EP2455584B1 - Gasturbine comprising cooling control means which are made partially of Shape Memory Materials (SMM) - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energie erzeugenden Maschinen. Sie betrifft eine rotieren Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of power generating machines. It relates to a rotary machine according to the preamble of claim 1.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In Energie erzeugenden rotierenden Maschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen oder Elektro-Generatoren, stellt die erforderliche Kühlung von thermisch stark belasteten Teilen einen wesentlichen physikalischen Parameter dar, der sich auf den gesamten Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Systems auswirkt. In den meisten Fällen wird als Kühlmittel Luft eingesetzt; es kann aber auch Dampf, der aus einem Dampferzeuger abgezweigt wird, für denselben Zweck benutzt werden. Die vorliegende Erfindung ist, obwohl sie am Beispiel einer luftgekühlten Gasturbine erläutert wird, nicht auf eine spezielle Kühlungsart beschränkt und kann daher für alle Arten von Kühlmedien eingesetzt werden.In power-generating rotating machinery, such as gas turbines or electric generators, the required cooling of thermally stressed parts is a significant physical parameter that affects the overall efficiency and life of the system. In most cases, air is used as the coolant; but it can also steam, which is diverted from a steam generator, are used for the same purpose. The present invention, although exemplified by an air-cooled Gas turbine is not limited to a specific type of cooling and can therefore be used for all types of cooling media.

In Fig. 1 ist in einem Ausschnitt ein Teil einer Gasturbine 10 dargestellt. Bei dieser Gasturbine 10 wird angesaugte Luft mittels eines Verdichters 11, der ein Verdichtergehäuse 31 sowie Verdichter-Leitschaufeln 32 und Verdichter-Laufschaufeln 33 umfasst, ausgehend vom Umgebungsdruck, auf einen vorbestimmten Betriebsdruck verdichtet. Nach der Verdichtung wird der Strom der verdichteten Luft in einen Verdichterluft-Hauptstrom 12 und einen Sekundärstrom 13 aufgeteilt. Nachdem der Verdichterluft-Hauptstrom 12 den heissen Teil der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Brennkammer gekühlt hat, wird er in der Brennkammer für die Verbrennung eines Brennstoffs verwendet, um Heissgas zum Betrieb einer Turbine zu erzeugen. Der Sekundärstrom 13 der verdichteten Luft wird vom Verdichter 11 über Kühldurchgänge 14 zum Hochtemperaturbereich 15 der Gasturbine 10 geführt. Dort wird das Kühlmittel für die interne Kühlung der Leitschaufeln 16 und Laufschaufeln 17 der Turbine eingesetzt. Zusätzlich reduziert das Kühlmittel die Temperaturen an den Leitschaufelbefestigungen 18 und rotierenden Teilen, wie beispielsweise den Schaufelfüssen 19 und Schaufelhälsen 20, die aufgrund der Drehgeschwindigkeit 21 des Rotors 22 um die Maschinenachse 34 den höchsten Zentrifugalkräften ausgesetzt sind.In Fig. 1 is shown in a section of a part of a gas turbine 10. In this gas turbine 10, intake air is compressed to a predetermined operating pressure by means of a compressor 11 comprising a compressor housing 31 and compressor vanes 32 and compressor blades 33, based on the ambient pressure. After compression, the stream of compressed air is split into a compressor air main stream 12 and a secondary stream 13. After the compressor air main flow 12 the hot part of (in Fig. 1 not shown) combustor, it is used in the combustion chamber for the combustion of a fuel to produce hot gas for operating a turbine. The secondary flow 13 of the compressed air is guided by the compressor 11 via cooling passages 14 to the high-temperature region 15 of the gas turbine 10. There, the coolant is used for the internal cooling of the vanes 16 and blades 17 of the turbine. In addition, the coolant reduces the temperatures at the vane mountings 18 and rotating parts, such as the blade roots 19 and blade necks 20, which are subjected to the highest centrifugal forces due to the rotational speed 21 of the rotor 22 about the machine axis 34.

Ein Teil der Luft wird auch für Dichtungszwecke verwendet, insbesondere zwischen den rotierenden und stationären Teilen der Gasturbine 10, wie zum Beispiel zwischen dem Stator 28 und dem Rotor 22 (siehe die Dichtungssysteme 23a, 23b und 23c in Fig. 1). Hierbei werden Spalte mit Luft gespült, die in den Heissgaskanal (siehe Heissgas-Hauptstrom 29 in Fig. 1) austritt und so an dieser Stelle den Eintritt von Heissgas und damit eine lokale Überhitzung verhindert.Part of the air is also used for sealing purposes, particularly between the rotating and stationary parts of the gas turbine 10, such as between the stator 28 and the rotor 22 (see the sealing systems 23a, 23b and 23c in FIG Fig. 1 ). In this process, gaps are rinsed with air which is introduced into the hot-gas channel (see hot-gas main stream 29 in FIG Fig. 1 ) and thus prevents the entry of hot gas and thus a local overheating at this point.

