DE102007017973A1

DE102007017973A1 - Dampfgekühlte Turbinenummantelung mit geschlossenem Kreislauf

Info

Publication number: DE102007017973A1
Application number: DE102007017973A
Authority: DE
Inventors: Tagir Nigmatulin; Iain Robertson Kellock; Charles A. Bulgrin; Stephen William Tesh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: JP4477032B2; DE102007017973B4; KR20070100647A; CN101050713A; JP2007278290A; CN101050713B; KR101289592B1; US20070237647A1; US7448850B2

Abstract

Ummantelungs-Bausatz (100) mit geschlossenem Kreislauf für eine Gasturbine. Der Ummantelungs-Bausatz (100) kann einen Ummantelungskorpus (110), eine Abdeckplatte (120), einen Einlass (130), der durch die Abdeckplatte (120) zu dem Ummantelungskorpus (110) führt, einen gewundenen Durchlass (180) durch den Ummantelungskorpus (110) sowie einen Auslass (140), der vom Ummantelungskorpus (110) zur Abdeckplatte (120) führt, umfassen.

Description

TECHNISCHES FACHGEBIET
Die vorliegende Anwendung betrifft allgemein die Kühlung von Turbinenummantelungen, und insbesondere bezieht sie sich auf eine dampfgekühlte Innenummantelung mit geschlossenem Kreislauf bei einer Gasturbine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die heißen Gase in einer Gasturbine können oft eine Temperatur erreichen, die über dem Schmelzpunkt der Materialkomponenten liegt. Im Allgemeinen werden segmentäre, gekühlte stationäre Ummantelungen benötigt, um den heißen Gasweg außerhalb der Spitzen der rotierenden Turbinenrotorschaufeln zu begrenzen. Daher ist es notwendig, ein Kühlungssystem einzurichten, das den Schutz dieser Komponenten während des Betriebs sicherstellt.
Die Kühlung von Turbinenummantelungen erfolgt oft durch Ableitung, Prallkühlung, Filmkühlung oder eine Kombination von diesen. Ein Kühlsystem wird in dem gemeinsamen US-Patent Nr. 6.390.769 gezeigt. Wie aufgezeigt wird, wird bei dieser Ummantelung eine Reihe von vier prallgekühlten Kammern benutzt. Jede Kammer verfügt über ein Strömungsführungsblech, das an das innere Ummantelungs-Gussteil angeschweißt ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann der Weg und die Verteilung des Dampfkühlmittels reguliert werden, so dass es auf die Rückseite der Gaswegwand gesprüht und gesammelt werden kann, was dann in jeder der Kammern wiederholt werden kann. Obwohl dieses Verfahren eine effektive Kühlung ermöglicht, besteht die Ummantelung aus einer Vielzahl von Teilen mit den jeweils dazugehörigen Produktionsprozessschritten. Das US-Patent Nr. 6.390.769 ist hier als Referenztext mit eingeschlossen.
Folglich besteht ein Bedarf an einer verbesserten Innenummantelung, welche eine effektive Kühlung bei vereinfachten Produktionsverfahren und -techniken ermöglicht. Dabei sollte die Ummantelung die allgemeine Leistungsfähigkeit der Turbine als Ganzes nicht herabsetzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher beschreibt die vorliegende Anwendung einen Innenummantelungs-Bausatz mit geschlossenem Kreislauf für eine Gasturbine. Der Ummantelungs-Bausatz kann einen Ummantelungskorpus, eine Abdeckplatte, einen Einlass, welcher durch die Abdeckplatte zum sUmmantelungskorpus führt, einen gewundenen Durchlass durch den Ummantelungskorpus sowie einen Auslass umfassen, der vom Ummantelungskorpus zu der Abdeckplatte führt.
Ferner kann der Ummantelungs-Bausatz eine Innenbeschichtung umfassen, welche auf den Ummantelungskorpus aufgetragen wird. Die Innenbeschichtung kann aus mehreren Keramik- und Metallschichten bestehen. Die Innenbeschichtung kann eine Temperaturgrenze-Beschichtung einschließen, durch welche vermieden wird, dass der Ummantelungs korpus direkt heißem Gas ausgesetzt wird, wobei dies eine Plasmasprayanwendung beinhalten kann.
Der Ummantelungskorpus kann ein einzelnes kristallines Superlegierungs-Metall oder ein gleichgerichtetes Superlegierungs-Metall auf Nickelbasis enthalten. Der Ummantelungskorpus wird mit Hilfe eines Innenkern-Gussteils hergestellt. Der Ummantelungskorpus kann Einlass- und Auslasseinhöhlungen für den Dampf aufweisen. Die Abdeckplatte kann eine Legierung auf Kobaltbasis umfassen.
