Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasturbinenanlage.

Gasturbinenanlagen sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Sie umfassen eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine. Diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gas-turbine an der Außenseite einer ortsfesten ringförmigen Tragstruktur gehalten sind, und an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe definieren zwischen sich konstruktionsbedingt einen radial inneren und einen radial äußeren Ringspalt. In diese Ringspalte wird über Kühlluftzuführkanäle, welche die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgen, Kühlluft eingeleitet, um einer Überhitzung insbesondere der Tragstruktur, der Tragstruktur und der dem Ringspalt zugewandten Bereiche besagter Schaufelplattformen vorzubeugen. Die Einleitung der Kühlluft in den Ringspalt erfolgt meist in axialer Richtung über stirnseitig an den Hitzeschildelementen ausgebildete, gleichmäßig über den Umfang des Ringspalts verteilte Kühlluftöffnungen. Mit anderen Worten wird diejenige Kühlluft, die zum Kühlen der Hitzeschildelemente eingesetzt wird, zusätzlich auch zur Kühlung des Ringspalts verwendet.

Es hat sich herausgestellt, dass sich während des Betriebs einer solchen Gasturbinenanlage inhomogene Druckfelder im Bereich der Ringspalte ausbilden, die in erster Linie dadurch verursacht werden, dass sich das aus der Brennkammer in die Gasturbine einströmende Heißgas im Bereich der Anströmkanten der Schaufelblätter der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe staut. Diese inhomogenen Druckfelder weisen im Bereich der Anströmkanten Druckmaxima auf, die dazu führen, dass das Heißgas im Bereich der Anströmkanten in die Ringspalte eindringt. Vor diesem Hintergrund ist es ferner bekannt, die Tragstruktur mit Kühlluftkanälen zu versehen, die jeweils einen Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe in den entsprechenden Ringspalt münden. Die durch diese Kühlluftkanäle geleitete Kühlluft tritt somit jeweils im Bereich der Druckmaxima in den entsprechenden Ringspalt ein und erzeugt Kühlluftströme, die ein Eindringen von Heißluft in den Ringspalt im Bereich der Druckmaxima bzw. im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufeln verhindern. EP2754858A1, US2018/195400A1 und US8118554B1 offenbaren jeweils eine Gasturbinenanlage mit einer mit Hitzeschildelementen ausgekleideten Brennkammer, mit stromabwärts angeordneten Leitschaufeln, mit an einer ortsfesten Tragstruktur gehaltenen Schaufelplattformen der Leitschaufeln, wobei die Schaufelplattformen mit Kühlluftbohrungen versehen sind zur Kühlung der Leitschaufeln, wobei die Kühlluft fluidtechnisch mit einem Kühlluftzufuhrkanal und einem Ringspalt verbunden ist.EP0902164 offenbart Leitschaufeln als Turbineneintrittsleitschaufeln.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasturbinenanlage mit alternativem Aufbau zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Modernisierung einer Gasturbinenanlage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Ausbauen sämtlicher Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe; b) Ersetzen der ausgebauten Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe durch neue oder überholte Leitschaufeln, wobei Plattformen der neuen oder überholten Leitschaufel erstmalig mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die einen die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden, und wobei die Kühlluftbohrungen derart angeordnet sind, dass in Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte, die in radialer Richtung im Bereich von Anströmkanten der Leitschaufeln angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen münden als in andere Bereiche des Ringspaltes oder der Ringspalte.

