CH703105A1 - Gasturbine mit einer sekundärbrennkammer. - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Gasturbine mit einer Sekundärbrennkammer (1) und einer unmittelbar stromab davon angeordneten ersten Leitschaufelreihe (2) einer Niederdruckturbine, wobei die radial aussenseitige Begrenzung der Sekundärbrennkammer (1) durch wenigstens ein äusseres Wandungssegment (4) gebildet wird, welches an wenigstens einem radial ausserhalb angeordneten Trägerelement (5) befestigt ist, wobei der Strömungspfad der Heissgase (3) im Bereich der Leitschaufelreihe (2) radial aussenseitig durch eine äussere Plattform (6) begrenzt ist, welche wenigstens mittelbar an wenigstens einem Leitschaufelträger (8) befestigt ist, und wobei zwischen dem Wandungssegment (4) und der äusseren Plattform (6) eine im Wesentlichen radial verlaufende spaltförmige Kavität (9) mit einer Breite im Eintrittsbereich in axialer Richtung im Bereich von 1–25 mm vorhanden ist. Die vorgeschlagene Gasturbine ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich wenigstens ein Stufenelement (22) angeordnet ist, welches die genannte Breite in wenigstens einer, im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Heissgases in der Kavität (9) verlaufenden, Stufe (28) um wenigstens 10% reduziert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine, insbesondere eine besondere Ausgestaltung des Übergangsbereichs zwischen einer Sekundärbrennkammer und einer Niederdruckturbine bei einer Gasturbine.

STAND DER TECHNIK

[0002] Gasturbinen können mit einer einzigen Brennkammer ausgestaltet sein, sie können aber auch eine so genannte sequenzielle Verbrennung aufweisen. Bei Letzterer wird in einer ersten Brennkammer Brennstoff verbrannt und die Verbrennungsluft anschliessend über eine erste Turbine, eine Hochdruckturbine, entspannt. Hinter der Hochdruckturbine durchströmen die immer noch heissen Verbrennungsgase eine Sekundärbrennkammer, in welcher erneut Brennstoff zugeführt und typischerweise unter Selbstzündung verbrannt wird. Hinter dieser Sekundärbrennkammer ist eine Niederdruckturbine angeordnet, durch welche die Verbrennungsgase entspannt werden, gegebenenfalls gefolgt durch ein Wärmerückgewinnungssystem mit Dampferzeugung.

[0003] Der Übergang des Gehäuses von Brennkammer zu Turbine ist dabei ein kritischer Bereich, weil in diesem besonders komplexe Temperatur- und Druckverhältnisse vorliegen. Typischerweise verfügt die Sekundärbrennkammer, die normalerweise als Ringbrennkammer ausgebildet ist, über eine gewissermassen schalenförmige äussere Begrenzung, eine äussere Wandung, welche aus einem hitzebeständigen Material besteht respektive entsprechend beschichtet ist, und welche normalerweise aus einzelnen Segmenten aufgebaut ist. Auf der gegenüberliegenden, näher bei der Achse liegenden Innenseite gibt es eine entsprechend ausgebildete innere Begrenzung, eine innere Wandung aus entsprechenden Materialien. Die Niederdruckturbine ihrerseits verfügt über eine Vielzahl von alternierend angeordneten Reihen von Leitschaufeln und Laufschaufeln. Die erste unmittelbar hinter der Sekundärbrennkammer angeordnete Schaufelreihe ist typischerweise eine Leitschaufelreihe mit erheblicher Verdrehung der Schaufeln bezüglich der Hauptachsenrichtung. Die Leitschaufeln sind dabei typischerweise als Segment-Module ausgebildet, bei welchen jede Leitschaufel auf der Innenseite eine innere Plattform und auf der Aussenseite eine äussere Plattform aufweist, und diese Plattformen anschliessend mit deren Innenfläche auch den Strömungskanal der Verbrennungsluft radial innen respektive radial aussen begrenzen.

