Verfahren zur Kühlung der Turbinenschaufelung einer Gasturbinenanlage Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung der Turbinenschaufelung einer Gas turbinenanlage.
Es ist bekannt, die Laufschaufelung der Turbine einer Gasturbinenanlage zu kühlen. In der Regel wird Luft aus dem Verdichter der Anlage als Kühlmittel verwendet. Diese Kühlluft wird durch Bohrungen und Spalte der Schaufelung zugeführt.
Es ist auch vorgeschlagen worden, vom Verdichter kommende Kühlluft am inneren Ende den Leit- schaufeln der Turbine zuzuführen; dadurch würde der Turbinenläufer gegen die Heissgase abgeschirmt (Schirmkühlung). Da die Kühlluft aber kälter ist als die Heissgase, ist ihre Strömungsgeschwindigkeit klei ner als diejenige der Heissgase und passt nicht zur Schaufelung der Turbine; es wurde daher schon vor geschlagen, das innere Laufschaufelende der Kühl luftströmung anzupassen, was aber eine erheblich ver teuerte Schaufelherstellung verursacht.
In allen Fällen vermag aber die in die Turbine geleitete Kühlluft die Verdichterarbeit nicht aufzubringen, und daher sin ken Leistung und Wirkungsgrad der Turbinen.
Es ist auch vorgeschlagen worden, den Tur binenläufer und seine Schaufelung mit Wasser zu kühlen; es wird aber dadurch die Betriebssicherheit gefährdet.
Es sind besonders der Schaufelträger und die darin sitzenden Schaufelfüsse des Turbinenläufers empfindlich gegen zu hohe Temperaturen. Für einen sicheren Betrieb ist man auf ferritisches Material angewiesen, welches aber für Temperaturen über 650 C kaum zulässig ist.
Die vorliegende Erfindung vermeidet obige Nach teile. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung Dampf verwendet wird, welcher durch Wärmeaustausch mit den Tur- binenabgasen erzeugt und der Turbinenschaufelung zugeführt wird.
Der Dampfdruck kann niedrig gehalten werden, z. B. unter 20 ata und die Temperatur unter 400 C. Der Dampf wird z. B. dem inneren bzw. dem äusseren Ende der Leitschaufeln der ersten Turbinenstufe zu geleitet. Die Kühlwirkung des Dampfes ist grösser als diejenige von Luft; zudem ist keine Verdichter arbeit zu leisten.
Es ist zwar bekannt, mit den Abgasen Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf wird aber bei den bekann ten Ausführungen nicht zur Kühlung der Turbinen- schaufelung zugeleitet, sondern dem Brennraum.
Der beim erfindungsgemässen Verfahren angewen dete Kühldampf expandiert in den einzelnen Tur binenstufen auf den Druck der Arbeitsgase der Tur bine, und es zeigt sich, dass bei richtiger Wahl von Dampfdruck und Temperatur, die Geschwindigkeiten des expandierten Dampfes unwesentlich von den jenigen der Gase abweichen. Der Kühldampf schirmt innen den Läufer mit den Schaufelfüssen, aussen die Leitschaufelfüsse und das Gehäuse von den Heiss gasen ab.
Im folgenden ist an Hand der beiliegenden Zeich nung, die schematisch Ausführungsbeispiele von Gas turbinenanlagen mit erfindungsgemässer Schaufel kühlung zeigt, näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 im Axialschnitt einen Teil eines ersten Beispiels einer Gasturbinenanlage mit Dampfkühlung, Fig. 2 ein Schema einer Anlage nach Fig. 1, Fig. 3 im Axialschnitt einen Teil eines zweiten Beispiels einer Anlage mit Dampfkühlung,
Fig. 4 ein Schema einer Anlage nach Fig. 3, Fig. 5 schematisch einen Axialschnitt durch eine Gasturbine mit Dampfkühlung und mit Auffangen und Ableiten des Kühldampfes und Fig. 6 das Schema einer mit Dampfturbine kom binierte Anlage mit Gasturbine nach Fig. 5.
In Fig. 1 ist 1 das Turbinengehäuse und 2 der Läufer der Turbine. In das Gehäuse 1 ist ein Ein- strömgehäuse 3 eingesetzt; zwischen den beiden Ge häusen 1 und 3 ist ein Zwischenraum 4 belassen. In das Gehäuse 5 ist ferner eine konische, stromabwärts mit grösserem Durchmesser ausgebildete Wand 5 ein gebaut, an welcher die Leitschaufeln 6a bis 6n der Turbine befestigt sind. Die mit ihren Füssen im Träger des Läufers 2 befestigten Laufschaufeln der Turbine sind mit<I>7a</I> bis 7n bezeichnet.
Im Gehäuse 1 ist ein dem ersten Leitschaufelkranz vorgeordneter Ring raum 9 vorgesehen, dem durch einen Zuführkanal 8 Kühldampf zugeführt wird, der aus dem Ringraum 9 in den Arbeitskanal der Turbine gelangt und dort über das innere Ende der Leit- und Laufschaufeln durch die einzelnen Turbinenstufen strömt. Der zur Kühlung benützte Dampf gelangt dann in ein eine Fortsetzung des Turbinengehäuses 1 bildendes Aus- strömgehäuse 10.
