Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenstufe einer Gasturbine mit einer Ausblasanord-nung zum Ausblasen einer Sperrgasströmung in eine Kavität gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie zum Beispiel aus der DE 699 26 574 T2, aus der DE 693 05 326 T2 und der DE 693 27 180 T2 bekannt ist, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbinenstufe sowie eine Gasturbine mit einer solchen Turbinenstufe.

Eine Turbinenstufe weist einen Gaskanal auf, in dem meist mehrere Leit- und Laufgitter angeordnet sind, um Energie eines den Gaskanal durchströmenden Arbeitsgases in Drehmomente eines Rotors der Gasturbine umzusetzen.

Mit dem Gaskanal kommunizieren Kavitäten, beispielsweise radiale Rücksprünge im Rotor, in die radial innere Schaufelspitzen oder Innendeckbänder von Leitgittern eingreifen. Um eine Leckageströmung durch solche Kavitäten zu reduzieren, können diese durch eine oder mehrere Dichtungen begrenzt werden. Insbesondere kann eine Dichtung eine stromaufwärtige gegen eine stromabwärtige Kavität abgrenzen, um ein unerwünschtes Unterströmen eines Leitgitters zu vermeidet.

Um einen Einzug von heißem Arbeitsgas in solche Kavitäten zu reduzieren oder zu vermeiden, ist es aus betriebsinterner Praxis bekannt, eine Sperrgasströmung in die Kavität einzublasen. Wird diese radial eingeblasen, kann es aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu Scherströmungen an einer rotorfesten Stirnseite kommen.

Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, einen Betrieb einer Gasturbine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 12 stellt ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Turbinenstufe und Anspruch 11 eine Gasturbine mit einer solchen Turbinenstufe unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Turbinenstufe nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Gaskanal auf, in dem ein oder mehrere Laufgitter angeordnet sind und der im Betrieb von einem Arbeitsgas, insbesondere einem Abgas aus einer vorgelagerten Brennkammer, durchströmt wird. Vor und/oder nach wenigstens einem Laufgitter kann ein Leitgitter angeordnet sein. Der Laufkanal kann in Durchströmungsrichtung, wenigstens abschnittsweise, divergieren.

Mit dem Gaskanal kommuniziert wenigstens eine Kavität, die durch eine Stirnseite eines einoder mehrteiligen Rotorelements und durch eine rotorelementfeste Dichtung begrenzt wird.

Das Rotorelement kann eine Laufschaufelanordnung mit einer oder mehreren Laufschaufeln eines Laufgitters der Turbinenstufe aufweisen, die lösbar oder fest, insbesondere integral, mit einem Rotor der Turbinenstufe verbunden sein können.

Die Stirnseite begrenzt in einer Ausführung die Kavität axial bzw. bildet eine, insbesondere stromabwärtige, Stirnwand der Kavität. Die Dichtung begrenzt in einer Ausführung die Kavität ebenfalls axial bzw. bildet eine, insbesondere stromaufwärtige, Stirnwand der Kavität.

Radial außen kann die Kavität in einer Ausführung durch eine weitere rotorelementfeste Dichtung begrenzt sein, durch die die Kavität mit dem Gaskanal kommuniziert, insbesondere eine Labyrinthdichtung mit einem oder mehreren Axialflanschen, die einem oder mehreren gehäusefesten Axialflanschen der Turbinenstufe gegenüberliegen können.

Radial innen kann die Kavität in einer Ausführung durch einen axialen Vorsprung der Rotorelementstirnseite begrenzt sein, insbesondere einen Dichtungsträger, an dem die rotorelementfeste Dichtung angeordnet ist.

Die Kavität kann insbesondere eine Kammer zwischen einer Laufschaufelscheibe und einem Innendeckband eines, insbesondere stromaufwärtigen, Leitgitters sein. In einer Ausführung weist die Turbinenstufe ein Leitgitter mit einer radial inneren Gegendichtung, insbesondere einem Einlaufbelag, auf, die der rotorelementfesten Dichtung gegenüberliegt und mit dieser einen Dichtungsspalt definiert, der vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Drehachse der Turbinenstufe sein kann. Die rotorelementfeste Dichtung kann insbesondere eine Labyrinthdichtung mit einem oder mehreren radialen Dichtungsflanschen, insbesondere radialen Dichtspitzen, sein, die der Gegendichtung, insbesondere einer Wabendichtung, radial gegenüberliegen. Insbesondere kann die rotorelementfeste Dichtung die Kavität gegen eine weitere, stromaufwärtige Kavität begrenzten.

