Brennkammer mit integrierten Leitschaufeln

Abstract

 Es wird eine Gasturbine mit zwischen Brennraum und Turbinenlaufrad angeordneten Leitschaufeln dadurch verbessert, dass die Leitschaufeln 1.1 in die je zugehörige Brennkammer 1.2 integriert sind. D.h., dass die Leitschaufeln 1.1 und die zugehörige Brennkammerwand 1.2.1 im wesentlichen einstückig ausgebildet und als eine Brennkammer-Leitschaufeleinheit 1 aufgebaut sind. Diese sitzt in kalten Tragstrukturen 3.1 der Gasturbinenanlage 3 und beide bilden zusammen Kühlluftkanäle, welche die Brennkammer im Gegenstrom zu kühlen ermöglichen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit zwischen Brennraum und Turbinenlaufrad angeordneten Leitschaufeln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Eine Gasturbine weist zwischen Brennraum und Turbinenlaufrad eine eigenständige Einheit bildende Leitschaufelgruppe auf, welche im wesentlichen funktionell und konstruktiv von den benachbarten Baugruppen, wie Brennkammer und Turbinenlaufrad, separiert ist und auch separate Verankerungen im Turbinengehäuse aufweist. Dies hat den Nachteil, dass jede dieser Baugruppen separat hergestellt und separat montiert und vor allem auch zueinander justiert werden muss, was sehr hohe Kosten verursacht. Insbesondere erfordert eine solche Bauweise eine sehr grosse Anzahl der Bauteile mit all den komplexen Nachteilen, von den Fertigungs- und Montagevorgängen, dem Transportgewicht bis zum insbesondere thermischen Betriebsverhalten.

Darstellung der Erfindung

[0003] Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit zwischen Brennraum und Turbinenlaufrad angeordneten Leitschaufeln anzugeben, welche die aufwendige separate Fertigung und Montage zusätzlich zu den Baugruppen jeder Brennkammer vermeiden.

[0004] Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1 umschrieben. Details der Ausführungsformen einer solchen Gasturbine sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0005] Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von beispielsweisen Ausführungsformen anhand der Zeichnung.In dieser zeigt

Fig. 1

schematisch eine Leitschaufelanordnung nach dem Stand der Technik

Fig. 2

einen im wesentlichen Radialschnitt durch eine erfindungsgemässe Leitschufelanordnung [Schnitt AA],

Fig. 3

den Schnitt BB durch zwei benachbarte Leitschaufeln einer Leitschaufelgruppe.

[0006] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt; insbesondere ist nicht der an sich bekannte und unveränderte Teil der Gasturbine dargestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0007] Bei einer Gasturbine mit zwischen jeder Brennkammer 1.2 und dem Turbinenlaufrad 2 angeordneten Leitschaufeln 1.1 sind diese erfindugsgemäss in die Brennkammerwand 1.2.1 integriert und als Teile derselben ausgebildet. Sie stellen eine im wesentlichen monolithische Brennkammer-Leitschaufeleinheit 1 dar. Die Brennkammerwand 1.2.1 geht in die Wand jeder zugehörigen Leitschaufel 1.1 über, ohne von ihr getrennt zu sein. Diese Brennkammer-Leitschaufeleinheit 1 ist in eine sogenannte kalte Tragstruktur 3.1 der Gasturbinenanlage eingesetzt und wird von dieser getragen. Aus Gründen der Montage der ganzen Gasturbinenanlage ist diese Brennkammer-Leitschaufeleinheit 1 geteilt ausgebildet, wodurch ein radial äusseres und ein radial inneres Segment 1.B bzw. 1.A entsteht, wobei in jedem Segment die Leitschaufelhälften durch korrespondierende Begren-ungswände 1.1.i voneinander getrennt sind, also jede Leitschaufel 1.1 einen nach aussen abgeschlossenen radial inneren und radial äusseren Teil, je in einem entsprechenden Segment 1.A bzw. 1.B, aufweist. Jedes dieser Segmente sitzt in einer zugeordneten kalten Tragstruktur 3.1 der Gasturbinenanlage. Zwischen jeder dieser kalten Tragstrukturen 3.1 und dem ihr zugeordneten Segment 1.A bzw. 1.B sind Kühlluftkanäle 4 vorgesehen, welche teilweise im Innern der Leitschaufeln 1.1 verlaufen. Dabei sind die Einströmöffnungen 4.1 der Kuehlluftkanäle 4 in der kalten Tragstruktur 3.1 im Bereich der Leitschaufeln 1.1 angeordnet, wodurch eine Gegenstromkühlung der Brennkammerwand 1.2.1 verwirklicht wird. Um den thermischen Gegebenheiten gerecht zu werden sind in den Kühlluftkanälen 4 der Leitschaufeln 1.1 Leiteinrichtungen 4.2, z.B. Prallbleche oder Leitbleche, für die Kühlluft vorgesehen. Die die Leitschaufel 1.1 in radialer Richtung teilenden und einander benachbarten Begrenzungswände 1.1.i einer jeden so gebildeten Leitschaufelhälfte ensprechender Segmente kann wenigstens einen mit der benachbarten Begrenzungswand 1,1.i korrespondierenden Absatz 1,1.k als Dichtelement zur Verringerung von Leckageverlusten aufweisen. Ausserdem weist jede der Leitschaufeln 1.1 an ihren Mantelseiten Kühlluftöffnungen 1.1.m auf, wobei diese vorzugsweise und je nach den thermischen Gegebenheiten, laufradseitig [Hinterkante] oder im Bereich der die Leitschaufel 1.1 in zwei radiale Segmente teilenden Begrenzungswände 1.1.i angeordnet sind. Dabei sind diese Kühlluftöffnungen 1.1.m in den Begrenzungswänden 1,1.i von innerem Segment 1.A zu äusserem Segment 1.B zueinander versetzt angeordnet.