Es ist allgemein üblich, in diesem Zusammenhang spezielle Einrichtungen zu verwenden, die als in Wirbelkanälen 27 angeordnete Vorwirbeldüsen bezeichnet werden (24 in Fig. 1), oder Wirbelgeneratoren, um die aus dem Verdichter 11 abgezweigte Luft zum Hochtemperaturbereich 15 der Turbine zur Kühlung des Rotors 22 und der rotierenden heissen Teile, wie den Schaufelfüssen 19, den Schaufelhälsen 20 und den Schaufel-Plattformen 25, zu führen.It is common practice in this context to use special devices referred to as vortex nozzles arranged in spinal channels 27 (FIG. 24 in FIG Fig. 1 ), or vortex generators, to the branched off from the compressor 11 air to the high temperature region 15 of the turbine for cooling the Rotor 22 and the rotating hot parts, such as the blade roots 19, the blade necks 20 and the blade platforms 25 to lead.

Unter Betriebsbedingungen kann die thermische Last auf den heissen Bauteilen der Turbine abnehmen oder zunehmen, je nachdem ob die Gasturbine 10 unter Teillast oder Volllast gefahren wird. Beispielsweise wird eine Reduktion der Ausgangsleistung der Gasturbine üblicherweise durch eine Absenkung der Flammentemperatur in der Brennkammer bewirkt. Abhängig von der nachgefragten Leistung kann die Gasturbine mit Volllast und Teillast betrieben werden, wobei die Volllast den nominalen Betriebsbedingungen entspricht. Die verschiedenen Betriebszustände werden mit veränderbaren Leitschaufeln (Variable Guide Vanes VGV) in den Verdichterstufen gesteuert, die ihren Staffelungswinkel in Abhängigkeit von der gewünschten Ausgangsleistung verändern. Hierdurch ergibt sich ein maximaler oder geringerer Luftmassenstrom bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit 21.Under operating conditions, the thermal load on the hot components of the turbine may decrease or increase, depending on whether the gas turbine 10 is driven under part load or full load. For example, a reduction of the output power of the gas turbine is usually caused by a lowering of the flame temperature in the combustion chamber. Depending on the demanded power, the gas turbine can be operated at full load and at partial load with full load equal to nominal operating conditions. The various operating conditions are controlled by variable guide vanes (VGV) in the compressor stages, which vary their stagger angle depending on the desired output power. This results in a maximum or lower mass air flow at a constant rotational speed 21.

Die Grösse der Strömungsgeschwindigkeit c der Luft hinter in den Wirbelkanälen 27 angeordneten Wirbelschaufeln 26 (siehe Fig. 1 und 2) hängt linear vom Massenstrom in den Wirbelkanälen 27 ab. Für den Normalbetrieb der Gasturbine, der der Volllast entspricht, ist die resultierende Geschwindigkeit w durch die Beziehung $$w=2\pi \cdot R\cdot \mathrm{\Omega }\cdot c$$

gegeben, wobei Ω die Drehgeschwindigkeit 21 der Turbine und R der mittlere Radius am Auslass der Wirbelkanäle 27 ist (siehe Fig. 2). Die resultierende Luftgeschwindigkeit w beeinflusst die totale Temperatur T_t gemäss der Beziehung $$T_t=T+w^2/\left(2C_p\right),$$

wobei T die statische Temperatur und C_p die spezifische Wärme bezeichnen.The magnitude of the flow velocity c of the air behind vortex blades 26 arranged in the swirl channels 27 (see FIG Fig. 1 and 2 ) depends linearly on the mass flow in the swirl channels 27. For the normal operation of the gas turbine, which corresponds to the full load, the resulting velocity is w by the relationship $$w=2\pi \cdot R\cdot \mathrm{\Omega }\cdot c$$

where Ω is the rotational speed 21 of the turbine and R is the average radius at the outlet of the swirl channels 27 (see FIG Fig. 2 ). The resulting air velocity w affects the total temperature T _t according to the relationship $$T_t=T+w^2/\left(2C_p\right).$$

where T is the static temperature and C _{p is} the specific heat.

