DE3537043A1

DE3537043A1 - Kuehlbare statorbaugruppe und verfahren zum kuehlen derselben

Info

Publication number: DE3537043A1
Application number: DE19853537043
Authority: DE
Inventors: Robert H. Glastonbury Conn. Weidner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1985-10-17
Publication date: 1986-06-05
Anticipated expiration: 2005-10-18
Also published as: GB2168110B; US4642024A; IT8522685A0; JPH0756202B2; IL76659A; GB8524590D0; SE8505155L; IT1186038B; SE458545B; FR2574115A1; CA1212047A; CH681243A5; IL76659A0; FR2574115B1; SE8505155D0; GB2168110A; DE3537043C2; JPS61135904A

Description

Dip;.-l"-v Pelf Menges D - CuOv München 5

Unser Zeichen/Our ref. U

Datum/Date 17.10.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Kühlbare Statorbaugruppe und Verfahren zum Kühlen

derselben

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen, die einen Strömungsweg für Arbeitsmediumgase haben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Dichtung, die aus einem Kranz von Dichtsegmenten gebildet ist, welche sich umfangsmäßig um eine Achse der Maschine erstrecken, zum Beschränken der Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg. Die Erfindung wurde zwar während Arbeiten auf dem Gebiet der Axialgasturbinentriebwerke gemacht, sie findet jedoch auch Anwendung auf anderen Gebieten, bei denen umlaufende Maschinen benutzt werden.

Ein Axialgasturbinentriebwerk hat typisch einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch diese Abschnitte des Triebwerks. Eine Stator- oder Leitradbaugruppe erstreckt sich um den ringförmigen Strömungsweg, um die Arbeitsmediumgase zu dem Strömungsweg zu leiten

und auf diesen zu beschränken.

Wenn die Gase auf dem Strömungsweg strömen, werden sie in dem Verdichtungsabschnitt unter Druck gesetzt und zu dem Verbrennungsabschnitt geleitet. Die unter Druck stehenden Gase werden mit Brennstoff in dem Verbrennungsabschnitt verbrannt, wodurch den Gasen Energie zugesetzt wird. Die heißen, unter Druck stehenden Gase expandieren in dem Turbinenabschnitt, um nutzbare Arbeit zu erzeugen. Ein Hauptteil dieser Arbeit wird als Ausgangsleistung benutzt, beispielsweise zum Antreiben einer Freifahrturbine oder zum Erzeugen von Schub für ein Flugzeug.

Ein verbleibender Teil der durch den Turbinenabschnitt erzeugten Arbeit wird nicht als Ausgangsleistung benutzt. Stattdessen wird dieser Teil der Arbeit innerhalb des Triebwerks benutzt, um die Arbeitsmediumgase in dem VerdichtungsabschnLtt zu verdichten. Eine Rotor- oder Laufradbaugruppe erstreckt sich zwischen dem Turbinenabschnitt und dem Verdichtungsabschnitt, um diese Arbeit von dem Turbinenabschnitt auf den Verdichtungsabschnitt zu übertragen. Die Rotorbaugruppe hat Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg erstrecken, um Arbeit aus den Gasen zu empfangen. Die Laufschaufeln sind in bezug auf die ankommende Strömung abgewinkelt, um Arbeit aus den Gasen zu ■ empfangen und die Rotorbaugruppe um die Drehachse anzutreiben.

Eine äußere Luftabdichtung umgibt die Laufschaufeln, um die Arbeitsmediumgase auf den Strömungsweg zu beschränken. Die äußere Luftabdichtung ist Teil der Statorbaugruppe des Triebwerks und besteht typisch aus mehreren bogenförmigen Dichtsegmenten. Die Statorbaugruppe weist weiter ein Triebwerksgehäuse auf, wie beispielsweise ein äußeres Gehäuse, und ein

Gebilde zum Abstützen der Dichtsegmente der äußeren Luftabdichtung an dem äußeren Gehäuse. Das äußere Gehäuse und das Abstützgebilde positionieren die Dichtsegmente in unmittelbarer Nähe der Laufschaufeln, um die Leckage der Gase vorbei an den Spitzen der Laufschaufeln zu blockieren. Infolgedessen sind die Segmente in innigem Kontakt mit den heißen Arbeitsmediumgasen und empfangen Wärme aus den Gasen. Die Segmente werden gekühlt, um die Temperatur der Segmente innerhalb zulässiger Grenzen zu halten.

Ein Beispiel einer solchen Konstruktion ist in der US-PS 3 583 824 beschrieben. Gemäß dieser US-Patentschrift ist eine äußere Luftabdichtung mit einem stromaufwärtigen Flansch oder Haken 44 und mit einem stromabwärtigen Haken 46 zum Erfassen eines Halters versehen. Kühlluft strömt in einen Hohlraum, der sich umfangsmäßig um die äußere Luftabdichtung zwischen der äußeren Luftabdichtung und einem Triebwerksgehäuse erstreckt. Eine Dichtvorrichtung in Form einer Prall- oder Leitplatte erstreckt sich umfangsmäßig um die äußere Luftabdichtung, um dazwischen einen Prallufthohlraum 58 zu begrenzen. Mehrere Löcher erstrecken sich durch die Prallplatte, um die Kühlluftströmung durch die Prallplatte genau zu dosieren und durch den Pralluftraum 58 hindurch und gegen die äußere Oberfläche 59 des Dichtsegments zu leiten. Die Luft wird dann in dem Prallufthohlraum gesammelt. Die Kühlluft wird aus dem Prallufthohlraum über mehrere axiale Durchlässe 66 in dem stromabwärtigen Haken 4 6 abgegeben, um einen kontinuierlichen Fluidstrom durch die Platte und den Prallufthohlraum zu erzeugen. Diese Kühlluft dient zur Konvektionskuhlung des Randbereiches der äußeren Luftabdichtung, wenn sie durch die Kammer 64 hindurchgeht.

