EP1611315B1 - Turbomaschine - Google Patents
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- EP1611315B1 EP1611315B1 EP04725711.8A EP04725711A EP1611315B1 EP 1611315 B1 EP1611315 B1 EP 1611315B1 EP 04725711 A EP04725711 A EP 04725711A EP 1611315 B1 EP1611315 B1 EP 1611315B1
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- EP
- European Patent Office
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- cavity
- overflow passage
- turbomachine
- flow
- ejector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
- F01D25/12—Cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/60—Fluid transfer
- F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump
Definitions
- the present invention relates to a turbomachine according to the preamble of claim 1. It further relates to a method for operating such a turbomachine.
- Modern gas turbines are often designed in the high-temperature-loaded part with two-shell enclosures.
- an annular space is formed between an inner housing and an outer housing, which is often acted upon during operation with cooling air or other coolant.
- the annular space is formed after stopping the gas turbine without further measures also a vertical temperature stratification, which leads to a delay of the housing.
- the DE 507 129 as well as the WO 00/11324 suggest to provide means in a bivalve casing of a turbine to disturb the stable temperature stratification by forced flow within the space.
- it is essentially proposed to convey fluid from one point of the annular space to another point of the annular space outside the annular space, whereby a compensating flow is induced within the annular space.
- the documents indicate that an overflow channel is preferably to be arranged outside the machine housing, which connects two locations located at different circumferential positions of the housing, and to arrange a circulation fan for driving the equalizing flow within this overflow channel. In practice, the drive of the circulating fan proves to be problematic.
- a drive shaft of the blower which from a outside of the overflow channel arranged engine to within arranged fan wheel must be reliably sealed under operating conditions. Due to the prevailing high pressures, which can reach values of 30 bar and above in modern gas turbines, and which can be even higher with steam turbines, and the temperatures which can even reach up to 500 ° C in the cooling air, this task is only To solve with great effort, and over a long period of operation is a latent failure risk.
- a turbo-machine according to the prior art is from the document US 2,650,794 known.
- the object of the invention is to provide a turbomachine of the type mentioned, which avoids the disadvantages of the prior art.
- the core of the invention is thus to arrange an ejector within the overflow, through which, if necessary, a propellant flow for driving the flow through the overflow is conductive. It is therefore not necessary to seal a passage of a movable member through the wall of the overflow. Because on the one hand the mass flow of the propellant which is passed through the ejector, is significantly lower than the design mass flow of the overflow, and on the other hand, the flow velocity through the ejector should be high anyway, for the supply to the ejector much smaller flow cross-sections are advantageously used for the overflow , Typically, the design mass flow of the ejector is about 8% to 15%, in particular 10%, of the design mass flow of the overflow channel.
- the ejector inflow line can be isolated from the volume of the cavity in a much simpler manner by a non-return and / or a shut-off device to let.
- the Ejektorströmung so essentially serves as a propellant, and an external auxiliary medium can be used, there are great freedoms in the choice of the appropriate drive source.
- the ejector flow does not necessarily have to be driven by a fan, but it can also be used, for example, air from a compressed air system or steam from a boiler. Because the system is operated in the plant standstill, after the shutdown of the turbomachine, there is essentially ambient pressure during operation of the ejector in the cavity.
- the propellant source for the ejector is selected so that the pre-pressure of the propellant is 1.3 to 3 times, preferably 1.5 to 2 times, the pressure in the cavity. It is further preferred if the volume of the cavity is circulated through the flow in the overflow line about 4 to 8 times, preferably about 6 times, per minute. In a very particularly preferred embodiment of the invention, the volume of the cavity is circulated once in about 11 seconds. It has been shown that this circulation rate leads to a particularly good homogenization of the temperature distribution in the cavity.
- the device according to the invention is operated such that when the turbomachine is at a standstill, in particular during a cooling phase of the turbomachine following decommissioning, a fluid is passed as blowing agent through the ejector into the overflow channel, where it drives a flow through which the gas content of the cavity is circulated becomes.
- the ejector supplies a fluid mass flow to the cavity which, in preferred embodiments of the invention, is in the range of 0.5% to 2% and most preferably around 1% of the contents of the cavity, such that the contents of the cavity are exchanged once in the range of 50 to 200 seconds. This is in contrast to the prior art, not a completely closed system.
- ambient air or air from an auxiliary air system can be used as propellant.
- This can be used to advantage in order to support the homogenization of the temperature distribution, and to shorten the cooling phase.
- fluid is removed at a lower location of the housing cavity and mixed with cold ambient air by the ejector flow, and this mixed overflow is reintroduced in the upper part of the cavity, this adds to an additional, quite desirable, cooling in the upper housing segments. Due to this additional cooling effect due to the externally supplied propellant flow additional cooling is effected, with the appropriate structural design just where it is desired, namely in the tend to be rather hot, upper part.
