DE69104852T2

DE69104852T2 - Turbinenkühlungssystem.

Info

Publication number: DE69104852T2
Application number: DE69104852T
Authority: DE
Inventors: David Evans; Boris Glezer
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2011-04-20
Also published as: DE69104852D1; CA2098741A1; JPH06510578A; EP0572402A1; US5142859A; EP0572402B1; WO1992014918A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Gasturbinenmotorkühlung und insbesondere auf die Kühlung der Düsen- und Abdeckanordnung und des Rotors, wobei ein Teil der Kühlluft, nachdem sie durch die Düsen und Abdeckanordnung hindurchgelaufen ist, mit zusätzlicher Kühlluft kombiniert wird, um weiter die Turbinenrotorkühlung zu verbessern.

Hintergrundtechnik

Hochleistungsgasturbinenmotoren benötigen Kühldurchlässe und Kühlströmungen, um die Verläßlichkeit und die Zykluslebenszeit individueller Komponenten oder Bauteile innerhalb des Motors sicherzustellen. Zum Beispiel werden Motoren, um die Brennstoffwirtschaftlichkeitscharakteristika zu verbessern, bei höheren Temperaturen betrieben als die physikalischen Eigenschaftsgrenzen des Materials, aus dem die Motorbauteile aufgebaut sind. Diese höheren Temperaturen brennen die Motorbauteile aus oder erodieren diese und verringern die Lebenszeit der Komponenten oder Bauteile, wenn die höhere Temperatur nicht kompensiert wird. Kühldurchlässe werden verwendet, um eine Luftströmung zu solchen Motorbauteilen zu lenken, um die hohe Temperatur der Bauteile zu reduzieren und die Lebenszeit der Bauteile zu verlängern durch Beschränken der Temperatur auf ein Niveau, das mit den Materialeigenschaften solcher Bauteile zusammenpaßt.
Herkömmlicherweise wird ein Teil der komprimierten Luft von dem Motorkompressorabschnitt abgeleitet, um diese Bauteile zu kühlen. Somit ist die Luftmenge, die von dem Kompressorabschnitt abgeleitet wird, normalerweise beschränkt, um sicherzustellen, daß ein Hauptteil der Luft zur Motorverbrennung verbleibt, um nützliche Arbeit durchzuführen.
Wenn die Betriebstemperaturen von Motoren erhöht werden, um die Wirtschaftlichkeit und Leistung zu erhöhen, ist entweder mehr Kühlung der kritischen Bauteile oder eine bessere Verwendung der Kühlluft notwendig.
Das US-Patent Nr. 3 034 298 von Harlan V. White, vom 15. Mai 1962 zeigt ein System zum Kühlen einer Turbine eines Gasturbinenmotors. Das System leitet Luft durch den Gasturbinenmotor, und zwar aus unterschiedlichen Stufen des Kompressors mit den notwendigen Druck und Temperaturniveaus gemäß den Betriebsbedingungen des Gasturbinenmotors.
Unterschiedliche Anordnungen zur Verwendung von Kühlluft zum Erhöhen der Zykluslebenszeit und der Verläßlichkeit sind verfügbar. US-Patent Nr. 4 173 120 von William C. Grosjean et al vom 6. November 1979 zeigt ein Kühlströmungssystem. Das System umfaßt eine luftgekühlte Düsen- und Abdeckanordnung mit einer Führungs- und einer Folgekante. Ein inneres Luftreservoir ist mit einer Vielzahl von Luftströmungsdurchlässen verbunden, die das Reservoir mit der Führungskante oder Folgekante des internen Plenums oder Raums verbindet. Die Kühlluft strömt in das innere Luftresevoir und ein Teil der Kühlluft trifft intern auf die Führungskante durch die Vielzahl von Durchlässen in der Nähe der Führungskante und ein Teil der Kühlluft tritt entlang der Folgekante der Düse aus. Ein weiterer Teil der Kühlluft von dem Reservoir tritt an dem Bodenteil der Düse unterhalb der Turbinenrotorschaufeln aus und wird ferner als ein Puffer verwendet, der die Statormembran gegenüber Aufnahme heißer Gase schützt.
Eine weitere Anordnung der Verwendung von Kühlluft zum Erhöhen der Zykluslebenszeit und Verläßlichkeit ist in dem US-Patent Nr. 4 668 162 von Philip J. Cederall et al vom 26. Mai 1987 gezeigt. In diesem Patent umfaßt ein Kühlsystem eine Düsen- und Abdeckanordnung mit einer Vielzahl von Durchlässen zum Übertragen von Kühlluft durch die Düse und einen separaten Durchlaß, der eine Kühlung der Düseninnenabdeckung vorsieht. Von einem Reservoir unterhalb der Düse sind eine Vielzahl von Durchlässen für die Kühlluft vorgesehen, um in einem Bereich unterhalb der Turbinenschaufeln auszutreten zum Puffern oder Verhindern, daß das heiße Leistungsgas den Rotor erreicht.