Axialturboverdichter

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Axialturboverdichter (18) mit einem um eine Rotationsachse (12) konzentrisch angeordneten ringförmigen Verdichterkanal (25), welcher radial außen von einer Kanalwand (42) begrenzt ist und in dem zu einem Kranz zusammenfassbare Laufschaufeln (27) um die Rotationsachse (12) drehbar gelagert angeordnet sind, wobei die frei endenden Spitzen (29) der Laufschaufeln (27) jeweils unter Spaltbildung der Kanalwand (42) gegenüber liegen und die Kanalwand (42) im axialen Abschnitt der Spitzen (29) zumindest teilweise eine Wandstrukturierung (44) aufweist und wobei eine Entnahmeöffnung (52) eines Entnahmekanals (50) zum Abzapfen von im Verdichterkanal (25) strömenden Medium in der Kanalwand (42) vorgesehen ist. Um eine äußerst effiziente Entnahme von im Verdichterkanal (25) strömenden Medium zu ermöglichen, ist die Entnahmeöffnung (52) in der Wandstrukturierung (44) angesiedelt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Axialturboverdichter mit einem um eine Rotationsachse konzentrisch angeordneten ringförmigen Verdichterkanal, welcher radial außen von einer Kanalwand begrenzt ist und in dem zu einem Kranz zusammenfassbare Laufschaufeln um die Rotationsachse drehbar gelagert angeordnet sind, wobei die frei endenden Spitzen der Laufschaufeln jeweils unter Spaltbildung der Kanalwand gegenüberliegen und die Kanalwand im axialen Abschnitt der Spitzen zumindest teilweise eine Wandstrukturierung (auch als Casing Treatment bekannt) aufweist und wobei eine Entnahmeöffnung eines Entnahmekanals zum Abzapfen von einem im Verdichterkanal strömenden Medium in der Kanalwand vorgesehen ist.

[0002] Die voranbeschriebene Anordnung ist beispielsweise aus der GB 2 158 879 A bekannt. Das Casing Treatment ist an der gehäuseseitigen Kanalwand über einer stromauf gelegenen Laufschaufelreihe vorgesehen und die Entnahmestelle für die Abzapfluft ist an einer davon stromab gelegenen Laufschaufelreihe angesiedelt. Im Entnahmekanal ist zudem ein Ventil vorgesehen, um in Abhängigkeit des Betriebszustandes unterschiedliche Mengen von Verdichterluft abzuzapfen. Beide Maßnahmen ermöglichen einen Grad der Regelung des Betriebs des Kompressors für hohe Druckverhältnisse, ohne dass sich dabei ungewünschte Verdichter-Phänomene wie Pumpen oder Ablöseerscheinungen (Surge) einstellen. Nachteilig ist jedoch, dass sich die vorgenannte Ausgestaltung für einen Teillastbetrieb einer Gasturbine als unzureichend erwiesen hat.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Axialturboverdichters, bei dem der Betriebsbereich weiter verbessert wird durch ein effizienteres Vermeiden von ungewünschten Verdichter-Phänomenen.

[0004] Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Axialturboverdichter, welche insbesondere bei Teillastbetrieb unzulässig hohe Emissionen vermeidet.

