EP0838595B1 - Schaufelträger für einen Verdichter - Google Patents

Schaufelträger für einen Verdichter Download PDF

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EP0838595B1
EP0838595B1 EP97810716A EP97810716A EP0838595B1 EP 0838595 B1 EP0838595 B1 EP 0838595B1 EP 97810716 A EP97810716 A EP 97810716A EP 97810716 A EP97810716 A EP 97810716A EP 0838595 B1 EP0838595 B1 EP 0838595B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade carrier
cooling
compressor
ring
carrier according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97810716A
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English (en)
French (fr)
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EP0838595A2 (de
EP0838595A3 (de
Inventor
Pierre Meylan
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP0838595A2 publication Critical patent/EP0838595A2/de
Publication of EP0838595A3 publication Critical patent/EP0838595A3/de
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Publication of EP0838595B1 publication Critical patent/EP0838595B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the invention relates to a blade carrier for an axially flowed through compressor, preferably for a thermal highly loaded high pressure compressor, the blade carrier is provided with cooling channels, which are in a closed circuit are flowed through by a coolant.
  • Cooled or heated blade carriers for turbomachinery are well known.
  • the start-up problems of a steam turbine to solve it is already known from BE-A 549 186 between a system for the blade carrier and external insulation consisting of pipes, channels, lines and the like circular or to arrange spirally around the blade carrier, to this by supplying external heat at any time on a Maintain target temperature.
  • a temperature control of the compressor housing in which the temperature of the compressor housing is lowered in a controlled manner by a more or less strong flow of cooling air or cooling water.
  • the cooling air is removed from different compressor stages and guided in cooling channels both behind the guide vanes and behind the inner wall of the compressor housing opposite the rotor blades.
  • the cooling water acts on an annular space between an inner housing enclosing the rotor and an outer housing.
  • a sensor for measuring the gap width is connected on the output side to the cooling water feed pump. Depending on the sensor signal, the cooling water is applied to the inner housing.
  • the rotor can also be cooled in modern gas turbines be and are made of ferritic material. Then he is in usually provided with thermal insulation that is ensures that the rotor temperature remains lower than the temperature the combustion air in the respective section at the compressor outlet. In this case, the radial operating cycles bigger than the games when the system is cold, because the rotor temperature is lower than the blade carrier temperature.
  • the basis of the invention The idea is to raise the blade carrier to approx. 70 ° C To cool down to 120 ° C and thus during all operating conditions only a negligible thermal movement to subjugate. This would only make the mechanical and thermal movements of the rotor and take it into account minimal radial play can be achieved in all operating conditions. In particular, the warm start is not a criterion more for the right choice of radial play.
  • this is the beginning of a blade carrier mentioned type achieved in that the blade carrier is equipped with cooling channels, which in the circumferential direction ring-shaped or helical within the blade carrier run and with their inlets and outlets a coherent Form skeleton, which shed with the shovel carrier is.
  • Water is a suitable coolant; possibly could also use a cooling gas or high pressure steam as a coolant Be considered.
  • each cooling ring is provided with a feed line and a discharge line in the form of a ring, so that at least two separate cooling paths can be provided. It then makes sense that at least every second successive cooling ring or at least every second successive loop of the helical arrangement is connected to a separate cooling path in the longitudinal direction of the blade carrier.
  • a single-shaft gas turbine is shown schematically in FIG. which in the example with reheating is equipped.
  • the rotor 10 and the rotor are Blade carrier 11 with a single-stage high-pressure blading 12 or a multi-stage (not shown) Low pressure blading equipped. That of the primary combustion chamber 13 escaping flue gas relaxes under power in the high-pressure blading 12 and reaches a mixing section 25. There is the flue gas via a fuel supply additional fuel and possibly combustion air are added and the mixture is fed to a second combustion chamber.
  • the primary combustion chamber 13 draws the combustion air from the Plenum 14 and is via the fuel line 15 with liquid and / or gaseous fuel.
