Vorrichtung zur Abscheidung von Staubpartikeln

Abstract

 Zur Abscheidung von Staubpartikeln innerhalb eines Kühlsystems eines mit Laufschaufeln bestückten Rotor einer Strömungsmaschine wird stromauf der zu kühlenden Laufschaufeln und im Bereich der Rotor-Aussenfläche (13) eine Vorrichtung (20) angeordnet. Diese weist mindestens einen mit einem Kühlmittel (14) durchströmten Zuströmungskanal (4) auf, der in radialer Richtung so gerichtet ist, dass die sich im Kühlmittel (14) befindlichen Staubpartikel (21) auf der in der Drehrichtung des Rotors beschleunigenden Seite ansammeln. Diese Staubpartikel (21) gelangen anschliessend in einen mit dem Zuströmungskanal 4 in Wirkverbindung stehenden Ausscheideraum (23), in welchem sie eingefangen, um dann abgeführt zu werden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Bei modernen Turbomaschinen nimmt die Kühlung von thermisch hochbelasteten Aggregaten einen immer grösser werdenden Stellenwert an. Insbesondere wird hier an die Kühlung der Schaufeln und des Rotors von Gasturbinen gedacht. Grundsätzlich gilt hier die Maxime, dass Verstopfungen der vorgesehenen Kühlkanäle durch Staub oder grössere Partikel auf alle Fälle vermieden werden muss. Kühlkanäle von Schaufeln weisen in der Regel kleine Durchflussquerschnitte auf, nicht selten in der Grössenordnung von 1 mm², weshalb spezielle Massnahmen zur Vermeidung von Verstopfungen vonnöten sind. Bei Luftkühlung besteht eine solche Massnahme beispielsweise darin, dass die zur Kühlung eingesetzte Luft an der Innenkontur des Schaufelkanals des Verdichters entnommen wird, wo die Staubkonzentration niedrig ist. Ferner werden an den Enden der Laufschaufelkühlkanäle Staublöcher von 0.7-1 mm Durchmesser angebracht, welche eine Anhäufung von Staub oder grösseren Partikeln verhindern.

[0003] Falls aber Dampf oder andere Medien als Kühlmittel verwendet werden, müssen weitergehende Massnahmen getroffen werden, welche die im Kreislauf zirkulierenden Partikel von den Laufschaufeln fernzuhalten vermögen.
Dampfkreisläufe sind oft voller Partikel, insbesondere am Anfang des Betriebes. Aber auch später durch abspringenden Zunder sind diese Dampfkreisläufe davon durchsetzt. Hiergegen ist es üblich, Dampfsiebe einzusetzen, welche in der Regel Lochdurchmesser von 3-4 mm aufweisen, weshalb sie eher Teilefänger als Staubsiebe sind. Zwar ist es richtig, dass während der Inbetriebsetzung ein Feinsieb mit kleinen Löcher von ungefähr 1 mm Durchmesser vorgelegt werden kann, indessen muss dieses später aus strömungstechnischen Gründen wieder entfernt werden. Vergleichsweise mussten bei offenbleibenden Entwässerungsöffnungen bei Dampfturbinen die Lochdurchmesser auf mindestens 4 mm erweitert werden, um sicher zu gehen, dass sie nicht bereits nach kurzer Zeit teilweise oder ganz verstopfen. Ferner muss berücksichtigt werden, dass sich die kleinsten Spiele des ganzen Kreislaufes in den Führungen der gegen ein Festsitzen pulsierenden Ventilspindeln befinden. Die Erosion der Beschaufelung kann bei Dampfturbinen ein Problem bilden. So gesehen brauchen insbesondere Schaufelkühlkanäle von Gasturbinen mit ca. 1 mm Durchmesser spezielle Massnahmen. Nach Stand der Technik wird versucht, die Zirkulation von Partikeln im Gesamtkreislauf in mehreren Stufen und an verschiedenen Stellen zu unterbinden. Die verschiedenen Massnahmen verteuern aber nicht unwesentlich die Anlage, abgesehen davon, dass damit eine sichere Unterbindung von durch Staubpartikel hervorgerufener Verstopfung nicht erreicht werden kann.

Darstellung der Erfindung

[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine einfache Vorkehrung vorzuschlagen, durch welche eine Verstopfung der Kühlkanäle durch Staub oder grössere Partikel unterbunden wird.