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlluftliefersystem zum Kühlen der Bauteile eines Gasturbinenmotors mit einer Turbine, einem Kompressorabschnitt und einem Kompressorauslaßplenum oder -raum offenbart, der das Luftliefersystem strömungsmäßig mit dem Kompressorabschnitt verbindet. Das Kühlluftliefersystem ist aus einem Strömungsinittelströmungspfad aufgebaut, der das Kompressorauslaßplenuin oder -raum mit den zu kühlenden Motorbauteilen verbindet. Der Strömungsmittelströmungspfad besitzt eine Kühlströmungsmittelströmung dort hindurch, wenn der Kompressorabschnitt in Betrieb ist. Das System weist ferner eine Vielzahl von Düsen und Abdeckungs- bzw. Abdeckanordnungen auf. Jede der Vielzahl von Düsen und Abdeckanordnungen umfaßt eine Vielzahl von individuellen Düsen und Abdeckgliedern. Jedes der Vielzahl von individuellen Düsen und Abdeckgliedern umfaßt einen äußeren und inneren Abdeckungs- bzw. Abdeckteil.
Der äußere Abdeckteil besitzt einen Einlaßdurchlaß darinnen und umfaßt einen Düsenfügel- oder -schaufelteil mit einem Düsenplenum oder -raum darinnen. Der äußere Abdeckteil besitzt einen Einlaßdurchlaß darinnen und der Durchlaß und das Düsenplenum stehen in Strömungsmittelverbindung miteinander. Der innere Abdeckteil umfaßt ferner eine Kühlkammer darinnen, die im allgemeinen radial nach innen bezüglich des Düsenplenums oder -raums positioniert ist. Eine Trennung (Trennwand) ist zwischen der Kühlkammer und dem Düsenplenaum oder -raum angeordnet. Die Trennung definiert einen zweiten Auslaßdurchlaß darinnen. Die Kühlkammer in jedem Düsen- und Abdeckglied bildet ein im allgemeinen ringförmiges Reservoir, wenn es in einer Betriebsbeziehung zusammengesetzt ist und steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Düsenplenum oder -raum. Das ringförmige Reservoir besitzt eine Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen, die davon austreten. Jedes der Düsen- und Abdeckglieder umfaßt ferner einen auslegerartigen Flansch, der radial nach außen bezüglich des ringförmigen Reservoirs positioniert ist. Die Flansche erstrecken sich axial von dem inneren Abdeckteil in Richtung der Turbine und bilden eine radiale Abdeckflanschanordnung von auslegerartigen Düsen oder Abdeckflanschen, wenn sie in einer Betriebsbeziehung zueinander zusammengebaut sind. Das System weist ferner eine Rotoranordnung auf, die einen Rotor aufweist. Der Rotor besitzt eine Vielzahl von ersetzbaren Schaufeln, die darinnen angebracht sind. Jede der Vielzahl von ersetzbaren Schaufeln umfaßt einen Plattformabschnitt, eine Lippe und einen auslegerartigen Flansch< der sich axial von dem Platformabschnitt erstreckt, und zwar von der der Lippe gegenüberliegenden Seite. Die auslegerartigen Flansche bilden, wenn sie in ihrer funktionsmäßig zusammengebauten Position ausgerichtet sind, eine radiale Schaufelflanschanordnung aus auslegerartigen Turbinenschaufelflanschen. Die radiale Schaufelflanschanordnung der auslegerartigen Turbinenschaufelflansche und die radiale Abdeckflanschanordnung der auslegerartigen Düsen und Abdeckflansche überlappen einander axial, und zwar in einer zuvor festgelegten radial beabstandeten Nähe zum Bilden einer Pufferzone dazwischen. Die Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen von dem ringförmigen Reservoir sind im wesentlichen radial mit der Pufferzone ausgerichtet.
Das Kühlluftliefersystem zum Kühlen der Bauteile von Gasturbinenmotoren sieht ein effizienteres Kühlsystem vor. Die erhöhte Strömung von Kühlluft durch die Düsen- und Abdeckanordnung erhöht die Wärmedissipation von der Düse. Ferner verhindert die Bildung der Pufferzone durch die radiale Schaufelflanschanordnung und die radiale Abdeckflanschanordnung und die Anordnung der Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen, die aus dem ringförmigen Reservoir in die Pufferzone austreten, die Aufnahme von heißen Leistungsgasen in die inneren Bauteile des Gasturbinenmotors.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Teils eines Gasturbinenmotors, der die vorliegende Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils in Fig. 1 entlang der Linie 2-2, das die vorliegende Erfindung darstellt;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht durch einen Düsenteil entlang der Linie 3-3 in Fig. 2:
Fig. 4 ist eine vergrößerte teilweise geschnittene Ansicht der Verbindung, die eine Turbinenschaufel an einem Turbinenrotor befestigt;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines alternativen Düsenteilausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ist eine vergrößerte teilweise geschnittene Ansicht eines Düsenflügelteils.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Gemäß Fig. 1 wurde ein nicht vollständig gezeigter Gasturbinenmotor 10 geschnitten, um ein Kühlluftliefersystem 12 zum Kühlen von Bauteilen eines Turbinenabschnitts 14 des Motors zu zeigen. Der Motor 10 umfaßt ein Außengehäuse 16, einen Verbrennungsabschnitt 18, einen Kompressorabschnitt 20 und ein Kompressorauslaßplenum oder -raum 22, das strömungsmittelmäßig das Luftliefersystem 12 mit dem Kompressorabschnitt 20 verbindet. Das Plenum bzw. der Raum 22 wird teilweise durch das Außengehäuse 16 und eine mehrteilige Innenwand 24 definiert, die teilweise den Turbinenabschnitt 14 und den Verbrennungsabschnitt 18 umgibt. Der Kompressorabschnitt 20 umfaßt eine Vielzahl von drehbaren Schaufeln 26, die an einer sich längserstreckenden Mittelwelle 28 befestigt sind, die durch einen Vergasungsturbinenabschnitt 29 angetrieben wird. Eine Vielzahl von Kompressorstatorschaufeln 30 erstreckt sich von dem Außengehäuse 16 und sind axial zwischen drehbaren Schaufelreihen positioniert. Der Kompressorabschnitt 20 ist ein mehrstufiger Axialkompressor, obwohl nur eine einzige Stufe gezeigt ist. Der Verbrennungsabschnitt 18 umfaßt eine Vielzahl von Verbrennungskammern 32, die innerhalb des Plenums 22 getragen sind durch eine Vielzahl von Trägern 33, von denen nur einer gezeigt ist. Eine Vielzahl von Treibstoffdüsen 34 (eine ist gezeigt) sind in dem Plenum 22 an dem Ende der Verbrennungskammer 32 in der Nähe des Kompressorabschnits 20 positioniert. Der Turbinenabschnitt 14 umfaßt eine Turbine 36 der ersten Stufe, die teilweise innerhalb einer integralen Düsen und Abdeckanordnung 38 der ersten Stufe angeordnet ist. Die Anordnung 38 umfaßt eine Vielzahl von individuellen Düsen- und Abdeckgliedern 39 und ist von der Mittelwelle 28 getragen durch eine Serie von thermisch varierten Massen 40, die zusammengebaut sind, um eine rasche thermische Variation während der Erwärmung und der Kühlung solcher Massen 40 zu verhindern. Die Massen 40 sind an einer Lagergehäuseanordnung 46 befestigt. Ein Düsentraggehäuse 48 ist innerhalb des Außengehäuses 16 angeordnet und an dem Gehäuse 16 befestigt durch eine Vielzahl von nicht gezeigten Bolzen oder Schrauben und Dübeln. Eine integrale Düsen- und Abdeckanordnung 50 der zweiten Stufe ist an dem Düsentraggehäuse 48 befestigt, und zwar in einer herkömmlichen Art und Weise und eine Turbine 54 der zweiten Stufe ist teilweise innerhalb der Anordnung 50 angeordnet. Eine integrale Düsen- und Abdeckanordnung 56 der dritten Stufe ist auch an dem Düsentraggehäuse 48 befestigt in einer herkömmlichen Art und Weise und eine Turbine 62 der dritten Stufe ist teilweise innerhalb der Anordnung 56 angeordnet.
Wie deutlich in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt das Kühlluftliefersystem einen Strömungsmittelströmungspfad 64, der das Kompressorauslaßplenum oder -raum 22 mit dem Turbinenabschnitt 14 verbindet und ist in eine erste und zweite Kühlströmungsmittelströmung aufgeteilt, die durch die Pfeile 65 bzw. 66 bezeichnet sind. Während des Betriebs ist eine Strömungsmittelströmung in dem Strömungsmittelströmungspfad 64 verfügbar. Ein erster ringförmiger Teil 67 des Strömungsmittelströmungspfades 64 ist zwischen der integralen Düsen- und Abdeckanordnung 38 der ersten Stufe und einer mehrteiligen Innenwand 24 angeordnet. Eine mehrteilige Abdeckplatte 68 ist in einer kontaktierenden Beziehung zwischen einem Teil der Anordnung 38 und des Düsentraggehäuses 48 positioniert. Eine Vielzahl von Durchlässen 69 in der Innenwand 24 sieht eine Verbindung der Kühlluft von dem Kompressorauslaßplenum 22 zu dem ersten ringförmigen Teil 67 vor. Ein zweiter ringförmiger Teil 70 des Strömungsinittelströmungspfades 64 ist zwischen der integralen Düsen- und Abdeckanordnung 38 der ersten Stufe und der mehrteiligen Abdeckplatte 68 angeordnet. Eine Vielzahl von Durchlässen 71 in der mehrteiligen Abdeckplatte 68 verbindet den zweiten ringförmigen Teil 70 mit dem ersten ringförmigen Teil 67. Ein dritter ringförmiger Teil 72 ist zwischen dem Düsentraggehäuse 48 und der Düsenanordnung 50 der zweiten Stufe angeordnet. Eine Vielzahl von zweiten Strömungsmittelströmungssteuerdurchlässen 92, von denen nur einer gezeigt ist, ist in dem Düsentraggehäuse 48 angeordnet und verbindet den dritten ringförmigen Teil 72 des Strömungsmittelströmungspfades 64 mit dem ersten ringförmigen Teil 67. Ein vierter ringförmiger Teil 96 des Strömungsmittelströmungspfades 64 ist zwischen der integralen Düsen- und Abdeckanordnung 56 der dritten Stufe und dem Düsentraggehäuse 48 angeordnet. Eine Vielzahl von Kühldurchlässen 98, von denen nur einer gezeigt ist, ist in dem Düsentraggehäuse 48 angeordnet. Die Vielzahl von Kühldurchlässen 98 verbindet das Auslaßplenum 22 mit dem vierten ringförmigen Teil 96.
