[0001] Die Erfindung betrifft eine Axialturbinenstufe für eine Gasturbine und eine Gasturbine
mit der Axialturbinenstufe, wobei die Axialturbinenstufe mit einer Ausblaseeinrichtung
ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Axialturbinenstufe.
[0002] Eine Gasturbine ist beispielsweise in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer
Energie mit einem Generator gekuppelt und wird sowohl im Teillastbetrieb als auch
im Volllastbetrieb bei derselben Drehzahl betrieben. Die Leistungsanforderungen an
die Gasturbine sind in der Regel derart, dass die Gasturbine in Axialbauweise konstruiert
ist. Die Gasturbine weist einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine auf,
wobei von dem Verdichter Umgebungsluft angesaugt und verdichtet wird, die in der Brennkammer
unter Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt wird. Die erhitzte und verdichtete Luft
wird in der Turbine arbeitsleistend entspannt, wobei mit dem dadurch gewonnen Arbeitsüberschuss
der Generator angetrieben wird. Die Turbine weist mindestens eine Turbinenstufe auf,
die von einer Leitschaufelreihe und einer Laufschaufelreihe gebildet ist, wobei in
Hauptströmungsrichtung gesehen die Leitschaufelreihe stromauf der Laufschaufelreihe
angeordnet ist. Zur Erzielung eines möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrads
der Gasturbine ist es erstrebenswert, die Gasturbine bei einer möglichst hohen Turbineneintrittstemperatur
zu fahren. Die maximal zulässige Turbineneinrittstemperatur ergibt sich aus der thermischen
Belastbarkeit der Turbine, insbesondere der Turbinenstufe unmittelbar stromab der
Brennkammer.
[0003] Wird die Gasturbine im Teillastbetrieb gefahren, senken sich die Turbineneintrittstemperatur
und das Gesamtdruckverhältnis der Gasturbine ab, verglichen mit dem Volllastbetrieb
der Gasturbine, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine im Teillastbetrieb
nachteilig abgesenkt ist. Außerdem ist im Teillastbetrieb der Gasturbine der Gesamtmassenstrom
der Hauptströmung durch die Gasturbine reduziert, wodurch sich nachteilig die relativen
Zuströmwinkel der Turbinenlaufschaufeln, insbesondere der Turbinenlaufschaufeln der
Laufschaufelreihe hinter der ersten Leitschaufelreihe, verglichen mit den Zuströmwinkeln
im Auslegungszustand unterscheiden. Dies führt im Teillastbetrieb der Gasturbine zu
einer Fehlanströmung der Turbinenlaufschaufeln, wodurch die Arbeitsumsetzung in den
Turbinenlaufschaufeln nachteilig herabgesetzt ist.
[0004] Wird die Gasturbine ausgehend vom Volllastbetrieb in den Teillastbetrieb gefahren,
so senken sich die einzelnen Stufendruckverhältnisse und somit das Gesamtdruckverhältnis
der Gasturbine ab und die Abgastemperatur steigt bei im Wesentlichen gleichbleibender
Turbineneintrittstemperatur. Dadurch kann ein Betriebszustand eintreten, bei dem die
Abgastemperatur einen maximal zulässigen Höchstwert überschreitet. Eine adäquate Reaktion
darauf wäre es in diesem Teillastbetrieb die Turbineneintrittstemperatur abzusenken,
damit die Abgastemperatur wieder gleich oder kleiner ihres maximal zulässigen Höchstwerts
ist, womit allerdings nachteilig eine Absenkung des thermodynamischen Wirkungsgrads
der Gasturbine einhergeht.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es eine Axialturbinenstufe für eine Gasturbine und eine
Gasturbine mit der Axialturbinenstufe sowie Verfahren zum Betreiben der Axialturbinenstufe
zu schaffen, wobei Axialturbinenstufe und die die Gasturbine im Teillastbereich einen
hohen thermodynamischen Wirkungsgrad haben.