Wird das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren bei Gasturbinenanlagen angewendet, die noch über keine zusätzliche Kühlung in Abschnitten der Ringspalte im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe bzw. der durch diese verursachten Druckmaxima verfügen, so besteht ein besonderer Vorteil dahingehend, dass zur Erzeugung der Kühlluftbohrungen keine spanenden Arbeiten in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten, wie insbesondere an der Tragstruktur durchgeführt werden müssen, wodurch unnötige Verunreinigungen der Gasturbinenanlage während der Durchführung des Modernisierungsverfahrens verhindert werden. Vielmehr können die Kühlluftbohrungen dank der Tatsache, dass diese an einer oder an beiden Schaufelplattformen der betreffenden Leitschaufeln vorgesehen werden, beim Herstellen neuer Leitschaufeln bzw. beim Überholen alter Leitschaufeln abseits der Gasturbinenanlage gefertigt werden.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer zu modernisierende Gasturbinenanlage durchgeführt, die bereits sich durch die Tragstruktur erstreckende, jeweils einen der Kühlluftzuführkanäle mit einem der Ringspalte fluidtechnisch miteinander verbindende und in den entsprechenden Ringspalt mündende Kühlluftkanäle aufweist, und stimmt die Anzahl der neuen oder überholten Leitschaufeln nicht mit der Anzahl der ausgebauten Leitschaufeln überein, so werden die sich durch die Tragstruktur erstreckenden Kühlluftkanäle nach Durchführung des Schrittes a) und vor Durchführung des Schrittes b) bevorzugt zumindest teilweise verschlossen, wobei insbesondere sämtliche Kühlluftkanäle verschlossen werden. In Fällen, in denen die Anzahl der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe im Rahmen von Modernisierungsarbeiten verändert, insbesondere verringert werden soll, stimmen die Positionen der Kühlluftaustrittsöffnungen der in der Tragstruktur ausgebildeten Kühlkanäle nicht mehr mit den Positionen der Druckmaxima überein, weshalb ein Eindringen von Heißgas in die Ringspalte im Bereich der Anströmkanten der Leitschaufeln nicht mehr sicher verhindert werden kann. Anstatt in der Tragstruktur neue Kühlkanäle an den entsprechenden Positionen zu fertigen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die zuvor durch diese Kühlkanäle bewirkte Kühlung zumindest teilweise, bevorzugt vollständig durch eine Kühlung über die Kühlluftbohrungen der in Schritt b) montierten neuen Leitschaufeln zu ersetzen. Auf diese Weise wird ebenfalls der Vorteil erzielt, dass spanende Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten der Gasturbinenanlage vermieden werden.

Bevorzugt definieren die in Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen, was zu einer Vereinfachung der Fertigung der Leitschaufeln führt.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, und in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der in Schritt b) eingebauten neuen Leitschaufeln sind mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit eine der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind, wobei die Anzahl der Filmkühlungslöcher der neuen oder überholten Leitschaufeln geringer ist als die Anzahl der Filmkühlungslöcher der in Schritt a) ausgebauten Leitschaufeln. Der Kühlluftmassenstrom, der durch die Verringerung der Filmkühlungslöcher eingespart wird, kann dann ganz oder teilweise durch die in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen geleitet werden.

Bevorzugt sind an Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern zu gelangen. Mit derartigen Prallblechen wird eine verbesserte Kühlung erzielt.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jedes der Prallbleche derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern (16) ein Zwischenraum verbleibt.

Vorteilhaft sind einige der in den Schaufelplattformen der neuen oder überholten Leitschaufeln ausgebildeten Kühlluftbohrungen derart angeordnet, dass sie in den Zwischenraum münden.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenanlage, die eine mit Hitzeschildelementen ausgekleidete Brennkammer und eine stromabwärts der Brennkammer angeordnete, Leitschaufeln und Laufschaufeln umfassende Gasturbine aufweist, wobei diejenigen Hitzeschildelemente, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur gehalten sind, und an einer und einer weiteren ortsfesten Tragstruktur gehaltene Schaufelplattformen der Leitschaufeln einer ersten Leitschaufelstufe zwischen sich Ringspalte definieren, wobei Schaufelplattformen der Leitschaufeln mit Kühlluftbohrungen versehen sind, die jeweils einen die Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Kühlluft versorgenden Kühlluftzuführkanal mit einem der Ringspalte fluidtechnisch verbinden und in den entsprechenden Ringspalt münden, dabei sind in radiale Richtung weisende Oberflächen der Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe mit Filmkühlungslöchern versehen, die im eingebauten Zustand der Leitschaufeln fluidtechnisch mit einem der Kühlluftzuführkanäle verbunden sind.

Bevorzugt münden in Bereiche eines Ringspaltes, die radial einwärts der Anströmkanten der Leitschaufeln angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen als in andere Bereiche des Ringspaltes.

Vorteilhaft definieren die in den Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe ausgebildete Kühlluftbohrungen umfänglich voneinander im Abstand angeordnete Kühlluftbohrungsgruppen.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kühlluftbohrungen jeder Kühlluftbohrungsgruppe identisch positioniert.

An den Schaufelplattformen der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelstufe sind vorteilhaft mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche angeordnet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass diese von der von einem der Kühlluftzuführkanäle kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern zu gelangen.

Jedes der Prallbleche ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen diesem und den Filmkühlungslöchern ein Zwischenraum vorhanden ist.

Vorteilhaft sind einige der Kühlluftbohrungen derart angeordnet, dass einige der Kühlluftbohrungen in den Zwischenraum münden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1

eine schematische Schnittansicht eines Teilbereiches einer Gasturbinenanlage;

Figur 2

eine Teilansicht in Richtung der Pfeile II in Figur 1;

Figur 3

eine perspektivische Ansicht einer Leitschaufel einer ersten Leitschaufelstufe der in Figur 1 gezeigten Gasturbinenanlage, bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;

Figur 4

eine perspektivische Ansicht einer neuen oder überholten Leitschaufel, bei der ein Prallblech nicht dargestellt ist;

Figur 5

eine Schnittansicht entlang der Schnittebene V in Figur 4; und

Figur 6

eine Ansicht analog zu Figur 4, die eine neue oder überholte Leitschaufel mit alternativen Mustern von Kühlluftbohrungen zeigt.

