EP1329594A1 - Blade tip clearance control of a gas turbine - Google Patents
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- EP1329594A1 EP1329594A1 EP02001264A EP02001264A EP1329594A1 EP 1329594 A1 EP1329594 A1 EP 1329594A1 EP 02001264 A EP02001264 A EP 02001264A EP 02001264 A EP02001264 A EP 02001264A EP 1329594 A1 EP1329594 A1 EP 1329594A1
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
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- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
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- F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
- F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
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- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
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- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
- F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
Definitions
- the invention relates to a gas turbine with a number of each grouped into rows of moving blades a turbine shaft and arranged with blades Number of rows of guide vanes combined guide vanes connected to a turbine housing.
- Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines.
- the fuel will To do this, burned in a combustion chamber, using an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber generated by the combustion of the fuel, under high Pressure and high temperature working medium is via a turbine unit downstream of the combustion chamber managed where it relaxes while working.
- To generate the rotational movement of the turbine shaft are a number of them usually in groups of blades or rows of blades grouped together arranged, via a pulse transfer from the working medium drive the turbine shaft.
- For guiding the working medium in the turbine unit are usually between neighboring rows of blades with the turbine housing connected rows of vanes arranged.
- the turbine optimal, small gap width not originally set.
- the minimum gap width is usually not in stationary operation, but rather at any operating point during transient operation, for example when starting up the turbine. This Circumstance leads to that as a compromise when building the turbine a gap width must be selected that in the stationary Operating a lossy, enlarged gap draws.
- the turbine housing and the outer ends of the barrel can be passive measures such as targeted stiffening of the turbine housing or an adjustment of suspensions the blades are provided.
- passive measures such as targeted stiffening of the turbine housing or an adjustment of suspensions the blades are provided.
- increasing efficiency cannot be satisfactory.
- active measure coolable and / or heatable Support towers for those arranged on the turbine housing Guide rings surrounding the blades are provided.
- the Carrier towers should have a certain axial and / or radial mobility of the guide rings and thus the width of the gap between the guide rings and the outer ends of the blades.
- a sensible use of such Carrier towers separate because of their very nature elaborate manufacture.
- Another one from aviation known measure which is that a partial blowing with cold ambient air, is stationary and Gas turbines to be operated close to the ground cannot be used.
- the invention is therefore based on the object of a gas turbine of the type mentioned above, by reducing losses in stationary operation for a particularly high design performance suitable is.
- each row of blades in the interior of the turbine housing is surrounded by an associated guide ring for influencing its thermal expansion with a control medium is acted upon.
- the invention is based on the consideration that at high Efficiency of the gas turbine a particularly high design performance is achievable by making losses in the available Working medium flow are kept particularly low.
- this gap is a radial gap is changed depending on the thermal state, in particular So with load changes, e.g. B. the start of the Turbine.
- active regulation is generally very complex and not fail-safe if it is purely mechanical.
- Control medium is preferably provided for air in the gas turbine.
- a reduction in the radial gap between the guide ring and assigned blade row can in essential operating states, z. B. when starting up the gas turbine, already achieved that the guide ring basically with Control medium is subjected to a predetermined temperature.
- An extraordinarily effective gap control results advantageous, however, when the respective guide ring if necessary, the gas turbine compared to its current one Temperature of hotter or colder control medium can be applied is. In such a case, you can cool down Cooling air can be used; should heating be required the control medium can be, for example, by means of of the working medium are heated.
- a further simplified assembly of the gas turbine can be advantageous can be achieved when the respective guide ring through a number of fittings is formed, each of which has a curved jacket sheet.
- An elaborate joining the guide ring in the turbine housing is omitted, and thanks to the curved shape of the jacket sheets the guide ring matches the geometry of the associated row of blades to adjust.
- control medium could be over any room, which is located, for example, in or on the turbine housing and surrounds the respective guide ring, the respective one Guide ring are fed.
- a much more effective one Influencing the thermal expansion of the guide ring is advantageously achieved with a gas turbine, in the case of the respective guide ring Channel is assigned, which is connected to a supply line and a discharge line is connected for the control medium.
- the supply line for the control medium can in turn preferably be connected to a cold air and connected to a hot air supply.
- a gas turbine in which the respective guide ring to form the circumferential channel of one at its - based on the preferred direction of flow of the working medium - front and rear edge in each case is flush with the receiving ring, which makes results in a simple and easy to assemble structure.
- the flush concerns of the receiving ring can z.
- B. secure position be caused by an all-round interlocking. at Using the fittings, the channel is limited internally through the cladding sheet.
- a gas turbine, its assembly is further facilitated, is preferably then before if the respective receiving ring by a number is formed by fittings.
- the respective receiving ring can in this case, for example, formed from two half pieces his.
- an axial fixation of the guide ring is provided, which is advantageously achieved with a gas turbine, in which the respective receiving ring on its the turbine housing facing outside a circumferential, in a circumferential, groove permanently connected to the turbine housing has guided collar. It is particularly advantageous if the collar of the respective receiving ring a number of radially aligned long grooves in which one guide pin each connected to the turbine housing slides, resulting in an even change in gap.