- the propellant of the ejector is preheated, while it can be passed over or through other heated components of the turbomachine, for example.
- medium must flow out of the cavity; This is preferably done by the coolant path of the turbomachine.
- the cavity is in particular formed between an inner and an outer housing of the turbomachine, for example between a combustion chamber wall and an outer housing of a gas turbine.
- the cavity is formed with a substantially annular cross section, in particular as a torus, or with a cross section in the form of a ring segment.
- the overflow channel is advantageously arranged outside the housing of the turbomachine. This ensures superior accessibility and makes it easy to retrofit existing installations.
- the overflow channel connects two points arranged substantially at diagonally opposite circumferential positions of the cavity.
- the mouths of the overflow are also with Advantage disposed at different geodetic heights of the cavity, wherein the downstream end of the overflow, to which the ejector drives the flow, is advantageously located at the higher point.
- the mouths of the overflow are arranged at a geodetically highest and a geodetically furthest down circumferential position of the cavity, the flow in the Matterstömtechnisch from bottom to top, so to speak from the "bottom" of the cavity to their " Roof ", is addressed.
- relatively cool fluid is conveyed from the lower part of the cavity into the overflow channel, where it is mixed with the propellant of the ejector, which is generally even cooler.
- the fluid In the place of the outflow into the cavity, in the upper part, the fluid is warmer, and therefore has a lower density.
- the introduced cooler fluid decreases, thus inducing a balance flow in the cavity.
- This equalizing flow is self-regulating to a certain extent: the greater the difference in temperature between the upper part and the lower part of the cavity and the turbomachine casing, the greater the difference in density which drives the flow. This means that the more irregular the temperature distribution in the cavity, the stronger the driving forces which induce a compensating flow for temperature uniformity.
- the overflow line opens with a defined outflow path in the cavity.
- the outflow section is in particular such that the outflowing medium is oriented at least with a velocity component in the circumferential direction of the cavity.
- the outflow section which acts as an outlet guide, opens substantially in the circumferential direction, or such that it outflow direction by an angle of less than 30 °, preferably less than 10 °, in the axial direction against the circumference of the cavity is inclined.
- the discharge path is designed as a nozzle, so that it acts as an ejector, and also drives the fluid within the cavity.
- the openings of the overflow channel are arranged in a preferred embodiment of the invention at different axial positions.
- the resulting helical flow through the cavity then causes a homogenization of the temperature distribution in axialer as well as in the circumferential direction.
- the cavity has openings for the discharge of fluid, through which fluid can flow out of the cavity.
- the openings are preferably arranged symmetrically on the circumference, for example in the form of an annular gap, annular segment-shaped gaps, or circumferentially distributed holes.
- the openings are in fluid communication, for example, with the hot gas path of a gas turbine, so that fluid in the cavity, which is displaced by newly introduced fluid, can flow out into the hot gas path.
- Hot gas path in this context means the entire flow path from entry into the first turbine guide row through to the exhaust gas diffuser.
- the fluid can be discharged into the hot gas path via the cooling air path and the cooling openings, for example the first turbine guide row.
- FIG. 1 Therefore, the thermal block of a gas turbine is shown, with only the part located above the machine axis 10 is shown.
- the machine shown is a gas turbine with so-called sequential combustion, as for example from the EP 620362 is known. Although their operation for the invention without primary importance, this is the sake of completeness explained in outline.
- a compressor 1 draws in an air mass flow and compresses it to a working pressure. The compressed air flows through a plenum 2 into a first combustion chamber 3. There, a quantity of fuel is introduced and burned in the air. The resulting hot gas is partially relaxed in a first turbine 4, and flows into a second combustion chamber 5, a so-called SEV combustion chamber.
- the invention is in each case realized in the region of the cavities 2, 7 surrounding the combustion chambers 3, 5.
- the cross-sectional view in FIG. 2 is highly schematic, and could represent both a section in the region of the first combustion chamber 3 and in the region of the second combustion chamber 5.
- an annular cavity 2, 7 is formed in each case.
- the outer housing is provided with a removal point 15 which is connected to a first, upstream end of an overflow line 14.
- the second, downstream end 16 of the overflow line opens again at a location substantially diagonally opposite the removal trellis 15 in the cavity.
- a jet pump arrangement 17 with an ejector is arranged in the overflow line. From a per se arbitrary source for a pressurized medium, a propellant mass flow 18 is passed to the ejector and flows there at a relatively high speed, whereby further in the Kochströmtechnisch befindliches fluid is entrained, and thus a flow through the overflow is induced.
- the mass flow of the entrained fluid is a multiple of the propellant mass flow; typically, the mass flow of the driven flow in a preferred embodiment of the invention is about 10 times the propellant mass flow.
- the orientation of the flow from an upstream end 15 to a downstream end 16 is predetermined by the orientation of the ejector.
