EP1717419B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung eines Radialspaltes eines axial durchströmten Verdichters einer Strömungsmaschine - Google Patents
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- EP1717419B1 EP1717419B1 EP05009380A EP05009380A EP1717419B1 EP 1717419 B1 EP1717419 B1 EP 1717419B1 EP 05009380 A EP05009380 A EP 05009380A EP 05009380 A EP05009380 A EP 05009380A EP 1717419 B1 EP1717419 B1 EP 1717419B1
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- European Patent Office
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- guide ring
- guide
- coolant
- compressor
- gas turbine
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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
- 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
- F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
- F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
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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
- F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
- F01D19/02—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith dependent on temperature of component parts, e.g. of turbine-casing
Definitions
- freestanding guide vanes may also form a radial gap with respect to a rotating conical or cylindrical guide surface arranged on the rotor.
- the radial gaps are to be made as small as possible. It is known from the aforementioned Offenlegungsschrift to fasten guide rings to a stator by obliquely arranged holding partners to the radial direction and to displace them during operation of the gas turbine due to the thermal material expansion of the guide ring in the direction of the blade ends towards the reduction of the radial gap.
- a compressor housing with cavities known to prevent the cooling after switching off the compressor or the gas turbine.
- insulating materials are arranged in the cavities, which are provided between the guide ring and housing outer wall or between the feet of guide vanes and the housing outer wall.
- the constructive parameters determining the gap dimension are designed for the warm start of a gas turbine in order to cope with the smallest possible operating gap, ie radial gap.
- the housing cools comparatively quickly with respect to the rotor of the gas turbine.
- the housing or the guide rings shrink due to their cooling back to their original design size, the initially warm rotor remains initially extended due to the heat stored in it and retarded cools and shrinks.
- the result is the so-called constricting effect.
- This situation may cause the radial gap to be reduced and the blades of the rotor to contact or even scratch the housing or guide ring, permanently enlarging or even scooping the radial gap can damage.
- An increased radial gap leads to increased fuel consumption, damaged blades may require early maintenance with corresponding additional costs.
- Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned, which improves the warm start behavior of the compressor of the turbomachine to increase the availability and at the same time to increase the efficiency.
- the object of the method is solved by the features of claim 1 and the object directed to the compressor by the features of claim 7.
- the increase of the radial gap achieved in this way results in a reduction of the described constricting effect and the risk of being scuffed, which significantly improves the warm start behavior of the turbomachine, ie the turbomachine could be started earlier, relative to its previous departure time.
- the radial gaps no longer need to be dimensioned after the warm start as unfavorable start of operation.
- the cooling of the warm guide rings increases the radial gap of the non-operating turbomachine.
- the radial gap increase obtained for this condition can also be partially utilized, rather than improving the warm start, to reduce the radial gaps of one in an idle and cold condition, i. a smaller lying at ambient temperature fluid flow machine, based on a known from the prior art turbomachine.
- both the rotor and the housing of the continuous-duty turbomachine warm up to a maximum operating temperature. Both housing and rotor expand, so that the risk of constriction no longer exists. Accordingly, the method is particularly advantageous if the admission of the guide ring with coolant is set during the start of the turbomachine. After reaching the maximum operating temperature, the temperature-induced strains of the turbomachine, ie the stator and the Rotor, completed. Consequently, the guide ring also heats up so that it expands and shifts its guide surface in the direction of the scrape edges of the blades, which leads to an efficiency-increasing reduction of the radial gaps. According to the invention this can be used particularly advantageously when the turbomachine is designed as a compressor of a gas turbine, in which the guide rings are usually uncooled during operation.
- coolant is taken from an external coolant source.
- coolant in the form of cooling air is usually taken from the compressor. Since the method is used before the start of the gas turbine, this is not possible.
- an external coolant source such as a separately driven auxiliary compressor or external fan, must be used to provide the coolant for cooling the guide rings prior to the warm start of the gas turbine.
- Preferred dimensions can be acted upon by the start of the turbomachine of the guide ring with a heating medium.
- the turbomachine is, for example, a compressor of a gas turbine and the methods known from the prior art, in which material expansions of the guide ring are used for adjusting the radial gap, is applied to the guide ring of a compressor.
- air or steam can be used as the heating means.