[0005] Erfindungsgemäss wird dies erreicht, indem vor dem Eintritt in den Kühlkreislauf der Gasturbine, also vorzugsweise im Rotor stromauf der Laufschaufeln, ein oder mehrere Abscheider vorgesehen werden, die sicherstellen, dass die zu Kühlungszwecken vorgesehenen Kanäle durch Staubpartikel nicht verstopfen können. Als besonders geeignet wird hier ein Trägheitsabscheider vorgeschlagen, welcher die Fliehkräfte im Rotor ausnützt, und so die Laufschaufeln von den im Kühlmittel einherströmenden Staubpartikeln maximal schützt. Um diese Fliehkräfte optimal ausnützen zu können, wird dieser Abscheider an geeigneter Stelle in den Rotor integriert, wobei sichergestellt werden muss, dass eine einfache Zugänglichkeit für Inspektionen zu diesem Abscheider gewährleistet bleibt.

[0006] Ein solcher Abscheider lässt allenfalls nur noch einen feinen Staub durch, was nicht weiter schlimm ist, denn je nach Dampfdruck ist dieser Staub, soweit er unter 0.5-1 µm bleibt, für die Kühlung harmlos, womit er an sich im Kreislauf verbleiben kann. Um darüber hinaus sicher zu gehen, dass die Kühlkanäle der Laufschaufeln nicht verstopfen, werden diese Kühlkanäle so ausgelegt, dass der allenfalls in der Strömung verbleibende Reststaub an der Schaufelspitze umgelenkt und zurücktransportiert werden kann, wozu die Geschwindigkeiten und die Druckabfälle des Systems und damit die Schleppkräfte in den Umlenkungen und in den Rückführungskanälen des Kühlmittels innerhalb der Laufschaufeln vollauf genügen, wobei gleich anzuführen ist, dass die erfindungsgemässe Abscheidung von Staubpartikeln nicht ausschliesslich auf die Laufschaufeln beschränkt bleibt. Selbstverständlich bleiben die Schaufeln von allfälligen Staubpartikeln unbelastet, wenn die Abscheidung im beschriebenen Rahmen stattfindet.

[0007] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

[0008] Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen worden. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0009] Es zeigt:

Fig. 1 ein rotorinternes Kühlsystem und

Fig. 2 und 3 einen Aufbau eines Trägheitsabscheiders.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0010] Fig. 1 zeigt ein rotorinternes System, wie es üblicherweise zum Einsatz gelangt. Der mit Laufschaufeln 2 bestückte Rotor 1 ist nach dem Schweissprinzip aufgebaut, wie dies die Schweissnähte 6 zum Ausdruck bringen. Zwischen den Laufschaufeln 2 sind Leitschaufeln 3 ersichtlich, welche zum Stator ebendieser Strömungsmaschine gehören. Ein System von mit einem Kühlmittel 14 durchströmten Kanälen durchzieht den Rotor 1, dergestalt, dass die Laufschaufeln 2 entweder parallel oder in Serie gekühlt werden können. Fig. 1 zeigt diesbezüglich eine Serieschaltung. Aus einem Hauptkühlmittelhohlraum 12 zweigt mindestens ein Zuströmungskanal 4 ab, welcher zunächst von der Mitte des Rotors 1 nach aussen führt. Im Bereich der Rotor-Aussenfläche 13 ist zu jedem Zuströmkanal 4 ein Abscheider 20 angeordnet, dessen einer hier nur in schematischer Form angedeutet ist. Der besagte Zuströmungskanal 4 führt radial oder quasi-radial in den Abscheider 20 ein, und zweigt dann über einen in wesentlichen axial oder quasi-axial verlaufenden weiteren Zuströmungskanal 9 ab. Dieser Zuströmungskanal 9 endet am Ende des schaufelbestückten Rotors 1 in einen Kühlmittel-Umlaufkanal 5, von wo aus über einen Abzweigekanal 7 eine erste Laufschaufel 2 gekühlt wird. Die Rückströmung des hier eingesetzten Kühlmittels 14, das vorzugsweise ein Dampf ist, aus der gekühlten Laufschaufel 2 geschieht über einen weiteren Abzweigungskanal 8, der seinerseits intermediär in einen weiteren Kühlmittel-Umlaufkanal 5a endet, wobei von hier aus die Kühlung der verbleibenden Laufelschaufeln nach dargelegter Schaltung vonstatten geht. Aus einem letzten Kühlmittel-Umlaufkanal 5b zweigen in entsprechender Zahl axial oder quasi-axial verlaufende Abströmungskanäle 10 ab, über welchen das thermisch verbrauchte Kühlmittel 15 zurückströmt. Dieser Abströmungskanal 10 geht dann im Bereich des Abscheiders 20 in einen radial oder quasi-radial verlaufenden Rückströmungskanal 11 über, der das Kühlmittel 15 zu einem weiteren, nicht ersichtlichen Verbraucher zurückfördert oder aus den Rotor hinaus führt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Abscheider 20 im Bereich der Rotor-Aussenfläche 13 plaziert, wodurch sichergestellt ist, dass er auf einfachste Art und Weise für jede sich aufdrängende Inspektion leicht zugänglich ist. Die spezifische Ausgestaltung des hier genannten Abscheiders 20 wird unter Fig. 2 näher erläutert.