Kühlluftlöcher 66 in dem sich nach innen erstreckenden Haken werden bei einigen Konstruktionen nicht benötigt. Ein Beispiel

ist eine äußere Luftabdichtung, die aus Dichtsegmenten gebildet ist, welche ein metallisches Substrat und ein keramisches Deckmaterial haben. Das keramische Deckmaterial ist an dem metallischen Substrat befestigt und begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg. Die umfangsmäßige Kontinuität des Hakens wird durch mehrere Schlitze unterbrochen, um die Umfangsfestigkeit des Hakens und die lokale Veränderung der Beanspruchungen in dem metallischen Substrat, die aus dem Vorhandensein des Hakens resultiert, zu verringern. Diese Schlitze belüften den Prallufthohlraum mehr als ausreichend.

Das Ableiten der Kühlluft aus dem Hohlraum ist jedoch nicht der einzige Gesichtspunkt. Bei modernen Gasturbinentriebwerken ist es außerdem erwünscht, die Kühlluftströmung aus dem Prallufthohlraum zu dosieren, nachdem sie auf die äußere Luftabdichtung aufgeprallt ist. Die zweite Dosierung ergibt eine bessere Kontrolle über den Verbrauch an Kühlluft. Die bessere Kontrolle ist wichtig, weil die Benutzung von Kühlluft den Betriebswirkungsgrad des Triebwerks verringert. Diese Verringerung erfolgt, weil die Arbeit, die abgezweigt wird, um die Kühlluft unter Druck zu setzen, von der für die Ausgangsleistung verfügbaren Arbeit abgezweigt wird.

Wegen der Vielzahl von Schlitzen, die sich durch den Haken erstrecken, ist es nicht möglich, auf Löcher in dem Haken zurückzugreifen, um die Kühlluftströmung aus dem Prallufthohlraum zu dosieren, sofern sich nicht die Löcher in das metallische Substrat erstrecken und ein Dichtteil an dem Haken angeordnet ist, um die Kühlluftströmung durch die Schlitze in dem Haken zu blockieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Löcher in dem Dichtelement für die Dosierfunktion zu benutzen. Es ist jedoch nicht immer erwünscht, das genaue Dosieren der Kühlluftströmung aus dem Prallufthohlraum zu ver-

-ersuchen, indem entweder ein Dichtelement benutzt wird, das Dosierlöcher hat, oder indem ein Dichtelement ohne Löcher benutzt wird und Dosierlöcher in dem Substrat vorgesehen werden .

Darüber hinaus ist es erwünscht, die Kühlluft wirksamer auszunutzen, damit eine stärkere Kühlung mit derselben Kühlluftmenge oder dieselbe Kühlung mit einer geringeren Kühlluftmenge erzielt wird. Das wirksamere Ausnutzen der Kühlluft vergrößert die Ausgangsleistung und steigert den Gesamttriebwerkswirkungsgrad, wobei trotzdem genug Kühlluft bereitgestellt wird, so daß die äußere Luftabdichtung eine zufriedenstellende Lebensdauer hat.

Demgemäß suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach einer wirksameren Kühlluftversorgung von Komponenten, wie beispielsweise Segmenten der äußeren Luftabdichtung, durch sowohl Dosieren der Kühlluftströmung als auch wirksameres Ausnutzen der Kühlluft.

Gemäß der Erfindung erfaßt eine äußere Luftabdichtung, die Belüftungsdurchiässe hat, einen Halter für die äußere Luftabdichtung, der Durchlässe hat, welche über die Belüftungsdurchlässe in serieller Strömungsverbindung mit einem Hohlraum für Kühlluft stehen, um den Hohlraum zu belüften und die Kühlluftströmung aus dem Hohlraum zu dosieren und zu einem anderen Bereich des Triebwerks zu leiten.

Gemäß der Erfindung ist der Durchlaß für Kühlluft in dem Halter radial ausgerichtet und leitet die Kühlluft durch einen zweiten Hohlraum und gegen die äußere Luftabdichtung, um eine Stoß- oder Prallkühlung der äußeren Luftabdichtung zu bewirken.

Gemäß einer AusführungsEorm der Erfindung ist die äußere Luft-

abdichtung aus einem Kranz von bogenförmigen Dichtsegmenten gebildet, die jeweils einen Haken haben, der den Halter erfaßt, einen sich durch den Haken erstreckenden Kanal für Kühlluft und einen Randbereich zwischen dem Haken und dem Rand des Segments, der durch Kühlluft stoßgekühlt wird, die durch den Haken und von diesem aus durch den Halter strömt.