  • the combustion air enters the plenum 14 from the diffuser 16 of the compressor 17. Its multi-stage high-pressure blading 18 or low-pressure blading 19 becomes on the one hand, formed by blades 18a, 19a, which are turned of the rotor 10 are shoveled. on the other hand are the associated guide vanes 18b, 19b in turns the two-part low-pressure blade carrier 20 and High pressure blade carrier 21 attached. Between high-pressure blading 18 and low pressure blading 19 is a cooling air extraction 22 arranged. To represent the prevailing Problem is believed to result from the combustion air the compression in the low pressure blading at their Outlet already has a temperature of approx. 450 ° C. From Fig.
  • thermally highly loaded blade carrier 21 In order for the thermally highly loaded blade carrier 21 to be an inexpensive one To be able to use material is on the diffuser wall a heat shield 23 attached in a suitable manner.
  • the outside of the blade carrier is against the plenum 14 21 in their entire axial extent over a thermal insulation 24 delimited in the form of a cover plate.
  • the blade carrier is also over its entire length 21 is provided with cooling channels 26, which in closed Circulated by a coolant, here water are. These cooling channels 26 run inside in the circumferential direction of the blade carrier 21 and are in direct current to the compressor flow flows through.
  • FIG. 2 An example of a suitable cooling channel arrangement is shown Fig. 2.
  • the channels 26 are annular and exist from a plurality of side by side at a suitable distance arranged cooling rings 27, each with a feed line 28 and a derivative 29.
  • the cooling rings 27 are fed via a water supply line 30 by means of a circulation pump 31 the cooling water from a pressure vessel 32, which in turn supplied with water by means of a pressure pump 33 becomes.
  • a gas atmosphere Located above the water level in the pressure vessel a gas atmosphere. From the last cooling rings the water is discharged via a water return line 34 and recooled in a heat exchanger 35 before it enters the pressure vessel 32.
  • two separate cooling paths are provided, which is fed from the common water supply line 30 and when leaving the cooling channels in the common Water return line 34 open.
  • Orifices 36 are to be supplied evenly with water arranged upstream of the cooling rings 27 acted upon first.
  • the cooling paths are designed such that every second Cooling ring 27 from the arrangement lies in the same path. How out Fig. 2 recognizable, the first ring 27a draws water from the left supply line 28a. The water flows through the ring 27a in Counterclockwise and is derived from the lead 29a Ring 27a discharged. This derivative 29a communicates via a Connection line 37 with the supply of the next Cooling ring 27. Accordingly, the second ring 27b Water from the right supply line 28b. The water flows through the ring here clockwise and is about the derivative 29b removed from the ring. This derivative 29b communicates again via a connecting line 37 to the supply line of the cooling ring after next 27. In the longitudinal direction of the blade carrier 21 are adjacent cooling channels 26 in opposite directions flows through.
  • this solution offers the advantage that all cooling rings 27 with their supply and discharge lines 28 and 29 and the connecting lines 37 compiled into a skeleton construction can be, for example, by welding. This Skeleton construction can subsequently be carried out with the shovel carrier 21 are shed together.
  • material for the blade carrier 21 offers ductile iron, for example GGG40Mo or cast iron.
  • the cooling rings 27 are preferably made of Steel pipes with a higher melting point than that of the Blade carrier material. Due to the higher coefficient of thermal expansion of stainless steel is during the Always an intimate contact and therefore a good heat exchange guaranteed between the blade carrier and cooling pipes.
  • the ribs can be circular (Fig. 3) or be arranged helically (Fig. 4).
  • longitudinal Crosspieces 41 can be attached to the pipe circumference in several places be (Fig. 6) just like pins 42 (Fig. 5).
  • a numerical example illustrates the mode of operation of the invention: with a wall thickness of approximately 50 to 70 mm of the blade carrier 21 to be cooled, steel tubes with an outer diameter of 20 mm are selected.
  • the thermal insulation of the blade carrier 21 is dimensioned such that the temperature difference between the outside and the inside of the blade carrier 21 should not be greater than 30 K-70 K.
  • the heat transfer due to convection between the combustion air and the blade carrier 21 should be limited to 50-150 W / m 2 K.
