a through hole or through opening or passage of a pipe.
  • the tube can be manufactured as a separate component and attached to the rotor element, in particular a rotorelementfesten seal carrier on which the rotorelementfeste seal is arranged, releasably or permanently, in particular material, frictionally or positively fastened, in particular welded, glued, -solders, -latches , -schraubt or plugged.
  • a pipe can also be formed integrally with the rotor element, in particular by a pipe jacket being excavated around a through-hole, in particular free-milled.
  • the tube may in one embodiment, at least substantially, extend along its length, or in at least a portion, preferably at least in an exit opening quarter of its length, at least substantially in a plane perpendicular to a rotational axis of the turbine stage.
  • the sealing gas flow can be performed in a design on a short path through the leakage flow.
  • the tube may be inclined at least in sections, preferably at least in an opening opening next quarter of its length, against the axis of rotation of the turbine stage, in particular in order to displace an entry opening axially.
  • one or more, preferably all gas passages of the blow-out arrangement have an inlet opening which communicates with a pressure reservoir, in particular a barrier air reservoir.
  • a bypass passage between the pressure reservoir and the cavity is fluidly connected in parallel to the exhaust arrangement.
  • the bypass passage can be defined in particular by the rotor element-fixed seal, preferably a sealing gap between it and an opposing counter-seal, in particular an inlet lining, preferably a guide grid.
  • a pressurized gas in particular air, preferably from a compressor upstream of the turbine stage, led into an upstream further cavity and there in a, preferably larger, leakage flow via the rotorelementfeste seal, in particular for cooling the rotor element, and a, preferably smaller, barrier gas flow to be divided.
  • the turbine stage may include an upstream additional cavity that communicates with a pressure reservoir, a seal gap over the rotor member fixed seal, and the blowout assembly.
  • a turbine stage according to the invention can be used in particular in a gas turbine, preferably an aircraft engine.
  • Fig. 1 shows a part of a turbine stage according to an embodiment of the present invention in a meridian section with a gas channel 11, in which a plurality of playpens are arranged, of which Fig. 1 two blades 1 are partially visible. Between these a guide grid is arranged, of which in Fig. 1 a vane 2 is partially visible.
  • the front side forms a downstream end wall of the cavity 9 (right in Fig. 1 ).
  • the seal 3A, 3B also limits the cavity 9 axially (to the left in FIG Fig. 1 ).
  • the cavity 9 is delimited by a further rotor element-fixed labyrinth seal 5, through which the cavity communicates with the gas channel 11.
  • a seal carrier 3 on which the rotorelementfeste seal 3A, 3B is arranged.
  • the cavity thus forms a chamber between the blade disc and an inner shroud of the upstream Leitgitters with the guide vanes 2.
  • the guide grid has a radially inner counter-seal in the form of an inlet lining 4, the rotorelementfesten seal 3A, 3B opposite and defines with this a sealing gap, the parallel to a rotational axis of the turbine stage (horizontally in Fig. 1 ).
  • the rotorelementfeste seal is a labyrinth seal with two radial sealing tips 3A, 3B, which are radially opposite the inlet lining in the form of a honeycomb seal 4.
  • the rotorelementfeste seal 3A, 3B limits the cavity 9 against a further, upstream cavity 10, which by the way by a labyrinth seal 6 and a downstream end face of the in Fig. 1 left Laufgitters, the seal carrier 3 and the connecting flange to this in Fig. 1 left playpen is limited and also communicates with a pressure reservoir 12 and the labyrinth seal 6 with the gas channel 11.
  • the turbine stage has a blow-out arrangement with a plurality of gas passages distributed equidistantly over the circumference for blowing out a blocking air flow into the cavity 9.
  • the gas passages are formed as a through-hole of pipes, of which in Fig. 1 a tube 7 is shown.
