DE3015653A1

DE3015653A1 - Luftgekuehltes schaufelversteifungsband eines turbinenrotors mit halterungsmitteln

Info

Publication number: DE3015653A1
Application number: DE19803015653
Authority: DE
Inventors: John N. Stratford Conn. Dale; Edward O. Orange Conn. Hartel
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1980-04-21
Publication date: 1981-10-29
Also published as: SE8002885L; FR2481742A1; GB2074656B; CA1123747A; GB2074656A; FR2481742B1; SE439338B; US4280792A; DE3015653C2

Description

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein staionäres, luftgekühltes Shhaufelversteifungsband oder Zylinder geschaffen, der einen Teil einer Turbinenanordnungbildet und weist einen inneren Ring mit darin ausgebildeter Matrix von Auskehlungen auf, sowie einen äußeren Halterungsring, der die Matrix abdeckt dergestalt, daß ein Labyrinth an Kanälen für den Hindurchtritt von Kühlluft durch denselben gebildet wird» Ein Aufhängungsring wirkt mit dem inneren Ring und dem Halterungsring zusammen unter Ausbilden eines Einlaßfließweges für die Kühlluft und es ist eine Kammer vorgesehen mit einem Hilfsauslaß unter Überführen des kühlenden Luftfilms an denRaum zwischen dem inneren Ring und den Rotorschaufelspitzen= Das Fließen der Kühlluft durch das Labyrinth dient dazu, die Größe und den Gradienten der Metalltemperaturen in dem Schaufelversteifungsband zu verringern, um so eine verbesserte Steuerung des lichten Abstandsverhältnisses der Turbinenschaufelspitzen zu erreichen.

Die Erfindung betrifft ein neuartiges und verbessertes Schaufelversteifungsband, durch das der lichte Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem umgebenden Schaulelversteifungsband in einer kleinen Gasturbine geringstmöglich gehalten wird.

Um größtmöglichen Wirkungsgrad der Turbine zu erreichen, ist es wesentlich, daß bei den verschiedenen Temperaturwerten, bei denen die Gasturbine betrieben wird, ein kleinstmöglicher lichter Abstand zwischen den umlaufenden Schaufelspitzen und dem Schaufelversteifungsband oder Zylinder erreicht wird. Somit ist es zweckmäßig, die Turbinenbestandteile so vorzusehen, daß die Wärmevergrößerung des Schaufelversteifungsbandes und der Schaufelspitzen mehr oder weniger parallel erfolgt, so daß ein kleinstmöglicher lichter Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem Schaufelversteifungsband aufrechterhalten itfird» Wenn das lichte Abstandsverhältnis zu eng gewählt wird„ ergibt sich natürlich die Möglichkeit eines wechselseitigen Reibens, während bei zu großem lichten Abstandsverhältnis ein Verlust an Wirkungsgrad resultiert«

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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges und verbessertes Schaufelversteifungsband oder Zylinderbauart für die Kompressorturbine oder Kraftturbine einer Gasturbine zu schaffen, wobei das Schaufelversteifungsband eine Anordnung für die Führung kalter Luft durch das Schaufelversteifungsband dergestalt aufweist, daß die Wirkung der Kühlluft in der unmittelbaren Fläche des lichten Abstandsgebietes der Schaufelspitzen lokalisiert ist und dies ist von kritischer Bedeutung für die Steuerung des lichten Äbstandsverhältnisses der Schaufelspitzen und somit den Wirkungsvollen Betrieb der Gasturbine.

Eine weitereder Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Schaufelversteifungsband für eine Kompressorturbine zu schaffen, das einen einteiligen inneren Ring aufweist, der mit einem einteiligen äußeren Halterungsring so zusammenarbeitet, daß ein Labyrinth von Kanälen für die Führung von Kühlluft durch dieselben ausgebildet wird und hierdurch eine verbesserte Steuerung des lichten Abstandsverhältnijses der Schaufelspitzen und ebenfalls eine Verringerung des Wertes und des Gradienten der Metalltemperaturen in dem Schaufelversteifungsband erreicht wird. Weiterhin ergibt sich eine Schwächung der Wärmeverζerrungen aufgrund von heißen Stellen an der Brennkammer, wobei die Integrität des Schaufelversteifungsbandes bei höheren Gastemperaturen aufrechterhalten wird.

Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein neues und verbessertes luftgekühltes Schaufelversteifungsband einschließlich einer Anordnung zu schaffen, durch die ein kühlender Filmfluß in dem Raum zwischen den Schaufelspitzen und dem schaufelversteifungsband ausgebildet wird, um so weiterhin eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gasturbine zu erreichen.

Erfindungsgemäß weist eine Turbinenanordnung ein stationäres, luftgekühltes Schaufelversteifungsband auf, das sich über die Schaufelspitzen eines Rotors erstreckt und im Abstandsverhältnis hierzu vorliegt, wie dies der Fall bei der ersten Stufe einer Gasturbine ist. Das Schaufelversteifungsband oder Zylinder weist im wesentlichen einen inneren Ring, einen äußeren Halterungsring und einen Aufhängungsring auf. Der innere Ring weist eine radial innere Oberfläche auf, die benachbart und im Abstandsverhältnis zu den umlaufender! Schaufelspitzen vorliegt, während die äußere Oberfläche

