DE102006010863A1

DE102006010863A1 - Turbomaschine, insbesondere Verdichter

Info

Publication number: DE102006010863A1
Application number: DE200610010863
Authority: DE
Inventors: Helmar Wunderle; Matthias Rothbrust; Peter Graf
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: DE102006010863B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine axial durchströmte Turbomaschine, insbesondere einen Verdichter einer Turbo-Gruppe in einer Kraftwerksanlage, umfassend ein Gehäuse (2), einen im Gehäuse (2) angeordneten Rotor (3), wenigstens einen Leitschaufelträger (10), der wenigstens Leitschaufeln (11) einer letzten Leitschaufelreihe (12) trägt, wenigstens einen Rotorkühlluftpfad (20), der Rotorkühlluft von einer Gehäuseaußenseite (21) zum Rotor (3) führt. DOLLAR A Um das Temperaturniveau des Leitschaufelträgers (10) zu reduzieren, ist der Rotorkühlluftpfad (20) so ausgestaltet, dass die Rotorkühlluft stromauf des Rotors (3) den Leitschaufelträger (10) beaufschlagt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausbildung eines Gehäuses einer axial durchströmten Turbomaschine, insbesondere eines Verdichters einer Turbo-Gruppe in einer Kraftwerksanlage, im Hinblick auf eine Ausnutzung von Rotorkühlluft zur Kühlung eines Leitschaufelträgers.

Ein Verdichter für eine Turbo-Gruppe in einer Kraftwerksanlage wird üblicherweise von einer Gasturbine der Turbo-Gruppe angetrieben, wobei die Gasturbine insbesondere zum Antreiben eines Generators zur Stromerzeugung in einer Kraftwerksanlage dient. Ein solcher Verdichter weist üblicherweise ein Gehäuse und einen darin angeordneten Rotor auf. Während der Rotor Laufschaufelreihen mit Laufschaufeln aufweist, sind am Gehäuse Leitschaufelreihen mit Leitschaufeln angeordnet. Die Befestigung der Leitschaufeln am Gehäuse kann dabei über Leitschaufelträger erfolgen, die mit dem Gehäuse verbunden sind und an denen die Leitschaufeln angebracht sind. Innerhalb des Verdichtergehäuses befindet sich außerdem ein Plenum, in welches die im Verdichter komprimierte und dadurch aufgeheizte Luft nach den Leitschaufeln der letzten Leitschaufelreihe eintritt.

Bei modernen Gasturbinen sind der Rotor und dessen exponierte Komponenten, wie Laufschaufeln und Wärmestausegmente, gekühlt. Hierzu wird der Rotor mit einem Rotorkühlgas, insbesondere mit Kühlluft, versorgt. Diese Rotorkühlluft wird an geeigneter Stelle aus dem Verdichter abgezweigt, erforderlichenfalls rückgekühlt und über wenigstens einen Rotorkühlluftpfad dem Rotor der Gasturbine zugeführt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, den Rotorkühlluftpfad von einer Gehäuseaußenseite durch das Plenum hindurch zum Rotor zu führen. Um innerhalb des Plenums die Rotorkühlluft von der komprimierten erhitzten Verdichterluft zu trennen, wird die Rotorkühlluft in Rohren durch das Plenum geführt.

Üblicherweise bildet der Leitschaufelträger eine Begrenzung des Plenums und ist dadurch einer erhöhten Temperatur- und Druckbelastung durch die komprimierte Verdichterluft ausgesetzt. Da entlang der Leitschaufeln des Leitschaufelträgers eine Verdichtung und Aufheizung der Luft stattfindet, ist der Leitschaufelträger an seinem anströmseitigen Ende gleichzeitig einem erheblich niedrigeren Druck sowie reduzierten Temperaturen ausgesetzt. Entlang des Leitschaufelträgers resultieren daraus ausserdem ein Temperatur- sowie ein Druckgefälle. Hohe Temperaturen bzw. hohe Temperaturdifferenzen haben jedoch nachteiligen Einfluss auf die Festigkeit des Leitschaufelträgers, können außerdem zu bleibenden Deformationen des Leitschaufelträgers führen und haben des weiteren nachteilige Auswirkungen auf die Schaufelspiele. Zu großes Schaufelspiel ermöglicht eine unerwünschte Umströmung der Schaufeln an deren jeweiligen Spitze ohne Energieübertragung zwischen den umströmten Schaufeln und dem Gas. Insoweit reduziert ein unerwünschtes Spiel den Wirkungsgrad des Verdichters.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Turbomaschine, insbesondere für einen Verdichter der eingangs genannten Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die thermische Beanspruchung des Schaufelträgers vermindert und sich durch ein geringeres Schaufelspiel bzw. durch reduzierte Deformationen des Leitschaufelträgers auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die dem Rotor zugeführte Rotorkühlluft zusätzlich zum Kühlen des Leitschaufelträgers zu verwenden. Erreicht wird dies durch eine entsprechende Ausgestaltung des Rotorkühlluftpfads, dergestalt, dass durch Ausbildung eines geeigneten Plenums zwischen Aussengehäuse und Leitschaufelträger die Rotorkühlluft stromauf des Rotors die Aussenseite des Leitschaufelträgers beaufschlägt.

