DE102005013406A1

DE102005013406A1 - Gasturbine mit verbesserter Abscheidung von in der Kühlluft mitgeführten Partikeln

Info

Publication number: DE102005013406A1
Application number: DE200510013406
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abscheiden von im Kühlluftstrom mitgeführten Partikeln vor Eintritt in die rotierende Komponente, insbesondere Laufschaufel, durch welche die Gefahr einer Verstopfung der Kühlluftkanäle und der Kühlluftaustrittsöffnungen in den beteiligten Komponenten vermindert wird, wie sie aus EP 1174589 bekannt ist. Zur weiteren Erhöhung des Abscheidegrads der Fremdpartikel aus dem Kühlluftstrom wird vorgeschlagen, die bekannte Einrichtung dergestalt weiterzuentwickeln, dass der wenigstens eine Verbindungskanal (9) zwischen der ersten Kammer (6) und der zweiten Kammer (8) in Bezug zur Rotationsachse (3) eine Richtung einnimmt, welche sowohl eine in Strömungsrichtung nach außen gerichtete radiale Komponente wie auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung aufweist, und die wenigstens eine Austrittsöffnung (14) zum Austritt der partikelreichen Fraktion (10) des Kühlluftstroms (4) aus der zweiten Kammer (8) in Bezug zur Rotationsachse (3) eine Richtung einnimmt, welche sowohl eine in Strömungsrichtung nach außen gerichtete radiale Komponente wie auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung aufweist, und die wenigstens eine Austrittsöffnung (14) wenigstens annähernd mit der Achse des wenigstens einen Verbindungskanals (9) fluchtet.

Description

Technisches Gebiet
Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Gasturbinen, deren stationäre und rotierende Komponenten durch Kühlluft gekühlt werden, indem ein Kühlluftstrom durch Kanäle im Inneren der beaufschlagten Komponenten geleitet wird und über einen Ringraum von der stationären Turbinenkomponente, insbesondere Leitschaufel, in die rotierende Turbinenkomponente, insbesondere Laufschaufel, übertritt. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abscheiden von im Kühlluftstrom mitgeführten Partikeln vor Eintritt in die rotierende Komponente, insbesondere Laufschaufel, durch welche die Gefahr einer Verstopfung der Kühlluftkanäle und der Kühlluftaustrittsöffnungen in den beteiligten Komponenten vermindert wird.

Für den Betrieb einer Gasturbine spielt die Dauerhaftigkeit der am stärksten beanspruchten Komponenten, insbesondere der Schaufeln eine bedeutende Rolle. Eine gute Kühlung der Schau feln während des Betriebs ist eine der Massnahmen, durch welche eine Dauerhaftigkeit gewährleistet ist. Eine bekannte Methode der Schaufelkühlung ist die Kühlung mittels Verdichterluft, bei der Luft aus dem Verdichter der Gasturbine abgezweigt, erforderlichenfalls rückgekühlt und unter Umgehung der Brennkammer in die zu kühlenden Turbinenkomponenten eingeleitet wird. Dort strömt die Kühlluft durch Kanäle im Inneren der insbesondere Laufschaufeln, wobei sie diese kühlt und sodann durch eine Anzahl von Austrittsöffnungen unter Ausbildung eines schützenden Kühlluftfilms an der Schaufeloberfläche in den Heissgaskanal eintritt. Ein häufig auftretendes Problem bei dieser Art Luftkühlung ist die Verstopfung der Kanäle oder Austrittsöffnungen durch Fremdpartikel, welche aus der Umgebungsluft in den Verdichter gelangen oder infolge Verschleiss oder Abnutzung innerhalb der Maschine der Kühlluft beitreten und sich in den Kanälen und Kühlbohrungen der beteiligten Komponenten ansammeln und dadurch die Kühlluftströmung behindern oder gar blockieren, was zu einem frühzeitigen Verschleiss der betroffenen Komponenten beiträgt.

Eine Einrichtung zur Abscheidung von Fremdpartikeln aus der den Leitschaufeln einer Gasturbine zuzuführenden Kühlluft ist in EP 0 690 202 B1 offenbart. In dem dort diskutierten Fall wird Kühlluft über stationäre Dralldüsen einem zwischen Wandteilen des Turbinenstators und des Rotors begrenzten Ringraum zur Ausbildung einer sich in Umfangsrichtung innerhalb des Ringraumes ausbreitenden Wirbelströmung zugeführt. Die Dralldüsen weisen jeweils eine tangentiale Ausrichtung in Umfangsrichtung ihrer Anordnung innerhalb des Turbinenstators auf, wobei die einzelnen Düsenachsen in der jeweiligen Tangentialebene schräg zur Rotationsachse der Rotoranordnung zur Aus bildung einer Drallströmung innerhalb des Ringraumes, angestellt sind.