[0006] Die erfindungsgemäße Axialturbinenstufe für eine Gasturbine weist eine Leitschaufel
und eine stromab der Leitschaufel angeordnete Laufschaufel sowie eine Ausblaseeinrichtung
auf, mit der an der Druckseite im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel Ausblasegas
in die Hauptströmung der Axialturbinenstufe ausblasbar ist, wobei die Ausblaseeinrichtung
eine Justiereinrichtung aufweist, mit der die Ausblaserate im Teillastbetrieb derart
justierbar ist, dass die wirksame Profilgeometrie der Leitschaufel mittels dem Ausblasegas
verändert ist, wodurch der relative Zuströmwinkel der Laufschaufel an den relativen
Auslegungszuströmwinkel der Laufschaufel angleichbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben der Axialturbinenstufe weist die Schritte auf: Betreiben der Gasturbine
im Teillastbetrieb; Justieren der Ausblaserate mit der Justiereinrichtung derart,
dass die wirksame Profilgeometrie der Leitschaufel mittels dem Ausblasegas verändert
wird, wodurch der relative Zuströmwinkel der Laufschaufel an den relativen Auslegungszuströmwinkel
der Laufschaufel angeglichen wird.
[0007] Durch das druckseitige Ausströmen des Ausblasegases im Bereich der Hinterkante der
Leitschaufel ist die Umlenkwirkung der Leitschaufel verstärkt, verglichen mit der
Umlenkwirkung der Leitschaufel bei keinem Ausströmen des Ausblasegases im Bereich
der Hinterkante der Leitschaufel. Wird also mit Hilfe der Ausblaseeinrichtung beim
Betrieb der Gasturbine die Ausblaserate erhöht, indem das Ausblasegas an der Druckseite
im Bereich der Hinterkante der Leitschaufel in die Hauptströmung der Axialturbinenstufe
ausgeblasen wird, verstärkt sich als Folge davon die Umlenkwirkung der Leitschaufel.
Die Ausblasung erfolgt zwischen 30% bis kleiner als 100% der Profilsehnenlänge der
Leitschaufel.
[0008] Dies ist insbesondere Vorteilhaft im Teillastbetrieb der Gasturbine. Die erfindungsgemäß
bewirkte Erhöhung der Umlenkung führt zu einer Verbesserung des relativen Zuströmwinkels
der Laufschaufel. Folglich kann durch eine entsprechende Betätigung der Ausblaseeinrichtung
die Ausblaserate derart justiert werden, dass sich das Stufendruckverhältnis über
die Axialturbinenstufe erhöht.
[0009] Durch die erhöhte Umlenkwirkung der Leitschaufel ergibt sich ein erhöhtes Druckverhältnis
der Axialturbinenstufe. Dies hat einen positiven Effekt auf den thermodynamischen
Wirkungsgrad der Gasturbine und ermöglicht im Teillastbetrieb der Gasturbine die Turbineneintrittstemperatur
bei gleichbleibender Abgastemperatur anzuheben. Ferner stellt sich der relative Zuströmwinkel
der Laufschaufel und somit auch der Zuströmwinkel für die stromab angeordnete Laufschaufel
steiler und dadurch näher am Auslegungszustand ein, wodurch aerodynamische Profilverluste
an der Laufschaufel reduziert sind.
[0010] Die Ausblaseeinrichtung ist bevorzugt von einem Innenhohlraum der Leitschaufel und
mindestens einer Ausblasegasaustrittsöffnung gebildet, die druckseitig im Bereich
der Hinterkante in der Leitschaufel angeordnet ist und den Innenhohlraum der Leitschaufel
gasleitend nach außen verbindet. Besonders bevorzugt ist es, dass die Leitschaufel
eine Mehrzahl von Ausblasegasaustrittsöffnungen aufweist, die in einer Reihe parallel
zur Hinterkante angeordnet sind. Bevorzugt sind die Ausblasegasaustrittsöffnungen
Schlitze, die parallel zur Hinterkante angeordnet sind. Alternativ bevorzugt ist die
mindestens eine Ausblasegasaustrittsöffnung ein Schlitz, der parallel zur Hinterkante
angeordnet ist. Ferner weist bevorzugtermaßen die Turbinenstufe einen Zuführkanal
auf, der in den Innenhohlraum der Leitschaufel mündet und durch den das Ausblasegas
zu den Ausblasegasöffnungen via den Innenhohlraum förderbar ist. Hierbei weist der
Zuführkanal bevorzugt ein Drosselventil als die Justiereinrichtung auf, mit dem die
Ausblaserate steuerbar ist. Ferner weist der Zuführkanal bevorzugt einen Filter auf,
mit dem das Ausblasegas filterbar ist, wobei das Drosselventil bevorzugt in den Filter
integriert ist.