Der Strömungsmittelströmungspfad 64 umfaßt ferner eine Vielzahl von Innendurchlässen 100, von denen nur einer gezeigt ist, innerhalb des Motors 10, durch die die zweite Kühlströmungsmittelströmung 66 gerichtet oder gelenkt wird. Zum Beispiel befinden sich die Innendurchlässe 100 zwischen einer flexiblen Wand 102, die zwischen Teilen des Lagergehäuse 46 positioniert ist und dem Verbrennungskammerträger 33. Jede der Verbrennungskammern 32 ist radial in beabstandeter Beziehung innerhalb des Plenums 22 angeordnet und besitzt dazwischen einen Freiraum für die zweite Kühlströmungsmittelströmung 66, um dort hindurch zu fließen. Der Strömungspfad 64 für die zweite Kühlströmungsmittelströmung umfaßt ferner eine Vielzahl von Durchlässen 104, von denen nur einer gezeigt ist, und zwar in den variierten Massen. Die Vielzahl von Durchlässen 104 verbindet die Innendurchlässe 100 mit einer ringförmigen Kühlversorgungskamrner 106, die außerhalb der variierten Massen 46 positioniert ist.
Wie am besten in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, besitzen die Turbinen 36, 54, 62 der ersten, zweiten und dritten Stufe des Turbinenabschnitts 14 einen im allgemeinen herkömmlichen Aufbau. Zum Beispiel umfaßt die Turbine 36 der ersten Stufe eine Rotoranordnung 110, die axial benachbart zu der Düsen- und Abdeckanordnung 38 angeordnet ist, die folgendes aufweist: einen Rotor 112, eine Vielzahl von Schaufeln 114, einen ringförmigen T-Schlitz 116, an sowohl dem Rotor 112 als auch den Schaufeln 114, eine nicht gezeigte Öffnung an dem Rotor 112, um einen Zugriff zu einem Teil des T-Schlitzes vorzusehen und eine Vielzahl von Dichtungsgliedern 117, von denen eines gezeigt ist. Der Rotor 112 umfaßt ferner einen Rand 118 an seinem Umfang, eine erste Stirnseite 120 und eine zweite Stirnseite 122. Die erste Stirnseite 120 ist gestuft oder besitzt mehrere Niveaus. Eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten Halteschlitzen 124 ist in dem Rand 118 positioniert. Jeder der Schlitze 124 erstreckt sich von einer Stirnfläche 120 zu der anderen Stirnfläche 122, besitzt einen Boden 126 und ein Paar von Seitenwänden 128, von denen nur eine gezeigt ist, die in einer herkömmlichen Art unterschnitten sind, um mindestens eine nach innen gerichtete Anschlag- oder Anlagefläche 130 an jeder Seitenwand 128 vorzusehen. Die Vielzahl von Schaufeln 114 ist ersetzbar innerhalb des Randes 118 angebracht. Jede der Vielzahl von Schaufeln 114 umfaßt einen Wurzelabschnitt 134, der mit einem entsprechenden Schlitz 124 in Eingriff kommt und ist beabstandet von dem Boden 126 des Schlitzes 124 in dem Rotor 112. Jede Schaufel besitzt einen Plattformabschnitt 136, der radial nach außen bezüglich des Umfangs des Randes 118 angeordnet ist, und zwar durch einen ausgedehnten Nacken- oder Halsabschnitt 138 der Schaufel 114. Jede Schaufel besitzt eine Lippe 140, die sich radial nach innen von dem Wurzelabschnitt erstreckt und an einem Teil der Mehrfachniveauoberfläche der ersten Stirnseite 120 anliegt. Jede Schaufel umfaßt ferner einen auslegerartigen Flansch 142, der sich axial von dem Plattformabschnitt 136 an der Seite benachbart zu der Düsen- und Abdeckanordnung 38 erstreckt, die auch die Seite ist, die der Lippe 140 gegenüberliegt. Jeder der auslegerartigen Flansche 142 bildet, wenn er in seiner funktionsmäßig zusammengebauten Position ausgerichtet ist, eine radiale Schaufelflanschanordnung 144 aus auslegerartigen Turbinenschaufelflanschen mit einem zuvor festgelegten Radius oder Durchmesser.