Wie ersichtlich, schirmt der Kühl dampf die Aussenfläche des Laufschaufelträgers und die Laufschaufelfüsse gegen die gleichzeitig durch die Turbine strömenden Heissgase ab. Die Eintritts temperatur des Heissgases kann z. B. 650 C und die Eintrittstemperatur des Kühldampfes in den Ring raum 9 300 C betragen. Unter Berücksichtigung die ser Temperaturen wird der Kühldampf beim ge zeichneten Beispiel nur dem radial innersten Teil des Arbeitskanals der Turbine zugeführt.
Die die Leit- schaufeln 6a bis 6n tragende konische Wand 5 wird auf ihrer Aussenseite in an sich üblicher Weise durch dem nichtgezeichneten Verdichter der Anlage entnommene Druckluft gekühlt; dieser Luftzufuhr dient eine Lei tung 11, wobei die Kühlluft nach Bestreichen der Wand 5 durch Öffnungen 12 im Gehäuse 1 dem Zwischenraum 4 zugeführt wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Anlage besitzt einen Ver dichter 13, der mit dem Brennraum 14 in Verbindung steht, aus welchem die Heissgase zur Turbine 15 gelangen. Mit 11 ist auch hier die der Wand 5 der Turbine Kühlluft vom Verdichter 13 zuführende Lei tung bezeichnet. Die Abgase der Turbine 15 durch strömen einen Abhitzekessel 16, in welchem Kühl dampf erzeugt wird. Aus diesem Abhitzekessel 16 gelangt der Kühldampf durch die Leitung 8 in den in Fig. 1 gezeigten Ringraum 9 der Turbine 15.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Gasturbine, deren Aus bildung im übrigen jener nach Fig. 1 entspricht, wird der Kühldampf durch eine Leitung 8a einem ersten radial inneren Ringraum 9a und durch eine Leitung 8b einem zweiten, radial äusseren Ringraum 9b zu geführt. Da in diesem Fall auch das Gehäuse 1 durch den Kühldampf wirksam gekühlt wird, sind hier die Leitschaufeln 6a bis 611 direkt am Gehäuse 1 be festigt und die Wand 5 des erstbeschriebenen Bei spiels fällt weg. Der auch hier vorhandene Zwischen raum 4 kann analog dem erstbeschriebenen Beispiel durch vom Verdichter abgezweigte Druckluft oder durch Kühldampf gekühlt werden.
Da der Kühldampf den radial inneren und äusseren Teilen der Leit- und Laufschaufeln zugeführt wird, kann das zwischen Leitschaufeln und Laufschaufelträger 2 und zwischen Laufschaufeln und Gehäuse notwendige Spiel grösser als üblich gewählt werden. Die Eintrittstemperatur der Heissgase kann z. B. 800 C betragen.
Werden nicht alle Abgase der Turbine dem Ab hitzekessel 16 zugeleitet, oder soll dort nur ein Teil der Abgaswärme ausgenützt werden, so kann - ein Teil in einem Wärmeaustauscher zur Vorwärmung der Verdichterluft dienen. Es wird dann zwar weni ger Zusatzleistung in der Turbine erzeugt, aber der Abhitzekessel kann kleiner gewählt werden, und der Wirkungsgrad der Anlage steigt dank dem Wärmeaus tausches.
In Fig. 4 ist das Schema einer Anlage mit Wärmeaustausches 17 dargestellt; die vom Verdich ter 13 kommende Luft wird im Wärmeaustausches 17 vorgewärmt, der seinerseits mit den aus der Turbine 15 kommenden Abgasen auf deren Weg zum Abhitze- kessel 16 beschickt wird. Die den Kühldampf füh rende Leitung 8 kann gemäss Fig. 1 in einen einzigen Ringraum 9 oder gemäss Fig. 3 über Zweigleitungen <I>8a, 8b</I> zwei Ringräume 9a, 9b zur Kühlung der Turbinenschaufelung zugeführt werden.
Bei Zu grundelegung der bei Gasturbinen heute üblichen Gaseintrittstemperaturen kann eine solche Anlage eine Leistungssteigerung bis zu 25%, oder unter Berücksichtigung der nun möglichen höheren Gas eintrittstemperaturen 50 ö und mehr betragen.
Anstatt einen Teil der Abwärme der Turbine einem der Luftvorwärmung dienenden Wärmeaustau sches zuzuführen, kann die Abwärme ausschliesslich im Abhitzekessel 16 zur Dampferzeugung ausgenützt werden; der nicht zur Kühlung benötigte Dampf kann als Heizdampf oder zur Warmwassererzeugung ausser halb der Anlage verwendet werden.
