DE69624419T2

DE69624419T2 - Kühlung einer Leitschaufel

Info

Publication number: DE69624419T2
Application number: DE69624419T
Authority: DE
Inventors: Francisco Jose Cunha
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: DE69624419D1; US5611662A; EP0757159A2; EP0757159B1; EP0757159A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Land-basierte Gasturbinen, beispielsweise zur elektrischen Energieerzeugung, und insbesondere auf einen Kühlkreis für die Hinterkantenkammer von einer Düsenstufe der Turbine.

Hintergrund

Die traditionelle Lösung zum Kühlen von Turbinenschaufeln und -düsen besteht darin, Hochdruck-Kühlluft von einer Quelle abzuziehen, beispielsweise durch Abziehen von Luft von den Zwischen- und den Letztstufen des Turbinenverdichters. Es werden äußere Leitungen verwendet, um den Düsen Luft zuzuführen, wobei üblicherweise eine Luftfilmkühlung verwendet wird und die Luft in die heiße Gasströmung der Turbine austritt. In fortgeschrittenen Gasturbinenkonstruktionen ist erkannt worden, dass die Temperatur des heißen Gases, das über die Turbinenkomponenten strömt, höher sein könnte als die Schmelztemperatur des Metalls. Es ist deshalb notwendig, ein Kühlschema auszubilden, um die in der heißen Gasströmungsbahn befindlichen Komponenten während des Betriebs zu schützen. Es ist gezeigt worden, dass Dampf, der in einem geschlossenen Kreis zugeführt wird, um die Gasturbinendüsen (Statorschaufeln) zu kühlen, ein bevorzugtes Medium ist, insbesondere für Anlagen mit einem kombinierten Zyklus. Hierzu wird beispielsweise auf das US-Patent 5,253,976 verwiesen, das der gleichen Rechtsnachfolgerin gehört. Da Dampf eine höhere Wärmekapazität hat als das Verbrennungsgas, ist es ineffizient, dass sich der Kühlmitteldampf mit der heißen Gasströmung mischen kann. Infolgedessen ist es wünschenswert, Kühldampf innerhalb der in der heißen Gasströmungsbahn befindlichen Komponenten in einem geschlossenen Kreis zu halten. Es wurde jedoch gefunden, dass gewisse Flächen der Komponenten der heißen Gasströmungsbahn mit Dampf in einem geschlossenen Kreis praktisch nicht gekühlt werden können. Beispielsweise verhindert die relativ dünne Struktur der Hinterkanten der Düsenschaufeln praktisch eine Dampfkühlung von diesen Kanten.