Wie deutlicher in den Fig. 1, 2, 3 und 6 gezeigt ist, besitzt jedes der Vielzahl von Düsen- und Abdeckglieder 39 der Düsen- und Abdeckanordnung 38 der ersten Stufe ein Paar von Düsenflügelteilen 150, von denen nur eines gezeigt ist. Jeder der Düsenflügelteile 150 besitzt eine Führungskante 151, eine Folgekante 152, ein Düsenplenumoder -raum 153 darinnen, einen äußeren Abdeckteil 154 und einen inneren Abdeckteil 155. Jeder der Düsenflügelteile 150 ist hohl, was die Bildung des Düsenplenums 153 zur Folge hat. Jeder der äußeren Abdeckteile 154 besitzt einen Einlaßdurchlaß 156 darinnen. Jeder der Vielzahl von Düsen- und Abdeckglieder 39 umfaßt ferner eine Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen 157, die in der Folgekante 152 angeordnet ist. Als eine Alternative, die in Fig. 5 gezeigt ist, könnte der Düsenflügelteil 150 eine Vielzahl von Öffnungen 158 in dem Düsenflügelteil 150 in der Nähe der Führungskante aufweisen, um zu erlauben, daß ein Teil der Kühlluft dorthindurch austritt und verwendet wird für eine Filmkühlung des Düsenflügelteils 150. Ein Einsatz 159 erstreckt sich längs durch den Düsenflügelteil 150 und einen Teil des Düsenplenums 153, der ungefähr die Führungshälfte des Düsenflügelteils überspannt. Der Einsatz 159 umfaßt, wenn er in seiner Arbeitsbeziehung zusammengebaut ist, eine Vielzahl von Ablaßdurchlässen 160, die in der Nähe der Führungs- und Folgekanten des Düsenflügelteils 150 positioniert sind, durch die die gesamte Strömung der ersten Strömung 65 austritt. Der Einsatz 159 erstreckt sich ferner in den Durchlaß 156 der äußeren Abdeckteile 154 zum Vorsehen eines Strömungsmitteldurchlasses 161, der mit dem zweiten ringförmigen Teil 70 in Verbindung steht. Das andere Ende des Einsatzes 159 steht in abdichtendem Kontakt mit einer Trennung 162, die zwischen dem Einsatz 159 und einer Kühlkammer 163 angeordnet ist, die im allgemeinen radial nach innen bezüglich des Düsenplenums 153 positioniert ist. Ein zweiter Auslaßdurchlaß 164 ist in der Trennung 162 definiert und besitzt eine zuvor festgelegte Fläche zum Steuern der Strömungsrate der ersten Strömung 65 des Kühlströmungsmittels in die Kühlkammer 163. Der zweite Auslaßdurchlaß 164 verbindet die Kühlkammer 163 mit dem Düsenplenum 153. Wenn die Düsen- und Abdeckglieder 39 in ihrer Betriebsbeziehung funktionell zusammengebaut sind, arbeiten sie mit der Kühlkammer 163 zusammen zum Bilden eines im allgemeinen ringförmigen Reservoirs 166. Das ringförmige Reservoir 166 steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Düsenplenum 153 jedes Düsenflügelteils 150 durch die Verwendung des zweiten Auslaßdurchlasses 164. Ein auslegerartiger Flansch 170 ist radial nach außen bezüglich des ringförmigen Reservoirs 166 positioniert und erstreckt sich von dem inneren Abdeckteil 154 in Richtung der Turbine 36. Jeder der auslegerartigen Flansche 170 bildet, wenn er in seiner funktionsmäßig zusammengebauten Position ausgerichtet ist, eine radiale Abdeckflanschanordnung 172 aus auslegerartigen Düsen und Abdeckflanschen mit einem zuvor festgelegten Radius oder Durchmesser. In dieser Anwendung ist der zuvor festgelegte Radius der radialen Abdeckflanschanordnung 172 aus auslegerartigen Düsen- und Abdeckflanschen größer als der zuvor festgelegte Radius der radialen Schaufelflanschanordnung 144 aus auslegerartigen Turbinenschaufelflanschen. Die radiale Abdeckflanschanordnung 172 und die radiale Schaufelflanschanordnung 144 überlappen einander axial in einer zuvor festgelegten radial beabstandeten Nähe zum Bilden eienes Pufferdurchlasses oder -zone 174 dazwischen. Eine Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen 176, von denen einer gezeigt ist, tritt in das ringförmige Reservoir 166 aus und ist im wesentlichen funktional zwischen der radialen Abdeckflanschanordnung 172 und der radialen Schaufelflanschanordnung 144 ausgerichtet. Eine zusätzliche Platte 178 ist innerhalb des ringförmigen Reservoirs 166 und an dem inneren Abdeckteil 155 der Düsen- und Abdeckglieder 39 befestigt. Die Platte 178 besitzt zweite Durchlaßmittel 180, die darinnen definiert sind, und die zweiten Durchlaßmittel 180 umfassen eine Vielzahl von zweiten Kühldurchlässen 181, die darinnen definiert sind, die in Strömungsmittelverbindung mit der ringförmigen Kühlversorgungskammer 106 stehen. Jede der Vielzahl von zweiten Kühldurchlässen 181 besitzt eine zuvor festgelegte Fläche zum Steuern der Strömungsrate der zweiten Strömung 65 des Kühlströmungsmittels. Die obige Beschreibung bezieht sich nur auf die Düsen- und Abdeckanordnung 38 der ersten Stufe; es sei jedoch bemerkt, daß der Aufbau im allgemeinen für die verbleibenden Düsen- und Abdeckanordnungen 50 und 56 typisch ist.