[0004] Entsprechend gibt es auf der radial inneren Seite des ringförmigen Strömungskanals einen Spalt zwischen dem inneren Wandungssegment der Sekundärbrennkammer und der inneren Plattform der ersten Leitschaufelreihe, und auf der radial äusseren Seite einen Spalt zwischen dem äusseren Wandungssegment der Sekundärbrennkammer und der äusseren Plattform der ersten Leitschaufelreihe. Aus Montagegründen und aufgrund der unterschiedlichen mechanischen und thermischen Belastungen der Bauteile Sekundärbrennkammer und Turbine muss dieser Spalt eine gewisse Breite aufweisen und kann nicht ohne weiteres geschlossen oder vollständig überbrückt werden. Problematisch an diesem Spalt, der eine recht weit radial nach aussen in weitere Konstruktionsbauteile des Gehäuses sich erstreckende Kavität bildet, insbesondere auf der radialen Aussenseite, ist die Tatsache, dass er zudem insbesondere im Bereich jeweils einer Leitschaufel komplexen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist. An der Anströmkante der Leitschaufeln bildet sich namentlich eine so genannte Bugwelle oder ein so genannter «horse shoe vortex», der dazu führt, dass heisse Verbrennungsluft im Wandbereich in diese Kavität hinein gepresst wird und entsprechend tief in diese eindringt. Dies kann zu Problemen im Zusammenhang mit einer Überhitzung aber auch mit Oxidation der entsprechenden Oberflächen Anlass geben. Aus der US 2009/0 293 488 ist bekannt, dass es möglich ist, diesen Übergangsbereich im Wesentlichen durch ein sehr geringes Spaltmass zu verschliessen und zusätzlich spezifische Strukturen vorzusehen, welche in diesem Bereich eine optimale Kühlung der Wandungsbereiche sicherstellen. Problematisch an diesem Ansatz ist aber, dass durch das entsprechend geringe Spaltmass auch das erforderliche Spiel zwischen dem Brennkammermodul und der Turbine nicht ohne weiteres gewährleistet ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0005] Hier greift die vorliegende Erfindung ein und geht einen völlig anderen Weg als der Stand der Technik. Namentlich soll nicht versucht werden, den Spalt zu verschliessen, da sich daraus die oben genannten Probleme ergeben. Ganz im Gegenteil soll der Spalt zwar eine gewisse Breite (in axialer Richtung) aufweisen, es soll aber durch entsprechende Massnahmen verhindert werden, dass Heissluft respektive Verbrennungsluft in diesen Spalt ohne weiteres eintreten kann und die oben genannten Probleme auslösen kann.

[0006] Konkret betrifft entsprechend die vorliegende Erfindung eine Gasturbine mit einer Sekundärbrennkammer und einer unmittelbar stromab davon angeordneten ersten Leitschaufelreihe einer Niederdruckturbine, wobei die radial aussenseitige Begrenzung der Sekundärbrennkammer durch wenigstens ein äusseres Wandungssegment gebildet wird, welches an wenigstens einem radial ausserhalb angeordneten Trägerelement befestigt ist, wobei der Strömungspfad der Heissgase im Bereich der Leitschaufelreihe radial aussenseitig durch eine äussere Plattform begrenzt ist, welche wenigstens mittelbar an wenigstens einem Leitschaufelträger befestigt ist, und wobei zwischen dem Wandungssegment und der äusseren Plattform eine im Wesentlichen radial verlaufende spaltförmige Kavität mit einer Breite B im Eintrittsbereich in axialer Richtung im Bereich von 1-25 mm vorhanden ist. Wobei die Breite B für den kalten Einbauzustand angegeben ist. Je nach Grösse der Gehäusespiele und erlaubten Toleranzen ist die Breite B in einem Bereich von 2-15 mm.

