WO2003054360A1 - Heissgaspfad-baugruppe einer gasturbine - Google Patents

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WO2003054360A1
WO2003054360A1 PCT/CH2002/000686 CH0200686W WO03054360A1 WO 2003054360 A1 WO2003054360 A1 WO 2003054360A1 CH 0200686 W CH0200686 W CH 0200686W WO 03054360 A1 WO03054360 A1 WO 03054360A1
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cooling
coolant
hot gas
permeable
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PCT/CH2002/000686
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Shailendra Naik
Ulrich Rathmann
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Alstom Technology Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
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    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the present invention relates to a
  • the efficiency of an axially flowing gas turbine is influenced, among other things, by leakage flows of the compressed gas that occur between rotating and non-rotating components of the turbine.
  • the gap that occurs between the tips of the rotor blades and the housing wall surrounding the rotor blades plays an important role here. The aim is therefore to keep the column as small as possible. If there are deviations from the design point, it is easy for the moving components to touch the static components. For this reason, components that are tolerant of abrasion and / or abrasion, such as for example Honeycomb seals, or also porous ceramic or metal structures or felts, are used, which serve as mating surfaces for the sealing tips of the rotor blades, and which are partially cut by these during a running-in phase.
  • Honeycomb seals or also porous ceramic or metal structures or felts
  • sealing-tolerant sealing elements reduces serious machine breakdowns in the event of smaller rubbing events, since the rubbing is absorbed by the soft structure of the mating surface without damaging the blades.
  • JP 61149506 shows a similar embodiment, in which the honeycomb seals are carried by a layer of porous metal, which adjoins a supply chamber for cooling air. In this embodiment, too, the cooling air is brought up to the blade tips through the honeycomb seals.
  • a problem with a variety of configurations is that if the gas permeable elements are damaged by rubbing or even an area is torn out completely, the coolant pressure collapses and the entire sealing arrangement overheats and eventually fails. Likewise, if the porosity in a region becomes blocked by deformation due to the abrasion or also by dirt, the coolant flows around this region of the sealing element. Its cooling is no longer guaranteed and local overheating occurs. Overheating can burn out the affected area. The cooling air now flows through the large hole formed in this way, and the areas not previously affected are no longer cooled. As a result, the construction part as a whole, the entire circumference, fails.
  • the object of the present invention is now to provide a hot gas path assembly of the type mentioned at the outset which avoids the disadvantages of the prior art.
  • a hot gas path assembly should be designed in such a way that the cooling air is used as efficiently as possible, and that in the event of damage to an area, that of the
  • the essence of the invention is, on the one hand, to connect two cooling points in series in a cooling air path in such a way that the flowing cooling air is used in succession to perform two cooling tasks.
  • the stator of a gas turbine is cooled once in the area of a guide blade row and in the area of a rotor blade row with the same cooling air flow, and at the same time the same cooling air is applied to the blade tips or the blade cover band. In this way, the maximum permissible cooling air heating is achieved and the cooling potential of the cooling air is exploited to the maximum.
  • the partition wall is like this explained that the cooling air flow paths of individual segments arranged next to one another in the circumferential direction of the machine are hermetically separated from one another downstream of an impact cooling element.
  • An impact cooling element is provided with a large number of comparatively small openings, via which a cooling air flow is directed at high speed onto the cooling side of the component to be cooled.
  • Baffle cooling plates are often used. Because of this function, the impingement cooling elements cause a comparatively high pressure loss and are the essential throttle point in the respective coolant path, which also essentially causes the metering of the coolant flowing through.
  • the pressure loss coefficient of the impingement cooling element being greater, preferably at least by a factor of 2, than the pressure loss coefficient of the flow cross sections arranged downstream thereof, the entire flow is determined in a first approximation only by the impingement cooling element.
  • a plurality of gas-permeable elements are arranged next to one another in the circumferential direction. Due to the multi-piece, lateral, especially in the circumferential direction, Segmented execution of the sealing ring is further guaranteed that a local damage event remains mechanically limited to the segment directly affected. This is all the more fulfilled if the individual sealing ring segments are arranged and fastened in such a way that the greatest possible mutual mechanical decoupling is achieved. At least one individual gas-permeable element is preferably arranged in each segment.
  • the assembly according to the invention is particularly useful when the gas-permeable element is a component of a contactless seal of a turbomachine, in particular between a guide vane and the rotor and very particularly between a rotor blade and the stator.
  • the gas-impermeable element is arranged upstream of the gas-permeable element in the direction of the hot gas flow. It is advantageous if the gas-impermeable element has a further, redundant, coolant opening, which opens on the hot gas side of the assembly.
  • the coolant opening preferably opens upstream of the gas-permeable element, as close as possible to the gas-permeable element
  • the coolant opening is designed such that coolant escaping there flows as parallel as possible to the hot gas-side surface of the gas-permeable element, in such a way that a cooling film is formed there.
  • the air flowing out of the coolant opening lies as a cooling film over the gas-permeable element, and thus ensures a minimum cooling of this element, although due to the reduced flow, the perspiration cooling effect of the air flowing through the element is reduced or has completely failed. It is advantageous if the flow cross sections of the gas-permeable element and the coolant openings are dimensioned such that the pressure loss of the
  • the coolant opening is larger than that of the gas-permeable element, such that, by design, preferably less than 50%, and in particular less than 30%, of the total coolant flow through the coolant opening, and the rest is conducted as a perspiration coolant through the gas-permeable element. If its pressure loss increases due to the effects described above, the coolant shifts into the coolant opening and the proportion of film cooling increases. As stated above, the whole remains
  • Coolant mass flow is constant in the first approximation if the pressure loss through the impingement cooling holes predominates.