Industrielle Anwendbarkeit

Beim Betrieb erhöht das Kühlströmungsmittel oder die Luft von dem Kompressorabschnitt 20, wie es in dem Liefersystem 12 verwendet wird, die Effizienz und Leistung des Gasturbinenmotors 10, während die Haltbarkeit der Bauteile, die innerhalb des Gasturbinenmotors 10 verwendet werden, erhöht wird. Der folgende Betrieb ist auf die Düsen- und Abdeckanordnung der ersten Stufe gerichtet; der Kühlbetrieb der verbleibenden Düsen- und Abdeckanordnungen ist jedoch sehr ähnlich. Ein Teil der komprimierten Luft von dem Kompressorabschnitt 20 wird davon abgeleitet zum Bilden der ersten Strömung von Kühlströmungsmittel 65, die verwendet wird zum Kühlen der Düsen- und Abdeckanordnung 38. Die Luft tritt aus dem Kompressorabschnitt 20 in das Kompressorauslaßplenum oder -raum 22 aus und tritt in einen Teil des Strömungsinittelströmungspfads 64 ein. Somit tritt die erste Strömung an Kühlluft, die durch die Pfeile 65 angezeigt ist, in den ersten ringförmigen Teil 67 durch eine Vielzahl von Durchlässen 68 in der mehrteiligen Innenwand 24 ein. Von dem ersten ringförmigen Teil 67 strömt Luft durch die Vielzahl von Durchlässen 71, tritt in den zweiten ringförmigen Teil 70 ein und wird in die Strömungsdurchlässe 161 jedes Düsenflügelteils 150 aufgeteilt. Die Kühlluft wird dann durch die Vielzahl von Öffnungen 160 in dem Einsatz 159 in dem Düsenplenum 153 aufgeteilt und wird in Richtung der Führungs- und Folgekanten 151, 152 des Düsenflügelteils 150 gerichtet. Die Kühlluft, die aus der Vielzahl von Öffnungen 160, die zu der Führungskante 151 weist, austritt, folgt um das hohle Innere des Düsenflügelteils 150 in der Nähe der Führungskante 151 herum in Richtung der Folgekante 152, absorbiert Wärme von dem Düsenflügelteil 150, um die Temperatur davon zu verringern und die Haltbarkeit des Düsenflügelteils 150 zu erhöhen. Die Kühlluft, die aus der Vielzahl von Öffnungen 160 in das Düsenplenum 153 in der Nähe der Führungskante 152 austritt, wird mit der wärmeren Luft vermischt, die aus der Vielzahl von Öffnungen 160 in der Nähe der Führungskante 151 ausgetreten ist und Wärme absorbiert hat, während sie um das hohle Innere des Düsenflügelteils 150 herumgegangen ist. Die so kombinierte Kühlluft entfernt weiter Wärme von dem Düsenflügelteil 150 und ein Teil der kombinierten Kühlluft tritt aus der Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen 157 in der Nachlauf- oder Folgekante 151 des Düsenflügelteils 150 aus. Der Rest der kombinierten Kühlluft tritt aus dem zweiten Auslaßdurchlaß 164 aus und tritt in das ringförmige Reservoir 166 ein. Die zuvor festgelegte Fläche des zweiten Auslaßdurchlasses 164 bestimmt die Menge an kombinnierter Kühlluft, die aus der Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen 157 in der Folgekante 151 austritt und die Menge an kombinierter Kühlluft, die in das ringförmige Reservoir 166 eintritt. Bei dieser Anwendung ist das Verhältnis von Kühlluftströmung, die aus der Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen 157 in der Folgekante 151 austritt zu der, die in das ringförmige Kühlreservoir 166 eintritt, ungefähr 4:1. Somit kann zum Erhöhen der Kühlluftströmung hauptsächlich zum Verbessern der Kühleffektivität die Düsenführungskante 151 die Fläche des zweiten Auslaßdurchlasses 164 erhöht oder verringert werden, abhängig von der gewünschten bzw. zweckmäßigen Strömung.
Ein weiterer Teil der komprimierten Luft von dem Kompressorabschnitt 20 wird davon abgeleitet zum Bilden der zweiten Kühlluftströmung, die durch die Pfeile 66 bezeichnet ist, und die verwendet wird zum Kühlen und Verhindern der Aufnahme von heißen Leistungsgasen in die inneren Bauteile des Gasturbinenmotors 10. Zum Beispiel strömt die abgeleitete Luft von dem Kompressorabschnitt 20 in das Kompressorauslaßplenum oder -raum 22 durch die Innendurchlässe 100 oder die Flächen bzw. Bereiche zwischen der Vielzahl von Verbrennungskammern 32 und in die Vielzahl von Durchlässen 104 in den variierten Massen 40. Nachdem sie durch die Vielzahl von Durchlässen 104 in den Massen 40 durchgegangen ist, tritt die Kühlluft in die ringförmige Kühlversorgungskammer 106 ein und wird durch die Vielzahl von zweiten Kühldurchlässen 181 in das ringförmige Reservoir 166 geleitet. Innerhalb des ringförmigen Reservoirs 166 kann sich die kombinierte Kühlluft von den ersten und zweiten Strömungen 65, 66 des Kühlströmungsmittels vermischen oder unabhängig aus der Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen austreten. Die Kühlluft innerhalb des ringförmigen Reservoirs 166 tritt aus der Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen 176 aus, und wird direkt in die Pufferzone 174 ausgelassen. Die zuvor festgelegte Fläche jedes der Vielzahl von zweiten Kühl durchlässen 181 bestimmt die Menge an Kühlluft von der zweiten Kühlluftströmung, um in dem ringförmigen Reservoir gemischt zu werden und steuert ferner die kühlende Strömung in dem Düsenflügelteil.
Somit sehen die Hauptvorteile des verbesserten Turbinenkühlsystems folgendes vor: eine effizientere Verwendung der Kühlluft, die von dem Kompressorabschnitt 20 abgeleitet wird, eine Erhöhung der Lebenszeit der Bauteile und der Effizienz bzw. Wirtschaftlichkeit des Motors und sie stellen sicher, daß der Hauptteil der komprimierten Luft zur Motorverbrennung verbleibt. Die erste Strömung 65 der Kühlluft erhöht die Kühlluftströmung durch den Düsenflügelteil 150 und verbessert die Düsenführungskantenkühleffizienz. Ferner bilden die radiale Abdeckflanschanordnung 172 und die radiale Schaufelflanschanordnung 144, die einander in einer zuvor festgelegten radial beabstandeten Nähe überlappen, die Pufferzone 174, die einen Widerstand gegen die Aufnahme von heißen Leistungsgasen in die inneren Bauteile des Gasturbinenmotors 10 vorsehen. Das Vermischen der ersten und zweiten Strömungen 65, 66 in dem ringförmigen Reservoir 166 und das Ablassen der Luft durch die Vielzahl von Richt- oder Lenkdurchlässen 176, die im wesentlichen radial mit der Pufferzone ausgerichtet sind, in die Pufferzone stellt ferner sicher, daß die Aufnahme heißer Leistungsgase in die inneren Bauteile des Gasturbinenmotors 10 verringert wird.
Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus einer Studie der Zeichnung, der Offenbarung und der Ansprüche.