  • cooling channel arrangement can be therein exist that the cooling channels 26 are arranged helically and that here too at least two separate cooling paths are provided. This solution corresponds to a two-course one Thread. Even then, every second would be consecutive Loop of the helical arrangement by means of its own closing and Derivatives connected to a separate cooling path his.
  • FIG. 7 Another cooling channel arrangement shown in FIG. 7 can consist in that the cooling channels 26a by milling or Turning incorporated into the outer wall of the blade carrier 21 are and closed with a welded cover band 38 become.
  • a circular or helical channel arrangement are used.
  • the Inlets and outlets of the individual channels 26a and the connecting lines would in this case be outside of the actual Blade carrier 21 are located.
  • As material for the Blade carrier 21 then offers a low-alloy steel on. At 39, they are on the inner wall of the blade carrier 21 provided rotations for the compressor guide vanes 18b designated.
  • the cooling channels could also flow through in counterflow to the compressor flow. Likewise, flowing through all cooling channels in the same direction either clockwise or counterclockwise does not leave the scope of the invention.
  • the new cooling method is not only applicable to stationary gas turbines, but also, for example, to lightweight aircraft turbines. In this case, an aluminum or magnesium alloy is used as the material for the blade carrier to be cooled.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Schaufelträger für einen axial durchströmten Verdichter, vorzugsweise für einen thermisch hochbelasteten Hochdruckverdichter, wobei der Schaufelträger mit Kühlkanälen versehen ist, welche in einem geschlossenem Kreislauf von einem Kühlmittel durchströmt sind.
Stand der Technik
Gekühlte oder beheizte Schaufelträger für Turbomaschinen sind hinlänglich bekannt. Um die Anfahrprobleme einer Dampfturbine zu lösen, ist es bereits aus der BE-A 549 186 bekannt, zwischen dem Schaufelträger und einer Aussenisolation ein System bestehend aus Rohren, Kanälen, Leitungen und dergleichen zirkular oder spiralig um den Schaufelträger herum anzuordnen, um diesen mittels Zufuhr von Fremdwärme jederzeit auf einer Solltemperatur zu halten.
Bei axialen Verdichtern, insbesondere auch Hochdruckverdichtern, wie sie beispielsweise in stationären Gasturbinen oder Turbinen-Triebwerken zur Kompression der Verbrennungsluft verwendet werden, ist zwischen den äusseren Enden der Laufschaufeln und der Innenwand des Verdichtergehäuses ein radiales Spiel in der Grössenordnung von 1 mm vorgesehen, das möglichst klein gehalten werden soll, um den Rückstrom der Luft und die damit einhergehende Verringerung des Wirkungsgrades gering zu halten. Entsprechendes gilt für die Leitschaufelspitzen, die gegen den Rotor dichten.
Die Verringerung des radialen Spiels wird dadurch erschwert, dass sich in unterschiedlichen Betriebszuständen des Verdichters Rotorschaufeln und Verdichtergehäuse in unterschiedlichem Masse ausdehnen bzw. zusammenziehen. Das radiale Spiel muss daher so gewählt werden, dass es unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen, d.h., bei ausgedehnten Rotor und Laufschaufeln und zusammengezogenem Verdichtergehäuse, noch ausreichend ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Veränderung des radialen Spiels sowohl mechanische als auch thermische Ursachen haben kann. Als mechanische Ursache kommt vor allem die radiale Auslenkung des Rotors und der Laufschaufeln durch die bei schneller Rotation angreifenden Fliehkräfte in Frage. Als thermische Ursachen sind unterschiedliche thermische Ausdehnungen in Rotor und Stator aufgrund von Temperaturdifferenzen oder unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien anzusehen sowie die Ovalisation der Gehäuseteile durch die Teilfuge in der Trennebene.