  • the assembly according to the invention is particularly suitable for use in turbomachines, the gas-permeable elements having a circumferential ring for contactless sealing form with an opposite blade ring, the gas-impermeable elements preferably also form a circumferential ring; this ring is preferably arranged upstream of the ring of the gas-permeable elements in the direction of the hot gas flow through the turbomachine.
  • the gas-impermeable elements are impact-cooled heat accumulation segments, in a further preferred embodiment, the impact-cooled gas-impermeable elements
  • Turbine blades in particular guide blades.
  • the assembly according to the invention is arranged in the stator of the turbomachine.
  • the dividers or partition walls for dividing the segments run parallel to the chords of blades arranged in the flow channel, and in particular on the gas-impermeable elements.
  • the assembly consists of a number of subassemblies arranged side by side, in particular in the circumferential direction, which are constructed such that each subassembly comprises a gas-impermeable element and a gas-permeable element.
  • a baffle cooling element is then essentially spaced apart on the hot gas side of the subassembly, opposite the gas-impermeable element, and a cover element is arranged opposite the gas-permeable element.
  • an annular segment-shaped space or a substantially annular segment-shaped gap for the coolant is formed.
  • such a subassembly comprises at least one
  • Partitioning wall for fluid-dividing and / or delimiting the annular gap in the lateral direction, in particular in the circumferential direction.
  • the subassembly carries at least one turbine blade; the partition wall then preferably runs parallel to the chord of this blade.
  • An annular assembly should preferably be subdivided in the circumferential direction into at least four segments which can be acted upon independently by cooling medium. By forming a larger number of segments, the reliability of the cooling is increased if individual sections of the gas-permeable elements are damaged.
  • honeycombs In addition to honeycomb structures, “honeycombs”, among other things, porous ones, for example produced by foaming, come as gas-permeable and in particular abrasion-tolerant elements
  • means are also provided for applying coolant to at least some of the segments independently of one another.
  • This can be realized by a device which controls the supply of cooling medium to the individual segments via the respective supply channels independently of one another. In this way, an inhomogeneous temperature distribution during operation of the
  • Fluid machine over the circumference of the flow channel can be compensated by supplying individual segments with appropriately adapted amounts of cooling medium. This is still suitable for realizing a gap width control.
  • Figure 1 shows an example of the implementation of the invention in a gas turbine
  • FIG. 2 shows an example of the implementation of the invention with an impact-cooled guide vane root
  • FIG. 3 shows a simplified partial cross section of an assembly according to the invention
  • FIG. 4 shows a subassembly for constructing an assembly according to the invention in a turbomachine, in particular a gas turbine assembly;
  • Figure 5 is a simplified top view of the subassembly.
  • Figure 1 shows a section of a flow channel of a turbomachine, for example a turbine of a gas turbine group.
  • a hot gas flow 12 flows through the flow channel from right to left.
  • a guide vane root 16 In the stator 13 is a guide vane root 16 with a not shown and not relevant to the invention, but familiar to the expert
  • the opposite element 2 is normally a comparatively soft, touch-tolerant element. In the present case, this is designed as a perspiration-cooled, gas-permeable honeycomb element. The outflow of a coolant flowing through into the leakage gap in a cross-flow to the leakage flow is quite suitable for further reducing the leakage flow.
  • the element 2 is held in a carrier 1.
  • the assembly according to the invention which is fastened in the stator, further comprises a gas-impermeable, impact-cooled element 8 arranged upstream of the gas-permeable element 2, here a heat accumulation segment.
  • Coolant in particular cooling air or steam, is supplied via a feed 14 in the housing 13.
  • the coolant 4 is first at a high speed through openings or nozzles
  • FIG. Essential elements are self-explanatory in the light of the explanations for Figure 1.
  • the gas-impermeable, impact-cooled element 8 also serves as a blade root 16 of the guide vane 10.
  • the impingement cooling element 17 Analogously to FIG. 1, between the gas-permeable element 2, the gas-impermeable element 8, the impingement cooling element 17, a cover element 21, and an upstream wall 22 and a downstream wall 23, a space 9 is formed, which is subdivided in the circumferential direction which cannot be seen here. Coolant passes through it
  • the coolant 4 at least predominantly flows through the gas-permeable element 2.
  • the gas-impermeable element 8 has a further, redundant coolant opening 18, through which the coolant 4 can flow out of the space 9.
  • This coolant opening opens out on the hot gas side of the assembly in such a way that coolant emerging there flows as a cooling film over the hot gas side of the gas-permeable element.
  • the redundant coolant opening 18 opens essentially tangentially to the hot gas-side surface of the gas-permeable element 2.
  • the redundant coolant opening is preferably dimensioned such that under undisturbed nominal conditions less than half, in particular less than 30%, of the coolant mass flow 4 flow through the redundant coolant openings 18.
  • FIG. 3 shows a schematic view of an assembly according to the invention in a cross-sectional view.
  • Essentially radially and axially extending webs or partition walls 24 divide the space 9 in the circumferential direction into segments 26.
  • a separate redundant coolant opening 18 is also arranged for each segment 26; at least their mouth is elongated, in order to achieve the largest possible distribution of film coolant if necessary.
  • the entire coolant path is thus subdivided into segments that are completely independent of one another, at least downstream of the impingement cooling elements 17, by the partition walls 24.
  • a single gas-permeable element 2 is still arranged for each segment 26. If a blade tip 7a (not shown here), see in this regard FIG.
  • the assembly according to the invention is advantageously constructed from a plurality of sub-assemblies arranged next to one another in the circumferential direction, which considerably simplifies the handling of the invention.
  • a subassembly is shown by way of example in FIG. 4 in a perspective view. It is a subassembly of the assembly from FIG. 2, and comprises a peripheral segment with a guide vane 10, together with its impingement-cooled blade root 16.