Claims

1. Kühlluftliefersystem (12) für Kühlbauteile eines Gasturbinenmotors (10), der folgendes aufweist: eine Turbine (36), einen Kompressorabschnitt (20) und ein Kompressorabgabeplenum oder -raum (22), der strömungsmittelmäßig das Luftliefersystem (12) mit dem Kompressorabschnitt (20) verbindet, einen Strömungsmittelströmungspfad (64), der den Kompressorabgaberaum (22) mit den zu kühlenden Motorbauteilen verbindet und ein Kühlströmungsmittel besitzt, das dorthindurch fließt, wenn der Kompressorabschnitt (20) in Betrieb ist, eine Düsen- und Abdeckungsanordnung (38), wobei die Düsen- und Abdeckungsanordnung (38) eine Vielzahl von individuellen Düsen und Abdeckgliedern (39) aufweist, wobei jedes der Vielzahl von individuellen Düsen- und Abdeckgliedern (39) einen äußeren und inneren Abdeckteil (154, 155) und einen Düsenflügel- oder -schaufelteil (150) mit einem Düsenplenum oder -raum (153) darinnen besitzt, und mit einem ersten Auslaßdurchlaß (157), der aus dem Düsenraum (153) austritt, wobei der äußere Abdeckungsteil (154) darinnen einen Einlaßdurchlaß (156) besitzt, wobei der Durchlaß (156) und der Düsenraum (153) in Strömungsmittelverbindung miteinander stehen, wobei der innere Abdeckteil (155) ferner eine Kühlkammer (163) darinnen aufweist, die im allgemeinen radial nach innen bezüglich des Düsenraums (153) positioniert ist, dadurch gekennzeichet, daß: eine Trennung (162) zwischen der Kühlkammer (163) und dem Düsenraum (153) angeordnet ist, wobei die Trennung (162) einen zweiten Auslaßdurchlaß (164) darinnen definiert, wobei die Kühlkammer (163) in jedem der Düsen- und Abdeckglieder (39) ein im allgemeinen ringförmiges Reservoir (166) bildet, und zwar in einer zusammengesetzten Betriebsbeziehung und in Strömungsmittelverbindung durch den zweiten Auslaßdurchlaß (164) mit dem Düsenraum (153) steht, wobei das ringförmige Reservoir (166) eine Vielzahl von Lenkoder Richtdurchlässen (176) besitzt, die daraus austreten, wobei jedes der Düsen- und Abdeckglieder (39) ferner einen auslegerartigen Flansch (170) aufweisen, der radial außerhalb des ringförmigen Reservoirs (166) positioniert ist, wobei die Flansche (170) sich axial von dem inneren Abdeckteil (155) in Richtung der Turbine (36) erstrecken und eine radiale Abdeckflanschanordnung (172) aus auslegerartigen Düsen- und Abdeckflanschen (170) bilden, und zwar in einer zusammengesetzten Betriebsbeziehung zueinander;

daß eine Rotoranordnung (110) axial benachbart zu der Düsen- und Abdeckanordnung (38, 50, 56) angeordnet ist, wobei die Rotoranordnung (110) einen Rotor (112) aufweist mit einer Vielzahl von ersetzbaren Schaufeln (114), die daran angebracht sind, wobei jede der Vielzahl von ersetzbaren Schaufeln (114) folgendes aufweist: einen Plattformabschnitt (136), einen auslegerartigen Flansch (142), der sich axial von dem Plattformabschnitt (136) erstreckt, und zwar auf der Seite benachbart zu der Düsen- und Abdeckanordnung(38), wobei die auslegerartigen Flansche (142), wenn sie in ihrer funktional zusammengesetzten Position ausgerichtet sind, eine radiale Schaufelflanschanordnung (144) der auslegerartigen Turbinenschaufelflansche (142) bilden;

