DE19632038A1

DE19632038A1 - Vorrichtung zur Abscheidung von Staubpartikeln

Info

Publication number: DE19632038A1
Application number: DE19632038A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Endres
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-12
Also published as: EP0823541A1; US5837019A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei modernen Turbomaschinen nimmt die Kühlung von thermisch hochbelasteten Aggregaten einen immer größer werdenden Stel lenwert an. Insbesondere wird hier an die Kühlung der Schau feln und des Rotors von Gasturbinen gedacht. Grundsätzlich gilt hier die Maxime, daß Verstopfungen der vorgesehenen Kühlkanäle durch Staub oder größere Partikel auf alle Fälle vermieden werden muß. Kühlkanäle von Schaufeln weisen in der Regel kleine Durchflußquerschnitte auf, nicht selten in der Größenordnung von 1 mm², weshalb spezielle Maßnahmen zur Vermeidung von Verstopfungen vonnöten sind. Bei Luftkühlung besteht eine solche Maßnahme beispielsweise darin, daß die zur Kühlung eingesetzte Luft an der Innenkontur des Schaufel kanals des Verdichters entnommen wird, wo die Staubkonzentra tion niedrig ist. Ferner werden an den Enden der Laufschaufelkühlkanäle Staublöcher von 0.7-1 mm Durchmesser angebracht, welche eine Anhäufung von Staub oder größeren Partikeln verhindern.

Falls aber Dampf oder andere Medien als Kühlmittel verwendet werden, müssen weitergehende Maßnahmen getroffen werden, welche die im Kreislauf zirkulierenden Partikel von den Lauf schaufeln fernzuhalten vermögen.

Dampfkreisläufe sind oft voller Partikel, insbesondere am An fang des Betriebes. Aber auch später durch abspringenden Zun der sind diese Dampfkreisläufe davon durchsetzt. Hiergegen ist es üblich, Dampfsiebe einzusetzen, welche in der Regel Lochdurchmesser von 3-4 mm aufweisen, weshalb sie eher Teile fänger als Staubsiebe sind. Zwar ist es richtig, daß während der Inbetriebsetzung ein Feinsieb mit kleinen Löcher von un gefähr 1 mm Durchmesser vorgelegt werden kann, indessen muß dieses später aus strömungstechnischen Gründen wieder ent fernt werden. Vergleichsweise mußten bei offenbleibenden Entwässerungsöffnungen bei Dampfturbinen die Lochdurchmesser auf mindestens 4 mm erweitert werden, um sicher zu gehen, daß sie nicht bereits nach kurzer Zeit teilweise oder ganz verstopfen. Ferner muß berücksichtigt werden, daß sich die kleinsten Spiele des ganzen Kreislaufes in den Führungen der gegen ein Festsitzen pulsierenden Ventilspindeln befinden. Die Erosion der Beschaufelung kann bei Dampfturbinen ein Pro blem bilden. So gesehen brauchen insbesondere Schaufel kühlkanäle von Gasturbinen mit ca. 1 mm Durchmesser spezielle Maßnahmen. Nach Stand der Technik wird versucht, die Zirku lation von Partikeln im Gesamtkreislauf in mehreren Stufen und an verschiedenen Stellen zu unterbinden. Die verschie denen Maßnahmen verteuern aber nicht unwesentlich die An lage, abgesehen davon, daß damit eine sichere Unterbindung von durch Staubpartikel hervorgerufener Verstopfung nicht er reicht werden kann.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine einfache Vorkehrung vorzuschlagen, durch welche eine Verstopfung der Kühlkanäle durch Staub oder größere Partikel unterbunden wird.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem vor dem Eintritt in den Kühlkreislauf der Gasturbine, also vorzugsweise im Ro tor stromauf der Laufschaufeln, ein oder mehrere Abscheider vorgesehen werden, die sicherstellen, daß die zu Kühlungs zwecken vorgesehenen Kanäle durch Staubpartikel nicht ver stopfen können. Als besonders geeignet wird hier ein Träg heitsabscheider vorgeschlagen, welcher die Fliehkräfte im Ro tor ausnützt, und so die Laufschaufeln von den im Kühlmittel einherströmenden Staubpartikeln maximal schützt. Um diese Fliehkräfte optimal ausnützen zu können, wird dieser Abschei der an geeigneter Stelle in den Rotor integriert, wobei si chergestellt werden muß, daß eine einfache Zugänglichkeit für Inspektionen zu diesem Abscheider gewährleistet bleibt.