Die Turbinenstufe weist eine Ausblasanordnung mit einer oder mehreren, über den Umfang, vorzugsweise äquidistant, verteilten Gaspassagen zum Ausblasen einer Sperrgasströmung, insbesondere einer Sperrluftströmung, in die Kavität auf.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere, vorzugsweise alle Gaspassage der Ausblasanordnung zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung ausgebildet, der in einer Ausführung gleichsinnig mit einer Drehrichtung der Turbinenstufe ist. Auf diese Weise kann in einer Ausführung vor der rotorelementfesten Stirnseite eine umfangsdrallbehaftete Sperrströmung eingeblasen werden, so dass eine Scherströmung aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors reduziert oder vermieden werden und so insbesondere ein Wirkungsgrad und damit der Betrieb der Turbinenstufe verbessert werden kann.

Über die rotorelementfeste Dichtung kann eine Leckageströmung in die Kavität eintreten. Dies kann erwünscht sein, insbesondere, um das Rotorelement, insbesondere seine Stirnseite, durch die Leckageströmung zu kühlen. Trifft die vorzugsweise drahlfreie Leckageströmung jedoch direkt auf die drallbehaftete Sperrgasströmung, kann deren Vermischung den Umfangsdrall der Sperrgasströmung reduzieren.

Daher ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Austrittsöffnung einer oder mehrerer, vorzugsweise aller Gaspassagen der Ausblasanordnung von der rotorelementfesten Dichtung radial nach außen versetzt. Die Sperrgasströmung wird sozusagen durch die Ausblasanordnung radial durch eine Leckageströmung über die rotorelementfeste Dichtung hinweg geführt und erst radial außen mit Drall ausgeblasen, so dass eine Störung durch die Leckageströmung reduziert, insbesondere wenigstens im Wesentlichen verhindert wird.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend die Sperrgasströmung durch die Ausblasanordnung mit einem Drall in Umfangsrichtung radial außen von der rotorelementfesten Dichtung in diese Kavität ausgeblasen.

Zum Ausblasen der Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung kann eine Gaspassage in Umfangsrichtung gekrümmt sein. Zusätzlich oder alternativ können in einer Gaspassage eine oder mehrere Umlenkelemente bzw. -flächen angeordnet sein, um der sie durchströmenden Sperrgasströmung eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aufzuprägen.

Erfindungsgemäß ist eine Gaspassage als Durchgangsbohrung bzw. durchgehende Öffnung bzw. Passage eines Rohrs ausgebildet. Das Rohr kann als separates Bauteil hergestellt und an dem Rotorelement, insbesondere einem rotorelementfesten Dichtungsträger, an dem die rotorelementfeste Dichtung angeordnet ist, lösbar oder dauerhaft, insbesondere stoff-, reib- oder formschlüssig befestigt, insbesondere verschweißt, -klebt, -lötet, -rastet, -schraubt oder eingesteckt sein. Gleichermaßen kann ein Rohr auch integral mit dem Rotorelement ausgebildet sein, insbesondere, indem ein Rohrmantel um eine Durchgangsbohrung spanend freigelegt, insbesondere freigefräst ist.

Das Rohr kann sich in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, über seine Länge, oder in wenigstens einem Abschnitt, vorzugsweise wenigstens in einem austrittsöffnungsnächsten Viertel seiner Länge, wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene erstrecken, die senkrecht zu einer Drehachse der Turbinenstufe ist. Hierdurch kann die Sperrgasströmung in einer Ausführung auf kurzem Weg durch die Leckageströmung geführt werden. In einer Weiterbildung kann das Rohr wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise wenigstens in einem eintrittsöffnungsnächsten Viertel seiner Länge, gegen die Drehachse der Turbinenstufe geneigt sein, insbesondere, um eine Eintriffsöffnung axial zu versetzen.