[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Axialturboverdichter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0006] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Entnahmeöffnung in der Wandstrukturierung anzusiedeln. Es wird somit nicht nur die gleichzeitige Anwendung eines Casing Treatments und dem Abzapfen von Verdichterluft innerhalb eines Axialturboverdichters vorgeschlagen, sondern die Kombination erfolgt auch örtlich, nämlich im Bereich einer einzigen Laufschaufelreihe des Axialturboverdichters. Ein Aufstauen der verdichteten Luft und ein damit aerodynamisch ungünstig hohes Druckverhältnis in den nachfolgenden Verdichterstufen kann somit vermieden werden, was das Entstehen der ungewünschten Verdichterphänomene weitgehend vermeidet. Durch die erfindungsgemäße Kombination kann die Pumpgrenze der betreffenden Verdichterstufe besonders einfach und betriebzustandabhängig angepasst werden. Dies ermöglicht bei der Verwendung des Axialturboverdichters in einer stationären Gasturbine einen besonders tiefen Teillastbetrieb, ohne das Emissionsgrenzen dabei überschritten werden. Bei der Verwendung in einer Gasturbine kann nämlich durch das Abzapfen von Verdichterluft eine für die Teillast entsprechende geringe Luftmenge in die Brennkammer geführt werden, wodurch die CO-Emissionen minimiert werden. Es wird also dem Verdichter gezielt Luft entzogen, so dass keine ungewollten strömungsmechanischen Effekte auftreten, wie sie bei konventionellen Abblaseklappen vorkommen können. Zudem unterstützt das im Casing Treatment vorgesehene Abgreifen von Luft auch die Wirkung der Wandstrukturierung selber, so dass das Casing Treatment raumsparender ausgebildet sein kann als ein Casing Treatment ohne darin angesiedelte Entnahmeöffnungen.

[0007] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Wandstrukturierung in ihrer Größe und/oder Form veränderbar und dadurch die Entnahmeöffnung zumindest teilweise freilegbar. Diese Ausgestaltung ermöglicht in einfacher Konstruktion insgesamt drei Betriebszustände des Axialturboverdichters:

1. der Axialturboverdichter wird ohne Casing Treatment und ohne Entnahme von Verdichterluft betrieben, vorzugsweise bei Volllast,

2. der Axialturboverdichter wird nur mit Casing Treatment betrieben, aber weiterhin ohne das Abzapfen von Verdichterluft, vorzugsweise bei hoher Teillast, und

3. der Axialturboverdichter wird mit Casing Treatment betrieben bei gleichzeitigem Abzapfen von Verdichterluft, vorzugsweise bei niedriger Teillast.

[0008] Demzufolge dient das in seiner Größe oder Form einstellbare Casing Treatment nicht allein der Einstellung der Wandstrukturierung, sondern gleichzeitig auch als Stellorgan zum Zu- oder Abschalten der Entnahme von Verdichterluft. Auch dies ermöglicht eine besonders raumsparende Konstruktion.

[0009] Die vorgenannte Ausgestaltung lässt sich besonders einfach konstruktiv umsetzen, wenn die Wandstrukturierung mittels eines beweglichen Einsatzes in ihrer Größe und/oder Form veränderbar ist und die Entnahmeöffnung in einer Seitenwand der den Einsatz aufnehmenden Ausnehmung angesiedelt ist. Der Einsatz kann als Stopfen ausgebildet sein, welcher entlang der Ausnehmung verschoben werden kann. Je nach Position des Stopfens ist entweder die Ausnehmung vollständig verschlossen (für den ersten Betriebszustand), die Ausnehmung nur teilweise verschlossen mit weiterhin verschlossenen Entnahmeöffnungen (für den zweiten Betriebszustand) oder die Ausnehmung sowie die Entnahmeöffnung sind geöffnet (für den dritten Betriebszustand). Insofern kann allein durch die Verschiebung des Stopfens entlang seiner ihn aufnehmenden Ausnehmung zwischen den drei vorgenannten Betriebszuständen in einfacher und zuverlässiger Weise hin und her geschaltet werden.

[0010] Zweckmäßigerweise kann der Entnahmekanal strömungsausgangsseitig mit einem Abblaseluftsystem und/oder Kühlluftsystem verbunden sein.

[0011] Ebenso zweckmäßig ist es, mehrere Entnahmeöffnungen je Laufschaufelkranz anzuordnen. In diesem Fall lässt sich über den Umfang des Axialturboverdichters gesehen das im Verdichterkanal strömende Medium - zumeist Luft - gleichmäßig diesem entnehmen. Besonders vorteilhaft weist eine Gasturbine einen erfindungsgemäßen Axialturboverdichter der voran beschriebenen Bauweise auf, wodurch sich die Gasturbine besonders emissionsarm bei niedriger Teillast betreiben lässt.