Unmittelbar den Dralldüsen in Strömungsrichtung innerhalb des Ringraumes nachgeordnet ist ein im Querschnitt L-förmig ausgebildetes Umlenkblech in den Kühlluftkanal eingebunden, auf dessen vorzugsweise radial zur Rotoranordnung gerichteten, längeren Schenkel die Kühlluft nach Austritt aus den Dralldüsen senkrecht auftritt und radial nach außen abgelenkt wird. Konstruktionsbedingt sieht das Umlenkblech in Bezug auf die Austrittsöffnung der Dralldüsen radial innenliegend eine Totwasserzone vor, in der eine Fremdpartikelansammlung erfolgt, insbesondere durch Ansammlung schwerer bzw. größerer Fremdpartikel.

Nach einer alternativen Ausführungsform ist das Umlenkblech spitzwinklig ausgebildet, wobei die aus den Dralldüsen austretende Kühlluftströmung unter einem Winkel auf den länger dimensionierten L-Schenkel des Umlenkbleches auftrifft, unter dem die Kühlluftströmung wenigstens teilweise radial nach innen abgelenkt wird. In diesem Fall ist davon auszugehen, dass die vorstehend beschriebene Fremdpartikelablagerung verstärkt stattfindet.

EP 1174589 offenbart eine Einrichtung zur Entfernung in der Schaufelkühlluft mitgeführter Partikel, im wesentlichen umfassend eine erste stromaufwärtige und eine zweite stromabwärtige von der Kühlluft nacheinander durchströmte Kammern innerhalb der stationären Turbinenkomponente, vorzugsweise einer Leitschaufel, wobei die Kühlluft beim Durchtritt von der ersten Kammer in die zweite Kammer beschleunigt und in Tangentialrichtung abgelenkt wird, und die zweite Kammer eine radial äussere und eine radial innere Austrittsöffnung derge stalt aufweist, dass infolge der auf die Kühlluftströmung einwirkenden Zentrifugalkräfte eine partikelreiche Fraktion der Kühlluft über die radial äussere Austrittsöffnung aus der zweiten Kammer austritt und eine partikelarme Fraktion über die radial innenliegende Austrittsöffnung austritt. Während die partikelreiche Fraktion in den Heissgaskanal eingeleitet wird, tritt die partikelarme Fraktion über den Ringraum in die Kühlmittelkanäle der nächsten Laufschaufelreihe über. Die Fremdpartikelanreicherung im radial nach außen gerichteten Teilstrom rührt von der auf die Fremdpartikel einwirkenden Zentrifugalkraft her, die sich durch die in Umfangsrichtung geneigte Ausrichtung des Verbindungskanals zwischen den beiden Kammern ausbildet.

Diese Anordnung hat sich an und für sich bewährt. Jedoch hat es sich herausgestellt, dass bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten des Kühlluftstroms die Qualität der Partikelabscheidung nicht befriedigt und ein zu hoher Anteil von Fremdpartikeln in die zu kühlenden Turbinenkomponenten gelangt.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Einrichtung gemäss EP 1174589 in Richtung auf eine weitere Erhöhung des Abscheidegrads der Fremdpartikel aus dem Kühlluftstrom weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Ausführungsarten sind in den abhängigen Ansprüche wiedergegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Anordnung und Ausgestaltung der Kühlluftkanäle im stationären Teil der Turbine dergestalt weiterzubilden, dass die auf die Fremdpartikel einwirkenden Zentrifugal- und Trägheitskräfte optimal für deren Abscheidung ausgenutzt werden und deren Strömung nicht durch plötzliche Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderungen gestört wird.

In an sich bekannter Weise ist die Einrichtung zur Entfernung der Schmutzpartikel im Kühlluftstrom auf dem stationären Teil der Turbine angeordnet und weist einen Zuführkanal auf, welcher die Kühlluft von aussen in die erste Kammer führt. Innerhalb der ersten Kammer erfolgt eine Umlenkung des Kühlluftstroms in Richtung auf die zu kühlende rotierende Komponente. Es besteht mindestens ein Verbindungskanal zwischen der ersten und der zweiten Kammer, wobei die Längsachse dieses Verbindungskanals in Bezug zur Rotorlängsachse sowohl eine radiale Komponente nach aussen hin wie auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung, in der Regel in Rotationsrichtung des Rotors, aufweist.