- the mouth of the upstream end is located at a geodetically lowest point, and the mouth of the downstream end 16 at a geodetically highest point.
- the coolest fluid in the cavity is sucked into the overflow 14.
- This is mixed with the propellant mass flow 18, which is often colder again; For example, it may be about a conveyor fan or a compressor 20 brought ambient air.
- the fluid emerging at the downstream end of the overflow line has a greater density than the fluid at a location located at the top of the cavity in a geodetic manner.
- a sinking movement begins in the cavity, which further intensifies a compensation flow 19.
- This intensification is greater, the greater the density differences in the cavity, ie, the more pronounced the temperature stratification is.
- the system is self-regulating in one way, and the equalizing flow 19 is all the more intense, the more pronounced the temperature stratification is.
- the fluid in the cavity is circulated once in about 8 to 15 seconds. With the blowing agent mass flow indicated above, the fluid content in the cavity is exchanged once every 80 to 150 seconds for fresh fluid flowing in via the ejector 17.
- the device according to the invention is advantageously not operated. Lie in the cavity then temperatures in the typical range from about 350 ° C to about 500 ° C, and the pressure is typically 12 bar to over 30 bar. It is therefore an essential advantage of the invention that, in contrast to the prior art in the highly loaded in terms of temperature and pressure part no moving parts are arranged, and sealed no relatively movable parts such as a drive shaft for a circulating fan Need to become.
- a propellant blower 20 can be arranged at a low pressure in terms of pressure and temperature point, which on the one hand increases the reliability of the overall system and on the other hand reduces effort and costs.
- the propellant can of course also come from a compressed air system.
- a check 23 and a shut-off device 24 are arranged to isolate the propellant supply from the high pressures and temperatures during operation of the gas turbine group.
- the execution according to FIG. 3 differs from the preceding example in that at the downstream end of the overflow 14, a flow guide 21 is arranged, which is presently designed as a nozzle, such that the outflow flow 22 also in the manner of an ejector as a propellant for a circulation flow 19 in the Cavity 2, 7 acts. This can be a directional flow generated in the cavity.
- FIG. 4 a perspective view of an annular cavity.
- the inner boundary 12, 13 is shown only schematically as a solid cylinder. Between this inner boundary and an outer shell 11, a cavity 2, 7 is formed.
- Distributed in the axial direction are three guided through the outer shell 11, not shown in the representation per se ejectors 21 passed, which are schematically indicated by dashed lines.
- the ejectors are arranged so that the orientation of the blowing direction of the blowing means 22 in the axial direction at an angle ⁇ against that by a dashed line U indicated circumferential direction is inclined.
- this angle of attack ⁇ can be restricted to values below 30 °, in particular to values smaller than 10 °.
- a helical flow, not shown, of the cavity arises, which furthermore helps to avoid an optionally adjusting axial temperature gradient. This is further assisted when the downstream end and the upstream end of an overflow line are located at different axial positions.
- the invention is in no way limited to being used in the outermost cavities 2, 7.
- the invention can be realized very simply as well for the combustion chambers 3, 5 or and the space formed between the housing elements 12, 13 and the shaft 9.
- the application of the invention is by no means limited to gas turbines, but that the invention can be used in a variety of other applications.
- the application of the invention is not limited to an in Fig. 1 It can also be used in gas turbines with only one or more than two combustors used illustrated gas turbine with sequential combustion.
- the invention can also be realized in steam turbines.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Turbomaschine.
- Das Phänomen des sogenannten "Buckelns" des Läufers wie auch des Gehäuses von Turbomaschinen wie Gasturbinen und Dampfturbinen ist hinreichend bekannt. Es wird dadurch hervorgerufen, dass die grossen und massereichen Strukturen solcher Maschinen nach längerem Betrieb grosse Wärmemengen gespeichert haben. Beim Abkühlen stellt sich in den vergleichsweise grossen Strömungskanälen eine ausgeprägte vertikale Temperaturschichtung ein, welche zu ungleichmässigen Temperaturverteilungen in den statischen wie den rotierenden Bauteilen führt, was aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen in einem Verzug von Gehäuse und Rotor und Abweichungen von der rotationssymmetrischen Sollgeometrie resultiert. Bei den unvermeidlich geringen Spaltmassen in modernen Turbomaschinen kommt es dadurch zum Blockieren des Rotors im Gehäuse, was zu Lasten der Startverfügbarkeit geht, und daneben die mechanische Integrität zu gefährden vermag. Bekannt sind daher beispielsweise aus der
US 3,793,905 oder derUS 4,854,120 Systeme zum Wellendrehen oder auch zum sogenannten Wellenschalten. Dabei wird der Rotor einer Turbomaschine nach dem Abstellen mit einer gewissen Drehzahl weitergedreht. Dabei sind, wie beim bekannten Wellenschalten, geringe Drehzahlen im Bereich von 1/min oder weniger bevorzugt. Dies genügt einerseits, um die Kühlung des Rotors in Umfangsrichtung zu vergleichmässigen; andererseits ist die Drehzahl niedrig genug, um keine ausgeprägte Axialdurchströmung etwa des Heissgaspfades einer Gasturbine, mit damit verbundenem Kaltlufteintrag und Thermoschocks, zu provozieren. - Moderne Gasturbinen werden im hochtemperaturbelasteten Teil häufig mit zweischaligen Gehäusen ausgeführt. Dabei ist zwischen einem inneren Gehäuse und einem äusseren Gehäuse ein Ringraum ausgebildet, der im Betrieb häufig mit Kühlluft oder anderem Kühlmittel beaufschlagt wird. In dem Ringraum bildet sich ist nach dem Abstellen der Gasturbine ohne weitere Massnahmen ebenfalls eine vertikale Temperaturschichtung aus, die zu einem Verzug der Gehäuse führt.
