DE69516423T2

DE69516423T2 - Dichtsteifenanordnung für gasturbinenstahltriebwerke

Info

Publication number: DE69516423T2
Application number: DE69516423T
Authority: DE
Inventors: Roger Gates; Ian Tibbott
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: US5531457A; CZ172297A3; RU2159856C2; JP3749258B2; EP0796388B1; CA2207033C; PL320635A1; CZ289277B6; DE69516423D1; CA2207033A1; PL178880B1; JPH10510022A; EP0796388A1; WO1996018025A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Hochtemperatur-Gasturbinen, und insbesondere das Kühlen von bogenförmigen Segmenten, wie etwa Leitschaufelplattformen, Deckbandsegmente oder Rotorblätter benachbart zu den Federdichtungen.

Hintergrund der Erfindung

Gasturbinen sind für extrem hohe Temperaturen konstruiert und werden bei diesen betrieben, um den Wirkungsgrad maximal zu gestalten. Derartig hohe Temperaturen sorgen dafür, daß die verwendeten Materialien an ihre Grenzen stoßen. Ein optimaler Betrieb und eine optimale Konstruktion werden erzielt, wenn die verschiedenen Komponenten selektiv gekühlt werden.
Hochdruckluft von dem Kompressor bzw. Verdichter wird verwendet und selektiv durch verschiedene Komponenten geleitet. Die Verwendung einer derartigen Kühlluft führt zu einer Umgehung des Vergasungsbrenners und hat eine negative Auswirkung auf den Gasturbinen-Wirkungsgrad. Es ist deshalb erwünscht, das erforderliche Kühlen bei minimaler Verwendung von Kühlluft zu erzielen.
Es existieren Stellen, an welchen mehrere gebogene Segmente verwendet werden, um den Gasströmungspfad festzulegen. Die Leitschaufelplattformen bilden ein derartiges Beispiel. Diese Leitschaufelplattformsegmente müssen segmentweise bereitge stellt werden, anstatt in einem einzigen Kreis, um eine differentielle Ausdehnung zu ermöglichen.
Diese Segmente werden gekühlt, indem die kalte Seite der Segmente mit Kühlluft beaufschlagt wird. Dort wo die Segmente sich vereinigen wird üblicherweise in jedes Segment ein Schlitz geschnitten, und in diese Schlitze zwischen den beiden Segmenten wird eine dünne Metallfederdichtung angeordnet. Der Schlitz, welcher die Federdichtung aufnimmt, unterbricht den Wärmeflußpfad von der Innenseite des Segments zu der gekühlten Außenseite. Das Segment wird deshalb am Ort dieser Federdichtung nicht ausreichend gekühlt. Es sind verschiedene Konstruktionen bekannt, um eine Kühlströmung durch diesen Bereich der Federdichtung selbst und das umgebende Material der Segmente selektiv zu ermöglichen.
Es ist erwünscht, dieses Kühlen unter minimaler negativer Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erzielen.
Die GB-A-2,239,679 offenbart eine derartige Konstruktion, demnach ein Dichtungselement in komplementäre Schlitze zwischen benachbarten Segmenten eingesetzt wird, wobei die Schlitze auf der Kühlluftseite eine Anzahl von in Längsrichtung beabstandeten Rinnen umfassen, die sich unter dem Dichtungselement erstrecken. Diese Anordnung ermöglicht einen Kühlluftpfad senkrecht zu dem Spalt zwischen benachbarten Segmenten für die Kühlluftseite der Schlitze.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verwendung in einer Gasturbine mit einer axialen Gasströmung durch sie hindurch bereitgestellt, aufweisend mehrere umfangsmäßig benachbarte Segmente, wobei jedes Segment eine erste Oberfläche im Kontakt mit einer Heißgasströmung und eine gegenüberliegende Oberfläche in Kontakt mit einer Zufuhrkühlerluft umfaßt, wobei jedes Segment zwei Seitenflächen aufweist, wobei jede Seitenfläche an einer Seitenfläche eines benachbarten Segments unter Belassung eines Spalts zwischen aneinander anliegenden Segmenten anliegt, wobei jede Seitenfläche einen Schlitz komplementär zu dem Schlitz in der Seitenfläche des benachbarten Segments aufweist, wobei jeder Schlitz eine heiße Seitenfläche und eine kalte Seitenfläche aufweist; eine Federdichtung, welche in die Schlitze zwischen benachbarten Segmenten paßt, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch mehrere Heißrinnen in jeder heißen Seitenfläche der Schlitze, wobei jede Heißrinne sich im Fluidkontakt mit der Zufuhr kühler Luft befindet, wobei jede Heißrinne eine Öffnung in den Spalt aufweist, die in bezug auf Heißrinnenöffnungen in angrenzenden Segmenten versetzt angeordnet ist, so daß im Gebrauch jede Heißrinne an einer Stelle, die in bezug auf die Luft, die aus Heißrinnen im angrenzenden Segment ausgetragen wird, Kühlluft in den Spalt austrägt.