[0011] Fig. 2 zeigt nun detailliert den Aufbau des Abscheiders 20, der an obengenannter Stelle angeordnet ist. Aus Fig. 2 ist das über den Zuströmungskanal 4 beförderte, mit Staubpartikeln 21 durchsetzte Kühlmittel 14 ersichtlich. Der Abscheider 20 ist am Ende dieses Zuströmungskanals 4 angebracht, wobei das genannte Kühlmittel 14 dann über den ebenfalls bereits genannten Zuströmungskanal 9 zu den Laufschaufeln 2 geleitet wird. In dem Zuströmungskanal 4 sind die auf die Staubpartikel 21 wirkenden turbinenspezifischen Flieh- und Schleppkräfte nach aussen gerichtet. Die Corioliskräfte konzentrieren demnach die Staubpartikel 21 auf der in der Drehrichtung des Rotors 1 beschleunigenden Seite, wie dies in Fig. 2 zum Ausdruck gebracht wird. Der hier gezeigte Abscheider 20 ist sonach, seiner Funktion entsprechend, ein Trägheitsabscheider, womit die Abscheidung der Staubpartikel 21 maximiert wird. Der Abscheider 20 weist in der radialen Fortsetzung der Kühlmittel-Strömung einen Ausscheideraum 23 auf, der als Falle zur Einfangung zumindest der grösseren Staubpartikel ausgebildet ist. Die feineren und kleinere Staubpartikel, welche von ihrer Masse hergesehen nicht im Ausscheideraum 23 hängen bleiben, werden über einen vom Ausscheideraum 23 abzweigenden Entleerungskanal 22 in den Rückströmungskanal 11 abgeleitet, von wo aus sie von der Strömung des Kühlmittels 15 erfasst und abgeführt werden. Zu diesem Zweck müssen die Geschwindigkeit und der Druckabfall des Kühlmittels 15 entsprechende Werte aufweisen. Dies führt zur Erkenntniss, dass der Abscheider 20 und die mit diesem in Wirkverbindung stehenden Kanäle 4, 9, 10, 11 und 22 aufeinander abgestimmt sein müssen. Insbesondere betrifft dies die Ueberleitung des Zuströmungskanals 4 über einen Mittelkörper 25 in den bereits beschriebenen Ausscheideraum 23. Die Interdependenz zwischen dem in den radialen Zuströmungskanal 4 hineinragenden Mittelkörper 25 und dem in diesem Bereich abzweigenden axialen Zuströmungskanal 9 muss so gehandhabt werden, dass die Staubpartikel 21 im Ausscheideraum 23 eingefangen werden können. Die Schleppkräfte der Strömung in diesem Ausscheideraum 23 sind indessen immer noch gross genug, dass die feineren nicht einfangbaren Staubpartikel von dort aus über den Entleerungskanal 22 abströmen können, um dann, wie bereits beschrieben, über den radialen oder quasi-radialen Rückströmungskanal 11 abgeführt zu werden. Der Abscheider 20 ist in den Rotor 1 so eingebaut, dass er für Inspektionen und Reinigungen des Ausscheideraumes 23 gut zugänglich ist, vorzugsweise so, dass die Maschine zu diesem Zweck nicht geöffnet werden muss. Eine inspektionsfreundliche Konstruktion ist aus Fig. 2 ersichtlich. Der Ausscheideraum 23 wird in radialer Richtung gegen die Rotor-Aussenfläche 13 durch eine Hochdruckdichtung 24 abgedichtet, welche ihrerseits durch einen mehrfach verschraubten Abschlussdeckel 26 gespannt ist. Falls feinste Partikel über den axialen Zuströmungskanal 9 zu den Laufschaufeln gelangen sollten, so ist dies nicht weiter schlimm, denn der Strömungspfad der Kühlkanäle innerhalb dieser Schaufeln ist so ausgelegt, dass der verbleibende Reststaub an der Spitze der Schaufeln umgelenkt und über den axialen Abströmungskanal 10 zurücktransportiert werden kann.

