DE3873130T2 - Zwangskuehlung fuer einen gasturbineneinlasskanal. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen, und im besonderen Mittel zur Reduzierung der Oberflächentemperatur der Übergangskanäle innerhalb dieser Gasturbinen.
• In einer beispielhaften Gasturbine strömt die Luft vom Verdichter in ein Brennkammergehäuse und von dort um Übergangskanäle herum in Brennkammereinsätze. In den Brennkammereinsätzen wird die Luft mit Kraftstoff vermischt und bei hohen Temperaturen verbrannt. Die Verbrennungsgase strömen unter hoher Temperatur und hohem Druck von den Brennkammereinsätzen durch die Übergangskanäle in die Turbine, wo sie sich ausdehnen um Leistung zu erzeugen. In Anwendungen, bei den die mittlere Verbrennungsgastemperatur 1100ºC übersteigt, beginnen die aus herkömmlichen Hochtemperaturlegierungen gefertigten Übergangskanäle nach kurzer Betriebszeit stellenweise Abnutzungserscheinungen auf ihrer oberen Seite zu zeigen. Die unteren und seitlichen Flächen der Übergangskanäle werden gewöhnlich ausreichend gekühlt, um dieses Problem auszuschalten, doch die oberen Flächen werden durch den üblichen Gasstroms aus dem Verdichter nicht ausreichend gekühlt.
• In der Vergangenheit wurden Versuche gemacht, die Temperatur der oberen Fläche der Übergangskanäle durch Anbringen einer Vielzahl von Kühlluftöffnungen in der oberen Fläche zu reduzieren. Bei dieser Anordnung kann die Luft aus dem Verdichter in den Übergangskanal strömen und erzeugt auf diese Weise einen Kühlluftfilm entlang der oberen Fläche. Dieser Luftstrom bewirkt jedoch eine Verzerrung des Brennkammergastemperaturprofils und eine Leistungsminderung der Turbine.
• In CH-A-633 347 und DD-A-127 301 werden verbesserte Kühlverfahren geoffenbart. Diese Anordnungen sehen Leitblechstrukturen um den Übergangskanal und die Brennkammer vor um einen Kühlluftkanal um den Übergangskanal und einen Teil der Brennkammer herum auszubilden, wobei Kühlluftdurchgänge in den Leitblechstrukturen ausgebildet sind, durch die der Luftstrom in den Kühlluftkanal um den Übergangskanal und die Brennkammer gesteuert wird.
• Bei dieser Anordnung wird jedoch die Kühlluftzufuhr durch die Luftdurchlaßöffnungen erzwungen, bevor sie die zu kühlenden Flächen erreicht, so daß relativ kühle Luftströme auf die Übergangskanalwand schlagen. Diese Luftströme bewirken eine ungleichmäßige Kühlung des Übergangskanals bzw. der Brennkammerwände, falls nicht relativ aufwendige und empfindliche zusätzliche Leitbleche zur Ablenkung der Luftströme vorgesehen werden. Zur ausreichenden Kühlung ist es ferner erforderlich, den Kühlluftstrom um den ganzen Übergangskanal und die Brennkammerwände herum zu erzwingen.
• Die Hauptaufgabe der vorliegende Erfindung ist es daher, eine Gasturbinenstruktur bereitzustellen, die eine ausreichende Kühlung der Übergangskanalstruktur bietet.
• Unter Berücksichtigung dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• Im Gegensatz zum obigen Stand der Technik ist in der erfindungsgemäßen Anordnung ein sattelförmiges Glied vorgesehen, das nur um den äußeren, und im Hinblick auf den Luftstrom um den Kanal - in Strömungsrichtung nachgeordneten Oberflächenbereich des Übergangskanals - angeordnet ist, um einen Luftkanal zwischen diesem sattelförmigen Glied und dem Bereich der Außenwand zu bilden, wobei dieses sattelförmige Glied entlang der Mittellinie der oberen Fläche gelocht ist und der Luftstrom auf seinem Weg vom Verdichter um den Übergangskanal herum zur Brennkammer durch diese Löcher gelenkt wird.
• Bei dieser Anordnung wird nicht der relativ kühle Luftstrom zum Übergangskanal, sondern der Luftstrom vom Übergangskanal weg geführt, und die durch diese Führungen geführten Luftströme werden nicht zum Übergangskanal hin, sondern vom Übergangskanal weg gelenkt. Die Anordnung ermöglicht eine wirksame Kühlung der Übergangskanalflächen am - in Bezug auf den Kühlluftstrom - unteren Ende des Übergangskanals in einfacher, kostengünstiger Weise und ohne den Übergangskanal hohen örtlichen Übergangstemperaturen auszusetzen.
• Die Erfindung wird leichter verständlich durch ihre nachfolgende Beschreibung und die nur beispielhaften Zeichnungen, in denen
• Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht eines Teils einer Gasturbine auf dem Stand der Technik darstellt, die den normalen Luftstrom vom Verdichterausgang zum Brennkammereinsatz zeigt;
• Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht einer entsprechenden Turbine, jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Übergangskanals und das zugehörige Sattelglied entlang der Schnittlinie DD in Fig. 2 darstellt; und
• Fig. 4 einen Schnittansicht, ähnlich wie in Fig. 3, darstellt, die eine Alternativlösung zeigt.
• Wenn wir zunächst Fig. 1, auf dem Stand der Technik betrachten, wird ersichtlich, daß die dargestellte Gasturbine einen Verdichterabschnitt 10 und einen Leistungsturbinenabschnitt 11 aufweist. Die verdichtete Luft aus dem Verdichterabschnitt 10 strömt in der durch Pfeile 12 angegebenen Richtung vom Ausgangsende des Verdichters an den Übergangskanälen 13 und am Brennkammereinsatz 14 vorbei, und durch die verschiedenen Öffnungen in den Einsatz, wo sie mit Kraftstoff gemischt und verbrannt wird. Der Ausgang aus der Brennkammer wird durch den Übergangskanal zum Leistungsturbinenabschnitt 11 geführt.
