DE2718661C2 - Leitschaufelgitter für eine axial durchströmte Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leitschaufelgitter für eine axial durchströmte Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Kühleinrichtung ist in der DE-OS 20 42 947 beschrieben.

Die Kühlung von heißen Bauteilen in Gasturbinentriebwerken ist gegenwärtig eines der schwierigsten Probleme für den Konstrukteur von Triebwerken. Obwohl Hochtemperaturmaterialien entwickelt wurden, welche dieses Problem teilweise beheben, können in der voraussehbaren Zukunft die Probleme durch Verwendung von Materialien mit fortgeschrittener Technologie allein praktisch nicht behoben »/erden. Ein Grund dafür ist die Tatsache, daß diese fortgeschrittenen Materialien kostspielige Herstellungsverfahren benötigen oder Legierungen aus kostspieligen Materialien enthalten. Daher kann das Produkt zwar technisch geeignet, aber

ίο kostenmäßig ungeeignet sein. Weiterhin ist es offensichtlich, daß bei der fortwährenden Steigerung der Temperaturen von Gasturbinen keines der vorgesehenen Materialien unter diesen Umgebungsbedingungen beständig sein kann ohne die zusätzliche Unterstützung durch eine Kühlung mit einem Strömungsmittel.

Db Kühlung mit einem Strömungsmittel kann die Einfügung von kostengünstigeren Materialien in gegenwärtige Gasturbinentriebwerke ermöglichen und gestattet die Erzielung bedeutend höherer Temperaturen (und damit von Triebwerken mit höherem Wirkungsgrad) in der Zukunft

Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren zur Strömungsmittelkühlung angegeben, welche üblicherweise in Konvektionskühlung, Prallkühlung oder Filmkühlung eingeteilt werden. Alle diese Verfahren wurden sowohl einzeln als auch kombiniert in Gasturbinentriebwerken verwendet, wobei die relativ kalte verdichtete Luft von dem Verdichterteil des Triebwerkes als Kühlmittel verwendet wurde. Solche bekannten Konzeptionen werden beispielsweise in der US-PS 38 00 864 erörtert. Dort sind öffnungen für den Austritt von Kühlmittel stromaufwärts und stromabwärts von der Gitterengstelle angeordnet. Ein Problem bei der Strömungsmittelkühlung besteht in der Verringerung der Systemverluste, um dadurch die Menge an Antriebsmittel (Luft) zu senken, die für solche Verwendungszwecke ohne Schuberzeugung verbraucht wird, in der gegenwärtigen Praxis war es bei Benutzung der l'liiid-Kühlung zur Steigerung der natürlichen Hochtcmpcraturbeständigkeit des Materials erforderlich, den Leistungsverlust hinzunehmen, welcher durch die Einführung des Kühlmittels in die Schubströmung an solchen Stellen verursacht wurde, an denen sich Leistungsverluste ergeben. Beispielsweise (s. DE-OS 20 42 947) wird in Turbinen mit Fluidkühlung das Kühlungsmittel in irgendeinem Bereich mit hoher Mach-Zahl stromabwärts von der Engstelle des Leitschaufelgitters abgegeben, z. B. an der Hinterkante des Gitterrings. Diese Art der Mischung des Kühlmittels mit niedriger Geschwindigkeit mit dem Heißgasstrom hoher Geschwindigkeit führt zu Impulsenergieverlusten, welche eine Leistungsminderung verursachen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Leilschaufclgitter der eingangs genannten Gattung den Gitierring mit einer minimalen Kühlmittelmenge optimal zu kühlen.

