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Die Erfindung betrifft eine Kühlung von Leitschaufeln einer Gasturbine, insbesondere einer die Abgase chemischer oder petrochemische Prozesse verwertenden Industrie-Abgasturbine, bei der die Leitschaufeln in einem Leitschaufelträger angeordnet sind, der an den den Laufschaufeln zugewandten Stellen mit Deckplatten versehen ist, bei der sowohl die Leitschaufeln als auch die Deckplatten mittels verzahnter Füsse in profilierten Umfangsnuten des Leitschaufelträgers befestigt sind, zwischen Leitschaufelträger und benachbarten Deckplatten entstehende Hohlräume mit thermisch isolierendem Material gefüllt sind und eine Zuführung von Druckluft über mindestens eine Bohrung im Leitschaufelträger vorgesehen ist, wobei die Druckluft in den Abgasstrom eingeleitet wird und von der Druckluft durchströmte, in Umfangsrichtung verlaufende Kühlkanäle vorgesehen sind.
Gemäss der AT-PS Nr. 290927 ist bekannt, bei Abgasturbinen einen gekühlten Trommelrotor zu verwenden. Wie Untersuchungen ergeben haben, kann in einem solchen Fall die Rotortemperatur in einer beschaufelten Zone nahezu konstant gehalten werden.
Ferner ist es auch aus der AT-PS Nr. 300470 bekannt, bei Abgasturbinen, vorzugsweise bei FCC-Gasturbinen, einen aussen gekühlten Leitschaufelträger anzuordnen. Dabei wird der Schaufelkanal im Leitschaufelträger mit Zwischenringen ausgekleidet, sowie werden auch verlängerte Füsse der Leitschaufeln angeordnet, um den Wärmefluss vom Gas in den Leitschaufelträger durch Verlängerung des Leitweges und Verringerung des Leitungsquerschnittes unter Zwischenschaltung von Isolationsmaterial zu verringern.
Aus der CH-PS Nr. 572577 ist eine Kühleinrichtung für eine Gasturbinenanlage bekannt, bei der radiale Kanäle zur Einleitung der Druckluft in den Abgasstrom in den Füssen der Leitschaufeln und ein unmittelbar über den verzahnten Füssen angeordneter, in Umfangsrichtung verlaufender Kühlkanal angeordnet ist.
Darüberhinaus ist aus der FR-PS Nr. 980. 869 bekannt, dass die einzelnen Kühlkanäle über axiale Verbindungsleitungen verbunden sind.
In letzter Zeit sind aber die Abgastemperaturen und daher die Betriebstemperaturen durch die Anwendung von neuen chemischen Verfahren stark angestiegen, so dass die oben aufgezeigten Kühlungsmethoden nicht mehr ausreichend sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlung von Leitschaufeln einer Gasturbine zu schaffen, mit der die hohen Temperaturen von über 700 C beherrscht werden können.
Gemäss der Erfindung wird eine Kühlung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in an sich bekannter Weise radiale Kanäle zur Einleitung der Druckluft in den Abgasstrom in den Füssen der Leitschaufeln vorgesehen sind, dass die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanäle unmittelbar über den verzahnten Füssen der Leitschaufeln und der Deckplatten angeordnet sind, dass die einzelnen Kühlkanäle, wie an sich bekannt, über axiale Leitungen verbunden sind und dass die Einleitung der Druckluft in den Abgasstrom vorzugsweise erst in der zweiten Leitschaufelstufe vorgesehen ist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die vom Gaskanal in den Leitschaufelträger eingedrungene Wärme direkt über den Leitschaufeln abzuführen. Die dafür notwendige Druckluft ist vorzugsweise vom Kompressor, der die Gasturbine versorgt, zu liefern. Nötigenfalls kann die Druckluft auch gemeinsam mit der Rotorkühlluft von einem eigenen Kühlluftkompressor, der auf einem Druck fördert, der etwas höher ist als der Gasdruck, geliefert werden.
Gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanäle unterteilt und erstrecken sich vorzugsweise über einen Winkel von 90 . Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein optimaler Kühlungseffekt erreicht.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die radiale Bohrung für die Zuführung der Druckluft vor der ersten Leitschaufelreihe vorgesehen. Dadurch wird zwangsläufig erreicht, dass die frische Kühlluft mit der tiefsten Temperatur den Kühlkanälen der ersten Stufe zugeleitet wird, und sodann von dieser in axialer Richtung weitergeleitet wird, so dass die Wärmeaufnahme der Kühlluft infolge ihrer ansteigenden Temperatur, gegenüber der konstanten Temperatur des Leitschaufelträgers, abnimmt und so das gewünschte Wärmeaufnahmediagramm entsteht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind mehrere Kühlkanäle unmittelbar an den Füssen der Leitschaufeln bzw. Deckplatten, vorzugsweise seitlich, vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird, ohne dass die mechanischen Gegebenheiten wesentlich gestört werden, eine Optimierung der Kühlung des Leitschaufelträgers erreicht.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Abgasturbine, Fig. 2 ein Wärmediagramm und die Fig. 3 bis 9 zeigen Details der in Fig. l dargestellten Abgasturbine, wobei Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 5 und Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 7 zeigt.