Der gewundene Durchlass kann mehrere Windungen von etwa neunzig Grad aufweisen. Der gewundene Durchlass kann eine vorherbestimmte Größe aufweisen, so dass darin ein reibungsloser und gut verteilter Dampffluss gewährleistet wird, und er kann auch aus mehreren parallelen Wegen bestehen. Der gewundene Durchlass kann mehrere sich darin befindende Turbulatoren umfassen.
Die vorliegende Anwendung beschreibt ferner einen Innenummantelungs-Bausatz mit geschlossenem Kreislauf für eine Gasturbine. Der Ummantelungs-Bausatz kann einen Ummantelungskorpus, eine Abdeckplatte, einen durch die Abdeckplatte zum Ummantelungskorpus führenden Einlass, und einen gewundenen Durchlass durch den Ummantelungskorpus umfassen. Der gewundene Durchlass kann eine Vielzahl von Windungen von ungefähr neunzig Grad aufweisen.
Der gewundene Durchlass kann eine vorherbestimmte Größe haben, die einen reibungslosen und gut verteilten Dampffluss darin gewährleistet, und er kann auch aus mehreren parallelen Wegen bestehen. Der gewundene Durchlass kann mehrere darin enthaltene Turbulatoren umfassen.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anwendung werden einer Person mit gewöhnlichen Kenntnissen auf diesem Gebiet bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden, wenn diese im Zusammenhang mit den Zeichnungen und den angehängten Patentansprüchen gelesen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ummantelungs-Bausatzes, wie er hier beschrieben wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Innenummantelungs-Gussteils, wie es beim Ummantelungs-Bausatz von 1 verwendet wird.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Innenkerns, welcher benutzt wird, um den Durchgang des inneren Ummantelungs-Gussteils von 2 zu schaffen.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Innenkerns, der in 3 gezeigt wird.
5 ist eine perspektivische Schnitt-Ansicht des Ummantelungs-Bausatzes von 1, die den Durchgang zeigt, der mit Hilfe des keramischen Kerns von 3 und 4 geschaffen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Verweis auf die Zeichnungen, in denen sich dieselben Ziffern durchgehend auf dieselben Elemente beziehen, illustriert 1 ein Ummantelungs-Bausatz 100, wie er hier beschrieben wird. Der Ummantelungs-Bausatz 100 kann um eine konventionelle Rotorschaufel der ersten Stufe oder einer ähnlichen Art von vorderer Turbinenstufe positioniert sein. Der Ummantelungs-Bausatz 100 kann mit einer Turbinengehäuse-Schnittstelle und einer Hakendüsen-Schnittstelle oder einem Außenummantelungsgehäuse (nicht gezeigt) verbunden werden. Obwohl hier Dampf als eingesetztes Kühlmedium beschrieben wird, kann der Ummantelungs-Bausatz 100 in Verbindung mit jeder beliebigen Art von Kühlmedium verwendet werden.
Der Ummantelungs-Bausatz 100 kann einen Innenummantelungs-Korpus 110, eine Innenbeschichtung 120 und eine Abdeckplatte 200 umfassen. Der Ummantelungskorpus 110 kann aus einem einzigen kristallinen Superlegierungs-Metall, einem gleichgerichteten Superlegierungs-Metall auf Nickelbasis oder ähnlichen Materialtypen bestehen, die gute metallurgischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweisen. Der Ummantelungskorpus 110 kann durch Gussverfahren hergestellt werden, bei denen ein keramischer Innenkern 170 benutzt wird, um einen inneren Fließweg 180 zu schaffen. Die Innenbeschichtung 120 kann sowohl aus keramischen als auch aus metallischen Schichten oder ähnlichen Arten von Materialien bestehen, die lange Zeit bei sehr hohen Temperaturumgebungen überstehen und eine Temperaturgrenze zwischen Ummantelungskorpus 110 und dem heißen Gas bilden können. Die Abdeckplatte 200 kann aus Superlegierungs-Metallen bestehen, die sich durch überle gene Abnutzungseigenschaften auszeichnen, wie z. B. Legierungen auf Kobaltbasis, wobei sie durch Gussverfahren hergestellt oder ganz und gar durch maschinelle Verarbeitung geformt werden können. Der Ummantelungskorpus 110 und die Abdeckplatte 200 können mit Hilfe von Elektronstrahlenschweißung, Hartlötung oder ähnlichen Techniken verbunden werden. Die Innenbeschichtung 120 kann als Hochtemperatur-Plasmaspray aufgetragen werden. Der Einsatz der Innenbeschichtung 120 ist optional.
