Die stationären Leitschaufeln werden zur Kühlung von radial außen zugeführter Kühlluft durchströmt. Diese dient u. a. zur Kühlung von zwischen den Laufschaufeln und den Leitschaufeln liegenden Trägerscheibenseitenräumen.

Für die Zuleitung der Kühlluft zu den Trägerscheibenseiten- räumen am inneren radialen Ende einer leitschaufel weist die Leitschaufel eine Öffnung auf, durch die die durch einen äu- ßeren Kühlluftzufuhrkanal geleitete Kühlluft eingespeist wird. Das Ausströmen der übrigen Kühlluft erfolgt im wesent- lichen durch eine Vielzahl kleiner Öffnungen, sogenannter Filmkühlungsbohrungen in einer sogenannten Schaufelnase in den Heißluftstrom hinein, wobei ein Kühlluftfilm auf der Au- ßenseite der Gasturbinenschaufel gebildet wird.

Bei ungehinderter, auf maximale Kühlung ausgerichteter Kühl- luftzufuhr wird der Wirkungsgrad der Gasturbine, der im we- sentlichen durch die Temperatur des eingeleiteten Heißgases bestimmt wird, durch die in größeren Mengen zugeführte Kühl- luft stark herabgesetzt und der Energieverbrauch der Gastur- bine wesentlich erhöht.

Um dem entgegenzuwirken, werden Steuerungsventile eingesetzt.

Diese sind im allgemeinen handelsübliche Ventilformen und be- finden sich radial außen an der Leitschaufel oder weiter vor- ne im Zufuhrweg der Kühlluft, im Kühlluftzufuhrkanal.

Hierdurch ist das Ventil zwar einerseits gut zugänglich bei- spielsweise um eventuelle Reparaturen oder Einstellungen vor- zunehmen, andererseits ist damit lediglich eine gleichzeitige Einstellung des Drucks der Kühlluft für den Trägerscheiben- seitenraum und des Drucks der Kühlluft möglich, die durch die Filmkühlungsbohrungen an der Schaufelnase stromt. Bei der Einstellung eines sehr geringen Drucks der Kühlluft kann dies leicht dazu führen, daß der Kühlluftfilm an der Schaufelnase abreißt und somit keine ausreichende Kühlung der Leitschau- feloberfläche mehr gegeben ist. Andererseits wird bei einem stark eingestellten Druck der Kühlluft zur Herstellung eines ausreichenden Kühlfilms ein starker Kühlluftzustrom in die Heißluft hervorgerufen, der zu einer Verminderung der Leis- tung der Gasturbine und einem höheren Energieverbrauch führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine be- darfsspezifische Regelung eines Kühlluftstroms mit wartungs- armen Mitteln zu liefern. Insbesondere soll bei einer Gastur- bine eine automatische, ausreichende Kühlung des Trägerschei- benseitenraums durch Kühlluftzuführung verläßlich unabhängig vom Betriebszustand gewährleistet sein, und zugleich ein ho- her Wirkungsgrad der Gasturbine erreicht werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur Regelung Kühlluftstroms einer Gasturbine, angegeben wird, der einen Durchflußkanal durchströmt, mit einem im Bereich des Durchflußkanals in den Kühlluftstrom mit einer Strömungskom- ponente quer zur Durchströmungsrichtung des Kühlluftstroms durch den Durchflußkanal eingeleiteten Regelungsfluidstrom, wobei die Durchflußrate des Kühlluftstroms nach Maßgabe von Regelungsparametern des Regelungsfluidstroms und/oder von der Einlaßgeometrie des Regelungsfluidstroms in den Kühlluftstrom

und/oder von der Geometrie des Durchflußkanals einstellbar ist.

Diese Art der Regelung ist gut geeignet für schlecht zugäng- liche Stellen von Maschinen oder dergleichen, die zugleich einer starken Belastung ausgesetzt sind. Die Vorrichtung ar- beitet nahezu unabhängig von Verschmutzungen oder anderen Um- welteinflüssen, wie zum Beispiel aggressiven chemischen An- griffen durch einen entsprechenden Kühlluftstrom. Das Rege- lungselement unterliegt keinerlei Abnutzungen, ein ver- schleißfreies Schalten ist aufgrund des kontaktlosen Einstel- lens beispielsweise ohne elektrischen Strom oder mechanische Vorrichtungen möglich. Eine derartige Regelungsvorrichtung ist daher sehr wartungsarm, da die Regelung des Kühlluft- stroms lediglich durch ein besonders eingestelltes Hinzufüh- ren eines Regelungsfluidstroms erfolgt. Bei einem Ausfall der Regelung strömt in jedem Fall der ursprünglich eingestellte Kühlluftstrom in seiner Grundeinstellung. Der Kühlluftstrom kann unabhangig von der Funktion des Regelungsstroms vor In- betriebnahme der Vorrichtung so eingestellt werden, daß er für die gewünschte Funktion ausreicht.

