Gasturbinenanlage. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen- anlage, bei welcher ein gasförmiges, verdich tetes Treibmittel erhitzt wird und in einer Turbine expandiert, und sie befasst sich mit einer Einrichtung zum Kühlen von Arbeits teilen der Turbine und insbesondere deren Schaufeln, welche dem Strom eines Treib- fluidums von hoher Temperatur ausgesetzt sind.
Bei diesen Turbinen ist es vorteilhaft, sehr hohe maximale Temperaturen im Ar beitsprozess zu verwenden; aber zur Zeit ist die zulässige Temperatur durch die Warm festigkeit der verwendbaren Materialien be schränkt. Um höhere Arbeitstemperaturen als normalerweise zulässig zu gestatten, sind verschiedene Vorschläge zum Kühlen derjeni gen Teile der Turbine, insbesondere der Schaufeln, welche dem hocherhitzten Treib- fluidum ausgesetzt sind, gemacht worden;
so wurde vorgescblanen, Kühlluft durch Kanäle in den zu kühlenden Teilen zii leiten und sie direkt in den Treibgasstrom austreten zu lassen. Vorliegende Erfindung befasst sieh mit derjenigen Art der Kühlung, bei welcher auf die Wärmeabgabe des zu kühlenden Teils abgestellt, wird, um die Wärme von diesem Teil an einen Kühlmittelstrom abzugeben, welcher einen Teil der Maschine, der dem Treibfluidum nicht ausgesetzt, ist, bespült; es ist Zweck der Erfindung, die dieser Kühl art innewohnende Herabsetzung des Prozess- wirkungsgrades zu verringern.
LTemäss der Erfindung wird bei einer Gas turbinenanlage mit einem Verdichter, der Betriebsfluidum aufeinanderfolgend durch einen den statischen Druck erhöhenden Dif- fusor des Verdichters, eine Heizvorrichtung und eine Turbine fördert, und einer Kühl einrichtung zum Kühlen der Turbine, in wel- eher Einrichtung Fluidum unter Druck vom Verdichter abgezapft, durch die Turbine zwecks Kühlens derselben und zurück in den Verdichter geleitet wird, das Kühlfluidum aus einer Hochdruckzone des Diffusors abge zapft und in eine stromaufwärts von der Heizvorrichtung,
aber stromabwärts der Ver- dichterschaufelung liegende Diffusorzone niedrigeren Druckes zurückgeleitet.
Der Kühlfluidumkanal kann ein zwischen dem Umfang der Schaufelträger eines Axial turbinenrotors und dessen. Betriebsfluidum kanal gebildeter Ringkanal sein, und der Rotor kann an seinen beiden Stirnenden je eine R.adialschaufelung aufweisen, zwecks Bildens eines Zentrifugalgebläses am einen und einer Zentripetalturbine am andern Stirnende. In diesem Fall können die beiden Radialschaufelungen in bezug aufeinander so konstruiert sein, da.ss der in der Kühlein-,
riehtung entstehende Drtiekverlust kompen siert wird.
Mit grösstem Vorteil wird die Erfindung angewendet, wenn Massnahmen getroffen werden, um die Wärmeabfuhr von den zu kühlenden Teilen zu erhöhen, z. B. bei Tur- binenschaufeln durch Vorsehen von ein Kühl meditim enthaltenden Hohlräumen innerhalb der Schaufeln, welches Kühlmedium im Be trieb zirkuliert, wobei sich die Hohlräume bis in den vom Kühlmittelstrom bespülten Teil der Schaufel erstrecken, welcher Teil dann die Kühlzone für das in der Schaufel zir kulierende Kühlmedium bildet.
Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes sind auf beiliegender Zeichnung dargestellt, in welcher: Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Gasturbinenanlage zeigt, deren Turbine Kühlkanäle in den Schaufelfüssen aufweist.
Fig. 2 ist eine Endansicht in grösserem Massstab einer Gruppe von drei benachbarten Schaufeln, welche die Schaufelkühlung nach Fig. 1 zeigt.
Fig. 3 ist ein axialer Teilschnitt einer im Rotor eingesetzten Schaufel nach Fig. 2. Fig. 4 ist ein schematischer Axialschnitt durch eine Turbine, welche eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Kühlung aufweist.
Fig. 5 ist ein Schnitt nach Linie V -V in Fig. 4 bzw. eine Stirnansicht des Lauf rades.