[0012] Fig. 3 zeigt die Einleitung des radialen Zuströmungskanals 4 in den in axialer Richtung verlaufenden Zuströmungskanal 9 zu den zu kühlenden Laufschaufeln. Durch die von der Abscheidung bedingte tangentiale Einströmung des erstgenannten 4 in den zweiten 9 entsteht im Bereich der Einleitung eine Drallströmung, welche sich innerhalb des Zuströmungskanals 9 fortsetzen und so die anschliessende Kühlung der Laufschaufeln stark beeintächtigen würde. Als Abhilfe hiergegen werden in diesem Bereich Rippen 27 und Strömungshilfen 28 vorgesehen, welche eine drallfreie, nämlich laminare Strömung 29 bewerkstelligen. Die Rippen 27 weisen einen im wesentlich rechtwinklig zur Einströmung aus dem Zuströmungskanal 4 angeordneten Durchbruch auf, welcher die Strömung aufteilt und somit eine glättende Wirkung entfaltet. Die in den Zuströmungskanal 9 hineinragende Strömungshilfe 28 festigt dann die sich gebildelte laminare Strömung weiter. Eine solche Strömung bietet dann Gewähr für eine effiziente grösstmögliche Kühlung der thermisch belasteten Teile. Die Einbringung dieser Rippen 27 geschieht durch endseitige axiale Aufbohrung des Zuströmungskanals 9, der dann durch einen Verschlusszapfen 30 gedichtet wird.

Bezugszeichenliste

[0013] 

1

Rotor

2

Laufschaufeln

3

Leitschaufeln

4

Kühlmittelkanal, radialer Zuströmungskanal

5

Kühlmittel-Umlaufkanal

5a

Kühlmittel-Umlaufkanal

5b

Kühlmittel-Umlaufkanal

6

Schweissnaht

7

Abzweigungskanal

8

Abzweigungskanal

9

Zuströmungskanal in axialer Richtung

10

Abströmungskanal in axialer Richtung

11

Kühlmittelkanal, radialer Rückströmungskanal

12

Hauptkühlmittelhohlraum

13

Rotor-Aussenfläche

14

Kühlmittel, Zuströmung

15

Kühlmittel, Rückströmung

20

Abscheider, Trägheitsabscheider

21

Staubpartikel

22

Entleerungskanal

23

Ausscheideraum

24

Hochdruckdichtung

25

Mittelkörper

26

Abschlussdeckel

27

Rippe

28

Strömungshilfe

29

Drallfreie, laminare Strömung

30

Verschlusszapfen

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Staubpartikeln innerhalb eines Kühlsystems eines mit Laufschaufeln bestückten Rotors einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) stromauf der zu kühlenden Laufschaufeln (2) angeordnet und durch mindestens einen mit einem Kühlmittel (14) durchströmten Zuströmungskanals (4) versehen ist, dass der Zuströmungskanal (4) in radialer Richtung innerhalb des Rotors (1) so gerichtet ist, dass die sich im Kühlmittel (14) befindlichen Staubpartikel (21) auf der in der Drehrichtung des Rotors (1) beschleunigenden Seite ansammeln, und dass diese Staubpartikel (21) anschliessend in einem mit dem Zuströmungskanal (4) in Wirkverbindung stehenden Ausscheideraum (23) innerhalb der Vorrichtung (20) einfangbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) im Bereich der Rotor-Aussenfläche (13) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Ausscheideraum (23) mindestens ein Entleerungskanal (22) abzweigt, welcher in einen radial oder quasi-radial in Gegenströmung zum Zuströmungskanal (4) verlaufenden Rückströmungskanal (11) mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Zuströmungskanal (4) stromab des Ausscheideraumes (23) mindestens ein axial oder quasi-axial verlaufender Zuströmungskanal (9) zur Versorgung der Laufschaufeln (2) mit dem Kühlmittel (14) abzweigt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem axial oder quasi-axial verlaufenden Kanal (9) in der Strömungsebene des hier einmündenden Zuströmungskanals (4) Mittel (27, 28) zur Erzeugung einer laminaren Strömung (29) im jenen Kanal (9) vorhanden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausscheideraum (23) mindestens von der Oberfläche (13) des Rotors (1) zugänglich ist.

Zeichnung