Durch die Kühlung des Leitschaufelträgers kann dieser auf einem reduzierten Temperaturniveau gehalten werden, was zu niedrigeren Temperaturdifferenzen am Leitschaufelträger führt. Hieraus resultiert ein positiver Effekt für die Schaufelspiele, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Beschaufelung und somit des Verdichters führt. Gleichzeitig reduziert die abgesenkte Temperaturdifferenz Festigkeitsprobleme und Verformungen des Leitschaufelträgers und erhöht damit dessen Lebensdauer.

Die Nutzung der Rotorkühlluft zur zusätzlichen Kühlung des Leitschaufelträgers kann dabei mit vergleichsweise geringem Aufwand realisiert werden. Darüber hinaus resultiert daraus nicht zwingend eine stärker überhöhte Temperatur der Rotorkühlluft, zumindest im Vergleich zu der oben geschilderten bekannten Variante, die Rotorkühlluft innerhalb von Rotorkühlluftrohren durch das Plenum zu führen. Denn diese Rohre sind der aufgeheizten Luft des Plenums ausgesetzt, was zwangsläufig zu einer Erwärmung der durch diese Rohre hindurchgeführten Rotorkühlluft führt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann im Gehäuse eine Rotorkühlluftkammer ausgebildet sein, die in den Rotorkühlluftpfad eingebunden ist, und die vom Leitschaufelträger begrenzt ist. Bei dieser Bauweise ist die Aussenseite des Leitschaufelträgers der in die Rotorkühlluftkammer eintretenden Rotorkühlluft ausgesetzt, was zur erwünschten Kühlung des Leitschaufelträgers führt. Gleichzeitig kann in der Rotorkühlluftkammer, die vorzugsweise als Ringkammer ausgestaltet ist, die Rotorkühlluft in Umfangsrichtung über den Leitschaufelträger verteilt werden, um so eine gleichmäßige Kühlung des Leitschaufelträgers zu erzielen.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der im Gehäuse eine Wandstruktur angeordnet ist, welche die Rotorkühlluftkammer begrenzt und von einem stromab der letzten Leitschaufelreihe angeordneten Plenum trennt und über welche der Leitschaufelträger zumindest einenends am Gehäuse abgestützt ist. Auf diese Weise ist die Rotorkühlluftkammer zwischen dem Leitschaufelträger und dem Plenum angeordnet, was im Bereich der Rotorkühlluftkammer zu einer effektiven Isolation des Leitschaufelträgers gegenüber der heißen Verdichterluft des Plenums führt. Die Kühlung des Leitschaufelträgers arbeitet dadurch besonders effektiv.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter im Bereich eines Leitschaufelträgers.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein in der Figur nur ausschnittsweise dargestellter Verdichter 1 umfasst ein Gehäuse 2 und einen darin angeordneten Rotor 3. Der Rotor 3 rotiert um eine Rotationsachse 9 und trägt Laufschaufeln 4 mehrerer Laufschaufelreihen 5, 6, 7 bzw. 8. Der Verdichter 1 ist dabei üblicherweise ein wesentlicher Bestandteil einer Turbo-Gruppe, die neben dem Verdichter 1 üblicherweise noch eine Gasturbine sowie eine Brennkammer umfasst.
Das Gehäuse 2 trägt in seinem Inneren zumindest einen Leitschaufelträger 10. Üblicherweise ist ein derartiger Leitschaufelträger 10 in Umfangsrichtung in wenigstens zwei Segmente unterteilt, was die Montage der geamten Turbo-Gruppe erleichtert. Der Leitschaufelträger 10 trägt zumindest Leitschaufeln 11 einer letzten Leitschaufelreihe 12. Die letzte Leitschaufelreihe 12 ist diejenige, durch welche im Betrieb des Verdichters 1 die vom Verdichter 1 komprimierte und dadurch aufgeheizte Luft zuletzt strömt, also diejenige, durch welche die unter hohem Druck stehende, heiße Luft aus der Beschaufelung des Verdichters 1 austritt. Dementsprechend ist die letzte Leitschaufelreihe 12 benachbart zu einem Plenum 13 angeordnet, das im Gehäuse 2 stromab des Leitschaufelträgers 10 angeordnet ist und von dem aus die komprimierte Luft vorzugsweise einer Brennkammer der Turbo-Gruppe zugeführt wird. Der Leitschaufelträger 10 kann weitere Leitschaufelreihen 14 bis 16 aufweisen. Es ist klar, dass der Leitschaufelträger 10 auch mehr oder weniger als vier Leitschaufelreihen 12, 14 bis 16 tragen kann. Des weiteren können weitere Leitschaufelträger oder Gehäuse 17 vorgesehen sein, die ebenfalls Leitschaufeln 11 von Leitschaufelreihen 18, 19 tragen.
