DE60216184T2

DE60216184T2 - Einstückiges Leitringsegment

Info

Publication number: DE60216184T2
Application number: DE60216184T
Authority: DE
Inventors: Gary Charles Beverly Liotta; Robert Francis Newburyport Manning
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: US6530744B2; EP1262634B1; US20020182057A1; JP4130321B2; EP1262634A2; JP2002364306A; DE60216184D1; EP1262634A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Gasturbinenantriebskomponente und insbesondere ein Leitapparatsegment mit einem integrierten Außenband- und Mantelsegment.
Gasturbinenantriebe weisen einen Stator und einen oder mehrere drehbar an den Stator montierte Rotoren auf. Die Antriebe enthalten im Allgemeinen einen Hochdruckverdichter zum Verdichten von den Flussweg des Antriebs durchströmender Luft, stromabwärts von dem Verdichter eine Brennkammer zum Erwärmen der verdichteten Luft und stromabwärts von der Brennkammer eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Hochdruckverdichters. Ferner enthalten die Antriebe stromabwärts von der Hochdruckturbine eine Niederdruckturbine zum Antreiben eines stromaufwärts von dem Hochdruckverdichter positionierten Bläsers.
Stromabwärts von der Brennkammer herrschen im Strömungsweg hohe Lufttemperaturen, was dazu führt, dass die den Flussweg bildenden Komponenten heiß sind. Da Komponenten im Flussweg diese erhöhten Lufttemperaturen erreichen, verschlechtern sich ihre Materialeigenschaften. Zur Bekämpfung dieser Verschlechterung der Materialeigenschaften wird Luft aus kühleren Bereichen des Antriebs, wie z. B. dem Verdichter, entnommen und durch und um die heißeren Komponenten geblasen, um deren Temperaturen zu senken. Das Leiten von Kühlluft zu den heißeren Komponenten verlängert deren Lebensdauer, aber das Entnehmen von Luft aus den kühleren Bereichen des Antriebs verringert den Wirkungsgrad des Antriebs. Es ist folglich wünschenswert, die Menge der von den heißeren Komponenten benötigten Kühlluft zu minimieren, um den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs zu erhöhen. Es ist insbesondere wichtig, die stromabwärts von der Leitapparatverengung eingeleitete Kühlluft zu minimieren. Stromabwärts von der Leitapparatverengung eingeleitete Kühlluft ist erheblich schädlicher für die Antriebsleistung als Luft, die stromaufwärts von der Leitapparatverengung eingeleitet wird.
1 veranschaulicht eine konventionelle Hochdruckturbinenleitapparatbaugruppe, die in ihrer Gesamtheit durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Die Leitapparatbaugruppe 10 weist allgemein durch 12 gekennzeichnete Leitapparatsegmente auf, die an einen Leitapparatträger 14 montiert sind. Mantelsegmente 16 sind an eine Mantelaufhängeeinrichtung 18 stromabwärts von den Leitapparatsegmenten 12 montiert. Die Mantelaufhängeeinrichtung 18 ist an einen die Aufhängeeinrichtung umgebenden Träger 20 montiert. Die Leitapparatsegmente 12 weisen ein Außenbandsegment 22 auf, das sich in Umfangsrichtung um eine Mittellinie 24 des Antriebs erstreckt und eine Innenfläche 26 aufweist, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze bildet. Eine Anzahl von Leitschaufeln 28 erstreckt sich von dem Außenbandsegment 22 nach innen, und ein Innenbandsegment 30 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die inneren Enden der Leitschaufeln. Das Innenbandsegment 30 weist eine Außenfläche 32 auf, die einen Abschnitt der inneren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Eine rotierende Scheibe 34 und Schaufeln 36 sind stromabwärts von den Leitapparatsegmenten 12 innerhalb der Mantelsegmente 16 montiert.