Offenbarung der Erfindung

Zu Erläuterungszwecken sei gesagt, dass der Dampfkühlkreis für die Statordüse gemäß dieser Erfindung einen Aspekt von einer neuartigen und verbesserten Turbine bildet, die Gegenstand von einer Anzahl von gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen ist, von denen einige nachfolgend aufgelistet sind. In dieser Turbine sind vorzugsweise vier Stufen vorgesehen, wobei ein inneres Gehäuse die ersten und zweiten Düsenstufen und auch die Mäntel der ersten und zweiten Stufen befestigt, während ein äußeres Gehäuse die Düsen und Mäntel der dritten und vierten Stufe haltert. Eine derartige Turbine ist für eine Umwandlung zwischen Luft- und Dampfkühlung der umlaufenden und stationären Komponenten konstruiert. In einem einen geschlossenen Kreis bildenden Dampfkühlsystem für die oben genannte Turbine sind einen geschlossenen Kreis bildende Dampfkühlversorgungs- und -rückleitungen für verbrauchten Kühldampf und auch einen geschlossenen Kreis bildende Dampfkühlleitungen für den Turbinenrotor für die Lieferung des Kühldampfes an die Schaufeln der ersten und zweiten Stufen und auch für die Rotorradkammern und den Rotorrand vorgesehen. Wo eine luftgekühlte Turbine notwendig ist, kann Kühlluft den stationären Komponenten zugeführt werden, z. B. den Düsen der ersten und zweiten Stufe, als Teil von Hochdruck-Ausgangsluft aus dem Verdichter. Die Kühlluft kann in einem offenen Kreis zugeführt werden, die die Abtrennungen oder Schaufeln der ersten und zweiten Düsenstufen für eine Filmkühlung in die heiße Gasströmungsbahn verlässt. Kühlluft kann in ähnlicher Weise durch Rohrleitungen direkt durch das äußere Gehäuse hindurch zu der Düse der dritten Stufe geleitet werden, während die Düse der vierten Stufe ungekühlt bleibt. Offene luftgekühlte Kreise sind auch für die umlaufenden Komponenten der Turbine, d. h. die Schaufeln, in einer üblichen Art und Weise vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung eines Luftkühlkreises für die Hinterkantenkammer von einer Statorschaufel gerichtet, die vorzugsweise in Verbindung mit der Dampfkühlung der Vorderkante und einer oder mehrerer Zwischenkammern verwendet wird, die aber in einem Luftkühl-Gesamtsystem für eine Düsenstufe benutzt werden kann. Vorzugsweise wird eine Filmkühlung, indem Kühlluft aus der Hinterkantenkammer austritt, zu Gunsten einer geschlossenen Luftkühlung für die Hinterkantenkammer weggelassen, um eine Filmkühlung zu verhindern, während eine hohe Kühlwirkung für die Hinterkante beibehalten wird.
Um den Entwicklungsstand dieser neuen Turbine zusammenzufassen, die Verwendung von inneren und äußeren Gehäusen, um stationäre Komponenten der Turbine zu haltern, bei denen zwischen Luft- und Dampfkühlung gewechselt werden kann, ist in dem US-Patent 5,685,693 mit der Bezeichnung "Removable Inner Turbine Shell with Bucket Tip Clearance Control" beschrieben und dargestellt. Für eine vollständige Beschreibung der dampfgekühlten Schaufeln wird auf das begleitende US-Patent 5,536,143 mit der Bezeichnung "Closed Circuit Steam Cooled Bucket" Bezug genommen. Luftgekühlte Schaufeln als solche sind in der Technik allgemein bekannt. Für eine vollständige Beschreibung des Dampf (oder Luft)-Kühlkreises zum Zuführen von Kühlmedium zu den Schaufeln der ersten und zweiten Stufe durch den Rotor wird Bezug genommen auf das US-Patent 5,593,274 mit der Bezeichnung "Closed or Open Circuit Cooling of Turbine Rotor Components". Für eine vollständige Beschreibung der dampfgekühlten Düsen mit Luftkühlung entlang der Hinterkante wird Bezug genommen auf das begleitende US-Patent 5,634,766 mit der Bezeichnung "Turbine Stator Vane Segments having Combined Air and Steam Cooling Circuits". Für eine Beschreibung eines offenen oder geschlossenen Luftkühlkreises wird Bezug genommen auf das begleitende US- Patent 5,591,002 mit der Bezeichnung "Closed or Open Air Cooling Circuits for Nozzle Segments with Wheelspace Purge" (Anwaltszeichen Nr. 839-351). Die vorliegende Erfindung ist deshalb auf den Luftkühlkreis für die Hinterkante von einer Statorschaufel gerichtet, insbesondere eine Düsenschaufel der zweiten Stufe für diese Turbine, wenn die Turbine als eine dampfgekühlte Turbine mit Dampfkühlmittelströmungen durch Kammern in den Düsenschaufeln vor der Hinterkantenkammer vorgesehen ist, obwohl deutlich wird, dass eine insgesamt luftgekühlte Düsenschaufel in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stator- bzw. Leitschaufel für eine Gasturbine bereitzustellen, die einen neuartigen und verbesserten Kühlluftkreis für ihre Hinterkante aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Luftkühlsystem zum Kühlen der Hinterkante der in der heißen Gasströmungsbahn befindlichen Komponenten von einer Düsenstufe von einer Gasturbine, beispielsweise der zweiten Düsenstufe, in der eine in einem geschlossenen Kreis befindliche Dampfkühlung zum Kühlen der Düse verwendet wird, obwohl eine nur mit Luft arbeitende Kühlung der Düse verwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung wird eine Statorschaufel von einer Düse einer Turbine geschaffen, enthaltend:
einen stromlinienförmigen Statorschaufelkörper mit mehreren im allgemeinen radial verlaufenden Innenkammern zum Leiten eines Kühlmediums und mit einer Kammer entlang einer Hinterkante des Schaufelkörpers, die teilweise durch gegenüberliegende Schaufelwände, die in einer axialen Richtung in Richtung auf die Hinterkante aufeinander zulaufen, gebildet ist und einen radial äußeren Einlass und einen radial inneren Auslass für das Kühlmedium aufweist; und
einen Kühlabschnitt, der mehrere Führungsschaufeln aufweist, wobei wenigstens eine Führungsschaufel angeordnet ist, um das Kühlmedium, das in einer im allgemeinen radialen Richtung strömt, in eine im allgemeinen axiale Richtung zu drehen für eine Strömung in Richtung auf die Hinterkante und für deren Prallkühlung, wenigstens eine weitere Führungsschaufel zum Leiten von verbrauchtem Prallkühlmedium von der Hinterkante in einer Richtung im allgemeinen weg von der Hinterkante und in Richtung auf vordere Abschnitte der Hinterkammer, wodurch die Kühlmediumströmung auf die Hinterkante gerichtet wird für deren Prallkühlung und von der Hinterkante weg, wenn das Kühlmedium von dem Einlass zum Auslass radial nach innen strömt.
Der oder ein erster Kühlabschnitt weist erste, zweite und dritte Führungsschaufeln in der Kammer zwischen ihren gegenüberliegenden Wänden auf und bildet radial nach innen gerichtete vordere und hintere Öffnungen zwischen gegenüberliegenden Enden der Führungsschaufeln bzw. Endwänden der Hinterkantenkammer;