[0008] Die Höhe der Teilung in das radial innere und das radial äussere Segment 1.A bzw. 1.B kann je nach speziellen Anlagegegebenheiten, d.h. bei optimaler Fertigung [Giesstechnik] und den Kühlverhältnissen zwischen radial ganz innen oder radial ganz aussen (0% und 100% der Kanalhöhe) liegen.

[0009] Die die Leitschaufeln 1.1 teilenden und einander benachbarten Begrenzungswände 1.1.i jeder Leitschaufelhälfte entsprechender Segmente kann zur Rotorachse beliebig geneigt angeordnet sein.

[0010] Mit dieser integrierten Ausbildung der Leitschaufeln stellen sie eine Fortsetzung der Brennkammer dar mit der zusätzlichen Aufgabe, die Gasströmung zu den Laufschaufeln des Turbinenrades umzulenken. Damit kann die im allgemeinen sehr komplex strukturierte, separat aufgebaute und separat zu montierende Leitschaufelreihe entfallen. Dies bewirkt auch, dass Kühlluftverluste [Leckage] durch die montagebedingten Spalte reduziert bzw. eliminiert werden.

[0011] Ausserdem wird die Kühlluft wieder fast vollständig dem Verbrennungskreislauf zugeführt, wobei sie durch die Gegenstromführung schon sehr gut vorgewärmt ist. Durch die integrierte Bauweise können die Kühlluftverluste sehr stark reduziert werden. Ausserdem wird durch die Gegenstromführung der Külluft sichergestellt, dass die thermisch sehr hoch belasteten Leitschaufeln die frische und damit kältere Kühlluft erhalten, somit besser gekühlt werden. Ausserdem kann die Länge der Brennkammer mit integrierter Leitschaufel um etwa die axiale Erstreckung der ersten Leitschaufelreihe gekürzt werden. Ausserdem ergibt sich dadurch der Vorteil, dass die Külluft für die erste Laufschaufelreihe der ersten Turbine nicht mehr durch die Leitschaufelreihe, sondern direkt vom Verdichter kommend der Laufschaufelreihe zugeführt werden kann. Dies ergibt somit eine deutliche Verkürzung des Kühlluftweges und somit eine Verringerung der Strömungsverluste und der zu kühlenden Oberfläche; auch eine einfachere konstruktive Ausbildung der entsprechenden Anlageteile. Durch die Teilung in die beiden Segmente der Brennkammer-Leitschaufeleinheit 1 lässt sich zudem der Vorteil verwirklichen, dass die Kühllufterwärmung zwischen den radial äusseren und den radial inneren Segmenten etwa gleichmässig verteilt wird.