Für eine konstante Drehgeschwindigkeit Ω wird die Teillast durch die veränderbaren Leitschaufeln VGV erreicht, die den Massenstrom im Verdichter 11 reduzieren. Daraufhin nimmt die Luftgeschwindigkeit c hinter der Wirbeleinrichtung (Wirbelschaufeln 26) ab. Schliesslich wird davon auch die resultierende Geschwindigkeit w beeinflusst, was direkte Auswirkungen auf die Metalltemperaturen der rotierenden heissen Teile, wie der Schaufelfüsse 19, der Schaufelhälse 20 und der Plattformen 25, hat. Wird die Metalltemperatur bei konstanter Drehgeschwindigkeit konstant gehalten, unterliegen die entsprechenden mechanischen Komponenten keiner niedrigzyklischen Ermüdung (Low Cycle Fatigue LCF). Dies könnte technisch durch gesteuerte Ventile erreicht werden. Tatsächlich ist jedoch die Wirbeleinrichtung üblicherweise nicht mit Steuerelementen versehen, die den Massenstrom in den Kühldurchgängen 14 beeinflussen können, da diese Region des Rotors 22 und des Stators 28 nur beschränkt zugänglich ist.For a constant rotational speed Ω, the partial load is achieved by the variable guide vanes VGV, which reduce the mass flow in the compressor 11. Thereupon, the air velocity c behind the vortex device (swirl vanes 26) decreases. Eventually, the result will be the same Speed w affects what has direct effects on the metal temperatures of the rotating hot parts, such as the blade roots 19, the blade necks 20 and the platforms 25. If the metal temperature is kept constant at a constant rotational speed, the corresponding mechanical components are not subject to low-cycle fatigue (LCF). This could be achieved technically by controlled valves. In fact, however, the vortex device is usually not provided with control elements that can influence the mass flow in the cooling passages 14, since this region of the rotor 22 and the stator 28 has limited accessibility.

Die Steuerung der Kühlluft-Verteilung im Rotor 22, im Stator 28 und in den Turbinenschaufeln 27 ist ein kompliziertes Unterfangen, das zusätzlich erschwert wird durch die Forderung, Rückströmungen zu vermeiden. Daraus folgt, dass eine einfache Drosselung keine gute Lösung darstellt, und dass es von Vorteil ist, eine Steuereinrichtung mit einer aerodynamisch optimierten Gestaltung einzusetzen. Solch eine Einrichtung ist die Vorwirbeldüse 24, die üblicherweise durch eine stationäre Reihe von Schaufelblättern nach Art von Turbinen-Leitschaufeln gebildet wird (Wirbelschaufeln 26 in Fig. 3a). Diese Wirbelschaufeln 26 sind am Stator 28 zwischen dem Verdichter 11 und dem Hochtemperaturbereich 15 befestigt. Zwischen den Wirbelschaufeln 26 ist eine Verengung 35 ausgebildet (Fig. 3b) mit einer entsprechenden Fläche F (Fig. 3c).The control of the cooling air distribution in the rotor 22, in the stator 28 and in the turbine blades 27 is a complicated undertaking, which is further complicated by the requirement to avoid backflow. It follows that a simple throttling is not a good solution, and that it is advantageous to use a control device with an aerodynamically optimized design. One such device is vortex nozzle 24, which is usually formed by a stationary row of turbine blade-like vanes (swirl vanes 26 in FIG Fig. 3a ). These swirl vanes 26 are fixed to the stator 28 between the compressor 11 and the high-temperature region 15. Between the swirl vanes 26 a constriction 35 is formed ( Fig. 3b ) with a corresponding area F ( Fig. 3c ).

Könnte im Bereich der Vorwirbeldüse 24 eine einfache, funktionssichere selbsttätige Regelung des Massenstroms auf einfache Weise verwirklicht werden, liesse sich ohne grossen Aufwand eine besonders effektive Kühlung der entsprechenden Bereiche bei unterschiedlichen Lastzuständen der Turbine verwirklichen.Could in the vortex nozzle 24 a simple, reliable automatic control of the mass flow can be realized in a simple manner, could be realized without great effort, a particularly effective cooling of the corresponding areas at different load conditions of the turbine.

Aus der Druckschrift GB 2 354 290 ist es bekannt, bei einer Gasturbine den Kühlluftstrom durch das Innere einer Turbinenschaufel mittels eines kreisrunden Ventils aus einer Gedächtnislegierung zu steuern.From the publication GB 2 354 290 It is known to control the cooling air flow in a gas turbine through the interior of a turbine blade by means of a circular valve made of a memory alloy.

Aus der Druckschrift US 2009/0226327 A1 ist eine ähnliche Lösung bekannt, bei der in den einzelnen Scheiben der Turbine Hülsen aus einer Gedächtnislegierung eingesetzt sind, die den Querschnitt von Kühlmittelkanälen temperaturabhängig verändern.From the publication US 2009/0226327 A1 a similar solution is known in which sleeves of a memory alloy are used in the individual disks of the turbine, which change the cross-section of coolant channels depending on temperature.

In beiden Fällen ist der Hauptstrom des Kühlmediums betroffen.In both cases, the main flow of the cooling medium is affected.