- FIG. 1 shows an example of a turbomachine, a gas turbine 1 in a longitudinal partial section. It has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor 3 successively follow an intake housing 4, a compressor 5, a toroidal annular combustion chamber 6 with a plurality of coaxially arranged burners 7, a turbine unit 8 and the exhaust housing 9.
- the annular combustion chamber 6 forms a combustion chamber 17 which communicates with an annular flow channel 18.
- There four successive turbine stages 10 form the turbine unit 8. Each turbine stage 10 and each compressor stage is formed of two blade rings.
- a compressor stage is formed by a blade row 13 with a ring of guide blade 12 following in the flow direction of the air to be compressed.
- the blade 15 is radially outside a guide ring 21 and the guide vane 12 radially inward of a guide ring 23 against.
- the guide rings 21, 23 delimit the flow channel 18 extending in the axial direction of the rotor 3 in the radial direction.
- the guide rings 21, 23 may be formed from over the circumference adjacent ring segments.
- FIG. 2 shows the detail II FIG. 1 , a cross section through a guide ring 21 with an opposite blade, after all temperature-induced strains are completed.
- the blades each have a blade profile 19, which is drop-shaped in cross-section, and has a front edge 20, which can be flowed on by a working medium, and a rear edge 22.
- a cylindrical or conically extending to the axis of rotation 2 of the gas turbine rotor 3 wall 25 forms part of a rotationally fixed inner housing 27.
- the wall 25 encloses the annular flow channel 18.
- In the inner housing 27 and in the Wall 25 is a running in the circumferential direction and in cross-section hammer-shaped groove 29 incorporated, in which the guide ring 21 is arranged.
- the guide ring 21 surrounds the flow channel 18 coaxial with the axis of rotation 2 of the rotor.
- an insulating layer 26 may be formed, which shields the guide ring 21 thermally against the wall 25 and insulated so that the wall 25 and the inner housing 27 does not shrink also in the direction of the blade.
- the guide ring 21 is made of a material which under the action of heat, i. a temperature increase, expands, preferably expands more than the wall 25 and the inner housing 27, i. the guide ring 21 has a greater coefficient of thermal expansion than the wall 25 and the inner housing 27th
- the guide ring 21 is formed substantially corresponding to the hammer-shaped groove 29 and is directly on the back, or as shown, on the insulating layer 26 on the groove bottom of the groove 29 and the front to a contact surface 50 of the undercut 31, so that the guide ring 21 is fixed.
- the contact surface 50 determines the radial position of the guide ring 21 and is radially further out (or inside) arranged as the tips of the blades 15 (and vanes 12) opposite guide surface 33rd
- the flow channel 18 facing the guide surface 33 of the guide ring 21 is the blade 15, in particular their squeal edge 35 opposite. Between the squeal edge 35 of each blade 15 and the guide surface 33, a radial gap 36 is formed. During operation of the gas turbine, the blade rotates 15 under the surface 33 away, this is to illustrate the axis of rotation 2 - not true to scale - indicated.
- a groove 39 provided with the wall 25 or, if present, the insulating layer 26 extending in the circumferential direction, i. form annular supply channel 41.
- cooling channels 43 which communicate with the supply channel 41 via radial connection channels 45.
- the housing After switching off the gas turbine 1, the housing cools faster than the rotor 3, so that the expansions of the housing decrease faster or go back and constrict the still warm and thus more extended rotor 3. This reduces the gap of the radial gap 36.
- coolant 51 is supplied through the supply channel 49 to the supply channel 41, which passes from there via the connection channels 45 in the cooling channels 43 and the guide ring 21 cools.
- the coolant 51 absorbs the heat still stored in the guide ring 21 and is then blown through openings, not shown, either in the flow channel 18 or returned to the outside via the return channels also not shown from the inside of the machine.
- the temperature-induced material expansions of the guide ring 21 go back.
- the guide surface 33 delimiting the flow channel 16 shifts radially outward into the position 33 '.
- the radial gap 36 increases by the distance X to 36 ', thereby reducing the risk of rubbing the blades 15 on the guide surface 33 or 33' in the case of warm start. This effect can be used to reduce the time between shutdown and warm start of the gas turbine.
- the method is particularly effective when the guide ring 21 is insulated from the wall 25.
