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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufel für eine Strömungsrotationsmaschine, insbesondere
für eine
Gasturbine, mit einem sich radialwärts erstreckenden Leitschaufelblatt
sowie einer sich am Leitschaufelblatt radial außen liegend anschliessenden
Plattform, mit einer dem Leitschaufelblatt radial abgewandten Plattformoberseite,
an der eine Verbindungsstruktur zur Befestigung der Leitschaufel
an einer statorseitigen Tragstruktur vorgesehen ist, die die Plattformoberseite
radialwärts überragende,
einen inneren Hohlraum begrenzende Seitenwandabschnitte aufweist,
der einseitig dem Laufschaufelblatt radialwärts abgewandt offen ausgebildet
ist und über
wenigstens eine Öffnung
innerhalb der Plattform mit einem in dem Leitschaufelblatt innenliegend
vorgesehenen Kühlkanalsystem
verbunden ist, sowie mit einem benachbart zur Verbindungsstruktur
außerhalb
des Hohlraumes angrenzenden Plattformabschnitt, der in radialer
Projektion außerhalb
des Querschnittes des Leitschaufelblattes liegt.
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Leitschaufeln
einer Strömungsrotationsmaschine
sind insbesondere im Falle einer Gasturbinenanlage unmittelbar den
aus der Brennkammer ausströmenden
Heissgasen ausgesetzt und unterliegen demzufolge hohen thermischen
Belastungen, die bei modernen Gasturbinenanlagen weit über den
materialspezifischen thermischen Belastbarkeitsgrenzen der einzelnen
Komponenten liegen. Aus diesem Grunde müssen die den Heissgasen unmittelbar
ausgesetzten Gasturbinenkomponenten, so insbesondere die Leit- und
Laufschaufeln, gekühlt
werden, so dass gewährleistet
werden kann, dass die betreffenden Komponenten nicht überhitzen
und keine durch thermisch bedingte Materialdegradationen hervorgerufene
irreversible Schädigungen
erfahren. Derartige Kühlmaßnahmen
sind vielfältig
bekannt und betreffen üblicherweise
die gezielte Zuführung
von Kühlluft zu
den einzelnen zu Hitze exponierten Komponenten, wobei als Kühlluft ein
Teil der aus der Kompressoreinheit der Gasturbinenanlage austretenden
komprimierten Zuluft abgezweigt wird, die somit dem weiteren Verbrennungsvorgang
nicht zur Verfügung steht.
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Es
liegt auf der Hand, dass die zu Kühlzwecken aus der verdichteten
Zuluft abgezweigte Kühlluftmenge
möglichst
gering zu halten ist, um das Leistungsvermögen der Gasturbinenanlage nicht nachhaltig
zu beeinflussen. Zudem gilt es den abgezweigten Kühlluftanteil
möglichst
effektiv und ohne Verluste, so insbesondere ohne Leckageverluste,
zu den einzelnen zu kühlenden
Gasturbinenkomponenten zu führen.
Im Falle des im Weiteren zu beschreibenden Leitschaufelkonzeptes
gilt es die einer Leitschaufel zu Kühlzwecken zugeführte Kühlluft effektiv und
ohne Leckageverluste zu nutzen.
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In
den 2a und 2b ist
jeweils in Seiten- und Querschnittsdarstellung der radial außen liegende
Teilbereich einer Leitschaufel 1 mit angrenzender statorseitiger
Tragstruktur 2 dargestellt. 2a zeigt
eine axiale Seitenansicht auf eine Leitschaufel 1, die
radial nach innen in den Strömungskanal
K einmündet.
Axial zur Leitschaufel 1 versetzt ist eine Laufschaufel
La stark schematisiert angedeutet. Die Leitschaufel 1 weist
in an sich bekannter Weise ein innen liegendes Kanalsystem KS auf,
das aus dem in 2b dargestellten Querschnittsbild
längs der
Schnittebene A-A zu entnehmen ist. Zur Kühlung der Leitschaufel 1 wird
komprimierte Kühlluft
L durch einen statorseitig vorgesehenen Kühlluftversorgungskanal SC der
Leitschaufel 1 zugeführt.