  • the tube 7 is in the execution of Fig. 1 manufactured as a separate component and on the rotorelementfesten seal carrier 3, on which the rotorelementfeste seal 3A, 3B is arranged, releasably or permanently, in particular material, friction or positively secured, in particular welded, glued, -slöt--slatch, -schraubt or plugged in.
  • the tube may also be integrally formed with the seal carrier by a tube jacket exposed to a through hole, in particular free-milled.
  • the tubes 7 and thus also their through holes or gas passages are in the circumferential direction (from the plane of the Fig. 1 out) to blow a purge gas flow having a swirl in the circumferential direction, which is in the same direction as a rotational direction of the turbine stage.
  • a circumferential spin-loaded blocking flow can be injected, so that a shear flow due to the peripheral speed reduced or avoided the rotor and thus in particular an efficiency and thus the operation of the turbine stage is improved.
  • a leakage flow enters the cavity 9 via the rotor element-fixed seal 3A, 3B. This is desirable to cool the face of the blade disk and / or the disk-blade connection by the leakage flow.
  • Outlet openings 8 of the tubes 7 and their gas passages are of the rotorelementfesten seal 3A, 3B radially outward (vertically upward in Fig. 1 ).
  • the sealing gas flow is guided, so to speak through the blow-out radially through a leakage flow over the rotorelementfeste seal away and only radially outwardly blown out with swirl, so that a disturbance by the leakage flow is reduced, preferably prevented.
  • the tubes 7 extend in the execution of Fig. 1 over its entire length in a plane perpendicular to a rotational axis of the turbine stage (vertical plane to the plane of the drawing) Fig. 1 ).
  • the sealing gas flow can be performed in a design on a short path through the leakage flow.
  • the tubes 7 extend in an exit opening next half 7A of their length (shown at the top in FIG Fig. 2 ) Also in the plane perpendicular to the axis of rotation. In a next opening half 7B of their length (bottom in Fig. 2 ), however, they are inclined by approximately 45 ° to the axis of rotation of the turbine stage, in particular, to move their inlet openings axially upstream.
  • a bypass passage is defined by a sealing gap between the rotorelementfesten seal 3A, 3B and the opposite inlet lining 4 of the guide grid and fluidly connected in parallel to the blow-out.
  • a compressed gas in particular air, preferably from a compressor upstream of the turbine stage, guided into the further upstream cavity 10 and there divided into a, preferably larger, leakage current via the rotorelementfeste seal 3A, 3B for cooling the rotor element and a, preferably smaller, barrier gas flow through the blowout.
  • the gas passages of the blow-out arrangement each have an inlet opening which communicates with the pressure reservoir 12 via the further upstream cavity 10.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenstufe mit einem Gaskanal (11), in dem wenigstens ein Laufgitter (1) angeordnet ist, einer Kavität (9), die mit dem Gaskanal kommuniziert und durch eine Stirnseite eines Rotorelements und durch eine rotorelementfeste Dichtung (3A, 3B) begrenzt wird, und einer Ausblasanordnung (7) mit wenigstens einer Gaspassage zum Ausblasen einer Sperrgasströmung in diese Kavität, wobei die Gaspassage zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung ausgebildet ist und eine Austrittsöffnung (8) aufweist, die von der rotorelementfesten Dichtung radial nach außen versetzt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenstufe einer Gasturbine mit einer Ausblasanordnung zum Ausblasen einer Sperrgasströmung in eine Kavität, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbinenstufe sowie eine Gasturbine mit einer solchen Turbinenstufe.
  • Eine Turbinenstufe weist einen Gaskanal auf, in dem meist mehrere Leit- und Laufgitter angeordnet sind, um Energie eines den Gaskanal durchströmenden Arbeitsgases in Drehmomente eines Rotors der Gasturbine umzusetzen.
  • Mit dem Gaskanal kommunizieren Kavitäten, beispielsweise radiale Rücksprünge im Rotor, in die radial innere Schaufelspitzen oder Innendeckbänder von Leitgittern eingreifen. Um eine Leckageströmung durch solche Kavitäten zu reduzieren, können diese durch eine oder mehrere Dichtungen begrenzt werden. Insbesondere kann eine Dichtung eine stromaufwärtige gegen eine stromabwärtige Kavität abgrenzen, um ein unerwünschtes Unterströmen eines Leitgitters zu vermeiden.
