EP1174589A1 - Staubpartikelnentferner für die Kühlluft einer Gasturbine - Google Patents

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EP1174589A1
EP1174589A1 EP01112349A EP01112349A EP1174589A1 EP 1174589 A1 EP1174589 A1 EP 1174589A1 EP 01112349 A EP01112349 A EP 01112349A EP 01112349 A EP01112349 A EP 01112349A EP 1174589 A1 EP1174589 A1 EP 1174589A1
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EP
European Patent Office
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chamber
cooling air
outlet openings
gas turbine
dirt particles
Prior art date
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EP01112349A
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EP1174589B1 (de
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Norman Roeloffs
Wesley D. Brown
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine with a rotor, a compressor part, a combustion chamber part and a turbine part, in the turbine part Guide vanes are attached to the housing and rotor blades to the rotor.
  • the Guide and rotor blades are cooled by cooling air by passing the cooling air through Channels inside the blades is directed.
  • the invention relates in particular a device for removing dirt particles from the cooling air flow, which avoids clogging of the channels in the blades.
  • a Known method of blade cooling is air cooling, in which air from the Compressor of the gas turbine bypassing the combustion chambers in the Turbine part is directed. There the cooling air flows through channels inside the Shovels while cooling the shovels and then passes through Outlet openings in the gas flow of the turbine.
  • air cooling In which air from the Compressor of the gas turbine bypassing the combustion chambers in the Turbine part is directed. There the cooling air flows through channels inside the Shovels while cooling the shovels and then passes through Outlet openings in the gas flow of the turbine.
  • a common problem With this type of air cooling these channels become blocked Dirt particles that have entered the compressor from the ambient air or have formed in the machine and through the cooling air in the ducts and collect outlet openings of the blades.
  • US Pat. Nos. 4,820,122 and 4,820,123 disclose two further devices for removing dirt particles from the cooling air flow of a moving blade.
  • the rotor blades to be cooled have labyrinthine paths for the cooling air and a straight path for dirt particles that leads directly to an opening at the radially outer end of the blades.
  • a baffle plate is attached to the entrances to the labyrinthine cooling air paths.
  • the cooling air In order to get into the labyrinth-like cooling channels, the cooling air has to change direction strongly by flowing around the baffle plates. While clean cooling air or air with only very light particles can follow this change in direction, the heavier dirt particles cannot cope with the strong change in direction due to their moment of inertia.
  • the present invention has for its object a device and a Process for removing dirt particles from the cooling air flow for a To create gas turbine blade, the cooling air flow is a relatively small Possesses speed.
  • a supply line leads cooling air through the turbine housing to Turbine part.
  • the rotor and guide vanes each have cooling channels, which through the inside of the blades. The cooling air flows through the cooling channels, cooling the blades and then entering the orifices through exit openings Gas flow from the turbine.
  • the device for removing dirt particles in the cooling air flow is According to the invention arranged on a static part of the turbine and points a first and a second chamber, with a channel from the supply line for the cooling air leads to the first chamber. There is at least one air connection between the first and second chambers, the direction of this Air connection runs at an angle between 0 ° and 90 ° to the rotor axis, where an angle of 0 ° parallel to the rotor axis and an angle of 90 ° corresponds to a parallel to the tangent to the rotor circumference.
  • the second chamber has two rows of outlets that are arranged on different radii with respect to the rotor.
  • the first row of outlet openings is compared to the air connection from the first to the second chamber arranged radially further inside and leads to the entrance of the Cooling channels of the guide or rotor blades.
  • the second row of outlets is radially wider compared to the connection from the first to the second chamber arranged outside and guides cooling air in the direction of the gas flow of the gas turbine.
  • the cooling air is in the first chamber the device according to the invention collected and by a first Pressure drop accelerated from the first to the second chamber, the cooling air receives a speed component in the direction of the rotor circumference.
  • dirt particles contained in the cooling air Centrifugal force is removed by the particles through the radially outer Exit openings from the second chamber and flow into the gas stream and the cleaned cooling air through the radially inner outlet openings from the second chamber for the entrance of the cooling channels of rotor blades or guide vanes arrives.
  • the first chamber of the device serves to collect the cooling air from the compressor in a static part of the turbine at a given pressure.
  • the cooling air flows through the one or more air connections to the second chamber and is thereby accelerated by the pressure drop between the two chambers, whereby due to the orientation of the connections it receives a speed component tangential to the rotor circumference.
  • the second chamber is used to separate the dirt particles from the cooling air flow using centrifugal force.
  • the cooling air flows partly tangential to the circumference of the rotor. This tangential acceleration gives the cooling air a radially outward velocity component, which drives the heavier dirt particles radially outward and the lighter and cleaner cooling air flows on a radially inner path.