  • the subassembly further comprises a gas-permeable one
  • the subassembly comprises a partition wall 24, which en can be arranged on a peripheral side of the subassembly or at another peripheral position.
  • the partition wall is designed such that, as explained in connection with FIG. 3, it creates a fluid separation between the two circumferential sides.
  • FIG. 5 finally shows a schematic plan view of the subassembly from the outside radially, with “separated” walls 22, 23, 24. It can be seen that in this preferred embodiment the one that is not explicitly identified in FIG. 5 but in the light for the person skilled in the art of the preceding explanations, clearly recognizable, space 9 is divided in the circumferential direction by a dividing wall 14 in the circumferential direction, which runs parallel to the dash-dotted chord of the blade 10.
  • the partition wall 24 is arranged directly on a peripheral side of the sub-assembly; but it could easily be arranged at another circumferential position.
  • Circumferential segments are arranged side by side.

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Abstract

Eine Heissgaspfad-Baugruppe, wie sie insbesondere für die Verwendung im Heissgaspfad einer Gasturbine geeignet ist, weist als Heissgaskanalwand ein prallgekühltes gasundurchlässiges Element (8) und ein transpirationsgekühltes gasdurchlässiges Element (2) auf. Das gasdurchlässige Element ist insbesondere ein Anlaufbelag für eine Dichtspitze (7a), das gasundurchlässige Element ein Schaufelfuss (16) einer Turbinenschaufel. Kühlmittel (4) wird in Serie zunächst durch ein Prallkühlelement (17) geführt, um das gasundurchlässige Element (8) mit Prallkühlung zu kühlen. Danach durchström das Kühlmittel das gasdurchlässige Element zur Transpirationskühlung, und kühlt gegebenenfalls weiterhin die Dichtspitze (7a). Das Kühlmittel wird so besonderes effizient genutzt. Weiterhin sind Unterteilungswände (24) zur lateralen Unterteilung des Kühlmittelpfades (9), insbesondere in Umfangsrichtung, in Segmente (26) angeordnet. Aufgrund der Unterteilung bleiben bei einer Beschädigung des gasdurchlässigen Elementes in einem Segment die anderen Segmente im wesentlichen unbeeinflusst. Redundanten Kühlmittelöffnungen (18) stellen in einer bevorzugten Ausführungsform den Kühlmittelfluss auch dann sicher, wenn der Strömungswiderstand in einem transpirationsgekühlten Element ansteigt.

Description

HEISSGASPFAD-BAUGRUPPE EINER GASTURBINE
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Heissgaspfad-Baugruppe für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sie betrifft weiterhin eine Strömungsmaschine, in welcher eine erfindungsgemässe Baugruppe verwendet wird.
Stand der Technik
Der Wirkungsgrad einer axial durchströmten Gasturbine wird unter anderem durch Leckströme des komprimierten Gases beeinflusst, die zwischen rotierenden und nicht rotierenden Komponenten der Turbine auftreten. Der zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und der die Laufschaufeln umgebenden Gehäusewand auftretende Spalt spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Man ist daher bestrebt, die Spalte möglichst klein zu halten. Bei Abweichungen vom Auslegungspunkt kann es leicht zum Anstreifen der bewegten an den statischen Komponenten kommen. Aus diesem Grunde werden häufig anstreif- und/oder abriebtolerante Bauelemente, wie beispielsweise Wabendichtungen, "Honeycombs" , oder auch poröse Keramik- oder Metallstrukturen oder -filze, eingesetzt, die als Gegenlaufflächen der Dichtspitzen der Laufschaufeln dienen, und teilweise während einer Einlaufphase von diesen eingeschnitten werden. Die
Verwendung solcher anstreiftoleranter Dichtungselemente vermindert bei kleineren Anstreifereignissen schwerwiegende Maschinenhavarien, da das Anstreifen durch die weiche Struktur der Gegenlauffläche ohne Beschädigung der Schaufeln aufgenommen wird.
Sowohl die Spitzen der Lauf- oder Leitschaufeln als auch die eingesetzten Wabendichtungen sind im Heißgasbetrieb der Gasturbine sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Daher ist beispielsweise aus der US 3,365,172 bekannt, die Dichtspitzen der Laufschaufeln durch Wabendichtungen hindurch mit Kühlluft zu beaufschlagen. Hierzu ist der Träger für die Wabendichtungen mit kleinen Kühlluftbohrungen durchsetzt, die über eine umlaufende Ringkammer mit Kühlluft versorgt werden.
Die JP 61149506 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung, bei der die Wabendichtungen von einer Schicht aus porösem Metall getragen werden, die an eine Zufuhrkammer für Kühlluft angrenzt. Auch bei dieser Ausgestaltung wird die Kühlluft durch die Wabendichtungen hindurch an die Schaufelspitzen herangebracht.
Aus US 6,171,052 ist ebenfalls die Führung von Kühlluft durch poröse Dichtungslemente hindurch bekannt. Dabei werden die porösen Dichtungselemente beim Durchströmen mit der Kühlluft transpirationsgekühlt . US 4,013,376 offenbart eine Konfiguration, bei dem die Gegenlauffläche der Schaufeln sowohl prallgekühlt als auch transpirationsgekühlt ausgeführt ist. Die US 3,728,039 offenbart ebenfalls transpirationsgekühlte poröse Ringe als Gegenlaufflächen von Schaufeln. Dabei ist die Anspeisung des Ringes mit Kühlluft segmentiert. Der Ring selbst ist einstückig ausgeführt .
