Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine axialdurchströmte Gasturbine gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs
1, im wesentlichen bestehend aus einer mehrstufigen Turbine, welche einen auf einer
gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter antreibt, wobei der zwischen Turbine und
Verdichter liegende Wellenteil eine Trommel ist.
Stand der Technik
[0002] Derartige Gasturbinen sind bekannt. Die gesamte rotorseitige Kühlluft wird dabei
z. B. dem Verdichterende entnommen. Der überwiegende Teil davon strömt durch seperate
Leitungen und über ein Drallgitter, welches sich in der Regel auf dem gleichen Radius
wie die Rotorkühlkanäle an der Stirnseite des Turbinenrotors befindet und z.B. aus
GB 2 189 845 bekannt ist, in diese Rotorkühlkanäle ein. Der kleinere Anteil an Kühlluft
dient zur Kühlung der letzten Verdichterscheibe, der Trommel und der ersten Turbinenscheibe.
[0003] In EP 0 447 886 wird die gesamte für die Rotorkühlung erforderliche Kühlluft nach
der letzten Laufreihe des Verdichters an dessen Nabe entnommen und mit dem ihr anhafteten
Drall unmittelbar in den sich zwischen Rotortrommel und Trommelabdekkung befindenden
Ringkanal geleitet. Sie strömt bis vor das Trommellabyrinth. Durch das Labyrinth strömt
die unvermeidliche Leckmenge, während der Hauptteil der Rotorkühlluft in ein Drallgitter
geführt wird. Dort erfolgt eine Beschleunigung der Kühlluft bei gleichzeitiger Umlenkung
in Rotordrehrichtung. Die Abströmung aus dem Drallgitter erfolgt dabei nahezu tangential.
Der Leckagemassenstrom durch das Trommellabyrinth unter dem Drallgitter mischt sich
im Bereich der Turbinenscheibe mit der Kühlluft nach dem Drallgitter.
[0004] Bei Gasturbinen mit einem hohen Druckverhältnis tritt hieraber folgendes Problem
auf. Da die Luft nach der letzten Verdichterlaufreihe für die Kühlung der Turbinenschaufeln
zu heiss ist, muss diese zuerst rückgekühlt werden, bevor sie durch das Drallgitter
in die Turbinenrotorkühlluftkanäle gelangt. Der grosse Temperaturunterschied zwischen
der Kühlluft und der Labyrinthleckageluft entlang der Rotortrommel führt zu hohen
Spannungen im Rotortrommel- und Turbinenscheibenbereich. Ausserdem führt die Mischung
der kalten Kühlluft mit der heissen Leckageluft nach dem Drallgitter zu einer unerwünschten
Aufheizung der Kühlluft und zur Abschwächung des Dralls.
[0005] Um den notwendigen Druck im Rotorkühlluftsystem zu erreichen, ist normalerweise eine
Labyrinthdichtung zwischen Turbinenrotorscheibe und Scheibenabdeckung oberhalb des
Drallgitters notwendig. Dadurch nimmt bei einer Beschädigung des Trommellabyrinths
der Druck entlang der Turbinenscheibe zu und führt zu einer massiven Erhöhung des
Rotoraxialschubes.
Darstellung der Erfindung
[0006] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, bei einer axialdurchströmten Gasturbine der eingangs genannten Art den Axialschub
zu verringern, die Effektivität der Schaufel- und Scheibenkühlung zu verbessern und
eine gleichmässige Temperaturverteilung zu erreichen.
[0007] Erfindungsgemäss wird dies bei einer axialdurchströmten Gasturbine gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass im Bereich des Trommellabyrinths mindestens
eine Absaugvorrichtung für die Leckageluft und einen Teil der Kühlluft angeordnet
ist.
[0008] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Turbinenscheibe
und ein Teil der Rotortrommel nur noch von der Kühlluft bestrichen werden. Daraus
ergibt sich eine tiefere und vor allem gleichmässigere Temperaturverteilung, welche
sich positiv auf die Festigkeit im Rotor-Scheibenübergang auswirkt. Da mit dem Absaugen
der Leckageluft auch ein Mischen mit der Kühlluft vermieden wird, wird die Kühlluft
nicht erwärmt und der Drall der Kühlluft bleibt ungestört.
[0009] Es ist vorteilhaft, wenn der Ringkanal im Bereich der Absaugvorrichtung zu einem
Sammelraum für die Leckage- bzw. Kühlluft erweitert ist, weil dadurch eine bessere
Absaugung gewährleistet ist.
[0010] Ferner ist es zweckmässig, wenn die Absaugvorrichtung aus einer Leitung besteht,
welche auf der einen Seite mit dem Sammelraum für die Leckage- bzw. Kühlluft und auf
der anderen Seite mit dem Kühlluftentnahmeringraum im Verdichtergehäuse verbunden
ist.