Die in Figur 1 gezeigte Gasturbinenanlage 1 umfasst eine mit Hitzeschildelementen 2 ausgekleidete Brennkammer 3 und eine stromabwärts der Brennkammer 3 angeordnete, Leitschaufeln 4 und Laufschaufeln 5 umfassende Gasturbine 6. Diejenigen Hitzeschildelemente 2, die in Stromabwärtsrichtung unmittelbar vor der Gasturbine 6 an der Außenseite einer ortsfesten Tragstruktur 7, 8 gehalten sind, und an der ortsfesten Tragstruktur 7 einerseits und an einer weiteren ortsfesten Tragstruktur 10 andererseits gehaltene Schaufelplattformen 11 der Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe definieren zwischen sich Ringspalte 12. In die Ringspalte 12 münden zum einen stirnseitig an den Hitzeschildelementen 2 ausgebildete, sich im Wesentlichen in axialer Richtung A erstreckende, gleichmäßig über den Umfang der Ringspalte 12 in Umfangsrichtung U verteilte Kühlluftöffnungen 13, die Kühlluft über Kühlluftzuführkanäle 14, 15 beziehen. Über diese Kühlluftöffnungen 13 wird der Ringspalt 12 während des Betriebs der Gasturbinenanlage 1 mit Kühlluft gekühlt, die zuvor zur Kühlung der Hitzeschildelemente 2 verwendet wurde. Zum anderen münden in Bereiche der Ringspalte 12, die bezogen auf Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 radial (Richtung R) angeordnet sind, sich ausgehend von dem entsprechenden Kühlluftzuführkanal 14, 15 durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckende Kühlluftkanäle 17. Diese Kühlluftkanäle 17 dienen dazu, den Eintritt von Heißgas in die Ringspalte 12 aufgrund einer inhomogenen Druckverteilung im Bereich des Ringspalts 12 zu verhindern. Diese inhomogene Druckverteilung wird dadurch verursacht, dass sich das Heißgas beim Eintritt in die Gasturbine 6 an den Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe staut, wodurch Druckmaxima im Bereich der Anströmkanten 16 erzeugt werden, aufgrund derer das Heißgas in die Ringspalte 12 gedrückt wird. Die Kühlluftströme, die durch die Kühlluftkanäle 17 in die Ringspalte 12 an Positionen eingeleitet werden, die radial zu den jeweiligen Anströmkanten 16 positioniert sind, wirken diesen Druckmaxima effektiv entgegen. Die vorliegend im Querschnitt U-förmig ausgebildeten, das Schaufelblatt 18 zwischen sich aufnehmenden Schaufelplattformen 11 der in Figur 3 dargestellten Leitschaufel 4, bei der es sich um eine von mehreren identisch ausgebildeten Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe handelt, sind an den in radiale Richtung R weisenden Flächen mit einer Vielzahl von Filmkühlungslöchern 19 versehen. An den radial auswärts weisenden Flächen der Schaufelplattformen 11 sind in Figur 3 nicht dargestellte, mit Durchgangslöchern versehene Prallbleche 20 befestigt, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie von der von den Kühlluftzuführkanälen 14, 15 kommenden Kühlluft passiert werden müssen, um zu den Filmkühlungslöchern 19 zu gelangen, wobei zwischen einem Prallblech 20 und den Filmkühlungslöchern 19 einer Schaufelplattform 11 jeweils ein Zwischenraum 21 vorhanden ist.