[0007] Erfindungsgemäss wird nun dieser Spalt nicht verschlossen oder hinsichtlich Spaltmass wenigstens im Eintrittsbereich extrem verjüngt, sondern es wird vielmehr so vorgegangen, dass im Eintrittsbereich wenigstens ein Stufenelement angeordnet wird, welches die genannte Breite B in wenigstens einer, im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Heissgases in der Kavität verlaufenden Stufe um wenigstens 10 % reduziert. Durch dieses Stufenelement, welches im Wesentlichen unmittelbar hinter dem eigentlichen Eintrittsbereich (typischerweise 10-50 mm radial ausserhalb des Eintrittsspalts) angeordnet wird, werden Strömungswirbel erzeugt, welche gewissermassen eine Dichtungsfunktion übernehmen und verhindern, dass die Heissluft in die Kavität in die Tiefe eindringen kann. Entsprechend ist es auch wichtig, dass die Stufe solche Verwirbelungen erzeugen kann, und so wird vorzugsweise die Stufe als eine einzige Stufe ausgebildet, welche die angegebene Reduktion von wenigstens 10 % in einem Schritt realisiert. Typischerweise verfügt die Stufe über im Wesentlichen rechtwinklige Übergangsbereiche. Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Stufenelement bezüglich Achse der Turbine umlaufend ausgebildet. Entsprechend ist das Stufenelement im Wesentlichen als eine umlaufende, in der Kavität an einer deren Wände angeordnete Rippe ausgebildet. Es kann ein einziges derartiges Stufenelement in der Kavität angeordnet sein, es können aber auch mehrere solche Stufenelemente radial nach aussen versetzt vorgesehen werden. Entsprechend ist es möglich, hinter der ersten Stufe die Kavität wieder zu erweitern und ein zweites Stufenelement nach dieser Erweiterung vorzusehen. So werden zwei Wirbel erzeugt und eine erhöhte Dichtungsfunktion gewährleistet. Bei ausreichender Breite B der Kavität kann an der dem ersten Stufenelement gegenüberliegenden Wand der Kavität mindestens ein weiteres Stufenelement angeordnet sein. Typischerweise liegen die Stufenelemente einander gegenüber, so dass sich eine Einschnürung von beiden Seiten der Kavität ergibt.

[0008] Problematisch sind insbesondere die Bereiche, welche radial unmittelbar ausserhalb der jeweiligen Anströmkante jeder Leitschaufel angeordnet sind. Insbesondere in diesen Bereichen dringt die aufgrund der Bugwelle verwirbelte Verbrennungsluft besonders stark in die Kavität ein. Die dazwischen liegenden Bereiche hingegen sind weniger stark betroffen. Entsprechend ist es auch gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform möglich, das Stufenelement segmentweise umlaufend auszubilden wobei jeder Leitschaufel radial ausserhalb ein solches Segment zugeordnet ist (das heisst zwischen den Segmenten liegende Bereiche der Kavität verfügen nicht über ein Stufenelement). Bevorzugtermassen weisen dabei im Wesentlichen alle Segmente eine Länge in Umlaufrichtung bezogen auf den Umlaufabstand p (Pitch) der Leitschaufeln von 30-50 % des Umlaufabstands p auf.

[0009] Die jeder segmentweise umlaufend ausgebildeten Stufenelemente können beispielsweise symmetrisch zu den Leitschaufel (das heisst umfangsmässig im gleichen Masse von der radialen Position der Anströmkante im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn sich erstreckend) zugeordnet sein oder entsprechend eines radialen Versatzes der Bugwelle, versetzt zu den Leitschaufeln angeordnet sein.

[0010] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorgeschlagenen Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenelement in Form einer auf den an die Kavität grenzenden Wandungsbereich der äusseren Plattform aufgesetzten oder angeformten im Wesentlichen im axialen Querschnitt rechteckigen Rippe ausgebildet ist. Bevorzugtermassen verfügt diese über eine Länge in radialer Richtung im Bereich von 10-100 mm, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 20-50 mm. Weiterhin bevorzugtermassen wird diese in Kombination eingesetzt mit einer radial ausserhalb angeordneten in diesen Wandungsbereich ausgebildeten Vertiefung einer gleichen oder grösseren Länge, deren radial aussenseitiges Ende durch eine weitere Stufe gebildet wird, so dass radial hintereinander zwei oder drei Wirbel entstehen und ein erhöhter Dichtungseffekt gewährleistet wird.

[0011] Generell wird bevorzugt, dass die dem Stufenelement gegenüberliegende, die Kavität begrenzende im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Turbine verlaufende Wand nicht ihrerseits ein Stufenelement aufweist. Mit anderen Worten geht es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugtermassen nicht darum, eine Labyrinthdichtung im klassischen Sinne zur Verfügung zu stellen, bei welcher der Strömungspfad gewissermassen mäanderförmig ausgebildet wird, sondern es geht darum, nur an einer der beiden gegenüberliegenden Wände der Kavität ein Stufenelement vorzusehen. Tatsächlich sind eigentliche Labyrinthdichtungen problematisch, da sie die Spielfunktion des Spaltes einschränken können und die Montierbarkeit negativ beeinträchtigen.