Kühlluft wird in zwei Hohlräume 38, 40 eingeleitet, die außerhalb der Außenbandsegmente 22 bzw. der Mantelaufhängeeinrichtung 18 des Leitapparats positioniert sind. Ein Teil der zu dem Hohlraum 38 außerhalb der Außenbandsegmente 22 geleiteten Kühlluft dringt in Kanäle 42 in den Leitschaufeln 28 ein und strömt durch in der Fläche der Schau feln ausgebildete Kühllöcher 44 heraus, um die Schaufeln durch Filmkühlung zu kühlen. Ein Teil der zu dem Hohlraum 38 geleiteten Kühlluft entweicht in den Flussweg zwischen den Umfangsenden der Außenbandsegmente 22, und ein Teil der Kühlluft entweicht an einer zwischen den Außenbandsegmenten und der Mantelaufhängeeinrichtung 18 des Leitapparats positionierten Dichtung 46 vorbei in den Flussweg. Die zu dem außerhalb von den Mantelaufhängeeinrichtungen 18 positionierten Hohlraum 40 geleitete Kühlluft prallt auf die Mantelsegmente 16, um diese durch Prallkühlung zu kühlen, und entweicht dann in den Flussweg zwischen den Umfangsenden der Mantelsegmente.
Die US-Patentanmeldung US 6 231 303 beschreibt eine Gasturbine, die eine Turbinenstufe mit Kühlluftverteilung aufweist.
Die US-Patentanmeldung US 4 693 667 beschreibt eine Turbineneinlassdüse mit Kühlmitteln.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Unter den vielen Merkmalen der vorliegenden Erfindung gilt es, die Bereitstellung einer Gasturbinenantriebskomponente zu beachten. Die Komponente umfasst ein Leitapparataußenband, das sich in Umfangsrichtung um eine Mittellinie des Antriebs erstreckt und eine Innenfläche aufweist, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Ferner weist die Komponente eine Anzahl von Leitschaufeln auf, die sich von dem Außenband nach innen erstrecken. Jede der Schaufeln erstreckt sich im Allgemeinen von einem äußeren, an das Außenband montierten Ende zu einem inneren Ende, das dem äußeren Ende gegenüberliegt. Zusätzlich umfasst die Komponente ein sich in Umfangsrich tung um die inneren Enden der Anzahl von Leitschaufeln erstreckendes Innenband mit einer Außenfläche, die einen Abschnitt einer inneren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Des Weiteren weist die Komponente einen Mantel auf, der in das Außenband integriert ist, das sich in Umfangsrichtung um die Mittellinie des Antriebs erstreckt und eine Innenfläche aufweist, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze des Antriebs zum Umgeben einer Anzahl von Schaufeln bildet, die in dem Antrieb zur Rotation um dessen Mittellinie montiert sind.
Gemäß einem anderen Aspekt weist die vorliegende Erfindung ein Hochdruckturbinenleitapparatsegment zur Verwen dung in einem Gasturbinenantrieb auf. Das Leitapparatsegment umfasst ein Außenbandsegment, das sich in Umfangsrichtung um eine Mittellinie des Leitapparatsegments und bezüglich eines Mantelsegments nach hinten erstreckt, das mit dem Außenbandsegment integral ausgeformt ist und sich in Umfangsrichtung um die Mittellinie erstreckt. Das Außenbandsegment und das Mantelsegment weisen eine im Wesentlichen durchgehende und nicht unterbrochene Innenfläche auf, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Das Leitapparatsegment weist außerdem Leitschaufeln auf, die sich von dem Außenbandsegment ausgehend nach innen erstrecken. Jede der Schaufeln erstreckt sich im Allgemeinen von einem äußeren, an dem Außenbandsegment montierten Ende zu einem inneren Ende, das dem äußeren Ende gegenüberliegt. Zusätzlich umfasst das Leitapparatsegment ein Innenbandsegment, das sich in Umfangsrichtung um die inneren Enden der Leitschaufeln erstreckt und eine Außenfläche aufweist, die einen Abschnitt der inneren Flussweggrenze des Antriebs bildet.
Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind teilweise ersichtlich und im Folgenden teilweise dargelegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird:
1 ist ein Querschnitt einer konventionellen Hochdruckturbine eines Gasturbinenantriebs.
2 ist ein Querschnitt eines Leitapparatsegments und einer Mantelaufhängeeinrichtung der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Leitapparatsegments der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen in der Gesamtheit aller Ansichten der Zeichnungen entsprechende Teile.
In den Zeichnungen und insbesondere in den 2 und 3 ist ein Hochdruckturbinenleitapparatsegment in seiner Gesamtheit durch das Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Hochdruckturbinenleitapparatsegment 50 beschrieben wird, ist für den Fachmann nachvollziehbar, dass die vorliegende Erfindung auf andere Komponenten eines Gasturbinenantriebs angewendet werden kann. Beispielsweise lässt sich die Erfindung auf die Niederdruckturbine eines Gasturbinenantriebs anwenden, ohne dass vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Obwohl ferner die bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Segment beschrieben wird, ist es für den Fachmann nachvollziehbar, dass die vorliegende Erfindung auf nicht segmentierte Komponenten angewendet werden kann, die sich vollständig um eine Mittellinie 24 (1) des Gasturbinenantriebs erstrecken.
Das Leitapparatsegment 50 umfasst im Allgemeinen ein Außenbandsegment 52, eine Anzahl von Leitschaufeln 54, ein Innenbandsegment 58 und ein Mantelsegment 60, das mit dem Außenbandsegment integral ausgeformt ist. Das Außenbandsegment 52 und das Mantelsegment 60 erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Mittellinie 24 des Antriebs und weisen eine im Wesentlichen durchgehende und nicht unterbrochene Innenfläche 64 auf, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Wie in 2 dargestellt, ist das Leitapparatsegment 50 mit konventionellen Verbindungseinrichtungen an eine das Mantelsegment 60 umgebende Mantelaufhängeeinrichtung 68 montiert. Obwohl andere Verbindungseinrichtungen 68 verwendet werden können, ohne dass vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird, handelt es sich in einer Ausführungsform bei den Verbindungseinrichtungen um konventionelle Hakenverbinder. Konventionelle C-Clips 70 dienen zum Befestigen der hinteren Verbindungsvorrichtung 66 an der Aufhängeeinrichtung 68.
Wie in 2 ferner dargestellt ist, ist die Mantelaufhängeeinrichtung 68 in einem konventionellen Mantelträger 72 montiert und trennt einen äußeren Kühllufthohlraum 74 von einem inneren Kühllufthohlraum 76. Sich durch die Aufhängeeinrichtung 68 erstreckende Prallkühlungslöcher 78 leiten Kühlluft aus dem äußeren Hohlraum 74 in den inneren Hohlraum 76 und auf eine Außenfläche 80 des Mantelsegments 60, um das Mantelsegment auf konventionelle Weise zu kühlen. Wie in 3 dargestellt, weisen die Umfangsenden 82 des Außenbandsegments 52 und des Mantelsegments 60 eine oder mehrere Nuten 84 auf, die zur Aufnahme konventioneller Keilringdichtungen (nicht dargestellt) dimensioniert und ausgeformt sind, um Kühlluftleckagen zwischen den Segmenten zu verringern. Ferner ist das Mantelsegment 60 im Wesentlichen frei von Öffnungen, die sich durch das Mantelsegment von dessen Außenfläche 80 bis zu der Innenfläche 64 erstrecken.