Gemäß der Erfindung prallt Kühlluft auf eine äußere Luftabdichtung an einer ersten Stelle auf, wird gesammelt und strömt durch Durchlässe in der äußeren Luftabdichtung und dem Halter für die äußere Luftabdichtung zu einer zweiten Stelle, wo sie ein zweites Mal auf einen Randbereich der äußeren Luftabdichtung aufprallt.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist eine äußere Luftabdichtung, die aus einem Kranz von bogenförmigen Dichtsegmenten gebildet ist. Wenigstens eines der Dichtsegmente hat einen Durchlaß für Kühlluft, der mit einer Kühlluftguelle in Strömungsverbindung ist. Ein Halter erstreckt sich von einem Triebwerksgehäuse aus und erfaßt die äußere Luftabdichtung. Der Halter hat einen Durchlaß, welcher in Strömungsverbindung mit dem Durchlaß in der äußeren Luftabdichtung steht, um die Kühlluft auf einen Bereich des Triebwerks an dem Halter zu verteilen. In einer Ausführungsform ist die Kühlluftquelle ein Prallufthohlraum außerhalb der äußeren Luftabdichtung, der die Kühlluft sammelt, nachdem diese auf die äußere Luftabdichtung aufgeprallt ist. Der Durchlaß in der äußeren Luftabdichtung und der Durchlaß in dem Halter leiten die Kühlluft aus dem Prallufthohlraum zu einer Stelle, wo die Luft wieder auf das Segment der äußeren Luftabdichtung aufprallt. In einer Ausführungsform sind die Durchlässe in dem Segment der äußeren Luftabdichtung Schlitze, die sich durch einen Haken in dem Segment der äußeren Luftabdichtung erstrecken,

- / - Λ3

um die Auswirkung zu verringern, die der Haken auf lokale Spannungen in der äußeren Luftabdichtung hat.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die wirksame Ausnutzung der Kühlluft, die durch Leiten und Dosieren der Kühlluft durch Durchlässe in dem Halter zu neuen Stellen, um die Kühlluft diesen Stellen präzise zu liefern, resultiert. In einer Ausführungsform ist ein Vorteil der Triebwerkswirkungsgrad, der aus der wirksamen Ausnutzung der Kühlluft resultiert, weil diese auf die äußere Luftabdichtung an einer ersten Stelle aufprallt und dann durch den Halter für die äußere Luftabdichtung hindurchgeleitet wird, damit sie an einer zweiten Stelle wieder auf die äußere Luftabdichtung aufprallt. In einer Ausführungsform ist ein Vorteil die Lebensdauer einer mit keramischem Deckmaterial versehenen äußeren Luftabdichtung, die daraus resultiert, daß lokale Spannungsveränderungen reduziert werden, indem der Haken geschlitzt wird, welcher an der Dichtung benutzt wird/ um einen Halter für die Dichtung zu erfassen. Übermäßige Leckage durch die Schlitze wird vermieden, indem ein Dichtteil zwischen der äußeren Luftabdichtung und dem Halter vorgesehen wird, das die Leckage von Kühlluft durch die Schlitze blockiert. Das Zumessen und Leiten der Kühlluft erfolgt durch Durchlässe in dem Halter. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Lebensdauer der äußeren Luftabdichtung und des Halters für die äußere Luftabdichtung, die aus der Transpirationskühlung der äußeren Luftabdichtung und des Halters derselben durch Hindurchleiten der Kühlluft durch Durchlässe in der äußeren Luftabdichtung und dem Halter resultiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Axialgas-

turbinentriebwerks 10, die einen Teil des Turbinenabschnitts 12 und die Drehachse A des Triebwerks zeigt,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der in Fig.

1 gezeigten Komponenten in einer Ebene, die gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ansicht umfangsraäßig versetzt ist, um die Komponenten im Querschnitt zu zeigen, und

Fig. 3 eine Querschnittansicht nach der

Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines Axialgasturbinentriebwerks 10 mit einer Drehachse A . Die Ansicht zeigt einen Teil eines Turbinenabschnitts 12. Der Turbinenabschnitt weist einen ringförmigen Strömungsweg für Arbeitsmediumgase auf, der um die Achse A angeordnet ist. Ein Statorgebilde 16 begrenzt den Arbeitsmediumströmungsweg. Das Statorgebilde 16 umfaßt ein Triebwerksgehäuse in Form eines äußeren Gehäuses 18, das sich umfangsmäßig um den Arbextsmediumstromungsweg 14 erstreckt. Mehrere Laufschaufeln, die durch die einzelne Laufschaufel 22 dargestellt sind, erstrecken sich radial nach außen über den Arbextsmediumstromungsweg 14 bis in unmittelbare Nähe des äußeren Gehäuses 18.

Eine kühlbare Stator- oder Leitradbaugruppe 24 außerhalb der Laufschaufeln 22 erstreckt sich um die Achse A und begrenzt den ringförmigen Strömungsweg 14. Die kühlbare Statorbaugruppe weist eine äußere Luftabdichtung 26 und eine Vorrichtung zum Haltern der äußeren Luftabdichtung 28 auf. Die Vorrichtung zum Haltern der äußeren Luftabdichtung umfaßt einen stromaufwärtigen Halter 32 und einen stromabwärtigen Halter 34, die sich von dem äußeren Gehäuse 18 aus nach innen erstrecken. Jeder Halter kann in Segmente ge-

teilt sein, um die Umfangsfestigkeit des Halters zu reduzieren. Die Segmente der Halter sind durch Sehlitze 36 in der Lage, dünne, flexible Blechdichtungen (nicht gezeigt) zu empfangen. Die Halter sind an dem äußeren Gehäuse 18 befestigt, um die äußere Luftabdichtung in radialer Richtung um die Laufschaufeln 22 zu tragen und zu positionieren.

Die äußere Luftabdichtung 26 ist mit radialem Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 18 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 38 vorhanden ist. Eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Prallplatte 40 hat Enden 41, die zwischen der äußeren Luftabdichtung 26 sowie dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Halter 32 bzw. 34 eingeschlossen sind. Die Prallplatte oder das Leitblech 4 0 ist mit radialem Abstand einwärts von dem äußeren Gehäuse 18 und in radialem Abstand radial außerhalb von der äußeren Luftabdichtung 26 angeordnet. Die Prallplatte 40 unterteilt den Hohlraum 38 in einen äußeren Hohlraum 42 und in einen inneren Prallufthohlraum 44.