[0011] Weiterhin wird mit Vorteil die Absaugvorrichtung mit den Kühllufteinrichtungen für
die hinteren Turbinenstufen in Verbindung gebracht, weil dadurch die abgesaugte Luft
der Kühlluft für die hinteren Turbinenstufen beigemischt wird und somit für den Prozess
sinnvoll weiterverwendet wird.
[0012] Es ist zweckmässig, wenn im verdichterseitigen Teil der Rotortrommel für einen Teil
der Kühlluft mindestens eine Zuführung zum Ringkanal angeordnet ist, welche an ihrem
jeweiligen Ende mindestens eine Dralldüse aufweist. Dadurch kann der heissen Leckageluft
ebenfalls Kühlluft zugemischt werden, so dass in diesem Bereich die Lufttemperatur
auf das zulässige Mass gesenkt wird.
[0013] Schliesslich wird mit Vorteil der Kühlluftdruck nach dem Drallgitter so gewählt,
dass auf die normalerweise übliche Labyrinthdichtung zwischen Turbinenscheibe und
Scheibenabdeckung verzichtet werden kann, so dass der Druck in Scheibennähe vom Druck
des Turbinenhauptstromes im Gaskanal bestimmt wird. Bei einer Beschädigung des Rotortrommellabyrinths
wird durch den Wegfall des Scheibenlabyrinths und durch die Absaugung der vergrösserten
Leckageluft ein grosser Druckanstieg an der Turbinenscheibe verhindert, sodass sich
der Rotoraxialschub nur gering ändert. Auch die Trommel- und Scheibentemperaturen
bleiben im Falle einer Labyrinthspielvergrösserung relativ stabil.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0014] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer einwelligen
axialdurchströmten Gasturbine dargestellt.
[0015] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt der Gasturbine;
- Fig. 2
- einen vergrösserten Teillängsschnitt im Bereich des Trommellabyrinths und der Absaugvorrichtung;
- Fig. 3a-c
- drei verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Absaugvorrichtung.
[0016] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise das Abgasgehäuse der Gasturbine
mit Abgasrohr und Kamin sowie die Eintrittspartien des Verdichterteils. Die Strömungsrichtung
der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0017] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
[0018] Fig. 1 ist zu entnehmen, dass die axialdurchströmte Turbine 1 im wesentlichen aus
den mit Laufschaufeln 2 bestückten Rotor 3 und dem mit Leitschaufeln 4 bestückten
Schaufelträger 5 besteht. In Fig. 1 ist lediglich die erste axialdurchströmte Stufe
der Turbine 1 dargestellt. Der Schaufelträger 5 ist im Turbinengehäuse 6 eingehängt.
Das Turbinengehäuse 6 umfasst auch den Sammelraum 7 für die verdichtete Brennluft.
[0019] Die Brennluft gelangt aus dem Sammelraum 7 in die Ringbrennkammer 8, welche in den
Turbineneinlass mündet. In den Sammelraum 7 strömt die verdichtete Luft aus dem Diffusor
9 des Verdichters 10. Vom Verdichter 10 ist in Fig. 1 nur die letzte Stufe mit den
Laufschaufeln 11 und den Leitschaufeln 12 dargestellt. Die Laufbeschaufelungen des
Verdichters 10 und der Turbine 1 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 13, deren sich
zwischen Turbine 1 und Verdichter 10 befindendes Teil als Trommel 14 ausgebildet ist.
[0020] Die Trommel 14 ist von einer Trommelabdeckung 15 umgeben, die über Rippen 16 mit
dem Diffusoraussengehäuse 17 verbunden ist. Turbinenseitig begrenzt die Trommelabdeckung
15 zusammen mit der Stirnseite 18 des Turbinenrotors 3 einen radial verlaufenden Radseitenraum
19.
[0021] Der Radseitenraum 19 bildet das Ende eines Ringkanales 20, der zwischen der Trommel
14 und der Trommelabdeckung 15 verläuft. In diesem Ringkanal 20 ist eine gegen die
Trommelabdeckung 15 dichtende Labyrinthdichtung 21 angeordnet.
[0022] In den Radseitenraum 19 mündet eine vom Verdichterende kommende Leitung 22 zur Führung
der Turbinenrotorkühlluft. An ihrem Ende sind Dralldüsen 23 angeordnet. Die Dralldüse
23 für die Turbinenrotorhauptkühlluft ist dabei vorzugsweise auf dem gleichen Radius
angeordnet wie die Rotorkühlkanäle 24 bzw. die Eintrittsöffnung der Rotorkühlkanäle
24, während eine oder mehrere weitere Dralldüsen 23 in geringerem radialen Abstand
von der Turbinenhauptachse angeordnet sind und zur Beimischung von Kühlluft für die
Stirnseite 18 des Turbinenrotors 3 dienen.