Ein Problem bei einer Vielzahl von Konfigurationen ist, dass, wenn es durch Anstreifen zu einer Beschädigung der gasdurchlässigen Elemente kommt oder gar ein Bereich vollständig herausgerissen wird, der Kühlmitteldruck zusammenbricht, und es zu einem Überhitzen und schliesslich zum Versagen der gesamten Dichtungsanordnung kommt. Ebenso wird, wenn in einem Bereich die Porosität durch anstreifbedingtes Verformen oder auch durch Schmutz verstopft wird, das Kühlmittel diesen Bereich des Dichtungselementes umströmt. Dessen Kühlung ist nicht mehr gewährleistet, und es kommt zur lokalen Überhitzung. Durch die Überhitzung kann der betroffenen Bereich ausbrennen. Durch das derart entstandene grosse Loch strömt nunmehr die Kühlluft aus, und die vorher nicht betroffenen Bereiche werden nicht mehr gekühlt. In der Folge versagt das Bautiel als ganzes, am gesamten Umfang.
Eine weitere Fragestellung ist ein möglichst effizienter Einsatz der zur Verfügung stehenden Kühlluft, da durch eine Kühllufteinsparung erhebliche
Leistungs- und Wirkungsgradpotenziale erschliessbar sind. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Heissgaspfad-Baugruppe der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll eine Heissgaspfad-Baugruppe derart ausgeführt sein, dass die Kühlluft möglichst effizient genutzt wird, und, dass bei einer Beschädigung eines Bereiches der des
Dichtungselementes die Kühlung der nicht unmittelbar betroffenen Bereiche im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt. Mit anderen Worten soll ein potenziell auftretender Schaden möglichst auf den Ort des primär schadensauslösenden Ereignisses beschränkt bleiben.
Die Aufgabe wird mit der Heissgaspfad-Baugruppe gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Kern der Erfindung ist es also einerseits, in einem Kühlluftpfad zwei Kühlstellen in Serie zu schalten, derart, dass die strömende Kühlluft nacheinander zur Erfüllung zweier Kühlungsaufgaben herangezogen wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird mit dem selben Kühlluftstrom der Stator einer Gasturbine einmal im Bereich einer Leitschaufelreihe, sowie im Bereich einer Laufschaufelreihe gekühlt, und gleichzeitig werden die Laufschaufelspitzen oder das Laufschaufeldeckband mit der selben Kühlluft beaufschlagt. Auf diese Weise wird die maximal zulässige Kühllufterwärmung erzielt und das Kühlungspotenzial der Kühlluft wird maximal ausgenutzt. Andererseits ist die Unterteilungswand derart ausgeführt, dass die Kühlluft-Strömungspfade einzelner in Umfangsrichtung der Maschine nebeneinander angeordneter Segmente stromab einem Prallkühlelement hermetisch voneinander getrennt sind. Ein Prallkühlelement ist mit einer Vielzahl vergleichsweise kleiner Öffnungen versehen, über welche ein Kühlluftstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Kühlseite des zu kühlenden Bauteils gelenkt wird. Häufig kommen Prallkühlbleche zum Einsatz. Aufgrund dieser Funktion verursachen die Prallkühlelemente einen vergleichsweise hohen Druckverlust, und sind die wesentliche Drosselstelle in dem jeweiligen Kühlmittelpfad, welche auch im Wesentlichen die Zumessung des durchströmenden Kühlmittels bewirkt. Bei einer entsprechende Aufteilung der Druckabfälle, wobei der Druckverlustbeiwert des Prallkühlelementes grösser ist, bevorzugt wenigstens um einen Faktor 2, als der Druckverlustbeiwert der stromab davon angeordneten Strömungsquerschnitte, wird der gesamte Durchfluss in erster Näherung nur durch das Prallkühlelement bestimmt. Für die erfindungsgemässe Konfiguration bedeutet das, dass, wenn in einem Segment eine Beschädigung des gasdurchlässigen Elementes, insbesondere eines Dichtungselementes, eintritt, die Strömungsbedingungen des Kühlmittels nicht dramatisch verändert werden, und die nicht primär von dem Schadensereignis betroffenen Segmente noch hinreichend mit Kühlluft versorgt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in Umfangsrichtung mehrere gasdurchlässige Elemente nebeneinander angeordnet. Durch die mehrstückige, lateral, insbesondere in Umfangsrichtung, segmentierte Ausführung des Dichtringes wird weiterhin gewährleistet, dass ein lokales Schadensereignis auch mechanisch auf das unmittelbar betroffene Segment beschränkt bleibt. Dies ist umso mehr erfüllt, wenn die einzelnen Dichtringsegmente so angeordnet und befestigt sind, dass eine möglichst weitgehende gegenseitige mechanische Entkopplung erreicht wird. Bevorzugt ist in jedem Segment wenigstens ein einzelnes gasdurchlässiges Element angeordnet. Wie bereits dargelegt wurde, bietet sich die erfindungsgemässe Baugruppe ganz besonders dann an, wenn das gasdurchlässige Element ein Bestandteil einer berührungslosen Dichtung einer Turbomaschine, insbesondere zwischen einer Leitschaufel und dem Rotor und ganz besonders zwischen einer Laufschaufei und dem Stator ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das gasundurchlässige Element in Richtung der Heissgasströmung stromauf des gasdurchlässigen Elementes angeordnet. Dabei ist es von Vorteil, wenn das gasundurchlässige Element eine weitere, redundante, Kühlmittelöffnung aufweist, die auf der Heissgasseite der Baugruppe mündet . Bevorzugt mündet die Kühlmittelöffnung stromauf des gasdurchlässigen Elementes, möglichst nahe an dem gasdurchlässigen
Element. Dabei ist die Kühlmittelöffnung möglichst so ausgeführt, dass dort austretendes Kühlmittel möglichst parallel zur heissgasseitigen Oberfläche des gasdurchlässigen Elementes strömt, derart, dass dort ein Kühlfilm entsteht. Dies hat folgende grosse Vorteile: Wenn die Strömungsquerschnitte des gasdurchlässigen Elementes des jeweiligen Segmentes durch Verschmutzung oder Verformung keinen ungehinderten Durchfluss mehr zulassen, wird weiterhin einerseits eine Kühlmittelströmung durch die Prallkühlbohrungen oder Prallkühldüsen des Prallkühlelementes gewährleistet, und die Kühlung des gasundurchlässigen Elementes wird sichergestellt.
