DE19834376B4

DE19834376B4 - Verfahren, Einrichtung und Anwendung des Verfahrens zum Kühlen von Leitschaufeln in einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE19834376B4
Application number: DE19834376A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Beeck; Jörgen Dr. Ferber; Jakob Prof. Dr. Keller
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: GB9917114D0; GB2342124A; US6308511B1; GB2342124B; DE19834376A1

Abstract

Verfahren zum Kühlen von Leitschaufeln (15) in einer Gasturbinenanlage, die einen Verdichter (1), zumindest eine Brennkammer (2) und zumindest eine Turbine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines den Verdichter (1) durchströmenden Rohgases zumindest einem Staubabscheider (24, 24') zugeführt wird, in dem durch Fliehkraft Schwebstoffe aus dem Rohgas abgesondert werden, so dass ein Reingas (30) gebildet und dieses Reingas (30) anschliessend in das Innere der Leitschaufeln (15) zumindest eines ersten Leitrades geleitet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Leitschaufeln in einer Gasturbinenanlage, die einen Verdichter, zumindest eine Brennkammer und zumindest eine Turbine aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens sowie eine Anwendung des Verfahrens.
Stand der Technik
Für eine immer grössere Leistungsausbeute wird mit immer höheren Temperaturen gearbeitet, wobei einer leistungsfähigen Kühlung besonders exponierter Bauteile (wie bspw. in der DE 196 48 380 A1 ) eine immer grössere Bedeutung zukommt, so dass auch eine Verringerung der Kühlwirkung durch Verstopfen eines Teils der Kühlkanäle eine grosse Gefahr für einen solchen Bauteil bedeutet. Die Bedeutung der Temperatursenkung im Turbinenleitapparat und hier besonders bei den Leitschaufeln der ersten Stufe ist seit langem bekannt. Wenn man heutzutage bei diesem Bauteil eine Temperatursenkung von z.B. 400°C erreichen will, muss eine effiziente Kühlung bei langer Standzeit gewährleistet werden.
Beim Anfahren einer Gasturbine mit Dampfkühlung wird zunächst ein anderes Kühlmedium benötigt (z.B. Luft), da noch kein Dampf zur Verfügung steht. Wird dann der Dampfkreislauf geöffnet, sind die zu kühlenden Komponenten bereits auf Betriebstemperatur. Hier ergibt sich das Problem, dass der Dampf nach einem Stillstand des Dampfkreislaufs im Leitungsnetz abgelagerte Schwebstoffe (Rost, Schweissperlen, Kondenswassertröpfchen und andere Feststoffe) mitreisst und somit die betriebsheissen Kühlkanäle (Filmbohrungen) ganz oder teilweise verstopfen kann. Weiterhin können mitgerissene Kondenswassertröpfchen zu Schäden an zu kühlenden Bauteilen führen, da durch Thermoschockwirkung örtlich Spannungsspitzen auftreten können. Weiterhin können sich mitgerissene Schwebstoffe an den zu kühlenden Bauteilen, z.B. an Krümmungen der Kanäle ablagern und dort durch ihre Isolationswirkung zu Überhitzung führen. Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass im Verdichter-Austrittsraum (Brennkammerplenum) möglichst nur Reingas strömen sollte. Um das zu erreichen, sind schon verschiedene Massnahmen vorgeschlagen worden, die aber sehr aufwendig sind.
Beispielsweise ist mit der DE 4422965 A1 eine Einrichtung zur Abscheidung von Fremdpartikeln aus der den Laufschaufeln einer Gasturbine zuzuführenden Kühlluft bekannt, bei welcher die Kühlluft über stationäre Dralldüsen als Wirbelströmung einem zwischen Wandteilen eines Turbinenstators und einer Laufradscheibe ausgebildeten Ringraum zugeführt wird. Dabei steht der Ringraum mit in der Radscheibe angeordneten Kanälen für die Zufuhr der Kühlluft in die Laufschaufeln in Verbindung. Innerhalb des Ringraums ist ein Umlenkblech befestigt, mit dem die aus den Dralldüsen austretende Kühlluft vor dem Eintritt in die Kanäle einseitig so umgelenkt wird, dass Fremdpartikel in einen radial äusseren Teil des Ringraums abgeschleudert und zusammen mit einem Sperrluftanteil der zugeführten Kühlluft aus dem Ringraum abgeschieden werden.
