CH621387A5

CH621387A5 - Gas turbine installation with cooling of the turbine parts

Info

Publication number: CH621387A5
Application number: CH662377A
Authority: CH
Inventors: Bernard Dr Becker
Original assignee: Kraftwerk Union Ag
Priority date: 1976-07-23
Filing date: 1977-05-31
Publication date: 1981-01-30
Also published as: SE420635B; DE2633222A1; SE7707890L; IT1085836B; GB1541533A

Description

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu schaffen, bei der mit geringem konstruktiven Aufwand und minimalem Druckverlust bereits in einer niedrigen Verdichterzwischenstufe Kühlluft entnommen und im achsnahen Bereich des Läufers zu den zu kühlenden Turbinenschaufeln geführt werden kann. Beide Lösungen ergeben jedoch einen sehr hohen Druckverlust. Die Erfindung geht dabei aus von einer Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch Kühlluft, die aus einer Verdichterzwischenstufe entnommen und innerhalb des Rotors zu der Turbine geführt ist, wie das beispielsweise in der bereits genannten DE-s OS 2 121 069 beschrieben ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Verdichterzwischenstufe eine Leitvorrichtung aufweist, welche dazu dient, die Kühlluft derart aus der Verdichterstufe zu entnehmen, dass sie beim Austritt aus der io Leitvorrichtung angenähert tangential strömt und eine Relativgeschwindigkeit zum rotierenden System aufweist, die in etwa gleiche Grösse, jedoch umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit der begrenzenden Wände hat. Dadurch kann die Kühlluft mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor 15 eingeführt werden, so dass auch die Druckverluste gering sind.

Die Leitvorrichtung kann dabei aus einem beiderseits abgedeckten und zwischen zwei Verdichterscheiben eingesetzten Schaufelkranz bestehen, welcher dazu bestimmt ist, den Kühl-luftstrom in den Innenraum des Rotors zu leiten, wobei die 20 Austrittskanten der Schaufeln in bezug auf die innere Umfangsfläche des Schaufelkranzes angenähert tangential verlaufen.

Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Leitvorrichtung aus einer an eine Verdichterscheibe in 25 deren äusserem Radienbereich angesetzten Ringscheibe mit zylindrischen, am Innenumfang angenähert tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen besteht.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung 30 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Gasturbine im Bereich der letzten Kompressorscheiben und der ersten Turbinenscheibe mit dem Kühlluftverlauf;

35 Fig. 2 die prinzipielle Darstellung einer Leitvorrichtung;

Fig. 3 das zugehörige Diagramm für Geschwindigkeits- und Druckverlauf sowie

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine spezielle Ausführung einer Leitvorrichtung.

40

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist der Rotor 1 der Gasturbine den Kompressorteil 2 sowie den Turbinenteil 3 auf, wobei zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die beiden letzten Kompressorscheiben 4 und 5 sowie die erste Gasturbinen-45 scheibe 6 gezeigt sind.

Zur Kühlung der Gasturbine ist dabei ein Kühlluftstrom 7 vorgesehen, der im einzelnen noch näher erläutert wird.

Zur Kühlung der Turbinenstufen sollen Entnahmemengen aus dem mittleren Verdichterbereich verwendet werden, die so eine geringe Temperatur und einen geringen Druck aufweisen. Diese Kühlluftmengen werden vor der Kompressorscheibe 4 oder auf einer weiter vorn liegenden Scheibe über einen Leitapparat 8 entnommen, der im einzelnen in den Fig. 2 bzw. 4 dargestellt ist.

ss Wie bereits ausgeführt, ist der Druckverlust im wesentlichen durch das im Rotorinnern entstehende Fliehkraftfeld bedingt. Den Druckgradienten im Fliehkraftfeld kann man dabei im Fall des einfachen radialen Gleichgewichts durch folgende Formel beschreiben:

«o dp Cu2

— = 0

dr r

Dabei bedeuten: p =

Q =

65 r =

Cu =

u =

statischer Druck Dichte der Luft Radius

Umfangskomponente der Absolutströmungsgeschwindigkeit Umfangsgeschwindigkeit der Wände

3

621387

Daraus ergibt sich, dass besonders hohe Druckverluste bei grosser absoluter Umfangsgeschwindigkeit, hoher Dichte,

kleinem Radius und grossen Radienänderungen auftreten.