In der Vergangenheit ist eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, die sich mit der aktiven Ausregelung des radialen Spiels (sog "active clearance control") während des Betriebs befassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise wahlweise kältere und/oder wärmere Druckluft, die aus unterschiedlichen Kompressionsstufen stammt, ins Innere des Rotors geleitet werden, um durch eine Steuerung der Temperatur der die Laufschaufeln tragenden Scheiben das radiale Spiel zu steuern.
Neben der oben erwähnten Temperatursteuerung des Rotors ist auch bereits eine Temperatursteuerung des Verdichtergehäuses vorgeschlagen worden, bei der die Temperatur des Verdichtergehäuses durch einen mehr oder weniger starken Kühlluft- oder Kühlwasserstrom kontrolliert abgesenkt wird.
Gemäss US 4230436 wird dabei die Kühlluft an unterschiedlichen Verdichterstufen entnommen und in Kühlkanälen sowohl hinter den Leitschaufeln als auch hinter der den Laufschaufeln gegenüberliegenden Innenwand des Verdichtergehäuses entlanggeführt.
Gemäss JP 58057100 beaufschlagt das Kühlwasser einen Ringraum zwischen einem inneren, den Rotor umschliessenden Gehäuse und einem äusseren Gehäuse. Ein Sensor zur Messung der Spaltweite ist ausgangsseitig mit der Kühlwasserspeisepumpe verbunden. In Abhängigkeit des Sensorsignals erfolgt die Kühlwasserbeaufschlagung des inneren Gehäuses.
Die bekannten Verfahren zur aktiven Spielregelung beziehen sich auf den normalen Betrieb des Verdichters. Sie können daher auch zur Kühlung bzw. Heizung verschiedener Verdichterteile oder -partien auf Verdichterluft unterschiedlicher Temperatur oder - im Falle des Verdichters einer Gasturbine-Heissgas aus dem Triebwerksteil zurückgreifen.
Nicht berücksichtigt ist dabei der Fall des sogenannten "Warmstarts", bei welchem der Verdichter nach einem vorangegangenen Abschalten, aber noch vor einer vollständigen Abkühlung, wieder anläuft: In diesem Fall befinden sich Rotor und Stator auf deutlich unterschiedlichen Temperaturen, da sich der aussenliegende Stator schneller abkühlt und entsprechend zusammenzieht, während der Rotor länger heiss bleibt und entsprechend seine Ausdehnung beibehält. Hierdurch verringert sich das radiale Spiel erheblich. Damit in diesem Zustand ein erneutes Starten möglich wird (Warmstart), muss bei der Auslegung des radialen Spiels dieser Sonderfall berücksichtigt werden, was zu erhöhten Werten des radialen Spiels führt.
Darstellung der Erfindung
Bei modernen Gasturbinen kann der Rotor ebenfalls gekühlt sein und aus ferritischem Material bestehen. Er ist dann in der Regel mit einer thermischen Isolation versehen, die dafür sorgt, dass die Rotortemperatur niedriger bleibt als die Temperatur der Verbrennungsluft im jeweiligen Abschnitt am Verdichteraustritt. In diesem Fall sind die radialen Betriebsspiele grösser als die Spiele im Kaltzustand der Anlage, da die Rotortemperatur niedriger ist als die Schaufelträgertemperatur.
Dem soll Abhilfe geschaffen werden. Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist es, den Schaufelträger auf ca. 70°C bis 120°C herunterzukühlen und ihn damit während allen Betriebsbedingungen nur einer vernachlässigbaren thermischen Bewegung zu unterwerfen. Dadurch wären nur mehr die mechanischen und thermischen Bewegungen des Rotors zu berücksichtigen und es sind minimale Radialspiele bei allen Betriebsbedingungen erzielbar. Insbesondere der Warmstart bildet kein Kriterium mehr für die richtige Wahl des Radialspiels.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Schaufelträger der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Schaufelträger mit Kühlkanälen ausgerüstet ist, welche in Umfangsrichtung ringförmig oder schraubenförmig innerhalb des Schaufelträgers verlaufen und mit ihren Zu-und Ableitungen ein zusammenhängendes Skelett bilden, welches mit dem Schaufelträger vergossen ist. Als Kühlmittel bietet sich Wasser an; gegebenenfalls könnte auch ein Kühlgas oder Hochdruckdampf als Kühlmittel in Betracht gezogen werden.