Ein erster Strömungsweg 4 6 für Kühlluft erstreckt sich außerhalb des Arbeitsmediumströmungsweges 14 und in den äußeren Hohlraum 42. Ein Leckweg 46' erstreckt sich von dem ersten Strömungsweg 46 aus radial nach innen zu dem Arbeitsmediumströmungsweg 14. Ein Sekundärströmungsweg in Form eines zweiten Strömungsweges 48 für Kühlluft erstreckt sich axial und in Umfangsrichtung in dem Prallufthohlraum 44 außerhalb der äußeren Luftabdichtung 26. Mehrere Pralllöcher 52 in der Prallplatte 40 bringen den ersten Strömungsweg 46 in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungsweg 48. Die Prallöcher 52 sind so bemessen, daß sie die Kühlluftströmung aus dem äußeren Hohlraum 4 2 dosieren, und leiten die Kühlluftströmung gegen die äußere Luftabdichtung 26 .

Die äußere Luftabdichtung 26 besteht aus mehreren bogenförmigen Dichtsegmenten, von denen nur ein einzelnes Dichtsegment 54 dargestellt ist und die sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg 14 erstrecken. Jedes Dichtsegment 54 hat eine Vorderkante 56 am stromaufwärtigen Ende und eine Hinterkante 58 am stromabwärtigen Ende. Die Dichtsegmente 54 sind von den Laufschaufeln 22 durch einen variablen Spalt C radial getrennt, um eine Relativradialbewegung zwischen den Laufschaufeln und der äußeren Luftabdichtung 26 zuzulassen.

Jedes Dichtsegment 54 weist eine Platte 62 sowie einen stromaufwartigen Haken 64 und einen stromabwärtigen Haken 66 auf, die an der Platte befestigt sind und die Platte in die Lage versetzen, den Halter zu erfassen. Der stromaufwärtige Haken 64 erstreckt sich von der Platte 62 aus an einer Stelle, die axialen Abstand von der Vorderkante 56 hat, so daß dazwischen ein Vorderkantenbereich 56a verbleibt. Der stromabwärtige Haken 66 erstreckt sich von der Platte 62 aus an einer Stelle, die axialen Abstand von der Hinterkante 58 hat, so daß dazwischen ein Hinterkantenbereich 58a verbleibt.

Der stromaufwärtige Halter 32 erfaßt mit einem sich umfangsmäßig erstreckenden stromaufwärtigen Flansch 68 den stromaufwärtigen Haken 64. Der stromabwärtige Halter 34 erfaßt mit einem sich umfangsmäßig erstreckenden stromabwärtigen Flansch 72 den stromabwärtigen Haken 66. Ein äußerer Flansch 74 an dem stromaufwärtigen Halter 32 ist mit Abstand außerhalb von dem stromaufwärtigen Flansch 68 angeordnet, und ein äußerer Flansch 76 an dem stromabwärtigen Halter 34 ist mit Abstand außerhalb von dem stromabwärtigen Flansch 72 angeordnet. Die äußeren Flansche 74, 76 versetzen die Halter 32, 34 in die Lage, die Enden der Prallplatte 40 zwischen den Flanschen und den Haken 64, an dem Dichtsegment 54 einzuschließen. Die Prallplatte 40

ist an den Enden 41 gebogen, so daß sie eine freie Höhe hat, wie es mit gestrichelten Linien dargestellt ist, die größer als die Einbauhöhe ist. Weil die Prallplatte 40 zwischen den Haken 64, 66 und den äußeren Flanschen 74, 76 eingeschlossen ist, drückt die Prallplatte gegen die äußeren Flansche 74, 76 der Halter 32, 34 und preßt gegen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Haken an dem Dichtsegment 54, um die bogenförmigen Dichtsegmente abdichtend nach innen gegen den stromaufwärtigen Flansch 68 an dem stromaufwärtigen Halter 64 und gegen den stromabwärtigen Flansch 72 an dem stromabwärtigen Halter 66 zu drücken. Ein dritter Flansch 78 an dem stromaufwärtigen Halter 32 versetzt den stromaufwärtigen Halter in die Lage, das äußere Gehäuse 80 zu erfassen, und ein dritter Flansch 80 an dem stromabwärtigen Halter 34 versetzt den stromabwärtigen Halter in die Lage, das äußere Gehäuse 18 zu erfassen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Bauteile in einer Ebene, die gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ansicht umfangsmäßig versetzt ist, um die Beziehung zwischen dem stromaufwärtigen Halter 32, dem stromabwärtigen Halter 34 und einem der Dichtsegmente 54 der äußeren Luftabdichtung 26 deutlich zu machen. Die Platte 62 des Dichtsegments 54 weist ein Substrat 84 auf. Das Substrat 84 hat eine Oberfläche 86, die sich umfangsmäßig um die Achse A erstreckt. Der stromaufwärtige Haken 64 und der stromabwärtige Haken 66 erstrecken sich von dem Substrat 84 aus nach außen. Ein keramisches Deckmaterial 88 ist an dem Substrat 84 befestigt. Das keramische Deckmaterial 88 hat eine keramische Oberflächenschicht 88a und eine Keramik/Metall-Zwischenschicht 88b, die mit einer zugeordneten Verbindungsschicht 88c die keramische Oberflächenschicht 88a an dem Substrat 84 befestigt. Die keramische Oberflächenschicht 88a erstreckt sich umfangsmäßig um die Achse A und von der Vorderkante 56 aus nach

hinten zu der Hinterkante 58, um den Arbeitsmediumströmungs weg 14 zu begrenzen.