Nach der vorliegenden Erfindung soll nunmehr die Führung der Luft so gestaltet werden, dass in einem möglichst grossen s inneren Radienbereich cu und somit der Druckverlust minimiert wird. Dazu wird - wie das im Prinzip in Fig. 2 gezeigt ist - die Kühlluft über eine Leitvorrichtung 8 von aussen in den Innenraum 9 des Rotors geführt. Diese Leitvorrichtung kann dabei aus von aussen nach innen durchströmten und sich in xo axialer Richtung erstreckenden kurzen Schaufeln 10 bestehen, die so angeordnet sind, dass die Austrittskanten der Schaufeln 10 angenähert tangential auslaufen. Bei einer dem Volumenstrom entsprechenden Bemessung der Querschnitte weist die Kühlluft eine Relativgeschwindigkeit wu zum rotierenden is

System auf, die in etwa die gleiche Grösse, jedoch die umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit u der Begrenzungswände hat, wie dies deutlich aus dem Diagramm nach Fig. 3 zu ersehen ist. Dadurch wird die für die Stärke des Fliehkraftfeldes bestimmende Umfangskomponente cu der 20 Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Sie ändert ihren Betrag in den von Einbauten freien Ringraum 9 aufgrund des Drallsatzes dann auch nur unwesentlich. Dem Einfluss der Reibung, die einen Mitdrall erzeugt, kann durch einen geringen Gegendrall am Ringraumeintritt entgegengewirkt werden. Wegen der 25 quadratischen Abhängigkeit der Druckänderung von der Geschwindigkeit ist auch bei dieser nicht idealen reibungsbehafteten Strömung der Druckverlust Ap nahezu Null, wie ebenfalls aus dem Diagramm nach Fig. 3 zu ersehen ist. Der Druckverlust ist auf jeden Fall kleiner als bei den bekannten 30 Lösungen, bei denen die Kühlluft in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt wird und sich die Strömungsverhältnisse wie in einem Festkörperwirbel ergeben, und er ist auch kleiner als bei einer freien Führung der Kühlluft über einen Potentialwirbel. 35

Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung einer erfin-dungsgemässen Leitvorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Danach besteht die Leitvorrichtung aus einer beispielsweise an die Kompressorscheibe 4 in derem äusseren Radienbereich angesetzten Ringscheibe 11 mit mehreren zylindrischen, am Innenumfang angenähert tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen 12. Eine derartige Leitvorrichtung ist einfach herzustellen und weist angenähert den gleichen Wirkungsgrad auf wie die Leitvorrichtung nach Fig. 2 aus einzelnen Schaufeln. Die Einströmung in die Leitvorrichtung 11 ist zweckmässigerweise so zu gestalten, dass die Umfangskomponente dem im Verdichter 2 vorhandenen Drall in etwa entspricht. Dadurch wird der Stossverlust verringert. Auch die am Eintritt an den Kanälen 12 notwendige Radialkomponente führt wegen der Umlen-kung in tangentialer Richtung zu keinem wesentlichen Verlust.

Die druckverlustarme Führung der Kühlluft kann somit bei einem einfachen Kühlsystem dazu benutzt werden, den Kühllufteintritt um eine oder mehrere Stufen in den Verdichter 2 hineinzuverlegen. Dadurch verringert sich die Leistungsaufnahme des Verdichters und die Temperatur der Kühlluft,

wobei durch diese Temperaturverringerung der Kühlluftwirkungsgrad erhöht wird. Diese durch die Leitvorrichtung 8 entsprechend Fig. 1 einströmende relativ kühle Kühlluft strömt dann entsprechend den Pfeilen 7 zur Achse des Rotors 1 und von hier im achsnahen Bereich zu den zu kühlenden Bereichen an der ersten Gasturbinenscheibe 6, und zwar sowohl zu den die Schaufelfüsse 15 versorgenden Kühlkanälen 14 als auch in den Bereich hinter dieser ersten Turbinenscheibe 6.