Die zweite Kammer weist wenigstens zwei Austrittsöffnungen auf, wobei wenigstens eine erste Austrittsöffnung auf einem inneren Radius und wenigstens eine zweite Austrittsöffnung auf einem äusseren Radius angeordnet sind.

Die wenigstens eine radial innenliegende Austrittsöffnung ist mit ihrer Hauptaustrittsrichtung auf Eintrittsöffnungen zu Kühlkanälen einer rotierenden Komponente der Gasturbine, insbesondere einer Laufschaufel, gerichtet, während die wenigstens eine radial aussenliegende Austrittsöffnung eine Hauptaustrittsrichtung aufweist, welche entlang einem Ringraum zwischen den stationären und den rotierenden Turbinenkomponenten in den Heissgaskanal gerichtet ist.

Die Längsachsen der wenigstens zwei Austrittsöffnungen besitzen dabei eine nach aussen gerichtete radiale Komponente und zumindest die radial aussenliegende Austrittsöffnung für die partikelreiche Fraktion des Kühlluftstroms darüber hinaus auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung.

Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, dass der wenigstens eine Verbindungskanal und die wenigstens eine radial aussenliegende Austrittsöffnung derart angeordnet sind, dass der Kühlluftstrom keine plötzlichen Umlenkungen oder Verzögerungen erfährt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform liegen der Verbindungskanal zwischen erster und zweiter Kammer und die radial aussenliegende Austrittsöffnung der zweiten Kammer auf derselben Achse, das heisst, die radial äussere Austrittsöffnung liegt in der Flucht des Verbindungskanals.

Nach einer ergänzenden Ausführungsform ist die dazwischenliegende radial äussere Begrenzungswand der zweiten Kammer im wesentlichen parallel zu dieser Achse orientiert.

Diese Anordnung und Ausgestaltung gewährleistet es, dass die äussere infolge der Wirkung der Zentrifugalkräfte partikelreiche Fraktion des Kühlluftstroms die zweite Kammer entlang ihrer konturbegrenzenden äusseren Wand im wesentlichen ohne Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen durchströmen kann.

Durch die vorstehend beschriebene Anordnung und Ausgestaltung der Kühlluftführung wird die Kühlluft in der ersten Kammer gesammelt und durch einen ersten Druckabfall von der ersten zur zweiten Kammer beschleunigt, wobei die Kühlluft eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Rotorumfangs erhält.

In der zweiten Kammer werden in der Kühlluft enthaltene Fremdpartikel durch Zentrifugalkraft entfernt, indem die Partikel ohne Umlenkung oder plötzliche Verzögerung durch die radial äusseren Austrittsöffnungen aus der zweiten Kammer treten und in den Heissgaskanal strömen, wohingegen die partikelarme Fraktion der Kühlluft innerhalb der zweiten Kammer entgegen der Zentrifugalkraft zu der wenigstens einen radial inneren Austrittsöffnung strömt und von da aus durch den die Komponenten trennenden Ringraum zum Sammelraum der Kühlkanäle von Lauf- oder Leitschaufeln gelangt.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in der zweiten Kammer der Einrichtung die Anzahl der radial innenliegenden Austrittsöffnungen grösser als die Anzahl der radial aussenliegenden Austrittsöffnungen. Der Durchmesser der radial inneren Austrittsöffnungen ist dabei kleiner als der Durchmesser der radial äusseren, wobei letzterer mindestens gleich dem Durchmesser der zu entfernenden Schmutzpartikel sind. Die radial äusseren Austrittsöffnungen dienen nicht nur dem Austritt von Schmutzpartikeln. Darüber hinaus wirkt dieser zum Heissgaskanal hin strömende partikelreiche Teilstrom dem Eindringen von Heissgasen in die Kühlkanäle der Laufschaufeln entgegen.

Nach einer zweckmässigen ergänzenden Ausführungsform ist in der zweiten Kammer jene begrenzende Wand, die sich gegenüber des Verbindungskanals zwischen der wenigstens einen radial inneren und radial äusseren Austrittsöffnung erstreckt, von innen nach aussen in der Richtung der Kühlluftströmung geneigt. Dies erleichtert die Bewegung der Fremdpartikel in radialer Richtung zu der radial äusseren Austrittsöffnung.