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des inneren Rings eine Matrix von Auskehlungen besitzt, die darin eingeschnitten sind« Die Matrix weist eine Mehrzahl von parallelen Umfangsauskehlungen auf, die sich allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse des inneren Rings erstrecken» Es ist weiterhin eine Mehrzahl verbindender Auskehlungen ebenfalls in die äußere Oberfläche des inneren Rings eingeschnitten und erstreckt sich allgemein parallel zu der längsseitigen Achse des inneren Rings, wobei jede schneidende Auskehlung eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Umfangsauskehlungen ergibt. Die verbindenden Auskehlungen sind um den Umfang des inneren Rings herum versetzt angeordnet. Der äußere Halterungsring liegt konzentrisch zu dem inneren Ring vor und umgibt denselben dergestalt, daß die Matrix der Auskehlungen in dem inneren Ring abgedeckt wird unter Ausbilden eines Labyrinthes von Kanälen für die Luftkühlung» Der Aufhängungsring arbeitet sowohl mit dem inneren Ring als auch mit dem äußeren Ring so zusammen, daß ein Einlaßfließweg sowie eine Kammer für Kühlluft ausgebildet wird, die von dem Turbinenkompressor geliefert wird. Die Kühlluft von der Kammer tritt in den Einlaßfließweg und wird durch das Labyrinth der Verbindenden und Umfangskanäle geführt, wodurch der Wert und der Gradient der Wärmeausdehnung des Schaufelversteifungsbandes verringert wird, wodurch sich eine verbesserte Steuerung des lichten Abstandsverhältnisses der Schaufelspitzen ergibt. Das Abstandsverhältnis wird aufgrund der kombinierten Belastungen des inneren gekühlten Ringes und des äußeren Halterungsringes gesteuert, wobei man bei dem Zusammenbau eine Liniean-Linie-Berührung annehmen kann, bei dem Zusammenbau jedoch auch ein geringfügiger Spalt oder Passung mit Übermaß vorgesehen werdeön kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis. Zusätzlich zu den günstigen Ergebnissen bedingt durch die Steuerung des lichten Abstandsverhältnisses der Schaufelspitzen weist ein gekühltes Schaufelversteifungsband die Fähigkeit auf erhöhte Turbinen-Einlaßtemperaturen zu vertragen, was ansonsten bei einer nicht gekühlten Schaufelversteifungsband nicht möglich wäre.

Bei einer wahlweisen Ausführungsform kann das Labyrinth Abmeßöffnungen aufweisen, die sich zwischen einer der Umfangsauskehlungen und der vorderen Kante des inneren Rings erstrecken, um so einen kühlenden Luftfilm auf die innere radiale Oberfläche des inneren

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Rings zu beaufschlagen„ wodurch weiterhin das Aufrechterhalten des geeigneten Abstandsverhältnisses der Schaufelspitzen unterstützt wird und die Abführung heißer Gase an der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes oder Zylinders verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig» 1 einen Teilschnitt durch die erste Stufe einer Gasturbine mit dem erfindungsgemäßen, luftgekühlten Schaufelversteifungsband;

Fig. 2 einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen, luftgekühlten Schaufelversteifungsbandes;

Fig. 3 eine Querschnitsansicht längw der Linie 3-3 nach der Figur 2;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen, luftgekühlten Schaufelversteifungsbandes;

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, luftgekühlten Schaufelversteifungsbandes;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht längs der Linie 6-6 nach der Figur 5;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes und

Fig. 8 eine Querschnittsansicht längs der Linie 8-8 nach der Figur

Unter Bezugnahme auf die Figur 1 weist die erste Stufe der Gasturbine das Bezugszeichen 10 auf und ist mit der Verbrennungskammer, nicht gezeigt, durch einen ringförmigen Verbrennungskammerauslaß verbunden. Die Verbrennungsgase, wiedergegeben durch die Pfeile G, werden der turbine zugeführt und kommen zunächst in Berührung mit den Statorschaufeln 14 der ersten Stufe, an die sich die Schaufeln 16 des Turbinenrotors der ersten Stufe anschließen. Jede umlaufende Schaufel 16 weist ein Wurzelteil 18 auf, das an der umlaufenden Anordnung der Turbine, siehe das Bezugszeichen 20, befestigt ist und weist weiterhin ein flügeiförmiges Teil 22 auf, wobei die Schaufelspitze das Bezugszeichen 24 trägt. Das Flügei-förmige Teil kann Luftkühlungskanäle aufweisen, die durch die punktierten Linien gezeigt sind. Die Rotorschaufeln 16 der ersten Stufewerden durch das ringförmige Schaufelversteifungsband oder Zylinder 30 umgeben,

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der im wesentlichen aus einem inneren Ring 32, einem äußeren Halterungsring 34 und einem Aufhängungsring 36 besteht ο Vorzugsweise ist jeder Ring 32, 34 und 36 einteilig ausgeführt und erstreckt sich um den gesamten Umfang des Turbinenrotors. Weiterhin sind vorzugsweise der innere Ring 32 und der Aufhängungsring 36 einstückig und aus einem einzelnen Bauteil gefertigt. Der innere Ring 32 ist allgemein zylinderförmig, wobei dessen längsseitige Achse mit der längsseitigen Achse des Turbinenrotors zusammenfällt und weiterhin weist der innere Ring 32 eine radial innere Oberfläche 40 und eine radial äußere Oberfläche 42 auf. Das Abstandsverhältnis zwischen der radial inneren Oberfläche 40 und dem Schaufelspitzen 24 wird durch den Buchstaben "t" wiedergegeben, wobei es sich hier um das lichte Abstandsverhältnis zwischen der Schaufel 16 des Rotors der ersten Stufe und dem Schaufelversteifungsband handelt» Wesentlicher Zweck der Erfindung ist es, das Kühlen des Schaufelversteifungsbandes so zu lokalisieren, daß ein praktisch einheitlicher lichter Abstand "t" zwischen dem Schaufelversteifungsband und dem Turbinenrotor der ersten Stufe unter allen Arbeitsbedingungen der Turbine aufrechterhalten wird.

Wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt, ist eine Matrix an Auskehlungen 50 in die äußere radiale Oberfläche 42 des inneren Rings geschnitten und bildet einen Teil eines Labyrinths der Kanäle für das Kühlen des Schaufelversteifungsbandes. Die Matrix weist Umfangsauskehlungen 52, 54, 56 und 58 auf, die parallel zueinander vorliegen und sich um den gesainten Umfang des inneren Rings erstrecken, dieselben sind allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse desselben angeordnet. An die Auskehlungen grenzen Umfangsbarrieren 51,53,55, 57 und 59 an, wobei die vordere Kante der Matrix durch die Barriere 51 begrenzt wird, während die hintere Kante der Matrix durch die Barriere 59 begrenzt ist. Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, kann die Breite und Tiefe jeder Auskehlung 52-58 so vorgesehen werden, daß die Querschnittsflächen der Umfangsausnehmungen praktisch gleich sind. Durch die Anordnung der Barrieren 51, 53, 55, 57 und 59 verläuft der Fluß der unter Druck stehenden Kühlluft durch die Matrix praktisch einheitlich.

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Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 besitzt die Barriere 51 an der vorderen Kante eine Mehrzahl an öffnungen 60, die vorzugsweise im einheitlichen Abstandsverhältnis um den gesamten Umfang des inneren Rings 52 herum angeordnet sind, wobei diese öffnungen 60 eine Verbindung zwischen der ersten Umfangsauskehlung 52 und dem Einlaßfließweg 70 darstellen. Der letztere wird durch den äußeren Halterungsring 34, den inneren Ring 32 und den Aufhängungsring 36 begrenzt. Der Eingangsfließweg 70 weist eine Kammer 72 auf, die in Verbindung mit der öffnung 60 steht und es ist weiterhin eine Einlaßkammer 74 in Verbindung mit der Kammer 72 über die öffnung 76 vorgesehen. Die von dem Kompressor der Gasturbine gelieferte Kühlluft wird der Einlaßkammer 74 über die öffnung 80, siehe die Figur 2, zzugeführt. Die von dem Kompressor kommende Kühlluft kann ebenfalls über die öffnung 80 einer zweiten öffnung 82 zugeführt werden, die in Verbindung mit dem Fließweg des Verbrennungsgases steht. Der Fließweg der Kühlluft wird durch den Buchstaben "P" wiedergegeben und dient dazu, stromauf von dem inneren Ring 32 vorliegende heiße Gase zu entfernen und liefert weiterhin einen kühlenden Luftfilm für das Gebiet des lichten Abstandes "t" zwischen der radial inneren Oberfläche 40 des inneren Rings 32 und den RotorKchaufein 16.

Unter Bezugnahme auf die Figur 3 weist die Matrix 50 ebenfalls eine Mehrzahl an verbindenden Auskehlungen 62, 64 und 66 auf, die sich allgemein parallel zu der längsseitigen Achse des inneren Rings erstrecken, wobei jede schneidende Auskehlung sich durch eine Barriere hin erstreckt zwecks Ausbilden einer Verbindung zwischen benachbarten Umangsauskehlungen. Wie in der Figur 3 gezeigt, ist die Anordnung der sich schneidenden Aukkehlungen in jeder Barriere versetzt zu der Anordnung der miteinander in Verbindung stehenden Auskehlungen in den benachbarten Barrieren angeordnet. Somit sind die sich schneidenden und in Verbindung stehenden Auskehlungen 62 und 66 in den Barrieren 53 und 57 ausgerichtet, jedoch versetzt bezüglich der zwischengeordneten Verbindungsaüskehlungen angeordnet. Wie in dem Fall der öffnungen 60 der Barriere 51 der vorderen Kante

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liegen die verbindenden Auskehlungen 62, 64 und 66 im Abstandsverhältnis um den gesamten Umfang des Inneren Rings 32 vor, d.h. zwölf miteinander in Verbindung stehende Auskehlungen liegen im Abstandsverhältnis von 30° vor. Die miteinander in Verbindung stehenden Auskehlungen 68 sind in der hinteren Kantenbarriere 59 ausgebildet und können mit einem Winkel bezüglich der längsseitigen Achse des inneren Rings angeordnet sein. Aufgrund dieser Anordnung wird der aus der hinteren Kante der Matrix austretende Kühlluft eine Wirbel vermittelt, so daß sich praktisch gleiche Bedingungen bezüglich des Fließweges der heißen Verbrennungsgase stromab zu desa Schaufeln 16 ergeben. Wie anhand der Figuren 1 und 2 gezeigt, liegt der äußere Halterungsring 34 in einer Linie-anLinie-Berührung mit dem inneren Ring 32 vor und deckt die Matrix der Auskehlungen 50 ab unter Ausbilden eines Labyrinths von Luftkühlungskanälen in dem Schaufelversteifungsband 30. Die hintere Kante des Halterungsrings 34 kann einen Unterschnitt 35 aufweisen, wodurch sichergestellt wird, daß die verbindenden Auskehlungen eine ausreichende Querschnittsfläche aufweisen zwecks Verhindern eines Druckaufbaues im Inneren des Labyrinths der Kanäle.