In einer Ausführung weisen eine oder mehrere, vorzugsweise alle Gaspassagen der Ausblasanordnung eine Eingangsöffnung auf, welche mit einem Druckreservoir, insbesondere einem Sperrluftreservoir, kommuniziert. In einer Weiterbildung ist eine Bypass-Passage zwischen dem Druckreservoir und der Kavität strömungstechnisch zu der Ausblasanordnung parallel geschaltet. Die Bypass-Passage kann insbesondere durch die rotorelementfeste Dichtung, vorzugsweise einen Dichtungsspalt zwischen dieser und einer gegenüberliegenden Gegendichtung, insbesondere einem Einlaufbelag, vorzugsweise eines Leitgitters, definiert sein. Somit kann in einer Ausführung ein Druckgas, insbesondere Luft, vorzugsweise aus einem der Turbinenstufe vorgeschalteten Verdichter, in eine stromaufwärtige weitere Kavität geführt und dort in einen, vorzugsweise größeren, Leckagestrom über die rotorelementfeste Dichtung, insbesondere zum Kühlen des Rotorelements, und eine, vorzugsweise kleinere, Sperrgasströmung aufgeteilt werden. Entsprechend kann die Turbinenstufe in einer Ausführung eine stromaufwärtige weitere Kavität aufweisen, welche mit einem Druckreservoir, einem Dichtungsspalt über der rotorelementfesten Dichtung und der Ausblasanordnung kommuniziert.

Eine erfindungsgemäße Turbinenstufe kann insbesondere in einer Gasturbine, vorzugsweise einem Flugtriebwerk, eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

• Fig. 1 einen Teil einer Turbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt ; und
• Fig. 2 einen Teil einer Turbinenstufe nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 entsprechender Darstellung.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Turbinenstufe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Meridianschnitt mit einem Gaskanal 11, in dem mehrere Laufgitter angeordnet sind, von denen in Fig. 1 zwei Laufschaufeln 1 teilweise sichtbar sind. Zwischen diesen ist ein Leitgitter angeordnet, von dem in Fig. 1 eine Leitschaufel 2 teilweise sichtbar ist.

Mit dem Gaskanal kommuniziert eine stromabwärtige Kavität 9, die axial durch eine Stirnseite eines Rotorelements in Form einer Laufschaufelscheibe mit den in Fig. 1 rechten Laufschaufeln 1 und durch eine rotorelementfeste Labyrinthdichtung mit Radialflanschen in Form von radialen Dichtspitzen 3A, 3B begrenzt wird.

Die Stirnseite bildet eine stromabwärtige Stirnwand der Kavität 9 (rechts in Fig. 1 ). Die Dichtung 3A, 3B begrenzt die Kavität 9 ebenfalls axial (nach links in Fig. 1).

Radial außen ist die Kavität 9 durch eine weitere rotorelementfeste Labyrinthdichtung 5 begrenzt, durch die die Kavität mit dem Gaskanal 11 kommuniziert.

Radial innen ist die Kavität 9 durch einen Dichtungsträger 3 begrenzt, an dem die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B angeordnet ist.

Die Kavität bildet somit eine Kammer zwischen der Laufschaufelscheibe und einem Innendeckband des stromaufwärtigen Leitgitters mit den Leitschaufeln 2. Das Leitgitter weist eine radial innere Gegendichtung in Form eines Einlaufbelags 4 auf, die der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B gegenüberliegt und mit dieser einen Dichtungsspalt definiert, der parallel zu einer Drehachse der Turbinenstufe (horizontal in Fig. 1) ist. Die rotorelementfeste Dichtung ist eine Labyrinthdichtung mit zwei radialen Dichtspitzen 3A, 3B, die dem Einlaufbelag in Form einer Wabendichtung 4 radial gegenüberliegen. Die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B begrenzt die Kavität 9 gegen eine weitere, stromaufwärtige Kavität 10, die im Übrigen durch eine Labyrinthdichtung 6 und eine stromabwärtige Stirnseite des in Fig. 1 linken Laufgitters, den Dichtungsträger 3 und dessen Verbindungsflansch zu diesem in Fig. 1 linken Laufgitter begrenzt wird und mit einem Druckreservoir 12 und über die Labyrinthdichtung 6 ebenfalls mit dem Gaskanal 11 kommuniziert.

Die Turbinenstufe weist eine Ausblasanordnung mit mehreren äquidistant über den Umfang verteilten Gaspassagen zum Ausblasen einer Sperrluftströmung in die Kavität 9 auf.

Die Gaspassagen sind als Durchgangsbohrung von Rohren ausgebildet, von denen in Fig. 1 ein Rohr 7 dargestellt ist. Das Rohr 7 ist in der Ausführung der Fig. 1 als separates Bauteil hergestellt und an dem rotorelementfesten Dichtungsträger 3, an dem die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B angeordnet ist, lösbar oder dauerhaft, insbesondere stoff-, reib- oder formschlüssig befestigt, insbesondere verschweißt, -klebt, -lötet, -rastet, -schraubt oder eingesteckt. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann das Rohr auch integral mit dem Dichtungsträger ausgebildet sein, indem ein Rohrmantel um eine Durchgangsbohrung spanend freigelegt, insbesondere freigefräst ist.

