Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Gasturbinenmaschinen, insbesondere
Turbinenleitschaufelanordnungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw.
4 und wie sie aus EP-A 0 493 111 bekannt sind.
Stand der Technik
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Eine typische Gasturbinenmaschine hat einen Verdichterabschnitt, einen
Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Die
Gasturbinenmaschine weist einen ringförmigen Strömungsweg zum Leiten von
Arbeitsfluid abschnittsweise durch den Verdichter- Brennkammereinrichtungs-
und Turbinenabschnitt auf. Der Verdichterabschnitt führt dem
Arbeitsfluid Impulsenergie zu. Kraftstoff wird dann dem verdichteten
Arbeitsfluid in dem Brennkammerabschnitt zugegeben. Die Mischung aus
Kraftstoff und Arbeitsfluid wird in einem Verbrennungsprozeß verbrannt, der
dem Arbeitsfluid Energie zuführt. Das heiße Arbeitsfluid läßt man dann
durch den Turbinenabschnitt expandieren, und Energie wird von dem
Arbeitsfluid auf den Turbinenabschnitt übertragen. Eine rotierende Welle
verbindet den Turbinenabschnitt mit dem Verdichterabschnitt. Auf diese
Weise wird ein Teil der Energie, die von dem Arbeitsfluid auf den
Turbinenabschnitt übertragen wird, zum Verdichten des einströmenden
Arbeitsfluids in dem Verdichter verwendet.
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Der Turbinenabschnitt weist eine Rotoranordnung und eine
Statoranordnung auf, die strömungsaufwärts der Rotoranordnung angeordnet ist. Die
Rotoranordnung weist eine Anordnung aus Rotorlaufschaufeln auf, die an
einer rotierfähigen Scheibe befestigt ist.
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Die Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsfluid und den
Rotorlaufschaufeln überträgt Energie auf die Scheibe. Die Statoranordnung weist
eine Anordnung aus nicht rotierenden Leitschaufeln auf. Die
Leitschaufeln orientieren die Strömung aus Arbeitsfluid, um die
Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsfluid und den Rotorlaufschaufeln für
maximale Effizienz zu optimieren. Die optimale Orientierung des
Arbeitsfluids ist abhängig von den Strömungseigenschaften des
Turbinenabschnitts und damit von den Schubanforderungen der
Gasturbinenmaschine.
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Viele Gasturbinenmaschinenhersteller produzieren Kerntriebwerke, die
zum Betrieb in einer Vielzahl von Schubbereichen modifiziert werden
können. Ein Schubbereich ist definiert als der Arbeitsschubbereich einer
speziellen Anwendung der Gasturbinenmaschine. Dieses Vorgehen
verringert Kosten, indem es das Erfordernis eliminiert, ein Kerntriebwerk
für jede Anwendung zu konstruieren und herzustellen. Damit ein
vorgegebener Gasturbinenmaschinenkern effizient bei signifikant
unterschiedlichen Schubbereichen arbeiten kann, müssen die Leitschaufeln
typischerweise geändert werden. Ein Verfahren ist, die Statoranordnung
zu entfernen und durch eine neue Statoranordnung zu ersetzen, die für
den speziellen Schubbedarf konstruiert ist. Ein ökonomischeres
Verfahren ist es, die existierenden Leitschaufeln umzustufen. Das Umstufen
der Leitschaufeln ist definiert als ein Drehen der Leitschaufeln um ihre
radialen Achsen in eine offenere oder geschlossenere Position.
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Der Schub der Gasturbinenmaschine hängt zum Teil von der während
des Verbrennungsprozesses zugeführten Energie ab. Der
Verbrennungsprozeß erhöht die Temperatur des Arbeitsfluids im Verhältnis zu der
zugeführten Energie. Die Temperatur des Arbeitsfluids in dem
Turbinenabschnitt und dadurch die Menge an Energie, die durch den
Verbrennungsprozeß zugeführt werden kann, ist durch die
Temperatureigenschaften der in dem Turbinenabschnitt verwendeten Materialien begrenzt.