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Die
Leitschaufel 1 setzt sich aus einem Leitschaufelblatt 3,
einer sich radial außen
an das Leitschaufelblatt 3 anschließenden Plattform 4 sowie
einer dem Leitschaufelblatt 3 der Plattform 4 gegenüberliegenden
Verbindungsstruktur 5 zusammen, mit der die Leitschaufel 1 in
einer Tragstruktur 2 der Strömungsrotationsmaschine, respektive der
Gasturbinenanlage befestigt ist. Die Plattform 4 weist
eine dem Strömungskanal
K zugewandte erste Oberseite 41 und eine dem Strömungskanal
K abgewandte zweite Oberseite 42 auf. Über der Ebene der Plattformoberseite 42 ragt
radialwärts
die Verbindungsstruktur 5, die mit ihren Seitenwandabschnitten 51 und 52 sowie
den in 2b nicht dargestellten stirnseitigen
Seitenwandabschnitten einen innen liegenden Hohlraum 6 umschließen, der
einerseits mit dem Kühlluftversorgungskanal
SC und andererseits mit dem Kühlkanalsystem
KS der Leitschaufel 1 offen verbunden ist. Die laterale
Dimensionierung des Hohlraumes 6 in der Ebene der Plattformoberfläche 42 ist
vorzugsweise derart gewählt,
dass der in radialer Projektion auf das Laufschaufelblatt 3 der
Leitschaufel 1 erhaltene Querschnitt vorzugsweise vollständig vom
Hohlraum 6 überdeckt
ist, so dass sämtliche
innerhalb des Leitschaufelblattes 3 eingearbeiteten Kühlkanäle KS mit
Kühlluft
L aus dem Hohlraum 6 versorgt werden können. Hierdurch ist eine optimale
Kühlung
des Laufschaufelblattes 3 sichergestellt.
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Zur
Verbesserung der Kühleffizienz
befindet sich innerhalb des Hohlraumes 6 radial gegenüber der
Plattformoberseite 42 beabstandet eine Prallkühlplatte 7,
durch die die Kühlwirkung
der Kühlluft
L im Bereich des Leitschaufelblattes verbessert werden kann.
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Ferner
befindet sich an der Leitschaufel 1 ein frei überhängender,
sozusagen balkonartig ausgebildeter Plattformabschnitt 8,
der Teil der Plattform 4 ist, als Wärmestausegment einstückig mit
der Leitschaufel 1 verbunden ist und den radial außen liegenden Bereich
der Tragstruktur 2 des Statorgehäuses zwischen zwei benachbart
zueinander angeordneten Leitschaufeln 1 und 1' gegenüber den
Heissgasen innerhalb des Strömungskanals
K abzudichten vermag. Um eben diesen frei überhängenden Plattformabschnitt 8 gleichsam
dem vorstehend beschriebenen Bereich der Leitschaufel 1 effektiv
zu kühlen, ist
ein weiterer Kühlluftversorgungskanal 9 innerhalb der
Tragstruktur 2 vorgesehen, durch den Kühlluft L rückseitig zum Strömungskanal
K über
eine Prallkühlplatte 10 auf
die Plattformoberseite 42 des Plattformabschnittes 8 auftrifft.
Die Prallkühlplatte 10 ruht auf
rippenförmig
ausgebildeten Distanzelementen 11, die einstückig mit
dem Plattformabschnitt 8 verbunden sind. Überschüssige Kühlluft L
gelangt insbesondere durch einen Zwischenspalt 12 zwischen
den beiden benachbarten Leitschaufeln 1 und 1' in den Strömungskanal
K.
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Ausgehend
von der unter Bezugnahme auf die 2a und 2b beschriebenen
bekannten Leitschaufelanordnung und ihre damit verbundenen Kühlvorkehrungen,
die einerseits zwei getrennt zueinander geführte Kühlluftströmungen vorsehen und darüber hinaus
hohe Leckageverluste durch Ausströmen von Kühlluft durch den Zwischenspalt 12 in
den Strömungskanal
K aufweisen, gilt es Maßnahmen
zu treffen, derartige Leckageverluste zu beseitigen oder zumindest
zu reduzieren.
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Darstellung der Erfindung
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine vorstehend beschriebene Leitschaufel
für eine
Strömungsmaschine,
vorzugsweise für
den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, derart weiter zu bilden,
dass Leckageverluste beseitigt oder zumindest reduziert werden sollen
und der für
die Kühlung
der Leitschaufel erforderliche Kühlluftmassenstrom
ebenso zu reduzieren ist. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sollten
ohne große
technische Zusatzaufwendungen realisierbar sein und darüber hinaus
an bereits bestehenden, im Einsatz befindlichen Leitschaufeln nachrüstbar seien.