Weiterhin offenbart die Druckschrift GB 2 470 253 eine Vorrichtung zur Steuerung des Kühlmittelstroms in einer Gasturbine. Verwendet wird ein ringförmiger Strombegrenzer, der mit über den Umfang verteilt angeordneten Durchgangsbohrungen versehen ist. Der Strömungsquerschnitt der Durchgangsbohrungen kann jeweils durch ein Ventilelement verändert werden, dessen Lage relativ zur Bohrung mittels eines SMM-Elements verändert wird. Während ein Ausführungsbeispiel (Fig. 5) die vorbekannte Einstellung des Hauptstroms durch die Schaufeln betrifft, bezieht sich ein anderes Ausführungsbeispiel (Fig. 4) auf die Steuerung eines sekundären Kühlmittelstroms im Dichtungsbereich der Rotorwelle.Furthermore, the document discloses GB 2 470 253 a device for controlling the flow of coolant in a gas turbine. Used is an annular current limiter, which is provided with distributed over the circumference arranged through holes. The flow cross section of the through holes can each be changed by a valve element whose position is changed relative to the bore by means of an SMM element. While an embodiment ( Fig. 5 ) relates to the previously known adjustment of the main flow through the blades, another embodiment ( Fig. 4 ) on the control of a secondary coolant flow in the sealing region of the rotor shaft.

Die Druckschrift US 2002/076318 betrifft die tangentiale Eindüsung von Kühlluft von aussen in den Rotor einer Gasturbine zur Kühlung der Laufschaufeln. Die Eindüsung erfolgt unter Mischung zweier separater Ströme, von denen der eine aus dem Inneren von für die Eindüsung vorgesehenen Eindüsungs-Schaufeln abgegeben wird. Eine Steuerung durch Querschnittsänderung, insbesondere unter Einsatz einer Gedächtnislegierung, ist nicht offenbart.The publication US 2002/076318 relates to the tangential injection of cooling air from the outside into the rotor of a gas turbine for cooling the rotor blades. The injection takes place with mixing of two separate streams, one of which is discharged from the interior of injection nozzles intended for injection. Control by changing the cross section, in particular using a memory alloy, is not disclosed.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine rotierende Maschine, insbesondere eine Gasturbine, zu schaffen in welcher durch Steuerung des Kühlmittel-Massenstroms in einem sekundären Kühlbereich (SAF-Secondary Air Flow) die Effizienz der Kühlung und der Wirkungsgrad der Maschine verbessert werden.It is an object of the invention to provide a rotary machine, in particular a gas turbine, in which by controlling the coolant mass flow In a Secondary Air Flow Secondary Airflow (SAF), the efficiency of cooling and the efficiency of the machine can be improved.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer rotierenden Maschine, welche durch ein Kühlmedium, gekühlt wird, welches Kühlmedium in einem Hauptstrom und einem Sekundärstrom durch die Maschine geführt wird, wobei die rotierende Maschine einen Rotor und einen Stator umfasst, der Sekundärstrom des Kühlmediums durch Wirbelkanäle im Stator zu einer Vorwirbeldüse geführt wird und dort aus dem Stator austritt, Steuerungsmittel zur temperaturabhängigen Steuerung des Sekundärstroms in der Vorwirbeldüse angeordnet sind, welche Steuerungsmittel ganz oder teilweise aus einer Gedächtnislegierung bestehen, und wobei in der Vorwirbeldüse Wirbelschaufeln angeordnet sind, und die Steuerungsmittel derart ausgebildet sind, dass der Strömungsquerschnitt der Wirbelkanäle im Bereich der Wirbelschaufeln temperaturabhängig veränderbar ist.The object is solved by the entirety of the features of claim 1. The invention is based on a rotating machine which is cooled by a cooling medium, which cooling medium is passed through the machine in a main flow and a secondary flow, wherein the rotating machine comprises a rotor and a stator, the secondary flow of the cooling medium through swirl ducts in the stator is guided to a Vorwirbeldüse and there exits the stator, control means for temperature-dependent control of the secondary flow are arranged in the Vorwirbeldüse, which control means consist entirely or partially of a memory alloy, and wherein vortex blades are arranged in the Vorwirbeldüse, and the control means are designed such that the flow cross-section of the swirl ducts in the region of the swirl vanes is temperature-dependent changeable.

Die Erfindung ist dadurch gekenntzeichnet, dass die Wirbelschaufeln jeweils in einer den Querschnitt verändernden Weise im Wirbelkanal quer zur Strömungsrichtung verschiebbar angeordnet sind, dass Verstellelemente aus einer Gedächtnislegierung vorgesehen sind, um die Wirbelschaufeln temperaturabhängig zu verschieben, und dass die verschiebbaren Wirbelschaufeln jeweils auf der stromaufwärts gelegenen Seite mit einem Leitblech versehen sind, welches das im Wirbelkanal strömende Medium in den durch die Wirbelschaufeln verengten Querschnitt einleitet.The invention is characterized in that the swirl vanes are each arranged displaceably in a transversely varying manner in the swirl duct transversely to the flow direction, that adjusting elements are provided from a memory alloy to move the swirl vanes temperature-dependent, and that the displaceable vortex vanes each on the upstream Side are provided with a baffle, which initiates the flowing medium in the spinal canal in the narrowed by the swirl vanes cross-section.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

in einem Ausschnitt einen Teil einer Gasturbine mit verschiedenen Wegen für die Verteilung von Kühlluft;