Beim Betrieb bringen Rotationskräfte signifikante Spannungen auf
rotierende Strukturelemente in dem Turbinenabschnitt auf. Zunahmen bei der
Temperatur verringern die zulässige Spannung und Verschlechtern die
strukturelle Integrität der Turbinenmaterialien. Deshalb muß der
Turbinenabschnitt innerhalb zulässiger Temperaturniveaus beibehalten werden,
um strukturelle Integrität sicherzustellen. Das ist für die ersten Stufen
des Turbinenabschnitts besonders kritisch, die mit Arbeitsfluid mit der
höchsten Temperatur zusammentreffen.
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Eine Struktur von besonderer Bedeutung in dem Turbinenabschnitt ist die
rotierende Dichtung zwischen dem Innendurchmesser der
Statorleitschaufelanordnung und einem Dichtungsläufer, der sich axial
zwischen den Rotoranordnungen erstreckt. Die rotierende Dichtung
minimiert die Menge an Arbeitsfluid, welches die Leitschaufeln und die
Laufschaufeln umströmt, und maximiert somit die Wechselwirkung
zwischen dem Arbeitsfluid und den Strömungsprofilbereichen der
Laufschaufeln und der Leitschaufeln. Eine typische rotierende Dichtung weist
eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Messerkanten auf, die an
dem Dichtungsläufer angeordnet sind. Die Messerkanten wirken mit
einem ringförmigen Kranz aus abradierbarem Material zusammen, das an
dem radial inneren Ende der Leitschaufeln angeordnet ist. Eine Kontrolle
der Temperatur benachbart zu den rotierenden Dichtungen ist
erforderlich, um die Dichtung innerhalb zulässiger Spannungsniveaus zu halten.
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Wie im Stand der Technik bekannt, ist ein Verfahren zum Beibehalten
der ersten Stufen des Turbinenabschnitts innerhalb akzeptabler
Temperaturniveaus die Installation eines Kühlsystems in den
Turbinenleitschaufeln. Ein derartiges Kühlsystem (siehe EP-A-0 493 111) weist eine
Einrichtung zum Leiten von Kühlluft in den Körper der hohlen Leitschaufeln
auf. Typischerweise wird Verdichter-Zapfluft als eine Quelle von
Kühlluft verwendet. Auf diese Weise wird dem Teil der Leitschaufeln, der
sich durch den Strömungsweg erstreckt, eine Kühlung geschaffen. Das
Kühlfluid wird durch den radial inneren Teil der Statorleitschaufel
abgegeben. Ein Dichtungshohlraum, der radial innen von den Leitschaufeln
angeordnet ist, nimmt die Strömung der Kühlluft von den Leitschaufeln
auf. Das Kühlfluid kühlt dann die rotierenden Dichtungen und andere
Strukturelemente im Bereich des Dichtungshohlraums. Der Nachteil von
all derartigen Kühlsystemen ist die verringerte Effizienz der
Turbinenmaschine als Folge des Ableitens von Arbeitsfluid von dem
Verdichterabschnitt.
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Kühlsysteme für Leitschaufeln und Dichtungshohlräume waren das
Augenmerk von viele Gasturbinen-Forschung und -Entwicklung. Ein
Hauptaugenmerk war auf der Verwendung des Kühlfluids so effizient wie
möglich innerhalb des Dichtungshohlraums gelegen, um so die Menge an
benötigtem Kühlfluid zu minimieren. Das Minimieren von Kühlfluid,
welches von dem Verdichterabschnitt abgezogen wird, erhöht die
Effizienz der Gasturbinenmaschine.
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Die Aerodynamik des Dichtungshohlraums ist von Bedeutung, weil die
örtliche Struktur Strömungsverluste bewirken kann. Rotierende
Strömungsoberflächen der Rotoranordnung erzeugen einen umfangsmäßig
strömenden, ringförmigen Fluidkörper in dem Hohlraum.