Der Regelungsfluidstrom greift in das Durchflußverhalten des Kühlluftstroms dahingehend ein, daß er entweder die Strömung beschleunigt oder abbremst beziehungsweise die Durchflußrate erhöht beziehungsweise erniedrigt. Dies geschieht im wesent- lichen durch Änderungen in der Art der Nutzfluidströmung in bestimmten Rand-beziehungsweise Mittenbereichen des Kühl- luftstroms im Durchflußkanal. Hierbei ist insbesondere auch eine Umwandlung der Strömung von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung abzustellen. Voraussetzung ist, daß der Regelungsfluidstrom beim Einströmen in den Kühlluftstrom eine zur Beeinflussung der Strömung geeignete Strömungskompo- nente aufweist. Das heißt eine Komponente seiner Hauptströ- mungsrichtung, die quer zur Durchströmungsrichtung des Kühl- luftstroms durch den Durchflußkanal gerichtet ist. Hierdurch

wird das Strömungsverhalten des Kühlluftstroms in einer vor- bestimmten Weise beeinflußt.

Vorteilhafterweise ist das Regelungsfluid Luft. Es ist auch denkbar, dem Nutzfluid ein Regelungsfluid mit gegenüber dem Kühlluftstrom in gewissem Umfang"neutraler"Zusammensetzung, wie z. B. einer wässrigen Lösung Wasser zuzuführen.

Der Regelungsfluidstrom kann einerseits in seiner Stärke be- ziehungsweise in seiner Durchflußrate eingestellt werden und übt dadurch einen regelnden Einfluß auf den Kühlluftstrom aus. Andererseits kann seine Einleitungsgeometrie, bespiels- weise die Winkelposition des Regelungsfluidstroms relativ zum Kühlluftstrom beziehungsweise dem Ansatz des Regelungsflu- idstroms relativ zum Kühlluftstrom, verändert werden. Eine Einflußnahme ist auch durch eine Veränderung der Geometrie des Durchflußkanals, durch den der Kühlluftstrom fließt, mög- lich. Die genannten Möglichkeiten der Regelung können unter- einander kombiniert werden, wobei nach einem Einbau einer er- findungsgemäßen Vorrichtung in eine Maschine vorzugsweise die Durchflußrate bzw.-stärke des Regelungsfluidstroms einge- stellt wird. Die Regelung des Regelungsfluidstroms bei fest- gelegter Geometrie erfolgt mit Regelungsparametern des Rege- lungsfluidstroms, die jedoch von der jeweils gewählten Geo- metrie abhängen.

Die Durchflußrate des Kühlluftstroms ist vorteilhaft durch Einstellung des Drucks des Regelungsfluidstroms einstellbar.

Hierdurch kann eine stufenlose und sehr genaue Einstellung des Regelungsfluidstroms erreicht werden, die mit geringem Aufwand vorzunehmen ist. Zugleich ist diese Vorrichtung sehr wartungsarm, da nahezu ständig ein Regelungsstrom fließt, wo- durch die Zufuhrkanäle des Regelungsstroms freigahalten wer- den.

Die Durchflußrate des Regelungsfluidstroms ist vorzugsweise kled-Ti gegenüber der Durchflußrate des Kuhlluftstroms, weil

auf diese Weise keinerlei Änderungen des physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kühlluftstroms vorgenommen wer- den, beispielsweise Druck-oder Temperaturänderungen oder An- derungen der chemischen Zusammensetzung bspw. einer Kühlfunk- tion. Darüberhinaus ist bei einem Ausfall des Regelungsflu- idstroms der Kühlluftstrom für die Erfüllung der vorgesehenen Aufgaben weiterhin ausreichend, so daß das System, in dem die Vorrichtung zur Regelung eingesetzt ist, durch den Ausfall der Regelung nicht wesentlich gestört wird. Der Anteil des Regelungfluidstroms, der in den Kühlluftstrom hineingeführt wird, am Gesamtstrom ist insgesamt vorzugsweise kleiner als 50% und insbesondere kleiner als 10%. Der resultierende Ge- samtstrom, der sich aus dem Regelungsfluidstrom mit dem Kühl- luftstrom zusammensetzt, entspricht praktisch dem vorher ein- geleiteten Kühlluftstrom.

Ein weiterer Vorteil der Regelung eines großen Stroms durch einen kleinen Strom ist darüberhinaus der geringere Energie- einsatz, der hierfür notwendig ist, beziehungsweise der ge- ringe Verbrauch an Regelungsfluidstrom.

In einer speziellen Einleitgeometrie ist der Regelungsflu- idstrom radial in den im Durchflußkanal strömenden Kühlluft- strom einleitbar, d. h. der Regelungsfluidstrom steht mittig und senkrecht oder zumindest mit einer Strömungskomponenten senkrecht auf dem Durchflußkanal. Hierdurch wird eine un- gleichförmige Anströmung des Kühlluftstroms erreicht. Auf diese Weise wird der Strom stark verwirbelt, wobei sich die Verwirbelungsstärke nach den Regelungsparametern des Rege- lungsfluidstroms richtet. Auf diese Weise wird die Durchfluß- rate des Kühlluftstroms mehr oder weniger stark herabgesetzt.