Bei dem Betrieb wird von dem Kompressor der Turbine kommende, unter Druck stehende Kühlluft der Öffnung 80 und sodann der Kammer 72 zwecks Verteilen durch die Anordnung der Öffnungen 60 in dem Labyrinth der Kanäle zugeführt. Sobald die Kühlluft durch jede Verbindungsauskehlung 60, siehe Figur 3, tritt, trifft dieselbe auf die Barriere 53 und wird so aufgespalten, daß ein Fluß in zwei gegenüberliegenden seitlichen Richtungen und längs der Umfangsauskehlung 52 erfolgt. Jeder Luftfluß trifft sodann auf eine der Anordnungen der Verbindungsauskehlungen 62 in der zweiten Barriere 53 und trifft somit durch die Auskehlung 62 in die Umfangsauskehlung 54, In den Umfangsauskehlungen 54 wiederholt sich dann dieser Zyklus des Luftflusses. Aufgrund dieser Anordnung wird unter Druck stehende Kühlluft wirksam über den gesamten Umfang des inneren Rings 52 verteilt, wodurch eine Konvektionskühlung des Schaufelversteifungsbandes 30 bewirkt wird. Die unter Druck stehende Kühlluft wird aus dem Labyrinth der

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Kanäle durch die winkelförmigen Verbindungsauskehlungen 68 abgegeben, die in der hinteren Kante des Schaufelversteifungsbandes 30 angeordnet sind. Aufgrund dieser Anordnung wird durch Konvektionskühlung des Schaufelversteifungsbandes und durch die Belastungsreaktion des inneren gekühlten Rings 32 und des äußeren Halterungsrings 34, die in einer Linie-an-Linie-Berührung vorliegen, eine Steuerung des Abstandsverhältnisses zwischen dem Schaufelversteifungsband und dem umlaufenden Schaufeln 16 erreicht. Zusätzlich zu dieser Steuerung vermag das gekühlte Schaufelversteifungsband erhöhte Turbineneinlaßtemperaturen zu ertragen, was ansonsten mit einem nicht gekühlten Schaufelversteifungsband nicht möglich wäre. Die Konvektionskühlung des Schaufelversteifungsbandes verringert den Wert und Gradienten der Metalltemperaturen in dem Schaufelversteifungsband und schwächt in wirksamer Weise die Wärmeverzerrung des Schaufelversteifungsbandes bedingt_durch heiße Stellen an der Verbrennungskammer. Das gekühlte Schaufelversteifungsband ist somit in der Lage bei höheren Gastemperaturen, die sich durch unterschiedliche Arbeitsbedingen der Gasturbine ergeben, zu funktionieren.

Unter Bezugnahme auf die Figur 4 entsprechend der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das luftgekühlte Schaufelvers teifungsband 100 einen äußeren, ringförmigen Halterungsring 102 und einen inneren Ring 106 auf. Der letztere weist eine Matrix an Auskehlungen auf, die zusammen mit dem Halterungsring 102 ein Labyrinth aus Kanälen begrenzen, die das Bezugszeichen 110 tragen. Der äußere Halterungsring 102 weist ein Flanschteil 104 auf, das mit dem Flanschteil 108 des inneren Rings 106 so zusammenwirkt, daß sich ein Eingangsfließweg 112 ergibt. Der letztere steht in Verbindung mit dem Turbinenkompressor über die Öffnung 114, die zu der Kammer 116 führt. Die Kammer steht in Verbindung mit dem Labyrinth der Kanäle 110 und weist Öffnungen 118 angeordnet benachbart zu der vorderen Kante des inneren Rings 106 auf. Der Fluß der unter Druck stehenden kalten Luft durch die Öffnungen 118 ausgehend von der Kammer 116 ist durch den Buchstaben "P" gekennzeichnet und wirkt dahin, daß ein Fluß kühler Luft für die Entfernung der heißen Gase zur Verfügung ge-

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stellt wird, die sich stromauf zu dem inneren Ring 106 befinden. Zusätzlich wird ein kühlender Luftfilm auf den Raum "t" zwischen den Rotorschaufeln 16 und der inneren radialen Oberfläche des inneren Rings 106 geführt. Indem der Luftfluß "P" von der Öffnung 118, siehe die Figur 4, aus gerichtet wird, kann auch die vordere Kante des inneren Rings 106 gekühlt werden. Bei der Ausführungsform des luftgekühlten Schaufelversteifungsbandes nach der Figur 4 wird wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 ein paralleler Fluß dar unter Druck gesetzten Kühlluft ausgebildet sobald die Luft durch das Labyrinth der Kanäle 110 in dem Schaufelversteifungsband geführt wird. Die unter Druck stehende Kühlluft tritt in die Matrix der Auskehlungen ein, die das Labyrinth der Kanäle an der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes bilden, d.h. der heißfesten Metallfläche des Schaufelversteifungsbandes. Sodann wird die Luft an die hintere Kante geführt, wodurch sich eine wirksame Konvektionskühlung der Metallteile ergibt. Die die Kammer 116 mit dem Labyrinth der Kanäle 110 gemäß der Ausführungsform nach Figur 4 verbindenden Kanäle verlaufen direkt durch die erste Barriere und können mit dem Labyrinth 110 versehen sein, und dies im Gegensatz zu den herausgebohrten Öffnungen 60 gemäß der Ausführungsform nach den Fig„ 1 bis 3 ο

Der parallele Fluß der Kühlluft führt dazu, daßdie kälteste Kühlluft sich an der hießesten Metallfläche findet, um so ein praktisch einheitliches Temperaturprofil zu erhalten, das sich von der vorderen Kante bis zu der hinteren Kante des Schaufelversteif un^sbandes erstreckt. Wie ohne weiteres ersichtlich, ergibt sich bei einem Verlauf der unter Drück stehenden Kühlluft durch das Labyrinth der Kanäle 110 eine Verringerung des Wirkungsgrades der Kühlung bedingt durch die Tatsache, daß die Kühlluft eine Temperaturerhöhung erfährt, während dieselbe sich durch das Labyrinth der Kanäle bewegt.