[0012] Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich durch vorteilhafte Kombinationen von Merkmalen der dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Es zeigen:

Figur 1

eine stationäre Gasturbine mit einem Axialturboverdichter in einem Längsteilschnitt,

Figur 2, 3

jeweils einen Ausschnitt durch den Querschnitt des Gehäuses des Axialturboverdichters mit einer ersten Ausgestaltung eines Casing Treatments,

Figur 4

in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt des Gehäuses des Axialturboverdichters mit einem Casing Treatment gemäß einer zweiten Ausgestaltung,

Figur 5

eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Darstellung und

Figur 6, 7

eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kombination von Casing Treatment und Entnahmeöffnung.

[0013] Figur 1 zeigt eine stationäre Gasturbine 10 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 10 weist im Innern einen um eine Rotationsachse 12 drehgelagerten Rotor 14 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 14 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 16, ein Axialturboverdichter 18, eine torusartige Ringbrennkammer 20 mit mehreren rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Brennern 22, eine Turbineneinheit 24 und ein Abgasgehäuse 26. Anstelle einer Ringbrennkammer kann die Gasturbine auch mit Silo- oder mit Röhrenbrennkammern ausgestattet sein.

[0014] Der Axialturboverdichter 18 umfasst einen ringförmig ausgebildeten Verdichterkanal 25 mit darin kaskadisch aufeinanderfolgenden Verdichterstufen aus Laufschaufel- und Leitschaufelkränzen. Die am Rotor 14 angeordneten Laufschaufeln 27 liegen mit ihren frei endenden Schaufelblattspitzen 29 einer äußeren Kanalwand 42 des Verdichterkanals 25 gegenüber. Der Verdichterkanal 25 mündet über einen Verdichterausgangsdiffusor 36 in einem Plenum 38. Darin ist die Ringbrennkammer 20 mit ihrem Verbrennungsraum 28 vorgesehen, der mit einem ringförmigen Heißgaskanal 30 der Turbineneinheit 24 kommuniziert. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiels sind in der Turbineneinheit 24 vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 32 angeordnet. Am Rotor 14 ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (jeweils nicht dargestellt) angekoppelt.

[0015] Im Betrieb der Gasturbine 10 saugt der Axialturboverdichter 18 durch das Ansauggehäuse 16 als zu verdichtendes Medium Umgebungsluft 34 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird durch den Verdichterausgangsdiffusor 36 in das Plenum 38 geführt, von wo aus es in die Brenner 22 einströmt. Über die Brenner 22 gelangt auch Brennstoff in den Verbrennungsraum 28. Dort wird der Brennstoff unter Zugabe der verdichteten Luft zu einem Heißgas M verbrannt. Das Heißgas M strömt anschließend in den Heißgaskanal 30, wo es sich arbeitsleistend an den Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 24 entspannt. Die währenddessen freigesetzte Energie wird vom Rotor 14 aufgenommen und einerseits zum Antrieb des Axialturboverdichters 18 und andererseits zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder elektrischen Generators genutzt.

[0016] Beim Betrieb der Gasturbine 10 und somit beim Betrieb des Axialturboverdichters 18 können jedoch Zustände und aerodynamische Phänomene auftreten, die den Betrieb teilweise begrenzen. Um das Auftreten dieser Zustände und Phänomene zu vermeiden, ist in der Kanalwand 42 zumindest eine Wandstrukturierung vorgesehen. Diese Wandstrukturierung ist in FIG 1 der Klarheit halber nicht dargestellt. Diese Wandstrukturierung ist weiterhin als sogenanntes "Casing Treatment" bekannt und beispielsweise als in Umfangsrichtung endlos verlaufende Nuten oder über den Umfang verteilte, sich in Axialrichtung erstreckende Gehäusenuten ausgebildet. Die Wandstrukturierung ist in der Regel in einem axialen Abschnitt des Verdichterkanals 25 vorgesehen, in dem die frei endenden Spitzen von Laufschaufeln 27 jeweils unter Spaltbildung der Kanalwand 42 gegenüber liegen.