- only the guide ring 21 is cooled, and not beyond the wall 25. This leads to a particularly efficient cooling of the guide ring 21 and prevents the wall 25 also moves along the same way. This ensures that only the guide ring 21 takes back its heat-related strains.
- the housing After or during the start, ie during the starting process of the gas turbine 1, the housing heats up and expands. The housing and the inner housing 27 move radially outward. The risk of rubbing the blades 15 with their squeal edge 35 on the guide surface 33 of the guide rings 21 is reduced, so that after a predetermined period of operation, the cooling of the guide rings 21 can be adjusted.
- the gas turbine 1 continues to heat up until a temperature distribution that is no longer changing has set in it.
- the material of the guide ring 21 allows a further increase in temperature, even in place of the coolant 51 during operation of the gas turbine 1, a heating medium through the channels 49, 41, 45 are passed.
- a further increase in temperature of the guide ring 21 causes an additional expansion in the radial direction, with which the radial gap 36 is further reduced. This leads to an increase in efficiency, since less working fluid - in the compressor 5, the gas to be compressed and in the turbine unit 8, the expanding hot gas 11 - can escape unused by the reduced radial gap 36.
- the radial gap 36 may not only be formed between a radially outer guide surface 33 and a blade 15, but it may also be between the non-rotating guide vane 12 and arranged on the rotor 3 guide surface 23. Accordingly, wall 25 would be part of the rotor 3, so that the guide ring 23 is opposite a guide vane 12. In this case, the directions of displacement also change from outside to inside.
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Description
- Verfahren zur Einstellung eines Radialspaltes eines axial durchströmten Verdichters einer Strömungsmaschine.
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines zwischen einer Anstreifkante eines Schaufelprofils und einer dieser gegenüberliegenden Führungsfläche gebildeten Radialspaltes eines axial durchströmten Verdichters einer Strömungsmaschine, bei der ein die Führungsfläche bildender Führungsring mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist.
- Hierzu ist aus der Offenlegungsschrift
DE 199 38 274 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gezielten Radialspalteinstellung zwischen Stator- und Rotoranordnungen einer Gasturbine bekannt. Die konstruktionsbedingten Radialspalte sind zwischen den rotierbaren Laufschaufeln des Rotors der Strömungsmaschine und den ihr am Stator drehfest gegenüberliegenden Führungsflächen gebildet. Die Führungsflächen dienen zur Führung des Arbeitsmediums und werden von in Umfangsrichtung unterteilten Ringsegmenten geformt, welche sich koaxial als Führungsring um die Drehachse des Rotors in Axialrichtung erstrecken. Beim Betrieb der Gasturbine bewegen sich die Laufschaufeln des Rotors im Abstand zu den Führungsflächen. Umgekehrt können auch freistehende Leitschaufeln gegenüber einer am Rotor angeordneten, rotierenden konischen oder zylindrischen Führungsfläche mit dieser jeweils einen Radialspalt formen. Um den Wirkungsgrad der Gasturbine weiter zu optimieren, sind die Radialspalte so klein wie möglich auszubilden. Aus der vorgenannten Offenlegungsschrift ist es bekannt, Führungsringe durch zur Radialrichtung schräg angeordnete Haltepartner an einem Stator zu befestigen und diesen während des Betriebes der Gasturbine aufgrund der thermischen Materialausdehnung des Führungsrings in Richtung der Laufschaufelenden hin zur Verkleinerung des Radialspaltes zu verschieben. - Ähnliches offenbart die
EP 1 163 430 B1 . Ein einer Spitze einer Turbinenlaufschaufel gegenüberliegendes Führungselement biegt sich aufgrund der thermischen Dehnungen, den Radialspalt verkleinernd, während des Betriebes der Gasturbine in Richtung der Laufschaufelspitze durch. Gleichzeitig kann das Führungselement von der Rückseite her mit Kühlluft beaufschlagt werden, damit es den im Strömungskanal herrschenden Temperaturen standhalten kann. - Zudem ist aus