- the axial fixation is reinforced.
- the guide bolts are preferably in the turbine housing screwed in and thus detachable on the one hand, on the other hand but also resilient when assembled.
- the advantages achieved with the invention are in particular in that by influencing thermal expansion assigned to a row of blades and this surrounding guide ring, for which this with a control medium is active regulation of the width of the between active the blade row and the guide ring existing Gap is reached.
- This can be particularly useful in stationary Operation of the gas turbine has a particularly small gap width can be set that overflow only comparatively little working medium without doing work in one Allows space behind the row of blades. This results in only a small loss in relation to the Drive the turbine effective working medium, whereby the Turbine efficiency and thus the power yield effectively is increased.
- Through the active gap control can also not only in a certain, preferably that stationary, operating state set the smallest possible gap but the gap control can be in immediate Relation to the respective operating state of the gas turbine be followed up.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for Drive the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine. To do this are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, also as a turbine rotor designated turbine shaft 8 arranged with the the generator or the working machine is also connected and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the combustion chamber 4 is provided with a number of burners 10 Combustion of a liquid or gaseous fuel. It is still not closer to its inner wall provided heat shield elements.
- the turbine 6 has a number of with the turbine shaft 8 connected, rotatable blades 12.
- the blades 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of blades.
- the turbine 6 comprises a number of fixed guide vanes 14, which is also ring-shaped with the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by transfer of momentum from the turbine 6 working medium flowing through M.
- the guide vanes 14 serve, however, to flow the working medium M. between two in the flow direction of the working medium M seen successive rows of blades or blade rings.
- a successive pair of one Ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and from a ring of blades 12 or a row of blades is also referred to as the turbine stage.
- Each guide vane 14 has a platform 18 which is used for fixing of the respective guide vane 14 on the inner housing 16 of the Turbine 6 is arranged as a wall element.
- Platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, which is the outer boundary of a hot gas duct for the the working medium M flowing through the turbine 6 forms.
- each Blade 12 is in an analogous manner as a Blade 20 designated platform 20 on the turbine shaft 8 attached.
- each guide ring 21 is also hot, flowing through the turbine 6 Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blades opposite it 12 of a row of blades through a gap 24 spaced.
- the between adjacent rows of vanes arranged guide rings 21 serve as due to their thermal expansion the gap 24 between respective guide ring 21 and associated blade row regulating components and also as cover elements, the inner housing 16 or other housing installation parts a thermal overload caused by the turbine 6 Protect flowing hot working medium M.
- the gas turbine 1 for a comparatively high outlet temperature of the working medium emerging from the combustion chamber 4 M designed from about 1200 ° C to 1300 ° C.
- the blades 12 and Guide vanes 14 designed to be coolable as cooling medium by cooling air.
- a section of the longitudinal section of the gas turbine shows Figure 2.
- Firmly connected to the turbine shaft 8 of the turbine 6, arranged in circumferential rows around the turbine shaft 8 Blades 12 are of the emerging from the combustion chamber 4, due to the rows of guide vanes on the inner casing 16 of the turbine 6 arranged guide vanes 14 guided working medium M flowed, whereby by momentum transfer from the Working medium M on the rotor blades 12, the turbine shaft 8 is set in rotation.
- Between the blades 12 a row of blades and the associated guide ring 21 is the gap 24, through the working medium M to the Blades 12 past in a space 26 in the direction of flow can flow behind the blades 12 without that a momentum transfer to the blades 12 takes place.
- the guide rings 21 are included acted upon a control medium S that the guide rings 21 can be fed via a feed line 28 and from these can be conducted away via a lead 30.
- the guide rings 21 with the control medium S is the Guide rings 21 each assigned a circumferential channel 32, which is connected to the feed line 28 and to the discharge line 30 is.
- the circumferential channel 32 is the respective guide ring 21 enclosed by a receiving ring 34.
- a circumferential hook 36 on the front edge and a circumferential hooking 38 on the rear edge of each Guide ring 21 ensure a flush and secure position Concern of the receiving ring 34 on the respective Guide ring 21.
- the receiving rings 34 are on the turbine housing 16 facing Outside each with a circumferential, in one circumferential, fixedly connected to the turbine housing 16 Groove 40 guided collar 42 provided, the collar 42 of the respective receiving ring 34 by means of guide bolts 44 connected to the turbine housing 16 and in the turbine housing 16 is fixed in the axial direction.
- FIG 3 is a single guide ring 21 with a receiving ring 34 shown in a simplified side view.
- the guide ring 21 is to simplify assembly formed by two half-shell shaped pieces 48, 50 which each have a curved jacket sheet 52, 54. A Positioning the shaped pieces 48, 50 relative to one another and fixing them to each other by means of pins 56.
- the formation of the guide ring 21 is also with it connected receiving ring 34 formed by two fittings 58, 60, which are positioned with the help of pins 62 and are fixed to each other.