Gleichzeitig legt sich die aus der Kühlmittelöffnung ausströmende Luft als Kühlfilm über das gasdurchlässige Element, und gewährleistet somit eine Mindestkühlung dieses Elementes, obwohl aufgrund der verminderten Durchströmung der Transpirationskühlungseffekt der das Element durchströmenden Luft verringert oder ganz ausgefallen ist. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Strömungsquerschnitte des gasdurchlässigen Elementes und der Kühlmittelöffnungen auslegungsmässig so bemessen sind, dass der Druckverlust der
Kühlmittelöffnung grösser ist, als der des gasdurchlässigen Elementes, derart, dass auslegungsgemäss bevorzugt weniger als 50%, und insbesondere weniger als 30% des gesamten Kühlmittels durch die Kühlmittelöffnung strömen, und der Rest als Transpirationskühlmittel durch das gasdurchlässige Element geleitet wird. Wenn dessen Druckverlust aufgrund der oben beschriebenen Effekte zunimmt, verlagert sich das Kühlmittel in die Kühlmittelöffnung, und der Anteil der Filmkühlung nimmt zu. Wie oben dargelegt, bleibt dabei der gesamte
Kühlmittelmassenstrom in erster Näherung konstant, wenn der Druckverlust über die Prallkühlbohrungen überwiegt.
Die erfindungsgemässe Baugruppe eignet sich, wie bereits angedeutet, ganz besondere zum Einsatz in Strömungsmaschinen, wobei die gasdurchlässigen Elemente einen umlaufenden Ring zur berührungslosen Abdichtung mit einem gegenüberliegenden Schaufelkranz bilden, bevorzugt bilden auch die gasundurchlässigen Elemente einen umlaufenden Ring; dieser Ring ist bevorzugt in Richtung der Heisssgasdurchströmung der Strömungsmaschine stromauf des Ringes der gasdurchlässigen Elemente angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gasundurchlässigen Elemente prallgekühlte Wärmestausegmente, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform tragen die prallgekühlten gasundurchlässigen Elemente
Turbinenschaufeln, insbesondere Leitschaufeln. Insbesondere dann ist die erfindungsgemässe Baugruppe im Stator der Strömungsmaschine angeordnet .
Es ist, vor allem wenn die Baugruppe Bestandteil einer Strömungsmaschine ist, eine bevorzugte Ausführungsform, dass die Trennstege oder Unterteilungswande zur Unterteilung der Segmente parallel zu den Profilsehnen von im Strömungskanal, und insbesondere auf den gasundurchlässigen Elementen, angeordneten Schaufeln verlaufen.
Die Baugruppe besteht in einer Ausführungsform aus einer Anzahl lateral, insbesondere in Umfangsrichtung, nebeneinander angeordneter Unterbaugruppen, welche so aufgebaut sind, dass jede Unterbaugruppe ein gasundurchlässiges Element und ein gasdurchlässiges Element umfasst. Im Wesentlichen ist dann auf der Heissgasseite der Unterbaugruppe gegenüberliegend des gasundurchlässigen Elementes ein Prallkühlelement beabstandet angeordnet, und gegenüberliegend des gasdurchlässigen Elementes ein Deckelement. Zwischen dem Deckelement und dem Prallkühlelement einerseits und dem gasdurchlässigen und gasundurchlässigen Element andererseits ist ein ringsegmentförmiger Raum oder ein im wesentlichen ringsegmentförmiger Spalt für das Kühlmittel ausgebildet . Erfindungsgemäss umfasst eine derartige Unterbaugruppe wenigstens eine
Unterteilungswand zur fluidtrennenden Unterteilung und/oder Abgrenzung des ringförmigen Spaltes in lateraler Richtung, insbesondere in Umfangsrichtung. in einer Ausführungsform trägt die Unterbaugruppe wenigstens eine Turbinenschaufel; die Unterteilungswand verläuft dann bevorzugt parallel zur Profilsehne dieser Schaufel .
Vorzugsweise sollte eine ringförmige Baugruppe in Umfangsrichtung in zumindest vier voneinander unabhängig mit Kühlmedium beaufschlagbare Segmente unterteilt sein. Durch Ausbildung einer größeren Zahl von Segmenten wird die Zuverlässigkeit der Kühlung bei Beschädigungen einzelner Abschnitte der gasdurchlässigen Elemente erhöht.
Als gasdurchlässige und dabei insbesondere anstreiftolerante Elemente kommen neben Wabenstrukturen, "Honeycombs" , unter anderem poröse, beispielsweise durch Aufschäumen hergestellte
Strukturen aus Metall- oder Keramikwerkstoffen in Frage, oder Filze oder Gewebe aus metallischen oder keramischen Fasern, in Frage.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Vorrichtung sind weiterhin Mittel zur voneinander unabhängigen Beaufschlagung zumindest einiger der Segmente mit Kühlmittel vorgesehen. Dies kann durch eine Einrichtung realisiert werden, die die Zufuhr von Kühlmedium zu den einzelnen Segmenten über die jeweiligen Zufuhrkanäle unabhängig voneinander steuert . Auf diese Weise kann eine inhomogene Temperaturverteilung während des Betriebes der
Strömungsmaschine über den Umfang des Strömungskanals kompensiert werden, indem einzelne Segmente, mit entsprechend angepassten Mengen an Kühlmedium versorgt werden. Dies eignet sich weiterhin für die Realisierung einer Spaltweitenregelung.