• Wie man sieht, weist die Turbine eine Reihe von Brennkammern und Übergangskanälen auf, wobei letztere in einem Kreis um den zentralen Teil der Turbine angeordnet sind. Der Luftstrom trifft also auf seinem Weg an den Übergangskanälen vorbei zunächst auf die untere Fläche des Übergangskanals und strömt dann zwischen dem Kanal nach oben über die äußere Fläche, oder zurück von der unteren Fläche direkt zur Brennkammer. Es wird ersichtlich, daß normalerweise nur ein kleiner Teil des Luftstroms über die obere Fläche 15 des Übergangskanals strömen würde. Es ist daher klar, daß die Temperatur dieses Abschnitts des Übergangskanals höher ist als die der anderen Flächen, wie z.B. der unteren Fläche und der seitlichen Fläche, die einem stärkeren Luftstrom ausgesetzt sind.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ersichtlich, daß die Gasturbine wie oben einen Verdichterteil 10 und einen Leistungsturbinenabschnitt 11 aufweist und die Luft vom Verdichter zu den Übergangskanälen 13 strömt. Erfindungsgemäß jedoch gibt es eine Vielzahl von Sätteln 16, die den oberen Teil der Übergangskanäle umgeben und die zwischen dem Sattel 16 und der Außenwand 15 des Übergangskanals 13 einen Luftdurchlaß bilden, durch den ein Teil des Luftstroms 12 zwangsgeführt wird, bevor er zur Brennkammer weiterströmt.
• Wie in Fig. 3. im Einzelnen dargestellt wird, strömt ein Teil der Luft zwischen der Außenwand des Übergangskanals 15 und dem Sattel 16 und stellt auf diese Weise sicher, daß die Luft über die obere Fläche des Übergangskanals 13 streicht und sie kühlt. Jeder Übergangskanal 13 wirkt mit einem Sattel 16 zusammen, wobei der Sattel so geformt ist, daß er sich im allgemeinen den Konturen des Übergangskanals 13 anpaßt und entlang seiner Mittellinie eine Reihe von Luftauslaßöffnungen 17 sowie einen erweiterten Randteil aufweist, der nach außen zum benachbarten Sattelglied reicht und dazwischen einen schmalen Spalt läßt, durch den ein Teil der Luft strömen kann, wie aus Fig. 3 noch deutlicher ersichtlich ist.
• Um die Luft unter den Sätteln 16 und über die obere Fläche des Übergangskanals 13 zwangszuführen, ist eine Sperrwand in Form eines konischen Glieds 18 vorgesehen, die an ihrer Innenkante 19 mit dem Gehäuse des Verdichters 10 verbunden ist, und die Öffnungen aufweist, durch die die verschiedenen Übergangskanäle laufen, wie z.B. Öffnung 20. Es wird ersichtlich, daß diese Öffnung etwas größer als der Durchmesser des Übergangskanals ist und somit einen gewissen Luftstrom um den Übergangskanal 13 durch die Sperrwand und durch den Spalt zwischen der Sperrwand und dem Übergangskanal 13 zuläßt.
• Der Sattel 16 ist mit seinem oberen Rand 21 an der Sperrwand 18, und mit seiner Unterkante 22 am Gehäuse des Leistungsturbinenabschnitts 11 befestigt. Es bedarf keiner Zwangsführung, den gesamten Luftstrom unter den Sätteln und über den oberen Flächen der Übergangskanäle zu führen. Die Abstände zwischen den Sätteln und die Abstände zwischen der Sperrwand und dem Übergangskanal ermöglichen einen parallelen Mantelstrom. Die Bildung dieser Mantelströme und auch des durch die Luftauslaßöffnungen 17 nach außen geführten Stroms wird möglichst glatt gehalten, um Turbulenzen zu vermeiden, die einen größeren Leistungsverlust der Turbine zur Folge haben würden und den Wirkungsgrad der Turbine beeinträchtigen würden.
• Wie bereits gesagt, ist es, in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsabfall des aus dem Verdichter strömenden Luftstroms, nicht unbedingt erforderlich, eine Sperrwand zu benutzen. In diesem Fall werden, wie in Fig. 4 dargestellt, die Sättel einfach mittels Stiftschrauben 23 am Übergangskanal befestigt, die in die Oberfläche des Übergangskanals eingeschweißt und an ihrem äußeren Ende am Sattel befestigt sind. Die zwischen den angrenzenden Übergangskanälen durchströmende Luft trifft auf den Sattelrand, wobei ein Teil abgezogen und zwischen dem Sattel und der Oberfläche des mit diesem betreffenden Sattel zusammenwirkenden Übergangskanals durchgeleitet wird. Die Stiftschrauben 23 erfüllen zwei Aufgaben. Sie stützen nicht nur das Sattelstück, sondern haben auch eine wärmeleitende Oberfläche, die die Wärme von der Oberfläche des Übergangskanals an den Luftstrom abgibt, der zwischen den Stiftschrauben 23 durchströmt.
• Es ist offensichtlich, daß nicht nur die Anzahl dieser Stiftschrauben dazu beiträgt, die Wärmeleitung zu verbessern und so den Übergangskanal mit minimaler Störung des Luftstroms zu kühlen, sondern es können auch weitere Mittel, wie z.B. Rippen, auf dem Sattelstück oder zwischen dem Sattelstück und dem Übergangskanal angebracht werden, um den Wärmeaustausch zwischen dem Übergangskanal und dem vorbeiströmenden Luftstrom zu verbessern. Solche Anordnungen vermindern ganz offensichtlich Störungen und Druckverluste im Luftstrom, die durch andere Strukturen hervorgerufen würden, während gleichzeitig der Übergangskanal ohne Materialkorrosion auch mit höheren Temperaturen betrieben werden kann.

