CH705512A1 - Gasturbine. - Google Patents

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CH705512A1 CH01500/11A CH15002011A CH705512A1 CH 705512 A1 CH705512 A1 CH 705512A1 CH 01500/11 A CH01500/11 A CH 01500/11A CH 15002011 A CH15002011 A CH 15002011A CH 705512 A1 CH705512 A1 CH 705512A1
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Daniel Seng
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine (20), umfassend einen Verdichter (12), welcher Luft über einen Lufteinlass (11) ansaugt und verdichtet, eine Brennkammer (13), in welcher ein Brennstoff (14) unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt wird und ein Heissgas erzeugt sowie eine mit Turbinenschaufeln (32) ausgestattete Turbine (15), in welcher das Heissgas unter Arbeitsleistung entspannt wird, wobei erste Mittel vorgesehen sind, um Turbinenschaufeln mit verdichteter Kühlluft zu kühlen. Ein verbesserter Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass die ersten Mittel wenigstens eine separate Verdichterstufe (22) umfassen, welche unabhängig von dem Verdichter (12) verdichtete Kühlluft erzeugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbinen. Sie betrifft eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
[0002] Wegen der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen in Gasturbinen ist notwendigerweise ein Grossteil der Lauf- und Leitschaufeln der Turbinen mit Kühlluft zu versorgen. Um eine korrekte Kühlung der Schaufeln zu gewährleisten, ist ein ausreichend hohes Druckverhältnis zwischen Kühlluft und Heissgas im Heissgaskanal nötig. Als Kühlluft wird hauptsächlich Luft an dafür vorgesehenen Entnahmestellen des Gasturbinen-Axialverdichters entnommen. Mit Hilfe verschiedener Leitungssysteme wird diese dann den einzelnen Turbinenschaufeln zugeführt. Ein wichtiger Punkt in der Gasturbinenauslegung ist dabei die richtige Wahl des Druckniveaus der Entnahmestellen passend zu dem benötigten Druckniveau der Turbine an den zu kühlenden Stellen.
[0003] Ein stark vereinfachtes Schema für eine derart gekühlte Gasturbine ist in Fig. 1 wiedergegeben: Die Gasturbine 10 der Fig. 1umfasst einen Verdichter 12, welcher Luft über einen Lufteinlass 11 ansaugt und verdichtet, eine Brennkammer 13, in welcher ein Brennstoff 14 unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt wird und ein Heissgas erzeugt, sowie eine mit Turbinenschaufeln ausgestattete Turbine 15, in welcher das Heissgas unter Arbeitsleistung entspannt und dann über einen Abgasauslass 17 abgegeben wird, wobei zur Kühlung der Turbine 15 verdichtete Kühlluft aus dem Verdichter 12 abgezweigt und über eine Kühlluftleitung 18 der Turbine 15 zugeführt wird. Die Entnahme und Einspeisung kann dabei an verschiedenen Stellen des Verdichters 12 bzw. der Turbine 15 erfolgen. Zur Verringerung der Kühllufttemperatur kann zusätzlich ein Kühler 19 in der Kühlluftleitung 18 angeordnet werden.
[0004] Bei den in Strömungsrichtung hinteren Turbinenstufen herrscht ein eher geringes Druckniveau; des Weiteren sind die thermischen Belastungen meist so gering, dass eine aktive Kühlung dieser Stufen selten nötig ist. Falls doch eine aktive Kühlung der letzten Stufen erforderlich ist, wird aus Kostengründen meistens eine Entnahmestelle an der auf dem nächst höherem Druckniveau arbeitenden aktiv gekühlten Schaufel genutzt. Da dieses Druckniveau aber über dem tatsächlich benötigten liegt und der Druck gedrosselt wird, um die Kühlluftmenge zu minimieren, wird in dieser Hinsicht mehr Arbeit als notwendig bei der Kompression des Fluids geleistet. Diese Mehrarbeit tritt durch die Drosselung des Druckes als Verlust in der Bilanz auf.
[0005] Das Vorsehen einer separaten Entnahmestelle oder die Nutzung einer externen Kühlluftquelle (Verdichter, Ventilatoren etc.) macht in den meisten Fällen aus Kostengründen keinen Sinn.
[0006] Die Druckschrift US 2 578 481 offenbart eine Gasturbine, bei der sich zwischen dem Kompressor und der Turbine ein Zwischengehäuse befindet, in welchem ein radial wirkender Hilfskompressor auf dem Rotor angeordnet ist und unter Druck Kühlluft in das Zwischengehäuse fördert, welche zur Kühlung eines Lagers der Rotorwelle, der Rotorscheibe der Turbine sowie der äusseren Tragringe für die Laufschaufeln dient. Eine Kühlung der Leit- und/oder Laufschaufeln der Turbine durch den Hilfskompressor ist nicht vorgesehen.