- Die
DE 507 129 wie auch dieWO 00/11324 - Eine Turbomaschine nach dem Stand der Technik ist aus dem Dokument
US 2650794 bekannt. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbomaschine der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
- Erfindungsgemäss wird dies durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
- Kern der Erfindung ist es also, innerhalb des Überströmkanals einen Ejektor anzuordnen, durch den im Bedarfsfall eine Treibmittelströmung zum Antrieb der Strömung durch den Überströmkanal leitbar ist. Es ist daher also nicht notwendig, eine Durchführung eines beweglichen Bauteils durch die Wand des Überströmkanals abzudichten. Weil einerseits der Massenstrom des Treibmittels welches durch den Ejektor geleitet wird, deutlich geringer ist als der Auslegungsmassenstrom des Überströmkanals, und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit durch den Ejektor ohnehin hoch sein soll, werden für die Zuleitung zum Ejektor mit Vorteil wesentlich kleinere Strömungsquerschnitte verwendet als für den Überströmkanal. Typischerweise beträgt der Auslegungsmassenstrom des Ejektors rund 8% bis 15%, insbesondere 10%, des Auslegungsmassenstroms des Überströmkanals. Damit kann die Ejektor-Zuströmleitung auf wesentlich einfachere Weise durch ein Rückschlag- und/oder ein Absperrorgan vom Volumen der Kavität isolieren lassen. Weiterhin, da die Ejektorströmung ja im Wesentlichen als Treibmittel dient, und ein externes Hilfsmedium eingesetzt werden kann, bestehen grosse Freiheiten bei der Wahl der geeigneten Antriebsquelle. So muss nicht zwangsläufig die Ejektorströmung von einem Gebläse angetrieben werden, sondern es kann durchaus auch beispielsweise Luft aus einem Druckluftsystem oder Dampf aus einem Kessel verwendet werden. Weil das System im Anlagenstillstand, nach dem Abstellen der Turbomaschine, betrieben wird, herrscht beim Betrieb des Ejektors in der Kavität im Wesentlichen Umgebungsdruck. Damit sind noch nicht einmal hohe Anforderungen an den Vordruck des für die Ejektordurchströmung verwendeten Treibmittels zu stellen. Im Falle von Luft als Treibmittel des Ejektors werden und atmosphärischem Druck in der Kavität werden ohnehin bereits bei einem Vordruck des Treibmittel von rund 1,7 bar kritische Zustände im Ejektor erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Treibmittelquelle für den Ejektor so gewählt, dass der Vordruck des Treibmittels das 1,3 bis 3-fache, bevorzugt das 1,5 bis 2-fache, des Druckes in der Kavität beträgt. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Volumen der Kavität durch die Strömung in der Überströmleitung rund 4 bis 8 mal, bevorzugt etwa 6 mal, pro Minute umgewälzt wird. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Volumen der Kavität in rund 11 Sekunden einmal umgewälzt. Es hat sich gezeigt, dass diese Umwälzungsrate zu einer besonders guten Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Kavität führt.