Der Vorteil der Erfindung ist unter anderm darin zu sehen, dass für einen derartig heruntergekühlten Schaufelträger ein kostengünstiges und gut verarbeitbares Material wie Sphäroguss oder Grauguss verwendet werden kann, im Gegensatz zu den heute üblichen teuren Werkstoffen, wie beispielsweise 10-prozentigem Chromstahl. Darüber hinaus findet infolge der niedrigen Schaufelträgertemperatur keine Ovalisierung statt, und die Möglichkeit einer nahezu vollständig leckagefreien Struktur ist gegeben.
Es ist zweckmässig, wenn bei ringförmiger Ausbildung jeder Kühlring mit einer Zuleitung und einer Ableitung versehen ist, so dass mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen werden können.
Es bietet sich dann an, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers mindestens jeder zweite aufeinanderfolgende Kühlring oder mindestens jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe der schraubenförmigen Anordnung an einen separaten Kühlpfad angeschlossen ist.
Da die Kühlkanäle mit ihren Zu-und Ableitungen ein zusammenhängendes Skelett bilden, so kann dieses in die Gussform des Schaufelträgers eingebracht und zusammen mit dem Schaufelträger vergossen werden.
Zwar ist es bereits aus der US-A-4,386,885 bekannt, Kühlkanäle in einen Schaufelträger einzugiessen. Jedoch handelt es sich dabei um die Kühlung von Gasturbinenschaufeln, wozu in Axialrichtung der Maschine verlaufende und mit den Leitschaufelfüssen kommunizierende Rohre im Schaufelträger angeordnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer stationären Gasturbine dargestellt.
Es zeigen:
Fig.1
einen Teillängschnitt durch den Verdichter der Gasturbine;
Fig.2
ein Prinzipschema einer Kühlkanalanordnung;
Fig.3 bis 6
Ausführungsbeispiele von Kühlrohren;
Fig.7
eine Variante einer Kühlkanalanordnung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig 1 ist schematisch eine einwellige Gasturbine dargestellt, welche im Beispielsfall mit einer Zwischenerhitzung ausgrüstet ist. Turbinenseitig sind der Rotor 10 und der Schaufelträger 11 mit einer einstufigen Hochdruckbeschaufelung 12 respektive einer (nicht dargestellten) mehrstufigen Niederdruckbeschaufelung bestückt. Das der Primärbrennkammer 13 entströmende Rauchgas entspannt sich unter Leistungsabgabe in der Hochdruckbeschaufelung 12 und gelangt in eine Mischstrecke 25. Dort wird dem Rauchgas über eine Brennstoffzufuhr weiterer Brennstoff und gegebenenfalls Verbrennungsluft beigemischt und die Mischung einer zweiten Brennkammer zugeführt.
Die Primärbrennkammer 13 bezieht die Verbrennungsluft aus dem Plenum 14 und wird über die Brennstoffleitung 15 mit flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff versorgt.
In das Plenum 14 gelangt die Verbrennungsluft aus dem Diffusor 16 des Verdichters 17. Dessen mehrstufige Hochdruckbeschaufelung 18 respektive Niederdruckbeschaufelung 19 wird einerseits von Laufschaufeln 18a, 19a gebildet, die in Eindrehungen des Rotors 10 eingeschaufelt sind. Andererseits sind die zugehörigen Leitschaufeln 18b, 19b in Eindrehungen der zweiteilig ausgebildeten Niederdruckschaufelträger 20 und Hochdruckschaufelträger 21 befestigt. Zwischen Hochdruckbeschaufelung 18 und Niederdruckbeschaufelung 19 ist eine Kühlluftentnahme 22 angeordnet. Zur Darstellung des vorherrschenden Problems wird angenommen, dass die Verbrennungsluft infolge der Verdichtung in der Niederdruckbeschaufelung an deren Austritt bereits eine Temperatur von ca. 450°C aufweist. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die Innenseite des schräg verlaufenden Teils des Hochdruckschaufelträgers 21 dieser Temperatur ausgesetzt ist. In der Hochdruckbeschaufelung 18 wird die Verbrennungsluft auf ihren Enddruck verdichtet und erreicht hierbei eine Temperatur von ca. 550°C, mit welcher sie über den Diffusor 16 in das Plenum 14 ausgestossen wird. Die gesamte Aussenseite des Hochdruckschaufelträgers 21 sowie ihre den Diffusor 16 begrenzende Innenwandung ist dieser Austrittstemperatur ausgesetzt.