Weitere Merkmale und Vorteile ereben sich aus den nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, in der anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Einrichtung zur Entfernung von Fremdpartikeln aus einem Kühlluftstrom für Gasturbinenlaufschaufeln.
Kühlluft wird an geeigneter Stelle aus dem Verdichter der Gasturbine entnommen, erforderlichenfalls rückgekühlt und über eine Leitung der Turbine zugeführt. Fremdpartikel, die aus der Umgebungsluft in den Verdichter gelangt sind oder in der Maschine selbst durch Abrieb oder Abplatzungen entstanden sind, werden im Kühlluftstrom 4 mitgetragen.
Innerhalb des Turbinengehäuses wird der Kühlluftstrom 4 von einem Kanal 5 aufgenommen, welcher die Leitschaufel 1 in Längsrichtung durchzieht und in einer ersten Kammer 6 endet. Dort wird der Kühlluftstrom 4 ungefähr in Richtung der Rotationsachse 3 des Rotors umgelenkt. Eine zweite Kammer 8 befindet sich ungefähr in einer Richtung parallel zur Rotationsachse 2 stromab der ersten Kammer 6. Wenigstens ein Verbindungskanal 9 führt von der ersten Kammer 6 zur zweiten Kammer 8. Dieser Verbindungskanal 9 ist bezüglich der Rotorachse 2 in einem Winkel von 30° bis 60°, insbesondere 45°, radial nach aussen gerichtet und in einem Winkel von 30° bis 80° in Umfangsrichtung gerichtet. Diese Ausrichtung sowie ein Druckabfall zwischen der ersten Kammer 6 und zweiten Kammer 8 bewirken eine Beschleunigung des Kühlluftstroms 2 in tangentialer Richtung. Innerhalb der zweiten Kammer 8 bewegt sich der Kühlluftstrom 4 also in Umfangsrichtung. Durch diese Beschleunigung erhält der Kühlluftstrom 4 eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Es wirkt innerhalb der zweiten Kammer 8 eine Zentrifugalkraft auf den Kühlluftstrom 4, durch die eine Trennung von Fremdpartikeln aus dem Kühlluftstrom 4 erreicht wird. Kühlluft 10 mit schwereren Fremdpartikeln durchströmt die zweite Kammer 8 unter Einfluss der Zentrifugal- und Trägheitskräfte ohne störende Strömungsumlenkung oder Verzögerung entlang der äusseren Begrenzungswand 13 der Kammer 8. Am radial äusseren Ende der zweiten Kammer 8 gelangt die partikelreiche Fraktion 10 des Kühlluftstroms 4 zu der wenigstens einen Austrittsöffnung 12. In der zweiten Kammer 8 ist dabei jene Wand, die dem Verbindungskanal 9 gegenüberliegt, in Richtung der radial aussenliegenden Austrittsöffnung 12 geneigt, wodurch die Lenkung am Rande des Kühlluftstroms mitgeführter Partikel zu der Austrittsöffnung 12 hin weiter unterstützt wird. Dort tritt er durch die Austrittsöffnungen 12 aus der Leitschaufel 1 in den Ringraum 7 aus und gelangt von da weiter radial auswärts in den Heissgaskanal 17.
Innerhalb der zweiten Kammer 8 wird durch Umlenkung entgegen der wirkenden Zentrifugalkraft ein partikelarmer Teilstrom 11 abgezweigt und zu der wenigstens einen radial inneren Austrittsöffnung 14 gelenkt. Dort tritt die partikelarme Fraktion aus der Leitschaufel 1 aus und strömt dem Sammelraum 15 zu den Kühlkanälen 16 der Laufschaufel 2 zu.
In einer bevorzugten Variante ist die wenigstens eine Austrittsöffnung 14 ebenfalls derart orientiert, dass sie eine nach aussen gerichtete radiale Komponente aufweist.
Der Verbindungskanal 9 für den Kühlluftstrom 4 tritt auf einem Radius R1 ungefähr im unteren Drittel aus der ersten Kammer 6 aus und auf einem Radius R2 in die zweite Kammer 8 ein, wobei die Bedingung gilt R2 > R1. Die Austrittsöffnung 12 aus der zweiten Kammer 8 für die partikelreiche Fraktion 10 der Kühlluft 4 ist auf einem Radius R3 angeordnet, wobei R3 > R2 ist. Diese Austrittsöffnung 12 besitzt einen Durchmesser von vorzugsweise 2–3 mm, um auch grössere Fremdpartikel passieren zu lassen. Die Austrittsöffnung 12 dient einerseits der Entsorgung der Fremdpartikel in den Heissgaskanal 17. Darüber hinaus kühlt die von ihnen ausgehende radial auswärts gerichtete Kühlluftströmung zum Heissgaskanal 17 hin die benachbarten Komponenten in dem Ringraum 7 und verhindert gleichzeitig das Eindringen von Heissgasen in die Kühlluftkanäle 16 der Laufschaufeln 2.
Die Austrittsöffnungen 14 für die partikelarme Fraktion 11 der Kühlluft 4 sind auf einem Radius R3 angeordnet, wobei R3 < R1 ist. Dies gewährleistet, dass keine Fremdpartikel direkt von dem Verbindungskanal 9 durch die Austrittsöffnungen 14 in die Kühlkanäle 16 der Laufschaufel 2 gelangen. Diese Austrittsöffnungen 14 besitzen gegenüber den Austrittsöffnungen 12 einen geringeren Querschnitt, aber eine höhere Anzahl. Pro Leitschaufel sind beispielsweise zwei bis drei Austrittsöffnungen 14 für die partikelarme Kühlluft vorhanden.