Fig. 6 ist ein Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 4.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Axialkompressor 1 direkt durch eine mehrstufige Axialturbine 2 angetrieben, wobei beide Teile hintereinander auf einer in Lagern 4 gelagerten Hohlwelle 3 angeordnet sind. Luft wird durch den Einlass 5 vom Kompressor angesaugt, und nach ihrem Durchgang durch den Kompressor 1 gelangt sie über den sich erweiternden Ringkanal 6 zu einer Verbrennungskammer 7. Brennstoff zum Verbrennen in der Luft wird durch 9 Brenner 8 zugeführt. Die heissen Gase strö men dann durch die Turbine 2 in die Abgas leitung 9.
Der Rotor 10 der Turbine 2 ist aus einer Anzahl von scheibenförmigen Schaufelträgern 5 11 zusammengesetzt, welche durch ein Glied 12 zusammengehalten werden und zwischen sich Schaufeln 14 (siehe auch Fig. 2 und 3) abstützen. Ein ringförmiger Kühlkanal 13 umgibt die Schaufelträger 11 und ist durch zwischen den Schaufeln 14 angeordnete Ringe 1.5 aussen begrenzt; die innen liegenden Teile 16 der Schaufeln gehen quer durch den Kanal 13 hindurch und sind, wie mit Bezug auf Fig, 2 und 3 noch näher beschrieben wird, so konstruiert, dass sie Kanäle für die Strömung der Kühlluft enthalten und dass sie die Fläche vergrössern, welche das Ab leiten der Wärme von den Schaufelblättern der Schaufeln 14 unterstützt.
Druckluft für die Strömung durch den Kanal 13 wird dem Ringkanal 6 über eine Leitung 18 entnommen und der Hohlwelle .\) über eine Dichtung 20 zugeführt. Von der Hohlwelle 3 strömt die Luft nach dem Kühl kanal 13 innerhalb einer Scheibe 21, welche mit der Endscheibe 11 des Rotors 10 verbun den ist. Gebläseschaufeln 22 sind innerhalb der Scheibe 21 vorgesehen, uni der Luft eine rotierende Bewegung zn erteilen, welche von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 10 ab hängt, und um den Druck der Luft zu er höhen.
Die aus dem Kanal 13 kommende Luft strömt zwischen einer Scheibe 23 und der andern Endscheibe 11 des Rotors 10, und es sind Turbinenschaufeln 24 vorgesehen, um die Rotationsgeschwindigkeit der Luft. aufzu heben, bevor sie den Rotor 11 verlässt.
Die vom Rotor 1.0 abströmende Luft. strömt durch die Hohlwelle<B>3,1,</B> welche mit einer Dichtung 26 versehen ist, zu einer Lei tung 27, welche die Luft in das Arbeitsflui dum zurückleitet.
Die Luft wird, wie gezeigt, stromaufwärts von der Verbrennungskammer, aber strom abwärts von der Kompressorschaufelung zu rückgeleitet. Dies bedingt, dass der Luftdruck genügend hoch ist, um der Luft den Eintritt in den Arbeitsmittelstrom zu ermöglichen; die' Kühleinrichtung muss daher sorgfältig konstruiert sein, um Druckverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Durch zweckmässige ;Ausbildung der Gebläse- und Turbinenschau feln 22 bzw. 24 können Druckverluste ausge glichen werden. Die Luft wird, wie gezeigt, an einer Stelle von niedrigerem Druck als an der Entnahmestelle zurückgeleitet.
Wenn, wie dargestellt, das Gasturbinen- aggregat mit einer ringförmigen Kammer zwischen Kompressor und Turbine versehen ist, so kann diese Kammer vom Kompressor mit. Druckluft beschickt und benützt werden, um Druckluft an den Rotor 10 abzugeben. Bei einer solchen Konstruktion braucht die Welle 3 nielit hohl zu sein und die Dichtung 20 ist nicht erforderlich, während die Platte: 21 mit einer Öffnung versehen wird, welche mit der ringförmigen Kammer in Verbindung ist.
In ähnlicher Weise kann eine ringförmige Kammer am Austrittsende des Rotors 10 vor gesehen und die Platte 23 mit einer mit ihr in Verbindung stehenden Öffnung versehen sein, wobei die vom Rotor 10 abströmende Luft von dieser ringförmigen Kammer wie vorgeschrieben dem Arbeitsmittelstrom wie der zugeführt wird.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Kon struktion der Schaufel 14 dient zur Erzie lung eines minimalen Druckverlustes in der Strörniinb der Kühlluft. Jede Schaufel 14 weist ausser ihrem Befestigungsfuss ein Schaufelblatt auf, welches in einem ringför- niigen Kanal für das Arbeitsfluidum liegt, der durch die Wandungen 15 und 29 und einen Zwischenteil 1.6 der Schaufel begrenzt ist.