[0023] Im Bereich des Trommellabyrinths 21 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Absaugvorrichtungen
25 für die Leckageluft und einen Teil der Kühlluft angeordnet.
[0024] Fig. 2 zeigt im Detail eine mögliche Ausführungsvariante der Absaugvorrichtung 25.
Der Ringkanal 20 ist im Bereich der Absaugvorrichtungen 25 zu zwei Sammelräumen 26
erweitert. Die beiden Absaugvorrichtungen 25 sind hier Leitungen, welche einerseits
mit den Sammelräumen 26 der Leckageluft und andererseits mit den Kühlluftentnahmeringräumen
28 im Verdichtergehäuse verbunden sind. Von den Kühlluftentnahmeringräumen 28 führen
Leitungen 22a zum Kühlsystem der hinteren Turbinenstufen. Die Anordnung der Sammelräume
26 im Trommellabyrinth 21 wird dabei so gewählt, dass das resultierende Druckgefälle
zwischen den Räumen 26 und 28 und die Querschnitte der Leitungen 25 die erforderlichen
Absaugeluftmengen ergeben. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsvariante
beschränkt, die Absaugvorrichtung 25 kann auch anders ausgebildet sein.
[0025] Ausserdem kann zusätzlich im verdichterseitigen Teil der Rotortrommel 14 für einen
geringen Teil der Kühlluft noch eine Zuführung 27 zum Ringkanal 20 angeordnet sein,
welche an ihrem dem Ringkanal 20 zugewandten Ende ebenfalls mindestens eine Dralldüse
23 aufweist. Bei den Dralldüsen 23 handelt es sich um Beschleunigungsgitter mit geringer
Krümmung der Skelettlinie. Die Zumischung der Kühlluft in den heissen Leckageluftmassenstrom
führt dazu, dass im verdichterseitigen Teil der Rotortrommel 14 die Lufttemperatur
auf ein zulässiges Mass gesenkt wird.
[0026] Fig. 3 zeigt, dass auch nur eine Absaugungvorrichtung 25 bzw. mehr als zwei Absaugvorrichtungen
25 für die Leckage- bzw. Kühlluft angeordnet sein können.
[0027] Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend erläutert: Die für die Rotorkühlung
benötigte Kühlluft wird am Verdichterende entnommen. Der Hauptteil der Rotorkühlluft
strömt über die Leitung 22 und über die Dralldüse 23 in den Radseitenraum 19. Der
grösste Teil dieser drallbehafteten Kühlluft strömt über die sich auf gleicher Höhe
befindenden Eintrittsöffnungen in die Kühlkanäle 24 des Rotors 3, während ein geringer
Anteil zwischen Turbinenscheibe und Scheibenabdeckung in den Gaskanal der Turbine
1 strömt. Durch eine weitere Dralldüse 23, welche in einem geringeren radialen Abstand
von der Turbinenhauptachse als die o.g. Dralldüse 23 angeordnet ist, wird weitere
Kühlluft in den Radseitenraum 19 geführt. Diese strömt in Richtung Ringkanal 20 und
wird zusammen mit dem aus der anderen Richtung vom Verdichter 10 kommenden, nach der
letzten Laufschaufel 11 entnommenen Leckageluftmassenstrom in den im Bereich des Trommellabyrinths
21 angeordneten Absaugvorrichtungen 25 abgesaugt. Selbstverständlich kann der Leckageluftmassenstrom
auch an einer anderen Stelle entnommen werden, beispielsweise nach der letzten Leitschaufel
12 des Verdichters 10. Die abgesaugte Luft wird dann auf Grund ihres geringen Druckes
beispielsweise der Kühlluft für die hinteren Turbinenstufen beigemischt und somit
für den Prozess weiter sinnvoll verwendet.
[0028] Dadurch, dass der Leckageluftmassenstrom und ein geringer Teil der durch eine oder
mehrere Dralldüsen 23 beigemischten Kühlluft beim Trommellabyrinth 21 abgesaugt wird,
wird die Turbinenscheibe und ein Teil der Rotortrommel 14 nur noch von der Kühlluft
bestrichen. Das hat den Vorteil einer gleichmässigeren und tieferen Temperaturverteilung,
was sich günstig auf die Festigkeit im Rotor-Scheibenbereich auswirkt.
[0029] Mit dem Absaugen der Leckageluft wird auch das Mischen mit der Kühlluft nach der
Dralldüse 23 vermieden. Der Drall der Kühlluft nach der Dralldüse 23 wird nicht mehr
durch die Leckageluft beeinflusst und es findet auch keine Erwärmung der Kühlluft
durch die heissere Leckageluft statt; dadurch sind die Eintrittsbedingungen ins Rotorkühlsystem
nahezu konstant, die Leistung der Kühlluft ist besser und die Eintrittsverluste in
das Rotorkühlsystem werden minimiert.