GB 2 397 102 A - Darüber hinaus ist aus der
US 5,630,702 ein Verdichtergehäuse mit Hohlräumen bekannt, welche nach dem Abschalten des Verdichters bzw. der Gasturbine das Auskühlen verhindern sollen. Hierzu sind in den Hohlräumen, welche zwischen Führungsring und Gehäuseaußenwand bzw. zwischen den Füßen von Leitschaufeln und der Gehäuseaußenwand vorgesehen sind, Isolationsmaterialien angeordnet. - Des Weiteren offenbart die
US 2004/0219009 einen Führungsring einer Turbine, welcher rückseitig mit Kühlluft gekühlt werden kann. - Darüber hinaus ist aus der
EP 0 559 420 A1 ein Führungsring für eine Turbine bekannt, welcher entsprechend den Anforderungen mittels eines Fluids gekühlt oder beheizt werden kann. - Ferner ist bekannt, dass die das Spaltmaß bestimmenden konstruktiven Parameter für den Warmstart einer Gasturbine ausgelegt werden, um dem kleinstmöglichen Betriebsspalt, d.h. Radialspalt gerecht zu werden. Nach dem Abfahren der Gasturbine kühlt das Gehäuse vergleichsweise schnell gegenüber dem Rotor der Gasturbine ab. Das Gehäuse bzw. die Führungsringe schrumpfen aufgrund ihrer Abkühlung auf ihre ursprüngliche Konstruktionsgröße zurück, wobei der noch warme Rotor vorerst aufgrund der in ihm gespeicherten Wärme ausgedehnt bleibt und verzögert auskühlt und schrumpft. Es entsteht der so genannte Einschnüreffekt. Diese Situation kann dazu führen, dass der Radialspalt sich verringert und die Schaufeln des Rotors das Gehäuse bzw. den Führungsring berühren oder sogar anstreifen, was dauerhaft den Radialspalt vergrößert oder sogar Schaufeln beschädigen kann. Ein vergrößerter Radialspalt führt zu erhöhtem Brennstoffverbrauch, beschädigte Schaufeln können eine vorzeitige Wartung mit entsprechenden Mehrkosten erforderlich machen.
- Während des Startens, d.h. Hochfahrens der Gasturbine führen die auf die Laufschaufeln einwirkenden Fliehkräfte eine weitere Dehnung dieser herbei, die den vor dem Start der Gasturbine noch vorhandenen Radialspalt schließen und das schädliche und ungewollte Anstreifen der Schaufeln bewirken kann.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches das Warmstartverhalten des Verdichters der Strömungsmaschine zur Erhöhung der Verfügbarkeit verbessert und gleichzeitig den Wirkungsgrad zu erhöhen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, dazu einen Verdichter anzugeben.
- Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
- Die Lösung schlägt vor, dass vor dem Start der Strömungsmaschine der Führungsring mit Kühlmittel beaufschlagt wird. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Warmstartbedingungen der Strömungsmaschine durch die Beeinflussung des Radialspalts verbessert werden, indem bei einer noch warmen oder aufgeheizten, jedoch nicht im Betrieb befindlichen Strömungsmaschine das Spaltmaß der Radialspalte durch das vorgeschlagene Verfahren vergrößert wird, verglichen mit dem Spaltmaß des Radialspaltes einer aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbine im identischen Zustand. Der im Querschnitt hammerförmige Führungsring ist über den Umfang durch aneinander liegende Ringsegmente gebildet. Da der den Laufschaufeln (oder den Leitschaufeln) gegenüberliegende Führungsring radial weiter außen (bzw. innen) festliegt, führt seine Beaufschlagung mit Kühlmittel zu einer Verschiebung der Führungsflächen, die weg von den gegenüberliegenden Anstreifkanten der Schaufeln gerichtet ist. Die so erzielte Vergrößerung der Radialspalte hat eine Verringerung des beschriebenen Einschnüreffekts und der Gefahr des Anstreifens zur Folge, was das Warmstartverhalten der Strömungsmaschine signifikant verbessert, d. h. die Strömungsmaschine könnte frühzeitiger - bezogen auf ihren vorherigen Abfahrzeitpunkt - gestartet werden.
- Zudem brauchen die Radialspalte nicht mehr nach dem Warmstart als ungünstigen Betriebsstart dimensioniert zu werden.