[0012] Generell ist vorzugsweise das Stufenelement oder die Mehrzahl von Segmenten, die jeweils einer Leitschaufel ein Stufenelement zuordnen, an der in Strömungsrichtung des Heissgases in der Sekundärbrennkammer abwärts gelegenen Wand, d.h. normalerweise an der Plattform, angeordnet.

[0013] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die äussere Plattform über einen Zwischenring am Leitschaufelträger befestigt, wobei ein weiterer, radial an den Wandungsbereich der äusseren Plattform angrenzender Wandungsbereich der Kavität durch diesen Zwischenring gebildet wird, und wobei weiterhin vorzugsweise am Übergang zwischen dem Wandungsbereich der Plattform und dem weiteren Wandungsbereich des Zwischenrings eine weitere Stufe ausgebildet ist.

[0014] Bevorzugtermassen erstreckt sich die Kavität auch zwischen Leitschaufelträger und Trägerelement, das heisst es handelt sich um eine tief in die Konstruktion hineinragende Kavität.

[0015] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung reduziert sich die genannte Breite B durch die Stufe (als einzige Stufe ausgebildet) um wenigstens 20%, vorzugsweise um wenigstens 30%. Unter spezifischen Bedingungen kann sogar eine Reduktion um wenigstens 40% wünschbar sein. Typischerweise ist eine Reduktionen um bis 70% wünschenswert. Eine darüber hinausgehende Reduktion ist meist nicht praktikabel und könnte ausserdem gewünschte Spülströme beeinflussen.

[0016] Wie bereits weiter oben erwähnt wird bevorzugt, wenn ausschliesslich ein Stufenelement am Wandungsbereich der äusseren Plattform angeordnet ist und keines an der gegenüberliegenden, vorzugsweise als radial verlaufende Ebene ausgebildete Wandung des Wandungssegments. Eine solche äussere Plattform erstreckt sich nicht notwendigerweise weit radial nach aussen. In diesem Fall wird dieser Wandungsbereich, an welchem das Stufenelement angeordnet ist, dann auch nicht von der Plattform gebildet, sondern durch den ausserhalb angeordneten Zwischenring oder den Leitschaufelträger. Bevorzugtermassen erweitert sich die Breite der Kavität radial ausserhalb des Stufenelementes, vorzugsweise über eine im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Heissgases in der Kavität verlaufende Stufe im Wesentlichen wieder auf die ursprüngliche Breite B im Eintrittsbereich, weiterhin vorzugsweise nach radial aussen gefolgt von einer zweiten Stufe, die wiederum verjüngt. Bevorzugtermassen liegt die Breite B im Eintrittsbereich in axialer Richtung im Bereich von 1-25 mm.

[0017] Es ist dabei möglich, dass unmittelbar beim Eintrittspalt zur Kavität an der Wandung des äusseren Wandungssegments ein umlaufender, den Eintrittsspalt lokal verjüngender Vorsprung ausgebildet ist.