Die Abdeckplatte 200 kann einen Dampfeinlassport 130 und einen Dampfauslassport 140 umfassen. Ebenso kann der Ummantelungskorpus 110 eine Dampfeinlass-Einhöhlung 150, welche im Austausch mit dem Dampfeinlassport 130 der Abdeckplatte 200 steht, und eine Dampfauslass-Einhöhlung 160 umfassen, die im Austausch mit dem Dampfauslassport 140 der Abdeckplatte 200 steht. Die Dampfeinlass- und Dampfauslass-Einhöhlungen 150, 160 des Ummantelungskorpus 110 führen wiederum zu dem inneren Fließweg 180, der unter Benutzung des keramischen Innenkerns 170 als integrierter Bestandteil in den Ummantelungskorpus 110 gegossen ist. Wie oben beschrieben, wird der Fließweg 180 darin geformt, nachdem der keramische Innenkern 170 im Zuge eines Einlage-Gussprozesses entfernt worden ist.
Wie gezeigt wird, weist der Fließweg 180 zu einem großen Teil eine gewundene Form auf und kann viele parallele Wege umfassen, damit das Kühlmittel gleichzeitig fließen kann. Der Fließweg 180 weist eine Anzahl von Windungen von ungefähr neunzig Grad (90°) auf, die sich an den vorderen und hinteren Enden des Ummantelungskorpus 110 befinden, so dass das Kühlmittel fast bis zu den vorderen und hinteren Rändern fließen kann. Diese Windungen umfas sen mehrere Drehschaufeln 185, die einen reibungslosen und gut verteilten Dampffluss durch ebendiese Windungen erleichtern. Der Fließweg 180 kann auch eine Größe aufweisen, die einen hohen Konvektionskoeffizienten für den durch ihn hindurchfließenden Dampf schafft, wobei gleichzeitig eine kompakte Durchgangshöhe geschaffen wird. Außerdem erleichtert dieser kompakte Fließweg 180 eine leichte und störungsfreie Führung des Fließwegs vorwärts und nach hinten unter die Haken Der Fließweg 180 kann mehrere darin positionierte Turbulatoren 190 aufweisen. Jede beliebige Anzahl von Turbulatoren 190 kann benutzt werden. Die Turbulatoren 190 verbessern die Hitzeübertragungseigenschaften des Dampfkühlmittels. Die Verwendung der Turbulatoren 190 ist optional.
Bei der Anwendung sind der Dampfeinlass 130 und der Dampfauslass 140 der Abdeckplatte 200 zentral im Ummantelungs-Bausatz 100 positioniert, um eine Beeinträchtigung durch die vorderen und hinteren Haken zu vermeiden. Die gewundene Form des Fließwegs 180 erlaubt den gleichzeitigen Fluss des Kühlmittels vorwärts und rückwärts über den zentralen Bereich des Ummantelungs-Bausatzes 100, während sie auch die Leitung des Dampfes in und aus eben diesem zentralen Bereich ermöglicht. So fließt der Dampf durch den Dampfeinlassport 130 der Abdeckplatte 200, den Dampfeinlassport 150 des Ummantelungskorpus 110, durch den Fließweg 180, und wieder hinaus durch die Dampfauslass-Einhöhlung 160 und den Dampfauslassport 140, so dass eine konvektive Kühlung ohne Dampfverlust gewährleistet wird. Tests weisen darauf hin, dass der Ummantelungs-Bausatz 100 während der Anwendung keinen wesentlichen Druckver lust hervorruft, während er auch weiterhin eine effektive Kühlung liefert.
Der Ummantelungs-Bausatz 100 kann bei den vorderen Stufen einer Gasturbine und in Kombination mit einer Vorrichtung (wie z. B. einer Dampfturbine) benutzt werden, so dass aus der Wärmeenergie, die während der Kühlung der Ummantelung übermittelt wird, Arbeit gewonnen werden kann. Folglich kann dieser Dampf in Form eines geschlossenen Kreislaufs zur Ummantelung zurückgeleitet werden, so dass er als Kühlmittel wiederverwendet werden kann. Beispielsweise kann der Ummantelungs-Bausatz 100 bei einer dampfgekühlten 9H Turbine mit kombiniertem Zyklus, wie sie von der General Electric Corporation von Schenectady, New York, verkauft wird, oder bei ähnlichen Gerätetypen eingesetzt werden.
Es sollte deutlich geworden sein, dass das zuvor Gesagte sich lediglich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung bezieht und dass einer Person mit gewöhnlichen Kenntnissen auf diesem Gebiet zahlreiche Veränderungen und Modifikationen daran vornehmen könnte, ohne dass dabei eine Abweichung von der generellen Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung, wie sie durch die nachfolgenden Patentansprüche und Entsprechungen dazu definiert werden, erfolgt.