[0007] Aus der Druckschrift US 4 005 572 ist es bekannt, bei einer Gasturbine auf der Rückseite eines Turbinenrotors Hilfsschaufeln anzuordnen, um zusätzliche Kühlluft anzusaugen und zusammen mit den Heissgasen in die Turbine einzuleiten. Auch hier ist eine Kühlung der Schaufeln der Turbine durch die Hilfsschaufeln nicht vorgesehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0008] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbine zu schaffen, welche die kühlungsbedingten Nachteile bekannter Gasturbinen vermeidet und sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.
[0009] Diese und andere Aufgaben werden durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
[0010] Die Erfindung geht von einer Gasturbine aus, umfassend einen Verdichter, welcher Luft über einen Lufteinlass ansaugt und verdichtet, eine Brennkammer, in welcher ein Brennstoff unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt wird und ein Heissgas erzeugt, sowie eine mit Turbinenschaufeln ausgestattete Turbine, in welcher das Heissgas unter Arbeitsleistung entspannt wird, wobei erste Mittel vorgesehen sind, um Turbinenschaufeln mit verdichteter Kühlluft zu kühlen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Mittel wenigstens eine separate Verdichterstufe umfassen, welche unabhängig von dem Verdichter verdichtete Kühlluft erzeugt.
[0011] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe in Strömungsrichtung hinter der Turbine angeordnet ist.
[0012] Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine einen Rotor bzw. eine Welle aufweist, und dass die wenigstens eine Verdichterstufe in den Rotor bzw. die Welle integriert ist.
[0013] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Verdichterstufe als Radialverdichter ausgebildet.
[0014] Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Verdichterstufe in Strömungsrichtung unmittelbar hinter der letzten Turbinen-Laufschaufel angeordnet ist, dass die wenigstens eine Verdichterstufe aus einem Rotorlager-Plenum einen Kühlluft-Massenstrom ansaugt, und dass die wenigstens eine Verdichterstufe einen Hauptmassenstrom verdichteter Kühlluft zur Kühlung an die letzte Turbinen-Laufschaufel abgibt.
[0015] Gemäss einer wieder anderen Ausgestaltung gibt die wenigstens einer Verdichterstufe einen Teilmassenstrom verdichteter Kühlluft zur Spülung eines Dichtspalts zwischen Rotor bzw. Welle und einem angrenzenden ortsfesten Teil der Gasturbine ab.
[0016] Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Verdichterstufe ein äusseres Deckband aufweist, und dass der Teilmassenstrom durch eine Austrittsstelle im Deckband abgegeben wird.
[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hauptmassenstrom am Austritt der wenigstens einen Verdichterstufe von der radialen in eine axiale Richtung umgelenkt wird, und wenn der Rotor bzw. die Welle an dieser Stelle mit einem Austrittsradius versehen ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0018] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>ein stark vereinfachtes Schema einer Gasturbine aus dem Stand der Technik, bei der aus dem Verdichter abgezweigte Kühlluft zur Kühlung der Turbine verwendet wird; <tb>Fig. 2<sep>ein zu Fig. 1 vergleichbares Schema für eine Gasturbine gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; <tb>Fig. 3<sep>in einem Ausschnitt einen Längsschnitt durch eine Gasturbine mit in den Rotor integrierter separater Verdichterstufe gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0019] Teil der Erfindung ist die Idee, separate Verdichterstufen auf der Gasturbinenwelle zu integrieren, mit der Hauptaufgabe, explizit nur Kühlluft auf den benötigten Druckniveaus zu generieren. Somit kann man die einzelnen Stufen optimiert auf die Anforderungen der Kühlung auslegen und braucht bei der Verdichtung des Hauptmassenstromes der Verbrennungsluft keine Rücksicht auf die Kühlung zu nehmen. Die Erzeugung des benötigten Druckniveaus kann durch alle verfügbaren Arten von Verdichtern (axial, radial oder diagonal) erfolgen. Denkbar ist auch eine Ausnutzung des Pumpeffektes durch einfache Kanäle am/im Rotor.
[0020] Fig. 2 zeigt in einem zu Fig. 1 vergleichbaren Schema ein (verallgemeinertes) Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gasturbine 20 der Fig. 2hat die gleichen Kernelemente 11-17 wie die Gasturbine 10 der Fig. 1. Anders ist dagegen die Kühlung der Turbine ausgebildet. Zur Erzeugung der verdichteten Kühlluft ist hinter der Turbine 15 eine separate Verdichterstufe 22 auf dem Rotor 16 angeordnet. Die Verdichterstufe 22 erhält Kühlluft aus einer Kühlluftquelle 21 und gibt die verdichtete Kühlluft über eine Kühlluftleitung 23 an die Turbine 15 ab.