Zur Kühlung des Rotors 3 der Gasturbine und seiner exponierten Komponenten, wie Laufschaufeln 4 und Wärmeschutzsegmente, ist zumindest ein Rotorkühlluftpfad 20 vorgesehen, der in der Figur durch einen Pfeil symbolisiert ist. Dieser Rotorkühlluftpfad 20 führt Rotorkühlluft von einer Gehäuseaußenseite 21 zum Rotor 3. In an sich bekannter Weise kann es sich dabei um rückgekühlte Verdichterluft oder um an einer geeigneten stromauf liegenden Entnahmestelle aus dem Verdichter 1 abgezweigte Luft handeln. Erfindungsgemäß ist nun dieser Rotorkühlluftpfad 20 so ausgestaltet, dass die Rotorkühlluft stromauf des Rotors 3 den Leitschaufelträger 10 beaufschlägt.
Bei der in der Figur wiedergegebenen Ausführungsform ist der Rotorkühlluftpfad 20 so gestaltet, dass die Rotorkühlluft eine Außenseite 22 des Leitschaufelträgers 10 mit der Rotorkühlluft beaufschlagt, wobei die Rotorkühlluft entlang dieser Außenseite 22 des Leitschaufelträgers 10 zumindest in axialer Richtung abströmt.
Bei dieser Ausführungsform ist im Gehäuse 2 außerdem eine Rotorkühlluftkammer 23 ausgebildet. Diese Rotorkühlluftkammer 23 ist an den Rotorkühlluftpfad 20 angeschlossen bzw. in diesen eingebunden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Leitschaufelträger 10 die Rotorkühlluftkanmmer 23 begrenzt. Das heisst, der Leitschaufelträger 10 bildet mit seiner Außenseite 22 einen Wandabschnitt der Rotorkühlluftkammer 23. Vorzugsweise ist die Rotorkühlluftkammer 23 als Ringkammer ausgestaltet, die sich in Umfangsrichtung erstreckt.
Die Rotorkühlluftkammer 23 ist gegenüber dem Plenum 13 abgedichtet bzw. von diesem getrennt. Erreicht wird dies hier mit Hilfe einer Wandstruktur 24, die ebenfalls im Gehäuse 2 angeordnet ist. Auch diese Wandstruktur 24 ist ringförmig ausgebildet und vorzugsweise in zwei Segmente unterteilt. Sie begrenzt die Rotorkühlluftkammer 23 und trennt diese vom Plenum 13.
Mit Hilfe der Rotorkühlluftkammer 23 ist der Leitschaufelträger 10 gegenüber der heissen Luft des Plenums 13 zumindest an seiner Außenseite 22 thermisch isoliert, was zu einer signifikanten Temperaturabsenkung am Leitschaufelträger 10 führt.
Um die Kühlung des Leitschaufelträgers 10 zusätzlich zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, den mindestens einen Einlass 25, durch den die Rotorkühlluft in die Rotorkühlluftkammer 23 einströmt, gegenüber dem mindestens einen Auslass 26, durch den die Rotorkühlluft aus der Rotorkühlluftkammer 23 wieder ausströmt, in Umfangsrichtung versetzt anzuordnen. Auf diese Weise wird eine Umströmung des Leitschaufelträgers 10 in Längs- und Umfangsrichtung erzwungen. Vorzugsweise kann der jeweilige Auslass 26 in der Wandstruktur 24 ausgebildet sein, wodurch die Wandstruktur 24 eine Zusatzfunktion erhält.
Besonders vorteilhaft ist hier außerdem, dass sich der Leitschaufelträger 10 einenends über die Wandstruktur 24 am Gehäuse 2 abstützt. Hierdurch erhält die Wandstruktur 24 eine weitere Zusatzfunktion. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Wandstruktur 24 in den Leitschaufelträger 10 zu integrieren. Des weiteren ist es grundsätzlich ebenso möglich, die Rotorkühlluftkammer 23 vollständig in den Leitschaufelträger 10 zu integrieren.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlung des Leitschaufelträgers 10 ergibt sich eine gleichmäßige Erwärmung bzw. Kühlung des Leitschaufelträgers 10 und somit auch des Gehäuses 2 im Bereich des Leitschaufelträ gers 10, und zwar sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung. Dieses reduzierte und gleichmäßige Temperaturniveau des Leitschaufelträgers 10 führt zu einer signifikanten Verbesserung des Schaufelspiels, was den Wirkungsgrad des Verdichters 1 erhöht. Durch die Kühlung ist der Leitschaufelträger 10 außerdem nur noch reduzierten Temperaturdifferenzen ausgesetzt, was die Festigkeit und somit die Lebensdauer des Leitschaufelträgers 10 verbessert. Gleichzeitig kann die Gefahr von bleibenden Deformationen des Leitschaufelträgers 10 reduziert werden.
Obgleich im vorstehenden Ausführungsbeipiel anhand der Kühlung eines Leitschaufelträgers eines Verdichters beschrieben, so sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Erfindungsgegenstand selbstverständlich nicht darauf beschränkt sein soll. Es liegt im Können eines Fachmanns, die hier anhand eines Verdichters erläuterten Massnahmen auch auf andere Turbomaschinen zu übertragen. Insbesondere ist es ohne weiteres möglich, die offenbarten Massnahmen in analoger Weise zur Kühlung eines Leitschaufelträgers einer Gasturbine anzuwenden.

