CH272066A - Gasturbinenanlage. - Google Patents

Description

      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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Gasturbinenanlage mit einem Verdich ter, der Betriebsfluidum aufeinanderfolgend durch einen den statischen Druck erhöhen den Diffusor des Verdichters, eine Heizvor- richtung und eine Turbine fördert, und einer Kühleinrichtluig zum Kühlen der Turbine, in welcher Einrichtung Fluidum unter Druck vom Verdichter abgezapft, durch die Turbine zwecks Kühlens derselben geleitet und in den Verdichter zurückgeführt wird, dadurch ge kennzeichnet,

   dass das Kühlfluidum aus einer 13ochdruckzone des Diffusors abgezapft und in eine stromaufwärts von der Heizvorrich- tung, aber stromabwärts der Verdichterschau- felung liegende Diffusorzone niedrigeren Druckes zurückgeleitet-wird. UNTERANSPRUCH:

   Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, bei der ein Kühlmittelkanal ein zwischen dem Umfang der Schaufelträger eines Axial turbinenrotors und dessen Betriebsfluidum kanal gebildeter .Ringkanal ist und bei der der Rotor an seinen Stirnenden je mit einer Radialschaufelüng versehen ist, zwecks Bil- dens eines Zentrifugalgebläses am einen und einer Zentripetalturbine am andern Rotor stirnende, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Radialschaufelungen in bezug aufein ander so konstruiert sind,

   dass der in der Kühleinrichtung entstehende Druckverlust kompensiert wird.