  • Um einen Einzug von heißem Arbeitsgas in solche Kavitäten zu reduzieren oder zu vermeiden, ist es aus betriebsinterner Praxis bekannt, eine Sperrgasströmung in die Kavität einzublasen. Wird diese radial eingeblasen, kann es aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu Scherströmungen an einer rotorfesten Stirnseite kommen.
  • Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Betrieb einer Gasturbine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 12, 13 stellen ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbinenstufe bzw. eine Gasturbine mit einer solchen Turbinenstufe unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Turbinenstufe nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Gaskanal auf, in dem ein oder mehrere Laufgitter angeordnet sind und der im Betrieb von einem Arbeitsgas, insbesondere einem Abgas aus einer vorgelagerten Brennkammer, durchströmt wird. Vor und/oder nach wenigstens einem Laufgitter kann ein Leitgitter angeordnet sein. Der Laufkanal kann in Durchströmungsrichtung, wenigstens abschnittsweise, divergieren.
  • Mit dem Gaskanal kommuniziert wenigstens eine Kavität, die durch eine Stirnseite eines ein-oder mehrteiligen Rotorelements und durch eine rotorelementfeste Dichtung begrenzt wird.
  • Das Rotorelement kann eine Laufschaufelanordnung mit einer oder mehreren Laufschaufeln eines Laufgitters der Turbinenstufe aufweisen, die lösbar oder fest, insbesondere integral, mit einem Rotor der Turbinenstufe verbunden sein können.
  • Die Stirnseite begrenzt in einer Ausführung die Kavität axial bzw. bildet eine, insbesondere stromabwärtige, Stirnwand der Kavität. Die Dichtung begrenzt in einer Ausführung die Kavität ebenfalls axial bzw. bildet eine, insbesondere stromaufwärtige, Stirnwand der Kavität.
  • Radial außen kann die Kavität in einer Ausführung durch eine weitere rotorelementfeste Dichtung begrenzt sein, durch die die Kavität mit dem Gaskanal kommuniziert, insbesondere eine Labyrinthdichtung mit einem oder mehreren Axialflanschen, die einem oder mehreren gehäusefesten Axialflanschen der Turbinenstufe gegenüberliegen können.
  • Radial innen kann die Kavität in einer Ausführung durch einen axialen Vorsprung der Rotorelementstirnseite begrenzt sein, insbesondere einen Dichtungsträger, an dem die rotorelementfeste Dichtung angeordnet ist.
  • Die Kavität kann insbesondere eine Kammer zwischen einer Laufschaufelscheibe und einem Innendeckband eines, insbesondere stromaufwärtigen, Leitgitters sein. In einer Ausführung weist die Turbinenstufe ein Leitgitter mit einer radial inneren Gegendichtung, insbesondere einem Einlaufbelag, auf, die der rotorelementfesten Dichtung gegenüberliegt und mit dieser einen Dichtungsspalt definiert, der vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Drehachse der Turbinenstufe sein kann. Die rotorelementfeste Dichtung kann insbesondere eine Labyrinthdichtung mit einem oder mehreren radialen Dichtungsflanschen, insbesondere radialen Dichtspitzen, sein, die der Gegendichtung, insbesondere einer Wabendichtung, radial gegenüberliegen. Insbesondere kann die rotorelementfeste Dichtung die Kavität gegen eine weitere, stromaufwärtige Kavität begrenzen.