Fig. 2

in einem vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 die Ausgestaltung des Wirbelkanals;

Fig. 3

in verschiedenen Ansichten 3a-c die in der Vorwirbeldüse aus Fig. 1 angeordneten Wirbelschaufeln;

Fig. 4

in verschiedenen Teilfiguren 4b-f verschiedene Ausführungsbeispiele für eine selbsttätige Regelung des Kühlluft-Massenstroms im Wirbelkanal gegenüber der ungeregelten Anordnung (Fig. 4a);

Fig. 5

in zwei unterschiedlichen Ansichten 5a-b ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine selbsttätige Regelung durch Verschwenken der Wirbelschaufeln;

Fig. 6

im Schnitt eine weitere Möglichkeit der selbsttätigen Regelung des Kühlluft-Massenstroms im Wirbelkanal durch selbsttätige Veränderung des Austrittsquerschnitts;

Fig. 7

in mehreren Teilfiguren 7a-c verschiedene Zustände bei einem Ausführungsbeispiel für eine selbsttätige Steuerung des Austrittsquerschnitts;

Fig. 8

in mehreren Teilfiguren 8a-b verschiedene Zustände bei einem anderen Ausführungsbeispiel für eine selbsttätige Steuerung des Austrittsquerschnitts;

Fig. 9

eine zu Fig. 7 vergleichbare Ausgestaltung, bei der die einzelnen Elemente jeweils selbsttätig um eine Achse gedreht werden und

Fig. 10

eine zu Fig. 8 vergleichbare Ausgestaltung, bei der die einzelnen Elemente jeweils selbsttätig um eine Achse gedreht werden.

The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1

in a section of a part of a gas turbine with different ways for the distribution of cooling air;

Fig. 2

in an enlarged section Fig. 1 the embodiment of the spinal canal;

Fig. 3

in different views 3a-c in the Vorwirbeldüse Fig. 1 arranged swirl vanes;

Fig. 4

in different sub-figures 4b-f different embodiments of an automatic control of the cooling air mass flow in the vortex channel with respect to the unregulated arrangement ( Fig. 4a );

Fig. 5

in two different views 5a-b another embodiment of an automatic control by pivoting the swirl vanes;

Fig. 6

on average another possibility of automatic control of the cooling air mass flow in the spinal canal by automatically changing the outlet cross section;

Fig. 7

in several sub-figures 7a-c different states in an embodiment for an automatic control of the outlet cross section;

Fig. 8

in several sub-figures 8a-b different states in another embodiment for an automatic control of the outlet cross section;

Fig. 9

one too Fig. 7 Comparable embodiment in which the individual elements are each automatically rotated about an axis and

Fig. 10

one too Fig. 8 comparable embodiment in which the individual elements are each automatically rotated about an axis.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Vorwirbeldüse 24 in einer Gasturbine 10 nach Fig. 1 ganz oder teilweise aus einer Gedächtnislegierung (shape memory alloy SMA) aufgebaut. Unterhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur, die niedriger sein kann als die nominale Betriebstemperatur, wird der aus einer Gedächtnislegierung bestehende Teil der Vorwirbeldüse 24 aktiviert und reduziert die Querschnittsfläche im Bereich der Verengung der Vorwirbeldüse 24, wodurch der Kühlluft-Massenstrom in den Hochtemperaturbereich 15 der Gasturbine 10 wirkungsvoll verringert wird.According to a preferred embodiment of the invention, the Vorwirbeldüse 24 in a gas turbine 10 after Fig. 1 constructed wholly or partly of a memory alloy (shape memory alloy SMA). Below a predetermined threshold temperature, which may be lower than the nominal operating temperature, the memory alloy part of the vortex nozzle 24 is activated and reduces the cross sectional area in the vicinity of the Vorwirbeldüse 24 constriction, whereby the cooling air mass flow into the high temperature region 15 of the gas turbine 10 effectively is reduced.

Hierbei kann ein Schrumpfen, ein Strecken, eine Verdrehung (Torsion) und eine Verbiegung der aus der Gedächtnislegierung bestehenden Teile als Mechanismus für die Reduzierung des Durchflussquerschnitts des ansonsten aus einem Stahl bestehenden, einfachen Systems herangezogen werden. Fig. 4 zeigt im Vergleich zur Anordnung ohne Regelung (Fig. 4a) verschiedene Beispiele, wie durch Einsatz unterschiedlicher Anordnungen aus einer Gedächtnislegierung aufgrund unterschiedlicher Arten der mechanischen Deformation eine selbsttätig gesteuerte Vorwirbeldüse 24 realisiert werden kann (Fig. 4b-f). Alle Beispiele basieren auf einer Reduktion der Fläche F in Fig. 3c durch Reduktion der Höhe des Wirbelkanals 27 aufgrund einer translatorischen Bewegung eines oberen oder unteren Wandelements 38 oder 44 (Fig. 4c-e), einer Membran 36 (Fig. 4b) oder der Wirbelschaufeln 26 selbst (Fig. 4f).Herein, shrinkage, stretching, torsion, and bending of the memory alloy parts can be used as a mechanism for reducing the flow area of the otherwise simple steel system. Fig. 4 shows in comparison to the arrangement without control ( Fig. 4a ) various examples of how an automatically controlled Vorwirbeldüse 24 can be realized by using different arrangements of a memory alloy due to different types of mechanical deformation ( Fig. 4b-f ). All examples are based on a reduction of area F in Fig. 3c by reducing the height of the vertebral canal 27 due to a translatory movement of an upper or lower wall element 38 or 44 (FIG. Fig. 4c-e ), a membrane 36 ( Fig. 4b ) or the swirl vanes 26 themselves ( Fig. 4f ).