[0011] Das Ausblasegas ist bevorzugt ein Kühlgas der Leitschaufel sowie bevorzugt eine Verdichterendluft
der Gasturbine. Die von dem Kühlgas gekühlt betriebbare Leitschaufel ist derart ausgelegt,
dass sie im Volllastbetrieb unter Zufuhr eines entsprechend ausreichend großen Massenstroms
von dem Kühlgas im Auslegungspunkt mit ausreichend langer Lebensdauer betriebbar ist.
Bei der Auslegung der Leitschaufel ist berücksichtigt, dass der Massenstrom von dem
Kühlgas so groß ist, dass durch die Kühlwirkung des Kühlgases auf die Leitschaufel
eine thermische Überbelastung der Leitschaufel unterbunden ist. Die Profilierung der
Leitschaufel ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Kühlwirkung durch das
Kühlmedium und dessen aerodynamischen Einfluss die Leitschaufel im Auslegungspunkt
definierte Auslegungsanforderungen erfüllt.
[0012] Die Erhöhung der Ausblaserate wäre aus Hinsicht des notwendigen Kühlungseffekts nicht
erforderlich. Die Erhöhung der Ausblaserate bewirkt eine Verstärkung der Umlenkwirkung
der Leitschaufel. Somit ist beim Betrieb der Leitschaufel durch eine entsprechende
Wahl der Ausblaserate der relative Zuströmwinkel der Laufschaufel einstellbar, wobei
die Leitschaufel ausreichend gekühlt betrieben ist.
[0013] Bevorzugtermaßen ist die Leitschaufel im Volllastbetrieb für einen von dem Drosselventil
angedrosselten Massenstrom des Kühlgases und im Teillastbetrieb für einen von dem
Drosselventil ungedrosselten Massenstrom des Kühlgases ausgelegt. Somit ist im Teillastbetrieb
das Drosselventil bevorzugt ungedrosselt zu betreiben. Wird hingegen die Gasturbine
bei Volllast betrieben, so ist das Drosselventil angedrosselt zu betreiben. Die damit
bewirkte Reduzierung der Ausblaserate soll so gewählt werden, dass stets sowohl eine
ausreichende Kühlung als auch eine ausreichende Umlenkwirkung der Leitschaufel beim
Betrieb der Gasturbine gegeben sind. Ferner ist es bevorzugt, dass die Ausblaserate
im Teillastbetrieb bezogen auf eine Ausblaserate im Volllastbetrieb erhöht wird.
[0014] Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Gasturbine im Bereich
der Brennkammer und der Turbine, sowie
- Figuren 2, 3
- S1-Stromflächenschnitte mit einer Leitschaufel und einer Laufschaufel sowie Geschwindigkeitsdreiecke
für die Abströmung der Leitschaufel.
[0015] Wie es aus den Figuren ersichtlich ist, weist eine Gasturbine 1 ein Gehäuse 2 auf,
in dem ein Verdichter (nicht gezeigt), eine Brennkammer 3 und eine Turbine angeordnet
sind, die mehrere Turbinenstufen 8, 9 aufweist. Stromab des Verdichterendes ist ein
Umlenkdiffusor (nicht gezeigt) angeordnet, der in einen als ein Hohlraum in dem Gehäuse
3 ausgebildetes Verdichterplenum 5 mündet, in dem die Brennkammer 3 angeordnet ist.
Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird von dem Verdichter Umgebungsluft angesaugt und
auf einen Verdichterenddruck verdichtet. Von dem Verdichterende tritt die Verdichterendluft
in den Brennkammerinnenraum 4 der Brennkammer 3 ein und wird mit einem flüssigen oder
gasförmigen Brennstoff vermischt. Dadurch entsteht im Brennkammerinnenraum 4 ein brennbares
Gemisch, das gezündet und in der Brennkammer 3 verbrannt wird. Die Verbrennung in
dem Brennkammerinnenraum 4 erfolgt im Wesentlichen isobar. Am Brennkammeraustritt
6 der Brennkammer 3 hat das Gemisch eine durch die Verbrennung entsprechend bewirkte
hohe Temperatur und wird via einen Übergangskanal 7 zu der Turbine der Gasturbine
1 geführt.
[0016] Von der Turbine sind in Figur 1 eine erste Turbinenstufe 8 und eine zweite Turbinenstufe
9 dargestellt. Die erste Turbinenstufe 8 weist eine Leitschaufelreihe 10 und eine
Laufschaufelreihe 12 auf. Die Leitschaufelreihe 10 der ersten Turbinenstufe 8 ist
gebildet von einer Mehrzahl an über den Umfang äquidistant angeordneten, gleichen
Leitschaufeln 11. Die Laufschaufelreihe 12 der ersten Turbinenstufe 8 ist gebildet
von einer äquidistant über dem Umfang angeordneten, gleichen Laufschaufeln 13. Die
Leitschaufeln 11 und die Laufschaufeln 13 sind in Axialbausweise ausgeführt. Die Leitschaufeln
11 sind an ihren radial außenliegenden Enden von einem Leitschaufelträger 14 gehalten.
Die Laufschaufeln 13 sind an ihren radial innenliegenden Enden jeweils mit einem Schaufelfuß
ausgestattet, der mit einem Rotor 15 der Gasturbine 1 formschlüssig in Eingriff steht.
Jede Leitschaufel 11 weist ein Schaufelblatt mit einer Hinterkante 16, einer Vorderkante
sowie einer Saugseite (nicht gezeigt) und einer Druckseite 18 auf. Jede Laufschaufel
13 weist eine Vorderkante 17 auf, die konstruktionsbedingt einen relativen Auslegungszuströmwinkel
26 hat. Im Bereich der Vorderkanten der Leitschaufeln 11 tritt das in dem Übergangskanal
7 herangeführte Heißgasgemisch in die erste Turbinenstufe 8 ein, wobei von der Leitschaufelreihe
10 das Heißgasgemisch umgelenkt wird und in der Laufschaufelreihe 12 unter Abgabe
von Arbeit entspannt wird.
[0017] Je höher die Turbineneintrittstemperatur des Heißgasgemischs ist, desto höher ist
der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine 1. Thermische Belastungsgrenzen des
Werkstoffs der Leitschaufeln 11 ergeben eine maximal zulässige Turbineneintrittstemperatur.
Zur Erhöhung der maximal zulässigen Turbineneintrittstemperatur werden die Leitschaufeln
11 beim Betrieb der Gasturbine 1 gekühlt, um die thermische Belastung der Leitschaufeln
11 herabzusetzen.
[0018] Die Gasturbine weist als eine Ausblaseeinrichtung einen Innenraum der Leitschaufel
11 und eine Reihe an Ausblaseluftaustrittsöffnungen 24 sowie einen Zuführkanal 20,
einen Filter 21, ein Drosselventil 22 und eine Kammer 23 auf, die unmittelbar radial
außenseitig der Leitschaufeln 11 angeordnet ist und die in die Innenräume der Leitschaufeln
11 mündet. Der Radialabstand zwischen der Kammer 23 und dem Verdichterplenum 5 ist
für jede Leitschaufel 11 mit dem Zuführkanal 20 überbrückt. Der Zuführkanal 20 weist
den Filter 21 auf, in den das Drosselventil 20 integriert ist.