Der stromaufwärtige Haken 64 ist an dem Substrat 84 der Platte 62 befestigt. Der stromaufwärtige Haken 64 hat einen ersten Abschnitt 92, der sich von der Platte 62 aus nach außen erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 94, der sich von dem ersten Abschnitt aus axial zu der Vorderkante 56 erstreckt. Der zweite Abschnitt 94 hat radialen Abstand von dem Substrat 84 der Platte 62, so daß zwischen ihnen eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 96 vorhanden ist.

Der stromaufwärtige Halter 32, der stromabwärtige Halter 34, das Dichtsegment 54 und die Prallplatte 40 begrenzen vier Hohlräume nahe dem vorderen Randbereich 56a und vier Hohlräume nahe dem hinteren Randbereich 58a. Die folgende Beschreibung des Aufbaus und der Hohlräume nahe dem Vorderrandbereich gilt gleichermaßen für den Aufbau und die Hohlräume nahe dem Hinterrandbereich. Der erste Hohlraum nahe dem Vorderrandbereich 56a ist der Prallhohlluftraum 44. Der stromaufwärtige Flansch 68 ist mit radialem Abstand außerhalb von dem Substrat 84 der Dichtplatte 62 angeordnet, so daß zwischen ihnen ein zweiter Hohlraum 98 vorhanden ist. Der Flansch 68 ist mit axialem Abstand von dem ersten Abschnitt 92 des Hakens 64 angeordnet, so daß ein dritter Hohlraum 102 dazwischen vorhanden ist. Der zweite Abschnitt 94 des Hakens 64 ist mit axialem Abstand von dem stromaufwärtigen Halter 32 angeordnet, so daß dazwischen ein vierter Hohlraum 104 vorhanden ist.

Die Prallplatte oder das Prallblech 40 ist ein erstes Dicht teil, das sich zwischen dem stromaufwärtigen Halter 32 und dem zweiten Abschnitt 94 des stromaufwärtigen Hakens 64 erstreckt, um die Kühlluftströmung auf einem Strömungsweg außerhalb des Hakens und zwischen der Prallplatte 4 0

At

und dem äußeren Flansch 74 in den vierten Hohlraum 104 zu blockieren. Ein im Querschnitt W-förmiges Dichtteil 106 ist in dem dritten Hohlraum 102 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem Dichtsegment 54 und dem stromaufwärtigen Halter 32, um die Leckage von Kühlluft durch den dritten Hohlraum in den zweiten Hohlraum 98 auf einem Strömungsweg zwischen dem Dichtsegment und dem Halter zu blockieren. Das zweite Dichtteil 106 könnte sich zwischen dem stromaufwärtigen Halter 32 und der Dichtplatte 62 des Dichtsegments 54 oder zwischen dem stromaufwärtigen Halter 32 und einem ununterbrochenen Teil des Hakens 64 erstrecken.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des Dichtsegments 54 und des stromaufwärtigen Halters 32 nach der Linie 3-3 in Fig. 2. Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 hat jeder Haken einen oder mehrere Durchlässe für Kühlluft in Form von mehreren Schlitzen 108. Die Schlitze 108 sind mit Umfangsabstand voneinander angeordnet und erstrecken sich axial durch den stromaufwärtigen Haken 64, um die ümfangskontinuität des Hakens zu unterbrechen und den ersten Hohlraum 44 mit dem vierten Hohlraum 104 in Strömungsverbindung zu bringen. Der stromaufwärtige Halter 32 hat wenigstens einen Durchlaß in Form von mehreren Zumeß- oder Dosierlöchern 112, die in Strömungsverbindung mit dem zweiten Hohlraum 98 über eine Öffnung 114 und in Strömungsverbindung über den Schlitz 108 mit dem ersten Hohlraum 44 für Kühlluft sind.

Die Dosierlöcher 112 sind mit dem vorderen Randbereich 56a des Dichtsegments 54 axial ausgerichtet und sind radial ausgerichtet, um die Kühlluft in radialer Richtung durch den zweiten Hohlraum 98 zu leiten, so daß die Kühlluft auf den Randbereich 56a der Dichtplatte 62 aufprallt. Stattdessen könnten gemäß der strichpunktierten Darstellung in Fig. 2 die Dosierlöcher 112' über den vierten

Hohlraum 104 und die Schlitze 108 in Strömungsverbindung mit dem ersten Hohlraum 44 sein, um Kühlluft unter einem Winkel in bezug auf den Randbereich 56a der äußeren Luftabdichtung 26 zu leiten. Aufgrund der Ausrichtung der Löcher 112" würden diese der Kühlluft eine radiale Geschwindigkeitskomponente geben, welche die Kühlluft zu dem vorderen Teil des Randbereiches 56a des Dichtsegments 54 treiben würde. Kühlluftlöcher 112'' könnten sich auch radial nach innen erstrecken. Die Löcher 112'' leiten die Kühlluft mit einer radial nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente, um die Kühlluft auf das benachbarte Gebilde in einem Gebiet des Triebwerks nahe dem Halter 32 aufprallen zu lassen und der Leckage von Kühlluft auf dem Strömungsweg 46' lokal entgegenzuwirken.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist jeder Schlitz 108 in dem stromaufwärtigen Halter 32 auf einen zugeordneten Durchlaß 112 in dem Flansch 68 ausgerichtet. Die Lage des Dichtsegments 54 in bezug auf den Halter 32 ist durch einen nicht dargestellten Paßstift festgelegt, um diese Ausrichtung aufrechtzuerhalten.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 strömen Kühlluft und heiße Arbeitsmediumgase in den Turbinenabschnitt 12 des Triebwerks. Die heißen Arbeitsmediumgase strömen auf dem ringförmigen Strömungsweg 14. Kühlluft strömt auf dem ersten Strömungsweg 46 und tritt in den Turbinenabschnitt außerhalb des Strömungsweges 14 der heißen Arbeitsmediumgase ein. Bauteile des Turbinenabschnitts 12, zu denen das äußere Gehäuse 18, die äußere Luftabdichtung 26 sowie der stromaufwärtige und der stromabwärtige Halter 32, 34 für die äußere Luftabdichtung gehören, werden durch die Arbeitsmediumgase erhitzt und durch die Kühlluft gekühlt. Die Kühlluft strömt auf dem ersten Strömungsweg 46 in den äußeren Hohlraum 42 außer-