Auch wenn in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen von einer ringförmigen oder ringsegmentförmigen Ausgestaltung der Baugruppe, insbesondere in eine Strömungsmaschine, und ganz besonders in einer Gasturbine, ausgegangen wird, so erkennt der Fachmann ohne weiteres, dass die Erfindung beispilesweise auch auf ebene Geometrien anwendbar ist, wobei die Segmente dann nicht in Umfangsrichtung sondern lateral nebeneinander angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Kühl- und Dichtungsanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren erläutert . Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 ein Beispiel für die Realisierung der Erfindung in einer Gasturbine;
Figur 2 ein Beispiel für die Realisierung der Erfindung mit einem prallgekühlten Leitschaufelfuss; Figur 3 einen vereinfachten teilweisen Querschnitt einer erfindungsgemässen Baugruppe;
Figur 4 eine Unterbaugruppe zum Aufbau einer erfindungsgemässen Baugruppe in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbogruppe; und
Figur 5 eine vereinfachte Draufsicht auf die Unterbaugruppe .
Für das Verständnis der Erfindung nicht notwendige Elemente sind weggelassen worden. Die
Ausführungsbeispiele sind instruktiv zu verstehen, und sollen dem besseren Verständnis, nicht aber der Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung dienen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Turbine einer Gasturbogruppe. Der Strömungskanal wird von rechts nach links von einer HeissgasStrömung 12 durchströmt. Im Stator 13 ist auf nicht dargestellte und nicht erfindungsrelevante, dem Fachmann aber geläufige Weise ein Leitschaufelfuss 16 mit einer
Leitschaufel 10 angeordnet. Stromab der Leitschaufel 10 ist eine Laufschaufel 11 mit einem Deckband 7 und Deckbandspitzen 7a angeordnet. Die Deckbandspitzen minimieren in Verbindung mit gegenüber angeordneten geeigneten Statorelementen 2 den Leckagespalt und damit die Heissgas-Leckageströmung 12a. Um den Leckagespalt unter Nominalbedingungen klein halten zu können, ist das gegenüberliegende Element 2 im Normalfalle ein vergleichsweise weiches anstrei tolerantes Element. Dies ist vorliegend als transpirationsgekühltes gasdurchlässiges Wabenelement ausgeführt. Die Ausströmung eines durchströmenden Kühlmittels in den Leckagespalt im Kreuzstrom zu dem Leckagestrom ist durchaus geeignet, die Leckageströmung weiter zu vermindern. Das Element 2 ist in einem Träger 1 gehalten. Die erfindungsgemässe, im Stator befestigte, Baugruppe umfasst weiterhin ein stromauf des gasdurchlässigen Elementes 2 angeordnetes gasundurchlässiges prallgekühltes Element 8, hier ein Wärmestausegment. Kühlmittel, insbesondere Kühlluft oder -dampf, wird über eine Zuführung 14 im Gehäuse 13 herangeführt. Das Kühlmittel 4 wird zunächst mit hoher Geschwindigkeit durch Öffnungen oder Düsen eines
Prallkühlelementes 17 geführt, und trifft mit hohem Impuls auf die Kühlseite des Elementes 8, wobei dieses durch Prallkühlung gekühlt wird. Das Kühlmittel 4 strömt nach vollzogener Prallkühlung weiter durch das gasdurchlässge Element 2 als Transpirationskühlmittel in die HeissgasStrömung aus, wobei bei der vorliegenden Konfiguration weiterhin das Schaufeldeckband 7 und die Dichtspitze 7a gekühlt werden. Aus dieser Kühlmittelführung resultiert eine bestmögliche Ausnutzung des Kühlmittels 4. Wie zu erkennen ist, ist zwischen dem gasdurchlässigen Element 2, dem gasundurchlässigen Element 8, einer stromaufwärtigen Wand 22, einer stromabwärtigen Wand 23, dem Prallkühlelement 17, und einem Deckelement 21 ein prinzipiell ringförmiger oder ringsegmentförmiger Raum oder Spalt 5, 9 ausgebildet. Erfindungsgemäss ist dieser in Umfangsrichtung der Strömungsmaschine unterteilt, wie unten insbesondere im Zusammenhang mit Figur 3 näher erläutert wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. Wesentliche Elemente erklären sich im Lichte der Erläuterungen zu Figur 1 von selbst . In diesem Ausführungsbeispiel dient das gasundurchlässige prallgekühlte Element 8 gleichzeitig als Schaufelfuss 16 der Leitschaufel 10. Analog zu Figur 1 ist zwischen dem gasdurchlässigen Element 2, dem gasundurchlässigen Element 8, dem Prallkühlelement 17, einem Deckelement 21, sowie einer stromaufwärtigen Wand 22 und einer stromabwärtigen Wand 23 ein Raum 9 ausgebildet, welcher in der hier nicht erkennbaren Umfangsrichtung unterteilt ist. Kühlmittel tritt durch das
Prallkühlelement 17 in den Raum 9 ein. Unter ungestörten Nominalbedingungen strömt das Kühlmittel 4 wenigstens überwiegend durch das gasdurchlässige Element 2 ab. Weiterhin weist das gasundurchlässige Element 8 eine weitere, redundante Kühlmittelöffnung 18 auf, über die Kühlmittel 4 aus dem Raum 9 abströmen kann. Diese Kühlmittelöffnung mündet derart auf der Heisgasseite der Baugruppe, dass dort austretendes Kühlmittel als Kühlfilm über die Heissgasseite des gasdurchlässigen Elementes strömt. Insbesondere mündet die redundante Kühlmittelöffnung 18 im Wesentlichen tangential zur heissgasseitigen Oberfläche des gasdurchlässigen Elementes 2. Die redundante Kühlmittelöffnung ist bevorzugt derart bemessen, dass unter ungestörten Nominalbedingungen weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als 30%, des Kühlmittelmassenstroms 4 durch die redundanten Kühlmittelöffnungen 18 strömen. Wenn es allerdings beispielsweise aufgrund von Verschmutzung oder eines Anstreifereignisses zu einer signifikanten Erhöhung des Strömungswiderstandes des gasdurchlässigen Elementes 2 kommt, verschiebt sich die Kühlmittelströmung in die redundanten Kühlmittelöffnungen 18. Damit wird einerseits die Strömung zur Kühlung des gasundurchlässigen Elementes 8 aufrechterhalten, und andererseits wird eine aufgrund abnehmender Durchströmung mangelnde Transpirationskühlung sukzessive durch Filmkühlung durch die Öffnungen 18 ersetzt .