[0019] Die Verdichterendluft strömt von dem Verdichterende via den Umlenkdiffusor in das
Verdichterplenum 5, in dem die Verdichterluft als das Kühlmedium (Kühlluft) bereitgestellt
ist. Von dem Verdichterplenum 5 strömt die Kühlluft via den Filter 21 und das Drosselventil
20 in die Kammer 23 und von dort in den Innenraum einer jeden Leitschaufel 11. Aus
dem Innenraum der Leitschaufel 11 tritt via die Ausblaseluftaustrittsöffnungen 24
ein Ausblaseluftstrom 25 in die Hauptströmung, wobei unter Betätigung des Drosselventils
20 eine Justierung der Ausblaserate möglich ist. Der Druck der Kühlluft in der Kammer
23 ergibt sich insbesondere aus dem Kühlluftmassenstrom, der durch den Innenraum der
Leitschaufel 11 aus der Kammer 23 abströmt, dem Kühlluftmassenstrom, der durch den
Filter 21 in die Kammer 23 zuströmt, und der Androsselstellung des Drosselventils
20. Von der Kammer 23 in die Innenräume der Leitschaufeln 11.
[0020] Die Leitschaufeln 11 weisen im Bereich ihrer Hinterkanten 16 an ihren Druckseiten
18 jeweils eine im Wesentlichen radial verlaufende Reihe an Ausblaseluftaustrittsöffnungen
24 auf, durch die die Kühlluft aus dem Inneren der Leitschaufeln 11 in die Hauptströmung
ausströmt. Durch das druckseitige Ausströmen der Kühlluft durch die Ausblaseluftaustrittsöffnung
24 im Bereich der Hinterkanten 16 der Leitschaufeln 11 ist die Umlenkwirkung der Leitschaufeln
11 verstärkt. Somit wird im Teillastbetrieb der Gasturbine 11 das im Volllastbetrieb
angedrosselte Drosselventil 20 geöffnet, wodurch sich der Ausblaseluftstrom 25 der
Kühlluft durch die Ausblaseluftaustrittsöffnungen 24 erhöht. Als Folge hiervon erhöht
sich die Umlenkwirkung der Leitschaufeln 11.
[0021] In Figuren 2 und 3 sind S1-Stromflächenschnitte der Leitschaufel 11 und der Laufschaufel
12 sowie Geschwindigkeitsdreiecke für die Abströmung der Leitschaufel gezeigt. Mit
dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet ist das Geschwindigkeitsdreieck für den Volllastbetriebszustand
der Gasturbine 1 und mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichnet ist das Geschwindigkeitsdreieck
für den Teillastbetriebszustand der Gasturbine 1 gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 26
ist der relative Auslegungszuströmwinkel der Laufschaufel 13 für den Volllastbetrieb
der Gasturbine 1 und mit dem Bezugszeichen 27 ist der relative Zuströmwinkel der Laufschaufel
11 gekennzeichnet. Mit dem Pfeil 25 ist der Ausblaseluftstrom des Ausblasegases angedeutet.
[0022] Im Teillastbetrieb der Gasturbine, bei dem die Umlenkwirkung der Leitschaufeln 11
nachteilig herabgesetzt ist, wird das Drosselventil 20 geöffnet, im Extremfall vollständig
geöffnet, wodurch der Massenstrom durch die Ausblaseluftaustrittsöffnungen 24 vergrößert
wird. Dadurch wird im Teillastbetrieb der Gasturbine 1 die Umlenkwirkung der Leitschaufeln
11 vorteilhaft vergrößert, wobei die Hinterkannten 17 der Leitschaufeln 13 optimal
angeströmt und die Leitschaufeln 11 ausreichend gekühlt werden.