- guide bolts 44 are provided which are in a collar 42 of the receiving ring 34 arranged long grooves 64 attached are. The guide bolts 44 serve to hold the receiving ring 34 and with this the guide ring 21 in the axial direction in the To hold the turbine casing completely, whereas one radial mobility of the receiving ring 34 and the guide ring Allow 21 in the turbine housing.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle angeordneten Laufschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse verbundenen Leitschaufeln.The invention relates to a gas turbine with a number of each grouped into rows of moving blades a turbine shaft and arranged with blades Number of rows of guide vanes combined guide vanes connected to a turbine housing.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt.Gas turbines are used to drive generators in many areas or used by work machines. The Energy content of a fuel to generate a rotational movement a turbine shaft. The fuel will To do this, burned in a combustion chamber, using an air compressor compressed air is supplied. That in the combustion chamber generated by the combustion of the fuel, under high Pressure and high temperature working medium is via a turbine unit downstream of the combustion chamber managed where it relaxes while working.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.To generate the rotational movement of the turbine shaft are a number of them usually in groups of blades or rows of blades grouped together arranged, via a pulse transfer from the working medium drive the turbine shaft. For guiding the working medium in the turbine unit are usually between neighboring rows of blades with the turbine housing connected rows of vanes arranged.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei einerseits aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit dem das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. When designing such gas turbines in addition to achievable performance usually a particularly high efficiency a design goal. An increase in efficiency can be used for thermodynamic reasons always achieve by increasing the outlet temperature, with which the working medium is extracted from the combustion chamber and flows into the turbine unit.
Andererseits kann eine Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreicht werden, dass die Turbinenverluste vermindert werden. Zu den Verlusten tragen vor allem auch Querströmungen von Arbeitsmedium zwischen dem Turbinengehäuse und den äußeren Enden der Laufschaufeln, mithin über die Laufschaufelspitzen hinweg, bei. Diese Anteile des Arbeitsmediums leisten somit keinen Beitrag zum Antrieb der Turbinenwelle, ein Impulsübertrag auf die Laufschaufeln findet nicht statt. Daher wird üblicherweise angestrebt, die Spalte zwischen den äußeren Enden der Laufschaufeln und dem Turbinengehäuse möglichst gering zu halten. Aufgrund der unterschiedlichen zeitlichen Erwärmung und der damit verbundenen ungleichen Ausdehnung von Turbinengehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln und Turbinenwelle sowohl in radialer als auch in axialer Richtung als auch in bezug zueinander, insbesondere beim Hochfahren der Turbine, kann jedoch eine für den Dauerbetriebszustand, also den stationären Betrieb, der Turbine optimale, geringe Spaltbreite nicht ursprünglich eingestellt werden. Die Mindestspaltbreite liegt in der Regel nicht im stationären Betrieb vor, sondern in irgendeinem Betriebspunkt während des instationären Betriebs, beispielsweise beim Hochfahren der Turbine. Dieser Umstand führt dazu, dass als Kompromiss beim Aufbau der Turbine eine Spaltbreite gewählt werden muss, die im stationären Betrieb einen verlustbringenden, vergrößerten Spalt nach sich zieht.On the other hand, this can increase efficiency achieved that the turbine losses are reduced. Above all, cross flows of working medium also contribute to the losses between the turbine housing and the outer ends of the blades, and therefore over the blade tips away, at. These parts of the working medium therefore perform no contribution to driving the turbine shaft, an impulse transfer on the blades does not take place. Therefore, usually aimed at the gap between the outer ends the blades and the turbine housing as little as possible hold. Because of the different temporal warming and the associated uneven expansion of the turbine housing, Guide vanes, blades and turbine shaft both in the radial as well as in the axial direction as well to each other, especially when the turbine is started up, However, one can be used for the permanent operating state, i.e. the stationary one Operation, the turbine optimal, small gap width not originally set. The minimum gap width is usually not in stationary operation, but rather at any operating point during transient operation, for example when starting up the turbine. This Circumstance leads to that as a compromise when building the turbine a gap width must be selected that in the stationary Operating a lossy, enlarged gap draws.