  • Die Turbinenstufe weist eine Ausblasanordnung mit einer oder mehreren, über den Umfang, vorzugsweise äquidistant, verteilten Gaspassagen zum Ausblasen einer Sperrgasströmung, insbesondere einer Sperrluftströmung, in die Kavität auf.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere, vorzugsweise alle Gaspassagen der Ausblasanordnung zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung ausgebildet, der in einer Ausführung gleichsinnig mit einer Drehrichtung der Turbinenstufe ist. Auf diese Weise kann in einer Ausführung vor der rotorelementfesten Stirnseite eine umfangsdrallbehaftete Sperrströmung eingeblasen werden, so dass eine Scherströmungen aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors reduziert oder vermieden werden und so insbesondere ein Wirkungsgrad und damit der Betrieb der Turbinenstufe verbessert werden kann.
  • Über die rotorelementfeste Dichtung kann eine Leckageströmung in die Kavität eintreten. Dies kann erwünscht sein, insbesondere, um das Rotorelement, insbesondere seine Stirnseite, durch die Leckageströmung zu kühlen. Trifft die vorzugsweise drahlfreie Leckageströmung jedoch direkt auf die drallbehaftete Sperrgasströmung, kann deren Vermischung den Umfangsdrall der Sperrgasströmung reduzieren.
  • Daher ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Austrittsöffnung einer oder mehrerer, vorzugsweise aller Gaspassagen der Ausblasanordnung von der rotorelementfesten Dichtung radial nach außen versetzt. Die Sperrgasströmung wird sozusagen durch die Ausblasanordnung radial durch eine Leckageströmung über die rotorelementfeste Dichtung hinweg geführt und erst radial außen mit Drall ausgeblasen, so dass eine Störung durch die Leckageströmung reduziert, insbesondere wenigstens im Wesentlichen verhindert wird.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend die Sperrgasströmung durch die Ausblasanordnung mit einem Drall in Umfangsrichtung radial außen von der rotorelementfesten Dichtung in diese Kavität ausgeblasen.
  • Zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung kann eine Gaspassage in Umfangsrichtung gekrümmt sein. Zusätzlich oder alternativ können in einer Gaspassage eine oder mehrere Umlenkelemente bzw. -flächen angeordnet sein, um der sie durchströmenden Sperrgasströmung eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aufzuprägen.
  • In einer Ausführung ist eine Gaspassage als Durchgangsbohrung bzw. durchgehende Öffnung bzw. Passage eines Rohrs ausgebildet. Das Rohr kann als separates Bauteil hergestellt und an dem Rotorelement, insbesondere einem rotorelementfesten Dichtungsträger, an dem die rotorelementfeste Dichtung angeordnet ist, lösbar oder dauerhaft, insbesondere stoff-, reib- oder formschlüssig befestigt, insbesondere verschweißt, -klebt, -lötet, -rastet, -schraubt oder eingesteckt sein. Gleichermaßen kann ein Rohr auch integral mit dem Rotorelement ausgebildet sein, insbesondere, indem ein Rohrmantel um eine Durchgangsbohrung spanend freigelegt, insbesondere freigefräst ist.
  • Das Rohr kann sich in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, über seine Länge, oder in wenigstens einem Abschnitt, vorzugsweise wenigstens in einem austrittsöffnungsnächsten Viertel seiner Länge, wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene erstrecken, die senkrecht zu einer Drehachse der Turbinenstufe ist. Hierdurch kann die Sperrgasströmung in einer Ausführung auf kurzem Weg durch die Leckageströmung geführt werden. In einer Weiterbildung kann das Rohr wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise wenigstens in einem eintrittsöffnungsnächsten Viertel seiner Länge, gegen die Drehachse der Turbinenstufe geneigt sein, insbesondere, um eine Eintriffsöffnung axial zu versetzen.