Die Rohre 7 und damit auch deren Durchgangsbohrungen bzw. Gaspassagen sind in Umfangsrichtung (aus der Zeichenebene der Fig. 1 heraus) gekrümmt, um eine Sperrgasströmung mit einem Drall in Umfangsrichtung auszublasen, der gleichsinnig mit einer Drehrichtung der Turbinenstufe ist. Auf diese Weise kann vor der rotorelementfesten Stirnseite eine umfangsdrallbehaftete Sperrströmung eingeblasen werden, so dass eine Scherströmung aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors reduziert oder vermieden und so insbesondere ein Wirkungsgrad und damit der Betrieb der Turbinenstufe verbessert wird.

Über die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B tritt eine Leckageströmung in die Kavität 9 ein. Dies ist erwünscht, um die Stirnseite der Laufschaufelscheibe und/oder die Scheiben-Schaufel-Verbindung durch die Leckageströmung zu kühlen.

Austrittsöffnungen 8 der Rohre 7 bzw. deren Gaspassagen sind von der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B radial nach außen (vertikal nach oben in Fig. 1) versetzt. Die Sperrgasströmung wird sozusagen durch die Ausblasanordnung radial durch eine Leckageströmung über die rotorelementfeste Dichtung hinweg geführt und erst radial außen mit Drall ausgeblasen, so dass eine Störung durch die Leckageströmung reduziert, vorzugsweise verhindert wird.

Die Rohre 7 erstrecken sich in der Ausführung der Fig. 1 über ihre gesamte Länge in einer Ebene, die senkrecht zu einer Drehachse der Turbinenstufe ist (Vertikalebene auf die Zeichenebene der Fig. 1). Hierdurch kann die Sperrgasströmung in einer Ausführung auf kurzem Weg durch die Leckageströmung geführt werden.

In der Ausführung der Fig. 2, die im Übrigen mit der der Fig. 1 übereinstimmt, so dass einander entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet sind und auf die Beschreibung der Ausführung der Fig. 1 Bezug genommen wird, erstrecken sich die Rohre 7 in einer austrittsöffnungsnächsten Hälfte 7A ihrer Länge (oben in Fig. 2) ebenfalls in der Ebene senkrecht zur Drehachse. In einer eintrittsöffnungsnächsten Hälfte 7B ihrer Länge (unten in Fig. 2) sind sie hingegen um ca. 45° gegen die Drehachse der Turbinenstufe geneigt, insbesondere, um ihre Eintriffsöffnungen axial stromaufwärts zu versetzen.

Eine Bypass-Passage ist durch einen Dichtungsspalt zwischen der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B und dem gegenüberliegenden Einlaufbelag 4 des Leitgitters definiert und strömungstechnisch parallel zu der Ausblasanordnung geschaltet.

Sowohl dieser Dichtungsspalt über der rotorelementfesten Dichtung 3A, 3B als auch die Rohre 7 der Ausblasanordnung kommunizieren mit der stromaufwärtigen weiteren Kavität 10 und über diese mit dem Druckreservoir 12. Somit wird ein Druckgas, insbesondere Luft, vorzugsweise aus einem der Turbinenstufe vorgeschalteten Verdichter, in die stromaufwärtige weitere Kavität 10 geführt und dort in einen, vorzugsweise größeren, Leckagestrom über die rotorelementfeste Dichtung 3A, 3B zum Kühlen des Rotorelements und eine, vorzugsweise kleinere, Sperrgasströmung durch die Ausblasanordnung aufgeteilt. Die Gaspassagen der Ausblasanordnung weisen jeweils eine Eingangsöffnung auf, welche mit dem Druckreservoir 12 über die stromaufwärtige weitere Kavität 10 kommuniziert.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

1

Laufschaufel(anordnung/-gitter)

2

Leitschaufel(anordnung/-gitter)

3

Dichtungsträger

3A, 3B

radiale Dichtspitze (radialer Dichtungsflansch, rotorelementfeste Dichtung)

4

Einlaufbelag mit Wabendichtung (Gegendichtung)

5

Axialflansch (Labyrinthdichtung (weitere rotorelementfeste Dichtung))

6

Axialflansch (Labyrinthdichtung)

7

Rohr (Ausblasanordnung)

7A

austrittsöffnungsnächste Rohrhälfte

7B

eintrittsöffnungsnächste Rohrhälfte

8

Austrittsöffnung

9

Kavität

10

stromaufwärtige weitere Kavität

11

Gaskanal

12

Druckreservoir