Zur Verlustverminderung durch Verringerung des Spaltes zwischen Turbinengehäuse und den äußeren Enden der Lauf schaufeln können einerseits passive Maßnahmen wie gezielte Versteifungen des Turbinengehäuses oder eine Anpassung von Aufhängungen der Laufschaufeln vorgesehen werden. Die damit zu erreichende Erhöhung des Wirkungsgrades kann jedoch nicht zufriedenstellen. Als andere, aktive Maßnahme können kühl- und/oder aufheizbare Trägertürme für am Turbinengehäuse angeordnete, die Laufschaufeln umgebende Führungsringe vorgesehen werden. Die Trägertürme sollen eine gewisse axiale und/oder radiale Beweglichkeit der Führungsringe ermöglichen und so die Breite des Spaltes zwischen den Führungsringen und den äußeren Enden der Laufschaufeln beeinflussen. Ein sinnvoller Einsatz solcher Trägertürme scheidet aber allein schon wegen ihrer sehr aufwändigen Herstellung aus. Eine andere, aus der Luftfahrt bekannte Maßnahme, die darin besteht, dass ein partielles Anblasen mit kalter Umgebungsluft erfolgt, ist bei ortsfest und erdbodennah zu betreibenden Gasturbinen nicht einsetzbar.To reduce loss by reducing the gap between Blade the turbine housing and the outer ends of the barrel can be passive measures such as targeted stiffening of the turbine housing or an adjustment of suspensions the blades are provided. The one to be achieved with it However, increasing efficiency cannot be satisfactory. As another, active measure, coolable and / or heatable Support towers for those arranged on the turbine housing Guide rings surrounding the blades are provided. The Carrier towers should have a certain axial and / or radial mobility of the guide rings and thus the width of the gap between the guide rings and the outer ends of the blades. A sensible use of such Carrier towers separate because of their very nature elaborate manufacture. Another one from aviation known measure, which is that a partial blowing with cold ambient air, is stationary and Gas turbines to be operated close to the ground cannot be used.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine der obengenannten Art anzugeben, die durch Verlustverminderung im stationären Betrieb für eine besonders hohe Auslegungsleistung geeignet ist.The invention is therefore based on the object of a gas turbine of the type mentioned above, by reducing losses in stationary operation for a particularly high design performance suitable is.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die oder jede Laufschaufelreihe im Innenbereich des Turbinengehäuses von einem zugeordneten Führungsring umgeben ist, der zur Beeinflussung seiner thermischen Ausdehnung mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist.This object is achieved by the or each row of blades in the interior of the turbine housing is surrounded by an associated guide ring for influencing its thermal expansion with a control medium is acted upon.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei hohem Wirkungsgrad der Gasturbine eine besonders hohe Auslegungsleistung erreichbar ist, indem Verluste im verfügbaren Arbeitsmediumstrom besonders gering gehalten sind. Um diese Verluste niedrig zu halten, sollte der Spalt zwischen den Führungsringen und den äußeren Enden der Laufschaufeln, durch den Arbeitsmedium ohne Ableisten von Arbeit an den Laufschaufeln vorbei und in den Raumbereich in Strömungsrichtung hinter den Laufschaufeln überströmt, möglichst gering gehalten sein. Es wurde erkannt, dass sich dieser Spalt, der ein Radialspalt ist, abhängig vom thermischen Zustand verändert, insbesondere also bei Lastwechseln, z. B. dem Hochfahren der Turbine. Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad ist, dass eine minimale Spaltbreite zumindest im Dauerbetrieb der Turbine vorliegt. Das lässt sich für eine sehr große Bandbreite von denkbaren Betriebszuständen, insbesondere auch im stationären Betrieb der Turbine, erreichen durch eine aktive Regelung der Spaltbreite. Allerdings ist eine solche aktive Regelung grundsätzlich sehr bauaufwändig und nicht ausfallsicher, wenn sie rein mechanisch erfolgt.The invention is based on the consideration that at high Efficiency of the gas turbine a particularly high design performance is achievable by making losses in the available Working medium flow are kept particularly low. Around To keep losses low, the gap between the Guide rings and the outer ends of the blades, through the working medium without doing work on the blades past and into the room area in the flow direction behind over the blades, kept as low as possible his. It was recognized that this gap is a radial gap is changed depending on the thermal state, in particular So with load changes, e.g. B. the start of the Turbine. It is important for high efficiency that a minimum gap width at least during continuous operation of the turbine is present. That can be for a very wide range of conceivable operating states, especially in stationary Operation of the turbine, achieved through active regulation of the Gap width. However, such an active regulation is generally very complex and not fail-safe if it is purely mechanical.
Um den baulichen Aufwand gering zu halten und eine einfache aktive Regelung der Spaltbreite zu gewährleisten, basiert die Regelung auf thermischer Beeinflussung der Führungsringe, d. h. auf der Nutzung der thermischen Ausdehnung von thermisch beanspruchten Bauteilen. Die thermische Beeinflussung erfolgt dabei ohne mechanische Hilfsmittel in außergewöhnlich einfacher Weise durch das Steuermedium. Eine solche Regelung ist zudem selbststabilisierend in dem Sinne, dass bei einem Ausfall der Regelung der Ausgangszustand des Spaltes eingenommen wird. Daher weist die Gasturbine große Sicherheitsreserven auf, und auch ihre Ausfallsicherheit ist sehr hoch. Um eine wirkungsvolle Beeinflussung der thermischen Ausdehnung zu erreichen, erfolgt vorzugsweise eine großflächige Beaufschlagung der Führungsringe.To keep the construction effort low and simple to ensure active regulation of the gap width Regulation on thermal influence of the guide rings, d. H. on the use of thermal expansion from thermal stressed components. The thermal influence takes place doing so without mechanical aids in exceptionally simple Way through the control medium. Such a scheme is also self-stabilizing in the sense that in the event of a failure the control system assumed the initial state of the gap becomes. The gas turbine therefore has large safety reserves on, and their resilience is also very high. To one to achieve an effective influence on the thermal expansion, there is preferably a large-scale exposure the guide rings.