[0017] Die Figuren 2 und 3 zeigen nun im Detail im Querschnitt einen Ausschnitt durch die Kanalwand 42 des Verdichterkanals 25 im Bereich einer Wandstrukturierung 44. Die Wandstrukturierung 44 umfasst gemäß dieser ersten Ausgestaltung mehrere sich radial durch die Kanalwand 42 erstreckende Ausnehmungen 46. In jeder Ausnehmung 46 sitzt ein radial verschieblicher, im Querschnitt T-förmiger Einsatz 48. In der Ausnehmung 46 münden seitlich zwei Kanäle. Diese Kanäle sind als Entnahmekanäle 50 ausgebildet. Deren Öffnung 52 ist in der Wandstrukturierung 44, d.h. in der Seitenwand 54 der Ausnehmung 46 angesiedelt. Bei nach innen geschobenem Einsatz 48 sind die Ausnehmung 46 und gleichzeitig die Entnahmeöffnungen 52 vollständig verschlossen (nicht dargestellt).

[0018] In einer gemäß Figur 2 dargestellten Position des Einsatzes 48 ist zur Aktivierung der aerodynamisch wirksamen Wandstrukturierung 44 die Ausnehmung 46 teilweise geöffnet, indem der Einsatz 48 aus seiner die Ausnehmung 46 betreffenden Verschlussposition nach außen verschoben wurde. In der dargestellten Position des Einsatzes 48 ist die erste Öffnung 52 des Entnahmekanals 50 freigelegt, so dass gleichzeitig dem Verdichterkanal 25 über die Ausnehmung 46 Verdichterluft entnommen, d.h. abgezapft werden kann. Gemäß der in Figur 3 dargestellten Position des Einsatzes 48 sind beide Entnahmeöffnungen 52 der Entnahmekanäle 50 freigelegt. Insofern ist die Wandstrukturierung 44 in ihrer Größe und/oder Form veränderbar und dadurch die Entnahmeöffnung 52 zumindest teilweise freilegbar.

[0019] Figur 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Darstellung. Gemäß der zweiten Ausgestaltung sind in der zum Verdichterkanal 25 weisenden Fläche der Kanalwand 42 nun in Umfangsrichtung endlos verlaufende Nuten 60 vorgesehen, entlang welcher die Spitzen der nicht dargestellten Laufschaufeln umlaufen. In einer Seitenwand 61 einer der Nuten 60 münden mehrere, entlang des Umfangs gleichmäßig verteilte Entnahmekanäle 62, von denen lediglich einige schematisch dargestellt sind. Bei dieser Ausgestaltung ist das Ventilsystem zu Öffnen und/oder Schließen der Entnahme von Verdichterluft gleichwohl nicht durch bewegliche Einsätze ausgebildet, sondern als nachgeschaltetes System ausgeführt. Die Entnahmenkanäle 62 können selbstverständlich auch ungleichmäßig verteilt sein.

[0020] Nach einer dritten Ausgestaltung, welche in Figur 5 dargestellt ist, ist die Wandstrukturierung 44 als in Axialrichtung sich erstreckende, gleichmäßig über den Umfang der Kanalwand 42 verteilte Nuten 64 ausgebildet, die in einem in Umfangsrichtung drehbaren Einsatz 45 angesiedelt sind, welcher in einer in der Kanalwand 42 angeordneten, zum Einsatz 45 korrespondierenden Ausnehmung 47 angesiedelt ist. Im Boden der Ausnehmung 47 liegen die Entnahmeöffnungen 52 der Entnahmekanäle 50. Durch die zwischen den Nuten 64 angeordneten Stege 49 des Einsatzes 45 sind die Öffnungen 52 je nach Position des Einsatzes 45 entweder verschlossen, teilweise oder vollständig geöffnet.