100: Ummantelungs-Bausatz
110: Ummantelungskorpus
120: Abdeckplatte
130: Dampfeinlass
140: Dampfauslass
150: Dampfeinlass-Einhöhlung
160: Dampfauslass-Einhöhlung
170: Innenkern
180: Fließweg
185: Drehschaufeln
190: Turbulatoren
200: Innenbeschichtung

Claims

Innenummantelungs-Bausatz (100) für eine Gasturbine, umfassend: einen Ummantelungskorpus (110); eine Abdeckplatte (120); einen Einlass (130), der durch die Abdeckplatte (120) zum Ummantelungskorpus (110) führt; einen gewundenen Durchlass (180) durch den Ummantelungskorpus (110); und einen Auslass (140), der vom Ummantelungskorpus (110) zur Abdeckplatte (120) führt.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Innenbeschichtung (200), welche auf den Ummantelungskorpus aufgetragen (100) wird.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ummantelungskorpus (110) ein einzelnes kristallines Superlegierungs-Metall oder ein gleichgerichtetes Superlegierungs-Metall auf Nickelbasis umfasst.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ummantelungskorpus (110) mit Hilfe eines Innenkern-Gussteils hergestellt wird.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (120) eine Legierung auf Kobaltbasis umfasst.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ummantelungskorpus (110) mit einer Dampfeinlass-Einhöhlung (150) und einer Dampfauslass-Einhöhlung (160) ausgestattet ist.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gewundene Durchlass (180) eine Vielzahl von Windungen von ungefähr neunzig Grad umfasst.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gewundene Durchlass (180) eine Vielzahl von parallelen Wegen umfasst.
Ummantelungs-Bausatz (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gewundene Durchlass (180) eine Vielzahl von sich darin befindenden Turbulatoren (190) umfasst.