halb der äußeren Luftabdichtung 26. Wegen Toleranzveränderungen erstrecken sich Leckwege/ wie beispielsweise der Leckweg 46', zwischen dem stromaufwärtigen Halter 32 und dem benachbarten feststehenden Gebilde in das Gebiet nahe dem stromaufwärtigen Halter. Demgemäß ist ein Dichtteil (nicht dargestellt) zwischen dem stromauf wärtigen Halter 32 und der benachbarten Statorbaugruppe angeordnet. Der Verlust an Kühlluft auf dem Leckweg 46' wird zwar durch das Dichtteil blockiert, etwas Leckage tritt jedoch auf.

Nachdem die Kühlluft in den äußeren Hohlraum 42 geströmt ist, wird sie durch die Prallöcher 52 in der Prallplatte 40 dosiert und prallt dann auf das Substrat 84 der Prallplatte an mehreren ersten Stellen L₁ auf. Die Kühlluft wird in dem Prallufthohlraum 44 gesammelt und strömt durch die Durchlässe (Schlitze) 108 in dem Haken 64 des stromaufwärtigen Halters 32. Die Kühlluft strömt entweder in den vierten Hohlraum 104 und von da aus zu den Löchern 112 oder direkt zu den Löchern 112, wo sie durch diese Löcher in dem Halter zugemessen und durch den zweiten Hohlraum 98 geleitet wird, so daß sie wieder auf das Substrat des bogenförmigen Dichtsegments 54 an einer zweiten Stelle L₉ aufprallt. Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Kühlluft und dem Dichtsegment 54, der aus dem Aufprallen der Kühlluft auf das Substrat 84 resultiert, ist wenigstens 500% größer als der Wärmeüberganaskoeffizient, der aus der Kühlluft resultiert, welche längs der Oberfläche des Substrats strömt, um Wärme durch Konvektionswärmeübertragung abzuführen. Nachdem die Kühlluft zum zweiten Mal auf das Dichtsegment 54 aufgeprallt ist, strömt sie in den benachbarten Bereich des Triebwerks, um den vorderen Randbereich 56a des Dichtsegments 54 konvektiv zu kühlen.

Aus verschiedenen Gründen könnte mehr Kühlluft durch einen Schlitz 108 als durch einen anderen Schlitz 108 strömen. Der vierte Hohlraum 104 dient als Verteiler zum gleichmäßigeren Verteilen der Kühlluft auf die Durchlässe in dem Halter 32. Zusätzliche Luft strömt durch den Schlitz 108, der diesen zusätzlichen Luftstrom zu dem vierten Hohlraum 104 hat. Ein Teil der zusätzlichen Kühlluft strömt dann durch den vierten Hohlraum 104 zu dem Gebiet, das einer geringeren Strömung ausgesetzt ist.

Die alternativen Durchlässe 112', 112'' können in Kombination miteinander und mit dem Durchlaß 112 benutzt werden, um die Kühlluft auf dieselbe brauchbare Weise zu verteilen. Der Kühlluftdurchlaß 112'' ist nach innen abgewinkelt, damit die Kühlluft auf die benachbarte Statorbaugruppe mit einer Einwärtskomponente der Radialgeschwindigkeit aufprallt und der über den Leckweg 46' ausströmenden Kühlluft entgegenwirkt. Die Kühlluft wandelt beim Aufprall einen Teil ihres dynamischen Geschwindigkeitsdruckes in statischen Druck um, wodurch ein kleines Gebiet höheren statischen Druckes erzeugt wird, um die Leckage von Kühlluft auf dem Leckweg 46' lokal zu blockieren.

Zusätzlich zur Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Kühlluft -und dem Dichtsegment 54 zum wirksamen Ausnutzen der Kühlluft und zum Vergrößern des Triebwerkswirkungsgrades wird die Kühlluft durch die stromaufwärtigen Halter 32 genau dosiert, wodurch die Vergeudung von Kühlluft verringert wird. Die Schlitze 108 in dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Haken 64, 66 verringern die lokale Spannungsveränderung, welche durch die Haken verursacht wird. Die Verringerung der Spannungsveränderung hat eine vorteilhafte Auswirkung auf die Lebensdauer der mit Keramikmaterial be-

deckten äußeren Luftabdichtung 26. Es wird angenommen, daß diese lokalen Spannungsvariationen eine nachteilige Auswirkung auf den Festigkeitsverband der Verbindungsschicht 88c zwischen dem Keramikmaterial 88 und dem Substrat 84 haben. Schließlich sorgt die Kühlluft, die durch die Schlitze 108 in den Haken 64, 66 und durch die Durchlässe 112 in dem Halter 32 geströmt ist, für eine Transpirationskühlung dieser Bauteile und für das Einhüllen dieser Bauteile in eine Kühlluftschieht, um thermische Spannungen in den Bauteilen zu verringern und das überhitzen der Bauteile zu vermeiden.