In den heißen Seitenflächen existieren mehrere Heißrinnen zum Hindurchtritt von Kühlluft, wobei jede Heißrinne in den Spalt an einer Stelle austrägt, die in bezug auf die Rinnen versetzt ist, die von der angrenzenden Oberfläche des benachbarten Segments austragen. Dadurch wird ein gleichmäßigeres Spülen des Spalts und eine zusätzliche Kühlung des benachbarten Segments durch die Kühlluft bereitgestellt, die gegen dieses austrägt. Jede Rinne trägt in den Spalt mit einer Komponente parallel zu der axialen Gasströmung durch die Turbine aus, wodurch eine gleichmäßige Übergangsströmung und eine weniger negative Auswirkung auf den Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
Bevorzugt sind mehrere Rinnen außerdem in jeder kalten Seitenfläche angeordnet und stehen in Fluidverbindung mit den Rinnen auf der heißen Seitenfläche. Eine radiale Fehlausrichtung zwischen benachbarten Segmenten führt deshalb nicht zu einer Blockierung der Strömung durch die Federdichtung gegen einen Rand des Schlitzes.
Außerdem ist bevorzugt, daß jede Rinne einen Winkel von weniger als 45º zur Richtung des Spaltes derart aufweist, daß eine lange Länge bzw. ein hohes L/D zu der Nut vorliegt, wodurch eine erhöhte Konventionskühlung bereitgestellt wird, wenn die Kühlluft durch die Rinne hindurchtritt. Jede Heißrinne kann eine Komponente parallel zu der axialen Gasströmung aufweisen.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung zusätzlich gekennzeichnet sein durch mehrere Rinnen in jeder kalten Seitenfläche, von denen jede in Fluidströmungsverbindung mit einer Heißrinne in der heißen Seitenfläche steht.
Jede Heißrinne kann eine Komponente parallel zu der axialen Gasströmung und mehrere Rinnen in jeder kalten Seitenfläche aufweisen, von denen jede in Fluidverbindung mit einer Heißrinne in der heißen Seitenfläche steht.
Jede Heißrinne kann einen Winkel von weniger als 45º zur Richtung des Spalts aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Axialansicht von verschiedenen benachbarten Leitschaufelsegmenten;
Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Stelle, an welcher zwei benachbarte Leitschaufelsegmente aneinander anliegen, gesehen ausgehend von der Innenseite nach radial außen;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang 3-3 von Fig. 2; und
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht durch 4-4 von Fig. 2.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Gasturbine 10 innerhalb einer axialen Gasströmung 12 durch diese hindurch. Dieses Gas durchsetzt mehrere Leitschaufeln 14. Mehrere dieser Leitschaufeln sind auf einem inneren Segment bzw. einer Leitschaufelplattform 16 und einem äußeren Segment 18 getragen. Diese Leitschaufelträger sind segmentweise aufgebaut, um während des Betriebs eine relative Ausdehnung zuzulassen.
Diese Segmente grenzen mit einem Spalt 20 zwischen ihnen aneinander an. Jedes Segment weist einen Schlitz 22 zu dem Zweck auf, eine Federdichtung aufzunehmen, bei denen es sich um ein dünnes flexibles Metallblech (in diese Figur nicht gezeigt) handelt. Jedes Segment weist eine erste Oberfläche 24 in Kontakt mit der Heißgasströmung 12 auf. Es weist eine gegenüberliegende Oberfläche 26 im Kontakt mit einer Zufuhr von Kühlluft 28 auf. Jedes Segment weist außerdem zwei Seitenflächen 30 auf, die mit einem Spalt 20 dazwischen aneinander angrenzen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, weist jede Seitenfläche 30 einen Schlitz 22 auf, in welchen die Federrichtung 34 paßt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist jeder Schlitz eine heiße Seitenfläche 36 und eine kalte Seitenfläche 38 auf. Rinnen 40 sind in der heißen Seitenfläche angeordnet, wobei die Komponente des Aus trags aus den Rinnen in der Richtung der Axialströmung 12 durch die Turbine verläuft. Diese Strömung wird von den Rinnen in den Spalt 20 ausgetragen, wodurch der Spalt gespült wird und wodurch die Strömung glatt bzw. gleichmäßig in die Heißgasströmung übergeht. Es wird außerdem bemerkt, daß diese Rinnen 40 unter einem Winkel kleiner als 45º zu der Richtung 42 des Spalts verlaufen, wodurch eine relativ lange Länge der Rinne 40 bzw. ein hohes L/D-Verhältnis erzeugt wird. Dies führt zu einer signifikanteren Konvektionskühlung des Materials, wenn Kühlluft dort hindurch tritt.