Ein solcher Abscheider läßt allenfalls nur noch einen feinen Staub durch, was nicht weiter schlimm ist, denn je nach Dampfdruck ist dieser Staub, soweit er unter 0.5-1 µm bleibt, für die Kühlung harmlos, womit er an sich im Kreislauf ver bleiben kann. Um darüber hinaus sicher zu gehen, daß die Kühlkanäle der Laufschaufeln nicht verstopfen, werden diese Kühlkanäle so ausgelegt, daß der allenfalls in der Strömung verbleibende Reststaub an der Schaufelspitze umgelenkt und zurücktransportiert werden kann, wozu die Geschwindigkeiten und die Druckabfälle des Systems und damit die Schleppkräfte in den Umlenkungen und in den Rückführungskanälen des Kühl mittels innerhalb der Laufschaufeln vollauf genügen, wobei gleich anzuführen ist, daß die erfindungsgemäße Abscheidung von Staubpartikeln nicht ausschließlich auf die Laufschaufeln beschränkt bleibt. Selbstverständlich bleiben die Schaufeln von allfälligen Staubpartikeln unbelastet, wenn die Abscheidung im beschriebenen Rahmen stattfindet.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbei spiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Es zeigt:

Fig. 1 ein rotorinternes Kühlsystem und

Fig. 2 und 3 einen Aufbau eines Trägheitsabscheiders.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt ein rotorinternes System, wie es üblicherweise zum Einsatz gelangt. Der mit Laufschaufeln 2 bestückte Rotor 1 ist nach dem Schweißprinzip aufgebaut, wie dies die Schweißnähte 6 zum Ausdruck bringen. Zwischen den Laufschau feln 2 sind Leitschaufeln 3 ersichtlich, welche zum Stator ebendieser Strömungsmaschine gehören. Ein System von mit ei nem Kühlmittel 14 durchströmten Kanälen durchzieht den Rotor 1, dergestalt, daß die Laufschaufeln 2 entweder parallel oder in Serie gekühlt werden können. Fig. 1 zeigt diesbezüg lich eine Serienschaltung. Aus einem Hauptkühlmittelhohlraum 12 zweigt mindestens ein Zuströmungskanal 4 ab, welcher zunächst von der Mitte des Rotors 1 nach außen führt. Im Be reich der Rotor-Außenfläche 13 ist zu jedem Zuströmkanal 4 ein Abscheider 20 angeordnet, dessen einer hier nur in sche matischer Form angedeutet ist. Der besagte Zuströmungskanal 4 führt radial oder quasi-radial in den Abscheider 20 ein, und zweigt dann über einen in wesentlichen axial oder quasi-axial verlaufenden weiteren Zuströmungskanal 9 ab. Dieser Zuströ mungskanal 9 endet am Ende des schaufelbestückten Rotors 1 in einen Kühlmittel-Umlaufkanal 5, von wo aus über einen Abzwei gekanal 7 eine erste Laufschaufel 2 gekühlt wird. Die Rück strömung des hier eingesetzten Kühlmittels 14, das vorzugs weise ein Dampf ist, aus der gekühlten Laufschaufel 2 ge schieht über einen weiteren Abzweigungskanal 8, der seiner seits intermediär in einen weiteren Kühlmittel-Umlaufkanal 5a endet, wobei von hier aus die Kühlung der verbleibenden Lau felschaufeln nach dargelegter Schaltung vonstatten geht. Aus einem letzten Kühlmittel-Umlaufkanal 5b zweigen in entspre chender Zahl axial oder quasi-axial verlaufende Abströ mungskanäle 10 ab, über welchen das thermisch verbrauchte Kühlmittel 15 zurückströmt. Dieser Abströmungskanal 10 geht dann im Bereich des Abscheiders 20 in einen radial oder quasi-radial verlaufenden Rückströmungskanal 11 über, der das Kühlmittel 15 zu einem weiteren, nicht ersichtlichen Verbrau cher zurückfördert oder aus den Rotor hinaus führt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Abscheider 20 im Bereich der Rotor-Außenfläche 13 plaziert, wodurch sichergestellt ist, daß