[0018] Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0019] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<sep>in a) einen axialen Schnitt des Übergangsbereichs zwischen der radialen Aussenwand der Sekundärbrennkammer und der äusseren Plattform der ersten Leitschaufelreihe der Niederdruckturbine, wobei die entsprechende Leitschaufel nicht dargestellt ist, in b) eine Detailansicht des Schnittes gemäss a) mit eingezeichneten Heissluftströmen in der Kavität, in c) eine Konturdarstellung der Kavität und in d) eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse im Eintrittsbereich der Kavität; <tb>Fig. 2<sep>in a) in einer Detailansicht eine Kavität mit Stufenelement, in b) eine Konturdarstellung einer Kavität mit Stufenelement und dahinter zurückversetzter Wand der äusseren Plattform, und in c) eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse im Eintrittsbereich der Kavität mit Stufenelement; und <tb>Fig. 3<sep>in a) eine schematische Sicht in radialer Richtung auf ein Segment der Kavität mit umlaufendem Stufenelement und in b) eine entsprechende Sicht mit aneinander gereihten Segmenten von Stufenelementen.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0020] Fig. 1a zeigt einen axialen Schnitt durch den radial äusseren Wandungsbereich einer Gasturbine mit Sekundärbrennkammer 1 im Übergang von der Sekundärbrennkammer 1 zur ersten Leitschaufelreihe 2 der Niederdruckturbine. Die radial innenseitige Begrenzung des Strömungskanals der Heissgase 3 ist nicht dargestellt. Der Strömungskanal innerhalb der Sekundärbrennkammer 1 wird radial aussenseitig durch ein äusseres Wandungssegment 4 gebildet. Dieses besteht typischerweise aus Metall oder Keramik, wobei das Metall typischerweise mit einer thermischen Schutzschicht versehen ist. Dieses äussere Wandungssegment 4 ist am Gehäuse über ein Trägerelement 5 befestigt und wird üblicherweise von hinten mit entsprechenden Kühlluftströmen beaufschlagt, welche gegebenenfalls zusätzlich durch Kühlluftöffnungen im Wandungssegment 4 in den Heissluftstrom im Sinne einer Filmkühlung austreten.

[0021] In Strömungsrichtung des Heissgases 3 stromab folgt auf die Sekundärbrennkammer die erste Leitschaufelreihe 2. Leitschaufeln sind dabei typischerweise einstückige Gebilde, welche nicht nur die eigentliche Leitschaufel, sondern daran angeformt auch noch eine innere Plattform und eine äussere Plattform 6 umfassen. Die Leitschaufeln können dabei auch als Baugruppen mehrerer Leitschaufeln zusammengefasst sein. Die Plattformen, welche um die Turbinenachse betrachtet ein Segment abdecken, bilden, wenn eine Reihe von solchen Leitschaufelelementen um den Umfang einer Gasturbine angeordnet werden, nicht nur die Befestigung jeweils der Leitschaufeln, sondern gleichzeitig auch noch im Falle der äusseren Plattform 6 die radial äussere Begrenzung des Strömungspfades für das Heissgas und im Falle der inneren Plattform die innere Begrenzung dieses Strömungspfades. Die äusseren Plattformen 6 bilden mit anderen Worten einen umlaufenden Ring, welcher sich in Strömungsrichtung verjüngt. Die äusseren Plattformen 6 resp. diese Einheiten aus Leitschaufeln und innerer resp. äusserer Plattform 6 sind an einem so genannten Zwischenring 7 befestigt, welcher seinerseits am Gehäuse an einem so genannten Leitschaufelträger 8 der Niederdruckturbine befestigt ist.

[0022] Zwischen den Wandungselementen 4 der Sekundärbrennkammer 1 und der äusseren Plattform 6 der ersten Leitschaufelreihe 2 der Niederdruckturbine bildet sich ein Spalt, welcher eine sich tief in die Gehäusebestandteile hineinerstreckende Kavität 9 bildet.

[0023] Diese Kavität 9 ist detaillierter in Fig. 1bdargestellt. Aufgrund der bereits eingangs beschriebenen Bugwelle an der Anströmkante jeweils einer Leitschaufel ergibt sich insbesondere an diesen radialen Positionen ein hoher Heissgasdruck beim Eintrittsbereich dieser Kavität 9. Entsprechend gibt es einen mit dem Pfeil 10 schematisch angedeuteten Heissgastrom in diesen Eintrittsbereich welcher, wie dies schematisch durch den Pfeil 11 dargestellt ist, tief in die Kavität eindringt. Die Kavität 9 wird dabei gewissermassen auf der stromabwärtigen Seite (relativ zur Hauptströmungsrichtung der Heissgase 3) zunächst durch einen Wandungsbereich 12 der äusseren Plattform 6 gebildet, gefolgt von einem Wandungsbereich 13 des Zwischenrings 7 und noch weiter radial aussenseitig gefolgt von einem Wandungsbereich 14 des Leitschaufelträgers 8. Bei den Konstruktionen nach dem Stand der Technik fluchten diese Wandungsbereiche 12-14 im Wesentlichen in einer Ebene. Die in Strömungsrichtung weiter aufwärts und gegenüberliegend angeordnete Wandung, welche die Kavität 9 begrenzt, wird radial innenseitig zunächst durch den Wandungsbereich 15 des äusseren Wandungssegments 4 der Sekundärbrennkammer gebildet, radial aussen gefolgt durch den Wandungsbereich 16 des Trägerelements 5 für das Wandungssemgent 4. Auch hier fluchten diese Wandungsbereiche 15, 16 bei den Konstruktionen nach dem Stand der Technik. Der Heissluftstrom 11 führt nicht nur dazu, dass in der Kavität unnötig hohe Temperaturen erreicht werden, sondern er führt zudem insbesondere zu Oxidationsproblemen an den Wandungsbereichen 12-16. Auf der anderen Seite ist dieser Spalt aus Montagegründen notwendig.