Durch die beschriebene Einführung der Kühlluft in das Innere des Rotors unter sehr geringen Druckverlusten und der sich von selbst einstellenden Kühlluftströmung im achsnahen Bereich sind zusätzliche konstruktive Massnahmen zur Führung dieser Kühlluft und zur Trennung von der Heissgasströ-mung nicht erforderlich.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

621 387

1. Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch Kühlluft, die aus einer Verdichterzwischenstufe entnommen und innerhalb des Rotors zu der Turbine geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterzwischenstufe (4) eine Leitvorrichtung (8) aufweist, welche dazu dient, die Kühlluft derart aus der Verdichterstufe zu entnehmen, dass sie beim Austritt aus der Leitvorrichtung (8) angenähert tangential strömt und eine Relativgeschwindigkeit (Wu) zum rotierenden System aufweist, die in etwa gleiche Grösse, jedoch umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit (u) der begrenzenden Wände hat.

2. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (8) aus einem beiderseits abgedeckten und zwischen zwei Verdichterscheiben eingesetzten Schaufelkranz besteht, welcher dazu bestimmt ist, den Kühlluftstrom in den Innenraum (9) des Rotors (1) zu leiten, und dass die Austrittskanten der Schaufeln (10) in bezug auf die innere Umfangsfläche des Schaufelkranzes angenähert tangential verlaufen.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung aus einer an eine Verdichterscheibe (4) in deren äusseren Radienbereich angesetzten Ringscheibe (11) mit zylindrischen, am Innenumfang angenähert tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen (12) besteht.

Um die Beanspruchung der mit sehr heissen Brenngasen beaufschlagten Laufschaufeln der Gasturbine herabzusetzen, ist es üblich, diese Schaufeln mit kälteren Gasen zu kühlen. Die Kühlluft wird dabei im allgemeinen hinter der letzten Kompressorstufe entnommen und innerhalb des Rotors den Gasturbinenschaufeln zugeführt. Eine bessere Kühlung wäre möglich, wenn die Kühlluft aus einer Kompressorzwischenstufe, d. h. noch weiter vorn in Kompressor, entnommen werden könnte. Dadurch wird die Leistungsaufnahme des Kompressors verringert und die Nutzleistung der Gasturbine entsprechend erhöht. Durch die entsprechend niedrigere Temperatur der Kühlluft verbessert sich ausserdem der Kühlluftwirkungsgrad. Der geringe Vordruck an der Entnahmestelle zwingt jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der Druckverluste auf dem Strömungsweg von der Entnahmestelle bis zum zu kühlenden Bauteil. Diese Aufgabe wird dadurch erschwert, dass die Luft dabei entgegen der Wirkung des Fliehkraftfeldes im Rotor von der auf grossem Durchmesser liegenden Entnahmestelle zu den näher an der Rotorachse liegenden Scheiben-durchtrittsöffnungen geführt werden muss. Hierfür sind bisher relativ aufwendige und verlustbehaftete Anordnungen erforderlich, wie sie beispielsweise in der DT-OS 2 121 069 beschrieben sind. Zur Verringerung dieser Verluste werden dabei im allgemeinen zwei Wege angewandt: Die Kühlluft kann in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt werden, wobei neben Reibungsverlusten die Druckunterschiede im sogenannten Festkörperwirbel zu überwinden sind. Zur Führung der Luft ist dabei jedoch eine relativ aufwendige Konstruktion erforderlich. Die zweite Lösung besteht darin, die Luft in einem freien Rotationshohlraum nach innen zu führen, wobei sich ein Potentialwirbel ausbildet, dessen Stärke durch eine günstige Formgebung der Eintrittsbohrungen in den Läufer verringert werden kann.