1: Verdichter
2: Gehäuse
3: Rotor
4: Laufschaufel
5: Laufschaufelreihe
6: Laufschaufelreihe
7: Laufschaufelreihe
8: Laufschaufelreihe
9: Rotationsachse
10: Leitschaufelträger
11: Leitschaufel
12: letzte Leitschaufelreihe
13: Plenum
14: Leitschaufelreihe
15: Leitschaufelreihe
16: Leitschaufelreihe
17: weiterer Leitschaufelträger oder Verdichtergehäuse
18: Leitschaufelreihe
19: Leitschaufelreihe
20: Rotorkühlluftpfad
21: Gehäuseaußenseite
22: Außenseite des Leitschaufelträgers 10
23: Rotorkühlluftkammer
24: Wandstruktur
25: Einlass
26: Auslass

Claims

Axial durchströmte Turbomaschine, insbesondere Verdichter einer Turbo-Gruppe in einer Kraftwerksanlage, zumindest umfassend – ein Gehäuse (2) und einen darin angeordneten Rotor (3), welcher Laufschaufeln (4) wenigstens einer Laufschaufelreihe (5, 6, 7, 8) trägt und um eine Rotationsachse (9) rotiert, – wenigstens einen mit dem Gehäuse (2) verbundenen Leitschaufelträger (10), der Leitschaufeln (11) wenigstens einer Leitschaufelreihe (12) trägt, – wenigstens einen Rotorkühlluftpfad (20), der Rotorkühlluft von einer Gehäuseaußenseite (21) zu dem Rotor (3) führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkühlluftpfad (20) so ausgestaltet ist, dass die Rotorkühlluft stromauf des Rotors (3) den Leitschaufelträger (10) beaufschlägt.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) eine Rotorkühlluftkammer (23) ausgebildet ist, die in den Rotorkühlluftpfad (20) eingebunden ist und die zumindest teilweise vom Leitschaufelträger (10) begrenzt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorkühlluftkammer (23) als Ringkammer ausgestaltet ist und wenigstens einen Einlass (25) für die Rotorkühlluft und wenigstens einen Auslass (26) für die Rotorkühlluft aufweist.
Turbomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einlass (25), durch den die Rotorkühlluft in die Rotorkühlluftkammer (23) einströmt, gegenüber dem wenigstens einen Auslass (26), durch den die Rotorkühlluft aus der Rotorkühlluftkammer (23) ausströmt, in Umfangsrichtung versetzt angeordnet ist.
Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine ein Verdichter 1 einer Gasturbine ist.
Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) eine Wandstruktur (24) angeordnet ist, welche die Rotorkühlluftkammer (23) begrenzt und von einem stromab der letzten Leitschaufelreihe (12) angeordneten Plenum (13) trennt und über welche der Leitschaufelträger (10) zumindest einenends am Gehäuse (2) abgestützt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorkühlluftkammer (23) in den Leitschaufelträger (10) integriert ist.