Die Zwischenteile 16 aller Schaufeln 1.4 eines Kranzes bilden zusammen eine ringför inige Wand, welche den Schaufelträger um gibt und stromauf- und -abwärts an den ring- förinigen Kühlkanal 1.3 angrenzt, der durch die innere Wand 15 des Treibfluidunlkanals nach aussen begrenzt ist.
Die Zwischenteile 16 der Schaufeln 1-1 sind mit radialen Schlitzen 30 versehen, wel che in zur Rotationsachse geneigten Ebenen verlaufen, um eine Strömung durch die Zwi schenteile 16 von einem Teil des Kanals 13 nach dein andern zu gestatten, wobei die Schlitze 30 zweier benachbarter Zwischen teile 16, die in aneinanderstossenden Seiten wänden münden, in einer Flucht liegen.
Es ist ersichtlich, dass durch die beschrie bene Ausführung eine wirksam gekühlte Zone in den Zwischenteilen 16 der Schaufeln erzeubd wird, so dass eine Wärmeströmung in jener Richtung erfolgt, und dass auch die Schaufelträger 11 gegen die Wärmewirkung des Arbeitsfluidums geschützt sind. Um je doch die Kühlung der Schaufeln 14 bei hohen Temperaturen noch zu verbessern, können die Zwischenteile 16 als Kühlzone für eine in Hohlräumen der Schaufeln erfolgende Kühlmittel-Zirkulationsströmung verwendet werden.
Zu diesem Zweck kann jede Schaufel einen oder mehrere geschlos sene Hohlräume 31 (es sind drei gezeichnet) aufweisen, welche sich von den Zwischen teilen 16 in die Schaufelblätter der Schaufeln 1.4 erstrecken und zwischen den Schlitzen 30 verlaufen. Jeder Hohlraum enthält ein Kühl mittel, wie z. B. Natrium, Caesium, Ahimi- niumchlorid oder -bromid, welches Kühlmittel beim Betrieb der Maschine unter Austausch von Wärme zirkulieren kann, und zwar unter Wechsel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und umgekehrt.
Bei einer derartigen Anordnung bildet der intensiv gekühlte Zwi schenteil 16 der Schaufel die für den Kon- vektionskreislauf erforderliche gekühlte Zone, wobei beachtet werden muss, dass im Betrieb die Zentrifugalkraftwirkung die Zirkulation. aufrechterhält.
Bei der abgeänderten Ausführungsform nach den Fig. 4, 5 und 6, in welcher für --leiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 3 verwendet sind, Wirkt die Kühlmittelströmung in der Nabe des Rotors auf dort vorgesehene Kühlfortsätze, wobei letztere wieder die Kühlzonen für Kühl mittel-Zirkulationsströmung bilden.
So besitzt jedes Rotorelement 11 eine zentrale Bohrung, in welcher eine ringförmige Kammer 32 an gebracht ist, welche radial nach einwärts sich erstreckende, hohle Fortsätze 33 besitzt, wobei die Kammer 32 durch radiale Röhren 34 mit Kanälen 35 in den Schaufeln 34 ver bunden ist, um ein Kreislaufsystem zu bilden, das teilweise mit einem Kühlmedium, z. B. mit einem der vorgenannten Metalle oder Salze, gefüllt ist.
In diesem Falle erfolgen die Verbindungen 18, 27 für den Kühlhift- Strom zu und von der Rotornabe durch ring förmige Öffnungen 36, 37, die mit Axial gebläse- bzw. Turbinenschaufelung ähnlich den Schaufeln 22, 24 von Fig. 1 versehen sind, wie in Fig. 6 bei 38 angedeutet.
Durch die Erfindung lässt sich eine wesentliche Reduktion der Verluste an An- lagewirkiuzgsgrad erreichen, welche sonst mit Schaufelkühlung verbunden sind, da die -\#,Tärme, welche den Turbinenschaufeln ent zogen wird, verwendet wird, um die Wärme menge zu reduzieren, welche dem Arbeits fluidum in der Verbrennungseinrichtung zu geführt werden muss.
Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn das Treibfluidiun indirekt durch Wärmeaus tausch erhitzt wird.