Dies betrifft ebenso die tragstrukturseitigen Vorkehrungen zur Zuführung von
Kühlluft
zu den einzelnen Leitschaufeln.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der Beschreibung insbesondere auf den Bezug auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Lösungsgemäß ist eine
Leitschaufel für
eine Strömungsrotationsmaschine,
insbesondere für
eine Gasturbine, mit einem sich radialwärts erstreckenden Leitschaufelblatt
sowie einer sich am Leitschaufelblatt radial außen liegend anschliessenden
Plattform mit einer dem Leitschaufelblatt radial abgewandten Plattformoberseite,
an der eine Verbindungsstruktur zur Befestigung der Leitschaufel
an einer Tragstruktur vorgesehen ist, die die Plattformoberseite
radialwärts überragende,
einen inneren Hohlraum begrenzende Seitenwandabschnitte aufweist,
der einseitig dem Laufschaufelblatt radialwärts abgewandt offen ausgebildet
ist und über
wenigstens eine Öffnung
innerhalb der Plattform mit einem in dem Leitschaufelblatt innenliegend
vorgesehenen Kühlkanalsystem
verbunden ist, sowie mit einem benachbart zur Verbindungsstruktur
außerhalb
des Hohlraumes angrenzenden Plattformabschnitt, der in radialer
Projektion außerhalb
des Querschnittes des Leitschaufelblattes liegt, derart ausgebildet,
dass im Bereich eines dem Plattformabschnitt zugewandten Seitenwandabschnitt
wenigstens ein offener Verbindungskanal zum Hohlraum vorgesehen
ist.
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Durch
die lösungsgemäße Maßnahme gelangt
Kühlluft
aus dem Hohlraum unmittelbar an den dem Strömungskanal abgewandten Oberflächenbereich
des Plattformabschnittes, durch die der Plattformabschnitt effektiv
gekühlt
wird. Durch diese gezielte Kühlluftabzweigung
aus dem Hohlraum, aus dem bis anhin Kühlluft ausschließlich für die Kühlung des
Leitschaufelblattes bereitgestellt worden ist, auch zur Kühlung des
frei überhängenden
Plattformabschnittes eröffnet
sich die Möglichkeit
auf die bisher getrennte Kühlluftzuführung durch
die Tragstruktur zur Kühlung
des überhängenden
Plattformabschnittes zu verzichten. Derartige Kühlluftversorgungskanäle sind
bei neu herzustellenden Gasturbinenanlagen nicht mehr vorzusehen
und bei bereits bestehenden Gasturbinenanlagen mit geeigneten Abdichtmitteln
zu verschließen.
Um die für
die erforderliche Kühlung
des überhängenden
Plattformabschnittes möglichst
effektiv zu nutzen, gilt es jegliche Leckageverluste zu vermeiden.
Hierzu wird der zwischen zwei benachbart angeordnete Leitschaufeln
vorhandene Zwischenspalt vorzugsweise mit einem Abdichtmittel fluiddicht
abgedichtet und auf diese Weise verhindert, dass Kühlluft ungenutzt
in den Strömungskanalbereich
der Strömungsrotationsmaschine
gelangen kann.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Teilquerschnittsdarstellung
durch den Bereich der äußeren Plattform
einer Leitschaufel im eingefügten
Zustand mit einer statorseitigen Tragstruktur,
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2a,
b Längs-
und Querschnittsdarstellung durch eine an sich bekannte Leitschaufelanordnung
sowie
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3 perspektivische
Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Tragstruktur mit äußerer Plattform
einer nicht weiter dargestellten Leitschaufel.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung durch eine Leitschaufel 1,
die über
ihre Tragstruktur 5 in entsprechend gegenkonturierte Ausnehmungen innerhalb
der Tragstruktur 2 eines Statorgehäuses einer Gasturbinenanlage
eingefügt
ist. Gleichsam der Beschreibung unter Bezugnahme auf die 2a und b
zeichnet sich die lösungsgemäß ausgebildete
Leitschaufel 1 durch ein Leitschaufelblatt 3,
in dessen Inneren ein Kühlkanalsystem
KS vorgesehen ist, eine äußere Plattform 4 mit
frei überragendem
Plattformabschnitt 8 sowie eine Verbindungsstruktur 5 aus.
Im Unterschied zu der unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
in den 2a und b beschriebenen Leitschaufelanordnung
ist lösungsgemäß in dem
Seitenwandabschnitt 52, der dem Plattformabschnitt 8 axial
zugewandt ist, ein Verbindungskanal 13 vorgesehen, durch
den Kühlluft
L unmittelbar auf die dem Strömungskanal
K abgewandte Plattformoberseite 42 des Plattformabschnittes 8 zuführbar ist.
Durch diese aus dem Hohlraum 6 ausströmende Kühlluft L, die zu Zwecken der
Kühlung
des Plattformabschnittes 8 abgezweigt wird, entfällt die Notwendigkeit
der Zufuhr von Kühlluft
durch den separaten Kühlluftversorgungskanal 9.
Bei bereits bestehenden und im Einsatz befindlichen Tragstrukturen
kann diesem Erfordernis dadurch nachgekommen werden, indem der Kühlluftversorgungskanal 9 lediglich
durch ein Abdichtelement 14 in Form eines einfachen Stopfens
fluiddicht verschlossen wird.