  • the rows of outlet openings on two different radii serve for the exit of the clean cooling air to guide or moving blades or the outlet of the dirt particles into the gas flow.
  • the clean cooling air, separated from the dirt particles thus reaches the cooling channels of guide vanes or moving blades, while the dirt particles are driven directly into the gas flow and do not get into the cooling channels.
  • the device for removing dirt particles is arranged on an inner housing part of the turbine.
  • the first and second chambers of the device each extend over the entire circumference of the turbine.
  • the device is in turn arranged on an inner housing part, the first and second chambers each consisting of several subchambers. These partial chambers each extend over a part of the housing circumference, together covering the entire circumference of the housing.
  • the device is at the radially inner end of Turbine guide vanes arranged.
  • the first and second chambers extend here in each case over part of the circumference of the guide vane row, for example via four guide vanes.
  • the device again consists of several first and several second chambers or partial chambers, the together cover the entire circumference of the guide vane row.
  • the number of radially inner outlet openings larger than the number of outlet openings arranged radially on the outside.
  • the diameter of the radially inner outlet openings is smaller than the diameter of the radially outer outlet openings, where the latter at least equal to the diameter of those to be removed Is dirt particles.
  • the radially outer outlet openings do not only serve that Leakage of dirt particles, but also the leakage of a cooling air flow that flows from the radially inner regions of the turbine to the gas stream and the Penetration of hot gases in the cooling channels of the blades counteracts.
  • the wall in the second chamber is which lies opposite the air connections between the two chambers in which Direction of the cooling air flow and inclined radially outwards. This makes it easier Movement of the dirt particles in the radial direction to the radially outside arranged outlet openings.
  • the wall in the first chamber is that which Air connections to the second chamber opposite, in the direction of Air connections to the second chamber inclined so that the cooling air flow, which in the first chamber flows in the direction of the air connections to the second Chamber is deflected.
  • these outlet openings are at an angle radially with respect to the direction of flow within the second chamber aligned outside, whereby the clean cooling air flow the entrance to the Blade cooling channels better reached.
  • FIG. 1 shows an inventive device for removing dirt particles from a cooling air flow for gas turbine blades.
  • the device is arranged on a guide vane 1 which is fastened to the turbine housing (not shown).
  • the axis 2 of the rotor of the gas turbine is also shown, which leads through the compressor, combustion chamber and turbine part and is fastened to the rotor blades, of which a rotor blade 3 is shown here.
  • Cooling air is taken, for example, from the compressor part of the gas turbine and conducted via a line through the turbine housing into the turbine space, bypassing the combustion chamber part.
  • Dirt particles that have entered the compressor from the ambient air or have arisen in the machine and are carried in the cooling air flow 4 are removed from the air flow in the device according to the invention, after which the cooling air flow is supplied to the cooling channels of the moving blade 3.
  • the device extends over the entire circumference of the turbine, the device in the embodiment shown here consisting of several sections, of which a section extends, for example, over 2 to 4 guide vanes.
  • the cooling air flow 4 is fed to a duct 5 which carries the Guide blade 1 passes in the longitudinal direction and in the inventive Device opens.
  • the cooling air flow 4 is first in a first chamber 6 the device is collected in order to be deflected there approximately in the axial direction become.
  • the first chamber 6 has an inclined wall 7.
  • a second Chamber 8 is located approximately in the axial direction next to the first chamber 6.
  • One or more openings air connections 9 lead from the first chamber 6 to the second chamber 8. These connections 9 are with respect to the rotor axis 2 aligned at an angle ⁇ that is between 0 ° and 90 °.
  • Figure 2 shows in a diagram shows the orientation of the air connections 9.
  • the rotor axis denoted by x
  • a radial direction denoted by y.
  • the air connections 9 are thereby in the tangential plane to the rotor (perpendicular to the xy plane).
  • This Alignment and a pressure drop between the first chamber 6 and second Chamber 8 causes an acceleration of the cooling air flow 2 in tangential Direction with respect to the rotor.
  • the moves within the second chamber 8 Cooling air flow 4 thus in the circumferential direction.
  • Cooling air flow 4 is a radially outward speed component.
  • a centrifugal force acts on the inside of the second chamber 8 Cooling air flow 4 through which a separation of dirt particles from the Cooling air flow 4 is reached.
  • Cooling air 10 flows with heavier dirt particles radially outward in the second chamber.
  • the cooling air flow with dirt particles 10 passes to or several outlet openings 12.
  • wall 11, which lies opposite the air connections 9 in the direction of the outlet openings 12 inclined, which directs the cooling air flow with dirt particles to the Outlet openings is further supported. There he exits through the openings Guide blade 1 out and continues radially outward into the gas stream.