Die Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Filmkühlung, Konvektionskühlung und Prallkühlung optimiert vereinigt werden. Insbesondere wird die gesamte Filmkühlluft (neben der zur Kühlung der Leitschaufeln verwendeten Luft) in das Leitschaufelgitler stromaufwärts von der Engstelle eingeleitet, wo die Mach-Zahl der Gasströmung klein ist. Hierdurch werden die Imoulsverluste bei der Mischung

Zi

der Heißgasströmung und der Kühlmittelströmung verringert und es wird gewährleistet, daß die gesamte Strömung durch das Gitter (Kühlmittel- plus Heißgasstrom) die gleiche Austrittsgeschwindigkeit und den gleichen Lufiwinkei beim Durchgang durch die Giterengstelle erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen Kiiher erläutert

F i g. 1 ist eine Teilschnittansicht eines Teils eines Gasturbinentriebwerkes gernäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 ist eine Draufsicht eines Segmentes des Gitterringes entlang der Linie 2-2 in F i g. 1.

F i g. 3 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Teils des Gitterringsegmentes der F i g. 2.

F i g. 4 zeigt eine vergrößerte Teilschnittansicht entlang der Linie 4-4 in F i g. 3.

F i g. 5 zeigt eine Teilschnittansicht entlang der Linie 5-5in Fig.4.

F i g. 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Gasturbine 10 mit einem Triebwerkrahmen 12. Die Turbine enthält eine Brennkammer i4, die durch eine Außenverkleidung 16 und eine Innenverkleidung 18 begrenzt ist Unmittelbar stromabwärts von der Brennkammer befindet sich ein Leitschaufelgitter 19 mit einer Ringreihe von radialen Leitschaufeln 20, welche von in Segmenten unterteilten äußeren Schaufelringen 22 und in ähnlicher Weise in Segmente unterteilten inneren Schaufelringen 24 gehalten werden. Stromabwärts von den Leitschaufeln 20 sind Laufschaufeln 26 an einer drehbaren Turbinenscheibe 28 befestigt, welche antriebsmäßig mit einem nicht gezeigten Verdichter verbunden ist, wie dies bei einem Gasturbinentriebwerk üblich ist Die Laufschaufeln 26 sind von einem Ringmantel 30 umschlossen.

Ein Heißgaskanal 32 ist auf diese Weise zwischen dem äußeren und dem inneren Schaufelring 22 bzw. 24 begrenzt, der sich stromabwärts durch die Laufschaufeln 26 erstreckt Die Ringe 22 und 24 sind einer intensiven Hitze durch die Verbrennungsprodukte ausgesetzt, welehe aus der Brennkammer 14 austreten und durch den Heißgaskanal 32 gemäß der Darstellung in F i g. 1 von links nach rechts strömen. Diese Bauteile müssen wirksam gekühlt werden.

An den radial äußeren und inneren Seiten des Heißgaskanals 32 sind Kanäle 34,36 für ein Kühlmittel gebildet. Der Kanal 34 ist gebildet zwischen der Brennkammcrverkleidung 16 und dem Rahmen 12, und der Kanal 36 wird zwischen der Brennkammerverkleidung 18 und einer inneren Tragstruktur 38 gebildet. In bekannter Weise wird die Kühlluft den beiden Kanälen 34 und 36 von einem stromaufwärtigen Verdichter oder Gebläse zugeführt (das Gebläse ist nicht gezeigt), um Kühlluft zur Kühlung der rückwärtigen Triebwerksteile einschließlich der nachstehend beschriebenen Bauelemente zu liefern.

Die Erfindung wird anhand der radial inneren und äußeren Ringe 22,24 dargestellt, die typische, durch ein Kühlmittel zu kühlende Elemente darstellen, welche einen Strömungsweg für heiße Gase wenigstens teilweise begrenzen. Die Erfindung kann aber auch bei ähnlichen stationären oder umlaufenden Elementen in entsprechenden Umgebungsbedingungen angewendet werden.