- Bevorzugt wird die erfindungsgemässe Vorrichtung so betrieben, dass im Stillstand der Turbomaschine, insbesondere in einer der Ausserbetriebnahme folgenden Abkühlphase der Turbomaschine, ein Fluid als Treibmittel durch den Ejektor in den Überströmkanal geleitet wird, und dort eine Strömung antreibt, durch welche der Gasinhalt der Kavität umgewälzt wird. Damit wird durch den Ejektor ein Fluidmassenstrom der Kavität zugeführt, der pro Sekunde in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im Bereich von 0,5% bis 2% und ganz besonders bevorzugt rund 1% des Inhaltes der Kavität beträgt, dergestalt, dass der Inhalt der Kavität einmal im Bereich von 50 bis 200 Sekunden ausgetauscht wird. Damit liegt im Gegensatz zum Stand der Technik kein vollständig geschlossenes System vor. Als Treibmittel kann insbesondere Umgebungsluft oder Luft aus einem Hilfsluftsystem, beispielsweise Instrumentenluft, Anwendung finden. Dies kann durchaus vorteilhaft genutzt werden, um die Vergleichmässigung der Temperaturverteilung zu unterstützen, und um die Abkühlphase zu verkürzen. Wenn Fluid an einer unten gelegenen Stelle der Gehäusekavität entnommen und durch die Ejektorzuströmung mit kalter Umgebungsluft vermischt wird, und diese vermischte Überströmung im oberen Teil der Kavität wieder eingebracht wird, so trägt dies zu einer zusätzlichen, durchaus erwünschten Kühlung in den oben gelegenen Gehäusesegmenten bei. Durch diese zusätzliche Kühlwirkung aufgrund der von aussen zugeführten Treibmittelströmung wird eine zusätzliche Abkühlung bewirkt, und zwar bei entsprechender konstruktiver Auslegung gerade dort, wo es erwünscht ist, nämlich im tendenziell eher zu heissen, oberen Teil. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Treibmittel des Ejektors vorgewärmt, dabei kann es zum Beispiel über oder durch weitere aufgeheizte Komponenten der Turbomaschine geleitet werden. Zum Ausgleich muss selbstverständlich auch Medium aus der Kavität abströmen; dies erfolgt bevorzugt durch den Kühlmittelpfad der Turbomaschine.
- Die Kavität ist insbesondere zwischen einem inneren und einem äusseren Gehäuse der Turbomaschine gebildet, so beispielsweise zwischen einer Brennraumwand und einem Aussengehäuse einer Gasturbine. In diesem Falle ist die Kavität mit einem im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt, insbesondere als Torus, oder mit einem Querschnitt in Form eines Ringsegmentes ausgebildet. Der Überströmkanal ist mit Vorteil ausserhalb des Gehäuses der Turbomaschine angeordnet. Dies gewährleistet eine überragende Zugänglichkeit, und erleichtert die Nachrüstbarkeit bestehender Installationen. Mit Vorteil verbindet der Überströmkanal zwei im Wesentlichen an diagonal gegenüberliegenden Umfangspositionen der Kavität angeordnete Stellen miteinander. Die Mündungen des Überströmkanals sind ebenso mit Vorteil auf unterschiedlichen geodätischen Höhen der Kavität angeordnet, wobei das stromabwärtige Ende des Überströmkanals, zu dem der Ejektor die Strömung treibt, mit Vorteil an der höhergelegenen Stelle angeordnet ist. Diese Anordnung nutzt die Dichteunterschiede des Fluides innerhalb der Kavität. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mündungen des Überströmkanals an einer geodätisch höchstgelegenen und einer geodätisch am weitesten unten angeordneten Umfangsposition der Kavität angeordnet, wobei die Strömung in der Überstömleitung von unten nach oben, sozusagen vom "Boden" der Kavität zu deren "Dach", gerichtet ist. Damit wird im Betrieb der Vorrichtung vergleichsweise kühles Fluid aus dem unteren Teil der Kavität in den Überströmkanal gefördert, und dort mit dem Treibmittel des Ejektors vermischt, welches im Allgemeinen noch kühler ist. An des Stelle des Ausströmens in die Kavität, in deren oberem Teil, ist das Fluid wärmer, und weist daher eine geringere Dichte auf. In der Folge sinkt das eingebrachte kühlere Fluid ab, und induziert somit eine Ausgleichströmung in der Kavität. Diese Ausgleichströmung ist sogar in einem gewissen Masse selbstregelnd: Je grösser der Temperaturunterschied zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Kavität und des Turbomaschinengehäuses ist, um so grösser ist der Dichteunterschied, der die Strömung antreibt. Das heisst, je ungleichmässiger die Temperaturverteilung in der Kavität ist, umso stärker werden die Antriebskräfte welche eine Ausgleichsströmung zur Temperaturvergleichmässigung induzieren.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet die Überströmleitung mit einer definierten Ausströmstrecke in der Kavität. Die Ausströmstrecke ist insbesondere so beschaffen, dass das ausströmende Medium wenigstens mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung der Kavität orientiert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Strömung in der Kavität definierter ist. Mit Vorteil mündet die Ausströmstrecke, welche als Austritts-Leiteinrichtung wirkt, im Wesentlichen in Umfangsrichtung, oder derart, dass sie Ausströmrichtung um einen Winkel von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 10°, in axialer Richtung gegen den Umfang der Kavität geneigt ist. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ausströmstrecke als Düse ausgeführt, so, dass sie als Ejektor wirkt, und das Fluid innerhalb der Kavität ebenfalls antreibt. Insbesondere in Verbindung mit einer axial angestellten definierten Ausströmrichtung und bei einer axial ausgedehnten Kavität sind die Mündungen des Überströmkanals in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet. Die daraus resultierende schraubenförmige Durchströmung der Kavität bewirkt dann eine Vergleichmässigung der Temperaturverteilung in axialer- wie in Umfangsrichtung.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Kavität Öffnungen zur Ableitung von Fluid auf, durch welche Fluid aus der Kavität abströmen kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Fluid von aussen herangeführt wird. Die Öffnungen sind bevorzugt symmetrisch am Umfang angeordnet, beispielsweise in Form eines Ringspaltes, ringsegmentförmiger Spalte, oder am Umfang verteilter Bohrungen. Die Öffnungen stehen beispielsweise mit dem Heissgaspfad einer Gasturbine in Fluidverbindung, so, dass in der Kavität befindliches Fluid, welches durch neu herangeführtes Fluid verdrängt wird, in den Heissgaspfad abströmen kann. Unter Heissgaspfad ist in diesem Zusammenhang der gesamte Strömungsweg vom Eintritt in die erste Turbinenleitreihe bis hin zum Abgasdiffusor zu verstehen. Insbesondere kann das Fluid über den Kühlluftpfad und die Kühlungsöffnungen, beispielsweise der ersten Turbinenleitreihe, in den Heissgaspfad abgeleitet werden.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Im Einzelnen zeigen
-
Figur 1 einen Teil des thermischen Blockes einer Gasturbine; -
Figur 2 ein erstes Beispiel für die Ausführung der Gasturbine ausFigur 1 im Querschnitt; -
Figur 3 ein zweites Beispiel für die erfindungsgemässe Ausführung der Gasturbine ausFigur 1 im Querschnitt; und -
Figur 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. - Selbstverständlich stellen die folgenden Figuren nur illustrative Beispiele dar, und sind bei Weitem nicht in der Lage, alle dem Fachmann offenbarten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, darzustellen.
- Die Erfindung soll im Kontext einer Turbomaschine erläutert werden. In
Fig. 1 ist daher der thermische Block einer Gasturbine dargestellt, wobei nur der oberhalb der Maschinenachse 10 befindliche Teil gezeigt ist. Bei der inFigur 1 dargestellten Maschine handelt es sich um eine Gasturbine mit sogenannter sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus derEP 620362 - Bei der als Beispiel dargestellten Gasturbine ist die Erfindung jeweils im Bereich der die Brennkammern 3, 5 umgebenden Kavitäten 2, 7 realisiert. Die Querschnittsdarstellung in
Figur 2 ist stark schematisiert, und könnte sowohl einen Schnitt im Bereich der ersten Brennkammer 3 als auch im Bereich der zweiten Brennkammer 5 darstellen. Zwischen einem Aussengehäuse 11 der Gasturbine und einer Brennraumwand 12,13, welche auch als inneres Gehäuse verstanden werden kann, ist jeweils eine ringförmige Kavität 2, 7 ausgebildet. Nach dem Abstellen der Maschine wird Wärme, die in den Strukturen 9, 12, 13 gespeichert ist, zu einem erheblichen Teil über das äussere Gehäuse 11 abgeführt. Fluid in den Kavitäten 2, 7, neigt dabei aufgrund von Dichteunterschieden dazu, die angesprochene stabile Temperaturschichtung aufzubauen, welche zu vermeiden ja Aufgabe der Erfindung ist. Im dargestellten Beispiel für die Ausführung der Erfindung ist das Aussengehäuse mit einer Entnahmestelle 15 versehen, die mit einem ersten, stromaufwärtigen Ende einer Überströmleitung 14 verbunden ist. Das zweite, stromabwärtige Ende 16 der Überströmleitung mündet an einer der Entnahmestalle 15 im Wesentlichen Diagonal gegenüberliegenden Stelle wieder in der Kavität. Zum Antrieb einer Durchströmung der Überströmleitung ist in der Überströmleitung eine Strahlpumpenanordnung 17 mit einem Ejektor angeordnet. Von einer an sich beliebigen Quelle für ein unter Druck stehendes Medium wird ein Treibmittelmassenstrom 18 zum Ejektor geführt und strömt dort mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit aus, wodurch weiteres in der Überströmleitung befindliches Fluid mitgerissen wird, und also eine Durchströmung der Überströmleitung induziert wird. Durch die Ausführung nach der Art einer Strahlpumpe beträgt der Massenstrom des mitgerissenen Fluides ein Mehrfaches des Treibmittelmassenstroms; typischerweise ist der Massenstrom der angetriebenen Strömung bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung rund das 10-fache des Treibmittelmassenstroms. Die Orientierung der Durchströmung von einem stromaufwärtigen Ende 15 zu einem stromabwärtigen Ende 16 ist durch die Orientierung des Ejektors vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel ist die Mündung des stromaufwärtigen Endes an einer geodätisch am niedrigsten gelegenen Stelle angeordnet, und die Mündung des stromabwärtigen Endes 16 an einer geodätisch am höchsten gelegenen Stelle. Damit wird das kühlste in der Kavität befindliche Fluid in die Überströmleitung 14 eingesaugt. Dieses wird mit dem Treibmittelmassenstrom 18 vermischt, welcher häufig nochmals kälter ist; beispielsweise kann es sich um über ein Fördergebläse oder einen Kompressor 20 herangeführte Umgebungsluft handeln. Damit aber weist das am stromabwärtigen Ende der Überströmleitung austretende Fluid eine grössere Dichte auf, als das Fluid an einer geodätisch oben in der Kavität gelegenen Stelle. In der Folge setzt eine Absinkbewegung in der Kavität ein, welche eine Ausgleichströmung 19 weiter intensiviert. Diese Intensivierung ist umso grösser, je grösser die Dichteunterschiede in der Kavität sind, also, je ausgeprägter die Temperaturschichtung ist. Damit ist das System auf eine Weise selbstregelnd, und die Ausgleichsströmung 19 ist umso intensiver, je ausgeprägter die Temperaturschichtung ist. Bevorzugt wird das Fluid in der Kavität einmal in rund 8 bis 15 Sekunden umgewälzt. Mit dem oben angegebenen Treibmittelmassenstrom resultiert, dass der Fluidinhalt in der Kavität alle 80 bis 150 Sekunden einmal gegen frisches über den Ejektor 17 zuströmendes Fluid ausgetauscht wird. Unter Umständen resultiert dies in einer unerwünscht schnellen Abkühlung der Maschinenstrukturen. Es ist dann selbstverständlich auch möglich, das Treibmittel des Ejektors vorzuwärmen, um diese Abkühlung zu verringern. Im Betrieb der Gasturbogruppe wird die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Vorteil nicht betrieben. In der Kavität liegen dann Temperaturen im typischen Bereich von rund 350°C bis über 500°C vor, und der Druck liegt typischerweise bei 12 bar bis über 30 bar. Diese Bedingungen herrschen im Wesentlichen auch im Überströmkanal 14. Es ist daher ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass im Gegensatz zum Stand der Technik im hinsichtlich Temperatur und Druck hochbelasteten Teil keine beweglichen Teile angeordnet sind, und keine relativbeweglichen Teile wie eine Antriebswelle für ein Umwälzgebläse abgedichtet werden müssen. So kann ein Treibmittelgebläse 20 an einer hinsichtlich Druck und Temperatur gering belasteten Stelle angeordnet werden, was einerseits die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht und andererseits Aufwand und Kosten senkt. Alternativ kann das Treibmittel selbstverständlich auch von einem Druckluftsystem stammen. Zur Isolation der Treibmittelversorgung von den hohen Drücken und Temperaturen während des Betriebes der Gasturbogruppe sind ein Rückschlagorgan 23 und ein Absperrorgan 24 angeordnet. - Die Ausführung gemäss
Figur 3 unterscheidet sich vom vorangehenden Beispiel dadurch, dass am stromabwärtigen Ende der Überströmleitung 14 eine Strömungs-Leitvorrichtung 21 angeordnet ist, welche vorliegend als Düse ausgebildet ist, dergestalt, dass die austretende Strömung 22 ebenfalls in der Art eines Ejektors als Treibmittel für eine Zirkulationsströmung 19 in der Kavität 2, 7 wirkt. Damit kann eine gerichtete Strömung in der Kavität erzeugt werden. - Dies ist gerade auch dann vorteilhaft, wenn eine Konfiguration vorliegt, wie sie in
Figur 4 dargestellt ist. InFigur 4 ist eine perspektivische Darstellung einer ringförmigen Kavität dargestellt. Die innere Begrenzung 12, 13 ist nur schematisch als Vollzylinder dargestellt. Zwischen dieser inneren Begrenzung und einem Aussenmantel 11 ist eine Kavität 2, 7 ausgebildet. In axialer Richtung verteilt sind drei durch den Aussenmantel 11 hindurchgeführte, in der Darstellung an sich nicht sichtbare Ejektoren 21 hindurchgeführt, welche schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Die Ejektoren sind so angeordnet, dass die Orientierung derAusblaserichtung des Treibmittels 22 in axialer Richtung um einen Winkel α gegen die durch eine strichpunktierte Linie U angedeutete Umfangsrichtung geneigt ist. Um insbesondere die primär angestrebte Umfangsströmung anzuregen, kann dieser Anstellwinkel α auf Werte unter 30°, insbesondere auf Werte kleiner als 10°, eingeschränkt werden. Es stellt sich in Folge eine nicht dargestellte schraubenförmige Durchströmung der Kavität ein, welche weiterhin ein sich gegebenenfalls einstellendes axiales Temperaturgefälle zu vermeiden hilft. Dies wird weiterhin unterstützt, wenn das stromabwärtige Ende und das stromaufwärtige Ende einer Überströmleitung an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sind. - Die Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt, in den am weitesten aussen liegenden Kavitäten 2, 7 verwendet zu werden. Die Erfindung kann sehr einfach ebenso für die Brennkammern 3, 5 oder und den zwischen den Gehäuseelementen 12, 13 und der Welle 9 gebildeten Raum realisiert werden.