- Das Kühlen der warmen Führungsringe vergrößert die Radialspalte der betriebslosen Strömungsmaschine. Die für diesen Zustand gewonnene Radialspaltvergrößerung kann anstatt zur Verbesserung des Warmstarts auch teilweise genutzt werden, um die Radialspalte einer im betriebslosen und kalten Zustand, d.h. einer auf Umgebungstemperatur befindlichen Strömungsmaschine kleiner auszulegen, bezogen auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Strömungsmaschine.
- Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Betrieb aus, insbesondere auf den stationären Betrieb der Strömungsmaschine. In diesem Betriebszustand wird das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr angewendet, so dass sich die Radialspalte wieder verkleinern. Die Verkleinerung der konstruktionsbedingten Radialspalte mindern wirkungsgradsteigernd die Verluste im Arbeitsmedium beim Betrieb, die durch den ungenutzten Leckagestrom durch den Radialspalt hinweg entstehen, insbesondere bei höher werdenden Druckverhältnissen des Arbeitsmedium im Strömungskanal.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Nach dem (Warm-)Start der Strömungsmaschine wärmt sich sowohl der Rotor als auch das Gehäuse der Strömungsmaschine mit anhaltender Betriebsdauer bis zu einer maximalen Betriebstemperatur auf. Dabei dehnen sich sowohl Gehäuse als auch Rotor, sodass die Gefahr des Einschnürens nicht mehr besteht. Demnach ist das Verfahren besonders vorteilhaft, wenn während des Starts der Strömungsmaschine die Beaufschlagung des Führungsrings mit Kühlmittel eingestellt wird. Nach Erreichen der maximalen Betriebstemperatur sind die temperaturbedingten Dehnungen der Strömungsmaschine, d. h. der Stator und der Rotor, abgeschlossen. Folglich heizt sich auch der Führungsring auf, so dass sich dieser ausdehnt und seine Führungsfläche in Richtung der Anstreifkanten der Schaufeln verschiebt, was zu einer wirkungsgradsteigernden Verkleinerung der Radialspalte führt. Erfindungsgemäß kann dies besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Strömungsmaschine als Verdichter einer Gasturbine ausgestaltet ist, bei der die Führungsringe während des Betriebs üblicherweise ungekühlt sind.
- Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Kühlmittel einer externen Kühlmittelquelle entnommen wird. Üblicherweise wird bei einer als Gasturbine ausgebildeten Strömungsmaschine Kühlmittel in Form von Kühlluft dem Verdichter entnommen. Da das Verfahren doch vor dem Start der Gasturbine eingesetzt wird, ist dies nicht möglich. Somit muss eine externe Kühlmittelquelle, beispielsweise ein separat angetriebener Hilfsverdichter oder externes Gebläse zur Bereitstellung des Kühlmittels zur Kühlung der Führungsringe vor dem Warmstart der Gasturbine eingesetzt werden.
- Bevorzugtermaßen kann nach dem Start der Strömungsmaschine der Führungsring mit einem Heizmittel beaufschlagt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Strömungsmaschine beispielsweise ein Verdichter einer Gasturbine ist und die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen Materialdehnungen des Führungsringes zur Einstellung des Radialspaltes eingesetzt werden, auf den Führungsring eines Verdichters angewendet wird. Vorzugsweise kann als Heizmittel Luft oder Dampf eingesetzt werden. Durch die Beheizung des Führungsrings wächst dessen Führungsfläche der Anstreifkante der Schaufeln entgegen und verkleinert somit den von ihnen eingeschlossenen Radialspalt.
- Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert.
- Es zeigen dabei:
- FIG 1
- einen Längsteilschnitt durch eine als Gasturbine ausgebildete Strömungsmaschine mit einem Verdichter und einer Turbineneinheit und
- FIG 2
- das Detail X der
FIG 1 , ein Führungsring im Querschnitt mit einer gegenüberliegenden Schaufelspitze. -
FIG 1 zeigt beispielhaft für eine Strömungsmaschine eine Gasturbine 1 in einem Längsteilschnitt. Sie weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 4, ein Verdichter 5, eine torusartige Ringbrennkammer 6 mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 7, eine Turbineneinheit 8 und das Abgasgehäuse 9. Die Ringbrennkammer 6 bildet einen Verbrennungsraum 17, der mit einem ringförmigen Strömungskanal 18 kommuniziert. Dort bilden vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 10 die Turbineneinheit 8. Jede Turbinenstufe 10 und jede Verdichterstufe ist aus zwei Schaufelringen gebildet. - In der Turbineneinheit 8 in Strömungsrichtung eines Heißgases 11 gesehen, folgt im Strömungskanal 18 einer Leitschaufelreihe 13 eine aus Laufschaufeln 15 gebildete Reihe 14. Die Leitschaufeln 12 sind dabei am Stator befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 15 einer Reihe 14 mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. Am Rotor 3 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine angekoppelt (nicht dargestellt).