Weitere Vorrichtungen zur Abscheidung von Fremdpartikeln, allerdings nicht aus der Kühlluft sondern aus dem eine Turbine antreibenden Gasstrom, sind aus der DE 2514704 B2 und der US 3066912 bekannt, wobei jeweils eine Art Fangkammer Verwendung findet.
Darstellung der Erfindung
Es wird nunmehr bezweckt ein verbessertes Verfahren hierzu aufzuzeigen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des den Verdichter durchströmenden Rohgases zumindest einem Staubabscheider zugeführt wird, in dem durch Fliehkraft Schwebstoffe aus dem Rohgas abgesondert werden, und dass dann das Reingas in das Innere der Leitschaufeln zumindest des ersten Leitrades geleitet wird. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn der Staubabscheider als Axialzyklon ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens gezeigt. Es zeigen:
1 einen schematischen Teillängsschnitt durch eine Gasturbinenanlage,
2 einen als Axialzyklon ausgebildeten Staubabscheider im Längsschnitt, und
3 ein Detail der Gasturbinenanlage in 1, mit verschiedenen Verwendungsweisen des Axialzyklons.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Gasturbinenanlage nach 1 hat einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2 und eine Turbine 3. Die Brennkammer 2 ist von einer Brennkammerhaube 4 um geben, die in einem als Brennkammerplenum 5 ausgebildeten Verdichter-Austrittsraum liegt. Innerhalb der Brennkammerhaube 4 befindet sich ein Brennerplenum 6 (Brenner-Eintrittsraum). Die Brennkammer 2 wird von einem Kühlluftraum 7 umgeben. Das Brennkammerplenum 5, das Brennerplenum 6, die Brennkammerhaube 4, die Brennkammer 2 und der Kühlluftraum 7 sind Rotationskörper um die Gasturbinen-Längsachse 8. Über den Umfang der Brennkammer 2 verteilt ist eine Vielzahl von einzelnen Brennern 9 angeordnet. Es ist noch schematisch ein Gehäuse 10 gezeigt. Das den Verdichter 1 durchströmende Rohgas (Luft) strömt zu einem Teil in Richtung der Pfeile 11 im Brennkammerplenum 5 und zum Teil in Richtung der Pfeile 12 im Kühlluftraum 7.
Der Leitapparat der Turbine 3 hat Leitschaufeln 13 und 14. Es ist noch eine Leitschaufel 15 der ersten Stufe gezeigt, die besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist, bei der also die angestrebte Kühlung besonders zuverlässig wirken muss. Bei der Leitschaufel 15 sind einige Filmbohrungen 16 gezeigt (3), aus denen also das Kühlmedium (Luft) vom Inneren der Leitschaufel 15 her kommend radial (bezüglich der Längenerstreckung der Leitschaufel 15) austritt und als Filmkühlung entlang der Leitschaufelwandung wirkt. Der vorerwähnte Aufbau der Gasturbinenanlage ist bereits bekannt.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird nunmehr die Verwendung zumindest eines Staubabscheider vorgeschlagen, der mit Vorteil als Axialzyklon 24 ausgebildet ist. Ein solcher Axialzyklon (Fliehkraftentstauber ohne Umkehr des Gasstromes) ist an sich bekannt. Siehe hierzu "Lueger" Lexikon der Technik, Band 6, Energietechnik und Kraftmaschinen, Stuttgart 1965, S. 81. Ein solcher Axialzyklon 24 ist in einem Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt. Er hat einen Rohgaseintritt 17, einen Drallapparat 18 (Leitschaufelkranz), einen Zentralkörper 19 sowie zumindest zwei Ausgangskanäle, wobei im Beispiel drei Ausgangskanäle 20, 21 und 22 vorhanden sind.
Durch den Leitschaufelkranz 18 wird dem in Richtung der Pfeile 11 einströmenden Gas eine Wirbelströmung (Potentialwirbel, Festkörperwirbel oder Kombination aus beiden) verliehen. In diesem Zentrifugalfeld werden Schwebstoffe mit grösserer Masse oder grösserem spezifischem Gewicht nach aussen getragen. Es entsteht ein Strömungsfeld, in dem Schwebstoffe nach Masse über den Radius sortiert werden. Über die Ausgangskanäle 21 und 22 werden die Schwebstoffe nach Masse getrennt weggeleitet. Mittels des Zentralkörpers 19 wird ein Wirbelkern vermieden, um unklare Strömungsverhältnisse (sehr hohe Geschwindigkeiten beim Potentialwirbel oder sehr niedrige Geschwindigkeiten beim Festkörperwirbel) zu vermeiden. Der Durchmesser und die Länge des Leitschaufelkranzes 18, des Zentralkörpers 19, des Rohres 23 und der Ausgangskanäle 20–22 sind für die Funktion des Axialzyklons 24 massgebend. Mit diesen Abmessungen wird die Trennschärfe und Grösse der getrennten Schwebstoffe bestimmt. Im Axialzyklon 24 bildet sich somit ein Reingas 30, welches über den zentralen Ausgangskanal 20 weggeführt wird. Über den Ausgangskanal 21 wird ein schwebstoffbeladener Gasstrom 31 mit geringerer Masse der Schwebstoffe und über den Ausgangskanal 22 ein schwebstoffbeladener Gasstrom 32 mit Schwebstoffen einer grösseren Masse weggeführt. In den drei Ausgangskanälen 20, 21 und 22 können nicht dargestellte Ventile oder Klappen vorhanden sein, um die Durchsatzmengen regulieren zu können.