  • In einer Ausführung weisen eine oder mehrere, vorzugsweise alle Gaspassagen der Ausblasanordnung eine Eingangsöffnung auf, welche mit einem Druckreservoir, insbesondere einem Sperrluftreservoir, kommuniziert. In einer Weiterbildung ist eine Bypass-Passage zwischen dem Druckreservoir und der Kavität strömungstechnisch zu der Ausblasanordnung parallel geschaltet. Die Bypass-Passage kann insbesondere durch die rotorelementfeste Dichtung, vorzugsweise einen Dichtungsspalt zwischen dieser und einer gegenüberliegenden Gegendichtung, insbesondere einem Einlaufbelag, vorzugsweise eines Leitgitters, definiert sein. Somit kann in einer Ausführung ein Druckgas, insbesondere Luft, vorzugsweise aus einem der Turbinenstufe vorgeschalteten Verdichter, in eine stromaufwärtige weitere Kavität geführt und dort in einen, vorzugsweise größeren, Leckagestrom über die rotorelementfeste Dichtung, insbesondere zum Kühlen des Rotorelements, und eine, vorzugsweise kleinere, Sperrgasströmung aufgeteilt werden. Entsprechend kann die Turbinenstufe in einer Ausführung eine stromaufwärtige weitere Kavität aufweisen, welche mit einem Druckreservoir, einem Dichtungsspalt über der rotorelementfesten Dichtung und der Ausblasanordnung kommuniziert.
  • Eine erfindungsgemäße Turbinenstufe kann insbesondere in einer Gasturbine, vorzugsweise einem Flugtriebwerk, eingesetzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
    • Fig. 1 einen Teil einer Turbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt; und
    • Fig. 2 einen Teil einer Turbinenstufe nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 entsprechender Darstellung.
  • Fig. 1 zeigt einen Teil einer Turbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt mit einem Gaskanal 11, in dem mehrere Laufgitter angeordnet sind, von denen in Fig. 1 zwei Laufschaufeln 1 teilweise sichtbar sind. Zwischen diesen ist ein Leitgitter angeordnet, von dem in Fig. 1 eine Leitschaufel 2 teilweise sichtbar ist.
  • Mit dem Gaskanal kommuniziert eine stromabwärtige Kavität 9, die axial durch eine Stirnseite eines Rotorelements in Form einer Laufschaufelscheibe mit den in Fig. 1 rechten Laufschaufeln 1 und durch eine rotorelementfeste Labyrinthdichtung mit Radialflanschen in Form von radialen Dichtspitzen 3A, 3B begrenzt wird.
  • Die Stirnseite bildet eine stromabwärtige Stirnwand der Kavität 9 (rechts in Fig. 1). Die Dichtung 3A, 3B begrenzt die Kavität 9 ebenfalls axial (nach links in Fig. 1).
  • Radial außen ist die Kavität 9 durch eine weitere rotorelementfeste Labyrinthdichtung 5 begrenzt, durch die die Kavität mit dem Gaskanal 11 kommuniziert.
  • Radial innen ist die Kavität 9 durch einen Dichtungsträger 3 begrenzt, an dem die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B angeordnet ist.
  • Die Kavität bildet somit eine Kammer zwischen der Laufschaufelscheibe und einem Innendeckband des stromaufwärtigen Leitgitters mit den Leitschaufeln 2. Das Leitgitter weist eine radial innere Gegendichtung in Form eines Einlaufbelags 4 auf, die der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B gegenüberliegt und mit dieser einen Dichtungsspalt definiert, der parallel zu einer Drehachse der Turbinenstufe (horizontal in Fig. 1) ist. Die rotorelementfeste Dichtung ist eine Labyrinthdichtung mit zwei radialen Dichtspitzen 3A, 3B, die dem Einlaufbelag in Form einer Wabendichtung 4 radial gegenüberliegen. Die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B begrenzt die Kavität 9 gegen eine weitere, stromaufwärtige Kavität 10, die im Übrigen durch eine Labyrinthdichtung 6 und eine stromabwärtige Stirnseite des in Fig. 1 linken Laufgitters, den Dichtungsträger 3 und dessen Verbindungsflansch zu diesem in Fig. 1 linken Laufgitter begrenzt wird und mit einem Druckreservoir 12 und über die Labyrinthdichtung 6 ebenfalls mit dem Gaskanal 11 kommuniziert.