  • the clean cooling air 13 flows with no or only light dirt particles, however, on a smaller radius and reaches the radially inner end of the chamber to several small outlet openings 14. There it emerges from the guide vane 1 and flows into the inlet 15 to the cooling channels Blade 3 too. A pressure drop across these outlet openings 14 enables a deflection and acceleration of the clean cooling air flow 13 in the axial Direction, which minimizes turbine power losses.
  • the outlet openings 14 are with respect to the circumferential direction of the rotor is oriented at an angle ⁇ .
  • the diagram in Figure 2 shows a Example of the alignment of these outlet openings 14.
  • the size of the angle ⁇ is varied according to the design of the blade to be cooled, in particular according to the orientation of the cooling channels and their entrances and the pressure conditions in the cooling channels.
  • the air connections or openings 9 between the first chamber 6 and the second chamber 8 of the device are oriented at an angle ⁇ with respect to the rotor axis 2.
  • the size of this angle ⁇ is chosen based on the available pressure drop. The greater the pressure drop, the more the air flow can be deflected in the direction of the circumferential direction.
  • the number and the diameter of the openings 9 are determined as a result of the pressure drop between the two chambers.
  • the openings 9 for the cooling air flow 4 are located on a radius R1 approximately in the middle of the second chamber 6.
  • the outlet openings 12 from the second chamber for the cooling air 10 with dirt particles are arranged on a radius R2, where R2> R1.
  • outlet openings have a diameter of 2-3 mm, for example, to allow even the largest dirt particles to pass through.
  • the outlet openings 12 serve on the one hand to remove dirt particles. On the other hand, they also cause a radially outward air flow from the radially inner regions to the gas flow, as a result of which the flow of hot gases into the cooling air channels of the rotor blades is prevented.
  • the outlet openings 14 for the clean cooling air 13 are on a radius R3 arranged, where R3 ⁇ R1. This ensures that no dirt particles directly from the air connections 9 through the outlet openings 14 and into the Cooling channels arrive. These outlet openings 14 are compared to those for the dirt particles much smaller in diameter, but much larger in theirs Number. For example, there are 2-3 outlet openings for clean guide vanes Cooling air available.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine Gasturbine, deren Schaufeln mit Kühlluft gekühlt werden, weist in ihrem Turbinenteil eine Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) auf. Die Vorrichtung besteht aus einer ersten Kammer (6), in der die Kühlluft (4) gesammelt wird, und einer zweiten Kammer (8), in welche die Kühlluft (4) von der ersten Kammer (6) durch Luftverbindungen (9) gelangt und in welcher die Schmutzpartikel aus der Kühlluft (4) entfernt werden. Die Luftverbindungen (9), über denen ein Druckabfall besteht, sind in einem Winkel (φ) bezüglich der Rotorachse orientiert, sodass die Kühlluft (4) in der tangentialen Richtung bezüglich des Rotors beschleunigt wird und sich innerhalb der zweiten Kammer (8) in Umfangsrichtung des Rotors bewegt. Schmutzpartikel werden in der zweiten Kammer (8) durch Zentrifugalkraft aus der Kühlluft (4) entfernt, indem diese radial nach aussen getrieben werden und durch Austrittsöffnungen (12) in den Gasstrom der Turbine gelangen. Die saubere Kühlluft (13) tritt durch radial weiter innen angeordnete Austrittsöffnungen (14) zu den Kühlkanälen der Schaufeln. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Rotor, einem Kompressorteil, einem Brennkammerteil und einem Turbinenteil, wobei im Turbinenteil Leitschaufeln an dessen Gehäuse und Laufschaufeln am Rotor befestigt sind. Die Leit- und Laufschaufeln werden durch Kühlluft gekühlt, indem die Kühlluft durch Kanäle im Inneren der Schaufeln geleitet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom, durch welche eine Verstopfung der Kanäle in den Schaufeln vermieden wird.
Stand der Technik
Beim Bau von Gasturbinenschaufeln spielt die Dauerhaftigkeit der Schaufeln eine bedeutende Rolle. Eine gute Kühlung der Schaufeln während des Betriebs ist eine der Massnahmen, durch welche eine Dauerhaftigkeit gewährleistet ist. Eine bekannte Methode der Schaufelkühlung ist die Luftkühlung, bei der Luft aus dem Kompressor der Gasturbine unter Umgehung der Brennkammern in den Turbinenteil geleitet wird. Dort strömt die Kühlluft durch Kanäle im Innern der Schaufeln, wobei sie die Schaufeln kühlt, und tritt sodann durch Austrittsöffnungen in den Gasstrom der Turbine. Ein häufig auftretendes Problem bei dieser Art Luftkühlung ist die Verstopfung dieser Kanäle durch Schmutzpartikel, die aus der Umgebungsluft in den Kompressor gelangt sind oder sich in der Maschine gebildet haben und sich durch die Kühlluft in den Kanälen und Austrittsöffnungen der Schaufeln ansammeln.