[0023] Gemäß der Darstellung in Figur 3 ist die Ausblaserate Null, so dass der Ausblaseluftstrom
aus der Ausblaseluftaustrittsöffnung nicht vorhanden ist. Daraus ergibt sich im Teillastbetrieb
der relative Zuströmwinkel 27 der Laufschaufel 13 flacher als der relative Auslegungszuströmwinkel
26 der Laufschaufel 13 ist, wodurch die Laufschaufel 13 fehlangeströmt ist. Im Gegensatz
dazu ist gemäß der Darstellung in Figur 2 der Ausblaseluftstrom 25 mit der Ausblaserate
derart eingestellt, dass der relative Zuströmwinkel 27 der Laufschaufel 13 identisch
dem relativen Auslegungszuströmwinkel 26 der Laufschaufel 13 ist. Dadurch ist die
Laufschaufel 13 vorteilhaft auslegungsgemäß angeströmt.
1. Axialturbinenstufe für eine Gasturbine (1), mit einer Leitschaufel (11) und einer
stromab der Leitschaufel (11) angeordneten Laufschaufel (13) sowie einer Ausblaseeinrichtung
(20 bis 24), mit der an der Druckseite (18) im Bereich der Hinterkante (16) der Leitschaufel
(11) Ausblasegas (25) in die Hauptströmung der Axialturbinenstufe (8) ausblasbar ist,
wobei die Ausblaseeinrichtung (20 bis 24) eine Justiereinrichtung (22) aufweist, mit
der die Ausblaserate im Teillastbetrieb derart justierbar ist, dass die wirksame Profilgeometrie
der Leitschaufel (11) mittels dem Ausblasegas (25) verändert ist, wodurch der relative
Zuströmwinkel (27) der Laufschaufel (13) an den relativen Auslegungszuströmwinkel
(26) der Laufschaufel (13) angleichbar ist.
2. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 1,
wobei die Ausblaseeinrichtung (20 bis 24) von einem Innenhohlraum der Leitschaufel
(11) und mindestens einer Ausblasegasaustrittsöffnung (25) gebildet ist, die druckseitig
(18) im Bereich der Hinterkante (16) in der Leitschaufel (11) angeordnet ist und den
Innenhohlraum der Leitschaufel (11) gasleitend nach außen verbindet.
3. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 2,
wobei die Leitschaufel (11) eine Mehrzahl von Ausblasegasaustrittsöffnungen (25) aufweist,
die in einer Reihe parallel zur Hinterkante (16) angeordnet sind.
4. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 2 oder 3,
wobei die Turbinenstufe (8) einen Zuführkanal (20) aufweist, der in den Innenhohlraum
der Leitschaufel (11) mündet und durch den das Ausblasegas zu den Ausblasegasöffnungen
(25) via den Innenhohlraum förderbar ist.
5. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 4,
wobei der Zuführkanal (20) ein Drosselventil (22) als die Justiereinrichtung aufweist,
mit dem die Ausblaserate steuerbar ist.
6. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 4 oder 5,
wobei der Zuführkanal (20) einen Filter (21) aufweist, mit dem das Ausblasegas filterbar
ist.
7. Axialturbinenstufe gemäß Anspruch 6,
wobei das Drosselventil (22) in den Filter (21) integriert ist.
8. Axialturbinenstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei das Ausblasegas ein Kühlgas der Leitschaufel (11) ist.
9. Gasturbine mit einer Axialturbinenstufe (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Gasturbine gemäß Anspruch 8,
wobei das Ausblasegas eine Verdichterendluft der Gasturbine (1) ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Axialturbinenstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
mit den Schritten:
- Betreiben der Gasturbine (1) im Teillastbetrieb,
- Justieren der Ausblaserate mit der Justiereinrichtung (22) derart, dass die wirksame
Profilgeometrie der Leitschaufel (11) mittels dem Ausblasegas (25) verändert wird,
wodurch der relative Zuströmwinkel (27) der Laufschaufel (13) an den relativen Auslegungszuströmwinkel
(26) der Laufschaufel (13) anglichen wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
wobei die Ausblaserate im Teillastbetrieb bezogen auf eine Ausblaserate im Volllastbetrieb
erhöht wird.