Der Massenstrom wird bei optimaler Einstellung der Einleitge- ometrie und optimalen Regelungsparameterwerten minimal. Bei vorgegebener Einleitgeometrie kann durch Änderung des Rege- lungsdrucks eine kontinuierliche Regelung des Kühlluftstroms vom Normalwert herab bis zu einem Minimalwert vorgenommen werden.

Bei einer anderen Einleitgeometrie ist der Regelungsfluid- strom sekantial in den Durchflußkanal durchströmenden Kühl- luftstrom einleitbar, d. h. der Regelungsstrom steht zwar wei- terhin mit zumindest einer Komponenten senkrecht auf den Kühlluftstromrichtung, ist jedoch nicht mittig angesetzt, al- so bei einem zylindrischen Durchflußkanal beim maximalen Durchmesser des Durchflußkanals, sondern mehr oder weniger weit seitlich daneben, so daß der regelungsfluidstrom ent- sprechend einer Art Sekanten im Fall eines zylindrischen Durchflußkanals in den Kühlluftstrom eingeführt wird. Diese Art der Bezeichnung ist jedoch nicht als Beschränkung auf zy- lindrische Durchflußkanäle zu verstehen sondern kann auch auf andere Kanalformen angewandt werden. Durch diese spezielle Art der Zuführung wird ein Drall im Durchflußkanal und insbe- sondere dem durchströmenden Nutzfluistrom erzeugt. Dieser Drall stabilisiert die Strömung des Kühlluftstroms und erhöht dessen Durchflußrate. Je nach Regelungsparameter des Rege- lungsfluidstroms reicht dementsprechend die Durchflußrate von der ursprünglich eingestellten bis zu einem Maximalwert. Die erreichbaren Werte der Durchflußrate sind bei der tangentia- len wie auch bei der radialen Einströmung neben den Rege- lungsparametern auch stark von der Einleitgeometrie des Rege- lungsfluidstroms und der Geometrie des Durchflußkanals abhän- gig.

Eine in der Anwendung vorteilhafte Geometrie des Durchflußka- nals besteht darin, daß der Durchflußkanal eine Düse und ei- nen nachgeordneten Diffusor mit einem vorbestimmten Öffnungs- winkel aufweist und der Regelungsfluidstrom in einen Über- gangsumfangsbereich zwischen der Düse und dem Diffusor ein- leitbar ist. Diese Ausbildung der Geometrie des Durchflußka- nals ermöglicht eine sehr genaue Regelung des Kühlluftstroms, der erst durch die Düse und dann den Diffusor fließt, wobei ein sehr kleiner Regelungsfluidstrom ausreicht, der zwischen Düse und Diffusor in den Kühlluftstrom eingespeist wird.

Im Falle einer radialen Anordnung der Einleitung des Rege- lungsfluidstroms, wie oben dargestellt, wird der Rege- lungsfluidstrom vorzugsweise im Bereich des Beginns des Dif- fusors eingeleitet. Durch die Einleitung des Regelungsflu- idstroms wird eine ungleichförmige Anströmung des Diffusors erreicht, wobei der Druckrückgewinn des Diffusors herabge- setzt wird. Bei einem starken zugeführten Regelungsfluidstrom wird eine nahezu vollständige Störung der Anströmung er- reicht, wodurch schließlich der Druckrückgewinn nahezu voll- ständig verhindert wird. Auf diese Weise wird die Durchfluß- rate beziehungsweise der Massenstrom durch die Düse minimal.

Fällt der Regelungsfluidstrom aus, durchfließt der ursprüng- lich eingestellte Kühlluftstrom die Düse und den Diffusor.

Bei einer tangentialen Einspeisung des Regelungsfluidstroms in den Kühlluftstrom, wird vorzugsweise der Regelungsflu- idstrom dem mittleren Bereich der Düse zugeführt. Der erzeug- te Drall stabilisiert auf diese Weise die Diffusorströmung.

Der Druckrückgewinn und der Massenstrom durch die Düse wird erhöht. Es sind auch Einleitungen möglich, die zwischen einer extrem sekantialen und einer radialen Einströmung liegen.

Hierdurch erreicht man eine geringere Verwirbelung und zudem einen leichten Drall, was widerum Einfluß auf die Durchfluß- rate ausübt.

Wenn der durchströmte Diffusor einen Offnungswinkel von annä- hernd 10 % aufweist und ein Verhältnis von Einlaßfläche der Düse zur Auslaßfläche des Diffusors von annähernd 1 : 3 be- steht, ist bei einer radialen Einleitung des Regelungsfluid- stroms ein Regelbereich des einzelnen aus Düse und Diffusor bestehenden Drosselorgans von 70 % bis 100 % der ungestörten Durchflußrate zu erzielen. Dieser sehr weite Regelungsbereich kann dadurch eingestellt werden, daß der Druck des Rege- lungsfluidstroms verändert wird.