er auf einfachste Art und Weise für jede sich aufdrän gende Inspektion leicht zugänglich ist. Die spezifische Aus gestaltung des hier genannten Abscheiders 20 wird unter Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt nun detailliert den Aufbau des Abscheiders 20, der an obengenannter Stelle angeordnet ist. Aus Fig. 2 ist das über den Zuströmungskanal 4 beförderte, mit Staubparti keln 21 durchsetzte Kühlmittel 14 ersichtlich. Der Abscheider 20 ist am Ende dieses Zuströmungskanals 4 angebracht, wobei das genannte Kühlmittel 14 dann über den ebenfalls bereits genannten Zuströmungskanal 9 zu den Laufschaufeln 2 geleitet wird. In dem Zuströmungskanal 4 sind die auf die Staubparti kel 21 wirkenden turbinenspezifischen Flieh- und Schlepp kräfte nach außen gerichtet. Die Corioliskräfte konzentrie ren demnach die Staubpartikel 21 auf der in der Drehrichtung des Rotors 1 beschleunigenden Seite, wie dies in Fig. 2 zum Ausdruck gebracht wird. Der hier gezeigte Abscheider 20 ist sonach, seiner Funktion entsprechend, ein Trägheitsabschei der, womit die Abscheidung der Staubpartikel 21 maximiert wird. Der Abscheider 20 weist in der radialen Fortsetzung der Kühlmittel-Strömung einen Ausscheideraum 23 auf, der als Falle zur Einfangung zumindest der größeren Staubpartikel ausgebildet ist. Die feineren und kleinere Staubpartikel, welche von ihrer Masse hergesehen nicht im Ausscheideraum 23 hängen bleiben, werden über einen vom Ausscheideraum 23 ab zweigenden Entleerungskanal 22 in den Rückströmungskanal 11 abgeleitet, von wo aus sie von der Strömung des Kühlmittels 15 erfaßt und abgeführt werden. Zu diesem Zweck müssen die Geschwindigkeit und der Druckabfall des Kühlmittels 15 ent sprechende Werte aufweisen. Dies führt zur Erkenntniss, daß der Abscheider 20 und die mit diesem in Wirkverbindung ste henden Kanäle 4, 9, 10, 11 und 22 aufeinander abgestimmt sein müssen. Insbesondere betrifft dies die Überleitung des Zu strömungskanals 4 über einen Mittelkörper 25 in den bereits beschriebenen Ausscheideraum 23. Die Interdependenz zwischen dem in den radialen Zuströmungskanal 4 hineinragenden Mittel körper 25 und dem in diesem Bereich abzweigenden axialen Zu strömungskanal 9 muß so gehandhabt werden, daß die Staub partikel 21 im Ausscheideraum 23 eingefangen werden können. Die Schleppkräfte der Strömung in diesem Ausscheideraum 23 sind indessen immer noch groß genug, daß die feineren nicht einfangbaren Staubpartikel von dort aus über den Entleerungs kanal 22 abströmen können, um dann, wie bereits beschrieben, über den radialen oder quasi-radialen Rückströmungskanal 11 abgeführt zu werden. Der Abscheider 20 ist in den Rotor 1 so eingebaut, daß er für Inspektionen und Reinigungen des Aus scheideraumes 23 gut zugänglich ist, vorzugsweise so, daß die Maschine zu diesem Zweck nicht geöffnet werden muß. Eine inspektionsfreundliche Konstruktion ist aus Fig. 2 ersicht lich. Der Ausscheideraum 23 wird in radialer Richtung gegen die Rotor-Außenfläche 13 durch eine Hochdruckdichtung 24 ab gedichtet, welche ihrerseits durch einen mehrfach verschraub ten Abschlußdeckel 26 gespannt ist. Falls feinste Partikel über den axialen Zuströmungskanal 9 zu den Laufschaufeln ge langen sollten, so ist dies nicht weiter schlimm, denn der Strömungspfad der Kühlkanäle innerhalb dieser Schaufeln ist so ausgelegt, daß der verbleibende Reststaub an der Spitze der Schaufeln umgelenkt und über den axialen Abströmungskanal 10 zurücktransportiert werden kann.