In F i g. 2 ist ein Teil des Ringes 24 in Draufsicht gezeigt. Zwei benachbarte Leitschaufeln 20 sind darauf befestigt und so angeordnet, daß sie die Strömung im Heißgaskanal 32 umlenken. Durch das benachbarte Paar von Leitschaufeln wird zwischen denselben eine Engstelle 40 gebildet Bekanntlich erhöht sich an einer derartigen Engstelle die Geschwindigkeit der heißen Gase auf einen maximalen Wert Es ist im Hinblick auf die Leistung des Triebwerkes erwünscht daß die gesamte Luft für den Kühlfilm an einer Stelle in das Gitter eingeleitet wird, wo die Mach-Zahl des Gasstroms (in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit) so klein wie möglich ist Auf diese Weise ergeben sich die geringstmöglichen Impulsverluste bei dem Mischer, des Heißgasstromes und der Kühlmittelströme. Wenn weiterhin die Einführung des Kühlmittels stromaufwärts von der Engstelle erfolgt, dann erreicht das gesamte durch das Gitter strömende Gas (Heißgas plus Kühlmittel) die gleiche Austrittsgeschwindigkeit und den gleichen Austrittswinkel bei seinem Durchgang durch die Engstelle 40. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die nachfolgenden Laufschaufeln 26 vergrößert Es ist zu beachten, daß die Leitschaufeln 20 mit zwei Einsatzstücken 42, 44 versehen sind, welche in geformten inneren Hohlräumen 46 bzw. 48 eingesetzt sind. Die Kühlluft von den Kanälen 34 oder 36 durchläuft die Einsatzstücke und wird aus diesen über eine Vielzahl von Löchern (nicht gezeigt) abgegeben zur Prallkühlung der Wände des Hohlraums und zur Vergrößerung der Konvektionskühlung derselben.

Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, weist der Ring 24 eine Ringwand 49 zur Begrenzung der Heißgasströmung auf, wobei die Ringwand 49 zwei Abschnitte besitzt. Ein erster Abschnitt 50 liegt stromaufwärts von der Engstelle 40 und ein zweiter Abschnitt 52 liegt stromabwärts von der Engstelle. Aus den noch nachstehend erläuterten Gründen erfolgt die Aufteilung in die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Abschnitte allgemein an der Stelle eines lasttragenden Flansches 56, welcher von dem Ring 24 aus nach innen ragt. Der Flansch 56 ist zur Halterung des Gitters in dem Triebwerk mit der Tragstruktur verbunden, beispielsweise durch eine Schraubverbindung 58. Der stromabwärtige Abschnitt 52 ist mit inneren serpentinenförmigen Kühlkanälen 54 versehen (hier sind nur zwei Kühlkanäle gezeigt), welche in Strömungsmittelverbindung mit einem Kanal 36 stehen, der seinerseits im wesentlichen stromaufwärts von der Engstelle 40 angeordnet ist. Jeder Kühlkanal 54 endet in einer Tasche 60 in dem Wandabschnitt 50 stromaufwärts von der Engstelle 40 und die Kühlluft wird durch diese Tasche 60 über mehrere öffnungen 62 als Kühlfilm entlang der Stirnfläche der Ringwand 49 abgegeben, welche den Heißgaskanal 32 begrenzt. Es ist zwar nicht unbedingt erforderlich, daß ein Kühlkanal 54 in einer Tasche endet Dies ist jedoch zweckmäßig, da hierdurch ein Mittel zur Ausbreitung des abgegebenen Kühlmittels über eine größere Wandfläche erhalten wird. Wie am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist, tritt die Kühlluft in die serpentinenförmigen Kühlkanäle 54 über eine öffnung 64 im Flansch 56 ein, wird im Kreislauf durch den stromabwärtigen Abschnitt 52 geführt und strömt dann über eine weitere öffnung 66 im Flansch 56 in die Tasche 60. Die Öffnungen 64 und 66 können entweder lateral oder, wie hier gezeigt, radial beabstandet sein.