Wenn der durchströmte Diffusor einen Öffnungswinkel von annä- 'hernd 30 % aufweist una ein Terhãlonis von winlaßfläche der

Düse zur Auslaßfläche des Diffusors von annähernd 1 : 3 be- steht, erhält man einen Diffusor, der nur einen geringfügigen Druckrückgewinn erzeugt. Wird in diesem Fall der Rege- lungsfluidstrom tangential in die Düse eingespeist, erreicht der Regelbereich des aus Düse und Diffusor bestehenden Dros- <BR> <BR> selorgansbeiEistellungdesDrucksdesRegelungsfluids100 bis nahezu 140 % der unbeeinflußten Durchflußrate des Kühl- luftstroms.

Eine Erweiterung des Regelbereiches des Drosselorgans kann dadurch erreicht werden, daß mehrere der oben beschriebenen Vorrichtungen in Reihen oder parallel geschaltet angebracht sind, wobei sie von dem Kühlluftstrom durchströmt sind. Auf diese Weise wird beispielsweise bei einer Reihenschaltung von Drosselorganen ein bei radialer Anströmung auf 70 % der unge- störten Durchflußrate herabgesetzter Kühlluftstrom bei Durch- fluß durch das zweite Drosselorgan wiederum vermindert, wo- durch man eine Herabsetzung der ungestörten Durchflußrate auf annähernd 50 % erreichen kann. Fallen die Regelungsströme aus, fließt wiederum-wie bereits oben dargelegt-der ur- sprünglich eingestellte ungestörte Kühlluftstrom. Es ist also in jedem Fall der Störung der Regelungsvorrichtung ein Kühl- luftstrom vorhanden, was insbesondere für Kühlungen oder an- dere Gasregelungen zur Sicherunge einer gewissen Grundversor- gungsehr vorteilhaft ist, um eine Zerstörung von Anlagen zu verhindern, beispielsweise aufgrund eines Versagens einer Kühlfunktion.

Insbesondere kann der Regelungsfluidstrom ein Regelungsgas- strom sein. Durch die vorgeschlagene Vorrichtung können selbst heiße oder aggressive Gase sicher geregelt werden. Me- chanische Teile, die zum Beispiel durch oxidativen oder kor- rosiven Angriff beschädigt werden könnten und hierdurch ihre Funktion verlieren würden, sind im Zusammenhang mit dem Rege- lungsgasstrom nicht notwendig, um eine kontinuierliche Rege- lung des Nutzgasstroms zu erreichen. Zur Regelung eines hei- <BR> <BR> ßen Nutzga. s-strom. s ist es bei einem. sehr kleinen Regelungsgas-

strom nicht unbedingt notwendig, daß der Regelungsgasstrom dieselbe Temperatur wie das Nutzgas besitzt. Dies erleichtert die Erzeugung und die Einleitung des Regelungsgasstroms, weil keinerlei Temperaturmessung stattfinden muß.

Beide Gasströme können jedoch auch beispielsweise bei Einsatz der Regelungsvorrichtung in einer Gasturbine demselben Gas- vorrat, der in der Gasturbine verdichtet wird, entnommen wer- den, wobei sie nicht dieselben Gasparameter, wie z. B. Druck und Temperatur, aufweisen müssen.

Eine sehr gute Nutzung der oben genannten Vorteile der Rege- lungsvorrichtung ist in einer Gasturbine möglich. Eine Gas- turbine, mit auf Trägerscheiben eingesetzten Laufschaufeln, mit stationär zwischen den Trägerscheiben angeordneten Leit- schaufeln, die von einem radial äußeren Bereich bis zu einem radial inneren Bereich von Kühlluft durchströmt sind und mit jeweils einem Trägerscheibenseitenraum zwischen einer Lauf- schaufel und einer Leitschaufel, dem zumindest ein Teil der durch die Leitschaufel strömenden Kühlluft zuführbar ist, weist besonders hohe Anforderungen an die Haltbarkeit und die Wartungsfreiheit einer Drosselvorrichtung für die in den Trä- gerscheibenseitenraum ausströmende Kühlluft auf, wie bereits einleitend dargestellt. Darüberhinaus liegt eine starke Be- lastung durch hohe Arbeitsgastemperaturen vor.

Bezogen auf die Gasturbine wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest eine Leitschaufel an einem inneren radialen Endbereich eine die Kühlluftzufuhr zum Trägerscheibenseiten- raum beeinflussende Vorrichtung aufweist.