1: stationäre Komponente, wie Leitschaufel
2: rotierende Komponente, wie Laufschaufel
3: Rotationsachse des Rotors
4: Kühlluftstrom
5: Kanal
6: erste Kammer
7: Ringraum zwischen (1) und (2)
8: zweite Kammer
9: Verbindungskanal von (6) nach (8)
10: partikelreiche Fraktion des Kühlluftstroms
11: partikelarme Fraktion des Kühlluftstroms
12: Austrittsöffnung der partikelreichen Fraktion der Kühlluft
13: radial aussenliegende Wand der Kammer (8)
14: Austrittsöffnung der partikelarmen Fraktion der Kühlluft
15: Sammelraum zu den Kühlluftkanälen in (2)
16: Kühlluftkanal von (2)
17: Heissgaskanal

Claims

Einrichtung zum Abscheiden vom Fremdpartikeln aus einem Kühlluftstrom einer Gasturbine, insbesondere einer solchen für eine Kraftwerksanlage, deren stationäre und rotierende Komponenten (1, 2) mittels Kühlluft gekühlt werden, umfassend einen Kanal (5) in der stationären Komponente (1), welcher die Kühlluft bis in eine erste Kammer (6) der stationären Komponente (1) führt, einen Verbindungskanal (9), welcher die Kühlluft aus der ersten Kammer (6) in eine zweite Kammer (8) der stationären Komponente (1) überleitet und welcher in Umfangsrichtung derart angestellt ist, dass die Kühlluft tangential in die zweite Kammer (8) eintritt, wobei in dieser zweiten Kammer (8) der Kühlluftstrom (4) in einen partikelreichen Teilstrom (10) und in einen partikelarmen Teilstrom (11) getrennt wird, und der partikelreiche Teilstrom (10) über wenigstens eine radial aussenliegende Austrittsöffnung (12) der Kammer (6) in einen Ringraum (7) austritt und von dort in den Heissgaskanal (17) gelangt, und der partikelarme Teilstrom (11) über wenigstens eine radial innenliegende Austrittsöffnung (14) in den Ringraum (7) austritt und von dort in Kühlluftkanäle (16) der rotierenden Komponente (2) eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verbindungskanal (9) zwischen der ersten Kammer (6) und der zweiten Kammer (8) in Bezug zur Rotationsachse (3) eine Richtung einnimmt, welche sowohl eine in Strömungsrichtung nach aussen gerichtete radiale Komponente wie auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung aufweist, und die wenigstens eine Austrittsöffnung (14) zum Austritt der partikelreichen Fraktion (10) des Kühlluftstroms (4) aus der zweiten Kammer (8) in Bezug zur Rotationsachse (3) eine Richtung einnimmt, welche sowohl eine in Strömungsrichtung nach aussen gerichtete radiale Komponente wie auch eine tangentiale Komponente in Umfangsrichtung aufweist, und die wenigstens eine Austrittsöffnung (14) wenigstens annähernd in der Verlängerung der Achse des wenigstens einen Verbindungskanals (9) liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die stationäre Komponente (1) eine Leitschaufel und die rotierende Komponente (2) einer Laufschaufel der Gasturbine ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Verbindungskanals (9) zwischen erster und zweiter Kammer (6) und (8) einen Anstellwinkel von 30° bis 60°, vorzugsweise von 45°, zur Rotationsachse (3) des Rotors einnimmt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial aussenliegende, sich vom Verbindungskanal (9) bis zur Austrittsöffnung (14) erstreckende Begrenzungswand (13) der zweiten Kammer (8) eine Neigung zur Rotationsachse (3) besitzt, welche in etwa derjenigen des Verbindungskanals (9) entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungskanal (9) und Austrittsöffnung (12) auf einer gemeinsamen Achse liegen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (14) für die partikelarme Fraktion (11) des Kühlluftstroms (4) aus Kammer (8) einen Anstellwinkel bezüglich der Rotationsachse von 10° bis 60° nach aussen aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Austrittsöffnungen (14) für die partikelarme Fraktion (11) des Kühlluftstroms (4) eins bis drei beträgt.