In der Patentschrift US 4,962,640 ist eine Turbinenleitschaufel offenbart, die im Innern hohl ist, wobei sie im Hohlraum eine zweite, innere Wand mit mehreren kleinen, seitlich angeordneten Öffnungen aufweist. Die Kühlluft strömt vom radial äusseren Ende der Schaufel durch eine Öffnung in den Hohlraum und von dort durch kleine Öffnungen zur äusseren Schaufelwand, wonach sie durch weitere Öffnungen aus der Schaufel in den Gasstrom gelangt. Zwecks Vermeidung einer Verstopfung der kleinen Öffnungen an der inneren Wand befindet sich am radial inneren Ende der Schaufel eine um ein Vielfaches grössere Öffnung. An dieser grösseren Öffnung besteht ein grösserer Druckabfall als an den kleinen Öffnungen an der Seitenwand der Schaufel, sodass Schmutzpartikel in der Kühlluft durch diese grössere Öffnung treten und aus dem Kühlluftstrom entfernt werden. Die Schmutzpartikel gelangen durch die grosse Öffnung in einen Raum und danach durch einen Kanal in den Gasstrom der Turbine.
In den Patentschriften US 4,820,122 und US 4,820,123 werden zwei weitere Vorrichtungen zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom einer Laufschaufel offenbart. Die zu kühlenden Laufschaufeln weisen in ihrem Innern labyrinth-artige Pfade für die Kühlluft auf sowie einen geradlinigen Pfad für Schmutzpartikel, der direkt zu einer Öffnung am radial äusseren Schaufelende führt. An den Eingängen zu den labyrinth-artigen Kühlluftpfaden ist jeweils ein Umlenkblech angebracht. Um in die labyrinth-artigen Kühlkanäle zu gelangen, muss die Kühlluft ihre Richtung stark ändern, indem sie um die Umlenkbleche herum strömt. Während saubere Kühlluft oder Luft mit nur sehr leichten Partikeln diese Richtungsänderung verfolgen kann, vermögen die schwereren Schmutzpartikel aufgrund ihres Trägheitsmoments die starke Richtungsänderung nicht zu bewältigen. Diese verfolgen stattdessen einen weniger stark gekrümmten Pfad und gelangen in den geradlinigen Kanal, welcher zur Öffnung für Schmutzpartikel führt.
Bei diesen beiden Vorrichtungen werden die Schmutzpartikel aufgrund einer abrupten Richtungsänderung vom Kühlluftstrom getrennt. Diese Trennungsmethode geht davon aus, dass der Kühlluftstrom eine relativ hohe Geschwindigkeit besitzt.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom für eine Gasturbinenschaufel zu schaffen, wobei der Kühlluftstrom eine relativ kleine Geschwindigkeit besitzt.
Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Verfahren gemäss Anspruch 11 gelöst.
Eine Gasturbine mit einem Rotor, der durch einen Kompressorteil, einen Brennkammerteil und einen Turbinenteil führt, weist in ihrem Turbinenteil Leitschaufeln und Laufschaufeln auf, die am Gehäuse der Turbine bzw. am Rotor befestigt sind. Eine Zufuhrleitung führt Kühlluft durch das Turbinengehäuse zum Turbinenteil. Die Lauf- und Leitschaufeln weisen jeweils Kühlkanäle auf, welche durch das Innere der Schaufeln führen. Die Kühlluft strömt durch die Kühlkanäle, wobei sie die Schaufeln kühlt, und tritt sodann durch Austrittsöffnungen in den Gasstrom der Turbine.
Die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln im Kühlluftstrom ist erfindungsgemäss auf einem statischen Teil der Turbine angeordnet und weist eine erste und eine zweite Kammer auf, wobei ein Kanal von der Zufuhrleitung für die Kühlluft zur ersten Kammer führt. Es besteht mindestens eine Luftverbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer, wobei die Richtung dieser Luftverbindung in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Rotorachse verläuft, wobei ein Winkel von 0° einer Parallele zur Rotorachse und ein Winkel von 90° einer Parallele zur Tangentialen zum Rotorumfang entspricht. Von der ersten zur zweiten Kammer der Vorrichtung besteht zudem ein Druckabfall, sodass die Kühlluft auf dem Weg von der ersten zur zweiten Kammer beschleunigt wird, wobei sie eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung des Rotors erhält. Die zweite Kammer weist zwei Reihen von Austrittsöffnungen auf, die bezüglich des Rotors auf verschiedenen Radien angeordnet sind. Die erste Reihe von Austrittsöffnungen ist im Vergleich zur Luftverbindung von der ersten zur zweiten Kammer radial weiter innen angeordnet und führt zum Eingang der Kühlkanäle der Leit- oder Laufschaufeln. Die zweite Reihe von Austrittsöffnungen ist im Vergleich zur Verbindung von der ersten zur zweiten Kammer radial weiter aussen angeordnet und führt Kühlluft in Richtung des Gasstroms der Gasturbine.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Kühlluft in der ersten Kammer der erfindungsgemässen Vorrichtung gesammelt und durch einen ersten Druckabfall von der ersten zur zweiten Kammer beschleunigt, wobei die Kühlluft eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Rotorumfangs erhält. In der zweiten Kammer werden in der Kühlluft enthaltene Schmutzpartikel durch Zentrifugalkraft entfernt, indem die Partikel durch die radial äusseren Austrittsöffnungen aus der zweiten Kammer treten und in den Gasstrom strömen und die gereinigte Kühlluft durch die radial inneren Austrittsöffnungen aus der zweiten Kammer zum Eingang der Kühlkanäle von Lauf- oder Leitschaufeln gelangt.