Als besonders einfach bereitzustellendes und handzuhabendes Steuermedium ist bei der Gasturbine vorzugsweise Luft vorgesehen.As particularly easy to provide and handle Control medium is preferably provided for air in the gas turbine.
Eine Verminderung des Radialspaltes zwischen Führungsring und zugeordneter Laufschaufelreihe kann in wesentlichen Betriebszuständen, z. B. beim Hochfahren der Gasturbine, bereits dadurch erzielt werden, dass der Führungsring grundsätzlich mit Steuermedium einer vorgegebenen Temperatur beaufschlagt wird. Eine außerordentlich wirkungsvolle Spaltregelung ergibt sich vorteilhaft hingegen dann, wenn der jeweilige Führungsring der Gasturbine bedarfsweise mit im Vergleich zu seiner aktuellen Temperatur heißerem oder kälterem Steuermedium beaufschlagbar ist. Für eine Abkühlung kann in einem solchen Fall Kühlluft verwendet werden; sollte eine Aufheizung erforderlich sein, so kann das Steuermedium beispielsweise mittels des Arbeitsmediums aufgeheizt werden. A reduction in the radial gap between the guide ring and assigned blade row can in essential operating states, z. B. when starting up the gas turbine, already achieved that the guide ring basically with Control medium is subjected to a predetermined temperature. An extraordinarily effective gap control results advantageous, however, when the respective guide ring if necessary, the gas turbine compared to its current one Temperature of hotter or colder control medium can be applied is. In such a case, you can cool down Cooling air can be used; should heating be required the control medium can be, for example, by means of of the working medium are heated.
Eine weiter vereinfachte Montage der Gasturbine kann vorteilhaft erreicht werden, wenn der jeweilige Führungsring durch eine Anzahl von Formstücken gebildet ist, von denen jedes jeweils ein gebogenes Mantelblech aufweist. Ein aufwändiges Fügen des Führungsringes in das Turbinengehäuse entfällt dabei, und durch die gebogene Formgebung der Mantelbleche lässt sich der Führungsring gut an die Geometrie der zugehörigen Laufschaufelreihe anpassen.A further simplified assembly of the gas turbine can be advantageous can be achieved when the respective guide ring through a number of fittings is formed, each of which has a curved jacket sheet. An elaborate joining the guide ring in the turbine housing is omitted, and thanks to the curved shape of the jacket sheets the guide ring matches the geometry of the associated row of blades to adjust.
Allgemein könnte das Steuermedium über einen beliebigen Raum, der sich beispielsweise in oder an dem Turbinengehäuse befindet und den jeweiligen Führungsring umgibt, dem jeweiligen Führungsring zugeführt werden. Eine wesentlich wirkungsvollere Beeinflussung der thermischen Ausdehnung des Führungsringes wird hingegen vorteilhaft bei einer Gasturbine erreicht, bei der dem jeweiligen Führungsring ein umlaufender Kanal zugeordnet ist, der an eine Zuleitung und an eine Ableitung für das Steuermedium angeschlossen ist. Auf diese Weise ist nicht nur eine großflächige Beaufschlagung des Führungsringes mit Steuermedium gewährleistet, sondern das Steuermedium kann zudem gezielt und unter Vermeidung von Verlusten zur Beeinflussung der thermischen Ausdehnung des Führungsringes eingesetzt werden. Die Zuleitung für das Steuermedium kann dabei ihrerseits vorzugsweise an eine Kaltluft- und an eine Heißluftversorgung angeschlossen sein.In general, the control medium could be over any room, which is located, for example, in or on the turbine housing and surrounds the respective guide ring, the respective one Guide ring are fed. A much more effective one Influencing the thermal expansion of the guide ring is advantageously achieved with a gas turbine, in the case of the respective guide ring Channel is assigned, which is connected to a supply line and a discharge line is connected for the control medium. To this Wise is not just a large-scale application of the guide ring guaranteed with control medium, but the control medium can also be targeted and avoid losses to influence the thermal expansion of the guide ring be used. The supply line for the control medium can in turn preferably be connected to a cold air and connected to a hot air supply.
Ausgesprochen vorteilhaft ist eine Gasturbine, bei der der jeweilige Führungsring zur Bildung des umlaufenden Kanals von einem an seiner - bezogen auf die bevorzugte Strömungsrichtung des Arbeitsmediums - Vorder- und Hinterkante jeweils bündig anliegenden Aufnahmering umschlossen ist, wodurch sich ein einfacher und leicht zu montierender Aufbau ergibt. Das bündige Anliegen des Aufnahmeringes kann dabei z. B. positionssicher bewirkt sein durch eine umlaufende Verhakung. Bei Verwendung der Formstücke wird der Kanal nach innen hin begrenzt durch das Mantelblech. Eine Gasturbine, deren Zusammenbau zusätzlich weiter erleichtert ist, liegt vorzugsweise dann vor, wenn der jeweilige Aufnahmering durch eine Anzahl von Formstücken gebildet ist. Der jeweilige Aufnahmering kann in diesem Fall beispielsweise aus zwei Halbstücken gebildet sein.A gas turbine in which the respective guide ring to form the circumferential channel of one at its - based on the preferred direction of flow of the working medium - front and rear edge in each case is flush with the receiving ring, which makes results in a simple and easy to assemble structure. The flush concerns of the receiving ring can z. B. secure position be caused by an all-round interlocking. at Using the fittings, the channel is limited internally through the cladding sheet. A gas turbine, its assembly is further facilitated, is preferably then before if the respective receiving ring by a number is formed by fittings. The respective receiving ring can in this case, for example, formed from two half pieces his.