Soll im Rahmen eines erfindungsgemäßen Modernisierungsverfahrens beispielsweise die Anzahl der Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe reduziert werden, so müssen die Leitschaufeln 4 ausgetauscht werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt sämtliche Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe ausgebaut. In einem weiteren Schritt werden die ausgebauten Leitschaufeln 4 der ersten Leitschaufelstufe durch neue Leitschaufeln 4 ersetzt. Ein Problem, das damit einhergeht, dass weniger neue Leitschaufeln 4 eingebaut werden als zuvor montiert waren, besteht nun darin, dass sich die Positionen der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 und damit die Positionen der Druckmaxima der inhomogenen Druckverteilung verändern. Somit münden die sich durch die Tragstrukturen 7, 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 ebenfalls nicht mehr an den richtigen Positionen, um einem Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 effektiv entgegenwirken zu können. Zur Lösung dieses Problems sind die Schaufelplattformen 11 der neuen Leitschaufeln 4, von denen eine in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, mit Kühlluftbohrungen 22 versehen, welche die Kühlluftzuführkanal 14, 15 mit den Ringspalten 12 fluidtechnisch verbinden und in die Ringspalte 12 münden. Diese Kühlluftbohrungen 22 sind derart angeordnet, dass in Bereiche der Ringspalte 12, die radial in Bezug auf die Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 angeordnet sind, mehr Kühlluftbohrungen 22 münden als in andere Bereiche der Ringspalte 12. Somit übernehmen diese Kühlluftbohrungen 22 die Funktion der Kühlluftkanäle 17. Im vorliegenden Fall sind an jeder Schaufelplattform 11 sechs Kühlluftbohrungen 22 vorgesehen. Drei der Kühlluftbohrungen 22, die mit der axialen Richtung A vorliegend einen Winkel α zwischen 5°-10° einschließen, mündet in den Zwischenraum 21, der zwischen der Schaufelplattform 11 und dem Prallblech 20 vorhanden ist, also in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Prallblech 20. Die anderen drei Kühlluftbohrungen 22 schließen mit der axialen Richtung vorliegend einen Winkel β im Bereich zwischen 15°-28° ein und münden in Strömungsrichtung der Kühlluft vor dem Prallblech 20. Grundsätzlich können die die Winkel α und β abhängig von der Konstruktion der Leitschaufel Werte im Bereich zwischen 0° und 30° aufweisen. Ferner sind die neuen Leitschaufeln 4 mit Filmkühlungslöchern 19 versehen, wobei jedoch deren Anzahl geringer als die Anzahl der Filmkühllöcher 19 der ausgebauten Leitschaufeln 4 ist. Vorliegend weisen die neuen Leitschaufein 4 weniger Filmkühlungslöcher 19 als die alten Leitschaufeln 4 auf, wie es aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 hervorgeht. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der zuvor für die Filmkühlung verwendeten Kühlluft nunmehr für die Kühlung der Ringspalte 12 zur Verfügung steht, so dass der Gesamtkühlluftstrom aufgrund der zusätzlichen Kühlluftbohrungen 22 nicht beeinträchtigt wird. Die sich durch die Tragstrukturen 7 und 8 erstreckenden Kühlluftkanäle 17 können belassen werden. Alternativ können sie aber vor der Montage der neuen Leitschaufeln 4 auch verschlossen werden.

Ein wesentlicher Vorteil, der mit dem Design der neuen Leitschaufeln 4 einhergeht, besteht darin, dass keine neuen Kühlluftkanäle 17 in die Tragstrukturen 7, 8 eingebracht werden müssen, um die Kühlluftzufuhr in die Ringspalte 12 an die sich verändernden Positionen der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 und damit der Druckmaxima anzupassen. Entsprechend müssen keine spanenden Bearbeitungen in situ oder an schwer zu demontierenden Komponenten der Gasturbinenanlage 1 durchgeführt werden. Vielmehr können die Kühlluftbohrungen 22 direkt bei der Herstellung der neuen Leitschaufeln 4 gefertigt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich das zuvor beschriebene Verfahren auch bei solchen Gasturbinenanlagen 1 durchführen lässt, die keine Kühlluftkanäle 17 aufweisen, die einem Eindringen von Heißgas in die Ringspalte 12 im Bereich der Anströmkanten 16 der Leitschaufeln 4 entgegenwirken. Entsprechend wird durch den Einbau der neuen Leitschaufeln 4 erstmalig eine entsprechende Gegenmaßnahme gegen eindringende Heißluft aufgrund inhomogener Druckverteilung bereitgestellt, und zwar unabhängig davon, ob die Anzahl neuer oder überholter Leitschaufeln 4 kleiner als, gleich der oder größer als die Anzahl der vorhandenen Leitschaufeln 4 der zu modernisierenden Gasturbinenanlage 1 ist. Ferner sollte klar sein, dass die Positionen, die Ausrichtungen und die Anzahl der Kühlluftbohrungen 22 der neuen Leitschaufeln 4 variieren kann. So zeigt Figur 6 beispielhaft ein alternatives Muster von in einen Ringspalt 12 radial einer Anströmkante 13 mündenden Kühlluftbohrungen 22. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die neuen oder überholten Leitschaufeln 4 auch nur an einer ihrer Schaufelplattformen 11 mit Kühlluftbohrungen 21 versehen seien können, so dass durch die Leitschaufeln 4 nur Kühlluft in einen der beiden Ringspalte 12 geleitet wird.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt sondern allein durch die Ansprüche, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.