Eine derartige Regelvorrichtung versperrt durch die aus ihr ausgestoßene Kühlluft, auch als"Sperrluft"bezeichnet, und den damit verbundenen"Überdruck"im Trägerscheibenseitenraum gegenüber dem Heißgaskanal eine Luftzufuhr aus dem Heißgaska- nal den Eintritt in den Trägerscheibenseitenraum und verhin- dert somit Beschädigungen. Durch eine derartige Vorrichtung wird die Kühlluttoufuhz dirett am inneren raniaien Fndbereich

der Leitschaufel bei dem Einströmen der Kühlluft in den Trä- gerscheibenseitenraum geregelt, und nicht bereits in dem Kühlluftzufuhrkanal zur Leitschaufel. Eine Regelung im Kühl- luftzufuhrkanal zur Leitschaufel beeinflußt, wie oben darge- stellt, neben der Kühlluftzufuhr zum Trägerscheibenseitenraum auch die Kühlluftzufuhr zu Filmkühlungsbohrungen an der Schaufelnase, was bei sehr niedrigen Drücken der Kühlluft zu unerwünschten Filmabrissen und damit Uberhitzungen der Schau- felnase führen kann. Durch eine Regelung am inneren radialen Endbereich, der beispielsweise auch angrenzende Bauteile der Leitschaufel umfaßt, ist eine Minimierung der benötigten Kühlluftmenge möglich, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Gasturbine führt ohne den Gasdruck an den Filmkühlungsbohrun- gen zu beeinflussen. Die Kühlluftzufuhr kann durch die vorge- schlagene Vorrichtung individuell an die spezielle Geometrie der Schaufeln und der Trägerscheibenseitenräume angepaßt wer- den.

Eine besonders gut regelbare und wartungsarme Vorrichtung zur Beeinflussung der Kühlluftzufuhr zum Trägerscheibenseitenraum einer Gasturbine ist dadurch gegeben, daß am inneren radialen Endbereich einer Leitschaufel eine Regelungsvorrichtung ange- bracht ist, wodurch die Kühlluftzufuhr vom Trägerscheibensei- tenraum mit einem Regelungsluftstrom regelbar ist, wie es in verschiedenen Formen oben dargestellt wurde. Die Erfindung stellt dann sozusagen eine pneumatische bzw. aerodynamische Mengenregelung der Sperrluft dar.

Die Kühlluftzufuhr zum Trägerscheibenseitenraum muß nicht von vorneherein in ihrer Größe bestimmt sein, sobald die Leit- schaufel in der Gasturbine eingebaut ist, sondern kann nach- träglich bezüglich des gewünschten Durchflußverhaltens am in- neren radialen Endbereich mittels des Regelungsluftstroms eingestellt werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteil- haft, weil beim Herstellungsprozeß keine Leitschaufelvorrich- tung exakt einer anderen entspricht und auf diese Weise eine Optimierung der Kuhlluftzufuhr und einer Minimierung des

Kühlluftbedarfs durch leichte Änderungen der Kühlluftströmung nachträglich erreicht werden können. Auf diese Weise wird nicht zuviel Kühlluft verbraucht, jedoch ist gleichzeitig ei- ne sichere Kühlung des Trägerscheibenseitenraums gewährleis- tet.

Eine unabhängige und wartungsarme Vorrichtung zur Zuführung des Regelungsluftstroms zum Drosselorgan am inneren radialen Endbereich einer Leitschaufel ist dadurch gegeben, daß der Regelungsluftstrom durch einen Zuleitungskanal zum Übergangs- umfangsbereich zwischen der Düse und dem Diffusor zuführbar ist, wobei der Zuleitungskanal im Inneren der Leitschaufel untergebracht ist und an seinem äußeren Endbereich eine Rege- lungsvorrichtung zur Einstellung des Regelungsluftdrucks auf- weist. Auf diese Weise kann der Regelungsluftstrom am inneren radialen Endbereich der Leitschaufel sozusagen"ferngesteu- ert"eingestellt werden, ohne daß hierfür komplexe mechani- sche Vorrichtungen vonnöten sind. Der Regelungsluftstrom hält sich seine eigene Zuführung immer von Verunreinigungen frei und ermöglicht somit eine lange Lebensdauer der Drosselungs- vorrichtung. Die Regelung findet außerhalb des durch hohe Temperaturen stark belasteten inneren radialen Endbereichs der Leitschaufel statt, und ist somit der Wartung gut zugäng- lich.

Die Drosselvorrichtung wird auch durch hohe Temperaturbeauf- schlagung nicht in ihrer Funktion geschädigt und weist eine dauerhafte hohe Regelungsgeschwindigkeit auf. Sie kann ohne Schaden auch einmal überbelastet werden, zum Beispiel durch einen zu stark eingestellten Druck des Regelungsluftstroms.