Um für den thermisch hochbelasteten Schaufelträger 21 ein kostengünstiges Material verwenden zu können, ist an der Diffusorwandung ein Hitzeschutzschild 23 auf geeignete Art angebracht. Gegen das Plenum 14 ist die Aussenseite des Schaufelträgers 21 in ihrer ganzen axialen Erstreckung über eine thermische Isolation 24 in Form eines Abdeckbleches abgegrenzt. Ebenfalls über seine ganze Länge ist der Schaufelträger 21 mit Kühlkanälen 26 versehen ist, welche in geschlossenem Kreis von einem Kühlmittel, hier Wasser, durchströmt sind. Diese Kühlkanäle 26 verlaufen in Umfangsrichtung innerhalb des Schaufelträgers 21 und sind im Gleichstrom zur Verdichterströmung durchströmt.
Ein Beispiel für eine zweckmässige Kühlkanal-Anordnung zeigt Fig. 2. Die Kanäle 26 sind ringförmig ausgebildet und bestehen aus einer Mehrzahl von in geeignetem Abstand nebeneinander angeordneten Kühlringen 27 mit je einer Zuleitung 28 und einer Ableitung 29. Angespeist werden die Kühlringe 27 über eine Wasserzufuhrleitung 30 mittels einer Umwälzpumpe 31. Bezogen wird das Kühlwasser aus einem Druckhaltegefäss 32, welches seinerseits mittels einer Druckpumpe 33 mit Wasser versorgt wird. Über dem Wasserniveau im Druckhaltegefäss befindet sich eine Gasatmosphäre. Aus den jeweils letzten Kühlringen wird das Wasser über eine Wasserrückführleitung 34 abgeführt und in einem Wärmeaustauscher 35 rückgekühlt, bevor es in das Druckhaltegefäss 32 gelangt.
Im Beispielsfall sind zwei getrennte Kühlpfade vorgesehen, die aus der gemeinsamen Wasserzufuhrleitung 30 angespeist werden und beim Austritt aus den Kühlkanälen in die gemeinsame Wasserrückführleitung 34 münden. Um die beiden Pfade gleichmässig mit Wasser zu versorgen, sind jeweils Blenden 36 stromaufwärts der zuerst beaufschlagten Kühlringe 27 angeordnet.
Die Kühlpfade sind derart ausgebildet, dass jeder zweite Kühlring 27 aus der Anordnung im gleichen Pfad liegt. Wie aus Fig. 2 erkennbar, bezieht der erste Ring 27a Wasser aus der linken Zuleitung 28a. Das Wasser durchströmt den Ring 27a im Gegenuhrzeigersinn und wird über die Ableitung 29a aus dem Ring 27a abgeführt. Diese Ableitung 29a kommuniziert über eine Verbindungsleitung 37 mit der Zuleitung des übernächsten Kühlringes 27. Dementsprechend bezieht der zweite Ring 27b Wasser aus der rechten Zuleitung 28b. Das Wasser durchströmt den Ring hier im Uhrzeigersinn und wird über die Ableitung 29b aus dem Ring abgeführt. Diese Ableitung 29b kommuniziert wiederum über eine Verbindungsleitung 37 mit der Zuleitung des übernächsten Kühlrings 27. In Längsrichtung des Schaufelträgers 21 werden demnach benachbarte Kühlkanäle 26 gegensinnig durchströmt.
