DE2633291A1

DE2633291A1 - Gasturbinenanlage mit kuehlung durch zwei getrennte kuehlluftstroeme

Info

Publication number: DE2633291A1
Application number: DE19762633291
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: GB1541532A; CH623632A5; SE420636B; IT1085833B; IN149109B; US4127988A; DE2633291B2; DE2633291C3; SE7707891L

Description

KRAFTWERK UNIOli AKTIEuTGESELLSCHAi¹T Unser Zeichen: Mülheim a. d. Suhr £ VPA 76 P 94-57 BRD

Gasturbinenanlage mit Kühlung durch zwei getrennte Kühlluftströme«

Die Erfindung "betrifft eine Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch zwei getrennte Kühlluftströme, von denen der eine aus einer Verdichterzwischenstufe und der andere hinter dem Verdichter abgezweigt ist.

Eine derartige Anlage ist aus der DT-OS 2 261 34-3 bekannt. Bei dieser Anordnung werden durch den hinter dem Verdichter abgezweigten Kühlluftstrom der Hochtemperaturbereich der Turbine und durch den aus der Verdichterzwischenstufe abgezweigte Teilstrom Teile in der mittleren und hinteren Zone der Turbine gekühlt. Die beiden konzentrisch zueinander verlaufenden Kühlluftströme sind dabei durch eine mitrotierende Zwischenwandung voneinander getrennt, was jedoch einen erheblichen konstruktiven Aufwand erfordert.

Ein weiteres wesentliches Problem bei einer derartigen Kühlluftführung stellt der hohe Druckverlust dar, der durch das im Lauf erinnern entstehende Fliehkraftfeld auftritt. Zur Verringerung dieser Verluste werden im allgemeinen zwei Wege angewandt: Die Luft kann in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt werden, wobei neben Reibungsverlusten die Druckunterschiede in sogenanntem Festkörperwirbel zu überwinden sind. Zur Führung der Luft ist dabei jedoch eine relativ aufwendige Konstruktion notwendig. Die zweite Lösung besteht darin, die Luft in einem freien Rotationshohlraum nach innen zu führen, wobei sich ein Potential wirb el ausbildet, dessen Stärke durch eine günstige Formgebung der Eintrittsbohrungen in den Läufer verringert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinen-

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anlage zu schaffen, bei der mit geringem konstruktiven Aufwand eine Kühlung hochbeanspruchter Teile durch zwei getrennte KühlluftstrÖme möglich ist, und bei der die Verluste des Kühlsystems gering gehalten werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der erste Kühlluftstrom aus der Verdichterzwischenstufe mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor in einen achsnahen Bereich und der zweite Kühlluftstrom hinter dem Verdichter mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Rotor in einen radial außenliegenden Bereich geführt ist und daß beide Kühlluftströme den Rotor in konzentrischen Strömen über einen zwischenwandlosen Raum zu den Gasturbinenscheiben durchströmen.

1.5 Zur Führung des ersten Kühlluftstromes in den Rotorinnenraum ist ein an eine Kompressorscheibe angesetzter Leitapparat zweckmäßigerweise in Form einer Ringscheibe mit zylindrischen, am Innenumfang nahezu tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen vorgesehen. Der Leitapparat kann dabei auch durch den äußeren Teil einer Kompressorscheibe gebildet werden.

Der zweite Kühlluftstrom wird zweckmäßigerweise über angenähert radial verlaufende Bohrungen in den Rotor geführt.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

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

Fig. 2 ein Diagramm über Geschwindigkeits- und Druckverläuf an der Stelle II-II nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Leitapparat im Bereich einer Kompressorscheibe;

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Fig. 4 das zugehörige Diagramm für Geschwindigkeits- und Druckverlauf ;

Fig. 5 ein entsprechendes Diagramm für einen Festkörperwirbel und

Fig. 6 für einen Potentialwirbel.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist der Rotor 1 der Gasturbine den Kompressorteil 2 sowie den Gasturbinenteil 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 Gasturbinenscheiben sollen zwei getrennte Kühlluftströme 7 und 8 vorgesehen sein, auf die im einzelnen im folgenden näher eingegangen wird.