  • Die Turbinenstufe weist eine Ausblasanordnung mit mehreren äquidistant über den Umfang verteilten Gaspassagen zum Ausblasen einer Sperrluftströmung in die Kavität 9 auf.
  • Die Gaspassagen sind als Durchgangsbohrung von Rohren ausgebildet, von denen in Fig. 1 ein Rohr 7 dargestellt ist. Das Rohr 7 ist in der Ausführung der Fig. 1 als separates Bauteil hergestellt und an dem rotorelementfesten Dichtungsträger 3, an dem die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B angeordnet ist, lösbar oder dauerhaft, insbesondere stoff-, reib- oder formschlüssig befestigt, insbesondere verschweißt, -klebt, -lötet, -rastet, -schraubt oder eingesteckt. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann das Rohr auch integral mit dem Dichtungsträger ausgebildet sein, indem ein Rohrmantel um eine Durchgangsbohrung spanend freigelegt, insbesondere freigefräst ist.
  • Die Rohre 7 und damit auch deren Durchgangsbohrungen bzw. Gaspassagen sind in Umfangsrichtung (aus der Zeichenebene der Fig. 1 heraus) gekrümmt, um eine Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung auszublasen, der gleichsinnig mit einer Drehrichtung der Turbinenstufe ist. Auf diese Weise kann vor der rotorelementfesten Stirnseite eine umfangsdrallbehaftete Sperrströmung eingeblasen werden, so dass eine Scherströmung aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors reduziert oder vermieden und so insbesondere ein Wirkungsgrad und damit der Betrieb der Turbinenstufe verbessert wird.
  • Über die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B tritt eine Leckageströmung in die Kavität 9 ein. Dies ist erwünscht, um die Stirnseite der Laufschaufelscheibe und/oder die Scheiben-Schaufel-Verbindung durch die Leckageströmung zu kühlen.
  • Austrittsöffnungen 8 der Rohre 7 bzw. deren Gaspassagen sind von der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B radial nach außen (vertikal nach oben in Fig. 1) versetzt. Die Sperrgasströmung wird sozusagen durch die Ausblasanordnung radial durch eine Leckageströmung über die rotorelementfeste Dichtung hinweg geführt und erst radial außen mit Drall ausgeblasen, so dass eine Störung durch die Leckageströmung reduziert, vorzugsweise verhindert wird.
  • Die Rohre 7 erstrecken sich in der Ausführung der Fig. 1 über ihre gesamte Länge in einer Ebene, die senkrecht zu einer Drehachse der Turbinenstufe ist (Vertikalebene auf die Zeichenebene der Fig. 1). Hierdurch kann die Sperrgasströmung in einer Ausführung auf kurzem Weg durch die Leckageströmung geführt werden.
  • In der Ausführung der Fig. 2, die im Übrigen mit der der Fig. 1 übereinstimmt, so dass einander entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet sind und auf die Beschreibung der Ausführung der Fig. 1 Bezug genommen wird, erstrecken sich die Rohre 7 in einer austrittsöffnungsnächsten Hälfte 7A ihrer Länge (oben in Fig. 2) ebenfalls in der Ebene senkrecht zur Drehachse. In einer eintrittsöffnungsnächsten Hälfte 7B ihrer Länge (unten in Fig. 2) sind sie hingegen um ca. 45° gegen die Drehachse der Turbinenstufe geneigt, insbesondere, um ihre Eintriffsöffnungen axial stromaufwärts zu versetzen.
  • Eine Bypass-Passage ist durch einen Dichtungsspalt zwischen der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B und dem gegenüberliegenden Einlaufbelag 4 des Leitgitters definiert und strömungstechnisch parallel zu der Ausblasanordnung geschaltet.