Aufgrund der üblicherweise konischen Form des Strömungsraums des Arbeitsmediums einer Gasturbine kann die Gefahr einer axialen Verschiebung des jeweiligen Führungsringes relativ zu der zugehörigen Laufschaufelreihe bestehen, was eine unerwünschte Veränderung des Spaltes zwischen den äußeren Enden der Schaufeln der Laufschaufelreihe und dem Führungsring bewirken würde. Um eine solche Veränderung auszuschließen, ist vorzugsweise eine axiale Fixierung des Führungsringes vorgesehen, die vorteilhaft mit einer Gasturbine erreicht wird, bei der der jeweilige Aufnahmering auf seiner dem Turbinengehäuse zugewandten Außenseite einen umlaufenden, in einer umlaufenden, ortsfest mit dem Turbinengehäuse verbundenen Nut geführten Kragen aufweist. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Kragen des jeweiligen Aufnahmeringes eine Anzahl von radial ausgerichteten Langnuten aufweist, in denen jeweils ein mit dem Turbinengehäuse verbundener Führungsbolzen gleitet, wodurch sich eine gleichmäßige Spaltänderung ergibt. Somit ist einerseits (durch die radial ausgerichteten Langnuten und mit Hilfe der Bolzen) eine Fixierung in Umlaufrichtung erreicht, wobei andererseits die axiale Fixierung noch verstärkt ist. Trotz der Fixierung ist aufgrund der Langnuten aber eine Bewegung in radialer Richtung zugelassen. Die Führungsbolzen sind dabei vorzugsweise in das Turbinengehäuse eingeschraubt und somit einerseits lösbar, andererseits aber in montiertem Zustand auch belastbar.Due to the usually conical shape of the flow space of the working medium of a gas turbine can pose the risk of axial displacement of the respective guide ring relative to the associated blade row consist, which is an undesirable Change in the gap between the outer ends of the blades of the blade row and the guide ring would. To rule out such a change is preferably an axial fixation of the guide ring is provided, which is advantageously achieved with a gas turbine, in which the respective receiving ring on its the turbine housing facing outside a circumferential, in a circumferential, groove permanently connected to the turbine housing has guided collar. It is particularly advantageous if the collar of the respective receiving ring a number of radially aligned long grooves in which one guide pin each connected to the turbine housing slides, resulting in an even change in gap. Thus, on the one hand (due to the radially aligned Long grooves and with the help of the bolts) a fixation in the direction of rotation reached, on the other hand the axial fixation is reinforced. Despite the fixation is due to Long grooves allow movement in the radial direction. The guide bolts are preferably in the turbine housing screwed in and thus detachable on the one hand, on the other hand but also resilient when assembled.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Beeinflussung der thermischen Ausdehnung des einer Laufschaufelreihe zugeordneten und diese umgebenden Führungsringes, wozu dieser mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist, eine aktive Regelung der Breite des zwischen der Laufschaufelreihe und dem Führungsring bestehenden Spaltes erreicht wird. Damit kann insbesondere im stationären Betrieb der Gasturbine eine besonders geringe Spaltbreite eingestellt werden, die ein Überströmen von nur vergleichsweise wenig Arbeitsmedium ohne Ableisten von Arbeit in einen Raumbereich hinter der Laufschaufelreihe zulässt. Dadurch ergibt sich ein lediglich geringer Verlust an in bezug auf den Antrieb der Turbine wirkungsvollem Arbeitsmedium, wodurch der Turbinenwirkungsgrad und damit die Leistungsausbeute wirkungsvoll gesteigert wird. Durch die aktive Spaltregelung kann zudem nicht nur in einem bestimmten, vorzugsweise dem stationären, Betriebszustand ein geringstmöglicher Spalt eingestellt werden, sondern die Spaltregelung kann in unmittelbarem Bezug zum jeweiligen Betriebszustand der Gasturbine nachgefahren werden.The advantages achieved with the invention are in particular in that by influencing thermal expansion assigned to a row of blades and this surrounding guide ring, for which this with a control medium is active regulation of the width of the between active the blade row and the guide ring existing Gap is reached. This can be particularly useful in stationary Operation of the gas turbine has a particularly small gap width can be set that overflow only comparatively little working medium without doing work in one Allows space behind the row of blades. This results in only a small loss in relation to the Drive the turbine effective working medium, whereby the Turbine efficiency and thus the power yield effectively is increased. Through the active gap control can also not only in a certain, preferably that stationary, operating state set the smallest possible gap but the gap control can be in immediate Relation to the respective operating state of the gas turbine be followed up.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1- einen Längsschnitt durch eine Gasturbine,
- Figur 2
- einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Längsschnitt der Gasturbine nach Figur 1 und
- Figur 3
- einen Führungsring mit Aufnahmering in einer Seitenansicht.