Strömungsverluste sind die Folge der Wechselwirkung zwischen umfangsmäßig nicht
durchgängigen Strömungsoberflächen und dem radial rotierenden
Fluidring in dem Dichtungshohlraum. Strömungsverluste erzeugen Wärme und
führen zu einem Effizienzverlust für das Kühlsystem und folglich für die
Gasturbinenmaschine. Das US-Patent Nr. 4,846,628, das Antonellis
erteilt wurde und den Titel "Rotor Assembly for a Turbomachine" trägt,
ist ein Beispiel einer Struktur, die Strömungsverluste in dem
Dichtungshohlraum verringert. Antonellis beschreibt eine Seitenplatte, die lösbar
an einer Rotoranordnung befestigt ist und eine glatte ringförmige
Strömungsoberfläche hat. Die glatte ringförmige Strömungsoberfläche
reduziert Diskontinuitäten in dem Dichtungshohlraum und führt zu
verringerten Strömungsverlusten.
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Das Umstufen der Leitschaufeln zum Erfüllen von gesteigerten
Schubbedürfnissen kann zu einer nachteiligen Auswirkung auf
Strömungsverluste in dem Dichtungshohlraum führen. Eine Zunahme bei den
Strömungsverlusten kombiniert mit einem Anstieg an Arbeitsfluidtemperatur,
die benötigt wird, um den zusätzlichen Schub zu erzeugen, führt zu
größeren Mengen an Kühlung, die erforderlich ist, um die Temperatur
des Dichtungshohlraums innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Wie
vorangehend angemerkt, verringert ein Erhöhen der Kühlströmung zu
dem Dichtungshohlraum die Effizienz der Turbinenmaschine.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, für die ersten Stufen des
Turbinenabschnitts einer Gasturbinenmaschine verbesserte Kühlsysteme zu schaffen.
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen eine Gasturbinenmaschine und
eine Turbinenleitschaufelanordnung für eine Gasturbinenmaschine die
jeweils in den Ansprüchen 1 und 4 beschriebenen Merkmale auf.
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Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung die
Turbinenleitschaufelanordnung daran angepaßt, ein Umstufen der
Turbinenleitschaufelanordnung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position
zu erlauben. Und dabei weist die Düse eine Wandeinrichtung mit einer
Hinterkante und einer in Umfangsrichtung mit Winkel angeordneten
Vorderkante auf, wobei jede Vorderkante bei der
Turbinenleitschaufelanordnung in offener Position in Umfangsrichtung mit einer Hinterkante
einer benachbarten Wandeinrichtung ausgerichtet sein kann und bei der
Turbinenleitschaufelanordnung in der geschlossenen Position eine
Abwärtsstufe bezogen auf die Strömungsrichtung in dem Dichtungshohlraum
bilden kann.
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Ferner weist gemäß der vorliegenden Erfindung die Düse einen Auslaß
auf, der die Strömung des Kühlfluids in dem Dichtungshohlraum zumißt.
Der Auslaß kann eine bearbeitbare Strömungsoberfläche aufweisen, die
wie erforderlich neu bearbeitet werden kann, um den
Strömungsquerschnitt des Auslasses zu erhöhen.
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Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist die umfangsmäßig mit
Winkel angeordnete Vorderkante der Wandeinrichtung. Ein weiteres
Merkmal ist die gegossene Turbinenleitschaufelanordnung mit einem
Strömungsprofilbereich, einem Plattformbereich und einer integral
gegossene Kühlfluiddüse. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden
Erfin
dung ist die Kühlfluidströmungspassage, die sich von dem
Strömungsprofilbereich der Leitschaufel zu dem Dichtungshohlraum der
Gasturbinenmaschine erstreckt. Noch ein weiteres Merkmal ist der Auslaß der
Düse, der die Kühlfluidströmung in den Dichtungshohlraum zumißt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Anpaßbarkeit der
Wandeinrichtung zum Minimieren von Strömungsverlusten bei zahllosen
Umstufungswinkeln der Statorleitschaufelanordnungen als Folge der
Anordnung der mit Winkel angeordneten Vorderkante und der Hinterkante der
Wandeinrichtung.