Es versteht sich, dass eine derartige Ringanordnung selbstverständlich nicht rein zylindrisch sein muss, wie in Fig. 2 dargestellt ist, sondern dass gemäss der Darstellung in Fig. 1 die Kühlkanäle 26 auch radial übereinander oder in der Schrägen verlaufen können. Den erforderlichen Abstand zwischen zwei benachbarten Ringen 27a, 27b wird der Fachmann aufgrund der jeweils lokal abzuführenden Wärme wählen.
Unabhängig von der tatsächlichen Geometrie der Kühlanordnung bietet diese Lösung den Vorteil, dass sämtliche Kühlringe 27 mit ihren Zu- und Ableitungen 28 respektive 29 und den Verbindungsleitungen 37 zu einer Skelettkonstruktion zusammengestellt werden können, beispielsweise durch Schweissen. Diese Skelettkonstruktion kann in der Folge mit dem Schaufelträger 21 zusammen vergossen werden. Als Material für den Schaufelträger 21 bietet sich Sphäroguss an, beispielsweise GGG40Mo oder Grauguss. Die Kühlringe 27 bestehen vorzugsweise aus Stahlrohren mit einem höheren Schmelzpunkt als jener des Schaufelträgermaterials. Bedingt durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von rostfreiem Stahl ist während des Betriebes stets ein inniger Kontakt und damit ein guter Wärmeaustausch zwischen Schaufelträger und Kühlrohren gewährleistet.
Um diesen Wärmeaustausch noch zu fördern, können die Kühlrohre gemäss den Figuren 3 bis 6 an ihrem Aussenumfamg mit angeschweissten Rippen 40, Stegen 41 oder Stiften 42 versehen sein. Die Rippen können dabei kreisförmig (Fig. 3) oder schraubenförmig (Fig. 4) angeordnet sein. Längsgerichtete Stege 41 können an mehreren Stellen am Rohrumfang angebracht sein (Fig. 6), genau so wie Stifte 42 (Fig. 5).
Ein Zahlenbeispiel verdeutlicht die Wirkungsweise der Erfindung: Bei einer Wandstärke von ca. 50 bis 70 mm des zu kühlenden Schaufelträgers 21 werden Stahlrohre von 20 mm Aussendurchmesser gewählt. Die thermische Isolierung des Schaufelträgers 21 wird so dimensioniert, dass zwischen Aussenseite und Innenseite des Schaufelträgers 21 die Temperaturdifferenz nicht grösser als 30 K - 70 K betragen soll. Der durch Konvektion zwischen Verbrennungsluft und Schaufelträger 21 auftretende Wärmetransfer soll auf 50-150 W/m2K begrenzt werden.
Bei einem Schaufelträger 21 einer modernen Anlage hat dies zur Folge, dass eine Wärmemenge von ca. 500 kW über den geschlossenen Wasserkühlkreis abzuführen ist. Wird eine Temperturdifferenz von 20 K zwischen Wassereintritt und Wasseraustritt zugelassen, so erfordert dies eine Wassermenge von 6 Kg/s. Es empfiehlt sich, hierzu mit einem Wasserdruck von 40 bis 80 bar und einer Wassertemperatur von maximal 120°C zu arbeiten.
Eine andere nicht dargestellte Kühlkanal-Anordnung kann darin bestehen, dass die Kühlkanäle 26 schraubenförmig angeordnet sind, und dass auch hier mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen sind. Diese Lösung entspricht einem zweigängigen Gewinde. Auch dann würde jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe der schraubenförmigen Anordnung mittels eigener Zu-und Ableitungen an einen separaten Kühlpfad angeschlossen sein.