Der Luftstrom prallt dann lediglich an die Wände der Düse be- ziehungsweise des Diffusors, kann diese jedoch nicht ernst- haft beschädigen. Bei Ausfall der Regelung strömt in jedem Fall ein Grundkühlluftstrom, der unabhängig von der Funktion des Regelungsluftstroms vor Inbetriebnahme der Gasturbine beispielsweise durch eine vorbestimmte Größe der Öffnungen im Durchflußkanal und einen fest einzustellenden Kühlluftstrom

so eingestellt werden kann, daß sein Strom für die gewünschte Funktion ausreicht. Wenn der Regelungsluftstrom sehr klein wählbar ist, ist auch der Zuleitungskanal klein und kann so- mit leicht innerhalb der Leitschaufel untergebracht werden.

Außerhalb der Leitschaufel würde er den Betrieb der Gasturbi- ne stören und für eine Regelung unmöglich sein.

Eine große Kontinuität und eine sichere Zuführung des Rege- lungsluftstroms kann dadurch gewährleistet werden, daß der Zuleitungskanal zwischen der in seinem äußeren Bereich ange- brachten Regelvorrichtung und dem Eintritt in den Übergangs- umfangsbereich zwischen der Düse und dem Diffusor einen Zwi- schenbereich aufweist, wobei die Zwischenbereiche von die Kühlluftzufuhr beeinflussenden Vorrichtungen mehrerer Leit- schaufeln einer Trägerscheibe verbunden sind. Dieser Zwi- schenbereich, der eine Art Reservoir für den Regelungsluft- strom darstellt, ermöglicht eine Zuführung eines konstanten Regelungsluftstroms, auch wenn einmal kleinere Schwankungen bei der Zuführung des Regelungsluftstroms auftreten, oder der Druck sich ändert. Eine Verbindung der Zwischenräume ver- schiedener Leitschaufeln durch eine Art Versorgungskanal sta- bilisiert den Regelungsluftdruck weiterhin und ermöglicht da- rüberhinaus eine Verminderung der Anzahl der für die Steue- rung des Regelungsluftstroms benötigten Regelungsvorrichtun- gen.

Darüberhinaus ermöglicht der Zwischenbereich eine Kühlung des ihn umgebenden Materials und dient somit auch der Temperatur- absenkung im Bereich des inneren radialen Endbereichs der leischaufeln.

Verfahren zur Lösung der oben gestellten Aufgabe werden in Anspruch 16 bis 26 gegeben.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei- spiele werden die Vorrichtung und das Verfahren zur Regelung eines Kühlluftstroms insbesondere eines Kühlluftstroms einer Gasterbine nSher eiläuterl. Es 2eígen :

FIG la schematisch eine Nutzfluid-Regelungsvorrichtung im Längsschnitt, FIG lb schematisch einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt aus einer Gasturbine, FIG 2a eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. lb betreffend ein Drosselorgan mit radialer Regelungsluftzufuhr, FIG 2b einen Querschnitt durch eine Regelungsvorrichtung mit radialer Regelungsluftzufuhr, FIG 3a eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. lb mit einer Re- gelungsvorrichtung mit tangentialer Regelungsluftzu- fuhr, FIG 3b einen Querschnitt durch eine Regelungsvorrichtung mit tangentialer Regelungsluftzufuhr nach Fig. 3a und FIG 4 einen Längsschnitt durch mehrere Leitschaufeln mit ver- bundenen Regelungsvorrichtungen.

Fig. la zeigt schematisch und nicht maßstäblich einen prinzi- piellen Aufbau einer Nutzfluid-Regelungsvorrichtung. Das Nutzfluid 1 durchströmt einen Durchflußkanal 2. Der Durch- flußkanal 2 ist in seiner Form nicht festgelegt, wird jedoch hier als zylinderförmig angenommen. Seitlich an den Durch- flußkanal 2 ist ein Regelungsfluidkanal 34 angebracht, durch den dem im Durchflußkanal 2 durchströmenden Kühlluftstrom 1 ein Regelungsfluidstrom 30 zugeführt wird. Die Geometrie des Regelungsfluidkanals 34 ist ebenfalls nicht festgelegt, ins- besondere der Übergang 45 des Regelungsfluidkanals 34 in den Durchflußkanal 2. Je nachdem ob man eine laminare oder eine turbulente Strömung erzeugen möchte, ist es angebracht, einen entsprechenden Übergang 45 zu wählen, beispielsweise angepaß- te, abgerundete Kanten. Der Regelungsfluidstrom 30 kann in mindestens zwei Strömungskomponenten 3 zerlegt werden, wobei immer eine Strömungskomponente 3 quer zur Durchströmungsrich- tung 30 des Kühlluftstroms 1 durch den Durchflußkanal 2 gege- ben ist. Diese Zerlegung in Strömungskomponenten 3 ist vekto- riell zu verstehen, wobei bei der Zerlegung eine Strömungs- komponente 3 so gewahiz wird, daB sie parallel zur Durchströ-

mungsrichtung 35 des Kühlluftstroms 1 durch den Durchflußka- nal 2 ist.