[0021] Eine konkrete Ausführungsform einer solchen separaten Verdichterstufe ist in Fig. 3wiedergegeben. Das dort angeführte Beispiel betrifft die Kühlluftzufuhr für die letzte Stufe der Axialturbine einer Gasturbine 30. In das turbinenseitige Ende des Rotors bzw. der Welle 24 ist ein Radialverdichter 25 samt Deckband 26 integriert. Dieser saugt aus einem Rotorlager-Plenum 27 einen Kühlluft-Massenstrom 28 eines niedrigeren Druckniveaus an, der durch die Wirkungsweise des Radialverdichters 25 auf das benötigte höher liegende Druckniveau verdichtet wird.
[0022] Ein Hauptmassenstrom 31 verlässt an einer Umlenkstelle mit einem Austrittsradius 29 den Verdichter und wird dort der Turbinen-Laufschaufel 32 zur Kühlung zugeführt. In dem dargestellten Beispiel wird ein Teilmassenstrom 33 der verdichteten Kühlluft an einer Austrittsstelle 34 des Deckbandes 26 abgezweigt, um einen benachbarten Dichtspalt 35 zwischen einem ortsfesten Teil 37 der Gasturbine 30 und dem Rotor 24 zu spülen und dann in den Abgaskanal 36 der Gasturbine 30 einzutreten.
[0023] Zusätzlich kann der durch den in das Innere der Maschine integrierten separaten Verdichter angesaugte Massenstrom aber auch zur Kühlung jeglicher statischer und/oder rotierender Bauteile (Lagerbereich, Gehäuse und deren Tragstrukturen) eingesetzt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0024] <tb>10, 20, 30<sep>Gasturbine <tb>11<sep>Lufteinlass <tb>12<sep>Verdichter <tb>13<sep>Brennkammer <tb>14<sep>Brennstoff <tb>15<sep>Turbine <tb>16<sep>Rotor <tb>17<sep>Abgasauslass <tb>18, 23<sep>Kühlluftleitung <tb>19<sep>Kühler <tb>21<sep>Kühlluftquelle <tb>22<sep>Verdichterstufe <tb>24<sep>Rotor/Welle <tb>25<sep>Radialverdichter <tb>26<sep>Deckband <tb>27<sep>Rotorlager-Plenum <tb>28<sep>Kühlluft-Massenstrom <tb>29<sep>Austrittsradius <tb>31<sep>Hauptmassenstrom <tb>32<sep>Turbinen-Laufschaufel <tb>33<sep>Teilmassenstrom <tb>34<sep>Austrittsstelle (Teilmassenstrom) <tb>35<sep>Dichtspalt <tb>36<sep>Abgaskanal <tb>37<sep>ortsfester Teil (Stator)

Claims (8)

1. Gasturbine (20, 30), umfassend einen Verdichter (12), welcher Luft über einen Lufteinlass (11) ansaugt und verdichtet, eine Brennkammer (13), in welcher ein Brennstoff (14) unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt wird und ein Heissgas erzeugt sowie eine mit Turbinenschaufeln (32) ausgestattete Turbine (15), in welcher das Heissgas unter Arbeitsleistung entspannt wird, wobei erste Mittel vorgesehen sind, um Turbinenschaufeln (32) mit verdichteter Kühlluft zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel wenigstens eine separate Verdichterstufe (22, 25) umfassen, welche unabhängig von dem Verdichter (12) verdichtete Kühlluft erzeugt.
2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) in Strömungsrichtung hinter der Turbine (15) angeordnet ist.
3. Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (15) einen Rotor bzw. eine Welle (16, 24) aufweist, und dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) in den Rotor bzw. die Welle (16, 24) integriert ist.
4. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) als Radialverdichter (25) ausgebildet ist.
5. Gasturbine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) in Strömungsrichtung unmittelbar hinter der letzten Turbinen-Laufschaufel (32) angeordnet ist, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) aus einem Rotorlager-Plenum (27) einen Kühlluft-Massenstrom (28) ansaugt, und dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) einen Hauptmassenstrom (31) verdichteter Kühlluft zur Kühlung an die letzte Turbinen-Laufschaufel (32) abgibt.
6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) einen Teilmassenstrom (33) verdichteter Kühlluft zur Spülung eines Dichtspalts (35) zwischen Rotor bzw. Welle (16, 24) und einem angrenzenden ortsfesten Teil (37) der Gasturbine (20, 30) abgibt.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdichterstufe (22, 25) ein äusseres Deckband (26) aufweist, und dass der Teilmassenstrom (33) durch eine Austrittsstelle im Deckband (26) abgegeben wird.
8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptmassenstrom (31) am Austritt der wenigstens einen Verdichterstufe (22, 45) von der radialen in eine axiale Richtung umgelenkt wird, und dass der Rotor bzw. die Welle (16, 24) an dieser Stelle mit einem Austrittsradius (29) versehen ist.
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