Die erfindungsgemäßen Ausführjngsformen gemäß den Fig. 5 bis 6 und den Fig. 7 bis 8 sind insbesondere für die Anwendung bei einer Gasturbine vorgesehen, die einen ringförmigen Verbrennungskammerauslaß besitzt und bei der die Verbindung des Flanschträgers des Schaufelversteifungsbandes benachbart zu der hinteren Kante des

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Schaufelversteifungsbandes angeordnet ist, wobei das Schaufelversteifungsband freitragend an einem Tragarm angeordnet ist, der sich von dem Flansch zu der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes erstreckt. Somit ist bei dieser Anordnung der Flanschträger sowie der freitragende Aufhängungsring oder Tragarm für das Schaufelversteifungsband radial außerhalb des Schaufelversteifungsbandes angeordnet und liegt somit entfernt relativ zu den heißen Verbrennungsgasen vor, die durch die Turbine hindurchtreten. Diese Bauart unterscheidet sich erheblich von den Traganordnungen für das Schaufelversteifungsband gemäß den Ausführ ungs formen nach den Figuren 1 bis 4, bei denen die Tragflansche benachbart zu der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes angeordnet sind.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 5 bis 6 und 7-8 sieht man, daß eine Lierhebliche Temperaturdifferenz (und somit eine erhebliche differentielle Wärmeausdehnung) zwischen der freitragenden Tragarmanordnung vorliegt vergleichsweise zu einem Schaufelversteifungsband, das um den Turbinenrotor herum angeordnet ist. Diese differentielle Wärmevergrößerung wird im wesentlichen durch die Flexibilität des freitragenden Armträgers kompensiert. Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 5 und 6 weist das luftgekühlte Schaufelversteifungsband 130 einen einteiligen, ringförmigen Halterungsring 132, einen einteiligen, ringförmigen, inneren Ring 134 und einen einteiligen, ringförmigen Aufhängungsring 136 auf. Der innere Ring 134 arbeitet mit dem ringförmigen Halterungsring 132 so zusammen, daß ein Labyrinth an Kanälen 138 gebildet wird, durch die unter Druck stehende Kühlluft geführt wird. Die drei Ringe 132, 134 und 136 wirken so zusammen, daß sich ein Einlaßfließweg 140 ergibt, der zu dem Labyrinth der Kanäle 138 führt, und der Aufhängungsring 136 und der Halterungsring 132 arbeiten so zusammen, daß sich ein längerer Kanal 142 ergibt, der zu dem Einlaßfließweg 140 führt. Der äußere Hatterungsring 132 weist ein Flanechteil 133 auf, während der Aufhängungsringflansch 136 ein Flanschteil 137 besitzt. Die Flansche 133, 137 sind in geeigneter Weise mit der Traganordnung für das ringförmige Schaufelversteifungsband verbunden. Aufgrund dieser Anordnung liegt das Schaufelversteifungs-

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band freitragend gegenüber den Tragflanschen 133, 137 vor, wodurch sich für das Schaufelversteifungsband eine relativ flexible Tragverbindung ergibt. Jede relative differentielle Wärmeausdehnung zwischen den Labyrinth 138 und dem Tragarm wird somit durch die Flexibilität der freitragenden Traganordnung kompensiert. Unter Druck stehende Kühlluft, die von dem Kompressor der Turbine geliefert wird, wird durch die Leitung 142 und sodann durch den Einlaßfließkanal 140 zwecks Hindurchtritt durch das Labyrinth 138 geführt- Das letztere weist die Umfangsauskehlungen 144 und versetzt angeordnete Verbindungsauskehlungen 146 auf, die sich von der vorderen Kante zu der hinteren Kante des inneren Rings 132 erstrecken. Wie anhand der Figur 5 gezeigt, sieht man, daß die Querschnittsfächen sowie die Konfigurationen der Umfangsauskehlungen 144 praktisch gleich sind, wodurch ein einheitlicher Massenfluß der unter Druck stehenden Kühlluft durch das Labyrinth der Kanäle sichergestellt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Äusführungsform gemäß den Figuren 7 und 8 ist ebenfalls ein freitragender Flanschträger für die inneren und äußeren Ringe vorgesehen, die einen Teil des Luftgekühlten Schiaufelversteifungsbandes bilden. Der äußere Halterungsring 132" und der Aufhängungsring 136" des luftgekühlten Schaufelversteifungsbandes 130" sind identisch mit den Bauelementen 132 und 136 gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 5-8. Andererseits weist der innere Ring 134' ein Labyrinth an Kanälen 160 auf, die eine Mehrzahl ringförmiger, sich um den Umfang herum erstreckender Auskehlungen 162-168 besitzen, die von der vorderen Kante bis zu der hinteren Kante des inneren Rings 134' verlaufen. Benachbarte Umfangsauskehlungen sind durch Verbindungsauskehlungen 170-178 verbunden. Um sowohl unter Druck stehende Kühlluft für einen Hindurchtritt durch das Labyrinth der Kanäle 160 als auch einen Fluß entsprechender Kühlluft für den Raum zwischen dem inneren Ring und den Schaufelspitzen zu erhalten, weist die Barriere 180, die sich zwischen der Umfangsauskehlung 162 an der vorderen Kante und der benachbarten Umfangsauskehlung 164 erstreckt, eine Verlängerung 182, die allgemein mit der längsseitigen Achse des inneren Rings ausgerichtet ist auf. Die Barriereverlängerung 182 erstreckt sich durch die Verbin-