Die erste Kammer der erfindungsgemässen Vorrichtung dient der Sammlung der Kühlluft vom Kompressor in einem statischen Teil der Turbine bei einem gegebenen Druck. Die Kühlluft strömt durch die eine oder mehreren Luftverbindungen zur zweiten Kammer und wird dabei durch den Druckabfall zwischen den beiden Kammern beschleunigt, wobei sie aufgrund der Orientierung der Verbindungen eine Geschwindigkeitskomponente tangential zum Rotorumfang erhält.
Die zweite Kammer dient der Trennung der Schmutzpartikel aus dem Kühlluftstrom mittels zentrifugaler Kraft. Die Kühlluft strömt dort zum Teil tangential zum Umfang des Rotors. Durch diese tangentiale Beschleunigung erhält die Kühlluft eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente, wodurch die schwereren Schmutzpartikel radial nach aussen getrieben werden und die leichtere und saubere Kühlluft auf einem radial inneren Pfad strömt. Die Reihen von Austrittsöffnungen auf zwei verschiedenen Radien dienen dem Austritt der sauberen Kühlluft zu Leit- oder Laufschaufeln bzw. dem Austritt der Schmutzpartikel in den Gasstrom. Die saubere Kühlluft gelangt also, getrennt von den Schmutzpartikeln, zu den Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln, während die Schmutzpartikel direkt in den Gasstrom getrieben werden und nicht in die Kühlkanäle gelangen.
In einer ersten Variante der Erfindung ist die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln an einem inneren Gehäuseteil der Turbine angeordnet. Dabei erstrecken sich die erste und zweite Kammer der Vorrichtung je über den gesamten Umfang der Turbine.
In einer zweiten Variante der Erfindung ist die Vorrichtung wiederum an einem inneren Gehäuseteil angeordnet, wobei die erste und zweite Kammer jeweils aus mehreren Teilkammern bestehen. Diese Teilkammern erstrecken sich je über einen Teil des Gehäuseumfangs, wobei sie zusammen den gesamten Umfang des Gehäuses abdecken.
In einer dritten Variante ist die Vorrichtung am radial inneren Ende von Leitschaufeln der Turbine angeordnet. Erste und zweite Kammern erstrecken sich hier jeweils über einen Teil des Umfangs der Leitschaufelreihe, wie zum Beispiel über vier Leitschaufeln. Die Vorrichtung besteht in diesem Fall wiederum aus mehreren ersten und mehreren zweiten Kammern oder Teilkammern, die zusammen den gesamten Umfang der Leitschaufelreihe abdecken.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in der zweiten Kammer der Vorrichtung die Anzahl der radial innen angeordneten Austrittsöffnungen grösser als die Anzahl der radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen. Der Durchmesser der radial innen angeordneten Austrittsöffnungen ist dabei kleiner als der Durchmesser der radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen, wobei letzterer mindestens gleich dem Durchmesser der zu entfernenden Schmutzpartikel ist. Die radial äusseren Austrittsöffnungen dienen nicht nur dem Austritt von Schmutzpartikeln, sondern auch dem Austritt eines Kühlluftstroms, der von den radial inneren Bereichen der Turbine zum Gasstrom strömt und dem Eindringen von Heissgasen in die Kühlkanäle der Laufschaufeln entgegenwirkt.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der zweiten Kammer die Wand, die den Luftverbindungen zwischen beiden Kammern gegenüber liegt, in der Richtung der Kühlluftströmung und radial nach aussen geneigt. Dies erleichtert die Bewegung der Schmutzpartikel in radialer Richtung zu den radial aussen angeordneten Austrittsöffnungen.