Mit Hilfe des Regelungsfluidstroms 30, der in den Kühlluft- strom 1 eingeleitet wird, kann die Durchflußrate des Kühl- luftstroms 1 eingestellt werden. Dies geschieht dadurch, daß der Kühlluftstrom 1 durch das Einleiten des Regelungsfluid- stroms 30 in seinem Fließverhalten verändert wird. Grundsätz- lich sind zwei primäre Veränderungen der Durchflußrate denk- bar, einerseits die Beschleunigung und andererseits die Be- hinderung der Strömung des Kühlluftstroms durch den seitlich eingeleiteten Regelungsfluidstrom 30. Die Stärke und Art der Regelung des Kühlluftstroms 1 durch den Regelungsfluidstrom 30 hängt einerseits von der Einleitgeometrie des Rege- lungsfluidstroms 30 in den Kühlluftstrom 1 ab. Hierunter ist beispielsweise der Übergang 45 des Regelungsfluidkanals 34 in den Durchflußkanal 2 zu verstehen, beispielsweise ein Ansatz mit Kanten oder ein abgerundeter Ansatz. Auch die Winkel 17 am Übergang 45 Regelungsfluidkanal 34-Durchflußkanal 2 können verändert werden und somit die Richtung des einströmenden Re- gelungsfluidstroms 30. Auch die Größe des Regelungsfluidka- nals 34, insbesondere seiner Dicke 36 kann verändert werden.

Weitere Einflußmöglichkeiten bestehen beispielsweise in der Wahl einer bestimmten Geometrie des Durchflußkanals 2. So kann der Durchflußkanal größer oder schmaler gewählt werden oder mit einer trichterförmigen Auslaßöffnung 25, wie in Fig. lb, 2a und 3a dargestellt. Liegen die Geometrien der An- ordnung fest, kann der Kühlluftstrom 1 weiterhin nach Maßgabe von Regelungsparametern des Regelungsfluidstroms 30 einge- stellt werden. Als Regelungsparameter ist insbesondere die Einstellung des Drucks des Regelungsfluidstroms 30 vorge- schlagen.

Eine Regelung des Kühlluftstroms 1 durch einen Regelungsflu- idstrom 30 ist bereits mit sehr kleinen Durchflußraten des Regelungsfluidstroms 30 möglich. Auf diese Weise kann der Re- gelungsfluidkanai 34 gegenüber dem DurchfluBkanal 2 sehr

klein gehalten werden und die gesamte Vorrichtung auch an sehr unzugänglichen Stellen beispielsweise im Inneren von Ma- schinen leicht untergebracht werden.

FIG lb zeigt schematisch und nicht maßstäblich einen Aus- schnitt aus einer Gasturbine, mit auf Trägerscheiben 7 einge- setzten Laufschaufeln 8 und mit stationär zwischen den Trä- gerscheiben 7 angeordneten Leitschaufeln 11. Die Laufschau- feln 8 werden dabei vom Heißgasstrom 22 angetrieben, wobei der Heißgasstrom 22 zwischen den Laufschaufeln 8 und den Leitschaufeln 11 hindurchströmt. Dabei werden sowohl die Laufschaufeln 8 als auch die Leitschaufeln 11, die stationär an dem Umfang der Gasturbine angebracht sind, durch die hohen Temperaturen des Heißgasstroms 22 belastet. Zwar werden die Schaufeln aus hochwarm beständigem Material hergestellt, je- doch ist häufig eine weitere Kühlung vonnöten.

Die in Figur lb dargestellte Kühlung der Leitschaufel 11 be- steht darin, daß Kühlluft 1 vom Umfang der Gasturbine dem radial äußeren Bereich 9 durch das Innere der Leitschaufel 11 bis zu einem radial inneren Bereich 10 der Leitschaufel 11 geleitet wird. Das Ausströmen der Kühlluft 1 geschieht im wesentlichen an Filmkühlungsbohrungen 28, die einen Kühlfilm außen an der Leitschaufel 11 erzeugen, wie auch durch einen Ableitungskanal im radial inneren Bereich 10 der Leitschaufel 11, der eine Düse 2 und einen Diffusor 3 aufweist. Die aus- strömende Kühlluft 1 wird dabei in den Trägerscheibenseiten- raum 12 geleitet, der zwischen jeweils einer Laufschaufel 8 und einer Leitschaufel 11 gebildet wird. Der Trägerscheiben- seitenraum 12 ist im wesentlichen begrenzt durch die Seiten- wand 38 des Fußes 26 der Laufschaufel 8, einem oberen Bereich 27, der Trägerscheibe 7 benachbart, auf der der Fuß 26 der Laufschaufel 8 befestigt ist, eine untere Seitenwand 39 der Leitschaufel 11 und den Kragen 37 der Laufschaufel 8 sowie den Kragen 40 der Leitschaufel 11, wobei die Kragen durch ei- ne Dichtlippe 20 untereinander abgedichtet sind. Diese Ver- bindung der beiden Kragen 3'7 und 40 trennt den Hei3gaskanal

18 für den Heißgasstrom 22 vom Trägerscheibenseitenraum 12.