  • Sowohl dieser Dichtungsspalt über der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B als auch die Rohre 7 der Ausblasanordnung kommunizieren mit der stromaufwärtigen weiteren Kavität 10 und über diese mit dem Druckreservoir 12. Somit wird ein Druckgas, insbesondere Luft, vorzugsweise aus einem der Turbinenstufe vorgeschalteten Verdichter, in die stromaufwärtige weitere Kavität 10 geführt und dort in einen, vorzugsweise größeren, Leckagestrom über die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B zum Kühlen des Rotorelements und eine, vorzugsweise kleinere, Sperrgasströmung durch die Ausblasanordnung aufgeteilt. Die Gaspassagen der Ausblasanordnung weisen jeweils eine Eingangsöffnung auf, welche mit dem Druckreservoir 12 über die stromaufwärtige weitere Kavität 10 kommuniziert.
  • Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laufschaufel(anordnung/-gitter)
    2
    Leitschaufel(anordnung/-gitter)
    3
    Dichtungsträger
    3A, 3B
    radiale Dichtspitze (radialer Dichtungsflansch, rotorelementfeste Dichtung)
    4
    Einlaufbelag mit Wabendichtung (Gegendichtung)
    5
    Axialflansch (Labyrinthdichtung (weitere rotorelementfeste Dichtung))
    6
    Axialflansch (Labyrinthdichtung)
    7
    Rohr (Ausblasanordnung)
    7A
    austrittsöffnungsnächste Rohrhälfte
    7B
    eintrittsöffnungsnächste Rohrhälfte
    8
    Austrittsöffnung
    9
    Kavität
    10
    stromaufwärtige weitere Kavität
    11
    Gaskanal
    12
    Druckreservoir

Claims (13)

  1. Turbinenstufe mit einem Gaskanal (11), in dem wenigstens ein Laufgitter (1) angeordnet ist, einer Kavität (9), die mit dem Gaskanal kommuniziert und durch eine Stirnseite eines Rotorelements und durch eine rotorelementfeste Dichtung (3A, 3B) begrenzt wird, und einer Ausblasanordnung (7) mit wenigstens einer Gaspassage zum Ausblasen einer Sperrgasströmung in diese Kavität, wobei die Gaspassage zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung ausgebildet ist und eine Austrittsöffnung (8) aufweist, die von der rotorelementfesten Dichtung radial nach außen versetzt ist.
  2. Turbinenstufe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaspassage in Umfangsrichtung gekrümmt ist.
  3. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaspassage eine Durchgangsbohrung eines Rohrs (7) ist, das an dem Rotorelement befestigt oder integral mit dem Rotorelement ausgebildet ist.
  4. Turbinenstufe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr sich, wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise wenigstens in einem austrittsöffnungsnächsten Viertel seiner Länge (7A), wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt, die senkrecht zu einer Drehachse der Turbinenstufe ist.
  5. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen rotorelementfesten Dichtungsträger (3), an dem die Dichtung und das Rohr angeordnet sind.
  6. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaspassage eine Eingangsöffnung aufweist, welche mit einem Druckreservoir (12) kommuniziert.
  7. Turbinenstufe nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine zu der Ausblasanordnung strömungstechnisch parallele Bypass-Passage zwischen dem Druckreservoir und der Kavität.
  8. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität radial außen durch eine weitere rotorelementfeste Dichtung (5) begrenzt wird.
  9. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotorelementfeste Dichtung eine Labyrinthdichtung mit wenigstens einem radialen Dichtungsflansch (3A, 3B) ist.
  10. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement eine Laufschaufelanordnung mit wenigstens einer Laufschaufel (1) aufweist.
  11. Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Leitgitter (2) mit einer radial inneren Gegendichtung (4), die der rotorelementfesten Dichtung gegenüberliegt und mit dieser einen Dichtungsspalt definiert.
  12. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit wenigstens einer Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Turbinenstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sperrgasströmung durch die Ausblasanordnung (7) mit einem Drall in Umfangsrichtung radial außen von der rotorelementfesten Dichtung (3A, 3B) in die Kavität (9) ausgeblasen wird.
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