Leerseite -

Claims

F'-teri-rrvnit
Dipl.-!r.g. Rolf Ma

Erharcitstiaße 12
D-SOOO München

UnserZeichen/Ourref. tj 897 Datum/Date 17.10.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche:

1J Kühlbare Statorbaugruppe für ein Gasturbinentriebwerk mit einem ringförmigen Strömungsweg (14) für Arbeitsmediumgase und mit einem Triebwerksgehäuse (18), das sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumströmungsweg (14) erstreckt, wo- ^J bei die kühlbare Statorbaugruppe (24) eine äußere Luftabdichtung (26) aufweist, die sich in radialem Abstand einwärts von dem Triebwerksgehäuse (18) erstreckt, so daß ein Hohlraum (38) für Kühlluft dazwischen vorhanden ist, und eine Einrichtung (32, 34) zum Abstützen der äußeren Luftabdichtung (26) an dem Gehäuse (18) um den Arbeitsmediumströmungsweg (14), dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Luftabdichtung (26) aus einem Kranz von bogenförmigen Segmenten (54) gebildet ist, von denen wenigstens eines einen Durchlaß (108) für Kühlluft hat, der sich durch das Segment erstreckt und mit dem Hohlraum (38) in Strömungsverbindung steht, und

daß die Einrichtung (32, 34) zum Abstützten der äußeren Luftabdichtung (26) einen Halter (32) aufweist, der sich einwärts

in das Triebwerk erstreckt und die äußere Luf!-.abdichtung (26) erfaßt, wobei der Halter (32) wenigstens einen Durchlaß (112) in Strömungsverbindung mit dem Durchlaß in der äußeren Luftabdichtung zum Dosieren der Kühlluftströmung und zum Leiten der Kühlluft durch den Halter in ein Gebiet des Triebwerks nahe dem Halter hat.
2. Statorbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (112) in dem Halter (32) radial ausgerichtet ist, um Kühlluft radial einwärts zu dem Dichtsegment (54) zu leiten, damit die Kühlluft auf das bogenförmige Dichtsegment aufprallt.
3. Statorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzächnet, daß das bogenförmige Dichtsegment (54) einen sich umfengsmäßig erstreckenden Haken (64) hat, mittels welchem das Dichtsegment den Halter (32) erfaßt, und daß sich der Durchlaß (108) in dem Dichtsegment durch den Haken (64) erstreckt.
4. Statorbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bogenförmige Dichtsegment (54) eine sich umfangsmässig erstreckende Kante (56) hat, daß sich der Haken (64) an einer ersten Stelle (L ) von dem bogenförmigen Dichtsegment (54) aus erstreckt, die axialen Abstand von der Kante (56) hat, so daß dazwischen ein Randbereich (56a) vorhanden ist, und daß jeder Durchlaß (112) in dem Halter (32) eine Auslaßöffnung (114) für Kühlluft an einer zweiten axialen Stelle (L₂) hat, die sich radial außerhalb des Randbereiches (56a) befindet.
5. Statorbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (108) in dem Haken (64) Schlitze sind, die sich durch den Haken erstrecken, und daß der Halter (32)

mehrere Löcher (112) in Strömungsverbindung mit den Schlitzen (108) in dem Haken hat.
6. Statorbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein ersten Dichtteil (40) außerhalb des Hakens (64) erstreckt, um die Kühlluft durch die Schlitze (108) nach innen zu den Löchern (112) in dem Halter (32) zu leiten, und daß ein zweites Dichtteil (106) das bogenförmige Dichtsegment (54) an einer axialen Stelle zwischen der ersten axialen Stelle (L₁) und der zweiten axialen Stelle (L„) und den Halter (32) an einer axialen Stelle zwischen der ersten axialen Stelle (L ') und der zweiten axialen Stelle (L₂) erfaßt, um die Kühlluftströmung durch die Schlitze (108) nach außen zu den Löchern (112) in dem Halter (32) zu leiten.
7. Statorbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (32) einen Plansch (68) hat, der den Haken (64) des bogenförmigen Dichtsegments (54) erfaßt und radialen Abstand von dem bogenförmigen Dichtsegment hat, so daß ein Hohlraum (98) dazwischen vorhanden ist, durch den Kühlluft strömt, bevor sie auf den Randbereich (56a) aufprallt^ und durch den Kühlluft strömt, nachdem sie auf die äußere Luftabdichtung (26) aufgeprallt ist, um eine Konvektionskühlung des Flansches (68) und des Randbereiches (56a) zu bewirken.
8. Statorbaugruppe für ein Gasturbinentriebwerk mit einem ringförmigen Strömungsweg (14) für heiße Arbeitsmediumgase, der um eine Achse (A ) angeordnet ist, und mit einem Triebwerksgehäuse (18), daß sich urnfangsmäßig um den Arbeitsmediums tr ömungsweg (14) erstreckt, gekennzeichnet durch: eine äußere Luftabdichtung (26) die radialen Abstand von dem Triebswerksgehäuse (18) hat, so daß dazwischen ein erster Hohlraum (44) für Kühlluft vorhanden ist, und aus einem Kranz von bogenförmigen Diehtsegmenten (54) gebildet ist,