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dungsauskehlung 170, die zwischen dem Einlaßfließweg 140' und der Umfangsauskehlung 162 vorliegt. Es liegt eine öffnung 184 in der Barrierenverlängerung 182 vor und egibt die Verbindung zwischen der umfangsauskehlung 164 und der radialen inneren Oberfläche 135¹ des inneren Rings 134'. Jede der Verbindungsauskehlungen 170, die sich um den Umfang des inneren Rings herum erstrecken und eine Verbindung zwischen dem Einlaßfließweg 140' und der Auskehlung 162 an der vorderen Kante ergeben, weist eine Barrierenverlängerung 182 auf, die sich zentral hierdurch dergestalt erstreckt, daß eine entsprechende Mehrzahl an öffnungen 184 in dem inneren Ring 134' vorliegt. Diese Anordnung wird bei dem Strömen der unter Druck stehenden Kühlluft von der Auskehlung 162 an der vorderen Kante und sodann durch die Verbindende Auskehlung 172 in die zweite Umfangsauskehlung 164 ein Teil der Kühlluft durch die nächste Reihe der versetzt angeordneten Verbindungsauskehlungen 174 geführt, während das verbleibende Teil der unter Druck stehenden Kühlluft durch eine öffnung 184 in Richtung auf die radial innere vordere Kante 135' des inneren Rings 134' umgelenkt wird. Demgemäß fließt die an der heißen vorderen Kante des Luft-gekühlten Schaufelversteifungsbandes 130' eintretende Kühlluft durch das Labyrinth der Kanäle in Richtung auf die Mitte des Schaufelversteifungsbandes, von wo aus sich eine entsprechende Menge der Kühlluft weiter in Richtung auf die hintere Kante des Schaufelversteifungsbandes bewegt, während der verbleibende Teil der Kühlluft durch die öffnungen 184 in Richtung auf die vordere Kante des Schaufelversteifungsbandes zurückgeführt wird zwecks Entfernen heißer Gase aus dem stromauf vorliegenden Hohlraum des Schaufelversteifungsbandes, und es wird weiterhin auf den Raum zwischen dem Inneren Ring und den Rotorschaufeln ein kühlender Luftfilm beaufschlagt.

Erfindungsgemäß wird somit ein neues und verbessertes, stationäres, luftgekühltes Schaufelversteifungsband geschaffen, das Halterungsringe und eine Anordnung für die überführung von unter Druck stehender Kühlluft durch dasselbe aufweist, wodurch die Größe und der Gradient der Metalltemperaturen in dem Schaufelversteifungsband verringert und die Wärmeverzerrung ausgehend von heißen Stellen an der Verbrennungskamarer geschwächt werden. Weiterhin ergeben sich keine strukturellen Änderungen

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des Schaufelversteifungsbandes bei erhöhten Temperaturen während der unterschiedlichen Arbeitsweise der GAsturbine. Die Anordnung für das Führen der unter Druck stehenden Kühlluft durch das Schaufelversteifungsband liegt in Form eines Labyrinths aus Kanälen vor, die durch eine Matrixkonfiguration in einem inneren Ring gebildet werden. Weiterhin liegt eine Linie-an-Linie-Berührung eines äußeren Halterungsringes vor und der Fluß durch das Labyrinth der Kanäle stellt einen parallelen oder gespaltenen Fluß dar» Bei dem parallelen Fluß tritt Kühlluft in die Matrix an der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes ein wo die höchsten Temperaturen auftreten, und die unter Druck stehende Kühlluft fließt in Richtung auf die hintere Kante in Umfangsrichtung, wodurch sich eine vollständige Umfangskühlung für das Schaufelversteifungsband ergibt. Sobald die unter Druck stehende Kühlluft durch das Schaufelverstärkungsband hindurchtritt, wird eine größtmögliche Konvektionskühlung an der vorderen Kante des Schaufelversteifungsbandes erreicht und das Gesamtergebnis besteht darin, daß sich ein praktisch gleichmäßiges Temperaturprofil des Schaufelversteifungsbandes von der vorderen Kante bis zu der hinteren Kante ergibt. Bei dem gespaltenen Fluß wie in der Ausführungsform nach den Figuren 7 bis 8 wiedergegeben, tritt unter Druck stehende Kühlluft an dem relativ heißen vorderen Kantenteil des Schaufelversteifungsbandes ein und fließt sodann stromab, wo etwa an der Mittedes Schaufelversteifungsbandes eine abgemessene Menge der unter Druck stehenden Luft vermittels geeigneter Abmeßöffnungen in das Labyrinth der Kanäle in Richtung auf die vordere Kante des Schaufelversteifungsbandes umgelenkt wird. Der verbleibende Teil der unter Druck stehenden Luft fließt sodann weiter stromab«, Der umgelenkte, unter Druck stehende Luftfluß durchspült den stromauf vorgesehenen Hohlraum und kühlt die Innenwand des Schaufelversteifungsbandes und insbesondere die Fläche zwischen dem Schaufelversteifungsband und den Rotorschaufeln.