[0030] Der Kühlluftdruck nach dem Drallgitter kann nun so gewählt werden, dass auf die normalerweise
zwischen Turbinenscheibe und Scheibenabdeckung angeordnete Labyrinthdichtung verzichtet
werden kann. Dadurch wird der Druck in Scheibennähe vom Druck des Turbinenhauptstromes
im Gaskanal bestimmt.
[0031] Bei einer Beschädigung des Rotortrommellabyrinths 21 wird durch den Wegfall des Scheibenlabyrinths
und durch die vergrösserte Leckageluftmenge ein grosser Druckanstieg an der Turbinenscheibe
verhindert, sodass sich der Rotoraxialschub nur gering ändert. Die Trommel- und Scheibentemperaturen
bleiben im Falle einer Labyrinthspielvergrösserung relativ stabil.
Bezugszeichenliste
[0032]
- 1
- Turbine
- 2
- Laufschaufel der Turbine
- 3
- Rotor
- 4
- Leitschaufel der Turbine
- 5
- Schaufelträger
- 6
- Turbinengehäuse
- 7
- Sammelraum
- 8
- Ringbrennkammer
- 9
- Diffusor
- 10
- Verdichter
- 11
- Laufschaufel des Verdichters
- 12
- Leitschaufel des Verdichters
- 13
- Welle
- 14
- Trommel
- 15
- Trommelabdeckung
- 16
- Rippen
- 17
- Diffusoraussengehäuse
- 18
- Stirnseite des Turbinenrotors
- 19
- Radseitenraum
- 20
- Ringkanal
- 21
- Labyrinthdichtung
- 22
- Leitungen für Turbinenrotorkühlluft
- 22a
- Leitungen zum Kühlluftsystem der hinteren Turbinenstufen
- 23
- Dralldüse
- 24
- Rotorkühlkanäle
- 25
- Absaugvorrichtung
- 26
- Sammelraum
- 27
- Zuführung für geringen Kühlluftteil
- 28
- Kühlluftentnahmeringraum
1. Axialdurchströmte Gasturbine, im wesentlichen bestehend aus einer mehrstufigen Turbine
(1), welche einen auf einer gemeinsamen Welle (13) angeordneten Verdichter (10) antreibt,
- bei welcher der zwischen der Turbine (1) und dem Verdichter (10) liegende Wellenteil
eine Trommel (14) ist, die von einer Trommelabdeckung (15) unter Bildung eines Ringkanals
(20) umgeben ist, wobei im Ringkanal (20) eine gegen die Trommelabdeckung (15) dichtende
Labyrinthdichtung (21) angeordnet ist, und die Trommelabdeckung (15) zusammen mit
der Stirnseite (18) des Turbinenrotors (3) einen radial verlaufenden Radseitenraum
(19) begrenzt,
- bei der mindestens eine separate Leitung (22) zur Führung der Turbinenrotorkühlluft
vom Verdichter (10) zur Stirnseite (18) des Turbinenrotors (3) angeordnet ist und
die Verbindung zwischen dieser Leitung (22) und dem Radseitenraum (19) über mindestens
zwei Dralldüsen (23) erfolgt,
- bei der Kühleinrichtungen (24) für den Turbinenrotor (3) und seine Laufschaufelkränze
vorhanden sind und
- die gesamte rotorseitige Kühlluft für die Turbine (1) dem Verdichter (10) im Bereich
des Verdichteraustritts entnommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Trommellabyrinths (21) mindestens eine
Absaugvorrichtung (25) für die Leckageluft und einen Teil der Kühlluft angeordnet
ist.
2. Axialdurchströmte Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal
(20) im Bereich der Absaugvorrichtung (25) zu einem Sammelraum (26) für die Leckage-
bzw. Kühlluft erweitert ist.
3. Axialdurchströmte Gasturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Absaugvorrichtung (25) aus einer Leitung besteht, welche auf der einen Seite mit dem
Sammelraum (26) für die Leckage- bzw. Kühlluft und auf der anderen Seite mit dem Kühlluftentnahmeringraum
(28) im Verdichtergehäuse verbunden ist.
4. Axialdurchströmte Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugvorrichtung
(25) mit den Kühleinrichtungen (24) der hinteren Turbinenstufen in Verbindung steht.
5. Axialdurchströmte Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im verdichterseitigen
Teil der Rotortrommel (14) für einen Teil der Kühlluft mindestens eine Zuführung (27)
zum Ringkanal (20) angeordnet ist, welche an ihrem jeweiligen Ende mindestens eine
Dralldüse (23) aufweist.
6. Axialdurchströmte Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftdruck
nach dem Drallgitter (23) im Radseitenraum (19) so gewählt wird, dass auf eine Labyrinthdichtung
zwischen Turbinenscheibe und Scheibenabdeckung verzichtet werden kann.