wobei die zweite Führungsschaufel radial innen von der ersten Führungsschaufel liegt, um zu verhindern, dass der größere Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die vordere Öffnung der ersten Führungsschaufel strömt, an der zweiten Führungsschaufel vorbei direkt radial nach innen strömt;
wobei die dritte Führungsschaufel radial innen von der zweiten Führungsschaufel an einem Ort liegt, um zu verhindern, dass der größere Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die hintere Öffnung der zweiten Führungsschaufel strömt, an der dritten Führungsschaufel vorbei direkt radial nach innen strömt; und
wenigstens eine Führungsschaufel radial zwischen den ersten und zweiten Führungsschaufeln vorgesehen ist, um die Strömung des Kühlmediums in Richtung auf die Hinterkante entlang einem konvergenten Pfad zu richten für eine Kühlung der Hinterkante;
wobei die zweiten und dritten Führungsschaufeln angeordnet sind, um verbrauchtes Kühlmedium zu empfangen zum Mischen mit einer Bypass-Strömung durch die vordere Öffnung der dritten Führungsschaufel und für eine Strömung durch die hintere Öffnung der dritten Führungsschaufel.
Die vordere Öffnung der ersten Führungsschaufel liefert den größeren Teil der Luftströmung in die Hinterkantenkammer, während die hintere oder rückseitige Öffnung eine Bypass- Strömung bildet, die Strömungsstagnationsbereiche radial innen von der ersten Führungsschaufel verhindert. Wenn die Kühlströmung radial nach innen in die Hinterkantenkammer hinein fortschreitet, blockiert die zweite Führungsschaufel den größeren Teil der radial nach innen gerichteten Strömung, die durch die vordere Öffnung der ersten Führungsschaufel hindurchtritt. Die gegenüberliegenden Enden von der dritten Führungsschaufel bilden die Endwände von einer vorderen Öffnung zum Leiten eines größeren Teils der Kühlströmung und eine hintere Bypass- Öffnung.
Es können in geeigneter Weise mehrere Kühlabschnitte vorgesehen sein, die entlang der Hinterkantenkammer radial im Abstand zueinander angeordnet sind.
Wo ein zweiter Kühlabschnitt radial innen von dem ersten Abschnitt vorgesehen ist, kann dieser zweite und dritte Führungsschaufeln in der Kammer zwischen ihren gegenüberliegenden Wänden aufweisen, die radial nach innen gerichtete vordere und hintere Öffnungen zwischen ihren gegenüberliegenden Enden der Führungsschaufeln des zweiten Abschnittes bzw. Endwänden der Hinterkantenkammer bilden, wobei die zweite Führungsschaufel des zweiten Abschnittes radial innen von der dritten Führungsschaufel des ersten Abschnittes liegt, um zu verhindern, dass ein größerer Teil der kombinierten Strömung des Kühlmittels, die durch die vorderen Öffnungen der zweiten und dritten Führungsschaufeln des ersten Abschnittes strömt, an der zweiten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes vorbei direkt radial nach innen strömt;
wobei die dritte Führungsschaufel des zweiten Abschnittes radial innen von der zweiten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes an einem Ort liegt, um zu verhindern, dass ein größerer Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die hintere Öffnung der zweiten Führungsschaufel strömt, an der dritten Führungsschaufel vorbei direkt radial nach innen strömt; und
wenigstens eine Führungsschaufel radial zwischen der dritten Führungsschaufel des ersten Abschnittes und der zweiten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes vorgesehen ist, um die Strömung des Kühlmediums in Richtung auf die Hinterkante entlang einem konvergenten Pfad zu richten für eine Kühlung der Hinterkante; und
wobei die zweiten und dritten Führungsschaufeln des zweiten Abschnittes angeordnet sind, um verbrauchtes Kühlmedium zu empfangen zum Mischen mit einer Bypass-Strömung durch die vordere Öffnung der zweiten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes und einer kombinierten Strömung durch die vordere Öffnung der dritten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes und für eine Strömung durch die hintere Öffnung der dritten Führungsschaufel des zweiten Abschnittes.
Es können eine oder mehrere radial im Abstand angeordnete Führungs-Zwischenschaufeln vorgesehen sein. Diese Führungs-Zwischenschaufeln können sich zwischen gegenüberliegenden konvergenten Wänden der Hinterkantenkammer erstrecken und können wesentlich kürzer sein als die Längen der ersten, zweiten und dritten Führungsschaufeln. Weiterhin können die Führungs- Zwischenschaufel(n) in einer Richtung radial nach innen und vorne versetzt sein.
Das Strömungsmuster von dem Einlass, das durch die Anordnung dieser Führungsschaufeln hervorgerufen wird, verhindert, dass die Kühlströmung direkt radial nach innen strömt, und richtet die Strömung in einer axialen Richtung auf die Hinterkante für einen Aufprall gegen die Endwand von der die Hinterkante bildenden Kammer. Somit bewirkt die Strömung von Kühlluft, die von einer Richtung radial nach innen durch die Anordnung der Führungsschaufeln in eine Richtung axial nach hinten gedreht ist, eine Prallkühlung der Hinterkante. Die Strömung weist einen Grenzschichtcharakter nahe den konvergenten Wänden auf, der über einem großen Mittelteil der Strömung nahezu konstant bleibt. Wenn sich die Strömung dem Scheitel der Hinterkantenkammer nähert, tritt eine Reihe von Wirbeln in der Strömung auf, die Wärme aus dem Bereich der Hinterkantenkammer neben der Hinterkante abführen, indem die Strömung in eine Richtung nach vorne und radial nach innen zurückgebracht wird. Das mit den eintretenden Strömungen verbundene Moment zwingt die Rückleitströmung, radial nach innen zu strömen, anstatt stromaufwärts weiterzuströmen.
Die Strömung konvergiert durch eine Öffnung durch die Hinterkante der zweiten Führungsschaufel und einen Mittelabschnitt von der dritten Führungsschaufel für eine Strömung zwischen diesen Führungsschaufeln und durch die vordere Öffnung, die durch die dritte Führungsschaufel gebildet ist, in einen unteren Abschnitt. Bei einer Rückleitung des verbrauchten Prallkühlmediums zwischen den zweiten und dritten Führungsschaufeln wird die Strömung mit der Bypass-Strömung gemischt, die durch die vordere Öffnung der zweiten Führungsschaufel hindurchtritt.
Eine Anzahl von Abschnitten, die ähnliche Führungsschaufeln und ihre Lagen haben, können dazu dienen, die Strömung kontinuierlich axial nach hinten zu richten für eine Prallkühlung der Hinterkante, und nach vorne und radial nach innen für eine Strömung zu einem weiteren Abschnitt. Das Kühlmedium kann radial nach innen durch einen Auslass an dem radial inneren Ende der Statorschaufel in eine Kammer in dem Zwischenboden der Statorschaufel strömen.