Die zur Speisung des Abhitzekessels 16 benötigte Wassermenge ist klein; sie beträgt z. B. nur etwa 5 ö der einem Verdichter mit Kühlung zuzuführenden Wassermenge, und es genügt im allgemeinen die Wassermenge, welche die Lagerkühlung der Anlage erfordert. Da das spezifische Gewicht des Kühl dampfes nur wenig grösser ist als dasjenige der Gase, strömt kein Gas im Arbeitskanal der Turbine in den Dampfstrom, so dass mindestens der grössere Teil des die Turbine durchströmenden Kühldampfes am Turbinenauslass aufgefangen und abgeleitet wer den kann. Führt man diesen Dampf einer Dampf turbine zu, so kann durch Erzeugung zusätzlicher Leistung der Wirkungsgrad der Anlage weiter erhöht werden.
Zwar wird in diesem Fall ein Kondensator benötigt, doch da die in der Dampfturbine Arbeit leistende Dampfmenge relativ klein ist, bleibt auch die Dampfverwertungsanlage klein.
In Fig.5 ist schematisch eine Gasturbine mit Dampfkühlung gezeigt, bei welcher der Kühldampf am Turbinenauslass aufgefangen und weggeleitet wird. Zu diesem Zweck ist an das Austrittsgehäuse der Turbine ausser mit einem Diffusor 18 für den Abgas- Strom mit einem separaten Diffusor 19 für den Abdampfstrom versehen. Das von der Turbine ab gekehrte Ende des Dampfdiffusors 19 ist geschlossen, wobei eine seitlich in diesen Diffusor mündende Lei tung 20 den Abdampf wegführt.
Fig. 6 zeigt das Schema einer Gasturbinenanlage mit in einer Dampfturbine ausgenütztem Kühldampf; im übrigen entspricht die Anlage jener nach Fig. 4. Auch hier wird im Abhitzekessel 16 Kühldampf er zeugt, welcher durch die Leitung 8 der Turbinen schaufelung-,zugeführtwird. Der Kühldampf aus der Turbine gelangt durch die Leitung 20 zur Dampf turbine 21, von wo der Abdampf zum Konden sator 22 gelangt. Das Kondensat wird durch eine Lei tung 24 dem Abhitzekessel 16 zugeführt; das Kon densat könnte z. B. auch durch Dampf z. B. aus der Dampfturbine 21 vorgewärmt werden.
Der Dampfdruck im Abhitzekessel 16 kann auch grösser gewählt werden, als derjenige des Kühldamp fes. Der erzeugte Dampf wird dann vorerst einer Dampfturbine zugeleitet, wo er auf den Druck des Kühldampfes expandiert und der Gasturbine zuge führt wird.
Nach Durchströmen der Gasturbine könnte der Kühldampf auch abgefangen und einer Niederdruck- Dampfturbine zugeführt werden, wo er z. B. auf einen Enddruck von 0,04 ata expandieren und wei tere Arbeit leisten kann. In diesem Fall ist ein Kondensator vorzusehen.
Nach Expansion in einer Hochdruck-Dampf- turbine kann nur ein Teil des erzeugten Dampfes als Kühldampf in die Gasturbine geleitet werden. Der Rest kann zu Wärmezwecken Verwendung finden oder in einer Dampfturbine weiter expandieren; so fern dieser Dampf auf Vakuum expandiert, kann der Kühldampf nach Durchströmen der Gasturbine dieser Dampfturbine zur Arbeitsleistung zugeführt werden. Die verschiedenen Dampfturbinen können zu einer Einheit zusammengebaut sein. Mit einer solchen Anlage kann die grösste Leistung und ein sehr hoher Wirkungsgrad, z.
B. 40 ö und mehr, erzielt werden, derselbe entspricht dem Wirkungsgrad der Diesel motoren und der modernen Höchstdruck-Dampf- anlagen. Dabei sind nur Dampfdrücke von weniger als 20 ata nötig und Temperaturen von weniger als 400 C.
Die vorliegende Erfindung kann bei allen Gas turbinensystemen mit offenem Arbeitsprozess Anwen dung finden. Zusammenfassend lassen sich folgende Vorteile einer Anlage mit erfindungsgemässer Tur- binenschaufelkühlung anführen: Der Dampf leistet zusätzlich Arbeit; Leistung und Wirkungsgrad der Turbine steigen, der Entste hungspreis pro KW Nutzleistung sinkt.
Zufolge der wirksamen Kühlung des Läufers und des Gehäuses kann die Gastemperatur über heute zulässige Werte gesteigert werden, wodurch Leistung und Wirkungsgrad der Anlage nochmals erhöht werden. Zufolge der guten Kühlung kann billigeres, ferriti- sches Material für den Läufer und das Gehäuse ver wendet werden, wodurch die Betriebssicherheit er höht und die Gestehungskosten gesenkt werden.
Das Spiel zwischen den rotierenden und festste henden Teilen der Turbine kann grösser gewählt wer den als heute üblich, da der durch den Spalt strö mende Kühldampf als Dichtung wirkt, wodurch die Betriebssicherheit weiter-- erhöht wird.