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Die Anordnung ist derart, daß die Mehrzahl von Vorder- und
Hinterkanten entweder umfangsmäßig plan ist oder eine Kaskade für den
umfangsmäßig strömenden ringförmigen Fluidkörper in dem
Dichtungshohlraum bilden. Der minimale Strömungswiderstand dieser Anordnung
ist besonders signifikant, wenn die
Kühlfluidejektionsströmungsgeschwindigkeit erhöht ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist das Eliminieren der Kühlfluiddüse als ein separates und
getrenntes Teil der Turbinenleitschaufelanordnung und das Eliminieren
eines Schweißschritts bei der Herstellung und bei dem Umstufen der
Turbinenleitschaufelanordnung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist das Effizienzniveau der Dichtungshohlraumskühlung als
Folge der minimalen Strömungsverluste in der Düsenströmungspassage.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit,
den Auslaß der Düse umzubearbeiten, um eine Erhöhung der
Kühlströmung zu dem Dichtungshohlraum zu erlauben, falls das erforderlich ist.
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Die vorhergenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen davon, wie sie in den
begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, deutlicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer
Gasturbinenmaschine gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer
Turbinenleitschaufelanordnung, die zum Teil
weggeschnitten ist, um eine Kühlfluiddüse zu
zeigen.
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Fig. 3 ist eine Ansicht, die entlang einer Längsachse
der Gasturbinenmaschine genommen ist,
welche die Turbinenleitschaufelanordnung
einschließlich der Wandeinrichtung und des
Auslasses zeigt.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht radial nach außen von
einer Kühlströmungsdüse mit den
Leitschaufeln in der offensten Position.
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht radial nach außen einer
Kühlfluiddüse mit den Leitschaufeln in der
geschlossensten Position.
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In der Fig. 1 ist eine Gasturbinenmaschine 12 gezeigt, die um eine
Längsachse 14 angeordnet ist und einen Verdichterabschnitt 16, einen
Brenn
kammerabschnitt 18 und einen Turbinenabschnitt 22 aufweist. Der
Turbinenabschnitt weist eine Mehrzahl von rotierenden
Laufschaufelanordnungen 24 auf. Jede Laufschaufelanordnung weist eine Mehrzahl von
Laufschaufeln 25 auf, die an einer Verdichterscheibe 26 angeordnet sind.
Die Laufschaufelanordnungen führen dem durch den Verdichterabschnitt
strömenden Arbeitsfluid Energie in Form von erhöhtem Impuls zu. Von
dem Verdichterabschnitt gelangt das Arbeitsfluid in den
Brennkammerabschnitt, wo Kraftstoff dem verdichten Arbeitsfluid zugegeben wird,
und die Kombination aus Arbeitsfluid und Kraftstoff wird verbrannt. Der
Verbrennungsprozeß führt der Mischung aus Arbeitsfluid und Kraftstoff
zusätzliche Energie zu. Die Verbrennungsprodukte strömen dann durch
den Turbinenabschnitt, der eine Mehrzahl von rotierenden
Turbinenlaufschaufelanordnungen 27 und nicht-rotierende
Turbinenleitschaufelanordnungen 28 aufweist. Jede Turbinenlaufschaufelanordnung weist eine
Mehrzahl von Laufschaufeln 29 auf, die an einer Turbinenscheibe 30
angeordnet sind. Energie wird von dem Arbeitsfluid durch die
rotierenden Turbinenlaufschaufeln entzogen. Ein Teil dieser entzogenen Energie
wird von den Turbinenlaufschaufeln auf den Verdichtungsabschnitt über
eine Welle 32 zurückgebracht, welche den Verdichterabschnitt und den
Turbinenabschnitt verbindet.