wobei die radiale Schaufelflanschanordnung (144) und die radiale Abdeckflanschanordnung (172) sich axial überlappen, und zwar in einer zuvor festgelegten radialen beabstandeten Nähe zum Bilden einer Pufferzone (174) dazwischen, wobei die Vielzahl von Richtoder Lenkdurchlässen (176) von dem ringförmigen Reservoir (166) im wesentlichen radial ausgerichtet ist mit der Pufferzone (174); und

daß zweite Durchlaßmittel (180) in das ringförmige Reservoir (166) eintreten und wobei der Strömungsmittelströmungspfad (64) eine erste Strömung (65) eines Kühlströmungsmittels von dem Kompressorabschnitt (20) aufweist, die durch die Düsen- und Abdeckanordnung (38, 50, 56) in das ringförmige Reservoir (166) gelenkt wird, bevor sie aus der Vielzahl von Lenkdurchlässen (176) von dem ringförmigen Reservoir (166) in die Pufferzone (174) austritt und eine zweite Strömung (66) eines Kühlströmungsmittels von dem Kompressor (20) aufweist, die durch eine Vielzahl von Innendurchlässen (100, 104) in dem Motor (10) gelenkt wird, und zwar durch die zweiten Durchlaßmittel (180) in das ringförmige Reservoir (166), bevor sie aus der Vielzahl von Lenkdurchlässen (176) von dem ringförmigen Reservoir (166) in die Pufferzone (174) austritt, und wobei der zweite Auslaßdurchlaß (164) eine zuvor bestimmte Fläche besitzt zum Steuern der Strömungsrate der ersten Strömung (65) des Kühlströmungsmittels in das ringförmige Reservoir (166).

2. Kühlluftliefersystem (12) nach Anspruch 1, wobei das Kühlluftliefersystem (12) ferner eine Platte (178) aufweist, die innen an dem Düsen- und Abdeckglied (39) befestigt ist, und wobei die zweiten Durchlaßmittel (180) eine Vielzahl von Durchlässen (181) in der Platte (178) aufweisen und jeder der Vielzahl von Durchlässen (181) eine vorbestimmte Fläche zum Steuern der Strömungsrate der zweiten Strömung (65) des Kühlströmungsmittels in das ringförmige Reservoir (166) aufweist.

3. Kühlluftliefersystem (12) nach Anspruch 1, wobei jedes der Düsenflügelteile (150) ferner eine Führungs- und eine Folgekante (151, 152) und eine Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen (157) aufweist, die aus dem Düsenraum (153) austreten, wobei die Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen (157) in der Folgekante (152) davon definiert ist.

4. Kühlluftliefersystem (12) nach Anspruch 1, wobei jedes der Düsenflügelteile (150) ferner folgendes aufweist: ein Führungs- und eine Folgekante (151, 152), eine Vielzahl von Öffnungen (158) in dem Düsenflügelteil (150), und zwar definiert in der Nähe der Führungskante (151), durch die ein Teil der ersten Strömung (65) in den Düsenraum (153) austritt und eine Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen (157), die in der Folgekante (152) davon definiert sind.

5. Kühlluftliefersystem (12) nach Anspruch 3, wobei der Strömungsmittelströmungspfad (64) eine erste Strömung eines Kühlströmungsmittels von dem Kompressorabschnitt (20) besitzt, die durch die Düsen- und Abdeckanordnung (38, 50, 56) zu dem ringförmigen Reservoir (166) geleitet wird und in die Pufferzone (174) austritt, wobei ein Teil der ersten Strömung (65) des Kühlströmungsmitels von dem Kompressorabschnitt (20) in den Kühlraum (153) hineingeht und durch die Vielzahl der ersten Auslaßdurchlässe (157), die in der Folgekante (152) definiert sind, austritt und wobei ein anderer Teil der ersten Strömung (65) des Kühlströmungsmittels von dem Kompressorabschnitt (20) durch den Düsenraum (153) hindurchgeht, und zwar zu dem ringförmigen Reservoir (166) und in die Pufferzone (174) austritt.

6. Kühlluftliefersystem (12) nach Anspruch 4, wobei ein Teil der ersten Strömung (65) des Kühlströmungsmittels in dem Strömungsmittelströmungspfad (64) in den Düsenraum (153) gelenkt wird und durch die Vielzahl von Öffnungen (158) austritt, die in der Führungskante (151) definiert sind, durch die ein Teil der ersten Strömung (65) aus dem Düsenraum (153) und der Vielzahl von ersten Auslaßdurchlässen (157), die in der Folgekante (152) definiert sind, austritt, und wobei ein anderer Teil der ersten Strömung (65) des Kühlströmungsmittels von dem Kompressorabschnitt (20) durch den Düsenraum (153) gelenkt wird, und zwar zu dem ringförmigen Reservoir (166) und durch die Lenkdurchlässe (176) in die Pufferzone (174).