Claims (5)

1. Gasturbine einschließlich eines Verdichterabschnitts (10), eines Brennkammerabschnitts, eines Leistungsturbinenabschnitts (11) und eines Übergangskanals (13), der die Brennkammer mit dem Leistungsturbinenabschnitt (11) verbindet, sowie mit Mitteln (16), die an diesen Übergangskanal (13) anliegend angeordnet sind, um den Luftstrom im wesentlichen in gleichmäßiger Verteilung über die Flächen dieses Übergangskanals (13) vom Verdichterabschnitt (10) zur Brennkammer zu führen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zur Führung des Luftstroms über diesen Übergangskanal (13) aus einem sattelförmigen Glied (16) bestehen, das um den - und im Abstand zu dem - äußeren, in Strömungsrichtung des Luftstroms nachgeschalteten Bereich um den Übergangskanal (13) herum angeordnet ist, um einen Luftkanal zwischen diesem sattelförmigen Glied (16) und dem Bereich der Außenwand (15) dieses Übergangskanals (13) zu bilden, wobei dieses sattelförmige Glied (16) mit Luftauslaßöffnungen (17) entlang der Mittellinie der oberen Fläche dieses sattelförmigen Glieds versehen ist, durch die wenigstens ein Teil des Luftstroms (12) vom Verdichter her zwangsläufig auf seinem Weg durch den Übergangskanal zur Brennkammer strömen muß, um die Oberflächentemperatur dieses Übergangskanals (13) auszugleichen.

2. Gasturbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses sattelförmige Glied (16) auf diesem Übergangskanal (13) mittels einer Vielzahl von Stiftschrauben (23) gehaltert wird, die mit diesem Kanal (13) und mit diesem Glied (16) verbunden sind.

3. Gasturbine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrwand (18) vorgesehen ist, durch die sich dieser Übergangskanal (13) erstreckt, wobei diese Sperrwand (18) den Verdichterabschnitt von der Brennkammer trennt und den vom Verdichter kommenden Luftstrom zwingt, durch die Öffnungen (20) in dieser Wand (18) zu strömen.

4. Gasturbine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses sattelförmige Glied (16) mit einem Ende auf dieser Sperrwand (18) und mit dem anderen Ende auf dem Rahmen dieses Leistungsturbinenabschnitts (11) montiert ist.

5. Gasturbine gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses sattelförmige Glied (16) an seiner Innenseite eine Vielzahl von Rippen aufweist.