In einer weiteren Ausführung ist in der ersten Kammer jene Wand, die den Luftverbindungen zur zweiten Kammer gegenüber liegt, in Richtung der Luftverbindungen zur zweiten Kammer geneigt, sodass der Kühlluftstrom, der in die erste Kammer strömt in die Richtung der Luftverbindungen zur zweiten Kammer umgelenkt wird.
In einer weiteren Ausführung besteht über den Austrittsöffnungen für die saubere Kühlluft aus der zweiten Kammer ein Druckabfall. Dadurch wird der austretende, saubere Kühlluftstrom beim Austritt in der Richtung der Rotorumdrehung beschleunigt, was der Optimierung der Turbinenleistung beiträgt.
Diese Austrittsöffnungen sind in einer weiteren Ausführung in einem Winkel bezüglich der Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Kammer radial nach aussen ausgerichtet, wodurch der saubere Kühlluftstrom den Eingang zu den Kühlkanälen der Laufschaufel besser erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
  • Figur 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom für Laufschaufeln einer Gasturbine,
  • Figur 2 ein Diagramm zur Darstellung der Anordnung der Verbindungsöffnungen zwischen den beiden Kammern der erfindungsgemässen Vorrichtung sowie der Austrittsöffnungen für den sauberen Kühlluftstrom.
    • Weg der Ausführung der Erfindung
    Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus einem Kühlluftstrom für Gasturbinenschaufeln. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung an einer Leitschaufel 1 angeordnet, die am nicht gezeigten Turbinengehäuse befestigt ist. Es ist ferner die Achse 2 des Rotors der Gasturbine gezeigt, der durch Kompressor-, Brennkammer- und Turbinenteil führt und an dem Laufschaufeln befestigt sind, wovon hier eine Laufschaufel 3 gezeigt ist.
    Kühlluft wird beispielsweise dem Kompressorteil der Gasturbine entnommen und über eine Leitung durch die Turbinengehäuse in den Turbinenraum geführt, wobei der Brennkammerteil umgangen wird. Schmutzpartikel, die aus der Umgebungsluft in den Kompressor gelangt sind oder in der Maschine entstanden sind und im Kühlluftstrom 4 mitgetragen werden, werden in der erfindungsgemässen Vorrichtung aus dem Luftstrom entfernt, wonach der Kühlluftstrom den Kühlkanälen der Laufschaufel 3 zugeführt wird.
    Die Vorrichtung erstreckt sich über den gesamten Umfang der Turbine, wobei die Vorrichtung in der hier gezeigten Ausführung aus mehreren Teilstücken besteht, wovon ein Teilstück sich beispielsweise über 2 bis 4 Leitschaufeln erstreckt.
    Im Turbinenteil wird der Kühlluftstrom 4 einem Kanal 5 zugeführt, der die Leitschaufel 1 in Längsrichtung durchläuft und in die erfindungsgemässe Vorrichtung mündet. Der Kühlluftstrom 4 wird zunächst in einer ersten Kammer 6 der Vorrichtung gesammelt, um dort ungefähr in Axialrichtung umgelenkt zu werden. Hierzu weist die erste Kammer 6 eine geneigte Wand 7 auf. Eine zweite Kammer 8 befindet sich ungefähr in Axialrichtung neben der ersten Kammer 6.
    Eine oder mehrere Öffnungen Luftverbindungen 9 führen von der ersten Kammer 6 zur zweiten Kammer 8. Diese Verbindungen 9 sind bezüglich der Rotorachse 2 in einem Winkel  ausgerichtet, der zwischen 0° und 90° beträgt. Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Ausrichtung der Luftverbindungen 9. Hier ist die Rotorachse mit x und eine radiale Richtung mit y bezeichnet. Die Luftverbindungen 9 liegen dabei in der tangentialen Ebene zum Rotor (senkrecht zur xy-Ebene). Diese Ausrichtung sowie ein Druckabfall zwischen der ersten Kammer 6 und zweiten Kammer 8 bewirkt eine Beschleunigung des Kühlluftstroms 2 in tangentialer Richtung bezüglich des Rotors. Innerhalb der zweiten Kammer 8 bewegt sich der Kühlluftstrom 4 also in Umfangsrichtung. Durch diese Beschleunigung erhält der Kühlluftstrom 4 eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Es wirkt innerhalb der zweiten Kammer 8 eine Zentrifugalkraft auf den Kühlluftstrom 4, durch die eine Trennung von Schmutzpartikeln aus dem Kühlluftstrom 4 erreicht wird. Kühlluft 10 mit schwereren Schmutzpartikeln strömt in der zweiten Kammer radial auswärts. Am radial äusseren Ende der zweiten Kammer 8 gelangt der Kühlluftstrom mit Schmutzpartikeln 10 zu einer oder mehreren Austrittsöffnungen 12. In der zweiten Kammer 8 ist dabei jene Wand 11, die den Luftverbindungen 9 gegenüberliegt in Richtung der Austrittsöffnungen 12 geneigt, wodurch die Lenkung des Kühlluftstroms mit Schmutzpartikeln zu den Austrittsöffnungen weiter unterstützt wird. Dort tritt er durch die Öffnungen aus der Leitschaufel 1 hinaus und gelangt weiter radial auswärts in den Gasstrom. Innerhalb der zweiten Kammer 8 strömt die saubere Kühlluft 13 mit keinen oder nur leichten Schmutzpartikeln hingegen auf kleinerem Radius und gelangt am radial inneren Ende der Kammer zu mehreren kleinen Austrittsöffnungen 14. Dort tritt sie aus der Leitschaufel 1 und strömt dem Eingang 15 zu Kühlkanälen der Laufschaufel 3 zu. Ein Druckabfall über diesen Austrittsöffnungen 14 ermöglicht eine Umlenkung und Beschleunigung des sauberen Kühlluftstroms 13 in axialer Richtung, wodurch Verluste bei der Turbinenleistung minimiert werden.