Die Düsenstufen für die den Zwischenboden enthaltende Turbine kann aus Segmenten aufgebaut sein, die zur Bildung eines Ringraums angeordnet sind. Jedes Segment kann so aufgebaut sein, dass es zwei Statorschaufeln aufnimmt, und somit liegt der Auslass von jeder Schaufel in Verbindung mit einem Einlass von dem zugeordneten Zwischenbodensegment. Diese Einlässe können eine gemeinsame Sammelkammer für die verbrauchte Hinterkanten-Prallkühlströmung bilden. Die verbrauchte Strömung wird so in den Zwischenboden gedreht, dass die Strömung durch eine Öffnung an dem Zwischenboden unter einem Winkel von etwa 15 Grad austritt. Der Winkel kann so gewählt sein, dass die Gefahr für Strömungsverluste in der Dichtungskammer minimiert wird, indem die Ausgangsströmung tangential in der gleichen Richtung gerichtet wird, wie der tangentiale Geschwindigkeitsvektor des umlaufenden Turbinenrades in der Dichtungskammer.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht von einem Segment von einer Düsenstatorschaufel und stellt eine Schaufel zwischen äußeren und inneren Wänden und einen Zwischenboden dar;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von der Schaufel;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von der Hinterkantenkammer von der Schaufel;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, wobei gewisse Teile im Schnitt gezeigt sind, von dem Zwischenboden, der einen Teil des inneren Ringes des Düsensegmentes bildet;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Zwischenboden, wobei seine Abdeckung entfernt ist; und
Fig. 6 ist eine endseitige oder axiale Seitenansicht von dem Zwischenboden.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist ein Düsenschaufelsegment S dargestellt, das ein Kühlsystem für die äußeren bzw. inneren Wände 10 und 12 und eine sich dazwischen erstreckende Statorschaufel 14 aufweist. Vorzugsweise sind zwei Schaufeln für jedes Segment vorgesehen, obwohl auch eine oder drei oder mehr Schaufeln für jedes Segment vorgesehen sein können. Die äußeren und inneren Wände 10 und 12 haben verschiedene Kammern und Prallplatten für deren Prallkühlung, während die Schaufel eine Anzahl von radial verlaufenden Kammern hat, beispielsweise eine Vorderkantenkammer 64, eine Hinterkantenkammer 18 und Zwischenkammern 20 und 22. Die Kammern bilden Kühlkreise für die Schaufel und die Wände. Für eine detaillierte Beschreibung der Kühlkreise, beispielsweise wo eine Dampfkühlung beim Kühlen der Kammern 64, 20 und 22 verwendet wird, wird Bezug genommen auf das US-Patent 5634766. Für eine Luftkühlung dieser Kammern wird Bezug genommen auf das US-Patent 5591002. Die vorliegende Erfindung bezieht sich nur auf die Luftkühlung der Hinterkantenkammer 18 und des Radraumes, der durch den Zwischenboden des Düsensegmentes S gebildet ist. Es genügt zu sagen, dass die Kammern 64, 20 und 22 durch eine Pralldampfkühlung in einer Art und Weise gekühlt sein können, wie sie in der erstgenannten früheren Anmeldung in einem System mit geschlossenem Kreis angegeben ist, oder es kann eine Luftkühlung mit offenem oder geschlossenem Kreis verwendet werden, wie in dem Kühlsystem, das in der zweiten genannten Anmeldung offenbart ist.
Gemäß Fig. 2 hat die Hinterkantenkammer 18 konvergente Seitenwände 24 und 26, die an gegenüberliegenden Endwänden 28 und 30 enden. Es wird deutlich, dass die Wand 28 die Rippe zwischen der Hinterkantenkammer 18 und der nächsten vorderen Zwischenkammer 22 bildet. Die Wand 30 bildet die Hinterkante von der Schaufel 14.
Die Kammer 18 wird mit Luft versorgt, die von dem Turbinenverdichter, nicht gezeigt, abgezogen wird, und diese Luft wird durch einen Einlass, der schematisch in Fig. 3 bei 32 dargestellt ist, der Kammer 18 zugeführt. Die Kammer ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, im wesentlichen in drei radial im Abstand angeordnete Abschnitte unterteilt, obwohl klar ist, dass weniger oder zusätzliche Abschnitte vorgesehen sein können, und dass in jedem Abschnitt das Strömungsmuster im wesentlichen das gleiche ist. In dem ersten Abschnitt ist eine erste Führungsschaufel 34 vorgesehen, die sich zwischen den gegenüberliegenden konvergenten Wänden 24 und 26 erstreckt, die die Kammer 18 bilden, und sie liegt kurz vor den Endwänden 28 und 30. Die erste Führungsschaufel 34 ist axial in der Kammer so angeordnet, dass eine wesentliche Öffnung zum Aufnehmen der radial nach innen gerichteten Strömung von Kühlluft zwischen dem vorderen Ende der Führungsschaufel 34 und der Wand 28 gebildet ist, wie es bei 36 angegeben ist. Im Gegensatz dazu ist das hintere oder rückwärtige Ende der Führungsschaufel 34 von der Hinterkanten-Endwand 30 durch eine kleine Öffnung 38 im Abstand angeordnet, die für eine Bypass-Strömung von Kühlmedium, d. h. Luft, in Richtung des Pfeils sorgt.
Eine zweite Führungsschaufel 40 ist radial innen von der ersten Führungsschaufel 34 vorgesehen. Die zweite Führungsschaufel 40 erstreckt sich zwischen den gegenüberliegenden konvergenten Wänden 24 und 26 der Kammer 18 und ist axial vorne in der Kammer 18 angeordnet. Somit bildet das Vorderende der zweiten Führungsschaufel 40 mit der vorderen Endwand 28 eine Bypass-Öffnung 42 zum Leiten von Kühlmedium direkt radial nach innen an der zweiten Führungsschaufel 40 vorbei. Das hintere oder rückwärtige Ende der zweiten Führungsschaufel 40 ist mit axialem Abstand von der rückwärtigen Hinterkanten-Endwand 30 angeordnet, um eine vergrößerte Öffnung zum Aufnehmen der Strömung von radial äußersten Abschnitten der Hinterkantenkammer durch den Abschnitt 44 zu bilden. Zusätzlich enthält die zweite Führungsschaufel 40 einen Abschnitt 46, der im Winkel in einer Richtung radial nach außen von vorne nach hinten angeordnet ist, wie es dargestellt ist.
Eine dritte Führungsschaufel 48 ist an einer Stelle radial innen von den ersten und zweiten Führungsschaufeln 34 bzw. 40 angeordnet und verläuft zwischen den konvergenten Wänden 24 und 26 der Hinterkantenkammer. Das vordere Ende der Führungsschaufel 48 bildet mit der vorderen Wand 28 eine Strömungsöffnung 50 zum Leiten des größeren Teils des Kühlmediums von Stellen, die sich radial außen von der dritten Führungsschaufel 48 befinden, in einer Richtung radial nach innen zum nächsten Kühlabschnitt. Das hintere oder rückwärtige Ende von der dritten Führungsschaufel 48 ist im Abstand von der Hinterkanten- Endwand 30 angeordnet, um eine Bypass-Öffnung 52 zu bilden.
Zwischen den ersten und zweiten Führungsschaufeln 34 bzw. 40 sind eine oder mehr Führungs-Zwischenschaufeln 54 vorgesehen, die sich in ähnlicher Weise zwischen den konvergenten Wänden 24 und 26 der Hinterkantenkammer 18 erstrecken. Die Führungs-Zwischenschaufeln 54 haben in axialer Richtung eine wesentlich kürzere Länge als die ersten, zweiten oder dritten Führungsschaufeln und sind auch in einer Richtung radial nach innen axial nach vorne versetzt.