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Baugruppe in einer Querschnittsdarstellung. Im Wesentlichen radial und axial verlaufende Stege oder Unterteilungswande 24 unterteilen den Raum 9 in Umfangsrichtung in Segmente 26. Je Segment 26 ist auch eine eigene redundante Kühlmittelöffnung 18 angeordnet; wenigstens deren Mündung ist langlochformig, um im Bedarfsfalle eine möglichst grossflächige Verteilung von Filmkühlmittel zu erzielen. Damit ist der gesamte Kühlmittelpfad wenigstens stromab der Prallkühlelemente 17 durch die Unterteilungswande 24 in vollkommen voneinander unabhängige Segmente unterteilt. Weiterhin ist noch je Segment 26 ein einzelnes gasdurchlässiges Element 2 angeordnet . Kommt es nunmehr zu einem starken Anstreifen einer hier nicht dargestellten Schaufelspitze 7a, siehe diesbezüglich Figur 1 oder 2, in einem Segment, so wird lediglich das unmittelbar betroffene gasdurchlässige Element aus der Baugruppe herausgerissen. Aufgrund der mechanischen Entkoppelung der gasdurchlässigen Elemente 2 der unterschiedlichen Segmente 26 bleibt das mechanische Schadensereignis auf die unmittelbar betroffenen Segmente beschränkt. Selbstverständlich bricht in dem Raum 9 des betroffenen Segmentes der Kühlmitteldruck zusammen. Da aber die Segmente voneinander getrennt sind, und der massgebliche Druckverlust in den Prallkühlelementen 17 auftritt, bleibt der Kühlmitteldruck in den anderen Segmenten wenigstens in guter Näherung konstant, und das Schadensereignis wird vollständig lokal auf das oder die betroffenen Segmente beschränkt. Auch die Prallkühlung des gasundurchlässigen Elementes im betroffenen Segment bleibt im Wesentlichen uneingeschränkt funktionsfähig.
In einer real ausgeführten Strömungsmaschine wird die erfindungsgemässe Baugruppe vorteilhaft aus einer Mehrzahl in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneter Unterbaugruppen aufgebaut, was die Handhabung der Erfindung wesentlich vereinfacht. Eine solche Unterbaugruppe ist beispielhaft in Figur 4 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Es handelt sich um eine Unterbaugruppe der Baugruppe aus Figur 2 , und umfasst ein Umfangssegment mit einer Leitschaufel 10, mitsamt deren prallgekühlten Schaufelfuss 16. Die Unterbaugruppe umfasst weiterhin ein gasdurchlässiges
Element 2, ein Prallkühlelement 17, ein Deckelement 21, sowie eine stromaufwärtige Wand 22 und eine stromabwärtige Wand 23. Durch die dargestellte Anordnung ist ein ringsegmentförmiger Spalt 9 ausgebildet, welcher in radialer und axialer Richtung geschlossen und an den U fangsseiten der Unterbaugruppe an sich offen ist. Erfindungsgemäss umfasst die Unterbaugruppe eine Unterteilungswand 24, welche en einer Umfangsseite der Unterbaugruppe oder an einer anderen Umfangsposition angeordnet sein kann. Die Unterteilungswand ist so ausgeführt, dass sie, wie im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert, eine Fluidtrennung zwischen den beiden Umfangsseiten herstellt.
Die Figur 5 zeigt abschliessend eine schematische Draufsicht auf die Unterbaugruppe von radial aussen, mit "aufgetrennten" Wänden 22, 23, 24. Zu erkennen ist, dass in dieser bevorzugten Ausführungsform der in der Figur 5 nicht explizit gekennzeichnete , aber für den Fachmann im Lichte der vorangehenden Ausführungen klar erkennbare, Raum 9 in Umfangsrichtung von einer Unterteilungswand 14 in Umfangsrichtung unterteilt wird, die parallel zu der strichpunktiert eingezeichneten Profilsehne der Schaufel 10 verläuft. Die Unterteilungswand 24 ist dabei unmittelbar an einer Umfangsseite der Unterbaugruppe angeordnet; sie könnte aber ohne Weiteres auch an einer anderen Umfangsposition angeordnet sein.