[0024] Im Eintrittsbereich 27 verfügt dieser Spalt oder diese Kavität 9 über eine Breite B, die in der Konturdarstellung der Kavität 9 in Fig. 1c eingezeichnet ist. Diese Breite liegt typischerweise im Bereich von 1-25 mm, d.h. in diesem Bereich ist der Spalt breit und entsprechend zugänglich für den genannten Heissluftstrom. Unmittelbar beim Eintrittsspalt 17 in diese Kavität 9 gibt es einen sich vom äusseren Wandungssegment 4 an dessen radial vorderer Kante in Strömungsrichtung des Heissgases erstreckenden umlaufenden Vorsprung 18, welcher den Eintritt resp. die vordere Eintrittsspaltweite etwas reduziert. Dahinter erweitert sich der Eintrittsspalt aber wieder auf die genannte Breite B. Bei einem derartigen Spalt ohne spezielle Massnahmen ergibt sich dann ein Strömungsbild, wie dies schematisch in Fig. 1d dargestellt ist. Das Heissgas tritt durch den Eintrittsspalt 17 und am umlaufenden Vorsprung 18 vorbei und bildet hinter diesem einen Heissluftwirbel 20 im Eintrittsbereich. Radial ausserhalb dieses Wirbels strömt anschliessend das Heissgas im Wesentlichen ungehindert in radialer Richtung und strömt entsprechend mit hohen Temperaturen, d.h. mit hoher oxidativer Wirkung, tief in den Spalt der Kavität 9 ein.

[0025] Fig. 2a zeigt nun einen Ausschnitt analog Fig. 1b, der nun zusätzlich mit einem Stufenelement 22 nach der Erfindung ausgebildet ist. Dieses Stufenelement ist als am Wandungsbereich 12 angeordnete oder einstückig mit diesem ausgebildete umlaufende Rippe ausgebildet, die eine radial innenseitige Stufe unmittelbar in Strömungsrichtung des Heissgases 10 hinter dem umlaufenden Vorsprung 18 zur Verfügung stellt. Typischerweise erstreckt sich dieses Stufenelement 22 in radialer Richtung ungefähr über ein Drittel oder sogar die Hälfte der radialen Erstreckung des Wandungsbereichs 12. Die gegenüberliegende Wand 15 ist dagegen abgesehen vom umlaufenden Vorsprung 18 im Eintrittsspalt 17 eben ausgestaltet und nicht ebenfalls mit einem Stufenelement oder mit einer entsprechend korrespondierenden Nut ausgebildet. Entsprechend bildet das Stufenelement 22 gewissermassen eine Barriere für den Heissgasstrom und Turbulenzen reduzieren die Geschwindigkeit des Heissgases. Entsprechend können Leckageströme und Spülluftströme dann die entsprechenden Wandungsbereiche wesentlich effizienter kühlen und schützen. Sowohl die dem Eintrittsspalt zugewandte Stufe des Stufenelements 22 als auch die radial aussenliegende Stufe hinter dem Stufenelement 22, wo sich die Kavität wieder erweitert, führt zu einer Wirbelbildung.

[0026] In der Konturdarstellung gemäss Fig. 2bist nun nicht nur das Stufenelement 22 zusätzlich angeformt an die äussere Plattform 6 sondern auch der dahinterliegende Wandungsbereich etwas ausgefräst resp. ausgenommen, so dass sich radial ausserhalb des Stufenelements 22 die Breite noch etwas mehr aufweitet als zuvor und sich dann auch beim Übergang 23 zum Wandungsbereich 13 eine ausgeprägte Stufe 29 bildet. Diese Stufe 29 führt zu einer zusätzlichen Verwirbelung und einer erweiterten zusätzlichen Barrierefunktion.