Aus einer Betrachtung von Fig. 3 wird deutlich, dass mehrere Kühlabschnitte A, B und C in einer Richtung radial nach innen entlang der Hinterkantenkammer 18 angeordnet sind. Die Abschnitte sind im wesentlichen identisch in der Konfiguration zueinander, wobei jeder Abschnitt eine zweite Führungsschaufel, z. B. 40b und 40c, und auch Führungs-Zwischenschaufeln hat, wie es in den Abschnitten B und C dargestellt ist. Während die zweite Führungsschaufel 40b im Kühlabschnitt B im Winkel angeordnet ist, ist die zweite Führungsschaufel 40c im Kühlabschnitt C gerade und nicht gewinkelt. Es wird deutlich, dass zusätzliche Kühlabschnitte nach Wunsch vorgesehen sein können. Weiterhin dient auch die dritte Führungsschaufel 48 des ersten Kühlabschnittes A als die erste Führungsschaufel des zweiten Kühlabschnittes B. In ähnlicher Weise dient die dritte Führungsschaufel 48b des Kühlabschnittes B als die erste Führungsschaufel für den Kühlabschnitt C. Die Strömungen sind in jedem der Kühlabschnitte im wesentlichen gleich und werden nun beschrieben.
Mit der speziellen Konfiguration und Lage der ersten und zweiten Führungsschaufeln 34 bzw. 40 dreht sich die radial nach innen gerichtete Strömung, die durch die Öffnung 36 strömt, von ihrer radial nach innen gerichteten Richtung in eine axiale Richtung für eine Strömung in eine Richtung zur Hinterkante 30 in dem Bereich zwischen den ersten und zweiten Führungsschaufeln. Die Strömung durch die Bypass-Öffnung 38 hat die Funktion, einen Stagnationsbereich über der ersten Führungsschaufel 34 zu verhindern und für eine Strömung radial nach innen zu sorgen. Somit dreht sich der größere Teil der Strömung, die durch die Öffnung 36 hindurchtritt, in eine axiale Richtung für eine Strömung axial in Richtung auf und für eine Prallkühlung der Hinterkante 30. Die konvergente Strömung in dem Bereich zwischen den ersten und zweiten Führungsschaufeln 34 bzw. 40 weist einen Grenzschichtcharakter nahe den Wänden auf, der über einem großen Mittelabschnitt im wesentlichen konstant bleibt. Wenn sich die Strömung dem Scheitel des Strömungskanals, d. h. der Hinterkante 30, nähert, bilden sich Wirbel und führen Wärme von der Hinterkante ab. Wenn die Wirbel gebildet werden und axial nach vorne drehen, wird die Strömung in einer Richtung radial nach innen gezwungen durch das Moment, das mit der eintretenden Strömung zwischen den Führungs- Zwischenschaufeln und den ersten und zweiten Führungsschaufeln verbunden ist, und auch durch die Bypass-Strömung durch die Öffnung 38. Infolgedessen bewegt sich die zurückkehrende Strömung in Richtung auf die Öffnung zwischen der zweiten Führungsschaufel 40 und der dritten Führungsschaufel 48. Der größere Teil der zurückkehrenden Strömung tritt zwischen den zweiten und dritten Führungsschaufeln 40 bzw. 48 hindurch, wie es durch den Pfeil angegeben ist, mischt sich mit der Bypass-Strömung, die durch die Bypass-Öffnung 42 radial nach innen strömt, und tritt durch die Öffnung 50 der dritten Führungsschaufel 48 hindurch. Es wird deutlich, dass, wenn sich die Strömung nach vorne bewegt, die Wände der Kammer divergieren. Zusätzlich entspricht die Querschnittsfläche der Öffnung für die Rückströmung zwischen der zweiten Führungsschaufel 40 und der dritten Führungsschaufel 48 im wesentlichen identisch der Querschnittsfläche von der Strömungsöffnung 50.
Es wird deutlich, dass bezüglich der Rückströmung von der Öffnung 50 und der Bypass-Strömung aus der Öffnung 52 ein ähnliches Muster der Luftströmung in dem zweiten Kühlabschnitt B ausgebildet wird. In diesem Abschnitt dient die dritte Führungsschaufel 48 des ersten Kühlabschnittes A als die erste Führungsschaufel für den zweiten Kühlabschnitt B. Somit sorgt ein ähnliches Muster, wie es zuvor beschrieben wurde, für eine Prallkühlung der Hinterkante in dem Mittelbereich von der Schaufel, wobei die Strömung im Prinzip zu der Strömungsöffnung 50b zwischen der dritten Führungsschaufel 48b und der vorderen Endwand 28 zurückkehrt. Die Bypass-Strömung tritt durch die Öffnung 52b hindurch. Diese zwei Strömungen strömen in den nächsten Kühlabschnitt C, wo das Strömungsmuster im wesentlichen wiederholt wird. Es wird deutlich, dass in dem letzten Kühlabschnitt die dritte Führungsschaufel weggelassen ist, und die Strömung durch die Strömungsöffnungen 42c und 44c der zweiten Führungsschaufel 40c direkt in einen Auslaß 56 strömt.
Die Düsenstufe ist, wie es deutlich wird, aus einer Anzahl von Düsensegmenten gebildet, die in einer Ringanordnung angeordnet sind. Jedes Segment S kann einer oder mehreren Schaufeln dienen, und in dem vorliegenden Fall sind zwei Schaufeln pro Segment vorgesehen. In Fig. 4 ist ein Zwischenboden 60 dargestellt, der einen Teil des Segmentes S bildet, wobei von dem Zwischenboden 60 seine obere, nicht gezeigte Deckwand der Klarheit halber entfernt ist. Die zwei Schaufeln 14, die mit dem Zwischenboden 60 verbunden sind, haben die Hinterkantenkammern 18 in Verbindung mit gegenüberliegenden Seiten von einem Einlasskanal 62 durch entsprechende Auslässe 56 der Schaufeln. Das heißt, die Hinterkantenkammern 18 liegen in Verbindung durch Auslässe 56 mit gegenüberliegenden Seiten 62a bzw. 62b der Kammer 62. Der Kanal 62 erstreckt sich innerhalb des Zwischenbodens 60 radial nach innen und hat eine Reihe von Durchlässen 64, 66, die in einer Ausgangsöffnung 68 enden. Vorzugsweise sind die Ausgangsöffnung 68 und die Kanäle 64, 66 so, dass die Strömung durch den Ausgang 68 unter einem Winkel von etwa 15 Grad in die Dichtungskammer hinein austritt. Der Winkel ist so gewählt, um die Gefahr von Strömungsverlusten in der Dichtungskammer zu minimieren, indem die Ausgangsströmung tangential in die gleiche Richtung gerichtet wird, wie der tangentiale Geschwindigkeitsvektor des umlaufenden Turbinenrades in der Dichtungskammer.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwärtig als das praktischste und am stärksten bevorzugte Ausführungsbeispiel gehalten wird, es ist aber verständlich, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll, sondern es ist im Gegenteil beabsichtigt, daß verschiedene Modifikationen und ähnliche Arrangements in dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Statorschaufel (14) von einer Düse einer Turbine, enthaltend: einen stromlinienförmigen Statorschaufelkörper mit mehreren im allgemeinen radial verlaufenden Innenkammern zum Leiten eines Kühlmediums und mit einer Kammer (18) entlang einer Hinterkante (30) des Schaufelkörpers, die teilweise durch gegenüber liegende Schaufelwände (24, 26), die in einer axialen Richtung in Richtung auf die Hinterkante auf einander zulaufen, gebildet ist und einen radial äusseren Einlass (32) und einen radial inneren Einlass (56) für das Kühlmedium aufweist; und