Eine weitere in Fig. 7 dargestellte Kühlkanal-Anordnung kann darin bestehen, dass die Kühlkanäle 26a durch Fräsen oder Drehen in die Aussenwand des Schaufelträgers 21 eingearbeitet werden und mit einem aufgeschweissten Deckband 38 verschlossen werden. Auch bei dieser Lösung kann eine zirkulare oder schraubenförmige Kanalanordnung zur Anwendung gelangen. Die Zu- und Ableitungen der einzelnen Kanäle 26a und die Verbindungsleitungen würden sich in diesem Fall ausserhalb des eigentlichen Schaufelträgers 21 befinden. Als Material für den Schaufelträger 21 bietet sich dann ein niedriglegierter Stahl an. Mit 39 sind die an der Innenwand des Schaufelträgers 21 angebrachten Eindrehungen für die Verdichterleitschaufeln 18b bezeichnet.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zur vorgegebenen Strömungsrichtung könnten die Kühlkanäle auch im Gegenstrom zur Verdichterströmung durchflossen sein. Desgleichen verlässt auch ein gleichsinniges Durchströmen aller Kühlkanäle entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn nicht den Rahmen der Erfindung. Abhängig von der Grösse des zu kühlenden Schaufelträgers können selbstverständlich auch mehrere Kühlpfade anstelle der beschriebenen zwei Pfade vorgesehen werden. Die richtige Wahl wird unter anderem eine Frage des zulässigen Druckverlustes innerhalb des Kühlsystems sein.
Schliesslich ist die neue Kühlmethode nicht nur bei stationären Gasturbinen anwendbar, sondern auch beispielsweise bei leichtbauenden Flugzeugturbinen. In diesem Fall wird als Material für den zu kühlenden Schaufelträger eine Aluminiumoder Magnesiumlegierung verwendet.
Bezugszeichenliste
10
Rotor
11
Schaufelträger turbinenseitig
12
Hochdruckbeschaufelung turbinenseitig
13
Primärbrennkammer
14
Plenum
15
Brennstoffleitung
16
Diffusor
17
Verdichter
18
Hochdruckbeschaufelung von 17
18a
  Laufschaufel
18b
  Leitschaufel
19
Niederdruckbeschaufelung von 17
19a
  Laufschaufel
19b
  Leitschaufel
20
Niederdruckschaufelträger von 17
21
Hochdruckschaufelträger von 17
22
Kühlluftentnahme
23
Hitzeschutzschild
24
thermische Isolation
25
Mischstrecke
26, 26a
Kühlkanal
27
Kühlring
28
Zuleitung
29
Ableitung
30
Wasserzufuhrleitung
31
Umwälzpumpe
32
Druckhaltegefäss
33
Druckpumpe
34
Wasserrückführleitung
35
Wärmeaustauscher
36
Blende
37
Verbindungsleitung
38
Deckband
39
Eindrehung für Verdichterleitschaufel
40
Rippe an 27
41
Steg an 27
42
Stift an 27

Claims (7)

  1. Schaufelträger für einen axial durchströmten Verdichter (17), vorzugsweise für einen thermisch hochbelasteten Hochdruckverdichter, wobei der Schaufelträger (21) mit Kühlkanälen (26) versehen ist, welche in einem geschlossenen Kreislauf von einem Kühlmittel durchströmt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26,26a) in Umfangsrichtung ringförmig oder schraubenförmig innerhalb des Schaufelträgers (21) verlaufen und mit ihren Zu-und Ableitungen (28,29) ein zusammenhängendes Skelett bilden, welches mit dem Schaufelträger (21) vergossen ist.
  2. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei ringförmiger Anordnung der Kühlkanäle (26,26a) jeder Kühlring (27) mit einer Zuleitung (28) und einer Ableitung (29) versehen ist.
  3. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei schraubenförmiger Anordnung mindestens zwei separate Kühlpfade vorgesehen sind.
  4. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers (21) benachbarte Kühlkanäle (26,26a) gegensinnig durchströmt sind.
  5. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Schaufelträgers (21) mindestens jeder zweite aufeinanderfolgende Kühlring (27) oder mindestens jede zweite aufeinanderfolgende Schlaufe an einen separaten Kühlpfad angeschlossen ist.
  6. Schaufelträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Kühlpfaden in der Wasserzufuhrleitung (30) eine Blende (36) angeordnet ist.
  7. Schaufelträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (26,26a) im Gleichstrom zur Verdichterströmung durchströmt sind.
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