- Figure 1
- a longitudinal section through a gas turbine,
- Figure 2
- an enlarged section of the longitudinal section of the gas turbine according to Figure 1 and
- Figure 3
- a guide ring with receiving ring in a side view.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.The same parts have the same reference symbols in all the figures Mistake.
Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum
Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine
6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer
bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit der
auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist und
die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. The
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur
Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Sie ist weiterhin an ihrer Innenwand mit nicht näher
dargestellten Hitzeschildelementen versehen.The
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag von einem die Turbine
6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14
dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M
zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums
M gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem
Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und
aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe
wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The
Jede Leitschaufel 14 weist eine Plattform 18 auf, die zur Fixierung
der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18
ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil,
das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das
die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede
Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als
Schaufelfuss bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8
befestigt.Each
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die innere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufeln
12 einer Laufschaufelreihe durch einen Spalt 24
beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen
angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei zum einen als
durch ihre thermische Ausdehnung den Spalt 24 zwischen
jeweiligem Führungsring 21 und zugeordneter Laufschaufelreihe
regelnde Bauteile und zum anderen auch als Abdeckelemente,
die das Innengehäuse 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor
einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6
durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützen.Between the spaced
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Gasturbine 1 für eine vergleichsweise hohe Austrittstemperatur
des aus der Brennkammer 4 austretenden Arbeitsmediums
M von etwa 1200 °C bis 1300 °C ausgelegt. Um dies zu ermöglichen,
sind zumindest einige der Laufschaufeln 12 und der
Leitschaufeln 14 durch Kühlluft als Kühlmedium kühlbar ausgelegt.To achieve a comparatively high efficiency
the
Einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt der Gasturbine zeigt
Figur 2. Mit der Turbinenwelle 8 der Turbine 6 fest verbundene,
in Umfangsreihen um die Turbinenwelle 8 angeordnete
Laufschaufeln 12 werden von dem aus der Brennkammer 4 austretenden,
durch die in Leitschaufelreihen an dem Innengehäuse
16 der Turbine 6 angeordnete Leitschaufeln 14 geleiteten Arbeitsmedium
M angeströmt, wobei durch Impulsübertrag von dem
Arbeitsmedium M auf die Laufschaufeln 12 die Turbinenwelle 8
in Rotation versetzt wird. Zwischen den Laufschaufeln 12
einer Laufschaufelreihe und dem zugeordneten Führungsring 21
befindet sich der Spalt 24, durch den Arbeitsmedium M an den
Laufschaufeln 12 vorbei in einen Raumbereich 26 in Strömungsrichtung
hinter den Laufschaufeln 12 überströmen kann, ohne
dass ein Impulsübertrag auf die Laufschaufeln 12 stattfindet. A section of the longitudinal section of the gas turbine shows
Figure 2. Firmly connected to the
Zur Regelung des Spaltes 24 sind die Führungsringe 21 mit
einem Steuermedium S beaufschlagbar, das den Führungsringen
21 jeweils über eine Zuleitung 28 zuleitbar und von diesen
über eine Ableitung 30 wegleitbar ist. Zur großflächigen Beaufschlagung
der Führungsringe 21 mit Steuermedium S ist den
Führungsringen 21 jeweils ein umlaufender Kanal 32 zugeordnet,
der an die Zuleitung 28 und an die Ableitung 30 angeschlossen
ist. Zur Bildung des umlaufenden Kanals 32 ist der
jeweilige Führungsring 21 dabei von einem Aufnahmering 34 umschlossen.
Eine umlaufende Verhakung 36 an der Vorderkante
und eine umlaufende Verhakung 38 an der Hinterkante des jeweiligen
Führungsringes 21 sorgen für ein bündiges und positionssicheres
Anliegen des Aufnahmeringes 34 an dem jeweiligen
Führungsring 21.To control the
Die Aufnahmeringe 34 sind an ihrer dem Turbinengehäuse 16 zugewandten
Außenseite jeweils mit einem umlaufenden, in einer
umlaufenden, ortsfest mit dem Turbinengehäuse 16 verbundenen
Nut 40 geführten Kragen 42 versehen, wobei der Kragen 42 des
jeweiligen Aufnahmeringes 34 mittels Führungsbolzen 44 mit
dem Turbinengehäuse 16 verbunden und in dem Turbinengehäuse
16 in axialer Richtung festgelegt ist. Zur Befestigung der
Führungsbolzen 44, die in Axialrichtung der Turbine 6 angeordnet
sind, an dem Turbinengehäuse 16 ist dieses mit Montageräumen
46 versehen.The receiving rings 34 are on the
In Figur 3 ist ein einzelner Führungsring 21 mit einem Aufnahmering
34 in einer vereinfachten Seitenansicht dargestellt.