Im Beispiel der Fig. 4b ist im Bereich der Schaufelspitze der Wirbelschaufel 26 eine in den Wirbelkanal 27 hinein gekrümmte Membran vorgesehen, deren Krümmung sich verändert und damit der Strömungsquerschnitt im Wirbelkanal 27.In the example of Fig. 4b In the region of the blade tip of the swirl blade 26, a membrane curved into the swirl channel 27 is provided, the curvature of which changes and thus the flow cross section in the swirl channel 27.

Im Beispiel der Fig. 4c ist im Bereich der Schaufelspitze der Wirbelschaufel 26 eine Verstellvorrichtung 37 mit einem wandparallelen Wandelement 38 vorgesehen, das senkrecht zur Wand durch in entsprechende Gehäuse eingebaute Verstellelemente 40 aus einer Gedächtnislegierung verschoben werden kann. Die Verstellelemente 40 können dabei die Form von Bolzen oder Federn haben. Ein in Strömungsrichtung vor dem Wandelement 38 (stromaufwärts) angeordnetes und mit dem Wandelement 38 verstellbares Leitblech 39 lenkt die Strömung in den durch das Wandelement 38 verringerten Querschnitt.In the example of Fig. 4c In the region of the blade tip of the swirl blade 26, an adjusting device 37 with a wall-parallel wall element 38 is provided, which can be displaced perpendicular to the wall by adjusting elements 40 built into corresponding housings from a memory alloy. The adjusting elements 40 can have the form of bolts or springs. An arranged in the flow direction in front of the wall member 38 (upstream) and adjustable with the wall member 38 baffle 39 directs the flow in the reduced by the wall member 38 cross-section.

Im Beispiel der Fig. 4d hat die Verstellvorrichtung 41 bei ansonsten gleichem Aufbau wie in Fig. 4c offene Verstellelemente 42 in Form von Bolzen oder Federn.In the example of Fig. 4d has the adjustment device 41 with otherwise the same structure as in Fig. 4c open adjusting elements 42 in the form of bolts or springs.

Im Beispiel der Fig. 4e hat die Verstellvorrichtung 43 ein auf der Seite des Schaufelfusses der Wirbelschaufel 26 angeordnetes wandparalleles Wandelement 44 mit zugeordnetem Leitblech 45, das wiederum durch Verstellelemente 42 aus einer Gedächtnislegierung senkrecht zur Wand verschoben werden kann.In the example of Fig. 4e the adjusting device 43 has a wall-parallel wall element arranged on the side of the blade root of the swirl blade 26 44 with associated baffle 45, which in turn can be moved by adjusting 42 of a memory alloy perpendicular to the wall.

Im Beispiel der Fig. 4f wird die Wirbelschaufel 26 selbst durch entsprechende Verstellelemente 46 aus einer Gedächtnislegierung senkrecht zur Wand verschoben, um (durch Verschieben einer Plattform) den Querschnitt des Wirbelkanals 27 zu verändern. Auch hier ist ein Leitblech 47 vorgesehen, um die Strömung in den verengten Querschnitt hinein zu lenken. Selbstverständlich können die verschiedenen Verstellmechanismen der Fig. 4b-f auch miteinander kombiniert werden.In the example of Fig. 4f the vortex blade 26 itself is displaced by appropriate adjustment elements 46 of a memory alloy perpendicular to the wall to (by moving a platform) to change the cross section of the vertebral canal 27. Again, a baffle 47 is provided to direct the flow into the restricted cross section. Of course, the different adjustment mechanisms of Fig. 4b-f also be combined with each other.