[0021] Eine vierte Ausgestaltung eines einstellbaren Casing Treatments mit darin angeordneten Entnahmeöffnungen 52 zeigen die Figuren 6 und 7 in jeweils teilperspektivischer Darstellung. Figur 6 zeigt eine Kanalwand 42 mit einer in Umlaufrichtung endlosen Nut 66, in der ein radial verschieblicher Einsatz 68 zum Öffnen und Schließen der Wandstrukturierung 44 sowie der in der Nutseitenwand 70 angeordneten Entnahmeöffnung 52 angesiedelt ist. In Figur 6 ist die Entnahmeöffnung 52 durch den Einsatz 68 verschlossen. Nach Figur 7 ist die Entnahmeöffnung 52 geöffnet.

[0022] Insgesamt wird mit der vorliegenden Erfindung ein Axialturboverdichter 18 bzw. eine Gasturbine 10 vorgeschlagen, mit einem um eine Rotationsachse 12 konzentrisch angeordneten ringförmigen Verdichterkanal 25, welcher radial außen von einer Kanalwand 42 begrenzt ist und in dem zu einem Kranz zusammenfassbare Laufschaufeln 29 um die Rotationsachse 12 drehbar gelagert angeordnet sind. Dabei liegen die frei endenden Spitzen 29 der Laufschaufeln 29 jeweils unter Spaltbildung der Kanalwand 42 gegenüber, wobei in der Kanalwand 42 selber im axialen Abschnitt der Spitzen 29 zumindest teilweise eine Wandstrukturierung 44 vorgesehen ist. Um das Betriebsverhalten des Axialturboverdichters 18 weiter zu verbessern, ist eine Entnahmeöffnung 52 eines Entnahmekanals 50 zum Abzapfen und Abführen von im Verdichterkanal 25 strömender Luft vorgesehen, die erfindungsgemäß in der Wandstrukturierung 44 angesiedelt ist.

Ansprüche

1. Axialturboverdichter (18),
mit einem um eine Rotationsachse (12) konzentrisch angeordneten ringförmigen Verdichterkanal (25), welcher radial außen von einer Kanalwand (42) begrenzt ist und in dem zu einem Kranz zusammenfassbare Laufschaufeln (27) um die Rotationsachse (12) drehbar gelagert angeordnet sind, wobei die frei endenden Spitzen (29) der Laufschaufeln (27) jeweils unter Spaltbildung der Kanalwand (42) gegenüber liegen und die Kanalwand (42) im axialen Abschnitt der Spitzen (29) zumindest teilweise eine Wandstrukturierung (44) aufweist und
wobei eine Entnahmeöffnung (52) eines Entnahmekanals (50) zum Abzapfen von im Verdichterkanal (42) strömenden Medium in der Kanalwand (42) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entnahmeöffnung (52) in der Wandstrukturierung (44) angesiedelt ist.

2. Axialturboverdichter (18) nach Anspruch 1,
bei dem die Wandstrukturierung (44) in ihrer Größe und/oder Form veränderbar und dadurch die Entnahmeöffnung (52) zumindest teilweise freilegbar ist.

3. Axialturboverdichter (18) nach Anspruch 2,
bei dem die Wandstrukturierung (44) mittels eines beweglichen Einsatzes (45, 48, 68) in ihrer Größe und/oder Form veränderbar ist und die Entnahmeöffnung (52) in einer Seitenwand (54, 70) der den Einsatz (45, 48, 68) aufnehmenden Ausnehmung (46, 47, 70) angesiedelt ist.

4. Axialturboverdichter (18) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem der Entnahmekanal (50) strömungsausgangseitig mit einem Abblaseluftsystem und/oder Kühlluftsystem verbunden ist.

5. Axialturboverdichter (18) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei dem mehrere Entnahmeöffnungen (52) je Laufschaufelkranz vorgesehen sind.

6. Gasturbine (10) mit einem Axialturboverdichter (18) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Zeichnung