[0027] In Fig. 2c ist schematisch dargestellt, wie sich die Strömungsverhältnisse bei einem solchen Aufbau darstellen. Nach wie vor gibt es einen ersten Wirbel 20 im Wesentlichen hinter dem umlaufenden Vorsprung 18, dieser wird aber wesentlich verstärkt durch die Eintrittsstufe des Stufenelements 22. Mit anderen Worten ist dieser Wirbel wesentlich stärker ausgebildet als in Fig. 1 und entfaltet auch eine höhere Barriere Wirkung. Zusätzlich bildet sich ein erster Wirbel 24 im Bereich des Stufenelements 22. Ein zweiter Wirbel 25 bildet sich gewissermassen am radial äusseren Ende des Stufenelements beim Erweiterungsbereich, diese Wirbel 24, 25 führen zu einer zusätzlichen Barrierewirkung. Je nach Detailgeometrie und Spülluftströmung sich eine weitere leichte Verwirbelung am begünstigt eine zusätzliche Stufe 29 beim Übergang 23 die Verwirbelung und führt zu einer weiteren zusätzlichen Barrierefunktion. Betrachtet man nun die Temperaturen so stellt man fest, dass die Temperatur bereits im Bereich des Stufenelements 22 aber auch radial ausserhalb davon durch diese Massnahmen massiv gesenkt werden kann, dass niedere Drücke herrschen und entsprechend die im Bereich des Stufenelements 22 und radial ausserhalb angeordneten Bereiche wesentlich leichter mit Kühlluft geschützt werden können.

[0028] In Fig. 3a ist dargestellt, wie das Stufenelement 22 ́ umlaufend ausgebildet werden kann, d.h. in Form eines im Wesentlichen umlaufenden Ringes um die Achse der Niederdruckturbine. Die eigentlich gravierenden Probleme treten wie eingangs erläutert hauptsächlich an der Anströmkante der jeweiligen Leitschaufel 26 auf. Entsprechend kann es auch genügend sein, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist, wenn man gewissermassen radial ausserhalb jeder Leitschaufel und koordiniert mit deren Anströmkante nur ein Segment 22» eines solchen Stufenelements anordnet, um die erfindungsgemässe Wirkung zu erzeugen.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0029] <tb>1<sep>Sekundärbrennkammer <tb>2<sep>Leitschaufelreihe <tb>3<sep>Heissgasstrom <tb>4<sep>äusseres Wandungssegment von 1 <tb>5<sep>Trägerelement für 4 <tb>6<sep>äussere Plattform von 26 <tb>7<sep>Zwischenring <tb>8<sep>Leitschaufelträger der Niederdruckturbine <tb>9<sep>äussere Kavität <tb>10<sep>Heissgasstrom-Eintritt in 9 <tb>11<sep>Heissgasstrom in 9 <tb>12<sep>Wandungsbereich von 6 angrenzend an 9 <tb>13<sep>Wandungsbereich von 7 angrenzend an 9 <tb>14<sep>Wandungsbereich von 8 angrenzend an 9 <tb>15<sep>Wandungsbereich von 4 angrenzend an 9 <tb>16<sep>Wandungsbereich von 5 <tb><sep>angrenzend an 9 <tb>17<sep>Eintrittsspalt in 9 <tb>18<sep>umlaufender Vorsprung <tb>20<sep>Wirbel im Eintrittsbereich <tb>22<sep>Stufenelement <tb>22 ́<sep>Stufenelement, umlaufend <tb>22»<sep>Stufenelement, segmentweise <tb>23<sep>Stufenübergang von 12 zu 13 <tb>24<sep>erster Wirbel <tb>25<sep>zweiter Wirbel <tb>26<sep>Leitschaufel <tb>27<sep>Eintrittsbereich von 9 <tb>28<sep>erste Stufe an 22 <tb>29<sep>Stufe bei 23 <tb>P<sep>Pitch <tb>B<sep>Breite im Eintrittsbereich

Claims (12)