Die Leitschaufeln 54 erstrecken sich von dem Außenband 52 nach innen. Jede dieser Leitschaufeln 54 erstreckt sich im Allgemeinen von einem an das Außenband 52 montierten äußeren Ende 90 zu einem inneren Ende 92, das dem äußeren Ende gegenüberliegt. Jede Leitschaufel 54 hat einen schaufelblattförmigen Querschnitt zum Leiten von Luft, die durch den Flussweg des Antriebs strömt. Die Leitschaufeln 54 weisen Innenkanäle 94, 96 und 98 auf. Die Kanäle 94, 96 und 98 erstrecken sich von Einlässen 100, 102 und 104 (3) zu Öffnungen 106 (3) an einer Außenseite 108 der Leitschaufel 54, um Kühlluft von den Einlässen zu den Öffnungen zu leiten. Wie für die Fachleute nachvollziehbar ist, nehmen der vordere und der mittlere Kanal 94 bzw. 96 Kühlluft aus dem äußeren Hohlraum 74 auf, und der rückwärtige Kanal 98 nimmt Kühlluft aus dem inneren Hohlraum 76 auf, woraufhin die Luft auf die Außenfläche 80 des Mantelsegments 60 prallt. Obwohl das Mantelsegment 60 der oben beschriebenen Ausführungsform stromabwärts von den Leitschaufeln 54 positioniert ist, wenn die Komponente so in dem Antrieb montiert wird, dass sie eine Reihe von Schaufeln 36 (1) umgibt, die stromabwärts von den Leitschaufeln montiert sind, wird ins Auge gefasst, das integrierte Mantelsegment stromaufwärts von den Leitschaufeln zu positionieren, sodass es eine Reihe von Schaufeln stromaufwärts von den Leitschaufeln umgibt, ohne dass vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
Das Innenbandsegment 58 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die inneren Enden 92 der Leitschaufeln 54 und weist eine Außenfläche 110 auf, die einen Abschnitt der inneren Flussweggrenze des Antriebs bildet. Wie das Außenbandsegment 52 und das Mantelsegment 60 weisen auch die Umfangsenden 112 des Innenbandsegments 58 Nuten 114 auf, die zur Aufnahme einer konventionellen Keilringdichtung (nicht dargestellt) dimensioniert und ausgeformt sind, um eine Leckage zwischen den Innenbandsegmenten zu verhindern. Ein Flansch 116 erstreckt sich von dem Innenbandsegment 58 nach innen, um das Leitapparatsegment 50 mit Hilfe von Befestigungsmitteln 120 mit einem konventionellen Leitapparatträger 118 zu verbinden.
Obwohl die Gasturbinenantriebskomponente der vorliegenden Erfindung auf andere Weise realisiert werden kann, ohne dass von dem Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird, sind in einer Ausführungsform das Außenbandsegment 52, die Leitschaufeln 54, das Innenbandsegment 58 und das Mantelsegment 60 als ein Teil gegossen. Nach dem Gießen werden verschiedene Abschnitte der Komponente mittels konventioneller Bearbeitungstechniken auf endgültige Komponentenabmessungen bearbeitet.
Wie für die Fachleute nachvollziehbar ist, weist das Hochdruckturbinenleitapparatsegment 50 der vorliegenden Erfindung weniger Leckagepfade für Kühlluft auf als konventionelle Leitapparatbaugruppen. Statt eines Spalts und einer potenziell erheblichen Kühlluftleckage zwischen dem Außenbandsegment und dem Mantelsegment, weist das Leitapparatsegment 50 der vorliegenden Erfindung ein integriertes Außenbandsegment 52 und Mantelsegment 60 auf. Statt zuzulassen, dass die gesamte Kühlluft, die auf die Außenfläche des Mantelsegments prallt, direkt in den Flussweg entweicht, leitet das Leitapparatsegment 50 der vorliegenden Erfindung viel von der auf die Außenfläche 80 des Mantelsegments prallenden Kühlluft durch Kühlluftkanäle 98, die sich durch die Leitschaufeln 54 und durch Filmkühlungsöffnungen 106 an der Außenseite 108 der Leitschaufeln nach außen erstrecken. Die zum Kühlen der Mäntel 76 verwendete Luft kühlt auch die Leitschaufeln 54 und wird durch die Öffnungen 106 abgegeben, die stromaufwärts von der Leitapparatverengung positioniert sind. Da die Öffnungen 106 stromaufwärts von der Leitapparatverengung positioniert sind, erbringt das Leitapparatsegment 50 der vorliegenden Erfindung eine bessere Leistung als konventionelle Leitapparatbaugruppen 10, welche die Kühlluft stromabwärts von der Leitapparatverengung abgeben. Wie für die Fachleute nachvollziehbar ist, erfordert das Hochdruckturbinenleitapparatsegment 50 der vorliegenden Erfindung folglich weniger Kühlluft als eine konventionelle Leitapparatbaugruppe 10 und ermöglicht das bedarfsgerechte Leiten von Kühlluft an andere Bereiche des Antriebs und/oder die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Antriebs.