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Die Turbinenleitschaufelanordnungen fungieren zum Konditionieren der
Strömung von Arbeitsfluid vor dem Zusammenwirken des Arbeitsfluids
mit einer benachbarten strömungsabwärtigen
Turbinenlaufschaufelanordnung. Die Turbinenleitschaufelanordnungen konditionieren die Strömung
zur optimalen Effizienz des Energieübertrags zwischen dem strömenden
Arbeitsfluid und den rotierenden Turbinenlaufschaufeln 29. Der
Anstellwinkel γ der Turbinenleitschaufelanordnungen kontrolliert die Menge
und die Richtung des Arbeitsfluids, welches auf die
Turbinenlauf
schaufeln wirkt. Der optimale Anstellwinkel γ hängt von den
Strömungseigenschaften der Gasturbinenmaschine ab. Damit eine
vorgegebene Kern-Gasturbinenmaschine effizienz in signifikant unterschiedlichen
Schubbereichen arbeiten kann, müssen die Anstellwinkel γ geändert
werden, um an die unterschiedlichen Strömungseigenschaften angepaßt
zu sein. Der optimale Anstellwinkel γ kann bei einer weiter offenen
Position γ&sub1; (siehe Fig. 4) oder bei einer eher geschlossenen Position γ&sub2;
(siehe Fig. 5) sein.
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Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen. Eine
Turbinenrotoranordnung 36 der ersten Stufe, eine Turbinenleitschaufelanordnung 38
und eine Turbinenrotoranordnung 42 der zweiten Stufe sind dort gezeigt.
Die Turbinenrotoranordnung der ersten Stufe weist eine Mehrzahl von
Laufschaufeln 44, eine entsprechende Mehrzahl von Plattformen 46 und
eine Seitenplatte 48 mit einer Messerkantendichtung 52 auf. Jede
Laufschaufel weist einen Strömungsprofilbereich 54, der sich in die
Arbeitsfluidströmungspassage 56 erstreckt, und einen Wurzelbereich 58 auf, der
an der Scheibe 30 befestigt ist. Die Plattform bildet eine radial innere
Strömungsoberfläche 62 für die Arbeitsfluidströmungspassage. Die
Messerkantendichtung erstreckt sich radial von der Seitenplatte nach außen
und wirkt mit der Turbinenleitschaufelanordnung zusammen. Die
Messerkantendichtung bildet eine Dichtungseinrichtung zwischen der
Rotoranordnung der ersten Stufe und der Turbinenleitschaufelanordnung, um
ein Strömen von Arbeitsfluid radial nach innen zu blockieren.
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Die Turbinenrotoranordnung der zweiten Stufe weist eine Mehrzahl von
Laufschaufeln 64 und Plattformen 66 auf. Jede Laufschaufel weist einen
Strömungsprofilbereich 68, der sich in die Arbeitsfluidsströmungspassage
erstreckt, und einen Wurzelbereich 72 auf, der an der Scheibe befestigt
ist. Jede Plattform hat eine Messerkantendichtung 74, die an dem
strömungsaufwärtigen Ende der Plattform befestigt ist. Die
Messerkantendichtung erstreckt sich radial nach außen und wirkt mit der
Turbinenleitschaufelanordnung zusammen, um eine Dichteinrichtung zwischen der
Turbinenleitschaufelanordnung und der Turbinenrotoranordnung der
zweiten Stufe zu bilden, um ein radial nach innen Strömen von
Arbeitsfluid zu blockieren.
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Ein Dichtungsläufer 76 erstreckt sich axial zwischen der Rotoranordnung
der ersten Stufe und der Turbinenrotoranordnung der zweiten Stufe. Der
Dichtungläufer ist eine ringförmige Struktur und er weist eine Mehrzahl
von Messerkantendichtungen 78 auf, die sich radial nach außen
erstreckken. Die Messerkantendichtungen wirken mit der
Turbinenleitschaufelanordnung zusammen, um eine Dichtungseinrichtung zwischen der
Turbinenrotoranordnung der ersten Stufe und der Turbinenrotoranordnung der
zweiten Stufe zu bilden. Diese Dichtungseinrichtung blockiert die axiale
Strömung von Fluid zwischen den Turbinenrotoranordnungen.