Die Kühlluftmenge, die Anzahl eier serpentinenförmigen Kühlkanäle 54 und deren Lage ist abhängig von den thermischen Umgebungsbedingungen, der zulässigen Temperatur des Metalls der Ringe und den Wärmegradientcn. Da jedoch die Wirksamkeit der Filmkühlung allgemein in stromabwärtiger Richtung abnimmt, wird der am weitesten stromabwärts gelegene Teil des Ringes 24 der höchsten Temperatur ausgesetzt sein. Um

dies zu kompensieren, ist es zweckmäßig, die maximale Konvektionskühlung an dieser Stelle vorzusehen. Daher ist die erste Schleife der serpentinenförmigen Kühlkanäle 54 in der Nähe der Hinterkante 68 des Ringes 24 angeordnet, wobei die Kühlkanäle 54 eine Reihe von Kehren von praktisch 180° bis zur Tasche 60 durchlaufen. Ein solcher Aufbau erzeugt ein System mit dem geringsten Wärmegradienten, sowohl von oben nach unten als auch in Richtung stromaufwärts nach stromabwärts, für die Ringwand 49. Die Streben 70, welche teilweise den Kühlkanal begrenzen, tragen zum Abfließen der Wärme von der heißen nach der kalten Seite der Wand bei, und auf diese Weise wird der Wärmegradient zwischen den beiden Seiten weiter gesenkt. Die Lage der Tasche 60 und insbesondere der Öffnung 62 muß so vorgesehen werden, daß eine ausreichende statische Druckdifferenz zur Betätigung des Kühlsystems vorhanden ist, und gleichzeitig muß dabei berücksichtigt werden, daß es zweckmäßig ist, das Kühlmittel bei einem möglichst hohen statischen Druck abzugeben, um die Misch verluste zu verringern. Es muß daher für jeden Verwendungszweck ein Ausgleich zwischen diesen beiden Erfordernissen vorgenommen werden. Es ist ersichtlich, daß beim Betrieb die gesamte, für die Kühlung des stromabwärtigen Wandabschnitts verwendete Luft in den Heißgaskanal 32 stromaufwärts von der Engstelle 40 abgegeben wird und daher die Verluste bedeutend reduziert werden und der Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird.

Wie aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich ist können zur Verbesserung der Konvektionskühlung in den Kühlkanälen 54 Teile 84 zur Bildung einer Turbulenz vorgesehen werden, welche die gesamte Breite der Kühlkanäle 54 an ihrer Heißgasseite einnehmen. Die Zahl und Anordnung dieser Teile 84 zur Turbulenzbildung ist ebenfalls abhängig von dem Aufbau eines bestimmten Gitters.

Der stromaufwärtige Ringabschnitt 50 kann durch irgendein bekanntes Verfahren gekühlt werden, vorzugsweise durch das bekannte Kühlverfahren mit Prall- und Filmkühlung gemäß der eingangs genannten US-PS 38 00 864. Gemäß F i g. 1 ist eine den Kanal 36 begrenzende Verkleidung 72 im Abstand von der Fläche 74 der Ringwand 49 angeordnet, um dazwischen einen Sammelraum 76 zu bilden. Eine Anzahi von Öffnungen 78 ermöglichen die Einleitung von Kühlluft aus dem Kanal 36 in den Sammelraum 76 und einen Aufprall der Kühlluft auf die Wandfläche 74 zur Verbesserung der Konvektionskühlung derselben. Öffnungen 80 bilden einen spitzen Winkel mit der Wand und ermöglichen die Ab- so gäbe der Kühlluft als Film über die Wand. Rippen 82 verlaufen radial zwischen der Verkleidung 72 und der Wand 24 und dienen zur teilweisen Begrenzung der Tasche 60 und zur Abtrennung der Tasche 60 vom Sammeiraum 76. Somit wird das gesamte Kühlmittel für die Ringwand 49 stromaufwärts von der Engstelle 40 abgegeben zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades.