Gemäss Fig. l ist der Schaufelkanal einer Abgasturbine dargestellt, wobei auf dem Roter--1-die Laufschaufeln --2-- angeordnet sind. Dieser Rotor --1-- wird durch Druckluft, die in die Kühlkanäle --3-- eingeblassen wird, gekühlt. Um auch die ersten beiden Laufschaufelreihen kühlen zu können, sind unter den Laufschaufeln --2-- auch Kühlkanäle --4-- vorgesehen. Dadurch wird er-
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im aussengehäuse --7-- aufgehängt. In der horizontalen Teilfuge ist der Flansch --8-- mit seinen Verschraubungen angeordnet. Zusätzlich ist das Auäengehäuse --7--, wie es bei Gasturbinen üblich ist, durch innere Ioslationsschichten --9-- vor dem Zufluss der Wärme geschützt. Die Einströmung des Abgases erfolgt über ein eigenes Führungsgehäuse --10--, das zwar einerseits druckentlastet ist, anderseits sich jedoch auf voller Temperatur befindet.
Dieses Führungsgehäuse --10-- ist wärme- elastisch aufgehängt und mit dem Leitschaufelträger --5-- nur über das Aussengehäuse --7-- in Verbindung. Der Wärmefluss in dem Leitschaufelträger --5-- erfolgt daher nur über die Füsse --11der Leitschaufeln --12--. Zwischen den Füssen --11-- und den eigentlichen Leitschaufeln sind noch Schaufeldeckplatten --13--, die praktisch die äquivalente Funktion der Deckplatten --14-- haben, angeordnet. Die Deckplatten --14-- eignen sich vorzüglich zur Anbringung einer auftraggeschweissten
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--11-- der Deckplatten --14-- sindUmfangsrichtung von Druckluft durchströmt werden, vorgesehen.
Durch diese Kühlkanäle --15- werden die heissen Leitschaufeln --12-- auf der einen Seite des Kühlkanals bzw. der Leitschaufelträger - in unmittelbarer Umgebung der Befestigungsstelle der Leitschaufeln, also den Füssen --11--, direkt gekühlt. Die Einspeisung der Kühlluft erfolgt über eine radiale oder axiale Bohrung --24--.
Da der Raum zwischen dem Aussengehäuse --7-- und dem Führungsgehäuse --10- mit Druckluft aufgeladen ist, kann von dort direkt die Einspeisung in den Leitschaufelträger --5-- erfolgen.
Die Fig. 3 zeigt in vergrössertem Massstab die Anordnung des Kühlkanals --15-- im Leitschaufelträger --5-- Der Zwischenraum zwischen dem Leitschaufelträger --5-- und den Schaufeldeckplatten - bzw. den Deckplatten --14-- ist mit Isolationsmaterial --16-- ausgefüllt.
Entsprechend der Fig. 4 können die Flüsse --17-- der Leitschaufeln --12-- bzw. der Deckplatten --14-- auch derart gestaltet sein, dass praktisch drei Kühlkanäle --15, 18, 19-- entstehen.
Damit wird die Kontaktfläche zwischen den heissen Füssen --17-- und dem zu kühlenden Leitschaufelträger --5-- auf ein Minimum reduziert,
Auf Grund der Biegung durch die Gaskräfte werden für alle Stufen die Füsse --11 bzw. 17-annähernd gleich breit gefertigt und erstrecken sich auch über den vollen Umfang, wobei natürlich auch für die entsprechende Abdichtung Sorge getragen werden muss. Daraus ergibt sich aber,
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temperatur TRotor auch eingetragen.
Im Idealfall soll die Leitschaufelträgertemperatur TLST etwas höher als die Rotortemperatur T p, aber ebenfalls konstant, sein. Dieser Schluss ergibt sich aus nachstehender Überlegung : Die
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--2-- gegenübergenüber dem Rotor --1--, die ja den Kühlluftverlust im Rotor --1-- bestimmen, sollen möglichst konstant sein und zwar unabhängig von der Gastemperatur. Wie bereits erwähnt, ist der Rotor - auf konstanter Temperatur, so dass zur Radialdehnung derselben die Radialdehnung der LaufSchaufeln --2-- addiert werden muss. Die Radialdehnung der Laufschaufeln --2-- ist proportional dem Produkt von Schaufellänge und Gastemperatur, wobei aber die Gastemperatur und Schaufellänge indirekt zueinander proportional sind, so dass das Produkt näherungsweise wieder konstant ist.