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Die Turbinenleitschaufelanordnung weist eine Leitschaufel 82, eine
Plattform 84, eine Düse 86 und einen Dichtungskranz 88 auf. Die
aerodynamisch geformte Leitschaufel erstreckt sich über die
Arbeitsfluidströmungspassage und ist an einem radial äußeren Gehäuse (nicht
gezeigt) der Gasturbinenmaschine befestigt. Die Leitschaufel ist hohl, um
eine Passage von Kühlfluid radial durch die Leitschaufel zu erlauben.
Eine Einrichtung zum Leiten von Kühlfluid (nicht gezeigt) von dem
Verdichterabschnitt in die hohle Leitschaufel ist außerhalb des äußeren
Gehäuses angeordnet. Eine Öffnung 92 zwischen der Leitschaufel und
der Düse erlaubt eine Verbindung zwischen der hohlen Leitschaufel und
den Düsen.
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Die Plattform 84 bildet eine radial innere Oberfläche 94 für die
Arbeitsfluidströmungspassage und weist abradierbare Oberflächen 96, 97 auf,
die mit den Messerkantendichtungen zusammenwirken, um die
Dichtungseinrichtung zu bilden. Die Dichtungseinrichtungen, die von den
Oberflächen und den Messerkantendichtungen geschaffen sind,
blockieren ein Strömen von Arbeitsfluid radial nach innen und aus dem
Strömungsweg heraus.
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Der Dichtungskranz 88 ist an der Turbinenleitschaufelanordnung mittels
einer mechanischen Befestigungseinrichtung 98 befestigt. Der
Dichtungskranz schafft eine radial innere Oberfläche 102, die mit den
Messerkantendichtungen des Dichtungsläufers zusammenwirkt. Die radial innere
Oberfläche ist eine abradierbare Oberfläche, die gemeinsam mit den
Messerkantendichtungen eine Dichtungseinrichtung zum Blockieren der
axialen Strömung von Gasen zwischen dem Dichtungsläufer und der
Turbinenleitschaufelanordnung schafft.
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Ein Paar von ringförmigen Hohlräumen ist von der
Turbinenrotoranordnung und der Turbinenleitschaufelanordnung gebildet. Ein
strömungsaufwärtiger Dichtungshohlraum 104 ist durch die Trennung zwischen der
Turbinenrotoranordnung der ersten Stufe, der
Turbinenleitschaufelanordnung und dem Dichtungsläufer gebildet. Die Messerkantendichtung 52
und die Oberfläche 96 blockieren eine Passage von Arbeitsfluid von dem
Strömungsweg in den strömungsaufwärtigen Dichtungshohlraum. Die
Messerkantendichtungen 78 und die Oberfläche 102 blockieren das Fluid
in dem Dichtungshohlraum von einem Strömen axial strömungsabwärts.
Ein strömungsabwärtiger Dichtungshohlraum 106 ist von der Trennung
zwischen der Turbinenleitschaufelanordnung, der
Turbinenrotoranordnung der zweiten Stufe und dem strömungsabwärtigen Ende des
Dich
tungsläufers gebildet. Der Dichtungshohlraum ist durch das
Zusammenwirken der Oberflächen 97 mit der Messerkantendichtung 74 abgedichtet.
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Die Düse ist integral in die Turbinenleitschaufelanordnung gegossen und
weist eine Kühlfluidströmungspassage 108 mit einem Auslaß 112 und
einer Wandeinrichtung 114 auf. Die Kühlfluidströmungspassage befindet
sich in Fluidverbindung mit dem hohlen Bereich des Strömungsprofils
und damit in Fluidverbindung mit der Quelle von Kühlfluid. Kühlfluid
verläßt die Strömungspassage durch den Auslaß und in den
strömungsaufwärtigen Dichtungshohlraum. Die Düse weist einen
Verengungsbereich 116 auf, der die die Strömungspassage verlassende Strömung
zumißt.