Die hier gemachten Ausführungen für ringförmige oder ringsegmentförmige Geometrien vermag der interessierte Fachmann ohne Weiteres auf ebene Geometrien zu übertragen, wobei dann statt
Umfangssegmente laterale Segmente nebeneinander angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
Trägerelement gasdurchlässiges Element Kühlmittel Raum, Spalt Schaufeldeckband Dichtspitze gasundurchlässiges Element Kühlmittelkanal, Spalt Leitschaufel Laufschaufel Heissgasströmung a Leckageströmung Gehäusewandung, Stator Zuführung für Kühlmittel Schaufelfuss Prallkühlelement, Prallkühlblech, Prallkühleinsatz redundante Kühlmittelöffnung Deckelement stromaufwärtige Begrenzung, Wand stromabwärtige Begrenzung, Wand Unterteilungswand, Umfangs- oder laterale Unterteilungswand Segment

Claims

Patentansprüche
1. Heissgasspfad-Baugruppe für eine
Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, welche Heissgaspfad-Baugruppe insbesondere einen ringförmigen oder ringsegmentförmigen Querschnitt aufweist, und welche Baugruppe eine Kühlseite und eine im Betrieb von Heissgas (12) überströmte Heissgasseite aufweist, umfassend wenigstens ein für Transpirationskühlung ausgeführtes gasdurchlässiges Element (2) und wenigstens ein gasundurchlässiges Element (8) , wobei das gasdurchlässige Element und das gasundurchlässige Element an unterschiedlichen Positionen in Durchströmungsrichtung an der Wand des Heissgaspfades angeordnet sind, bei welcher Baugruppe das gasundurchlässige Element prallgekühlt, mit einem auf der Kühlseite beabstandet angeordneten Prallkühlelement (17) , ausgeführt ist, und auf der Kühlungsseite der Baugruppe ein Kühlmittelpfad (9, 5) ausgebildet ist, der von dem Prallkühleinsatz (17) zu der Rückseite des gasdurchlässigen Elementes (2) führt , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelpfad (9) lateral, insbesondere in Umfangsrichtung, durch wenigstens eine Unterteilungswand (24) in voneinander isolierte Segmente (26) unterteilt ist .
2. Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass, insbesondere in Umfangsrichtung, mehrere einzelne gasdurchlässige Elemente nebeneinander angeordnet sind.
3. Baugruppe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass in jedem Segment wenigstens ein einzelnes gasdurchlässiges Element angeordnet ist.
4. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige Element ein Dichtungselement einer Anordnung zur berührungslosen Dichtung ist.
5. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasundurchlässige Element (8) ein Schaufelfuss (16) , insbesondere ein Leitschaufelfuss, ist.
6. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasundurchlässige Element (8) in Durchströmungsrichtung (12) des Heissgaskanals stromauf des gasdurchlässigen Elementes (2) angeordnet ist.
7. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Unterteilungswande (24) zur lateralen Unterteilung des Kühlmittelpfades (9) im Wesentlichen parallel zu den Profilsehen von im Heissgaskanal angeordnete Schaufeln (10) angeordnet sind .
8. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilungswande (24) im Wesentlichen parallel zu den Profilsehnen der auf dem Schaufelfuss (8, 16) angeordneten Schaufeln (10) verlaufen.
9. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gasundurchlässigen Element eine Kühlmittelöffnung angeordnet ist, welche vorzugsweise stromauf des gasdurchlässigen Elementes auf der Heissgasseite mündet .
10. Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe aus einer Anzahl von in Segmentierungsrichtung nebeneinander angeordneten Unterbaugruppen besteht .
11. Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, umfassend wenigstens eine Baugruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässigen Elemente (2) einen umlaufenden Ring zur berührungslosen Abdichtung mit einem gegenüberliegend angeordneten Schaufelkranz (11, 7, 7a) bilden.
12. Strömungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) einen umlaufenden Ring ausbilden, der in Strömungsrichtung der Heissgasströmung (12) stromauf der gasdurchlässigen Elemente (2) angeordnet ist.
13. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 oder
12, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) prallgekühlte Wärmestausegmente sind.
14. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) Turbinenschaufeln (10) , insbesondere Leitschaufeln, tragen.
15. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe im Stator (13) der Strömungsmaschine angeordnet ist.
16. Unterbaugruppe einer Baugruppe gemäss Anspruch 10, mit einer Kühlungsseite, einer Heissgasseite, einer stromaufwärtigen Seite, einer stromabwärtigen Seite, und zwei lateralen Seiten, insbesondere zwei Umfangsseiten, umfassend: eine heissgasseitige Wand, welche ihrerseits wenigstens ein gasundurchlässiges Element (8,16) und ein stromab von diesem angeordnetes gasdurchlässiges Element (2) umfasst; eine kühlungsseitige Wand, welche von der heissgasseitigen Wand beabstandet und dieser gegenüberliegend angeordnet ist, und welche ihrerseits wenigstens ein Prallkühlelement (17) mit einer Vielzahl von Kühlmitteldurchtrittsoffnungen für den Durchtritt von Prallkühlungs-Kühlmittel , insbesondere ein Prallkühlblech, und wenigstens ein Deckelement (21), umfasst, wobei das Prallkühlelement (17) dem gasundurchlässigen Element (8) gegenüberliegend und von diesem beabstandet angeordnet ist, und das Deckelement (21) sich stromab an das Prallkühlelement (17) anschliessend dem gasdurchlässigen Element (2) gegenüberliegend und von diesem beabstandet angeordnet ist; je wenigstens eine stromabwärtige Wand (23) und eine stromaufwärtige Wand (22) , welche eine Verbindung zwischen der heissgasseitigen Wand und der kühlungsseitigen Wand herstellen; derart, dass zwischen der heissgasseitigen Wand, der kühlungsseitigen Wand, der stromaufwärtigen Wand, und der stromabwartigen Wand ein Spalt (9) zur Kühlmitteldurchströmung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Unterteilungswand (24) angeordnet ist, welche die stromaufwärtige Wand mit der stromabwartigen Wand und die heissgasseitige Wand mit der kühlungsseitigen Wand verbindet, dergestalt, dass eine Fluidtrennung zwischen den lateralen Seiten hergestellt ist.
17. Unterbaugruppe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der heissgasseitigen Wand (2, 8) wenigstens eine Turbinenschaufel (10) angeordnet ist .
18. Unterbaugruppe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilungswand (24) im Wesentlichen parallel zur Sehne des Schaufelprofils angeordnet ist.
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