Daraus ergibt sich nun, dass die Leitschaufelträgertemperatur TLST etwas höher als die Rotortemperatur T., aber ebenfalls über die beschaufelte Länge konstant sein soll.
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Die Verhältnisse einer Abgasturbine sind im Diagramm gemäss Fig. 2 dargestellt. Da der Wärmestrom in den einzelnen Stufen proportional dieser dreiecksförmigen Temperaturdifferenz ist, muss durch eine Kühlung dem Leitschaufelträger --5- nach der gleichen Kurve Wärme entzogen werden, damit die Spalte konstant bleiben. Dies wird bei der hier aufgezeigten Abgasturbine dadurch erreicht, dass die Abmessungen der Kühlkanäle verändert werden u. zw. derart, dass bei den ersten Stufen grössere Kühlkanäle vorgesehen werden, die sich dann zum Ende zu verkleinern. Ebenso erfolgt eine Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Kühlkanälen, um die optimalsten Wärmeübergangszahlen zu erhalten.
Um die Kühlluft möglichst gut auszunützen, ist eine hohe Aufwärmung derselben in Betracht zu ziehen u. zw. von etwa 150 C Eintrittstemperatur auf zirka 450 bis 600 C. Ist nun die Kühlluft voll aufgeheizt und nahe der Leitschaufelträgertemperatur TLST, so wird sie in den Gasstrom eingespeist, um ihren Energieinhalt zu nutzen.
Die Einspeisung der Kühlluft in den Gasstrom erfolgt über halbkreisförmige Einfräsungen in die Füsse-11 bzw. 17-- benachbarter Leitschaufeln --12--, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Es entsteht so ein Radialkanal --21--, der sich vom Kühlkanal --15-- in den Gasstrom erstreckt. Bei den Füssen - 11 bzw. 17-- der Deckplatten --14-- wird keine derartige Ausgestaltung vorgenommen, da die
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2-- besteht.bestimmt.
Um eine gleichmässige Verteilung in Umfangsrichtung und eine gleichmässige Temperatur zu erzielen, werden gemäss Fig. 7 und 8 konstruktive Massnahmen ergriffen.
Insbesondere ist es in den ersten Stufen nötig, die Kühlluft über die ersten drei Kanäle - in axialer Richtung von einem zum andern weiterzuführen. Dies deshalb, weil die kälteste Kühlluft in die erste Leitschaufelreihe eingespeist werden muss, die die höchste Gastemperatur und daher den höchsten Wärmeanfall aufweist. Ein Überführen der heissen Kühlluft in den Gasstrom ist aus Druckdifferenzgründen erst in der zweiten Leitschaufelreihe möglicht. Da hier die grösste Kühlluftmenge strömt, ergeben sich die grössten Abmessungen für die Kühlkanäle --15--. In den Fig. 7 und 8 ist das Schema der Rohrleitungen in axialer und radialer Richtung dargestellt, wobei ange-
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-5-- jeweils- 5-- und Aussengehäuse --7-- angeordnete Rohrleitungen --2-- erfolgt.
Die Anspeisung mit Kühlluft kann durch Radialbolzen erfolgen, aber auch durch einen eigenen Flansch im Aussengehäuse --7-- oder aber auch von der Niederdruckseite her.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kühlung von Leitschaufeln einer Gasturbine, insbesondere einer die Abgase chemischer oder petrochemische Prozesse verwertenden Industrie-Abgasturbine, bei der die Leitschaufeln in einem Leitschaufelträger angeordnet sind, der an den den Laufschaufeln zugewandten Stellen mit Deckplatten versehen ist, bei der sowohl die Leitschaufeln als auch die Deckplatten mittels verzahnter Füsse in profilierten Umfangsnuten des Leitschaufelträgers befestigt sind, zwischen Leitschaufelträger und benachbarten Deckplatten entstehende Hohlräume mit thermisch isolierendem Material gefüllt sind und eine Zuführung von Druckluft über mindestens eine Bohrung im Leitschaufelträger vorgesehen ist, wobei die Druckluft in den Abgasstrom eingeleitet wird und von der Druckluft durchströmte, in Umfangsrichtung verlaufende Kühlkanäle vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise radiale Kanäle (21) zur Einleitung der Druckluft in den Abgasstrom in den Füssen (11 ; 17) der Leitschaufeln (12) vorgesehen sind, dass die in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanäle (15) unmittelbar über den verzahnten Füssen (11 ; 17) der Leitschaufeln (12) und der Deckplatten (14) angeordnet sind, dass die einzelnen Kühlkanäle (15), wie an sich bekannt, über axiale Leitungen (22) verbunden sind und dass die Einleitung der Druckluft in den Abgasstrom vorzugsweise erst in der zweiten Leitschaufelstufe vorgesehen ist.