Bei den verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird das Labyrinth der Kanäle in dem Schaufelversteifungsband vermittels Matrices gebildet, die in einen inneren Ring eingeschnitten sind» Jede Matrix weist eine Reihe paralleler Umfangs-

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auskehlungen auf, die versetzte Verbindungsauskehlungen besitzen, wodurch ein labyrinthartiger Fließweg ausgebildet wird. Die in den inneren Ring geschnittene Matrix wird durch den Halterungsring abgedeckt, und eine weitere Halterung bezüglich des Vorderkantenteils des inneren Rings wird durch einen Aufhängungsring ausgebildet, der ebenfalls mit dem Halterungsring und dem inneren Ring so zusammenwirkt, daß ein Eingangshohlraum für die unter Druck stehende Kühlluft ausgebildet wird, die von dem Kompressor der Gasturbine geliefert wird.

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Claims

PATENTANWALT D-1000 BERLIN 33 -« _{4 1gßn}

MANFRED MiEHE faukenried4 iö.4.iyöo

Telefon! (030) 83119SO Diplom-Chemiker Tetramine: INDUSPROP BERLIN

US/1 6/2433 L-522-F-9

AVCO CORPORATION 1275 King Street, Greenwich, Conn. 06830, USA

Luftgekühltes Schaufelversteifungsband eines Turbinenrotors mit

Halterungsmitteln

Patentansprüche

\J\J Stationäres, luftgekühlfetes Schaufelversteifungsband, das einen Teil einer Turbinenanordnung bildet und sich über die Spitzen der Schaufeln eines Rotors erstreckt und im Abstandsverhältnis hierzu vorliegt, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

a) einen inneren Ring, der eine radial innere Oberfläche und eine radial äußere Oberfläche aufweist, wobei die innere Oberfläche benachbart zu und im Abstandsverhältnis zu den Schaufelspitzen vorliegt, die äußere Oberfläche des inneren Rings eine Matrix von Auskehlungen darin aufweist und

b) einen äußeren Halterungsring konzentrisch zu und den inneren Ring umgebend und die Matrix der Auskehlungen abdeckend unter Ausbilden eines Labyrinths luftgekühlter Kanäle, wodurch der Hindurchtritt eines kühlen Luftflusses durch das Labyrinth dazu führt, daß die Größe und der Gradient der Wärmeausdehnung des Schaufelversteifungsbandes verringert wird, wodurch sich eine verbesserte Steuerung des AbStandsverhältnisses der Turbinenschaufelspitzen ergibt«

2. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daßein Aufhängungsring vorgesehen ist, der mit dem inneren Ring und dem Halterungsring zusammenwirkt unter Ausbilden eines Einlaß-Fließweges für die dem Labyrinth zugeführte Kühlluft.

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3. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufhängungsring und der innere Ring einteilig ausgeführt sind.

4. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix der Auskehlungen die Korabination der nachfolgenden Merkmale aufweist:

a) eine Mehrzahl von im Abstandsverhältnis um den Umfang herum angeordnete Auskehlungen, die allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse des inneren Rings verlaufen und

b) eine Mehrzahl verbindender Auskehlungen, die allgemein parallel zu der längsseitigen Achse des inneren Rings verlaufen, wobei jede verbindende Auskehlung eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Umfangsauskehlungen ergibt.

5. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die im Abstandsverhältnis um den Umfang herum vorliegenden Auskehlungen parallel sind.

6. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umfangsauskehlung eine konstante Querschnittskonfiguration aufweist.

7. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daßdie Querschnittsfläche der Umfangsauskehlungen praktisch gleich ist.

8. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix der Auskehlungen wenigstens erste, zweite und dritte, im Abstandsverhältnis vorliegende, parallele Umfangsauskehlungen aufweist, die sich von dem Stromaufzu dem Stromabteil des Schaufelversteifungsbandes erstrecken, wobei der innere Ring weiterhin Abmeßöffnungen aufweist, die sich zwischen der zweiten Umfangsauskehlung und der vorderen Kante des inneren Rings erstrecken unter Ausbilden einer Filmkühlung an der inneren radialen Oberfläche des inneren Rings.

9. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Auskehlungen sich zwischen zwei benachbarten Paaren der Umfangsauskehlungen erstrekcend, versetzt um den Umfang des inneren Rings angeordnet sind.

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1Oo Schaufelversteifungsband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Auskehlungen an der hinteren Kante des Labyrinths mit einem Winkel gegenüber der längsseitigen Achse des inneren Rings angeordnet sind,,

11. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring ein einteiliges Bauteil ist«

12. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Haltering ein einteiliges Bauteil ist.

13. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufhängering und äußere Halterungsring eine Kammer für die Aufnahme der Kühlluft begrenzen, die Kammer in Verbindung mit dem Einlaßfließweg steht, der zu dem Labyrinth führt.

14. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer öffnungen aufweist für eine Filmkühlung des Raums zwischen der radial inneren Oberfläche und dem inneren Ring der Schaufelspitzen.