einen Kühlabschnitt (A, B, C), der mehrere Führungsschaufeln (34, 40) aufweist, wobei wenigstens eine Führungsschaufel (34) angeordnet ist, um das Kühlmedium, das in einer im allgemeinen radialen Richtung strömt, in eine im allgemeinen axiale Richtung zu drehen für eine Strömung in Richtung auf die Hinterkante (30) und für deren Prallkühlung, wenigstens eine weitere Führungsschaufel (40) zum Leiten von verbrauchtem Prallkühlmedium von der Hinterkante (30) in einer Richtung im allgemeinen weg von der Hinterkante (30) und in Richtung auf vordere Abschnitte der Hinterkantenkammer (18), wodurch die Kühlmediumströmung auf die Hinterkante gerichtet wird für deren Prallkühlung und von der Hinterkante weg, wenn das Kühlmedium von dem Einlass (32) zum Auslass (56) radial nach innen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß

der oder ein erster Kühlabschnitt erste, zweite und dritte Führungsschaufeln (34, 40, 48) in der Kammer (18) zwischen ihren gegenüber liegenden Wänden (24, 26) aufweist und radial nach innen gerichtete vordere und hintere Öffnungen (36, 38, 40, 42, 44, 50, 52) zwischen gegenüber liegenden Enden der Führungsschaufel bzw. Endwänden (28, 30) der Hinterkantenkammer bildet;