Da im Brennkammerplenum 5 (1) Platz vorhanden ist, könnten bei einem Ausführungsbeispiel zwanzig bis fünfzig solcher Axialzyklone 24 auf einer Ringbahn, über den Umfang verteilt, angeordnet werden, wobei je ein Axialzyklon 24 ein oder mehrere Leitschaufeln 15 mit Reingas 30 beliefert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel könnte sich, wie in 1 angedeutet, auch ausserhalb des Gehäuses 10 ein Axialzyklon 24' befinden. In einem solchen Fall könnte der Axialzyklon 24' auch sehr viel grösser als die vielen kleinen Axialzyklone 24 ausgebildet werden.
In jedem Fall führt der das Reingas 30 aufnehmende Ausgangskanal 20 des Axialzyklons 24 zur Kühlung zum Innern einer Leitschaufel 15 in der eingangs genannten Weise. Wird der eine ausserhalb des Gehäuses 10 liegende Axialzyklon 24' verwendet, erfolgt die Zulieferung des Rohgases über die strichpunktiert gezeigte Leitung 25, wobei das Rohgas von einer Anzapfstelle 26 am Verdichter 1 zugeführt wird. Ein das Reingas 30 aufnehmender Ausgangskanal 20' führt wiederum in das Innere der Leitschaufel 15, wogegen z.B. ein mit Schwebstoffen geringerer Masse beladener Gasstrom 31 über einen Ausgangskanal 21' zur Kühlung der Leitschaufel 13 geleitet wird.
Die Vorteile der Verwendung einer grösseren Zahl kleiner Zyklonabscheider 24 bestehen darin, dass der Abscheidegrad mit abnehmendem Zyklondurchmesser ansteigt und dass komplizierte Verteilungsleitungen vermieden werden können.
Die über die Ausgangskanäle 22 und 21 weggeführten mehr oder weniger schwebstoffbeladenen Gasströme 32, 31 können in verschiedener Weise verwendet werden. Beim Beispiel nach 1 führt der Ausgangskanal 21, in den Kühlluftraum 7. In 3 sind drei weitere Beispiele für die Verwendung der mit Schwebstoffen beladenen Gasströme 31, 32 gezeigt. So kann z.B. ein mit einer grösseren Masse an Schwebstoffen beladener Gasstrom 32 über den Ausgangskanal 22 direkt in die Brennkammer 2 geleitet werden. Bei einem weiteren Beispiel wird ein mit Schwebstoffen geringerer Masse beladener Gasstrom 31 über den Ausgangskanal 21 zwischen die Leitschaufeln 15 und einem Wärmeschutzschild 27 zur Kühlung der Laufschaufeln 28 des ersten Laufrades der Turbine 3 benutzt. Beim dritten Beispiel wird der mit Schwebstoffen geringerer Masse beladener Gasstrom 31 über den Ausgangskanal 21 sowie über einen weiteren Ausgangskanal 29 zu den Leitschaufeln 13 der zweiten Stufe geleitet, um hier eine staubunempfindliche Schaufelkühlung zu erreichen.
Beim Beispiel nach den 1 und 3 folgt dem ersten Leitrad mit den Leitschaufeln 15 das erste Laufrad der Turbine 3 mit den Laufschaufeln 28. Bei einem anderen, nicht dargestellten Beispiel könnte an die Brennkammer 2 eine zweite Brennkammer anschliessen, so dass also in einem solchen Beispiel die Turbine nur aus dem ersten Leitrad mit den Leitschaufeln 15 und aus einem nachgeschalteten Laufrad besteht, dem die zweite Brennkammer folgt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann z.B. bei stationären Gasturbinenanlagen verwendet werden, bei dem die Filmbohrungen in den Leitschaufeln des ersten Leitrades einen Durchmesser von etwa 0,8 mm haben. Das erfindungsgemässe Verfahren kann aber auch bei einer Gasturbinenanlage in einem Luftfahrzeug verwendet werden, bei dem dann die Filmbohrungen in den Leitschaufeln des ersten Leitrades einen Durchmesser von etwa 0,3 mm bis 0,5 mm haben.