Der Führungsring 21 ist zur Montagevereinfachung
durch zwei halbschalenförmige Formstücke 48, 50 gebildet, die
jeweils ein gebogenes Mantelblech 52, 54 aufweisen. Eine
Positionierung der Formstücke 48, 50 zueinander und ihre Fixierung
aneinander erfolgt mittels Stiften 56. Entsprechend
der Ausbildung des Führungsringes 21 ist auch der mit ihm
verbundene Aufnahmering 34 durch zwei Formstücke 58, 60 gebildet,
die mit Hilfe von Stiften 62 zueinander positioniert
und aneinander fixiert sind. Zur Verbindung des Aufnahmeringes
34 mit einem hier nicht dargestellten Turbinengehäuse
sind Führungsbolzen 44 vorgesehen, die in in einem Kragen 42
des Aufnahmeringes 34 angeordneten Langnuten 64 angebracht
sind. Die Führungsbolzen 44 dienen dazu, den Aufnahmering 34
und mit diesem den Führungsring 21 in axialer Richtung in dem
Turbinengehäuse vollständig festzuhalten, wohingegen sie eine
radiale Beweglichkeit des Aufnahmeringes 34 sowie des Führungsringes
21 in dem Turbinengehäuse zulassen.In Figure 3 is a
Claims (9)
bei der als Steuermedium (S) Luft vorgesehen ist.Gas turbine (1) according to claim 1,
in which air is provided as the control medium (S).
bei der der jeweilige Führungsring (21) bedarfsweise mit im Vergleich zu seiner aktuellen Temperatur heißerem oder kälterem Steuermedium (S) beaufschlagbar ist.Gas turbine (1) according to claim 1 or 2,
in which the respective guide ring (21) can be acted upon with hotter or colder control medium (S) compared to its current temperature.
bei der der jeweilige Führungsring (21) durch eine Anzahl von Formstücken (48, 50) gebildet ist, von denen jedes jeweils ein gebogenes Mantelblech (52, 54) aufweist.Gas turbine (1) according to one of claims 1 to 3,
in which the respective guide ring (21) is formed by a number of shaped pieces (48, 50), each of which has a curved jacket plate (52, 54).
bei der dem jeweiligen Führungsring (21) ein umlaufender Kanal (32) zugeordnet ist, der an eine Zuleitung (28) und an eine Ableitung (30) für das Steuermedium (S) angeschlossen ist.Gas turbine (1) according to one of claims 1 to 4,
in which a circumferential channel (32) is assigned to the respective guide ring (21) and is connected to a feed line (28) and a discharge line (30) for the control medium (S).
bei der der jeweilige Führungsring (21) zur Bildung des umlaufenden Kanals (32) von einem an seiner Vorder- und Hinterkante jeweils bündig anliegenden Aufnahmering (34) umschlossen ist. Gas turbine (1) according to claim 5,
in which the respective guide ring (21) to form the circumferential channel (32) is enclosed by a receiving ring (34) which is flush against its front and rear edges.
bei der der jeweilige Aufnahmering (34) durch eine Anzahl von Formstücken (58, 60) gebildet ist.Gas turbine (1) according to claim 6,
in which the respective receiving ring (34) is formed by a number of shaped pieces (58, 60).
bei der der jeweilige Aufnahmering (34) auf seiner dem Turbinengehäuse (16) zugewandten Außenseite einen umlaufenden, in einer umlaufenden, ortsfest mit dem Turbinengehäuse (16) verbundenen Nut (40) geführten Kragen (42) aufweist.Gas turbine (1) according to claim 6 or 7,
in which the respective receiving ring (34) has on its outside facing the turbine housing (16) a circumferential collar (42) which is guided in a circumferential groove (40) which is fixedly connected to the turbine housing (16).
bei der der Kragen (42) des jeweiligen Aufnahmerings (34) eine Anzahl von radial ausgerichteten Langnuten (64) aufweist, in denen jeweils ein mit dem Turbinengehäuse (16) verbundener Führungsbolzen (44) gleitet.Gas turbine (1) according to claim 8,
in which the collar (42) of the respective receiving ring (34) has a number of radially oriented long grooves (64), in each of which a guide pin (44) connected to the turbine housing (16) slides.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP02001264A EP1329594A1 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Blade tip clearance control of a gas turbine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP02001264A EP1329594A1 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Blade tip clearance control of a gas turbine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP1329594A1 true EP1329594A1 (en) | 2003-07-23 |
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ID=8185293
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP02001264A Withdrawn EP1329594A1 (en) | 2002-01-17 | 2002-01-17 | Blade tip clearance control of a gas turbine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1329594A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1908926A1 (en) * | 2006-10-06 | 2008-04-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Turbomachine |
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-
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- 2002-01-17 EP EP02001264A patent/EP1329594A1/en not_active Withdrawn
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