- Dagegen wird im Verdichter 5 eine Verdichterstufe von einer Laufschaufelreihe 13 mit einem in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft nachfolgenden Kranz von Leitschaufel 12 gebildet.
- Der Laufschaufel 15 liegt radial außen ein Führungsring 21 und der Leitschaufel 12 radial innen ein Führungsring 23 gegenüber. Die Führungsringe 21, 23 begrenzen den sich in Axialrichtung des Rotors 3 erstreckenden Strömungskanal 18 in Radialrichtung. Die Führungsringe 21, 23 können aus über den Umfang aneinander liegenden Ringsegmenten gebildet sein.
- Nach dem Start der Gasturbine 1 und durch das im Strömungskanal 18 strömende Arbeitsmedium heizen sich alle Komponenten der Gasturbine 1 auf. Aufgrund des Temperaturanstiegs dehnen sich diese Komponenten, also auch der Rotor 3, die Laufschaufel 15, die Leitschaufeln 12 und das Innengehäuse 27 gegenüber ihrem kalten Zustand aus.
- Wenn die Gasturbine 1 vollständig aufgeheizt ist und sich eine nicht mehr verändernde Temperaturverteilung eingestellt hat, sind auch alle temperaturbedingten Dehnungen abgeschlossen. Die Gasturbine 1 befindet sich dann in einem stationären Zustand.
-
FIG 2 zeigt das Detail II ausFIG 1 , einen Querschnitt durch einen Führungsring 21 mit einer gegenüberliegenden Schaufel, nachdem alle temperaturbedingten Dehnungen abgeschlossen sind. - Die Schaufeln weisen jeweils ein im Querschnitt tropfenförmiges Schaufelprofil 19 auf, welches eines von einem Arbeitsmedium anströmbare Vorderkante 20 und eine Hinterkante 22 aufweist.
- Eine sich zur Drehachse 2 der Gasturbinenrotors 3 zylindrisch oder konisch erstreckende Wand 25 bildet einen Teil eines drehfesten Innengehäuses 27. Die Wand 25 umschließt den ringförmigen Strömungskanal 18. Im Innengehäuse 27 bzw. in der Wand 25 ist eine in Umfangrichtung laufende und im Querschnitt hammerförmige Nut 29 eingearbeitet, in der der Führungsring 21 angeordnet ist. Somit umgreift auch der Führungsring 21 den Strömungskanal 18 koaxial zur Drehachse 2 des Rotors 3.
- Zwischen der Wand 25 und dem Führungsring 21 kann eine Isolierschicht 26 ausgebildet sein, welche den Führungsring 21 thermisch gegenüber der Wand 25 abschirmt und isoliert, damit die Wand 25 bzw. das Innengehäuse 27 nicht ebenfalls in Richtung der Schaufel schrumpft.
- Der Führungsring 21 ist dabei aus einem Material gefertigt, welches unter Einwirkung von Wärme, d.h. einer Temperaturerhöhung, sich ausdehnt, vorzugsweise sich dabei mehr ausdehnt als die Wand 25 bzw. das Innengehäuse 27, d.h. der Führungsring 21 weist einen größeren Wärmedehnungskoeffizienten auf als die Wand 25 bzw. das Innengehäuse 27.
- Der Führungsring 21 ist im wesentlichen zur hammerförmigen Nut 29 korrespondierend ausgebildet und liegt rückseitig unmittelbar, oder wie dargestellt, über die Isolierschicht 26 am Nutgrund der Nut 29 und vorderseitig an einer Anlagefläche 50 der Hinterschneidung 31 an, so dass der Führungsring 21 festliegt. Die Anlagefläche 50 bestimmt die radiale Position des Führungsrings 21 und ist dabei radial weiter außen (oder innen) angeordnet als die den Spitzen der Laufschaufeln 15 (bzw. Leitschaufeln 12) gegenüberliegende Führungsfläche 33.