Ein weiteres Beispiel für einen geeigneten Verstellmechanismus ist in Fig. 5 wiedergegeben, wobei die Teilfigur a) eine Seitenansicht und die Teilfigur b) eine Ansicht von oben der Wirbelschaufeln 26 zeigen. Die Wirbelschaufeln 26 in diesem Beispiel sind um eine in Schaufellängsrichtung orientierte Achse drehbar, die durch ein Torsionselement 48 aus einer Gedächtnislegierung gebildet wird. Durch entsprechende Drehung der Wirbelschaufeln 26 (siehe durchgezogene und gestrichelt Linien in Fig. 5b) verändert sich der freie Strömungsquerschnitt der Anordnung.Another example of a suitable adjustment mechanism is in Fig. 5 reproduced, wherein the partial figure a) a side view and the partial figure b) shows a view from above of the swirl vanes 26. The swirl vanes 26 in this example are rotatable about an axis oriented in the blade longitudinal direction which is formed by a torsion element 48 of a memory alloy. By appropriate rotation of the swirl vanes 26 (see solid and dashed lines in Fig. 5b ) changes the free flow area of the arrangement.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, gemäss Fig. 6 an der Auslassöffnung des Wirbelkanals 27 eine Blende 49 anzuordnen, die ganz oder teilweise aus einer Gedächtnislegierung besteht und die Auslassöffnung temperaturbedingt verändert (siehe gestrichelte Linie zu 49 in Fig. 6). Wenn die Leistung der Maschine reduziert und dadurch das Heissgas, die verdichtete Luft oder die Metalltemperatur irgendwelcher Teile verändert wird, schliesst sich zunehmend die Blende 49 und verringert den Massenstrom des Kühlmediums.Another possibility is according to Fig. 6 to arrange at the outlet opening of the swirl channel 27, a diaphragm 49, which consists wholly or partly of a memory alloy and the outlet opening temperature changes (see dashed line to 49 in Fig. 6 ). When the power of the machine is reduced and thereby the hot gas, the compressed air or the metal temperature of any parts is changed, the orifice 49 closes progressively and reduces the mass flow of the cooling medium.

Besteht die Blende, wie in Fig. 7 gezeigt, aus einer Mehrzahl von Blendenelementen 50, schliesst sich nach und nach der Ausgang des Wirbelkanals 27 wie bei der Blende eines Fotoapparats (Fig. 7a entspricht Volllast, hingegen Fig. 7b-c entsprechen Teillast der Turbine).Is the aperture as in Fig. 7 shown, from a plurality of diaphragm elements 50, closes gradually the output of the spinal canal 27 as in the aperture of a camera ( Fig. 7a corresponds to full load, however Fig. 7b-c correspond to partial load of the turbine).

Abhängig von der Form des Wirbelkanals 27 kann die Blende aber auch gemäss Fig. 8 wie ein aus mehreren Blendenelementen 51 zusammengesetztes Schleusentor ausgebildet sein. Abhängig von der Temperatur verringert dieses Schleusentor, das ganz oder teilweise aus einer Gedächtnislegierung besteht, den Kühlmittelstrom im Wirbelkanal 27, oder unterbricht ihn ganz. Dabei unterliegen die einzelnen Blendenelemente 51 in Abhängigkeit von der Temperatur einer Ausdehnung 52, die den Kühlmittelstrom beeinflusst.Depending on the shape of the vertebral canal 27, the diaphragm can also according to Fig. 8 as a composed of several aperture elements 51 lock gate be formed. Depending on the temperature of this lock gate, which consists wholly or partly of a memory alloy, the coolant flow in the spinal canal 27, or interrupts him completely. In this case, the individual diaphragm elements 51 are subject to an expansion 52 as a function of the temperature, which influences the coolant flow.

Es ist aber auch denkbar, die Anordnung gemäss Fig. 7 oder Fig. 8 aus einem herkömmlichen Material herzustellen, wobei dann gemäss Fig. 9 oder Fig. 10 den einzelnen Blendenelementen 53 beziehungsweise 55 durch ein entsprechendes Torsionselement 54 beziehungsweise 56 aus einer Gedächtnislegierung die notwendige Drehbewegung zur Veränderung des Strömungsquerschnitts aufgeprägt wird.But it is also conceivable, the arrangement according to Fig. 7 or Fig. 8 to produce from a conventional material, in which case according to Fig. 9 or Fig. 10 The individual rotation elements 53 and 55 are impressed by a corresponding torsion element 54 or 56 from a memory alloy, the necessary rotational movement for changing the flow cross-section.

Insgesamt beschreibt die vorliegende Erfindung den Einsatz von Gedächtnislegierungen im sekundären Kühlmittelsystem einer rotierenden Maschine zur die Effizienz steigernden Regelung des Kühlmittelverbrauchs in Abhängigkeit vom Lastzustand der Maschine. Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Verwirbelung kann unterschiedliche Formen annehmen, die entsprechende Änderungen des Verstellmechanismus erfordern. Der beschriebene selbsttätige Regelungsmechanismus auf der Basis von Gedächtnislegierungen kann auch bei Hitzeschilden eingesetzt werden, um den Kühlmittelverbrauch in Abhängigkeit von der Leistung (der Gasturbine) zu steuern.Overall, the present invention describes the use of memory alloys in the secondary coolant system of a rotating machine for efficiency-increasing control of the coolant consumption as a function of the load condition of the machine. The turbulence described in the embodiment can take different forms that require corresponding changes in the adjustment mechanism. The described self-regulating mechanism based on memory alloys can also be used in heat shields to control the coolant consumption as a function of the power (of the gas turbine).

