DE2633222A1

DE2633222A1 - Gasturbinenanlage mit kuehlung der turbinenteile

Info

Publication number: DE2633222A1
Application number: DE19762633222
Authority: DE
Inventors: Bernard Dr Ing Becker
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-07-23
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1978-01-26
Also published as: SE7707890L; GB1541533A; IT1085836B; SE420635B; CH621387A5

Description

KRAi¹TWERE UUION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen: Mülheim a. d. Ruhr VPA 76 P 9464- BRD

Gasturbinenanlage mit Kühlung; der Turbin ent eile.

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 im Kompressor, entnommen werden könnte. Dadurch wird die Leistungsaiifnahnie des Kompressors verringert und die Nutzleistung der Gasturbine entsprechend erhöht. Durch die entsprechend niedrigere 'Temperatur der Kühlluft verbessert sich außerdem der F.ühlluftwir-kungsgrad. Der geringe Vordruck an der Entnähmesteile zwingt jedoch zu einer erheblichen Reduzierung dar Druckverluste auf dem Strömungsweg von der Entnahmestelle bis zum zu kühlenden Bauceil. Diese Aufgäbe wird dadurch erschwert, daß die Luft dabei entgegen der Wirkung des Fliehkraftfeldes im Rotor von der auf großem Durchmesser liegenden Entnahmestelle eu den näher an der Rotorachse liegenden Scheibendurchtrittsöffnungen geführt werden muß. Hierfür sind bisher relativ aufwendige und verlustbehaftete Anordnungen er— forderlich, wie sie beispielsweise in der D^fP-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 Pestkörperwirbel zu überwinden sind. Zur Führung der Luft ist dabei jedoch eins 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

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu schaffen, bei der mit geringem konstruktiven Aufwand uniminimalem Druckverlust bereits in einer niedrigen Verdichterzwischenstufe Kühlluft entnommen und im achsnahen Bereich des Läufers zu den zu kühlenden Turbinenschaufeln geführt werden kann_a 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 DT-OS 2 121 069 beschrieben ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kühlluft aus der Kompressorzwischenstufe über eine Leitvorrichtung derart entnommen wird, daß sie beim Austritt aus der Leitvorrichtung angenähert tangential strömt und eine Relativgeschwindigkeit zum rotierenden System aufweist, die in etwa gleiehe Größe, jedoch umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit der begrenzenden Wände hat» Dadurch kann die Kühlluft mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor eingeführt werden, so daß auch die Druckverluste gering sind.

Die Leitvorrichtung kann dabei aus einem beiderseits abgedeckten und zwischen zwei Kompressorscheiben eingesetzten, radial durchströmten Leitschaufelkranz bestehen derart, daß die Abströmkanten der Schaufeln angenähert tangential verlaufen.

Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn die Leitvorrichtung aus einer an eine Kompressorscheibe in derem äußeren 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 näher erläutert. Dabei zeigen:

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Pig. Λ einen Teillängsschnitt durch, eine Gasturbine im Bereich der letzten Kompressorscheiben und der ersten Turbinenscheibe mit dem Kühlluftverlauf;

Fig. 2 die prinzipielle Darstellung einer Leitvorrichtung;

Fig. 5 das zugehörige Diagramm für Geschwindigkeits- und Druckverlauf sowie

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

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 Gasturbinenscheibe 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 Yerdichterbereich verwendet werden, die 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.

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:

Dabei bedeuten:

to	Xt	^cu²	ler Luft	^cu	= Umfangskomponente
tr		r			der Absolutströmung
P ^β	statischer Druck		U	= Umfangsgeschwindig
S ^β	Dichte c			keit der Wände
r =	Radius

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Daraus ergibt sich, daß besonders hohe Druckverluste bei großer absoluter TJmfangsgeschwindigkeit, 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 inneren Radienbereich c_u 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 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 w zum rotierenden System auf, die in etwa die gleiche Größe, jedoch die umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit u der BegrenzungBwände hat, wie dies deutlich aus dem Diagramm nach Fig. 3 au ersehen ist. Dadurch wird die für die Stärke des Fliohkraftfeldes bestimmende Absolutgeschwindigkeit c 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 quadratischen Abhängigkeit der Druckänderung von der Geschwindigkeit ist auch bei dieser nicht idealen reibiingsbehaf beten Strömung der Druckverlusfc Λ ρ nahezu Null, wie ebenfalls aus dem Diagramm nach Fig. 3 zu ersehen ist. Der Druckverlust ist auf jeden Fall kleiner als bei den bekannten Lösungen, bei denen die Kühlluft in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt wird und sich die Strömungsverhälbnisse wie in einem Festkörperwirbel ergeben und er ist auch kleiner als bei einer freien Führung der Kühlluft über einen Potentialwirbel.

Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen 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

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auf wie die Leitvorrichtung nach. Fig. 2 aus einzelnen Schaufeln.

Die Einströmung in die Leitvorrichtung 11 ist zweckmäßigerweise so zu gestalten, daß die ümfangskomponente 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 Umlenkung in tangential exRichtung zu keinem wesentlichen Verlust.

Die druckverlustarme .Führung der Kühlluft kann somit bei einem einfachen Kühlsystem dazu "benutzt werden, den Kühlluft eintritt um eine oder mehrere Stufen in den Verdichter 2 hinöinzuverlegen. Dadurch verringert sich die Leistungsaufnahme des Verdichters und die Temperatur der Kühlluft, wobei durch diese Temperaturverringerung der Kühlluftwirkungsgi'ad erhöht wird. Diese lurch die Leitvorrichtung S entsprechend Fig. 1 einströmende relativ kühle Kühlluft strömt dann entsprechend den Pfeilen 7 zur Achse des Rotors 1 und von hier im achsnahen Bereich au den zu fühlenden Bereichen an der ersten Gasturbinenscheibe 6, und 2yar sowohl zu den die Schaufelfüße 15 versorgenden Kühlkanal en 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 Drucicverlusten und der rieh von selbst einstellenden Kühlluftströmung im achsnahen Bereich sind zuöätsliehe konstruktive Haßnahmen zur Führung dieser Kühlluft und zur Trennung von der Heißgasströmung nicht erforderlich.

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Claims

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Patentansprüche

(1.) Gasturbinenanlage mit Kühlung der TurMnenteile durch Kühlluft, die aus einer Verdichterzwischenstufe entnommen und innerhalb des Rotors zu der Turbine geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft aus der Kompressorzwischenstufe (4) über eine Leitvorrichtung (8) derart entnommen wird, daß sie beim Austritt aus der Leitvorrichtung (8) angenähert tangential strömt und eine Relativgeschwindigkeit zum rotierenden System aufweist, die in etwa gleiche Große, jedoch umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit der begrenzenden Wände hat.

2« Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung (.8) aus einem beiderseits abgedeckten und zwischen zwei Eompressorscheiben eingesetzten, von außen nach innen durchströmten Schaufelkranz (10) besteht derart, daß die Austrittskanten der »Schaufeln (10) angenähert tangential verlaufen.

3. Gasturbinenanlage r.ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung aus einer an eine Kompressorscheibe (.4) in derem äußeren Eadienboreich angesetzten Ringscheibe (11) mit zylindrischen, am Innepumfang angenähert tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen (12) besteht.

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ORIGINAL INSPECTED