- Der dem Strömungskanal 18 zugewandten Führungsfläche 33 des Führungsrings 21 liegt die Laufschaufel 15, insbesondere deren Anstreifkante 35 gegenüber. Zwischen der Anstreifkante 35 jeder Laufschaufel 15 und der Führungsfläche 33 ist ein Radialspalt 36 geformt. Beim Betrieb der Gasturbine dreht sich die Laufschaufel 15 unter der Fläche 33 hinweg, hierzu ist zur Verdeutlichung die Drehachse 2 - an nicht maßstabsgetreuer Lage - angedeutet.
- Auf der bezogen zur Führungsfläche 33 rückseitigen Fläche 37 des Führungsrings 21 ist eine Nut 39 eingearbeitet, die mit der Wand 25 oder, sofern vorhanden, mit der Isolierschicht 26 einen sich in Umfangsrichtung verlaufenden, d.h. ringförmigen Versorgungskanal 41 formen.
- Ferner erstrecken sich in Umfangsrichtung, d.h. koaxial zur Drehachse 2, mehrere, vorzugsweise drei Kühlkanäle 43, welche über radiale Verbindungskanäle 45 mit dem Versorgungskanal 41 kommunizieren.
- Von der dem Strömungskanal 18 abgewandten Seite 47 der Wand 25 erstreckt sich durch diese ein Zuführungskanal 49, welcher im Versorgungskanal 41 mündet.
- Nach dem Abschalten der Gasturbine 1 kühlt das Gehäuse schneller aus als der Rotor 3, so dass die Dehnungen des Gehäuses schneller abnehmen bzw. zurückgehen und den noch warmen und somit mehr ausgedehnten Rotor 3 einschnüren. Hierdurch verringert sich das Spaltmaß des Radialspalts 36.
- Im Falle eines frühzeitigen Starts der noch warmen Gasturbine 1, d.h. beim Warmstart, bedingen die auf den Rotor 3 und die Laufschaufeln 15 und einwirkenden Fliehkräfte ein zusätzliches radiales Wachstum, was den Radialspalt 36 derart verkleinern kann, dass die Anstreifkanten 35 an der Führungsfläche 33 schadhaft anstreifen können.
- Hier setzt die Erfindung ein. Vor der Wiederaufnahme des Betriebs der noch warmen Gasturbine wird durch den Zuführungskanal 49 dem Versorgungskanal 41 Kühlmittel 51 zugeführt, welches von dort aus über die Verbindungskanäle 45 in den Kühlkanäle 43 gelangt und den Führungsring 21 kühlt. Das Kühlmittel 51 nimmt die im Führungsring 21 noch gespeicherte Wärme auf und wird anschließend über nicht gezeigte Öffnungen entweder in den Strömungskanal 18 ausgeblasen werden oder über ebenso nicht dargestellte Rückführkanäle aus dem Maschineninneren nach Außen zurückgeführt. Durch den Abtransport der insbesondere führungsflächennahen Wärme aus dem Führungsring 21 gehen die temperaturbedingten Materialdehnungen des Führungsrings 21 zurück. In Verbindung mit seiner radial außen in der Nut 29 festgelegten örtlichen Lage verschiebt sich die den Strömungskanal 16 begrenzende Führungsfläche 33 radial nach außen in die Position 33'. Als Folge dessen vergrößert sich der Radialspalt 36 um den Abstand X zu 36', wodurch die Gefahr des Anstreifen der Laufschaufeln 15 an der Führungsfläche 33 bzw. 33' im Falle des Warmstarts sich verringert. Dieser Effekt kann genutzt werden, um die Zeitdauer zwischen dem Abfahren bzw. Ausschalten und dem Warmstart der Gasturbine zu verkürzen.
- Das Verfahren ist besonders wirkungsvoll, wenn der Führungsring 21 gegenüber der Wand 25 isoliert ist. Bei dieser Ausgestaltung wird lediglich der Führungsring 21 gekühlt, und nicht darüber hinaus noch die Wand 25. Dies führt zu einer besonders effizienten Kühlung des Führungsrings 21 und verhindert, dass die Wand 25 sich ebenfalls gleichartig mitbewegt. Damit wird sichergestellt, dass nur der Führungsring 21 seine wärmebedingten Dehnungen zurücknimmt.