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Die Wandeinrichtung weist eine in Umfangsrichtung mit Winkel
angeordneten Vorderrand 118 und einen Hinterrand 122 auf. Der Vorderrand
ist mit einem Winkel α abgeschrägt, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
Der Winkel α ist abhängig von der maximalen Größe der Drehung um
die radiale Achse der Turbinenleitschaufelanordnung, die für die Kern-
Gasturbinenmaschine benötigt wird, um in den gewünschten
Schubbereichen zu arbeiten. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, ist die Anordnung
der Vorderränder und der Hinterränder derart, daß, wenn sich die
Turbinenleitschaufelanordnungen in der am meisten offenen Position befinden,
die axial strömungsaufwärtigen Oberflächen der Wandeinrichtung sich in
Umfangsrichtung aneinanderreihen. Das erlaubt einen glatten Übergang
von der umfangsmäßig gerichteten Strömung in den Dichtungshohlraum,
wenn das Kühlfluid von einer Oberfläche einer Wandeinrichtung zu der
umfangsmäßig strömungsabwärtigen und benachbarten Oberfläche
strömt. Wenn sich die Turbinenleitschaufelanordnungen in der am
mei
sten geschlossenen Position befinden, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist; ist die
Anordnung der Hinterränder zu den Vorderrändern derart, daß es zu
einem Abwärtsschritt bei der Strömung über die Oberflächen der
Wandeinrichtung kommt. Der Abwärtsschritt erzeugt einen Wasserfall- oder
Kaskadeneffekt bei dem Kühlfluid, das in den ringförmigen
Dichtungshohlraum strömt. Diese Wasserfallanordnung anstelle einer Aufwärtsschritt-
oder Damm-Anordnung führt zu einem Minimieren der
Strömungsverluste in Situationen, in denen das Umstufen eine aneinandergereihte
Anordnung (line on line arrangement) ausschließt, wie sie in Fig. 4
gezeigt ist. Obwohl für den Fachmann ersichtlich, sollte angemerkt
werden, daß das Umstufen der Leitschaufelanordnungen ein
Umbearbeiten der Plattformen erforderlich machen kann, um ein Drehen der
benachbarten Plattformen um die radiale Achse zu erlauben. Der mit einem
Winkel ausgebildete Vorderrand vermeidet das Erfordernis, die
Wandeinrichtung zu bearbeiten, was unpraktisch und kostspielig sein kann.
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Beim Betrieb bewirkt eine Reibung von den rotierenden
Strömungsoberflächen der Turbinenrotoranordnung der ersten Stufe und dem
Dichtungsläufer, daß der Fluidkörper in dem strömungsaufwärtigen
Dichtungshohlraum um die Längsachse rotiert. Der Dichtungshohlraum
wird ein umfangsmäßig strömender Fluidkörper, wie durch die Pfeile
gezeigt. Das Fluid in dem Dichtungshohlraum besteht aus einer
Mischung von Kühlfluid aus der Düse und Arbeitsfluid, welches um die
Messerkantendichtung leckt. Das Kühlfluid, das in den
Dichtungshohlraum injiziert wurde, erfüllt verschiedene Funktionen. Als erstes liefert
das Injizieren Fluid, um eine Leckage durch die Messerkantendichtungen
78 und die Leitschaufelanordnung zu befriedigen. Diese Leckage wird
durch den Druckunterschied zwischen dem strömungsaufwärtigen und
dem strömungsabwärtigen Hohlraum bewirkt. Ohne das Injizieren von
Kühlfluid würde heißes Arbeitsfluid in den Dichtungshohlraum und durch
die Messerkantendichtungen gezogen und so die Temperatur der
rotierenden Dichtungsstruktur erhöht. Als zweites gleicht das injizierte
Kühlfluid den Scheibenpumpeffekt der rotierten Struktur in dem
Dichtungshohlraum aus. Die rotierenden Oberflächen zwingen Fluid in den den
Oberflächen benachbarten Grenzschichten, radial nach außen in den
Strömungsweg zu strömen. Ohne den Ausgleich durch das Kühlfluid
würde heißes Arbeitsfluid in den Dichtungshohlraum gezogen. Das
Injizieren von Kühlfluid minimiert das Aufnehmen von heißem Arbeitsfluid
in den Dichtungshohlraum und kann das sogar verhindern. Als drittes
kühlt das Kühlfluid die örtliche Struktur in dem Dichtungshohlraum und
strömungsabwärts von den Messerkantendichtungen 78, beim Strömen
über diese Struktur, da es sich auf einer niedrigeren Temperatur als das
Arbeitsfluid befindet. Das Kühlen ist erforderlich, um die strukturelle
Integrität von hochbeanspruchten, rotierenden Strukturelementen
beizubehalten und um die korrekte Ausrichtung der Dichtungseinrichtung
beizubehalten. Das Ableiten von verdichteter Luft von dem
Verdichterabschnitt oder das Liefern einer externen Kühlluftquelle zum
Bereitstellen von Kühlung in dem Turbinenabschnitt reduziert die
Gesamteffizienz der Maschine. Deshalb ist es vorteilhaft, das Kühlfluid
effizient zu nutzen.