- Der Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass die Anwendung der Erfindung keineswegs auf Gasturbinen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung in einer Vielzahl weiterer Anwendungsfälle eingesetzt werden kann. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung auch nicht auf eine in
Fig. 1 dargestellte Gasturbine mit sequentieller Verbrennung beschränkt, sondern sie kann auch bei Gasturbinen mit nur einer oder mehr als zwei Brennkammern Anwendung finden. Insbesondere kann die Erfindung auch in Dampfturbinen realisiert werden. -
- 1
- Verdichter
- 2
- Kavität, Plenum
- 3
- Brennkammer
- 4
- erste Turbine
- 5
- Brennkammer
- 6
- zweite Turbine
- 7
- Kavität
- 9
- Welle
- 10
- Maschinenachse
- 11
- Aussengehäuse, Aussenmantel, äussere Wand
- 12
- inneres Gehäuse, innere Wand, Brennraumwand
- 13
- inneres Gehäuse, innere Wand, Brennraumwand
- 14
- Überströmleitung
- 15
- Entnahmestelle, stromaufwärtiges Ende der Überströmleitung
- 16
- stromabwärtiges Ende der Überströmleitung
- 17
- Ejektoranordnung
- 18
- Treibmittelströmung
- 19
- Ausgleichsströmung
- 20
- Treibmittelgebläse
- 21
- Strömungsleitvorrichtung, Ejektor
- 22
- Austrittsströmung
- 23
- Rückschlagorgan
- 24
- Absperrorgan
- U
- Umfangsrichtung
- α
- Anstellwinkel gegen die Umfangsrichtung
Claims (15)
- Turbomaschine, welche wenigstens eine Kavität (2, 7) mit ringförmigem oder ringsegmentförmigem Querschnitt aufweist, wobei ein Überströmkanal (14) angeordnet ist, welcher zwei an unterschiedlichen Umfangspositionen gelegene Stellen der Kavität miteinander verbindet, wobei innerhalb des Überströmkanals ein Ejektor (17) zum Antrieb einer Strömung durch den Überströmkanal (14) von einem stromaufwärtigen Ende (15) zu einem stromabwärtigen Ende (16) des Überströmkanals angeordnet ist
dadurch gekennzeichnet, dass an der stromabwärtigen Mündung (16) des Überströmkanals (14) eine Austritts-Leiteinrichtung (21) angeordnet ist, durch welche der Überströmkanal in der Kavität mündet und welche der austretenden Strömung (22) eine definierte Strömungsrichtung aufprägt. - Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmrichtung der Austritts-Leiteinrichtung im wesentlichen in Umfangsrichtung (U) der Kavität orientiert ist, und/oder mit einem Winkel (α) von weniger als 30°, bevorzugt weniger als 10°, gegen die Umfangsrichtung der Kavität in axialer Richtung geneigt ist.
- Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritts-Leiteinrichtung (21) eine Düse ist.
- Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal außerhalb des Gehäuses (11) der Turbomaschine angeordnet ist.
- Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an zwei im Wesentlichen diagonal gegenüberliegenden Stellen der Kavität in die Kavität mündet.
- Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an zwei auf unterschiedlichen geodätischen Höhen angeordneten Positionen in die Kavität mündet.
- Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal an einer höchstgelegenen und einer tiefstgelegenen Stelle der Kavität mündet.
- Turbomaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabwärtige Ende des Überströmkanals an der höhergelegenen Stelle angeordnet ist.
- Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungen des Überströmkanals an unterschiedlichen axialen Positionen des Überströmkanals angeordnet sind.
- Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität Öffnungen zur Abfuhr von Fluid aus der Kavität angeordnet sind.
- Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Stillstand der Turbomaschine, insbesondere in einer einer Äußerbetriebnahme folgenden Abkühlungsphase, ein Fluid durch den Ejektor in den Überströmkanal einströmt, und damit eine Strömung in dem Überströmkanal antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung über eine Austritts-Leiteinrichtung (21) aus dem Überströmkanal (14) in eine Kavität (2, 7) der Turbomaschine mit einer definierten Strömungsrichtung einströmt.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Massenstrom durch den Überströmkanal so bemessen ist, dass das Volumen der Kavität zwischen 4 mal und 8 mal, bevorzugt 6 mal, pro Minute umgewälzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom durch den Ejektor zwischen 8% und 15%, bevorzugt 10%, des Massenstroms durch den Überströmkanal beträgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, aus der Kavität Fluid durch den Kühlmittelpfad der Turbomaschine abströmt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor der Zuströmung zum Ejektor aufgeheizt wird.
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