Zur Kühlung der hinteren Turbinenstufen sollen Entnahmemengen aus dem mittleren Verdichterbereich verwendet werden, die eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck aufweisen. Diese Kühlluftmengen werden vor der Kompressorscheibe 4 über einen Leitapparat 9 entnommen, der in Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist.

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

dr 5 r

Dabei bedeuten:

ρ = statischer Druck

£ = Dichte

r = Radius

c = Umfangskomponente der Absolutströmungsgeschwindigkeit

Daraus ergibt sich, daß besonders hohe Druckverluste bei großer

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absoluter Umfangsgeschwindigkeit, hoher Dichte, kleinem Radius und großer Radienänderung auftreten. Nach der vorliegenden Erfindung soll nunmehr die Führung der Luft so gestaltet werden, daß in einem möglichst großen inneren Radienbereich c« u ist und somit der Druckverlust minimiert wird. Dazu wird.die Kühl-' luft in einem im äußeren Radienbereich angeordneten Leitapparat 9 so von außen nach innen in den Innenraum 10 geführt, daß sie aus dem Leitapparat 9 nahezu tangential ausströmt. Dazu sind in dem Leitapparat 9 am einfachsten zylindrische Bohrungen 11 vorgesehen, die eine solche Neigung aufweisen, daß sie am Innenumfang nahezu tangential auslaufen. Damit hat die Kühlluft eine Relativgeschwindigkeit w_u zum rotierenden System, die in etwa die gleiche Größe, jedoch die umgekehrte Richtung wie die Umfangsgeschwindigkeit u der Wände hat, wie dies deutlich aus dem Diagramm nach Jig. 4· zu ersehen ist. Dadurch wird die für die . Stärke des Fliehkraftfeldes bestimmende Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Sie ändert ihren Betrag in dem von Einbauten freien 'Ringraum 10 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 1st auch bei dieser nicht idealen reibungsbehafteten Strömung der Druckverlust Δ ρ nahezu Null, wie ebenfalls aus dem Diagramm nach Fig. 4- zu ersehen ist. Der Druckverlust ist auf jeden Fall kleiner als bei bekannten Lösungen, bei der die Kühlluft in radial gerichteten Kanälen nach innen geführt wird und sich die Strömungsverhältnisse in einem Festkörperwirbel entsprechend dem Diagramm nach Fig. 5 ergeben und er ist auch kleiner als.bei einer freien Führung der Kühlluft über einen Potentialwirbel entsprechend dem Diagramm nach Figo

Die Einströmung in den Leitapparat 9 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 Leitapparateintritt an den Kanälen 11 notwendige Radialkomponente führt wegen der Umlenkung in tangentiale Richtung zu keinem wesentlichen Verlust =

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Zur Kühlung des Hochtemperaturbereichs der Turbine ist darüber hinaus ein weiterer Kühlluftstrom 8 mit hohem Druck vom Verdichteraustritt her zu wählen, wie im folgenden beschrieben wird. Dabei sollen jedoch beide Kühlluftströme ohne .Anwendung zusätzlicher Teile wie Trennwände oder ähnl. getrennt geführt werden, ohne daß eine wesentliche Vermischung stattfindet.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, soll dazu in dem Saum 12, in dem beide Kühlluftströme 7 imd- 8 auf unterschiedlichem Druckniveau durch den gleichen Raum führen, ein möglichst starkes Fliehkraftfeld aufgebaut werden« Dies geschieht dadurch, daß die außen strömende, hochverdichtete Luft 8 hinter der letzten Kompressorscheibe 5 über radiale oder nur schwach geneigte Bohrungen 13 in den Rotor eingeführt und ihr somit eine hohe Umfangsgesehwindigkeit (c_u-~ co . r ) mitgeteilt wird* Wegen des großen Radius im Bereich des Außenumfangs des Rotors ist der Drall c .r sehr stark. Da sich der Radius jedoch entlang des vorgesehenen Strömungsweges 8 nur wenig ändert, ist der Druckverlust dabei gering. Auf dem inneren Strömungsweg 7 strömt dagegen die Kühlluft mit kleiner Umfangsgeschwindigkeit (c ~ u^) aus, wobei Radius und Umfangskomponente einen sehr schwachen Drall ergeben. Der äußere, hochverdichtete Kühlluftstrom 8 wird dann über entsprechende Kanäle 14 den hochbeanspruchten Bereichen im Schaufelfuß 15 der ersten Gasturbinenscheibe 6 zugeführt.