welcher sich umfangsmäßig um den Arbeitsmediumsströmungsweg (14) erstreckt, wobei jedes Dichtsegment (54) aufweist: eine Platte (62) , die eine Kante (56) hat, die sich umfangsmäßig um die Platte erstreckt und eine Dichtfläche, die sich axial von der Kante aus erstreckt und den Arbeitsmediumströmungsweg (14) begrenzt, einen Haken (64), der an der Platte (62) befestigt ist und einen ersten Abschnitt (92) hat, welcher sich von der Platte (62) aus nach außen erstreckt, und einen zweiten Abschnitt (94), der sich von dem ersten Abschnitt aus axial in der Richtung der Kante (56) erstreckt und radialen Abstand von der Platte (62) hat, so daß eine sich umfangsmäßig erstreckende Nut (96) dazwischen vorhanden ist, und

einen Halter (32), der sich von dem Triebwerksgehäuse (18) nach innen erstreckt und den Haken (64) des Dichtsegments (54) erfaßt, wobei der Halter aufweist: einen Flansch (68) der sich in die Nut (96) erstreckt, die durch den Haken (64) und die Dichtplatte (62) gebildet ist, und das Dichtsegment (54) erfaßt, wobei der Flansch (68) radialen Abstand von der Dichtplatte (62) hat, so daß dazwischen ein zweiter Hohlraum (98) vorhanden ist, axialen Abstand von dem ersten Abschnitt (92) des Hakens (64) aufweist, so daß dazwischen ein dritter Hohlraum (102) vorhanden ist, und axialen Abstand von dem zweiten Abschnitt (94) des Hakens (64) hat, so daß dazwischen ein vierter Hohlraum (104) vorhanden ist,

wobei jeder Haken (64) mehrere Schlitze (108) aufweist, die gegenseitigen Umfangsabstand haben und sich axial durch den Haken erstrecken, um die Umfangskontinuität des Hakens zu unterbrechen und den ersten Hohlraum (44) in Strömungsverbindung mit dem vierten Hohlraum (104) zu bringen, wobei sich ein erstes Dichtteil (40) zwischen dem Halter (32) und dem zweiten Abschnitt (94) des Hakens (64) erstreckt, um die

Kühlluftströmung auf einem Strömungsweg außerhalb des Hakens in den vierten Hohlraum (104) zu blockieren, und ein zweites Dichtteil (106), das in dem dritten Hohlraum (102) angeordnet ist und sich zwischen dem Dichtsegment (54) und dem Halter (32) erstreckt, um die Leckage von Kühlluft in den zweiten Hohlraum (98) auf einem Strömungsweg zwischen dem Dichtsegment (54) und dem Halter (32) zu blockieren, und wobei jeder Halter (32) mehrere Durchlässe (112) außerhalb des Randbereiches (56a) und auf diesen ausgerichtet hat, die in Strömungsverbindung mit dem zweiten Hohlraum (98) und in Strömungsverbindung über den Schlitz (108) mit dem ersten Hohlraum (44) für Kühlluft sind, um die Kühlluft in radialer Richtung zu dem Randbereich (56a) zu leiten.
9. Statorbaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (108) in dem Halter (32) die Strömung von Kühlluft dosieren und die Kühlluft radial durch den zweiten Hohlraum (98) leiten, so daß die Kühlluft auf den Randbereich (56a) der Dichtplatte (62) aufprallt.
10. Statorbaugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Durchlaß (112) in dem Halter (32) mit einem Schlitz (108) in dem Haken (64) ausgerichtet ist, so daß Kühlluft direkt aus dem ersten Hohlraum (44) zu dem Durchlaß (112) in dem Halter (32) durch den Schlitz (108) strömt.
11. Verfahren zum Kühlen einer Statorbaugruppe, die eine äußere Luftabdichtung aufweist, welche in radialem Abstand einwärts von dem Triebwerksgehäuse angeordnet ist, so daß ein Hohlraum für Kühlluft dazwischen vorhanden ist, und eine Einrichtung zum Abstützen der äußeren Luftabdichtung um den Arbeitsmediumströmungsweg, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

radiales Aufprallenlassen der Kühlluft auf die äußere Luftabdichtung an einer ersten Stelle,

Sammeln der auf die äußere Luftabdichtung aufgeprallten Kühlluft,

Strömenlassen eines Teils der gesammelten Kühlluft durch die äußere Luftabdichtung und von da aus durch den Halter für die äußere Luftabdichtung, und

radiales Aufprallenlassen der Kühlluft, die durch die äußere Luftabdichtung und den Halter geströmt ist, auf die äußere Luftabdichtung an einer zweiten Stelle.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Statorbaugruppe einen stromaufwärtigen Randbereich und einen stromabwärtigen Randbereich sowie eine Prallplatte aufweist, die sich zwischen den Randbereichen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des radialen Aufprallenlassens der Kühlluft auf die äußere Luftabdichtung an einer ersten Stelle den Schritt beinhaltet, die Kühlluft durch die Prallplatte strömen zu lassen, damit sie auf die äußere Luftabdichtung an einer ersten Stelle zwischen den Randbereichen aufprallt, und daß der Schritt des radialen Aufprallenlassens der Kühlluft auf die äußere Luftabdichtung an einer zweiten Stelle den Schritt beinhaltet, die Kühlluft auf einen der Randbereiche aufprallen zu lassen.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die äußere Luftabdichtung einen sich nach außen erstreckenden Haken zum Erfassen des Haltergebildes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Strömenlassens der Kühlluft durch die äußere Luftabdichtung den Schritt beinhaltet, die Kühlluft durch den Haken strömen zu lassen.