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Kühlfluid gelangt in den hohlen Bereich des Leitschaufelströmungsprofils
und tritt in die Kühlfluidströmungspassage der Düse ein. Der Übergang
von dem hohlen Hohlraum des Strömungsprofilbereichs zu der
Kühlfluidströmungspassage ist glatt und kontinuierlich, um Druckverluste in den
Passagen zu verhindern. Das Kühlfluid verläßt die Düse durch den
Auslaß, wo die Strömung von Kühlfluid durch den Verengungsbereich des
Auslasses zugemessen wird. Der Verengungsbereich ist für die speziellen
Maschinenanforderungen bemessen. Der einfach rechteckige Auslaßdüse-
und Verengungsbereich erlaubt es, daß die Düse einfach geändert werden
kann, um die Kühlströmung wie erforderlich zu erhöhen. Der
Verengungsbereich kann mit konventionellen Bearbeitungsverfahren und
-vorrichtungen geöffnet werden. Das Kühlfluid wird von der Düse mit einem
Winkel β relativ zu der Lateralrichtung abgegeben und mit einem Winkel
8 (siehe Fig. 3) relativ zu der Umfangsrichtung. Der Winkel β ist so
klein, wie das innerhalb konventioneller Gieß- und Bearbeitungsgrenzen
möglich ist, um das Fluid, das aus der Düse ausströmt, bei einem
Winkel zu halten, der im wesentlichen tangential zu der Strömung des
Kühlfluids in dem Dichtungshohlraum ist. Das Beibehalten einer im
wesentlichen tangential gerichteten Strömung, welche die Düse verläßt,
verringert die Menge an Arbeit, die die umfangsmäßig gerichtete Strömung auf
das eingeströmte Fluid aufbringen muß, um es in die Umfangsrichtung
umzulenken. Das verringert das Aufwärmen des Kühlfluids in dem
Dichtungshohlraum und erhöht so die Effektivität des Kühlsystems. Das
Kühlfluid wird mit einem Winkel 8 injiziert, um die Größe der
Richtungsänderung der Strömung zwischen dem Hohlraum und der
Ausströmrichtung zu verringern. Dieses Merkmal minimiert die
Strömungsverluste, die mit scharfen und abrupten Richtungsänderungen verbunden
sind. Außerdem lenkt das Injizieren von Kühlfluid mit einem Winkel 8
einen Teil der Kühlströmung in den radial inneren und axial vorderen
Abschnitt des Dichtungshohlraums. Dieser Abschnitt des
Dichtungshohlraums erfordert erhöhte Kühlung wegen der höheren Temperaturen in
diesem Bereich und der höher beanspruchten Struktur in diesem Bereich.
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Obwohl die Erfindung hinsichtlich detaillierter Ausführungsformen davon
gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß
ver
schiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden
können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch
die Ansprüche definiert ist.