Mehrere Rinnen 46 sind in der kalten Seitenfläche angeordnet und befinden sich in Fluidverbindung an einer Biegestelle 48 mit den Heißseitenrinnen. Sollten die Plattformen radial fehlausgerichtet werden, könnte die Federdichtung 34 an einer Ecke 50 unter Blockierung der Strömung zusammengequetscht werden (Fig. 3). Diese Rinnen 46 verhindern diese Blockade des Strömungspfads.
Das Material zwischen der Federdichtung und dem Heißgas wird in wirksamer Weise abgekühlt. Das Auftreffen der austretenden Strömung gegen eine Plattform zwischen seinem eigenen Kühlschlitz erhöht den Wirkungsgrad des Abkühlens. Die Komponente der austretenden Strömung parallel zu der axialen Turbinenströmung verringert den Energieverlust.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung in einer Gasturbine (10) mit einer axialen Gasströmung (12) durch sie hindurch, die folgendes umfasst: eine Mehrzahl von umfangsmäßig aneinander grenzenden Segmenten (18), wobei jedes Segment (18) eine mit einer Heißgasströmung (12) in Kontakt befindliche erste Oberfläche (24) und eine mit einer Zufuhr kühler Luft (28) in Kontakt befindliche gegenüberliegende Oberfläche (26) hat, wobei jedes Segment (18) zwei Seitenflächen (30) hat, wobei jede Seitenfläche (30) an eine Seitenfläche (30) eines angrenzenden Segments (18) anstößt, wobei zwischen aneinander anstoßenden Segmenten (18) ein Spalt (20) bestehen bleibt, wobei jede Seitenfläche (30) einen zu dem Schlitz (22) in der Seitenfläche (30) des angrenzenden Segments (18) komplementären Schlitz (22) hat, wobei jeder genannte Schlitz (22) eine heiße Seitenfläche (36) und eine kalte Seitenfläche (38) hat; eine in die genannten Schlitze (22) zwischen aneinander grenzenden Segmenten (18) passende Federdichtung (34), wobei die Vorrichtung durch eine Mehrzahl von Heißrinnen (40) in jeder heißen Seitenfläche (36) der genannten Schlitze (22) gekennzeichnet ist, wobei jede Heißrinne (40) mit der genannten Zufuhr kühler Luft (28) in Fluidkontakt ist, wobei jede Heißrinne (40) eine Öffnung in den genannten Spalt (20) hat, die in Bezug auf Heißrinnenöffnungen in angrenzenden Segmenten (18) versetzt angeordnet ist, so dass im Gebrauch jede Heißrinne (40) an einer Stelle, die in Bezug auf die Luft, die aus Heißrinnen (40) im angrenzenden Segment (18) abgelassen wird, versetzt angeordnet ist, Kühlluft in den genannten Spalt (20) ablässt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jede Heißrinne (40) ein Bauteil parallel zur genannten axialen Gasströmung (12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Rinnen (46) in jeder kalten Seitenfläche (38), die jeweils in Fluidströmungskommunikation mit einer Heißrinne (40) in der genannten heißen Seitenfläche (36) steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jede Heißrinne (40) in einem Winkel von weniger als 45º zur Richtung (42) des genannten Spalts (20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, des weiteren gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Rinnen (40) in jeder kalten Seitenfläche (38), die jeweils in Fluidströmungskommunikation mit einer Heißrinne (40) in der genannten heißen Seitenfläche (36) steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jede Heißrinne (40) in einem Winkel von weniger als 45º zur Richtung (42) des genannten Spalts (20) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jede Heißrinne (40) in einem Winkel von weniger als 45º zur Richtung (42) des genannten Spalts (20) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, des weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jede Heißrinne (40) in einem Winkel von weniger als 45º zur Richtung (42) des genannten Spalts (20) angeordnet ist.