die zweite Führungsschaufel (40) radial innen von der ersten Führungsschaufel liegt, um einen grösseren Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die vordere Öffnung der ersten Führungsschaufel strömt, daran zu hindern, an der zweiten Führungsschaufel vorbei direkt radial nach innen zu strömen; und

die dritte Führungsschaufel (48) radial innen von der zweiten Führungsschaufel an einem Ort liegt, um zu verhindern, daß der grössere Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die hintere Öffnung der zweiten Führungsschaufel (46) strömt, an der dritten Führungsschaufel (48) vorbei direkt radial nach innen strömt; und

wenigstens eine Führungsschaufel (54) radial zwischen den ersten und zweiten Führungsschaufeln (34, 40) vorgesehen ist, um die Strömung des Kühlmediums in Richtung auf die Hinterkante (30) entlang einem konvergenten Pfad zu richten für eine Kühlung der Hinterkante (30);

wobei die zweiten und dritten Führungsschaufeln (40, 48) angeordnet sind, um verbrauchtes Kühlmedium zu empfangen zum Mischen mit einer Bypass-Strömung durch die vordere Öffnung der dritten Führungsschaufel (48) und für eine Strömung durch die hintere Öffnung der dritten Führungsschaufel (48).

2. Statorschaufel nach Anspruch 1, wobei mehrere Kühlabschnitte vorgesehen sind, die radial im Abstand zueinander entlang der Hinterkantenkammer (18) angeordnet sind.

3. Statorschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zweiter Kühlabschnitt (B) radial innen von dem ersten Abschnitt (A) vorgesehen ist und zweite und dritte Führungsschaufeln (40b, 48b) in der Kammer (18) zwischen ihren gegenüber liegenden Wänden (24, 26) aufweist, die radial nach innen gerichtete vordere und hintere Öffnungen zwischen gegenüber liegenden Enden der Führungsschaufeln des zweiten Abschnitts bzw. Endwänden der Hinterkantenkammer (18) bilden, wobei die zweite Führungsschaufel (40b) des zweiten Abschnittes (B) radial innen von der dritten Führungsschaufel (48) des ersten Abschnittes (A) liegt, um zu verhindern, daß ein grösserer Teil der kombinierten Strömung des Kühlmediums, die durch die vorderen Öffnungen der zweiten und dritten Führungsschaufeln (40, 48) des ersten Abschnitts (A) strömt, an der zweiten Führungsschaufel (40b) des zweiten Abschnitts (B) vorbei direkt radial nach innen strömt;

wobei die dritte Führungsschaufel (48b) des zweiten Abschnittes (B) radial innen von der zweiten Führungsschaufel (40b) des zweiten Abschnittes (B) an einem Ort liegt, um zu verhindern, daß ein grösserer Teil der Strömung des Kühlmediums, die durch die hintere Öffnung der zweiten Führungsschaufel (46) strömt, an der dritten Führungsschaufel (48) vorbei direkt radial nach innen strömt; und

wenigstens eine Führungsschaufel (54b) radial zwischen der dritten Führungsschaufel (48) des ersten Abschnittes (A) und der zweiten Führungsschaufel (40b) des zweiten Abschnittes (B) vorgesehen ist, um die Strömung des Kühlmediums in Richtung auf die Hinterkante (30) entlang einem konvergenten Pfad zu richten für eine Kühlung der Hinterkante; und

wobei die zweiten und dritten Führungsschaufeln (40b, 48b) des zweiten Abschnittes (B) angeordnet sind, um verbrauchtes Kühlmedium zu empfangen zum Mischen mit einer Bypass-Strömung durch die vordere Öffnung der zweiten Führungsschaufel (40b) des zweiten Abschnittes (B) und einer kombinierten Strömung durch die vordere Öffnung der dritten Führungsschaufel (48b) des zweiten Abschnittes (B) und für eine Strömung durch die hintere Öffnung der dritten Führungsschaufel (48b) des zweiten Abschnittes (B).

4. Statorschaufel nach Anspruch 3, wobei die dritte Führungsschaufel (48) des ersten Abschnittes (A) die erste Führungsschaufel des zweiten Abschnittes (B) bildet.

5. Statorschaufel nach Anspruch 2 oder 4, wobei zwei Führungs-Zwischenschaufeln (54, 54b) in dem ersten und/oder zweiten Abschnitt (A, B) vorgesehen sind, die radial im Abstand voneinander und von den ersten und zweiten Führungsschaufeln (34, 40, 48, 40b) angeordnet sind zum Richten der Strömung des Kühlmediums in Richtung auf die Hinterkante (30) entlang konvergenten Pfaden zum Kühlen der Hinterkante.

6. Statorschaufel nach Anspruch 5, wobei die Vorderkanten der Führungs-Zwischenschaufeln (54, 54b) in einer Richtung radial nach innen zunehmend weiter entfernt von der Hinterkante (30) liegen.

7. Statorschaufel nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 6, wobei die oder jede erste Führungsschaufel (34, 48) relativ zu der Endwand so angeordnet ist, daß ein grösserer Teil des radial nach innen strömenden Kühlmediums durch die vordere Öffnung der ersten Führungsschaufel (34, 48) strömt.

8. Statorschaufel nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7; wobei die zweite Führungsschaufel (40, 40b) von einem oder mehreren der Abschnitte (A, B) radial nach aussen gewinkelt in einer Richtung zur Hinterkante (30) angeordnet ist.

9. Statorschaufel nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 8, wobei die Strömungsquerschnittsfläche von einer Einlassöffnung zwischen der zweiten Führungsschaufel (40, 40b) und der dritten Führungsschaufel (48, 48b) von einem oder mehreren der Kühlabschnitte im wesentlichen gleich der Strömungsquerschnittsfläche der vorderen Öffnung der dritten Führungsschaufel (48, 48b) ist.

10. Statorschaufel nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 9, wobei die oder jede Zwischenschaufel (54, 54a) eine kürzere axiale Länge hat als jede andere der ersten, zweiten und dritten Führungsschaufeln (34, 40, 48; 34b, 40b, 48b).

11. Statorschaufel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Zwischenbodensegment (60) mit der Schaufel neben einem radial inneren Ende davon verbunden ist, wobei das Zwischenbodensegment (60) eine Kammer (62) zum Empfangen von verbrauchtem Kühlmedium von der Hinterkantenkammer (18) und einen Durchlass aufweist zum Leiten des verbrauchten Kühlmediums axial in eine Radraumkammer.

12. Statorschaufel nach Anspruch 11, wobei der Durchlass geformt ist, um das verbrauchte Kühlmedium in einer im allgemeinen tangentialen Richtung zur Schaufel zu richten.