Fig. 3 zeigt die Einleitung des radialen Zuströmungskanals 4 in den in axialer Richtung verlaufenden Zuströmungskanal 9 zu den zu kühlenden Laufschaufeln. Durch die von der Abscheidung bedingte tangentiale Einströmung des erstgenannten 4 in den zweiten 9 entsteht im Bereich der Einleitung eine Drallströ mung, welche sich innerhalb des Zuströmungskanals 9 fortset zen und so die anschließende Kühlung der Laufschaufeln stark beeintächtigen würde. Als Abhilfe hiergegen werden in diesem Bereich Rippen 27 und Strömungshilfen 28 vorgesehen, welche eine drallfreie, nämlich laminare Strömung 29 bewerkstelli gen. Die Rippen 27 weisen einen im wesentlich rechtwinklig zur Einströmung aus dem Zuströmungskanal 4 angeordneten Durchbruch auf, welcher die Strömung aufteilt und somit eine glättende Wirkung entfaltet. Die in den Zuströmungskanal 9 hineinragende Strömungshilfe 28 festigt dann die sich ge bildete laminare Strömung weiter. Eine solche Strömung bie tet dann Gewähr für eine effiziente größtmögliche Kühlung der thermisch belasteten Teile. Die Einbringung dieser Rippen 27 geschieht durch endseitige axiale Aufbohrung des Zuströmungskanals 9, der dann durch einen Verschlußzapfen 30 gedichtet wird.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Laufschaufeln
3 Leitschaufeln
4 Kühlmittelkanal, radialer Zuströmungskanal
5 Kühlmittel-Umlaufkanal
5a Kühlmittel-Umlaufkanal
5b Kühlmittel-Umlaufkanal
6 Schweißnaht
7 Abzweigungskanal
8 Abzweigungskanal
9 Zuströmungskanal in axialer Richtung
10 Abströmungskanal in axialer Richtung
11 Kühlmittelkanal, radialer Rückströmungskanal
12 Hauptkühlmittelhohlraum
13 Rotor-Außenfläche
14 Kühlmittel, Zuströmung
15 Kühlmittel, Rückströmung
20 Abscheider, Trägheitsabscheider
21 Staubpartikel
22 Entleerungskanal
23 Ausscheideraum
24 Hochdruckdichtung
25 Mittelkörper
26 Abschlußdeckel
27 Rippe
28 Strömungshilfe
29 Drallfreie, laminare Strömung
30 Verschlußzapfen

Claims

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Staubpartikeln innerhalb eines Kühlsystems eines mit Laufschaufeln bestückten Ro tors einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) stromauf der zu kühlenden Laufschaufeln (2) angeordnet und durch mindestens einen mit einem Kühlmittel (14) durchströmten Zuströmungska nals (4) versehen ist, daß der Zuströmungskanal (4) in radialer Richtung innerhalb des Rotors (1) so gerichtet ist, daß die sich im Kühlmittel (14) befindlichen Staubpartikel (21) auf der in der Drehrichtung des Ro tors (1) beschleunigenden Seite ansammeln, und daß diese Staubpartikel (21) anschließend in einem mit dem Zuströmungskanal (4) in Wirkverbindung stehenden Aus scheideraum (23) innerhalb der Vorrichtung (20) einfang bar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) im Bereich der Rotor-Außen fläche (13) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Ausscheideraum (23) mindestens ein Entlee rungskanal (22) abzweigt, welcher in einen radial oder quasi-radial in Gegenströmung zum Zuströmungskanal (4) verlaufenden Rückströmungskanal (11) mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Zuströmungskanal (4) stromab des Ausschei deraumes (23) mindestens ein axial oder quasi-axial ver laufender Zuströmungskanal (9) zur Versorgung der Lauf schaufeln (2) mit dem Kühlmittel (14) abzweigt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem axial oder quasi-axial verlaufen den Kanal (9) in der Strömungsebene des hier einmünden den Zuströmungskanals (4) Mittel (27, 28) zur Erzeugung einer laminaren Strömung (29) im jenen Kanal (9) vorhan den sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausscheideraum (23) mindestens von der Oberflä che (13) des Rotors (1) zugänglich ist.