Beim Einführen von Elementen der vorliegenden Erfindung oder ihrer bevorzugten Ausführungsform(en) soll die Verwendung der unbestimmten und bestimmten Artikel darauf hinweisen, dass von einem oder mehreren der Elemente die Rede ist. Die Begriffe „umfassen" und „aufweisen" sollen einschließend sein und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente geben kann, die sich von den aufgeführten Elementen unterscheiden.

Claims

Hochdruckturbinendleitapparatsegment (50) zur Verwendung in einem Gasturbinenantrieb, wobei das Segment aufweist: ein Außenbandsegment (52), das sich in Umfangsrichtung um eine Mittellinie des Leitapparatsegments und bezüglich eines Mantelsegments (60) nach hinten erstreckt, das mit dem Außenbandsegment integral ausgeformt ist und sich in Umfangsrichtung um die Mittellinie erstreckt, wobei das Außenbandsegment und das Mantelsegment eine im Wesentlichen durchgehende und nicht unterbrochene Innenfläche (64) aufweisen, die einen Abschnitt der äußeren Flussweggrenze des Antriebs bildet, eine Anzahl von Leitschaufeln (54), die sich von dem Außenbandsegment ausgehend nach innen erstrecken, wobei jede Leitschaufel sich von einem äußeren, an dem Außenbandsegment montierten Ende radial nach innen zu einem inneren Ende erstreckt, das dem äußeren Ende gegenüber liegt, wobei jede der Leitschaufeln (54) eine gekühlte Leitschaufel (54) mit einem Innenkanal (94, 96, 98) ist, der sich von einem Einlass (100, 102, 104) zu einer Öffnung (106) an der Außenseite (108) der Leitschaufel (54) erstreckt, um Kühlluft von dem Einlass (100, 102, 104) zu der Öffnung (106) zu leiten, wobei die Kühlluft über den Mantel (60) zur Kühlung des Mantels (60) strömt und ein Innenbandsegment (58), das sich in Umfangsrichtung um die inneren Enden der mehreren Leitschaufeln erstreckt und eine Außenfläche (110) aufweist, die einen Abschnitt der inneren Flussweggrenze des Antriebs bildet, dadurch gekennzeichnet, dass: die über den Mantel (60) strömende Kühlluft durch den Innenkanal (98) des Leitapparats geleitet ist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 1, bei dem der Mantel (60) von den Leitschaufeln (54) nach hinten positioniert ist, wenn die Komponente (50) in dem Antrieb montiert ist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Aufhängeeinrichtung (68), die außerhalb des Mantels (60) montiert ist, um Kühlluft auf eine Außenfläche (80) des Mantels (60) zu leiten.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 1, bei dem wenigstens eins von dem Außenbandsegment und dem Mantelsegment eine Verbindungseinrichtung (66) zur Montage des Leitapparatsegments und des Mantelsegments in dem Antrieb aufweist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 4, wobei die Verbindungseinrichtung ein Haken ist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 1, wobei jedes umfangsseitige Ende des Außenbandsegments, das Mantelsegment und das Innenbandsegment eine Nut (84) aufweist, die zur Aufnahme einer Streifendichtung bemessen und geformt ist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 1, bei dem das Innenband (58) segmentiert ist.
Leitapparatsegment (50) nach Anspruch 8, bei dem das Außenband (52) und der Mantel (60) segmentiert sind.