    In einer Variante sind die Austrittsöffnungen 14 bezüglich der Umfangsrichtung des Rotors in einem Winkel  orientiert. Das Diagramm in Figur 2 zeigt ein Beispiel der Ausrichtung dieser Austrittsöffnungen 14. Die Grösse des Winkels  wird entsprechend der Ausbildung der zu kühlenden Schaufel variiert, insbesondere entsprechend der Ausrichtung der Kühlkanäle und deren Eingänge sowie der Druckverhältnisse in den Kühlkanälen.
    Die Luftverbindungen oder Öffnungen 9 zwischen der ersten Kammer 6 und der zweiten Kammer 8 der Vorrichtung sind bei einem Winkel  bezüglich der Rotorachse 2 orientiert. Die Grösse dieses Winkels  wird aufgrund des verfügbaren Druckabfalls gewählt. Je grösser der Druckabfall je mehr kann der Luftstrom in Richtung Umfangsrichtung umgelenkt werden. Gleichsam werden die Anzahl und der Durchmesser der Öffnungen 9 aufgrund des Druckabfalls zwischen den beiden Kammern bestimmt.
    Die Öffnungen 9 für den Kühlluftstrom 4 befinden sich auf einem Radius R1 ungefähr in der Mitte der zweiten Kammer 6. Die Austrittsöffnungen 12 aus der zweiten Kammer für die Kühlluft 10 mit Schmutzpartikel sind auf einem Radius R2 angeordnet, wobei R2>R1 ist. Diese Austrittsöffnungen besitzen einen Durchmesser von beispielsweise 2-3 mm, um auch die grössten Schmutzpartikel passieren zu lassen. Die Austrittsöffnungen 12 dienen einerseits der Entfernung von Schmutzpartikeln. Anderseits bewirken sie auch eine radial auswärts gerichtete Luftströmung von den radial inneren Bereichen zum Gasstrom hin, wodurch die Strömung von Heissgasen in die Kühlluftkanäle der Laufschaufeln verhindert wird.
    Die Austrittsöffnungen 14 für die saubere Kühlluft 13 sind auf einem Radius R3 angeordnet, wobei R3<R1 ist. Dies gewährleistet, dass keine Schmutzpartikel direkt von den Luftverbindungen 9 durch die Austrittsöffnungen 14 und in die Kühlkanäle gelangen. Diese Austrittsöffnungen 14 sind im Vergleich zu jenen für die Schmutzpartikel viel kleiner im Durchmesser, jedoch viel grösser in ihrer Anzahl. Pro Leitschaufel sind beispielsweise 2-3 Austrittsöffnungen für saubere Kühlluft vorhanden.