1. Gasturbine mit einer Sekundärbrennkammer (1) und einer unmittelbar stromab davon angeordneten ersten Leitschaufelreihe 2 einer Niederdruckturbine, wobei die radial aussenseitige Begrenzung der Sekundärbrennkammer (1) durch wenigstens ein äusseres Wandungssegment (4) gebildet wird, welches an wenigstens einem radial ausserhalb angeordneten Trägerelement (5) befestigt ist, wobei der Strömungspfad der Heissgase (3) im Bereich der Leitschaufelreihe radial aussenseitig durch eine äussere Plattform (6) begrenzt ist, welche wenigstens mittelbar an wenigstens einem Leitschaufelträger (8) befestigt ist, und wobei zwischen dem Wandungssegment (4) und der äusseren Plattform (6) eine im Wesentlichen radial verlaufende spaltförmige Kavität (9) mit einer Breite (B) im Eintrittsbereich in axialer Richtung im Bereich von 1-25 mm vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich wenigstens ein Stufenelement (22, 22 ́, 22 ́ ́) angeordnet ist, welches die genannte Breite (B) in wenigstens einer, im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (11) des Heissgases in der Kavität (9) verlaufenden Stufe (28) um wenigstens 10% reduziert.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenelement (22, 22 ́) bezüglich Achse der Turbine umlaufend ausgebildet ist.

3. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenelement (22, 22 ́ ́) segmentweise umlaufend ausgebildet ist und jeder Leitschaufel (26) radial ausserhalb ein solches Segment (22 ́ ́) zugeordnet ist, wobei vorzugsweise alle Segmente eine Länge in Umlaufrichtung bezogen auf den Umlaufabstand (p) der Leitschaufeln (26) von 30-50% des Umlaufabstands (p) aufweisen.

4. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenelement (22) in Form einer auf den an die Kavität (9) grenzenden Wandungsbereich (12) der äusseren Plattform (6) aufgesetzten oder angeformten im Wesentlichen im axialen Querschnitt rechteckigen Rippe ausgebildet ist, welche vorzugsweise eine Länge in radialer Richtung im Bereich von 10-100 mm, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 20-50 mm aufweist, vorzugsweise in Kombination mit einer radial ausserhalb angeordneten in diesen Wandungsbereich (12) ausgebildeten Vertiefung einer gleichen oder grösseren Länge, deren radial aussenseitiges Ende durch eine weitere Stufe (29) gebildet wird.

5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Plattform (6) über einen Zwischenring (7) am Leitschaufelträger (8) befestigt ist, wobei ein weiterer, radial an den Wandungsbereich (12) der äusseren Plattform (6) angrenzender Wandungsbereich (13) der Kavität (9) durch diesen Zwischenring (7) gebildet wird, wobei vorzugsweise am Übergang (23) zwischen dem Wandungsbereich (12) der Plattform (6) und dem weiteren Wandungsbereich (13) des Zwischenrings (7) eine weitere Stufe (29) ausgebildet ist.

6. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kavität (9) auch zwischen Leitschaufelträger (8) und Trägerelement (5) erstreckt.

7. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannte Breite (B) durch die Stufe (28) um wenigstens 20 %, vorzugsweise um wenigstens 30% reduziert.

8. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, sowohl an der äusseren Plattform (6) als auch an der Wandung (15) des Wandungssegment (4) und/oder dem Wandungsbereich (5) mindestens ein Stufenelement (22) angeordnet ist.

9. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausschliesslich ein Stufenelement (22) am Wandungsbereich (12) der äusseren Plattform (6) angeordnet ist und keines an der gegenüberliegenden, vorzugsweise als radial verlaufende Ebene ausgebildete Wandung (15) des Wandungssegments

10. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite radial ausserhalb des Stufenelementes (22), vorzugsweise über eine im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (11) des Heissgases in der Kavität (9) verlaufenden Stufe im Wesentlichen wieder auf die ursprüngliche Breite (B) im Eintrittsbereich erweitert.

11. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) im Eintrittsbereich in axialer Richtung im Bereich von 2-15 mm liegt.

12. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar beim Eintrittsspalt (17) zur Kavität (9) an der Wandung (15) des äusseren Wandungssegments (4) ein umlaufender, den Eintrittsspalt lokal verjüngender Vorsprung (18) ausgebildet ist.