Der Axialzyklon hat einen einfachen Aufbau nur weniger Bauteile. Er besitzt keine bewegten Bauteile und kann geringe Abmessungen haben. Er kann daher auch hohen Temperaturen ausgesetzt werden und in grosser Anzahl im Brennkammerplenum 5, sehr nahe an den Leitschaufelköpfen, plaziert werden. Dadurch werden kurze Strömungswege des Reingases 30 erreicht.

1: Verdichter
2: Brennkammer
3: Turbine
4: Brennkammerhaube
5: Verdichter-Austrittsraum, Brennkammerplenum
6: Brennerplenum
7: Kühlluftraum
8: Gasturbinen-Längsachse
9: Brenner
10: Gehäuse
11: Strömungsrichtung im Plenum 5
12: Strömungsrichtung im Raum 7
13, 14: Leitschaufel der Turbine 3
15: Leitschaufel der ersten Stufe
16: Filmbohrungen
17: Rohgaseintritt
18: Drallapparat, Leitschaufelkranz
19: Zentralkörper
20, 21, 22,: Ausgangskanal von 24
20', 21': Ausgangskanal von 24'
23: Rohr
24, 24': Staubabscheider, Axialzyklon
25: Leitung zu 24'
26: Anzapfstelle
27: Wärmeschutzschild
28: Laufschaufel der ersten Stufe
29: Ausgangskanal, von 24
30: Reingas
31: Gas, Gasstrom (gering schwebstoffbeladen)
32: Gas, Gasstrom (stärker schwebstoffbeladen)

Claims

Verfahren zum Kühlen von Leitschaufeln (15) in einer Gasturbinenanlage, die einen Verdichter (1), zumindest eine Brennkammer (2) und zumindest eine Turbine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines den Verdichter (1) durchströmenden Rohgases zumindest einem Staubabscheider (24, 24') zugeführt wird, in dem durch Fliehkraft Schwebstoffe aus dem Rohgas abgesondert werden, so dass ein Reingas (30) gebildet und dieses Reingas (30) anschliessend in das Innere der Leitschaufeln (15) zumindest eines ersten Leitrades geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Staubabscheider (24, 24') ein Axialzyklon verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Turbine ein Leitrad mit Leitschaufeln (15) und ein Laufrad mit Laufschaufeln (28) umfasst, die beide zwischen einer ersten Brennkammer (2) und einer dieser nachgeschalteten zweiten Brennkammer liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Staubabscheider (24, 24') abgesondertes, mit Schwebstoffen beladenes, Gas (31, 32) in einen die Brennkammer (2) umgebenden Kühlluftraum (7) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Staubabscheider (24, 24') abgesondertes, mit Schwebstoffen beladenes, Gas (31, 32) direkt in die Brennkammer (2) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Staubabscheider (24, 24') abgesondertes, mit Schwebstoffen beladenes, Gas (31, 32) in einem Ausgangskanal (21, 21') zwischen den Leitschaufeln (15) des ersten Leitrades und einem Wärmeschutzschild (27) geführt und den Laufschaufeln (28) des ersten Laufrades von aussen her zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Staubabscheider (24, 24') abgesondertes, mit Schwebstoffen beladenes, Gas (31, 32) zur Kühlung in das Innere von Leitschaufeln (13) eines den Leitschaufeln (15) des ersten Leitrades nachgeschalteten weiteren Leitrades geleitet wird.
Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von einzelnen Staubabscheidern (24) über den Umfang einer Ringbahn in einem Verdichter-Austrittsraum (5) verteilt angeordnet ist.
Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Staubabscheider (24') ausserhalb eines Verdichter-Austrittsraumes (5) angeordnet ist.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einer stationären Gasturbinenanlage mit Filmbohrungen (16) in den Leitschaufeln (15) des ersten Leitrades von etwa 0,8 mm Durchmesser.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einer Gasturbinenanlage in einem Luftfahrzeug mit Filmbohrungen (16) in den Leitschaufeln (15) des ersten Leitrades von etwa 0,3 mm bis 0,5 mm Durchmesser.