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Andererseits
gilt es zur Vermeidung großer Kühlluftströmungen zur
Kühlung
des Plattformabschnittes 8 Leckageverluste zu vermeiden. Hierzu
sieht die Seitenkante 15 des Plattformabschnittes 8 eine
entsprechende Ausnehmung 16 vor, in der eine Streifendichtung 17 eingesetzt
ist. Zur Abdichtung des Zwischenspaltes 12 ist an der der
axial gegenüberliegenden
Seitenkante der benachbarten Leitschaufel 1' gleichfalls eine entsprechend
dimensionierte Ausnehmung eingearbeitet, so dass die Streifendichtung
in beide Leitschaufeln hineinragt. Die Streifendichtung 16 sorgt
somit für
einen fluiddichten Abschluss des Zwischenspaltes 12, durch
den bis anhin große
Leckageverluste an Kühlluft
auftraten.
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Der
für die
Kühlluftabzweigung
aus dem Hohlraum 6 verantwortliche Verbindungskanal 13 ist relativ
zur Plattformoberseite 42 geneigt angeordnet vorzugsweise
derart, dass die Kühlluft
L unter einem Winkel α > 0° vorzugsweise kleiner 50° vorzugsweise ≤ 45° auf die
Plattformoberseite 42 auftrifft. Zur verbesserten Strömungsführung der
Kühlluft
L längs
der Plattformoberseite 42 befindet sich beabstandet über dieser
ein Flächenelement 18,
das die Kühlluftströmung möglichst
nah an der Plattformoberseite 42 führt. Der Verbindungskanal 13 mündet radial
unterhalb des Flächenelementes 18,
das mit der Plattformoberfläche 42 ein
Volumen abschließt,
in das Volumen ein.
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Ebenso
ist es vorteilhaft längs
der Plattformoberseite 42 nicht aus der 1 entnehmbare
Strömungsführungsmittel
vorzusehen, die die Kühlluftströmung bspw.
mäanderförmig über die
Plattformoberfläche 42 führt. Eine
derartige Mäanderstruktur kann
der perspektivischen Darstellung gemäß 3 entnommen
werden, auf die im Weiteren Bezug genommen wird.
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3 zeigt
die Draufsicht auf die dem Strömungskanal
K abgewandte Oberseite der Plattform 4 mit dem frei überhängenden
Plattformabschnitt 8. Gemäß der perspektivischen Bilddarstellung
in 3 ist die rahmenartig ausgebildete Verbindungsstruktur 5 zu
entnehmen, die einen innen liegenden einseitig offenen Hohlraum 6 durch
vier Seitenwandabschnitte 51, 52, 53 und 54 eingrenzt.
An den parallel gegenüberliegenden
Längsseitenkantabschnitten 51 und 52 sind
jeweils seitlich überragende
Kragen 19, 20 vorgesehen, die in entsprechend
gegenkonturierte Ausnehmungen innerhalb der Tragstruktur 2 einmünden. Ebenfalls
der perspektivischen Darstellung gemäß 3 ist eine
Prallkühlplatte 7 zu
entnehmen, die am Bodenbereich des Hohlraumes 6 vorgesehen
ist. Neben der Kühlluftversorgung
des nicht in 3 dargestellten Leitschaufelblattes über die Öffnung 21 erfolgt
eine Kühlluftversorgung
des Plattformabschnittes 8 über eine Vielzahl in einer
Ebene liegender Verbindungskanäle 13.
Die in den Bereich des Plattformabschnittes 8 eintretende
Kühlluft
wird durch mäanderförmig auf
der Plattformoberseite 42 vorgesehene Strömungsleitstrukturen 22 geführt und
umgeleitet. Hierdurch kann der Kühleffekt
an der Plattformoberfläche
verbessert werden.
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- 1
- Leitschaufel
- 2
- Tragstruktur
- 3
- Leitschaufelblatt
- 4
- Plattform
- 5
- Verbindungsstruktur
- 51
bis 54
- Seitenwandabschnitte
- 41
- Untere
Plattformoberseite
- 42
- Obere
Plattformoberseite
- 6
- Hohlraum
- 7
- Prallplatte
- 8
- Plattformabschnitt
- 9
- Kühlluftversorgungskanal
- 10
- Flächenelement
- 11
- Distanzelement
- 12
- Zwischenspalt
- 13
- Verbindungskanal
- 14
- Abdichtmittel,
Stopfen
- 15
- Seitenkante
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Streifendichtung
- 18
- Flächenelement
- 19,
20
- Kragen
- 21
- Öffnung
- 22
- Strömungsleitmittel