15. Stationäres, luftgekühltes Schaufelversteifungsband, das einen Teil einer Turbinenanordnung bildet und sich über die Spitzen der Schaufeln eines Rotors erstreckt und im Abstandsverhältnis hierzu vorliegt gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale;

a) einen inneren Ring, der eine radial innere Oberfläche und eine radial äußere Oberfläche aufweist, wobei der innere Ring benachoart zu und im Abstandsverhältnis gegenüber den Schaufelspitzen vorliegt, die äußere Oberfläche des inneren Rings darin ausgebildet eine Matrix an Auskehlungen aufweist, die Matrix eine Mehrzahl an parallelen, im Abstandsverhältnis vorliegenden Umfangsauskehlungen besitzt, die sich allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse des Rings erstrecken und eine Mehrzahl an verbindenden Auskehlungen sich allgemein parallel zu der längsseitigen Achse des inneren Rings erstreckt, jede verbindende Auskehlung eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Umfangsauskehlungen ergibt;

b) einen äußeren Halterungsring konzentrisch zu und den inneren Ring umgebend sowie die Matrix der Auskehlungen abdeckend unter

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Ausbilden eines Labyrinths von Luftkühlkanälen und c) einem Aufhängungsring einteilig ausgeführt mit dem inneren wobei der Aufhängungsring mit dem inneren Ring und dem äußeren Halterungsring zusammenwirkt unter Bilden eines Einlaßfließ^eg^s, für die Zuführung von Kühlluft zu dem Labyrinth unter der Größe und des Gradienten der Wärmeausdehnung des versteifungsbandes, um so eine verbesserte Steuerung des lichten Ab Standsverhältnisses der Turbinenschaufelspitzen zu erreiqh.ej},

16. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 15, dadurch g e k. ρ η, ο ζ e i c h η et , daß der Aufäängungsring ein einteiliges Bauteil}, ist, der innere Ring ein einteiliges Bauteil und der äußere ija|t^- rungsring ein einteiliges Bauteil ist.

17. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 15, dadurch g e k e J} n zeichnet , daß jede Umfangsauskehlung eine konstante Quer™ Schnittskonfiguration aufweist.

18. Schaufelversteifungsband nach Ansprüch15, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsfläche der Umfangsauskehlungen praktisch gleich ist.

19. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die verbindenden Auskehlungen sich zwischen zwei benachbarten Paaren der ümfangsauskehlungen erstreckend, versetzt um den Umfang des inneren Rings angeordnet sind.

20. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 15, dadurch g e k e nnzeichnet , daß die verbindenden Auskehlungen an der hin^· teren Kante des Labyrinths mit einem Winkel gegenüber der längsseitigen Achse des inneren Rings angeordnet sind.

21. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufhängering und äußere Halterungsring eine Kammer für die Aufnahme der Kühlluft begrenzen, die Kammep in Verbindung mit dem Einlaßfließweg steht, der zu dem Labyrinth führt.

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22. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer öffnungen aufweist für eine Filmkühlung des Raums zwischen der radial inneren Oberfläche und dem inneren Ring der Schaufelspitzen»

23. Stationäres, luftgekühltes Schaufelversteifungsband, das einen Teil einer Turbinenanordnung bildet und sich über die Spitzen der Schaufeln eines Rotors erstreckt und im Abstandsverhältnis hierzu vorliegt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) einen inneren Ring mit einer radial inneren Oberfläche und einer radial äußeren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche benachbart zu und im Abstandsverhältnis gegenüber den Schaufelspitzen vorliegt, die äußere Oberfläche des inneren Rings eine Matrix aus Auskehlungen aufweist, die Matrix wenigstens erste, zweite und dritte im Abstandsverhältnis vorliegende parallele Umfangsauskehlungen besitzt, die sich allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse des inneren Rings von dem Stromauf- zu dem Stromabteil des Schaufelversteifungsbandes erstrecken und eine Mehrzahl verbindender Auskehlungen sich allgemein parallel zu der längsseitigen Achse des inneren Rings erstreckt, jede verbindende Auskehlung eine Verbindung zwischen den benachbarten Umfangsauskehlungen ergibt, sowie der innere Ring weiterhin Abmeßöffnungen besitzt, die sich zwischen der zweiten Umfangsauskehlung und der vorderen Kante des inneren Rings erstreckt zwecks Ausbilden einer Filmkühlung der inneren radialen Oberfläche des inneren Rings und

b) einen äußeren Halterungsring konzentrisch zu und den inneren Ring umgebend und die Matrix der Auskehlungen abdeckend, unter Ausbilden eines Labyrinths luftkühlender Kanäle, wodurch der Hindurchtritt des Kühlluftflusses durch das Labyrinth dazu führt die Größe und den Gradienten der Wärmeausdehnung des Schaufelversteifungsbandes zu verringern, wodurch eine verbesserte Steuerung des Abstandsverhältnisses der Turbinenschaufeln erreicht wird.

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24. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaufelversteifungsband weiterhin einen Aufhängungsring besitzt, der mit dem inneren Ring unddem Halterungsring so zusammenwirkt, daß ein Einlaßfließweg für die dem Labyrinth zuzuführende Kühlluft ausgebildet wird.

25. Schaufelverfeteifungsband nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufhängering ein einteiliges Bauteil, der innere Ring ein einteiliges Bauteil und der äußre Halterungsring ein einteiliges Bauteil ist.

26. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß jede ümfangsauskehlung eine konstante Qüerschnittskonfiguration aufweist.

27. Schaufeleersteifungsband nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsfläche der Umfangsauskehlungen praktisch gleich ist.

28. Schaufelversteifungsband nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die verbindenden Auskehlungen sich zwischen zwei benachbarten Paaren der Umfangsauskehlungen erstreckend, versetzt um den umfang des inneren Rings angeordnet sind.

29. Schaufelverfeteifungsband nach Anspruch 23, dadurch g e k e nnzeichnet , daß die verbindenden Auskehlungen an der hinteren Kante des Labyrinths mit einem Winkel gegenüber.der längsseitigen Achse des inneren Rings angeofdnet sind.

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