    Bezugszeichenliste
    1
    Leitschaufel
    2
    Achse des Gasturbinenrotors
    3
    Laufschaufel
    4
    Kühlluftstrom
    5
    Kanal
    6
    erste Kammer
    7
    geneigte Wand
    8
    zweite Kammer
    9
    Öffnungen oder Luftverbindungen
    10
    Kühlluft mit Schmutzpartikeln
    11
    geneigte Wand
    12
    Austrittsöffnungen für Kühlluft mit Schmutzpartikeln
    13
    saubere Kühlluft
    14
    Austrittsöffnungen für saubere Kühlluft
    15
    Eingang zu Kühlluftkanälen
    Winkel zwischen Rotorachse und Richtung der Luftverbindungen
    Winkel zwischen Richtung der Luftverbindungen und Richtung der Austrittsöffnungen 14
    x
    Rotorachse
    y
    radiale Richtung

    Claims (11)

    1. Eine Gasturbine mit einem Rotor, einem Kompressorteil, einem Brennkammerteil und einem Turbinenteil, wobei im Turbinenteil an dessen Gehäuse Leitschaufeln (1) und am Rotor Laufschaufeln (3) befestigt sind, weist eine Zufuhrleitung für Kühlluft (4) auf, die in den Turbinenteil führt, und eine Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4),
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) auf einem statischen Teil des Turbinenteils angeordnet ist und eine erste Kammer (6) und eine zweite Kammer (8) aufweist, wobei von der Zufuhrleitung die Kühlluft (4) ein Kanal (5) zur ersten Kammer (8) führt, und von der ersten Kammer (6) mindestens eine Luftverbindung oder Öffnung (9) in die zweite Kammer (8) führt, wobei die Richtung dieser Luftverbindung (9) in einem Winkel  zur Achse (2) des Rotors orientiert ist, der zwischen 0° und 90° beträgt, und zwischen der ersten Kammer (6) und der zweiten Kammer (8) ein Druckabfall besteht, sodass die Kühlluft (4) von der ersten Kammer (6) zur zweiten Kammer (8) beschleunigt und bezüglich des Rotors in Tangentialrichtung umgelenkt wird und sie in der zweiten Kammer (8) mit einer Geschwindigkeitskomponente in der Umfangsrichtung des Rotors strömt,
      und die zweite Kammer (8) Austrittsöffnungen (12) für Kühlluft mit Schmutzpartikeln (10) und Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) aufweist, wobei im Vergleich zur radialen Position der Luftverbindungen (9) zwischen den beiden Kammern (6, 8) die Austrittsöffnungen (12) für die Kühlluft mit Schmutzpartikeln (10) radial weiter aussen und die Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) radial weiter innen angeordnet sind,
      und die Austrittsöffnungen (14) für saubere Kühlluft (13) in den Bereich von Eingängen (15) zu Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln führen.
    2. Gasturbine nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) an einem inneren Gehäuseteil des Turbinenteils angeordnet ist.
    3. Gasturbine nach Anspruch 2
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die erste Kammer (6) und die zweite Kammer (8) der Vorrichtung sich jeweils über den gesamten Umfang des Gehäuseteils erstrecken.
    4. Gasturbine nach Anspruch 3
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die erste Kammer (6) und die zweite Kammer (8) der Vorrichtung je aus mehreren Teilkammern bestehen, die sich je über einen Teil des Gehäuseumfangs erstrecken.
    5. Gasturbine nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Vorrichtung zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus der Kühlluft (4) am radial inneren Ende von Leitschaufeln (1) angeordnet ist und die erste Kammer (6) und zweite Kammer (8) der Vorrichtung je aus mehreren Teilkammern bestehen, die sich über mehrere Leitschaufeln (1) erstrecken.
    6. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der zweiten Kammer (8) die radial weiter innen angeordneten
      Austrittsöffnungen (14) in ihrer Anzahl grösser und in ihrem Durchmesser kleiner sind als die radial weiter aussen angeordneten Austrittsöffnungen (12).
    7. Gasturbine nach Anspruch 6
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der zweiten Kammer (8) die Wand (11), die den Luftverbindungen (9) zwischen den beiden Kammern (6,8) gegenüber liegt, in Richtung der Kühlluftströmung mit Schmutzpartikeln und der radial weiter aussen angeordneten Austrittsöffnungen (12) geneigt ist.
    8. Gasturbine nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der ersten Kammer (6) der Vorrichtung die Wand (7) die den Luftverbindungen (9) zur zweiten Kammer (8) gegenüber liegt, in Richtung der Luftverbindungen (9) zur zweiten Kammer (8) geneigt ist.
    9. Gasturbine nach Anspruch 8
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der zweiten Kammer (8) die Austrittsöffnungen (14) für die saubere Kühlluft (13) bezüglich der Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Kammer (8) in einem Winkel  radial nach aussen orientiert sind.
    10. Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9
      dadurch gekennzeichnet, dass
      über den Austrittsöffnungen (14) für die saubere Kühlluft (13) ein Druckabfall besteht.
    11. Verfahren zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus Kühlluft für Schaufeln einer Gasturbine mittels einer Vorrichtung gemäss Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Kühlluft in der ersten Kammer (6) gesammelt und durch einen Druckabfall über Luftverbindungen (9) in eine zweite Kammer (8) geleitet wird, in der die Kühlluft (4) in Umfangsrichtung des Rotors der Gasturbine strömt und dort durch Zentrifugalkraft die in der Kühlluft enthaltenen Schmutzpartikel radial nach aussen getrieben werden und durch Austrittsöffnungen (12) in den Gasstrom der Turbine gelangen und die saubere Kühlluft (13) durch im Vergleich zu den Luftverbindungen (9) radial weiter innen angeordnete Austrittsöffnungen (14) zu Kühlkanälen von Leit- oder Laufschaufeln gelangen.
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