Wegen des erheblichen Druckunterschiedes zwischen der äußeren Strömung 8 und der inneren Strömung 7 wird stets eine gewisse Luftmenge von außen nach innen strömen, wie durch die Pfeile 16 angedeutet. Ihre Absolutgeschwindigkeit steigt nach dem Drall-

JO satz umgekehrt proportional dem Radius an; dadurch baut sich ein starkes Fliehkraftfeld auf, in dem bei den im Gasturbinenbau üblichen Umfangsgeschwindigkeiten und Radienverhältnissen die zur Trennung der Hauptluftströme 7 und. 8 benötigten Druckunterschiede erzeugt werden. Die entsprechenden Druck- und Strömungsverhältnisse sind dabei aus dem Diagramm nach Fig. 2 zu ersehen, die praktisch eine "Überlagerung der entsprechenden Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse aus den Diagrammen 6 für den Potentialwirbel und dem unteren Bereich des Diagramms nach Fig. A-

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für den durch den Leitapparat zugeführten ersten Kühlluftstrom 7 darstellen. Untersuchungen haben dabei gezeigt, daß zur Überwindung der Reibmomente sehr kleine Luftmengen ausreichen, so daß der Luftübergang vom äußeren in das innere System relativ gering bleibt, und somit der durch das Zweikreissystem zu erzielende Gewinn durch Verringerung der Verdichterantriebsleistung und Verbesserung des Kühlluftwirkungsgrades im wesentlichen erhalten bleibt. Besondere konstruktive Maßnahmen wie Rohre, Labyrinthe, Hohlwellen oder ähnl. zur Trennung der beiden Kühlluftsysteme voneinander und von der Heißgasströmung sind bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Rotors und seiner Kühllufteintritte nicht erforderlich.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

, Gasturbinenanlage mit Kühlung der Turbinenteile durch zwei getrennte Kühlluftströme, von denen der eine aus einer Verdi chterzwisohenstufe und der andere hinter dem Verdichter abgezweigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlluftstrom (7) aus der Verdichterzwischenstufe (4) mit geringer Absolutgeschwindigkeit in den Rotor (.1) in einen achsnahen Bereich und der zweite Kühlluftstrom (8) hinter dem Verdichter (5) mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Rotor (1) in einen radial außenliegenden Bereich geführt ist, und daß beide Kühlluftströme (,7» 8) den Rotor Ci) in konzentrischen Strömen über einen zwischenwandlosen Raum (.12) zu den Gasturbinenscheiben (6) durchströmen. '■ ■- ,
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur !Führung des ersten Kühlluftstromes (7) in den Rotor-

^: innenraum (10) ein an eine Kompressorscheibe (4) angesetzter . . ■■ Leitapparat (9) in Form einer Ringscheibe mit zylindrischen, am Innenumfang tangential ausmündenden Kühlluftbohrungen (11) vorgesehen ist*
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3. Gasturbinehanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß -'_. der Leitapparat (9) durch den äußeren Teil einer Kompressorscheibe (4) gebildet ist.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlluftstrom (8) über angenähert radial verlaufende Bohrungen^; (1-3) in den Rotor (1) geführt ist.

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