[0012] Da die Kühlluftströme erfindungsgemäss im wesentlichen in Serie geschaltet sind, ergeben sich gegenüber der Parallelschaltung der Kühlluftströme nach dem Stand der Technik auch wesentliche Vorteile betreffend dem Wirkungsgrad der Kühlung. Ausserdem entfallen bei der integrierten Leitschaufelausbildung die Leckageverluste an Kühlluft durch die Spalten in der Umgebung der separat gefertigten und eingesetzten Leitschaufeln.

Bezugszeichen

[0013] 

Brennkammer-Leitschaufeleinheit	1
inneres Segment	1.A
der Brennkammer-Leitschaufeleinheit äusseres Segment	1.B
der Brennkammer-Leitschaufeleinheit Leitschaufeln	1.1
Begrenzungswände	1.1.i
korrespondierender Segmente der Leitschaufeln Absatz	1.1.k
korrespondierender Segmente der Leitschaufeln Kühlluftöffnungen	1.1.m
Brennkammer	1.2
Brennkammerwand	1.2.1
Turbinenlaufrad	2
Gasturbinenanlage	3
kalte Tragstrukturen	3.1
Kühlluftkanäle	4
Einströmöffnung	[4.1
Leiteinrichtungen	4.2

Ansprüche

1. Gasturbine mit zwischen Brennraum und Turbinenlaufrad angeordneten Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln [1.1] in die je zugehörige Brennkammer [1.2] integriert sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln [1.1] und die zugehörige Brennkammerwand [1.2.1] im wesentlichen einstückig ausgebildet und als eine Brennkammer-Leitschaufeleinheit [1] aufgebaut sind.

3. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand [1.2.1] und die mit ihr im wesentlichen einstückig ausgebildeten Leitschaufeln [1.1] in zugehörigen Bereichen in kalten Tragstrukturen [3.1] der Gasturbinenanlage [3] sitzen.

4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitschaufel [1.1] und jede zugehörige Brennkammerwand [1.2.1] im Zusammenwirken mit der zugehörigen kalten Tragstruktur [3.1] Kühlluftkanäle [4] bildet, welche teilweise im Innern der Leitschaufeln [1.1] verlaufen.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstroemöffnung [4.1] der Kühlluftkanäle [4] im Bereich der Leitschaufeln [1.1] angeordnet ist und so die Brennkammerwand [1.2.1] für eine Gegenstromkühlung der Brennkammer [1.2] ausgebildet ist.

6. Gasturbine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln [1.1] Leiteinrichtungen [4.2] für die Kühlluft in den Kühlluftkanälen [4] aufweisen.

7. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Brennkammer-Leitschaufeleinheit [1] einen radial äusseren und einen radial inneren Bereich aufweist, dass die Brennkammer-Leitschaufeleinheit [1] entsprechend diesen Bereichen in ein inneres bzw. äusseres Segment [1.A bzw. 1.B] geteilt ist, wobei pro Leitschaufel [1.1] diese Segmente durch korrespondierende Begrenzungswände [1.1.i] voneinander getrennt sind, also jede Leitschaufel [1.1] einen radial inneren und einen radial äesseren Teil, je in einem entsprechenden Segment [1.A bzw. 1.B], aufweist.

8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leitschaufel [1.1] teilenden und einander benachbarten Begrenzungswände [1.1.i] jeder Leitschaufelhälfte entsprechender Segmente zur Rotorachse geneigt angeordnet sind.

9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Leitschaufel [1.1] teilenden und einander benachbarten Begrenzungswände [1.1.i] jeder Leitschaufelhälfte entsprechender Segmente wenigstens einen korrespondierenden Absatz [1.1.k] zur Verringerung von Leckageverlusten aufweisen.

10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Leitschaufeln [1.1] an ihren Mantelseiten Kühlluftöffnungen [1.1.m] aufweist.

11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftäffnungen [1.1.m] laufradseitig oder im Bereich der die Leitschaufel [1.1] teilenden Begrenzungswände [1.1.i] angeordnet sind.

Zeichnung