EP1456508B1

EP1456508B1 - Heissgaspfad-baugruppe einer gasturbine

Info

Publication number: EP1456508B1
Application number: EP02805240A
Authority: EP
Inventors: Shailendra Naik; Ulrich Rathmann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: US20040258517A1; AU2002366846A1; DE50204128D1; JP2005513330A; EP1456508A1; WO2003054360A1; US7104751B2

Description

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. EP 1162346 offenbart eine Konfiguration, bei der die Kühlseite eines gasundurchlässigen Element prallgekühlt 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 Laufschaufel 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 Unterteilungswände 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 Kühlseite 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 beispielsweise 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 anstreiftolerantes 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 Unterteilungswände 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 langlochförmig, um im Bedarfsfalle eine möglichst grossflächige Verteilung von Filmkühlmittel zu erzielen. Damit ist der gesamte Kühlmittelpfad wenigstens stromab der Prallkühlelemente 17 durch die Unterteilungswände 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 Umfangsseiten 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

1: Trägerelement
2: gasdurchlässiges Element
4: Kühlmittel
5: Raum, Spalt
7: Schaufeldeckband
7a: Dichtspitze
8: gasundurchlässiges Element
9: Kühlmittelkanal, Spalt
10: Leitschaufel
11: Laufschaufel
12: Heissgasströmung
12a: Leckageströmung
13: Gehäusewandung, Stator
14: Zuführung für Kühlmittel
16: Schaufelfuss
17: Prallkühlelement, Prallkühlblech, Prallkühleinsatz
18: redundante Kühlmittelöffnung
21: Deckelement
22: stromaufwärtige Begrenzung, Wand
23: stromabwärtige Begrenzung, Wand
24: Unterteilungswand, Umfangs- oder laterale Unterteilungswand
26: Segment

Claims

Heissgasspfad-Baugruppe für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine, welche Heissgaspfad-Baugruppe im Wesentlichen einen ringförmigen oder ringsegmentförmigen Querschnitt mit einer Umfangsrichtung aufweist, und welche Baugruppe eine Kühlseite und eine im Betrieb von Heissgas (12) überströmte Heissgasseite aufweist, welche Heissgaspfad-Baugruppe weiterhin umfasst: wenigstens ein für Transpirationskühlung ausgeführtes gasdurchlässiges Element (2) und wenigstens ein gasundurchlässiges Element (8), wobei das gasdurchlässige Element und das gasundurchlässige Element in Heissgas-Strömungsrichtung an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind,
und wobei das gasundurchlässige Element prallgekühlt, mit einem auf der Kühlseite beabstandet von dem gasundurchlässigen Element angeordneten Prallkühlelement (17), ausgeführt ist, und wobei auf der Kühlseite der Baugruppe ein Kühlmittelpfad (9, 5) ausgebildet ist, der von dem Prallkühlelement (17) zu der Kühlseite des gasdurchlässigen Elementes (2) führt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe wenigstens eine Unterteilungswand (24) aufweist, welche den Kühlmittelpfad in Umfangsrichtung in fluidisch getrennte Segmente (26) unterteilt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in Umfangsrichtung, mehrere einzelne gasdurchlässige Elemente nebeneinander angeordnet sind.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Segment (26) wenigstens ein einzelnes gasdurchlässiges Element angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige Element ein Dichtungselement einer Anordnung zur berührungslosen Dichtung ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem gasundurchlässigen Element (8) ein Schaufelblatt (10) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasundurchlässige Element (8) in Heissgas-Strömungsrichtung (12) stromauf des gasdurchlässigen Elementes (2) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilungswände (24) im Wesentlichen parallel zu den Profilsehnen der auf der Baugruppe angeordneten Schaufelblättern (10) verlaufen.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gasundurchlässigen Element eine Kühlmittelöffnung angeordnet ist, welche stromauf des gasdurchlässigen Elementes auf der Heissgasseite mündet.
Baugruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Unterbaugruppen besteht.
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.
Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) einen umlaufenden Ring ausbilden, der in Strömungsrichtung einer Heissgasströmung (12) stromauf der gasdurchlässigen Elemente (2) angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) prallgekühlte Wärmestausegmente sind.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässigen Elemente (8) Schaufelblätter (10) tragen.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe im Stator (13) der Strömungsmaschine angeordnet ist.