Die Heißgasluft 22 kann jedoch an der Dichtlippe 20 teilweise in den Trägerscheibenseitenraum 12 eindringen und ihn uner- wünscht aufheizen, was durch die vorgeschlagenen Kühlung ver- hindert wird.

An ihrem radial inneren Bereich 10 ist die Leitschaufel 11 mit Ubergangsdichtungen 24 versehen, wobei insbesondere die Enddichtung 21 zwischen dem radial inneren Bereich 10 der Leitschaufel 11 und der Wand 27, die den Trägerscheibensei- tenraums 12, der an der Trägerscheibe 7 anliegt, beachbart ist, zwei an der Leitschaufel 11 angrenzende Trägerscheiben- seitenräume 12 voneinander trennt. Die durch die Düse 2 und den Diffusor 3 austretende Kühlluft 1 wird von einer Rege- lungsvorrichtung 23 geregelt, die über einen Zuleitungskanal 14, der radial durch das Leitschaufelinnere verläuft, einen Regelungsluftstrom 4 einem aufgeweiteten Zwischenbereich 15 zuleitet, von dem ein Kanal 16 abführt, der den zugeführten Regelungsluftstrom 4 in die Düse 2, beziehungsweise den Dif- fusor 3 bzw. den Obergangsumfangsbereich 5 zwischen Düse 2 und Diffusor 3 einleitet. Der Regelungsluftstrom 4 ist durch eine Regelungsvorrichtung 23, die sich vorzugsweise am oberen Bereich des Zuleitungskanals 14 befindet, geregelt. Auf diese Weise wird dem durch die Düse 2 und den Diffusor 3 ausströ- menden Kühlluftstrom 1 in unterschiedlicher Strömungsstärke ein Regelungsluftstrom 4 zugeführt, der die Durchflußrate des Kühlluftstroms 1 verstärkt oder vermindert.

Die verstärkende Funktion tritt insbesondere dann auf, wenn, wie in FIG 3a beziehungsweise 3b gezeigt, der vom aufgeweite- ten Zwischenbereich 15 abführende Kanal 16 sekantiell an den Übergangsumfangsbereich 5 angebracht ist, so daß ein Drall entsteht, der die hindurchströmende Kühlluft 1 mit sich reißt und auf diese Weise die Durchflußrate verstärkt. Eine Verminderung der Durchflußrate tritt insbesondere dann auf, wie in FIG 2a und 2b gezeigt, wenn der vor dem Zwischenbe- reich 15 abführende Kanal 16 radial, das heibt also nahezu

mittig in den Bereich der Düse 2 hineingesetzt ist, so daß die einströmende Regelungsluft 4 den durchströmenden Kühl- luftstrom 1 zusammendrückt beziehungsweise in seiner Durch- flußrate behindert.

Bei bestimmten, vorgegebenen Verhältnis der Einlaßfläche 30 der Düse 2 zu der Auslaßfläche 25 des Diffusors 3, lassen sich feste Regelbereiche der Regelungsvorrichtung erreichen.

Durch den langen und recht dünnen Zuleitungskanal 14, der die Regelungsluft innerhalb der Leitschaufel 11 dem aufgeweiteten Zwischenbereich 15 zuführt, kann auch an einer weiter ent- fernten Regelungsvorrichtung 23 Einfluß auf die"ferngesteu- erten"Einstellungsvorgänge im Drosselorgan 42 genommen wer- den. Auf diese Weise erhält man ein nahezu wartungsfreies Drosselelement am radial inneren Endbereich 13 der Leitschau- fel 11, der auch daran angrenzende Bauteile umfassen kann, also an einer für übliche Regelungs-und Wartungsvorgänge schlecht zugänglichen Stelle der Leitschaufel 11. Zugleich ist jedoch eine sparsame Verwendung der Kühlluft 1 dadurch gewährleistet, daß der Regelungsluftstrom 4 durch die Rege- lung 23 leicht so eingestellt werden kann, daß lediglich die genau benötigte Kühlluftmenge 1 durch die Düse 2 bezie- hungsweise den Diffusor 3 in den Trägerscheibenseitenraum 12 hinausströmt und nicht ein unnötig starker Kühlluftstrom 1.

Gleichzeitig ist durch die genaue Einstellung ist ein Abbre- chen der Filmkühlung der durch die Filmkühlungsbohrungen 28 hindurchströmenden Kühlluft 1 verhindert.

FIG 4 zeigt einen Längsschnitt durch mehrere durch einen auf- geweiteten Zwischenbereich 15 verbundene Regelungsvorrichtun- gen von nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 11. Der Re- gelungsluftstrom 4 wird dabei durch eine Regelung 23 für meh- rere Leitschaufeln 11 gesteuert, es können jedoch auch mehre- re Regelungen 23 angebracht sein.