- Nach bzw. während des Starts, also während des Anfahrprozesses der Gasturbine 1 erwärmt sich das Gehäuse und dehnt sich. Das Gehäuse und auch das Innengehäuse 27 verschieben sich radial nach außen. Die Gefahr des Anstreifens der Laufschaufeln 15 mit ihrer Anstreifkante 35 an der Führungsfläche 33 der Führungsringe 21 ist vermindert, so dass nach einer vorbestimmten Betriebsdauer die Kühlung der Führungsringe 21 eingestellt werden kann.
- Gleichzeitig heizt sich die Gasturbine 1 weiter auf, bis eine sich nicht mehr verändernde Temperaturverteilung in ihr eingestellt hat.
- Sofern das Material des Führungsrings 21 eine weitere Temperaturerhöhung erlaubt, kann sogar anstelle des Kühlmittels 51 während des Betriebes der Gasturbine 1 ein Heizmittel durch die Kanäle 49, 41 ,45 geleitet werden. Eine weitere Temperaturerhöhung des Führungsrings 21 ruft eine zusätzliche Dehnung in Radialrichtung hervor, mit der der Radialspalt 36 weiter verringert wird. Dies führt zu einer Wirkungsgradsteigerung, da weniger Arbeitsmedium - im Verdichter 5 das zu komprimierende Gas und das in der Turbineneinheit 8 das expandierende Heißgas 11 - durch den verkleinerten Radialspalt 36 ungenutzt entweichen kann.
- Der Radialspalt 36 kann nicht nur zwischen einer radial außen liegenden Führungsfläche 33 und einer Laufschaufel 15 gebildet sein, sondern er kann auch zwischen der drehfesten Leitschaufel 12 und der am Rotor 3 angeordneten Führungsfläche 23 liegen. Demnach wäre Wand 25 Teil des Rotors 3, so dass dem Führungsring 23 eine Leitschaufel 12 gegenüberliegt. In diesem Fall ändern sich auch die Verschiebrichtungen von außen nach innen.
Claims (10)
- Verfahren zur Veränderung eines zwischen einer Anstreifkante (35) einer Schaufel (15) und einer dieser gegenüberliegenden Führungsfläche (33) gebildeten Radialspaltes (36) eines axial durchströmten Verdichters einer Gasturbine bei der ein die Führungsfläche (33) bildender Führungsring (21, 23) mit einem Kühlmittel (51) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Start der Strömungsmaschine der Führungsring (21, 23) mit Kühlmittel (51) beaufschlagt wird. - Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem während des Starts der Gasturbine die Beaufschlagung des Führungsrings (21, 23) mit Kühlmittel (51) eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem das Kühlmittel (51) einer externen Kühlmittelquelle entnommen wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem als Kühlmittel (51) Luft oder Wasser eingesetzt wird. - Verfahren nach Anspruch 2,
bei dem nach dem Start der Strömungsmaschine der Führungsring (21, 23) mit einem Heizmittel beaufschlagt wird. - Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem als Heizmittel Luft oder Dampf eingesetzt wird. - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem axial durchströmten Verdichter (5) einer Gasturbine mit einer Vorrichtung zur Veränderung eines zwischen einer Anstreifkante (35) einer Schaufel (15) und einer dieser gegenüberliegenden Führungsfläche (33) gebildeten Radialspaltes (36) des axial durchströmten Verdichters (5),
bei der ein die Führungsfläche (33) bildender Führungsring (21, 23) an einer Tragstruktur (25, 27) befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Führungsring (21, 23) mit einem Kühlmittel (51) beaufschlagbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 7,
bei der der Führungsring (21, 23) gegenüber der Tragstruktur (25, 27) mittels einer Isolierschicht (26) thermisch isoliert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
bei der der Führungsring (21, 23) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Tragstruktur (25, 27). - Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9,
bei der die Tragstruktur (25, 27) eine Anlagefläche (50) aufweist, an der ein Führungsring (21, 23) anliegt und
die Anlagefläche (50) radial weiter außen (oder innen) angeordnet als die den Anstreifkanten (35) der Laufschaufeln (15) (bzw. Leitschaufeln (12)) gegenüberliegende Führungsfläche (33).
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