Ein weiterer bedeutender Gesichtspunkt der Erfindung betrifft die Lage des Flansches 56. Da der Flansch 56 nicht weiter zurückverlegt ist (das heißt in stromabwärtiger Richtung) als die Engstelle 40, muß jegliches um den Ring 24 herum aus dem Kanal 36 austretendes Kühlmittel in den Heißgasstrom 32 stromaufwärts von der Engstelle 40 eintreten. Beispielsweise sei die Ringwand 49 als in Segmente unterteilt betrachtet, wobei benachbarte Segmente an gegenüberstehenden Flächen 86 aneinander stoßen. Dichtungen einer bekannten Bauform (nicht gezeigt) können zwischen die Flächen 86 am Flansch 56 eingefügt werden und trennen zusammen mit dem Flansch im wesentlichen die Kanäle 36 von dem stromabwärtigen Wandabschnitt 52. Obwohl es bevorzugt wird, ein Austreten von Luft aus dem Kanal 36 völlig auszuschließen, um Kühlmittel einzusparen und den Kühlmittelstrom zu verringern, ist es doch möglich, daß ein solches Austreten von Kühlmittel erfolgen kann, und es wird dann am besten auf den stromabwärtigen Wandabschnitt 52 begrenzt, da die Mach-Zahl an dieser Stelle am niedrigsten ist. Weiterhin wird das auf diese Weise ausgetretene Kühlmittel letztendlich zwischen den Leitschaufeln 20 hindurch strömen, und dies ist ein erwünschtes Merkmal. Der Flansch 56 wirkt daher teilweise als Hindernis für ein Austreten von Kühlmittel aus dem Kanal 36 an stromabwärtigen Stellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Leitschaufelgitter für eine axial durchströmte Gasturbine, mit gekühlten Leitschaufeln und Leitschaufelringen mit jeweils einer zum Heißgaskanal weisenden Ringwand, wobei diese Ringwände zusammen mit den Leitschaufeln konvergierende Strömungskanäle begrenzen und wobei die Leitschaufelringe einen ersten Abschnitt stromaufwärts von der Engstelle der Strömungskanäle und einen zweiten, von Kühlkanälen durchsetzten Abschnitt, stromabwärts der Engstelle aufweiser., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (54) im zweiten Abschnitt serpentinenförmig verlaufen und daß die Enden der serpentinenförmigen Kühlkanäle (54) über öffnungen (62) in der Ringwand (49) stromaufwärts der Engstelle (40) mit dem Strömungskanal in Verbindung stehen.

2. Leitschaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Engstelle (40) ein radialer Flansch (56) angeordnet ist, durch den zwei getrennte öffnungen (64, 66) hindurchführen, von denen die eine einen Kühlmitteleinlaß zu und die andere einen Kühlmittelauslaß aus einem jeweiligen serpentinenförmigen Kühlkanal (54) bildet.

3. Leitschaufelgitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts von dem Flansch (56) eine Verkleidung (72) im Abstand zu der Ringwand (49) angeordnet ist zur Bildung eines Sammelraumes (76), in den Kühlmittel zur Prallkühlung der Ringwand (49) einleitbar ist.

4. Leitschaufelgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ringwand (49) und der Verkleidung (72) eine Kühlmittelauslaßtasche (60) angeordnet ist, die von dem Sammelraum (76) durch eine Rippe (82) getrennt ist, die sich im wesentlichen zwischen der Ringwand (49) und der Verkleidung (72) erstreckt, wobei der Ausgang der serpentinenförmigen Kühlkanäle (54) in der zugeordneten Tasche (60) mündet, von wo aus das Kühlmittel durch die Öffnungen (62) als Kühlfilm über die Ringwand (49) leitbar ist.

5. Leitschaufelgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung (72) einen weiteren Kühlkanal (36) zum Leiten von Kühlmittel zum Düsenring (22,24) begrenzt und daß der Einlaß zum serpentinenförmigen Kühlkanal (54) strömungsmäßig mit dem weiteren Kühlkanal (36) in Verbindung steht.

6. Leitschaufelgitter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwand (49) in Sektoren unterteilt ist, deren Umfangsenden mit Dichtungen versehen sind, die eine Kühlmittel-Leckage von dem Kühlmittelkanal (36) in den Heißgas-Strömungskanal (32) verhindern.