Die vorgeschlagene Anordnung kann von einer weiteren Absenkung der Kühlmitteltemperatur relativ zur totalen Temperatur im rotierenden Referenzrahmen profitieren. Dies führt zur Möglichkeit, die benötigten Kühlluft-Massenströme weiter zu verringern und damit die Leistung und Effektivität der Gasturbine zu erhöhen.The proposed arrangement may benefit from further lowering the coolant temperature relative to the total temperature in the rotating reference frame. This leads to the possibility to further reduce the required cooling air mass flows and thus to increase the performance and effectiveness of the gas turbine.

Die Gedächtnislegierung kann aus unterschiedlichen metallurgischen Zusammensetzungen verschiedener Elemente bestehen und auch mit unterschiedlichen Technologien hergestellt werden. Eine Veränderung der Temperatur und/oder eine mechanische Veränderung der Maschine startet den Prozess der Geometrieänderung des aus der Gedächtnislegierung bestehenden Bauteils. Im Falle einer abnehmenden Toleranz beim Zusammenbau wird das Schrumpfungsverhalten des Bauteils anstelle einer Dehnung in Betracht gezogen.The memory alloy can consist of different metallurgical compositions of different elements and can also be produced with different technologies. A change in temperature and / or a mechanical change of the machine will start the process of geometry change of the memory alloy component. In the case of decreasing assembly tolerance, the shrinkage behavior of the component is considered instead of elongation.

Obgleich der vorgeschlagene Mechanismus am Beispiel einer Gasturbine erläutert worden ist, kann die Kühlmittelsteuerung auf der Basis von Elementen aus einer Gedächtnislegierung auch in anderen Maschinen eingesetzt werden, wo eine aktive selbsttätige Steuerung des Kühlmittel-Massenstroms benötigt wird.Although the proposed mechanism has been explained using the example of a gas turbine, the memory alloy based coolant control can also be used in other machines where active automatic control of the coolant mass flow is required.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Gasturbinegas turbine

1111

Verdichtercompressor

1212

Verdichterluft-HauptstromCompressor air-mainstream

1313

Sekundärstromsecondary current

1414

KühldurchgangCooling passage

1515

HochtemperaturbereichHigh temperature range

1616

Leitschaufelvane

1717

Laufschaufelblade

1818

LeitschaufelbefestigungLeitschaufelbefestigung

1919

Schaufelfussblade root

2020

Schaufelhalsscoop-neck

2121

Drehgeschwindigkeitrotation speed

2222

Rotorrotor

23a-c23a-c

Dichtungssystemsealing system

2424

VorwirbeldüseVorwirbeldüse

2525

Plattformplatform

2626

Wirbelschaufelswirl vane

2727

Wirbelkanalspinal canal

2828

Statorstator

2929

Heissgas-HauptstromHot gas main stream

3131

Verdichtergehäusecompressor housing

3232

Verdichter-LeitschaufelCompressor vane

3333

Verdichter-LaufschaufelCompressor blade

3434

Maschinenachsemachine axis

3535

Verengungnarrowing

3636

Membranmembrane

37,41,4337,41,43

Verstellvorrichtungadjustment

38,4438.44

Wandelementwall element

39,45,4739,45,47

Leitblechbaffle

40,42,4640,42,46

Verstellelementadjustment

4848

Torsionselementtorsion

4949

Blendecover

50,51,53,5550,51,53,55

Blendenelementdiaphragm element

5252

Ausdehnungexpansion

54,5654.56

Torsionselementtorsion

FF

Flächearea

Claims (1)

1. Gas turbine which is cooled by means of a cooling medium, which cooling medium is directed through the machine (10) in a main flow (12) and in a secondary flow (13), where the rotating machine (10) comprises a rotor (22) and a stator (28), the secondary flow (13) of the cooling medium is directed through swirl passages (27) in the stator (28) to a pre-swirl nozzle (24) and discharges from the stator (28) there, control means (36 - 56) for the temperature-dependent control of the secondary flow (13) are arranged in the pre-swirl nozzle (24), which control means (36 - 56) consist entirely or partially of a shape-memory alloy, and where swirl vanes (26) are arranged in the pre-swirl nozzle (24), and the control means (36 - 48) are formed in such a way that the flow cross section of the swirl passages (27) can be altered in the region of the swirl vanes (26) in dependence upon temperature, characterized in that the swirl vanes (26) are arranged in each case in a manner in which they can be displaced in the swirl passage (27) transversely to the flow direction and in a way in which they alter the cross section, in that provision is made for adjusting elements (46), consisting of a shape-memory alloy, in order to displace the swirl vanes (26) in dependence upon temperature, and in that the displaceable swirl vanes (26), on the upstream-disposed side, are provided in each case with a baffle plate (47) which directs the medium flowing in the swirl passage (27) into the cross section which is constricted by means of the swirl vanes (26).

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